葉片采摘對木薯產量的影響及鎘脅迫下薯葉飼用品質分析

趙信林 郭媛 邱化蛟 邱財生 龍松華 王玉富

摘要：為了探究利用木薯對Cd污染農田進行修復性利用的可行性，以10個木薯品種為材料，研究在湖南省典型Cd污染農田中葉片采摘對不同品種木薯塊根產量的影響，并對不同木薯品種的葉片飼用品質進行了分析。結果發現，在中度Cd污染的農田上，不采摘葉時的木薯產量在品種間差異顯著，其中華南205塊根產量高達 13 000 kg/hm2，而最低的是南植199，僅有3 980 kg/hm2;與不采摘葉片相比，葉片采摘會造成10個木薯品種不同程度地減產，平均減產約為29.8%;品種間的葉片養分含量存在顯著差異，但10個品種的葉片Cd含量均超過了1 mg/kg，未能達到飼用標準。綜合分析表明，在中度Cd污染的農田上可以栽培華南205等既耐Cd又可以獲得高產的木薯品種，但是獲得的生物量只能用作工業原料。

關鍵詞：木薯;葉片采摘;鎘;飼用品質;生物能源作物

中圖分類號： S533.01 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）24-0076-05

通信作者：郭 媛，博士，副研究員，主要從事熱帶作物抗逆生理及栽培研究工作，E-mail：guoyuan@caas.cn;王玉富，碩士，研究員，主要從事亞麻遺傳育種及栽培研究工作，E-mail：chinaflax@126.com

湖南省素有“有色金屬之鄉”的美稱，然而在美譽的背后，卻由于開采初期缺乏環保意識和防治措施，導致大量金屬流失，使得大面積農田、河流遭受重金屬污染。在眾多具有危害性的重金屬中，鎘（Cd）因其較強的活性和生物富集性，成為重金屬污染治理的主要元素[1]。在Cd污染的農田上種植食用的糧食、蔬菜等，通常會使可食用部分Cd含量超標，嚴重威脅人生命健康，因此，在該類土地上嚴禁可食用作物的種植。關于重金屬Cd污染治理的方式，一般分為化學修復、物理修復和生物修復，而生物修復中的植物修復方式，又以其原位修復、成本低等優點而廣受關注[2]。然而，大多的Cd超級累植物通常植株矮小、生長緩慢，存在修復見效慢的問題[3]。因此，在強調Cd污染修復的同時，有效利用中輕度Cd污染土地種植對重金屬具有一定耐Cd性的非食用作物不失為一種提高土地利用率和增加農民收入的策略。

石油、煤礦等化石燃料是難以再生的資源，此類燃料的燃燒不僅對環境造成難以估量的環境污染，而且因其燃燒釋放的溫室氣體也一定程度上加劇了全球氣候的變化[4-5]。開發利用清潔、安全的生物能源是世界穩定、可持續發展的必然趨勢。根據研究人員估計，能源植物每年可以固定的能源相當于全球主要能源消耗的10%，然而當前被有效利用的生物能源卻不及總量的1%[4]。因此，種植生物能源作物[6]，尤其是在無法用于糧食生產的土地上，必然具有重大的社會意義。

木薯（Manihot esculenta Crantz），又稱番薯，是大戟科木薯屬多年生植物，原產于南美洲，是熱帶和亞熱帶地區的高產作物，是世界三大薯類作物之一，可用作糧食[7-8]、飼料[9-10]、工業原料（生產生物乙醇、生物燃氣等）[11-12]等。生產實踐證明，木薯具有適應性強、生長快、產量高、耐旱耐瘠、病蟲害少的特點[13-15]。進一步研究發現，木薯對Cd具有較好的耐性，可以在中輕度Cd污染的農田上良好地生長[1，16]。所以在湖南省遭受Cd污染的農田種植木薯，收獲的木薯塊根、莖葉等用于牲畜飼料、工業原料等可能具有較好的推廣前景。然而，在此類土地上生長的木薯莖葉是否可以用作牲畜飼料，以及不同的木薯品種的莖葉飼用品質差異如何，還有待更多的研究。此外，若木薯葉片用于飼料，則還需要明確葉片采摘對不同木薯品種塊根產量的影響。因此，本研究擬通過在湖南省典型Cd污染農田上種植不同木薯品種來研究葉片采摘對不同品種木薯塊根產量的影響，并對不同品種木薯葉片的飼用品質及飼用安全性進行評估。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗地點位于湖南省株洲市株洲縣淥口鎮花園村具有代表性的重金屬污染農田（113.191°E，27.713°N），該區域屬亞熱帶季風性濕潤氣候，四季分明，雨熱充足，無霜期在286 d以上，年平均氣溫為16～18 ℃，適宜多種農作物生長。所選農田土壤為水稻土，試驗開始前在試驗田采集0～20 cm土樣進行土壤基礎理化性質以及重金屬鉛（Pb）、鎘（Cd）和砷（As）的測定。經測定該土壤有機質含量41.0 g/kg，全氮含量2.06 g/kg，全磷含量 0.43 g/kg，全鉀含量15.3 g/kg，堿解氮含量 191 mg/kg，速效磷含量10 mg/kg，速效鉀含量 89 mg/kg，重金屬含量及污染程度（《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018））[17]見表1，由此確定該農田屬于中度Cd污染農田。

1.2 供試材料

試驗中種植的10個木薯品種分別為JG1301、ZM8229、ZM8316、輻選01、桂熱4號、桂熱5號、桂熱911、華南205、南植199、新選048。試驗中所施用的氮肥為尿素（N含量46%），磷肥為過磷酸鈣（P2O5含量12%），鉀肥為硫酸鉀（K2O含量50%）。

1.3 試驗設計

以木薯品種作為主處理，葉片采摘與否為副處理，主處理之間采用隨機區組排列，每個主處理3 次重復。小區設計為4 m×5 m，每小區種植5行，每行4株，共20 株，株距為0.8 m、行距為1.0 m。參試品種于2017年4月24日種植，2017年12月20日收獲。試驗過程中的氮肥分3次施用，其中基肥用量占總氮肥用量的25%，木薯種植40 d后進行第1次追肥，占用氮肥總量的50%，剩余氮肥在植后60 d進行施用;磷肥作為基肥1次性施用;鉀肥基追肥比例與氮肥一致。其他田間管理，如灌溉、除草、殺蟲等均按照當地農民管理模式。葉片采摘于收獲前第3個月進行，每小區隨機選取10株進行葉片的完全采摘，剩下的10株作為對照。每株采摘的葉片測定其鮮質量，并按照小區面積折算成單位面積薯葉產量。測定干薯葉中的粗蛋白、粗纖維、氰化物和灰分含量，同時測定其Cd含量。收獲時分別測定每小區摘葉處理和對照處理的10株木薯的主要產量性狀，包括單株結薯數、薯塊長度、薯塊直徑、單株鮮薯質量，并分別折算出葉片采摘與無采摘處理的木薯單位面積產量。

1.4 測定方法

土壤氮、磷、鉀含量、pH值等參照魯如坤編寫的《土壤農業化學分析方法》[18]進行測定;土壤有機質含量參照Yeomans等的方法[19]進行測定;土壤中的Cd、Pb值測定參考標準為GB/T 17141—1997《土壤質量 鉛、鎘的測定 石墨爐原子吸收分光光度法》[20];土壤中的As測定參考標準為GB/T 22105.2—2008《土壤質量 總汞、總砷、總鉛的測定 原子熒光法》[21];木薯樣品的Cd測定參考標準為GB 5009.15—2014《食品安全國家標準 食品中鎘的測定》[22];葉片中氰化物的測定方法同羅瑛等的方法[23];葉片粗纖維含量測定采用酸堿消煮法 （GB/T 5009.10—2003）《植物類食品中粗纖維的測定》[24];葉片粗蛋白含量測定參照GB 5009.5—2010《食品安全國家標準 食品中蛋白質的測定》[25];葉片灰分含量的測定參照標準GB/T 6438—2007《飼料中粗灰分的測定》[26]。

1.5 數據分析

所有數據采用Microsoft Excel 2013和IBM SPSS Statistics 26進行數據處理和方差分析，并以0.05 為差異顯著性水平，用Duncan's法對各組數據進行多重比較，采用Origin 2017進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 葉片采摘對不同木薯品種產量的影響

不同品種木薯在葉片采摘與非采摘情況下的塊根產量見圖1。結果表明，葉片采摘顯著降低了ZM8229、ZM8316和華南205 3個品種的塊根產量，而其他品種也因為葉片采摘造成了不同程度的產量下降，但是沒有達到顯著水平。與對照相比，葉片采摘使得10個木薯品種產量降低了4.95%～47.1%之間，平均為29.8%，產量降低最為嚴重的是華南205，減產最少的是南植199。在不采摘葉片的情況下，不同的木薯品種在所選試驗區域的產量差異顯著，變化范圍大，在3 980～13 000 kg/hm2之間。在所有供試品種中，產量超過10 000 kg/hm2的有華南205、輻選01、新選048，其中華南205塊根產量最高，約為 13 000 kg/hm2，其他2個品種分別為12 300、11 700 kg/hm2;產量最低的是桂熱5號，僅為3 980 kg/hm2。在采摘葉片的情況下，不同木薯品種的產量變化范圍為2 940～8 650 kg/hm2，其中南植199產量最高，約為8 650 kg/hm2，桂熱5號產量最低，僅為2 950 kg/hm2。

2.2 葉片采摘對不同木薯品種產量性狀的影響

不同木薯品種在葉片采摘和對照處理條件下與產量相關的性狀見表2。在不進行葉片采摘的情況下，不同木薯品種之間的塊根長、塊根直徑、單塊根質量、單株塊根數存在顯著差異。對塊根長度，10個木薯品種的平均長度在22.3～26.9 cm之間，其中華南205塊根長度最大，南植199最小;10個木薯品種的塊根直徑變化范圍在32.2～44.6 mm之間，其中華南205最大，桂熱4號最小;單個塊根的質量在品種之間的變化更為明顯，單塊根質量最大是輻選01，為377 g，最小的是桂熱4號，僅為186 g;每株木薯可收獲的塊根數量在5.12～13.60個之間變動，可收獲塊根數量最多的為桂熱4號，最少的為桂熱5號。與對照處理相比，葉片采摘顯著改變了品種之間各個產量相關性狀的差異情況。葉片采摘后，10個木薯品種的塊根平均長度在21.2～27.0 cm，與對照相比，變化范圍相近，但是塊根長度最大的為桂熱5號，最小的為桂熱911;塊根直徑變化范圍為31.2～39.3 mm，最長的為華南205，最短的為桂熱4號;單個塊根質量則在173～327 g之間變化，最大者為南植199，最小的為ZM8316;10個品種單株木薯塊根數量變化范圍為5.19～11.50個，單株塊根數量最多的是桂熱4號，最小的是桂熱5號。

葉片采摘對木薯產量相關性狀具有顯著的影響，但是因品種不同而又有較大差異。葉片采摘對JG1301、輻選01、桂熱5號、桂熱911、南植199等5個木薯品種的塊根長度、直徑、質量以及塊根數量都沒有明顯影響，但是明顯降低了ZM8229、桂熱4號的塊根長度;葉片采摘還明顯降低了ZM8316、華南205的單個塊根質量;此外，葉片采摘還明顯降低了新選048的單株塊根數量。

2.3 不同木薯品種的薯葉飼用品質差異

木薯的葉片可以用作牲畜飼料，但是其飼用品質與其粗蛋白、粗纖維等多種物質的含量緊密相關，供試10個木薯品種的葉片飼用品質相關物質含量見表3。不同品種木薯的葉片飼用品質之間差異顯著。10個木薯品種中，粗蛋白含量以桂熱5號最高，約為353 g/kg，最低的為輻選01，約為266 g/kg;粗纖維含量大致在223～292 g/kg之間變化，最高的為ZM8229，最低的為華南205;葉片氰化物含量變化范圍為39.5～105.0 mg/kg，最高者為華南205，最低的是新選048;灰分含量最高的是輻選01，為80.7 g/kg，最低的是南植199，為58.7 g/kg;葉片重金屬Cd含量最高的是JG1301，為2.29 mg/kg，Cd含量最低的是南植199，為1.52 mg/kg。10個木薯品種的鮮葉產量之間差異顯著，其中產量最高的是ZM8229，為9.60 t/hm2，最低的為6.86 t/hm2。

3 討論與結論

3.1 葉片采摘與木薯產量

10個木薯品種中，在不進行采葉處理時，華南205可以獲得最大的塊根產量，其次是輻選01和新選408，3個品種在中度Cd污染的農田上仍可以獲得10×103 kg/hm2的產量，因此可以優先考慮在該污染水平的農田上種植。

植物的葉片是進行光合作用最主要的場所，因此葉片的長勢好壞直接影響植物光合產物的積累和產量的形成[27]。用作飼用的木薯葉片需要在保持綠色的時候采摘，才能保持葉片的營養物質含量，所以對木薯進行葉片采摘必須掌握好時期，以達到對木薯產量影響最小，而葉片質量最佳[28]。對供試的10個木薯品種，葉片采摘無一例外地降低了其塊根的產量，說明在本研究中距離木薯收獲3個月的時段對木薯植株進行全部葉片摘除并不是最合適的。本試驗中塊根產量受葉片采摘影響最小的是南植199，主要是由于其生育期較短導致的，可能葉片采摘時，其干物質積累已經基本完成。因此，應當考慮改變采摘時間（將采摘期延后）和采摘方式（分次部分采摘）。

3.2 葉片飼用品質及安全性

與富含淀粉的木薯塊根[7]相比，木薯葉片更富含多種營養物質和生物活性物質，是蛋白質、礦物質和維生素的良好來源，因此適當處理后可以作為蔬菜食用，也可以作為良好的畜禽飼料[29]。然而木薯葉片通常含有較高的生氰糖苷，在β-葡萄糖苷酶的作用下可以生成劇毒性的氫氰酸，所以薯葉氰化物的含量往往成為影響常規土地上生長的木薯葉片的食用或飼用安全性的主要因素[10]。而生長在Cd污染的土壤上的木薯，則不可避免地會有Cd積累在葉片[16]，因此Cd含量也一并成為影響薯葉食用或者飼用安全性的必須考慮的因素。

供試10個木薯品種中，新選408的氰化物含量最低，低于40 mg/kg，經過加工處理后較易將葉片毒性降低，而其粗蛋白、粗纖維和灰分含量處于中等水平，所以從營養角度來看是最適合用于飼用的品種。但是在Cd含量上看，10個木薯品種中葉片Cd含量最低者也有1.52 mg/kg，均遠遠超過了我國飼料衛生標準中規定的安全濃度，即1 mg/kg[30]。與本試驗中相同的木薯品種在前人報告[1]中并未出現這么高的Cd含量，主要是因為本試驗選用農田Cd污染更為嚴重。因此在所選Cd污染農田上生長的木薯的葉片不可以作為飼料使用。

通過本試驗可以得出以下結論：（1）葉片采摘會對木薯塊根產量產生顯著影響，最佳的葉片采摘時間和方式應既保證產量，又保證葉片飼用品質。（2）在中度Cd污染農田上栽培的木薯的葉片很可能由于Cd含量超標無法用于飼用。（3）在與本試驗類似的農田上生產的木薯更適合用作工業原料，用以生產生物乙醇、生物燃氣等。

參考文獻：

[1]吳 勇，張 瑋，易 拓，等. 35份木薯種質資源鎘積累差異評價[J]. 江蘇農業科學，2019，47（10）：95-102.

[2]Zhuang P，Yang Q W，Wang H B，et al. Phytoextraction of heavy metals by eight plant species in the field[J]. Water，Air，and Soil Pollution，2007，184（1/2/3/4）：235-242.

[3]Cherian S，Oliveira M M. Transgenic plants in phytoremediation：recent advances and new possibilities[J]. Environmental Science & Technology，2005，39（24）：9377-9390.

[4]鄢幫有，張時煌，吳美華，等. 我國能源植物利用現狀與深化研發芻議[J]. 江西農業學報，2013，25（12）：111-115.

[5]謝光輝. 能源植物分類及其轉化利用[J]. 中國農業大學學報，2011，16（2）：1-7.

[6]Lemus R，Lal R. Bioenergy crops and carbon sequestration[J]. Critical Reviews in Plant Sciences，2005，24（1）：1-21.

[7]Liu R，Sun W D，Zhang Y J，et al. Development of a novel model dough based on mechanically activated cassava starch and gluten protein：application in bread[J]. Food chemistry，2019，300：125196.

[8]Night G，Asiimwe P，Gashaka G，et al. Occurrence and distribution of cassava pests and diseases in Rwanda[J]. Agriculture Ecosystems & Environment，2011，140（3/4）：492-497.

[9]Ravindran V. Cassava leaves as animal feed-potential and limitations[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture，1993，61（2）：141-150.

[10]Ceballos H，Iglesias C A，Pérez J C，et al. Cassava breeding：opportunities and challenges[J]. Plant Molecular Biology，2004，56（4）：503-516.

[11]Cock J. Cassava：new potential for a neglected crop[M]. London：Westview Press，1985.

[12]Yin Y，Ma Z，Nong G，et al. Strategies of energy management in a cassava starch plant for increasing energy and economic efficiency[J]. Journal of Cleaner Production，2019，234：1296-1305.

[13]Pandey A，Soccol C R，Nigam P，et al. Biotechnological potential of agro-industrial residues. Ⅱ：cassava bagasse[J]. Bioresource Technology，2000，74（1）：81-87.