吴勇 张玮 易拓 宋勇

摘要：为评价轻度镉（Cd）污染地木薯种植的安全性及木薯种质对Cd积累的差异性，研究了轻度镉污染大田栽培的35份木薯种质对重金属镉的累积特性。结果表明，35份木薯种质组织器官中的Cd积累含量和富集系数均表现为茎>叶>块根;35份木薯种质中，块根（鲜样）Cd含量超过国家薯类作物限量标准（0.1 mg/kg）的有15份。隶属函数评价表明，GR891与NG在镉富集和转运的综合能力方面差异最大，其富集系数和转运系数分别为5.80、7.94、1.12、1.94。综合排名显示，N121生物量和镉提取量都表现最高，分别达91 406 kg/hm2、18.60 g/hm2;ZM8316产量最高，达 45 303 kg/hm2;GR891生物量和产量都表现最低，分别为18 329、10 245 kg/hm2;47-11镉提取量最低，为3.49 g/hm2。

关键词：木薯;种质资源;镉;富集;转运;评价

中图分类号： S533.01  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）10-0095-07

近年来，重金属污染问题一直受到人们高度的关注。据报道，我国土壤重金属污染情况十分严峻，耕地污染面积达 1 000万hm2，占总耕地面积的1/8[1]。据《全国土壤污染状况调查公报》显示，在污染耕地的主要重金属当中，Cd元素污染发生的概率最高[2]。面对我国当前人均耕地不足的情况，土壤的Cd污染化无疑对土地资源的可持续性利用和农作物的安全构成了巨大的威胁[3]。由于重金属Cd在土壤中迁移性强、不稳定性形态比例大、极易被植物吸收富集[4]。同时，Cd是生物毒性最强的重金属元素，虽然以呼吸空气和饮水进入人体的数量极少，但是可通过食物链来危害人的健康[5-6]。湖南属于重金属污染的多发区，报道显示湖南多个地区出现重金属污染的情况。株洲某县域典型矿区的耕地Cd含量点位超标率达98%，且是各重金属污染风险最高的[7]。洞庭湖作为我国第二大淡水湖泊，是湖南省重要的粮、棉、油、鱼生产基地，享有“鱼米之乡”的美誉[8]。在洞庭湖生态风险评估中，镉在各污染物中危害程度最大[9]。木薯是世界三大薯类作物之一，有适应性强、生长快、产量高、耐旱耐瘠、病虫害少等优点，是高效优质的能源作物，也是健康的绿色食粮[10]。近年来，木薯引种湖南栽培的面积不断扩大[11-12]，从产地安全性出发，重金属镉污染的问题严重制约产业的发展与壮大。因此，展开镉污染耕地下木薯栽培方向的研究具有重大的意义。目前，国内外在木薯与镉有关方面的研究主要集中在重金属的生物修复[13]、生物炭应用方面[14]，在生长特性[15]、产地安全性[16]、积累特征[17]等方面也有研究报道，但是有关不同木薯品种对镉积累研究报道甚少，特别是多品种的对比研究尚属空白。因此，本试验研究了35份木薯种质在轻度镉污染大田中的镉积累特性，以期为低镉木薯种质选育及镉污染地的生物修复研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验在湖南农业大学耘园基地进行，土壤基本理化性状：pH值为5.28，有机质含量为24.03 g/kg，阳离子交换量为 8.35 cmol/kg，全镉含量为0.31 mg/kg，有效态镉含量为 0.16 mg/kg，全氮含量为1.32 g/kg，全磷含量为 981.00 mg/kg，全钾（以K计）含量为16.0 g/kg，碱解氮含量为84.48 mg/kg，有效磷含量为39.08 mg/kg，速效钾含量为115.67 mg/kg。全镉含量在GB 15618—1995《土壤环境质量标准》二级标准之间，属于重金属镉（Cd）轻度污染耕地[18]。供试木薯种质材料来源于中国热带农业科学院和广西壮族自治区农业科学院（表1）。

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，小区长15.0 m，宽1.0 m，小区面积为15.0 m2，按行距1.0 m，株距1.2 m种植，即每个小区种植12株（7 995株/hm2），每个种质材料设3次重复（即3个小区），试验周围设有保护行。种植时将健康、没有破损、大小较为均匀的种茎，砍成15～17 cm长的茎段，平放播种，2017年4月1日种植，生长7个月后于2017年11月6日收获。试验前（2017年2月27日）用旋耕机对大田旋耕1次，按要求用起垄机进行起垄，最后用银黑双面地膜覆盖，前一年大田用于木薯试验。

1.3 样品处理与分析

1.3.1 木薯各部位生物量及产量测定 收获期进行各小区木薯生物产量和鲜薯产量测定，按计算后的小区平均产量折算成每1 hm2产量，同时分茎、叶、块根3个部分对植株生物量鲜样进行称质量，然后取块根、茎、叶（含叶柄）混合样各0.5 kg用来分析测试重金属含量等指标。

1.3.2 木薯和土壤重金属Cd的测定 将供试木薯样品先用自来水冲洗，再用蒸馏水洗涤，除去样品表面附着的杂质，分割成块根、茎、叶3个部分，置于烘箱中105 ℃杀青，70 ℃烘干至恒质量，称质量并折算各部分生物量干质量，将样品粉碎备用。土壤按“五点法”取混合样后经风干并过100目筛后备用。

土壤和木薯样品中镉含量委托湖南广电计量检测有限公司测定。木薯样品镉测定参考标准为GB/T 5009.15—2014《食品中镉的测定》;土壤中的镉测定参考标准为GB/T 17141—1997《土壤质量铅、镉的测定 石墨炉原子吸收分光光度法》。

1.3.3 数据分析

生物富集系数=植物某部位重金属含量/土壤重金属总含量;

生物转运系数=植物地上部重金属含量/植物地下部重金属含量;

鲜样Cd含量（mg/kg）=干样中Cd含量×干物率。

木薯镉积累能力评价：利用模糊数学中隶属函数法[19]，分别计算木薯全株镉富集系数、地上部轉运系数（地上与地下镉含量比值）的具体隶属值，并将各种质材料的各隶属值进行累加，求平均值，即得出镉积累综合隶属值，综合评价不同木薯种质材料的镉积累能力。

式中：X为供试木薯种质材料的某一指标系数;Xmin为供试种质材料中某一指标系数的最小值;Xmax为供试种质材料中某一指标系数的最大值。

采用Microsoft Excel进行数据处理和排名评价，采用SPSS 22.0数据处理软件对试验结果进行统计聚类分析和单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同木薯种质材料生物量与产量比较

在轻度镉污染土壤背景下，35份木薯种质资源材料茎、叶、根之间的生物量差异明显（图1）。

茎生物量范围在0.45～4.90 kg/株，平均值为 2.24 kg/株;其中高于平均值的种质资源材料有17个，排名前3位的分别是N121、NG、NAD，其茎生物量分别为4.90、4.50、4.37 kg/株;茎生物量低于平均值的种质资源材料有18个，表现最低的3个种质材料为桂垦09-26、L451、GR891，分别为1.08、0.97、0.45 kg/株。

叶生物量范围在0.56～2.16 kg/株，平均值为 1.31 kg/株;其中高于平均值的种质资源材料有16个，排名前3位的分别是NG、1301、柬引4号，其叶生物量分别为 2.16、2.10、2.09 kg/株;低于平均值的种质资源材料有18个，表现最低的3个种质材料为桂垦09-26、L451、GR891，对应的叶生物量分别为0.75、0.69、0.56 kg/株。

块根生物量范围在1.28～5.66 kg/株，平均值为 2.87 kg/株。其中高于平均值的种质资源材料有16个，排名前3位的分别是ZM8316、M501、N121，其块根生物量分别为5.66、4.59、4.51 kg/株;低于平均值的种质资源材料有19个，表现最低的3个种质材料为NG、GC49、GR891，对应的块根生物量分别为1.74、1.58、1.28 kg/株。

35份木薯种质材料产量和生物量分析结果见图2。各木薯种质资源材料鲜薯产量高于35份种质资源材料平均值（22 963 kg/hm2）的有16种，其中ZM8316产量最高，达 45 303 kg/hm2;低于平均值的有19种，其中GR891产量最低，为10 245 kg/hm2。各木薯种质资源材料生物量高于35份种质资源材料平均值（51 382 kg/hm2）的有18种，其中N121生物量最高，达91 406 kg/hm2;低于平均值的有17种，其中GR891生物量最低，为18 329 kg/hm2。

2.2 不同木薯种质材料Cd积累分析

2.2.1 木薯种质材料各部位中Cd积累量分析 由图3可知，在轻度Cd污染背景下，35份木薯种质材料的各器官对Cd积累差异显著（P<0.05）。木薯的茎对Cd积累的范围和平均值分别为0.43～2.52、1.07 mg/kg，茎中镉积累量最高、最低的种质资源材料分别为GR891、NAD;叶中Cd积累的范围和平均值分别为 0.23～1.43、0.59 mg/kg，叶中镉积累量最高、最低的种质资源材料分别为L451、47-11;块根中Cd积累的范围和平均值分别为0.13～0.35、0.25 mg/kg，块根中镉积累量最高、最低的种质资源材料分别为N229、1301。综合分析，35份木薯种质材料的各器官（干样）镉含量均表现为茎>叶>块根。

2.2.2 木薯種质材料鲜薯中Cd含量分析 由图4可知，35份木薯种质材料中，块根（鲜薯）中镉积累含量最高的种质资源材料为N229，镉积累含量最低的种质资源材料为NAD，最高种质材料是最低种质材料的2.7倍。块根中镉含量超过国家薯类作物限量标准（≥0.1 mg/kg）的种质材料有15份，镉积累含量从高到低分别是N229>SC205>M786>N261>N64>N121>M824>GR891>N92>M714>桂垦09-26>L451>N119>S1>M501，占所有供试材料的42.9%。

2.3 木薯种质资源材料Cd积累评价

2.3.1 不同木薯种质材料Cd积累差异分类 为精准地评价轻度镉污染地种植的35份木薯种质材料对镉积累的差异，以木薯可食用部位即鲜薯（块根）中的镉含量作为聚类分析指标，采用组内平均连锁法进行分析。由图5可知，当欧氏距离为15时，可将供试材料分为3大类。其中，第Ⅰ类有16种，按块根中Cd含量从大到小依次为N229>SC205>M786>N261>N64>N121>M824>GR891>N92>M714>桂垦09-26>L451>N119>S1>M501>GC49（0.098 mg/kg），为高镉积累类群;第Ⅱ类有15份，按块根中Cd含量从大到小依次为SC9>E31>E26>巴引3号>南植199>N228>NG>47-11>ZM8316>新选048>GR8>柬引4号>BRA114685>6068>SC12，为中等镉积累类群;第Ⅲ类有4种，从大到小依次为什寒>广西水果>1301>NAD，为低镉积累类群。

2.3.2 木薯种质资源材料Cd积累类群比较 由表2可知，高镉积累类群，其生物量范围为18 329～91 406 kg/hm2、产量范围在10 245～36 738 kg/hm2、土壤中镉的提取量范围为 4.36～18.60 g/hm2;其中，高镉积累类群中各木薯种质材料器官的镉提取量均表现为茎>根>叶。35份种质材料综合排名中，M501、N121、N229、M786的生物量、产量、全株镉积累量均超过平均值;其中，M501、N121、N229表现突出，其生物量均超过 62 000 kg/hm2、产量均超过30 000 kg/hm2、镉提取量均超过 12 g/hm2，可应用于轻度土壤重金属修复，其可观的产量也可以用于工业乙醇生产。

对于中等积累类群，其生物量范围为36 218～77 479 kg/hm2、产量范围13 927～45 303 kg/hm2、土壤中镉的提取量范围为3.49～14.17 g/hm2;其中，中镉积累类群中各木薯种质材料器官的镉提取量表现为茎>叶、块根。35份种质材料综合排名中，ZM8316、E31、SC9、SC12、BRA114685的生物量、产量、全株镉积累量均超过平均值;其中，ZM8316、E31、SC9表现突出，其生物量均超过57 000 kg/hm2、产量均超过27 000 kg/hm2、镉提取量均超过10 g/hm2，可应用于食用栽培也可应用于轻度镉积累土壤的修复。

对于低镉积累类群，其生物量范围为54 187～66 113 kg/hm2、产量范围在14 167～30 495 kg/hm2、土壤中镉的提取量范围为4.91～7.23 g/hm2;其中，低镉积累类群中各木薯种质材料器官的镉提取量表现为茎>叶、块根。35份种质材料综合排名中，什寒、广西水果、1301的生物量和产量都高于35份木薯种质材料的平均值，但其镉提取量低于平均值。其中，什寒、广西水果生物量均超过54 000 kg/hm2、产量均超过26 800 kg/hm2、镉提取量均低于6.0 g/hm2，可应用于食用栽培。

综合评价可知，35份木薯种质材料中，M501、N121、N229、ZM8316、E31、SC9具有生物量高、产量高、地上部镉积累量高的特点;而什寒、广西水果具有生物量高、产量较高、地上部镉积累量低的特点。对比可知，N121生物量和镉提取量都表现最高，分别为91 406 kg/hm2、18.60 g/hm2;ZM8316产量最高，达45 303 kg/hm2;GR891生物量和产量都表现最低，分别为 18 329、10 245 kg/hm2，47-11镉提取量最低，为 3.49 g/hm2。

2.3.3 木薯种质材料镉积累能力分析 由表3可知，轻度镉污染地背景下，35份木薯种质材料各器官的富集系数均表现为茎>叶>块根;各木薯种质材料的茎、叶、块根富集系数范围和平均值分别为1.40～8.14、3.46，0.74～4.60、1.92，0.43～113、0.79。相比其他种质资源材料，GR891全株富集系数和转运系数都最大，分别为5.80、7.94;而NAD和NG全株富集系数、转運系数相对其他种质材料较小，分别为0.86、2.38和1.12、1.94。由隶属函数排名可知，GR891与NG在镉富集、镉转移综合能力方面差异最大。

3 讨论与结论

3.1 土壤Cd背景值与木薯Cd积累含量的关系

土壤中镉的含量影响着植物体对镉的吸收和积累。在土壤中镉的形态种类较多，不同性质土壤镉形态分布差异较大，有效态是各形态的综合反映[20]。其中，只有有效态镉才可以直接被植物吸收利用。由于自然条件下土壤的复杂性，单一的总镉含量不能很好地反映有效态镉实际的特性。黄芳芳等研究显示，桉树林中总镉含量达到4.46 mg/kg，其有效态镉含量仅为0.04 mg/kg;木薯地中镉总量为2.84 mg/kg，其有效态镉含量为0.14 mg/kg[21]。也有研究表明，木薯地中总镉含量达到6.32 mg/kg时，其有效态镉仅为0.20 mg/kg[22]。说明不同类型的土壤其镉含量差异较大。本试验土壤中的总镉含量为0.31 mg/kg，但是有效态镉含量达到0.16 mg/kg。从本试验结果来看，35份木薯种质材料的块根中镉含量超过国家薯类作物限量标准（0.1 mg/kg）的有15个，占所有供试种质材料的42.9%;另外，各木薯种质材料的茎、叶富集系数都大于1，各种质材料植株的富集系数和转运系数也大于1。说明在土壤总镉含量不高的情况下，土壤有效态镉含量在植物对镉积累上起到了决定性的作用。因此，以土壤总镉的含量作为土壤重金属镉污染的衡量指标，其有效性难以反映在植物对镉的吸收和积累上。

本试验土壤属于轻度镉污染地，有效态镉含量相对较高。因此，对轻度污染地的35份木薯种质材料分析其镉积累的特性，具有一定的研究价值与意义。试验结果表明，35份木薯种质材料茎、叶、块根干样中的Cd含量平均值分别为1.07、0.59、0.25 mg/kg。此结果与申时立等在土壤总镉含量为 6.32 mg/kg、有效态镉为0.20 mg/kg的背景值下的木薯各部位镉含量相当[22]。但本试验木薯各器官镉含量的平均值均未超过其茎、叶、块根的镉浓度，说明土壤中镉的有效性对植物积累镉的效果明显。即使是同一木薯种质材料在不同镉污染地，土壤中的总镉含量也不能客观地反映植物对镉积累的情况。本试验中的木薯种质材料SC205，其茎、叶鲜样中镉含量分别为0.38、0.15 mg/kg，相比于曾露苹等对木薯SC205的研究[23]，本试验木薯各器官的镉积累浓度高于其中度污染下木薯各部位镉浓度值，却低于其重度镉污染下木薯各器官镉浓度值。这一对比表明了同一木薯种质材料对镉积累的差异除了土壤镉背景值的不同，还与各地的气候、土壤环境等其他因素有关。

综上所述，土壤中的有效态镉含量直接影响植物对镉的吸收，与之相比土壤总镉含量影响植物对镉的吸收较弱。因此，在镉积累种质材料比较筛选的研究中，以单一的土壤镉总量来筛选镉积累材料的高低是不客观的，必须以有效态镉含量作为土壤镉背景值的重要参考，才能更为准确地评定各材料镉积累的高低，继而有效地筛选出高低镉积累材料。这也和利峰等认为以重金属总量作为土壤环境质量标准难以反映重金属对植物的有效性的观点[24]一致。

3.2 木薯种质材料各器官镉积累的差异分析

植物对镉的吸收因种类、部位不同其积累量也不同。通常，植物对镉积累的差异在各器官上得到充分体现，通常呈现出一定规律性。如木本的桑树[25]、桃树[26]各器官镉积累量表现为根>茎>叶;草本的水稻[27-28]、小麦[29]、油菜[30]及常见蔬菜[31]，其不同器官重金属镉的含量均表现为根>茎叶（或者地下部>地上部）。本试验发现，在35份木薯种质材料当中，各器官（干样）中的Cd积累量均表现为茎>叶>块根。这与韦璐阳等的研究[16-17，22-23]一致，但和熊云武等研究的结果[13，32]不同，分析前面2种结论研究的各土壤总镉和有效态镉含量背景值，并无差异性，各器官镉含量的富集规律不一致可能与木薯种质材料、土壤环境、气候等综合因素的差异有关。

镉是一种有毒的重金属，是植物非必需元素，通常以共质体或者质外体的方式进入维管束并向枝叶运转[33]。植物地下部镉积累浓度高于地上部是由于镉限制向上运输的结果，这样的形式在一定的程度上可以缓解镉对敏感地上部的伤害[34-35]。研究发现，镉浓度处理从低到高改变时，结缕草茎细胞液与细胞壁中镉的比例会改变;其地下部镉含量显著高于地上部转变为地上部镉含量显著高于地下部，镉转运系数显著提高，说明植物地上部可以很好地缓解地下部的镉积累[36]。试验结果表明，各木薯种质材料地上部镉含量明显高于地下部;由于富集系数和转运系数分别是植物对镉富集和运转能力的体现，35份木薯种质材料各器官的富集系数也均表现为茎>叶>块根。可见，木薯地上部比地下部表现出较好的耐镉性，可能与植物种类本身的基因差异有关，这规律并非木薯所独有，在郭艳丽等研究的木本植物中也表现一致积累特征[37]。植物地下部与地上部生理生态关系密切，从地下部到地上部比地上部到地下部的系统诱导效应普遍[38]。同时，植物本身对有害的信号物质是躲避的，因此，木薯以特有的方式通过地下部不断地往地上部运输积累到茎叶中，从而以高于地下部的忍耐性富集镉或者以落叶的方式来缓解镉的毒害成为了可能。总之，植物对镉的吸收运转途径是复杂的，受多因素、多基因共同调控的过程[39]。

3.3 木薯Cd积累种质材料资源的评价与应用

植物吸收和累积重金属不仅存在显著的植物种间差异，同时存在显著的植物种内差异[40]。因此，开展重金属污染预防种质材料的筛选和培育具有重要意义。由于木薯食用的主要部位为块根，35份木薯种质材料中，有15份材料（高镉积累类群）的块根（鲜样）Cd含量超过国家薯类作物限量标准（0.1 mg/kg），食用存在一定的安全风险;中鎘积累和低镉积累类群中的木薯块根镉含量未超过国家薯类作物限量标准，食用是安全的。综合评价中，中等镉积累种质材料（ZM8316、E31、SC9）具有生物量高、产量高、地上部镉积累高的特点，其中ZM8316产量在35份种质资源材料中属最高，达 45 303 kg/hm2，镉提取量达10.14 g/hm2;低镉积累种质材料（什寒、广西水果）具有在生物量较高、产量较高、全株镉积累低的特点。因此，相比中国木薯平均鲜薯单产 16 800 kg/hm2[41]而言，中低镉积累木薯种质材料在湖南地区栽培具有一定潜力。木薯本身耐酸性、耐贫瘠，耐重金属镉的土壤[21]。虽然高镉积累木薯种质材料的块根镉含量超标，但高镉积累种质材料（M501、N121、N229）生物量高、产量高、地上部镉积累高，其中，N121生物量和镉提取量在35份种质资源材料中都表现最高，分别为91 406 kg/hm2、18.60 g/hm2;可以应用于“修复+景观+经济效益”模式的生物修复[13]。重金属镉富集系数的大小代表植物对土壤中重金属Cd吸收能力的大小;而重金属转运系数的大小代表植物地下部往地上部运输重金属Cd能力的大小。从35份木薯种质资源材料镉富集和转运评价分析可知，GR891全株富集系数和转运系数最高，分别达到了5.80、7.94;而NG、NAD全株富集系数和转运系数低，分别为1.12、1.94和0.86、2.38，种质材料之间镉积累能力差异大，可以作为木薯镉积累种质资源筛选和富集规律研究的试验材料。

在土壤（pH值为5.28）全Cd含量、有效态Cd含量分别为0.31、0.16 mg/kg的背景值下得出以下结论：（1）35份木薯种质材料各器官（干样）中，茎中镉含量最高、最低的种质材料分别为GR891（2.52 mg/kg）、NAD（0.43 mg/kg）;叶中镉含量最高、最低种质材料分别为L451（1.43 mg/kg）、47-11（0.23 mg/kg）;块根中镉含量最高、最低种质材料分别为N229（0.35 mg/kg）、1301（0.13 mg/kg）。（2）35份木薯种质材料中，有15份种质材料的块根（鲜样）Cd含量超过国家薯类作物限量标准（0.1 mg/kg），占所有供试材料的42.9%，按块根中Cd含量从大到小依次为 N229>SC205>M786>N261>N64>N121>M824>GR891>N92>M714>桂垦09-26>L451>N119>S1>M501。食用存在一定的安全风险。（3）35份木薯种质材料中，GR891全株富集系数和转运系数都最大，分别为5.80、7.94;而NAD全株富集系数最小为0.86，NG转运系数最小为1.94。其中，GR891与NG在镉富集和镉转运的综合能力方面差异最大。（4）35份木薯种质材料各组织器官中的Cd积累含量和富集系数均表现为茎>叶>根。（5）35份木薯种质材料中，M501、N121、N229、ZM8316、E31、SC9具有生物量高、产量高、地上部镉积累量高的特点;而什寒、广西水果具有在生物量高、产量较高、地上部镉积累量低的特点。其中，N121生物量和镉提取量都表现最高，分别为91 406 kg/hm2、18.60 g/hm2;ZM8316产量最高，达 45 303 kg/hm2;GR891生物量和产量都表现最低，分别为 18 329、10 245 kg/hm2，47-11镉提取量最低，为3.49 g/hm2。

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