磷礦復墾地馬鈴薯鎘和鉛含量及分布規律

楊啟中，郭華春，杜曉翠，李 俊

（ 云南農業大學農學與生物技術學院，云南 昆明 650201）

磷礦復墾地馬鈴薯鎘和鉛含量及分布規律

楊啟中，郭華春，杜曉翠，李 俊*

（ 云南農業大學農學與生物技術學院，云南 昆明 650201）

利用火焰原子吸收法測定了種植于磷礦復墾地馬鈴薯植株不同器官中鎘（Cd）、鉛（Pb）重金屬的含量。結果表明，在磷礦復墾地土壤Cd、Pb含量高于土壤無機污染物的二級標準條件下，馬鈴薯塊莖中Cd、Pb含量都超過安全食用標準；馬鈴薯植株中不同器官Cd、Pb的分布具有明顯規律，塊莖、根、莖、葉的含量差異顯著，呈逐漸增加趨勢，葉片是積累2種重金屬含量最多的器官，塊莖含量最低；隨生育期延長，成熟期馬鈴薯根、莖、葉中的Cd含量較現蕾期略有增加。馬鈴薯各器官對2種重金屬元素的富集系數不同，對Cd的富集作用明顯大于對Pb的富集作用，因此即使在低Cd土壤中種植馬鈴薯也需要謹慎選擇。

磷礦復墾地；馬鈴薯；Cd；Pb；富集作用

中國馬鈴薯種植面積及產量均位居世界前列。馬鈴薯是云南省重要作物之一，在全國馬鈴薯種植業中也占據重要的位置。在國家馬鈴薯主糧化戰略中，提出要提高馬鈴薯的單產，播種面積從目前的533萬hm2擴大至1 000萬hm2，其中很大一部分涉及到南方閑置冬閑田的利用。2014年國家環境保護部和國土資源部公布的《全國土壤污染狀況調查公報》數據顯示：中國南方土壤環境質量令人擔憂，南方土壤污染重于北方，西南、中南地區土壤重金屬超標范圍較大；鎘（Cd）、鉛（Pb）、汞（Hg）、砷（As）幾種無機污染物含量分布呈現從西北到東南、從東北到西南方向逐漸升高的態勢。因此，這種土壤質量現狀引發了人們對糧食安全話題的密切關注，在這些增加的種植區域內生產出來的馬鈴薯是否安全，有害重金屬Cd、Pb在馬鈴薯植株的分布具有什么規律？對這些問題的研究和闡明對主糧化戰略推進和糧食安全是必要的。云南被稱為“有色金屬王國”，礦產資源豐富。馬鈴薯種植主要分布于曲靖市、昭通市、昆明市等地，這3個市馬鈴薯種植面積占全省總種植面積的71%［1］，同時這3個區域也分布有豐富的鉛鋅礦、煤礦和磷礦等礦產資源。在礦區周圍，各種蔬菜和作物易受到擴散污染源的影響而導致有害重金屬超標［2-4］。昆明以滇池流域為中心的周圍地區富含磷礦，分布有安寧、西山、草鋪等六大礦區共52處磷礦，占到了全省磷礦資源的69%［5］。生產磷肥的磷礦石成分比較復雜，含有多種重金屬組分，其中以Cd含量尤為顯著［6］。所以，盡管昆明市馬鈴薯集中分布于祿勸和尋甸2縣的山區和半山區，離滇池流域較遠，但是分析馬鈴薯在主要礦區周圍是否積累對人體危害較大的重金屬（Cd、Pb），明確馬鈴薯植株對其的吸收和分布規律具有重要實踐意義。本研究以昆明滇池流域主要磷礦復墾區上種植的馬鈴薯為研究對象，重點分析復墾土壤上種植的馬鈴薯各器官Cd和Pb含量，參照食品安全國家標準分析Cd和Pb的含量是否達到安全食用標準，并得出馬鈴薯對Cd和Pb兩種重金屬元素的富集系數。最終，為云南省礦區周圍、復墾地作物選擇和種植提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料采集和處理

土壤樣品的采集：參照龔世鵬［7］的方法，于5月中旬在昆明某磷礦復墾地上采用S形曲線法采集5份土樣（每份500 g左右）。將采集的土樣混合后用四分法縮分至約100 g，縮分后的土樣經風干后，除去土樣中石塊和植物殘體等異物，用木棒碾壓，通過2 mm尼龍篩除去2 mm以上的砂礫，混勻，用研缽將土樣研磨至全部通過40目尼龍篩，混勻后備用。

馬鈴薯的根、莖、葉及塊莖的采樣：試驗用的馬鈴薯植株為昆明磷礦復墾地上種植的馬鈴薯，品種為‘麗薯6號’。分別于2014年5月中旬采集了9株現蕾期馬鈴薯植株，于8月下旬采集了12株收獲期的馬鈴薯植株。將采集回來的每個馬鈴薯植株分為根、莖、葉和塊莖4個部分，分別測定鮮重。各部分清洗干凈，分別裝入牛皮紙袋中并放入烘箱中105℃殺青0.5 h，然后75℃烘干至恒重，冷卻后即刻測定干重，將樣品分別用小鋼磨打成粉并放入密封袋中，注明各個樣品編號以備用。

1.2 分析方法

土壤及馬鈴薯植株樣品均采用火焰原子吸收光譜法測定，試驗所用儀器為美國瓦里安原子吸收儀（AA240）。采用國家食品重金屬測定標準分別測定馬鈴薯現蕾期（9株）、收獲期（12株）的塊莖、根、莖、葉各器官中Cd、Pb的含量［8，9］（由于現蕾期采到的樣品不多，僅測定了Cd，Pb未測），國家土壤質量重金屬測定標準測定土壤中Cd、Pb的含量［10］，用手持pH計測量土壤pH值［11］。各材料均稱取3份1.00 g樣品，重復測定3次。

1.3 土壤Cd、Pb污染情況

土壤中總Cd、Pb的含量如表1所示。磷礦復墾土壤pH值在5.07～6.24，屬酸性土壤。與國家頒布的土壤環境質量標準進行對比［12］，可知該取樣地土壤中總Cd、Pb的含量都已經超過土壤無機污染物的環境質量第二級標準（pH值在5.5～6.5，菜地），屬于輕度污染水平，具有潛在污染危害。

1.4 富集系數計算

參考曹瑩等［13］的方法評價馬鈴薯各器官對Cd、Pb的富集能力。富集系數=地上部植物中元素含量/土壤中元素含量；轉運系數=地上部植物中元素含量/地下部植物中元素含量，地下部以根來計算，不包括塊莖。

表1 土壤中總Cd、Pb的含量（mg/kg DW）Table 1 Total content of cadmium and lead in soil

1.5 數據分析

試驗所有數據采用Microsoft Office Excel 2007進行計算，采用SPSS19.0（SPSS Inc.，USA）軟件統計分析試驗數據，利用Duncan's多重比較法進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同時期馬鈴薯各器官Cd、Pb的含量

由表2可以看出，處于現蕾期的馬鈴薯植株中，根、莖、葉Cd的含量均呈明顯增高趨勢，并且根中的平均含量最少，莖中的含量比根中的增加22.3%，葉中Cd含量則又比莖中含量增加38.4%。收獲期馬鈴薯中根、莖、葉及塊莖中的Cd含量差異較大，呈現塊莖、根、莖、葉Cd的含量逐漸增大規律，增幅分別為21.1%、22.2%和38.1%，塊莖與葉中Cd含量差值達到2.04倍。

另外，馬鈴薯對Pb的積累規律與Cd是類似的，收獲期的馬鈴薯塊莖、根、莖、葉中的含量也呈現逐漸增加趨勢，各器官中的Pb含量差異顯著。塊莖、根、莖、葉對Pb的積累增幅分別為41.8%、22.5%和43.4%，塊莖和葉中的含量差值達2.49倍。

表2 不同時期馬鈴薯塊莖、根、莖、葉Cd、Pb的含量（mg/kg DW）Table 2 Content of cadmium and lead in potato tuber，root，stem and leaf at different stages

隨生育期的延長，收獲期馬鈴薯根、莖、葉中Cd含量較開花期的馬鈴薯根、莖、葉中的Cd含量有所增加，但增加量并不明顯（圖1）。表明馬鈴薯植株對Cd的吸收和積累事實上在現蕾期就達到較高水平，在地下塊莖膨大期間并沒有再持續大量吸收和積累。

2.2 食用安全性

把馬鈴薯塊莖中Cd、Pb含量換算為鮮重后，含量分別為0.40和2.89 mg/kg，與國家規定的食品中污染物限量標準Cd（0.1 mg/kg）、Pb（0.2 mg/kg）進行比較，塊莖中Cd、Pb的含量均超過國家標準限量，其中Cd超出4倍，而Pb則超出14.45倍，因此不適宜人體繼續食用。

圖1 現蕾期和收獲期馬鈴薯各個部位的Cd含量（mg/kg）Figure 1 Cadmium content of each part of potato plant at bud flower and maturity stages

2.3 馬鈴薯對Cd、Pb的富集能力

馬鈴薯對Cd、Pb的富集能力見表3，可以看出馬鈴薯塊莖、根、莖、葉對Cd、Pb的富集系數逐漸變大，塊莖、葉對Cd、Pb的富集系數差值分別為3.750和0.309，各器官對Cd的富集作用明顯強于對Pb的富集作用。Cd、Pb的轉運系數同樣呈塊莖、莖、葉逐漸增加規律，但2種重金屬的轉運系數則差別不大。

表3 收獲期馬鈴薯各器官對Cd和Pb的富集系數和轉運系數Table 3 Bioconcentration and translocation factor of cadmium and lead in various organs at maturity

3 討論

重金屬由于對人體具有不可逆的傷害及富集效應，因此在食品安全問題上一直都是人們關注的核心話題。由于毒性較大和在土壤中存在的普遍性和長期性，Cd、Pb對人體構成的健康威脅最為明顯［14，15］，在中國屬于重點監測和控制排放的元素［16-18］。當前，土地復墾和生態修復是全社會面臨的重大課題，其涉及的農用耕地恢復和生態功能修復實踐等等與農業生產密切相關。從本研究結果可以看出，在磷礦復墾地種植馬鈴薯，由于土壤Cd、Pb的含量超過環境質量二級標準致使塊莖中的Cd、Pb含量超過食品限量標準［19］，不適宜人體繼續食用。云南作為馬鈴薯主產區同時也是礦產資源貯備豐富區，在開發利用各種礦產資源時應注重環境保護和綠色開采，加強對礦區周圍農用耕地的保護，避免走先污染后治理的老路。而在農用耕地恢復過程中要強化對有害重金屬的監管，例如鎘，馬鈴薯塊莖對其具有較強的富集作用，因此在選擇種植區域時應避開礦區周圍具有潛在鎘污染源的土壤。

在高濃度Cd脅迫下（1，5和25 mg/kg，土壤pH 8.2），盆栽馬鈴薯植株中Cd含量從地下往地上器官逐漸增加［20］，本研究樣品采自磷礦復墾土壤（Cd濃度0.528 mg/kg，土壤pH 5.07～6.24），即在酸性低Cd含量土壤上其對Cd的轉運和分布規律仍是一致的。葉片作為光合和蒸騰作用的主要器官，Cd隨著木質部的蒸騰流向上運輸并富集在葉片中，塊莖中的Cd則以韌皮部的下行流輸入，塊莖及匍匐莖（根）自身只吸收土壤中較少的Cd，這在相關的盆栽試驗中已經得到證實［21，22］。葉片中的Cd由于與光合產物及細胞壁組分形成穩定的絡合物［23］，影響了Cd向地下塊莖的轉移。加之馬鈴薯塊莖的分化和膨大通常在植株現蕾后的花期，塊莖在地下的時間只占整個生長期的一部分，因此盡管塊莖生長于土壤中，其含有的Cd含量反而是最低的。馬鈴薯對Pb的吸收與積累規律研究較少，塊莖中Pb的積累與土壤類型及品種具有密切關系［24］，從Pb在馬鈴薯植株內含量來看，馬鈴薯各器官對Pb的轉運系數和分布規律與Cd類似，因此其在體內的轉運機制也應與Cd相似。但從富集系數分析則可知馬鈴薯對Cd、Pb的吸收機制不盡相同，馬鈴薯根系在磷礦復墾土壤中更易吸收Cd，這可能是因為土壤有機質、pH值導致Cd、Pb的可利用性不一樣［25］，或是不同金屬元素間存在的相互作用引起［26］，其原因有待進一步深入研究。

本文研究了磷礦復墾地種植馬鈴薯對Cd、Pb的吸收和積累規律，數據表明在此類土壤中馬鈴薯的塊莖、根、莖、葉對這2種重金屬元素的積累規律是一致的。雖然塊莖的含量均為最低，但是仍超過食品安全下限標準，因此建議不宜在磷礦復墾土地種植馬鈴薯。而在規劃選擇馬鈴薯種植區域時也要注意盡可能避開礦區，避免塊莖中有害重金屬的超標，保障食品安全和馬鈴薯產業健康有序地發展。

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Analysis on Cadmium and Lead in Whole Potato Plant from Phosphorite Reclaimed Land

YANG Qizhong，GUO Huachun，DU Xiaocui，LI Jun*
（College of Agronomy and Biotechnology，Yunnan Agricultural University，Kunming，Yunnan 650201，China）

The content of cadmium and lead existing in potato plant in the phosphorite reclaimed land was determined by using flame atomic absorption spectrometry.The results showed that the total cadmium and lead content of soils exceeded the secondary standard of the environmental quality of soil inorganic pollutants，and both element contents in potato tuber exceeded the food safety standard；the distribution of cadmium and lead in various parts of the potato plant had obvious patterns，and the contents of both elements in various organs showed significant difference and increased gradually in the potato tuber，root，stem and leaf，with leaf containing the highest content of both elements and tuber the lowest；along with the advance of the growth，the content of cadmium in each organ of potato plant at maturity was a little bit higher than that at flower bud stage.The data also showed that the bioconcentration factor of cadmium was markedly higher than that of lead，suggesting that planting potato should be more cautious even in a low concentration of cadmium contaminated soils.

phosphorite reclaimed land；potato；cadmium；lead；accumulation

S532

A

1672－3635（2016）05-0277-05

2015-09-15

云南省教育廳科學研究基金項目（2014y211）；云南省重大種業專項（2013ZA007）。

楊啟中（1992-），男，本科，從事馬鈴薯逆境生理研究。

李俊，講師，博士，主要從事馬鈴薯逆境生理生態研究，E-mail:nxy8mm@163.com。