不同品种马铃薯块茎Cd 吸收特征及食用安全性评价

柴冠群，周礼兴，王 丽，刘桂华，秦 松，曹 艳，范成五

（1.贵州省农业科学院 土壤肥料研究所，贵州 贵阳 550006；2.毕节市七星关区农业农村局，贵州 毕节 551700）

镉（Cd）是植物生长发育的非必需元素，具有较强的生物毒性，可以通过损伤作物叶绿体、降低抗氧化酶活性、改变细胞膜通透性等导致细胞损伤，抑制作物生长发育，从而影响作物产量和品质[1]。Cd是一种迁移能力较强、易被植物吸收积累的重金属元素，可与作物体内蛋白质、多肽等大分子物质结合富集在作物可食部位[2]，通过食物链进入人体，损伤人体内脏，阻碍骨骼新陈代谢，造成骨质疏松、萎缩变形，危害人体健康[3]。

马铃薯（Solanum tuberosumL.）具有适应性广、抗逆性强、丰产性好、淀粉产量大等特点，是中国主要的蔬菜和粮食作物[4-5]。近年来，贵州马铃薯种植面积和产量不断扩大，已成为中国马铃薯第二生产大省[6]。贵州省碳酸盐岩发育土壤约占全省土壤总面积的61.9%[2]，大量研究表明，碳酸盐岩风化成土过程中，土壤中重金属相对于基岩表现出富集特征，其发育土壤重金属含量一般较高[7]。贵州省耕层土壤Cd 背景值为0.40 mg/kg[8]，约是全国土壤Cd背景值的4.1 倍[9]，高出我国现行土壤Cd 风险筛选值33.3%[10]。王旭莲等[2]对贵州典型马铃薯主产区采集的105 对土壤与马铃薯样品分析发现，高于土壤污染风险筛选值的土壤样点占比为90.5%，马铃薯Cd 超标率为17.1%；罗国飞等[11]采集的贵州喀斯特地区225 个农产品样品（110 个水稻、130 个玉米、15 个马铃薯）中水稻、玉米、马铃薯Cd 超标率分别为19.09%、23.08%、26.70%。由此可见，高库容的土壤Cd威胁农产品安全。

对于实现农产品Cd安全生产，目前主要从三方面着手：一是通过物理化学手段降低土壤中Cd 活性，阻控根系对土壤Cd 的吸收[12]；二是通过叶面喷施阻隔剂，抑制地下部或叶片Cd 向可食部位转运[13]；三是种植重金属抗性强、低积累的作物品种[14]。与前两者相比，后者具有接受度高、操作性强等特点，易于推广应用。重金属低积累品种筛选作为边生产、边修复技术被用于解决重金属污染土壤上食品安全问题的研究方兴未艾[15]。有研究发现，不同马铃薯品种对Cd 吸收累积存在显著差异[4]，前人多是基于单一地点、单一土壤条件开展研究。研究证实，作物重金属积累特性，除与其基因型差异有关外，还受气候、土壤类型与污染特征等地域环境条件的制约[16]，因此，有必要在不同区域开展马铃薯品种对Cd 吸收富集差异研究。黔西北地区是贵州马铃薯主产区，也是贵州典型碳酸盐岩地区，Cd污染耕地面积占比较大[8]。迄今鲜见黔西北马铃薯品种富Cd差异研究的相关报道，不利于指导解决马铃薯扩种与安全生产的问题。鉴于此，拟选取当地常见的21 个马铃薯品种，在黔西北T、Y 两地Cd 污染耕地开展大田试验，分析不同品种马铃薯块茎对Cd吸收富集差异并进行食用安全性评价，旨在筛选适宜黔西北地区种植的Cd低积累马铃薯品种，为耕地资源紧缺地区的重金属安全利用类或严格管控类耕地安全利用和马铃薯Cd 安全品种培育提供依据。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 试验地块选择 将地块划分成Ⅰ—Ⅳ4 个样方，将每个样方划分成（1）—（4）4 个田块，如图1 所示。每个田块采集1 个土壤混合样品，检测其pH值、全Cd 含量、有效Cd 含量。如果Ⅰ—Ⅳ4 个样方土壤pH 值、全Cd含量、有效Cd含量均差异不显著，则确定为试验地块。试验地位于黔西北T 地与Y地，两地土壤类型均为黄壤，成土母岩均为碳酸盐岩。两地土壤理化性质见表1。根据《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）[10]，T 地、Y 地均为受Cd 污染的安全利用类耕地，其土壤Cd 含量分别是筛选值的6.17、3.03倍。

表1 供试土壤基本理化性质Tab.1 Basically physical and chemical properties of tested soils

图1 试验地块土壤样品采集点Fig.1 Soil sample collection sites in test plot

供试马铃薯为黔西北市场上常见的21 个马铃薯品种，均由毕节市农科所提供，具体见表2。

表2 供试马铃薯品种Tab.2 Potato varieties tested

1.2 试验设计

于2021 年4—9 月在T 地与Y 地的试验基地开展田间试验，采用完全随机区组设计。两试验地的试验设计与田间管理措施一致。以马铃薯品种为处理，即21个处理，每个处理重复3次，共计63个小区，每个小区面积12 m2，品种间、重复间均留50 cm过道。马铃薯种植规格为行距0.6 m、株距0.4 m，每小区6行，每行10株。试验用尿素（N：46%）、钙镁磷肥（P2O5：12%）、硫酸钾（K2O：50%）均由贵州磷化集团生产。马铃薯整个生育期N施用量为150 kg/hm2，P2O5施用量为105 kg/hm2，K2O 施用量为165 kg/hm2。氮肥70%作基肥，30%作团棵期追肥；磷肥全部基施；钾肥50%作基肥，50%作现蕾期追肥。马铃薯成熟后，称量各小区马铃薯块茎产量。在每个小区随机采集5 株马铃薯块茎带回实验室，用自来水和去离子水洗干净后晾干，用匀浆机匀浆后，置于-20 ℃保存备用。

1.3 测试项目与方法

1.3.1 土壤pH 值与重金属测定 土壤pH 值以1∶2.5 土水质量比，采用PHS-3E 型酸度计测定[17]。土壤全Cd 含量采用HNO3-HF-HClO4消解，使用Elan 9000 型ICP-MS（美国珀金埃尔默股份有限公司）测定[18]。采用土壤标准样品（GB W07405）进行质量控制，土壤样品标准物质回收率为91.3%～103.2%。土壤有效Cd 含量采用二乙烯三胺五乙酸（DTPA）浸提，ICP-MS测定[19]。

1.3.2 马铃薯重金属测定 参照《食品安全国家标准 食品中多元素的测定》（GB 5009.268—2016）[20]，经硝酸-微波法消解马铃薯样品后，用Elan 9000 型ICP-MS测定其Cd含量。采用标样（GB W100348）进行质控，回收率为98.6%～100.4%，全程做空白试验。

1.4 指标计算及数据分析

1.4.1 马铃薯Cd污染状况评价 根据《食品安全国家标准 食品中污染物限值》（GB 2762—2017）[21]，采用单因子污染指数法（Pi）对两地试验马铃薯Cd 安全性进行评价[22-23]，计算公式：

式中，LCd为单因子污染指数；CCd为马铃薯中重金属Cd 含量的实测值；SCd为马铃薯中重金属Cd 含量的限值，为0.1 mg/kg[21]。LCd≤1 表示马铃薯Cd 含量未超标，1＜LCd≤2 表示马铃薯Cd 含量轻度超标，LCd＞2表示马铃薯Cd含量重度超标。

1.4.2 马铃薯Cd 食用安全性评价 人体食用马铃薯Cd 安全性可采用每周人体对Cd 的摄入量（Provisional weekly intake，PWI）进行评价，若PWI不超过人体周可耐受剂量（Provisional tolerable weekly intake，PTWI），则表示食用安全，PWI计算公式[24]：

式中，X为马铃薯块茎中Cd 含量；IR（Intake rate）为每人每周摄入马铃薯质量，文献报道建议成人每天平均摄入薯类物质50～100 g[4]，本研究中成人每周摄入马铃薯按700 g 计算；mb为人体质量，按60 kg 计算。经计算，每周人体Cd 可耐受剂量（PTWI）为6.7 μg/kg[25]。

1.4.3 数据分析 试验数据采用Excel 2010进行数据统计分析，应用SPSS 22.0进行方差分析与聚类分析，运用Sigmaplot 14.0作图。

2 结果与分析

2.1 土壤pH值与Cd含量特征

Y 地与T 地试验地块土壤pH 值与Cd 含量特征见表3。Y 地试验地块采集的4个样方土壤pH 值为4.49～4.59，差异不显著；T 地试验地块采集的4 个样方土壤pH 值为6.19～6.29，差异不显著；Y 地与T 地试验地块土壤pH 均值分别为4.55、6.25，差异显著。Y 地试验地块采集的4 个样方土壤总Cd 含量为0.87～0.92 mg/kg，差异不显著；T 地试验地块采集的4 个样方土壤总Cd 含量为1.79～1.89 mg/kg，差异不显著；Y 地与T 地试验地块土壤总Cd 含量均值分别为0.90、1.83 mg/kg，差异显著。Y 地试验地块采集的4 个样方土壤有效Cd 含量为0.43～0.48 mg/kg，差异不显著；T地试验地块采集的4个样方土壤有效Cd含量为0.27～0.29 mg/kg，差异不显著；Y 地与T 地试验地块土壤有效Cd 含量均值分别为0.45、0.28 mg/kg，差异显著，Y 地土壤有效Cd 含量均值约是T 地的1.61 倍。综上，同一试验地块不同样方土壤酸碱度与Cd含量差异均不显著，不存在同田异质性；Y 地与T 地试验地块土壤酸碱度与Cd 含量均存在显著差异，适宜作为重金属低累积品种筛选试验地。

2.2 不同品种马铃薯块茎产量差异

从表4 可以看出，同一试验地点不同品种马铃薯块茎产量存在显著差异，Y地不同品种马铃薯产量介于3 564.3～15 271.8 kg/hm2，均值为9 200.1 kg/hm2，产量最高的是转心乌（P 14），产量最低的是闵薯1号（P 04），两者相差3.3 倍；T 地不同品种马铃薯产量 介 于1 825.9～16 305.6 kg/hm2，均 值 为6 754.0 kg/hm2，产量最高的是转心乌（P14），产量最低的是闵薯1号（P 04），两者相差7.9倍。整体而言，Y地马铃薯块茎平均产量高于T 地，Y 地参试品种马铃薯块茎平均产量是T地的1.36倍。说明基因型与环境差异可能对马铃薯产量造成影响。

表4 不同试验地点、不同品种马铃薯块茎产量特征Tab.4 Yield of potato tubers of different varieties in different experimental locations kg/hm2

续表4 不同试验地点、不同品种马铃薯块茎产量特征Tab.4（Continued）Yield of potato tubers of different varieties in different experimental locations kg/hm2

为进一步分析基因型因素与环境因素对马铃薯产量的作用，对Y 地与T 地试验地块种植的21 个马铃薯品种块茎产量进行双因素方差分析，结果如表5 所示。修正模型的F值为85.39，P＜0.01，说明该模型具有统计学意义。地点、品种、地点×品种的F值分别为119.84、477.01、33.06，均达极显著水平。说明不同品种、不同试验环境及品种与环境间的交互作用对马铃薯块茎产量均有极显著影响。

2.3 不同品种马铃薯块茎Cd含量差异

从表6 可知，同一地点不同品种马铃薯块茎Cd含量存在显著差异。Y 地不同品种马铃薯块茎Cd含量介于0.061～0.153 mg/kg，均值为0.094 mg/kg，块茎Cd含量最高的是陇薯7号（P 21），块茎Cd含量最低的是青薯9 号（P 01），二者相差1.51 倍；T 地不同品种马铃薯块茎Cd 含量介于0.055～0.111 mg/kg，均值为0.080 mg/kg，块茎Cd 含量最高的是陇薯7 号（P 21），块茎Cd含量最低的是青薯9号（P 01），二者相差1.0 倍。就同一品种马铃薯块茎Cd 含量而言，Y 地马铃薯块茎Cd 含量均高于T 地。说明基因型因素与环境因素可能会影响马铃薯块茎Cd含量。

续表6 不同试验地点、不同品种马铃薯块茎Cd含量特征Tab.6（Continued）Characteristics of Cd content in potato tubers in different locations and different varieties mg/kg

为进一步分析基因型因素与环境因素对马铃薯块茎Cd 含量的作用效果，对Y 地与T 地试验地块种植的21 个马铃薯品种块茎Cd 含量进行双因素方差分析，结果如表7 所示。修正模型的F值为129.07，P＜0.01，说明该模型具有统计学意义。地点、品种、地点×品种的F值分别为71.48、252.47、6.84，均达极显著水平。说明不同品种、不同试验环境及品种与环境间的交互作用对马铃薯块茎Cd 含量均有极显著影响。

表7 不同试验地点、不同品种马铃薯块茎Cd含量双因素方差分析结果Tab.7 Result of two-factor variance analysis on Cd content in potato tubers of different varieties and different locations

2.4 不同品种马铃薯块茎Cd污染状况与食用安全性评价

由图2A 可知，Y 地不同品种马铃薯块茎LCd介于0.608～1.533，均值为0.942，LCd最高的是陇薯7 号（P 21），LCd最低的是青薯9号（P 01），21个马铃薯品种块茎Cd 超标率为38.09%，Cd 超标品种主要有云薯505（P 11）、黄金薯（P 12）、威芋2 号（P 15）、黄心226（P 17）、希森6 号（P 18）、云薯104（P 19）、新佳2号（P 20）、陇薯7 号（P 21）；T 地不同品种马铃薯块茎LCd介于0.550～1.108，均值为0.802，LCd最高的是陇薯7 号（P 21），LCd最低的是青薯9 号（P 01），21 个马铃薯品种块茎Cd 超标率为14.29%，Cd 超标品种主要有云薯104（P 19）、新佳2 号（P 20）、陇薯7 号（P 21）。由图2B可知，食用Y地21个品种马铃薯块茎Cd 的PWI 在0.710～1.789，仅 占Cd 的PTWI 的10.60%～26.70%，不存在食用安全性危害；食用T 地21 个品种马铃薯块茎Cd 的PWI 在0.642～1.293，仅占Cd的PTWI的9.58%～19.30%，不存在食用安全性危害。

图2 不同地点、不同品种马铃薯块茎Cd污染状况（A）与食用安全性（B）评价Fig.2 Cd contamination（A）and edible safety（B）evaluation of potato tubers from different regions and varieties

3 结论与讨论

研究证实，作物产量不仅受基因型的影响，还受环境因素及基因型与环境因素的交互作用的影响[26]，因此，不同的作物品种均有各自的生态适栽区[16]。本研究中，同一地点不同品种马铃薯块茎产量存在显著差异，产量最大相差7.9 倍；不同品种、不同试验环境、品种与环境间的交互作用对马铃薯块茎产量均有极显著影响。这与前人在小麦[16，26]、大豆[27]、油菜[28]等上的报道一致。

基因型是作物对重金属积累差异的重要原因之一[4]。本研究中，同一地块不同品种马铃薯块茎Cd 含量存在显著差异，最高相差1.51 倍，说明不同品种马铃薯块茎对土壤Cd积累能力存在显著差异。造成不同基因型马铃薯块茎Cd 含量差异的原因主要有两方面：一是受不同品种马铃薯根系对土壤Cd吸收速率差异影响；二是受马铃薯植株对Cd转运能力的影响，马铃薯通过根系吸收的Cd由木质部装载运输至茎叶中，又由茎叶通过韧皮部装载运输至块茎[29]。作物重金属积累特性，除与其基因型差异有关外，还受气候、土壤类型与污染特征等地域环境条件的制约[27]。本研究中，Y 地21 个马铃薯品种Cd超标率为38.09%，T 地21 个马铃薯品种Cd 超标率为14.29%，Y、T 两地土壤pH 值与Cd 含量存在显著差异，尤其Y 地土壤有效Cd 含量均值约是T 地的1.61倍，这可能是造成Y 地马铃薯Cd含量超标率高于T地的主要原因。前人研究发现，作物Cd含量与土壤有效Cd 含量呈显著正相关关系，而与土壤全Cd含量相关性不显著，尤其在碳酸盐岩地区[2]。

本研究中，Y、T两地马铃薯块茎Cd含量受基因型因素、环境因素、基因型与环境交互作用的影响，这与前人在小麦[16，26]、大豆[27]、油菜[28]上的研究结果相一致。尽管Y、T 两地马铃薯块茎存在Cd 超标现象，但通过食用安全性评价发现，食用Y、T 两地21个马铃薯品种所摄入Cd 的PWI 远远小于人体可耐受剂量（PTWI，6.7 μg/kg）[25]，而且我国居民多以大米或小麦为主食，对马铃薯的摄入量远小于大米或小麦，表明食用Cd超标马铃薯不会对人体健康造成影响。但是对于Cd超标马铃薯品种应多加关注，可考虑用于生产生物乙醇，以降低其潜在风险。