贵州喀斯特区域马铃薯种薯生产重金属安全性初探

董颖苹， 曹绍书， 粟彩芸， 王 瑶， 罗 充

(1.贵州师范大学 喀斯特研究院/地理与环境科学学院/生命科学研究院， 贵阳 550025；2.国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心， 贵阳 550001；3.贵州省农作物品种资源研究所， 贵阳 550006)

马铃薯为我国第四大主要粮食作物，产量位居世界第一[1]。2015年农业部正式启动了马铃薯主粮化战略，大力发展马铃薯种植。由于脱毒种薯能解决病毒引起品种退化等问题，自20世纪以来，我国已经逐步建成依托国家和地方农业部门的脱毒种薯生产体系[2]。但传统马铃薯种薯生产重点以防控病毒感染为主，对重金属等污染风险的防控关注极少。

然而，环境污染正在威胁马铃薯主粮化进程，其中重金属污染就是其中重要的形式[3-4]。马铃薯种薯生产体系的安全会影响当下的马铃薯产品食品安全，也会影响生产环境的长久安全。种薯阶段消除重金属污染,可以降低食品安全风险,更能降低产地生态安全风险。

本试验以西南喀斯特重金属高背景区典型省份贵州省为研究区域，选择省内天然背景值较高的铅(Pb)、铬(Cr)和镉(Cd) 3种重金属为研究重点，同时考虑品种对试管苗生长有显著影响[5-6],选择三个耐瘠薄性差异显著的品种，通过种薯生产的两个关键阶段(试管苗和商品种薯生产阶段)，研究马铃薯试管苗受到重金属胁迫的可识别性，商品种薯在典型大田环境生产的环境重金属富集效率，以及考察疑似重要因素的影响[3,7-8]，评估现有种薯生产体系可能存在的重金属风险，并提出相关的建议。

1 材料与方法

1.1 研究材料及培养条件

供试马铃薯(SolanumtuberosumL.)均为贵州省审定并推广种植的品种，具有良好的本土适应性，分属不同生态型，适宜种植不同海拔区域，耐瘠薄性表现英伦红>大西洋>费乌瑞它[7]，外观上薯皮薯色各自不同，详情见表1。

表1 材料生态型信息

培养室温度设置18～22 ℃；灯光采用YS-LED-18植物组织培养专用LED蓝红色混合光谱灯，每60 cm×40 cm设置3只(每只18 W)，每天12 h光照。继代转接一周后，根系生长至2～3 cm时，进行重金属处理(如图1)。

商品种薯生产一般选择土壤条件较好的农用地。本试验选择传统产地六盘水市玉舍乡、盘州市保基乡、威宁县麻乍乡具有典型性的黄壤和红壤，进行多点抽样并混样，再将每份分成2.5 kg，装入实验盆，用于脱毒薯扩繁和实验观察。

1.2 研究方法

1.2.1环境重金属浓度的影响与重金属含量测定

1) 高浓度复合胁迫的试管苗品种响应

分别观察试管苗24 h和7 d的死亡率，在多轮致死浓度试验基础上，选择足以区分出品种间差异的Pb、Cr和Cd复合溶液浓度，设定高浓度处理液为：Pb 300 mg·L-1+Cr 180 mg·L-1+Cd 3.6 mg·L-1。

2) 低浓度复合胁迫对试管苗生长的影响

由于这部分试验开展早已2018年7月，参考原《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)对低浓度复合胁迫进行设置。在GB 15618—1995二级标准pH<6.5下，Pb、Cr和Cd允许浓度限值为250，0.3 mg·kg-1和0.3 mg·kg-1。以土壤有效浓度占环境总值的比例，结合试验效果观察，按国标限制15%(Pb)和10% (Cr、Cd)的比例设定试管内可溶性胁迫浓度，定义为低浓度胁迫，具体为：Pb 30 mg·L-1+ Cr 0.03 mg·L-1+Cd 0.03 mg·L-1。

3) 重金属浓度测定方法

依据国标采用原子吸收光谱检测法，检测试管苗及田间马铃薯根、茎叶和块茎样本中Pb、Cr和Cd含量。包括GB/T 5009.15—2003检测植物样本重金属Cd； GB/T 5009.12 检测植物样本重金属Pb，GB/T 5009.123检测植物样本重金属Cr。

依据《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)，检测土壤重金属Pb、Cr和Cd含量。

1.2.2产地土壤的重金属背景

考虑到商品种薯生产常选择农用地进行扩繁，试验随机抽取贵州省贵阳市、六盘水市、毕节市等马铃薯主要产地的典型种薯繁育农用地，采用4分法取样各20份，充分混样后检测土壤Pb、Cd和Cr的含量。

1.2.3商品种薯生产环节的组织富集特性与土壤类型的影响

选取具有代表性的土壤类型，区分黄壤、红壤进行采集，充分混样后，每盆分装2.5 kg。每盆播入1粒原原种，每处理重复3次，开展3个品种的盆栽试验。待种薯充分成熟，检测土壤和根、茎叶、块茎的Pb、Cr和Cd含量，计算两种典型土壤类型下不同重金属的富集率，用于了解不同组织富集特性与土壤类型的关系。

1.2.4常见复合肥对商品种薯富集特性的影响

选择化学复合肥和商品羊粪有机肥进行研究，在播种期作为基肥，按推荐剂量施入盆栽土壤，充分混匀后，每盆播入1粒原原种，每处理重复3次，开展3个品种的盆栽试验。待种薯充分成熟，检测土壤和根、茎叶、块茎的Pb、Cr和Cd含量，计算两种典型土壤类型下不同重金属的富集率，讨论不同肥料对种薯生产中重金属富集效率的影响。

1.2.5种薯生产安全性评价

参考标准主要依据： 1) 土壤环境质量国标GB 15618-2018； 2) 薯蓣类产品重金属国家标准GB 2762-2012，用于比对马铃薯种薯对3种重金属的富集能力，评估抽测典型产区种薯重金属含量超限风险(详见表2)。其中对种薯产品的影响参考薯蓣类食品限值；对产地生态系统由于与茎叶关系最大，参考叶菜限值。

表2 生产环境与产品重金属国家标准

2 结果与讨论

2.1 组培环节重金属胁迫的反应

2.1.1高浓度重金属胁迫的品种效应

结果显示，组培外植体对复合重金属胁迫的抵抗能力很强。高浓度组合Pb 300 mg·L-1+Cr 180 mg·L-1+Cd 3.6 mg·L-1能够在24 h内将5个参试马铃薯品种外植体死亡率呈梯度状态拉开，1周内所有品种死亡率过半，因此被确定为组培过程中重金属复合胁迫的半致死浓度。低于这个临界胁迫浓度，3个品种的马铃薯试管外植体都不会出现大量死亡。

由表3可知，复合重金属的致死效应对不同马铃薯品种存在明显的差异。同一浓度24 h内对高抗逆品种英伦红仅造成10%死亡率，却能导致不抗逆品种费乌瑞它高达90%的死亡率。其内在原因与不同品种对逆境不同的响应能力以及快慢有关；设定的高浓度复合重金属对不同品种导管组织造成了肉眼可见的破坏，并因品种不同存在明显差异。高浓度重金属无色溶液混入组培环境后，肉眼可见黑色物质沿马铃薯组培外植体半透明的茎导管上行。上行高度提示不同品种对相同浓度重金属溶液的运送能力不同。也可能提示了品种受损害的可能性以及伤害程度，但这个规律并不呈现简单对应关系。

表3 高浓度重金属胁迫效果识别

由于达到半致死的浓度设定远远高于国标规定的筛选值标准限值和正常通过化学试剂混入种薯生产组培系统的量，可以推测：常规管理条件下，即使体系混入较高浓度重金属成分，只要没有大量材料死亡，是不便于通过肉眼观察及时识别出的。

2.1.2低浓度复合胁迫对生长的影响

由表4可知，低浓度胁迫的品种敏感性排序为：费乌瑞它>大西洋>英伦红。与抗逆性反向一致。

低浓度重金属胁迫时，敏感品种会出现生长缓慢、叶片黄化等症状。品种费乌瑞它受到低浓度重金属胁迫后，44.26%的植株保持正常苗高值，29.39%植株保持正常生物量，表现生长缓慢、80%叶片黄化，3株(总15株)外植体表现不生长；抗逆性好的品种对低浓度重金属的响应不易察觉(苗高或生物量的影响都不够明显)。例如英伦红具有83.39%生长高度正常率, 生物量正常的植株占74.68%。虽然生长有放缓倾向，叶片也出现轻微黄化等症状，但肉眼较难察觉。

表4 低浓度重金属胁迫对试管材料生长的影响

2.2 土壤污染识别

由表5可知，商品种薯生产使用的农用地黄壤中几乎没有Pb和Cr风险，但有一定Cd污染风险。Pb和Cr两指标都非常安全，远低于筛选值，整体洁净；Cd均值超出筛选值限制，极大值超出筛选值基线四倍以上，仍在管制限值以下，属于有必要加强观察和管控的浓度范畴。

表5 土壤重金属含量随机抽样

抽检种薯生产农用地红壤没有Cd污染风险，存在轻微Pb和Cr安全风险。Cd表现很安全，个别值均值超过筛选值，整体远低于筛选值；Pb和Cr均值低于筛选值，整体安全，极大值略超筛选值。

2.3 马铃薯组织富集特性与土壤类型的影响

两种典型土壤对马铃薯Pb、Cd和Cr的富集率影响存在显著不同(表6)。除Pb以外，黄壤对其他两种元素富集能力都高于红壤。尤其是黄壤有利于马铃薯对Cd的富集，富集率甚至高达550.82%，但块茎富集率仅为2.62%，种薯比较安全；红壤相对不利于Cd富集，根系富集率仅有84.38%，茎叶吸附最低，只有25.00%，块茎富集率略高于黄壤。总的说来，红壤是比黄壤更安全的种薯生产用土壤。

表6 喀斯特地区典型种薯产地土壤的影响

2.4 常用有机肥对种薯生产安全性的影响

由表7可以看出，与不施肥处理相比，商品羊粪有机肥和化学复合肥能有效降低茎叶组织和块茎中的Cd含量，但却提高了Pb的含量。化学复合肥比商品羊粪有机肥更有利于减少重金属在马铃薯组织中富集。两种有机肥的施入，都有利于减少Cd在块茎和茎叶中的富集。但Pb则不同，施肥有助于增加Pb的富集率。

表7 常见有机肥对种薯及茎叶富集率的影响

2.5 种薯生产安全性评价

试管苗阶段，高出筛选值20%以上的高浓度重金属复合胁迫能够使受测试品种出现半致死效果。通过常规试剂和管理过程混入组培体系的、剂量为筛选值的1/10到1/3范围低浓度复合胁迫，可引起敏感品种发生肉眼可见的生长量降低；对不敏感品种则没有显著的可识别症状，有必要引起重视。因此试管苗生产阶段应该强化安全意识，严格把关，控制重金属混入体系的概率。

商品种薯生产阶段，产地土壤以黄壤和红壤为主，pH在5.1～6.9范围内，弱酸性；Pb、Cd和Cr总体处在筛查限值以下，抽样区域背景值偏高。黄壤Cd值大于筛查值，但未达管控值。除红壤中块茎对Cd的吸收以外，对3种重金属的吸收率都在2%以下。但块茎Cd富集最高可达32%，说明Cd高地质背景区种薯生产应保持谨慎，在筛选值附近的清洁土壤，也可能产出Cd超标的商品种薯。另外，根系对Cd富集率更高达550.84%，说明Cd高背景区生产种薯对生态环节构成潜在高风险，既可能威胁当地人和家畜的健康，同时也可能通过当地食物链进一步威胁产地生态的长久安全。虽然有机肥的施入能有效降低块茎和茎叶Cd的富集量，但应避免选用重金属较高的动物有机肥，例如本研究选用的商品羊粪有机肥，可以选择批量生产的化合有机肥。

Pb虽然是三种重金属中最接近筛选限值的，但马铃薯对Pb的富集能力很有局限，因此无论对于种薯产品，还是当地社会生态环境，Pb都是较为安全的。施肥措施可能会增加Pb富集风险，处在Pb高背景区时，有必要尽可能减少肥料的施用量，以保证种薯生产安全。Cr在土壤中含量低于筛选值，处在安全区域。但是马铃薯对Cr的吸收率较高，有可能导致块茎产品和植株中的含量高于国标限制范围，有一定潜在的风险。

3 结 论

本研究发现，品种选择、组培体系把关和种薯的大田生产监控是种薯清洁生产的三个重要环节。具体而言，耐瘠薄性强的品种受重金属影响较小，反之则较大。在当前种薯生产体系中，抗逆性较好的品种组培体系中，如果存在低浓度重金属污染，凭借肉眼观察，是很难发觉的，因此有必要强化重金属监测和管理。通过严格把关，防止重金属混入组培生产体系。

在种薯大田繁殖阶段，考虑到西南地区普遍存在马铃薯新鲜茎叶饲喂家畜的习惯和秸秆还田的传统，对于敏感产地，建议种薯生产选择块茎和植株均表现低富集特性的品种，以切实降低产品健康风险，并降低产地潜在生态风险。此外，动物粪便加工的有机肥自身就可能是重金属源，应加强管理，谨慎施用。在重金属背景值高的西南地区，推荐化学复合肥取代动物粪便加工类肥料。因此，在马铃薯种薯生产过程中应该重点把控大田商品种薯生产环节，建立有效的监管制度，在土壤背景调查和土壤类型选择、肥料施用方面降低重金属进入种薯的概率，以维持马铃薯的清洁生产，进而确保国家粮食安全。

种薯的清洁生产能从源头保障马铃薯食品安全，降低产地生态安全风险。因此，在马铃薯主粮化进程中，有必要将重金属监测、管理贯穿到种质资源扩繁体系和种薯生产各环节中，以维持马铃薯的清洁生产。