镉胁迫对甜菜块根营养品质的影响

张福顺,林柏森

(1.黑龙江大学现代农业与生态环境学院，哈尔滨 150080；2.赤峰绿璐种业有限公司，内蒙古 赤峰 024005；3.农业部甜菜品质监督检验测试中心，哈尔滨 150080)

0 前言

重金属污染由镉(Cd)、金(Au)、铅(Pb)等比重大于5的金属或其化合物构成。20世纪以来，随着国家对重金属利用的重视，镉以可再充电镍镉电池等形式[1]暴露于自然环境，致使生物圈逐渐遭受破坏。镉是目前已发现人类致癌物[2]，常潜伏于环境并通过营养链伺机进入人体，损伤人体健康。土壤是最大的生物资源库[3]，孕育了众多粮食作物，为农作物生长提供生存保障[4]。近年来，重金属污染问题层出不穷、比比皆是，重金属超标已成为影响土壤健康、造成土壤功能和结构损伤、降低植物摄取矿质营养能力的重要威胁[5]。

甜菜是重要的糖料作物之一，近年来随着农药、化肥的大量使用，重金属污染有增加趋势，有关重金属对甜菜影响研究也越来越多。Sagardoy等[6]通过在营养液中加入过量的锌，研究了锌对甜菜的毒性，以及其他营养元素的吸收变化等。张福顺等[7]在营养液中加入过量的锌，研究了其他微量元素的吸收和积累情况。王宇[8]研究铜胁迫对甜菜幼苗生长的影响。杨丽丽[9]通过在砂培甜菜中加入过量的铜，研究了甜菜光合吸收特性为明确甜菜在重金属镉污染的可能情况下品质及营养吸收的变化，特进行本研究。以甜菜为试材，通过在盆栽甜菜中添加不同浓度的镉进行胁迫培养，测定甜菜根中几种营养元素的含量及块根中的含糖率和K、Na、α-N，以评价镉对甜菜的影响，为甜菜安全生产提供科学依据，为生产食用安全的甜菜提供保障，也为学术界镉污染植物研究提供参考和数据资料。

1 材料与方法

盆栽试验镉胁迫处理：0、100、200、500 mg·kg-1，装入塑料花盆，3次重复。选取品质优良大小相同的种子均匀播种，长至三对真叶后定植(每盆定植一株)。

甜菜块根中营养元素含量测定方法：依据GB/T 35871-2018标准测定，样液导入调整好的ICP-MS进行测定。

品质指标测定方法：将收取的甜菜块根鲜样锯糊浸提，浸提液导入自动检糖仪测定，3次重复。

数据分析：采用Microsoft Office Excel 2020进行统计、计算并绘制图表，Origin绘制相关性分析图，SPSS 26.0进行单因素方差及相关性分析。

2 结果与分析

2.1 块根中量和微量元素的变化

图1表明，镉胁迫降低了块根中量元素Mg和Ca的含量，Mg随着处理浓度的增加呈下降趋势，Ca则是呈现先下降后上升的趋势，对照Ca、Mg含量最高，且与处理间均达到了显著差异(P<0.05)。

图1 镉胁迫对甜菜块根吸收中量元素的影响

图2表明，几种微量元素经镉胁迫后，含量发生了一定变化，且规律不明确。Mo含量先下降后上升再下降、Zn含量先上升后下降再上升，Mn、B、Cu、Fe含量先下降后上升。随着镉胁迫浓度的增加，甜菜块根中Zn含量在500 mg·kg-1最大。块根中Cu、Fe含量随着处理浓度增加，呈现减少趋势，Mo、Mn含量先下降后上升，B元素则并无显著变化(P<0.05)。

图2 镉胁迫对甜菜块根吸收微量元素的影响

2.2 块根及土壤中Cd含量

图3表明，甜菜块根体内Cd的含量与土壤中Cd的含量变化趋于一致，随着处理浓度的增加而增加，且变化显著(P<0.05)。对照甜菜块根和土壤中Cd的含量最低，分别为4.17、2.4 mg·kg-1，处理浓度为500 mg·kg-1时块根及土壤中测得Cd的含量最高，分别为10.4 mg·kg-1和191.7 mg·kg-1。

图3 糖用甜菜块根及土壤中镉的含量

2.3 块根中各元素相关性分析

图4表明，甜菜块根中Cd与Mg、Ca、Fe、Cu呈负相关，与B、Mn、Zn、Mo呈正相关。其中Cd与Mg呈极显著的负相关(|r|≥0.9)，r=0.97，与Cu呈显著负相关(0.7≤|r|≤0.9)，r=0.80，与Zn呈显著正相关(0.7≤|r|≤0.9)，r=0.82。

图4 甜菜块根中营养元素相关性分析图注：*表示显著相关(P<0.05)，圆形大小表示显著性强弱，形状越大显著性越强

2.4 块根品质指标的影响

图5表明，随着镉处理浓度的增加，甜菜块根中K、Na、α-N含量呈下降趋势，与镉处理浓度呈反比。镉处理为500 mg·kg-1时，Na和α-N的含量最低，与对照比，下降率分别为88.8%、78.9%。处理浓度200 mg·kg-1时K的含量最低，较对照减少了63.9%。

图5 镉胁迫对糖用甜菜块根K、Na、α-N含量的影响

图6表明，镉胁迫对块根含糖率影响表现为先上升后下降的趋势，且变化显著(P<0.05)。处理浓度为100 mg·kg-1时含糖率与对照比有所增加，且含糖率最高，为13.4%，处理浓度为200 mg·kg-1时块根中的含糖率低于100 mg·kg-1处理组，总体高于对照，处理浓度为500 mg·kg-1时，含糖率持续下降，且含糖率最低，为9.1%。

图6 镉胁迫对糖用甜菜块根含糖率的影响

3 讨论

Cd是植物体非必需元素，可占用Fe、Ca、Zn等金属元素的离子通道到达植物体，提高生病率[10]。研究表明Cd 可促进马铃薯块茎对Mg的积累，抑制Ca、Cu的积累[11]，抑制水稻根系对Zn、Cu、Fe、Mn、Mg的积累[12]。花生籽粒Fe、Zn、Ca、Mg随CdCl2溶液浓度的递增先上升后下降，P含量则持续降低[13]。本研究采用盆栽培养模拟土壤镉胁迫，结果发现块根中Cd与Mg、Ca、Cu、Fe呈负相关，处理浓度为100 mg·kg-1时Fe含量最低，200 mg·kg-1时，Ca、Cu含量最低，500 mg·kg-1时，Mg含量最低。Cd与Zn、B呈正相关，对照的Zn、B含量最少，镉处理为500 mg·kg-1时Zn、B含量最多。宋正国研究表明，Cd与阳离子具有拮抗作用，若植物体内阳离子镉处理浓度的增加而增加，可能是由于镉发生交换作用将阳离子从土壤中解吸出来，导致大量吸收位点与阳离子结合，增加植物体内阳离子的浓度[14]。张振明研究表明，土壤镉含量较高时，Cd与Mo呈正相关，含量较低时呈负相关[15]。本试验证明Cd与Mo、Mn呈正相关，镉处理为100 mg·kg-1时Mo含量最低，为200 mg·kg-1时Mo含量最高，200 mg·kg-1时Mn含量最少，500 mg·kg-1时最多。

甜菜含糖率的高低是决定作物产糖量多少的经济指标之一[16]，由于镉对土壤环境的破坏，间接引起镉对甜菜块根含糖率的影响。本研究表明，镉处理浓度为100 mg·kg-1时对甜菜块根含糖率提升具有一定的作用，随着处理浓度的增加，含糖率则呈现了下降趋势。而其它三个影响甜菜糖分提取的灰分指标K、Na、α-N含量则随着镉处理浓度的增加而降低，说明镉破坏了一些营养元素的吸收，打破原有的营养平衡，导致了甜菜生长受阻。当镉处理浓度大于100 mg·kg-1时K、Na、α-N含量明显降低。含糖率下降可能与其它营养元素如Fe、Zn含量上升及Cu含量下降有关。镉污染的发生将会导致甜菜营养平衡失调，究竟怎么产生有待于进一步研究。