不同耕作方式下川芎對(duì)土壤中鉛、鎘含量的富集特征

周斯建，趙印泉，彭培好，孫傳敏

(1.成都理工大學(xué) 旅游與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院園林系，成都 610059；2.成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，成都 610059)

0 前言

川芎(Ligusticum chuanxiong Hort.)是四川著名的道地藥材，具有活血行氣、祛風(fēng)止痛之功效，也是我國主要出口中藥材品種之一[1]。四川彭州是川芎道地產(chǎn)區(qū)之一，2012年該區(qū)川芎種植面積逾1 800 hm2，年產(chǎn)量600×104kg，占全國種植面積和總產(chǎn)量的近1/6[2]。研究表明，作為世界最大的植物藥材生產(chǎn)國，我國中藥材總出口額僅占國際市場的3%，主要制約因素是(藥材中重金屬污染超標(biāo)[3]，其中川芎曾6次因重金屬超標(biāo)而被銷毀[4]。

在中藥材重金屬污染中，以Cd、Pb含量超標(biāo)最為突出[5]，而土壤是藥材中重金屬的主要來源[6]。針對(duì)川芎產(chǎn)區(qū)常用的水稻-川芎(對(duì)應(yīng)土壤簡稱免耕土)、水稻-川芎(簡稱翻耕土)、蔬菜-川芎(簡稱菜園土)、其他作物-川芎四種(簡稱旱地，下同)耕作方式，研究在不同耕作方式下，川芎對(duì)土壤中Cd、Pb含量的積累特征，旨在從耕作方式為川芎Cd、Pb污染防治提供可行依據(jù)，并為川芎品質(zhì)的進(jìn)一步提高和無污染綠色藥材的種植提供指導(dǎo)。

1 材料和方法

1.1 采樣及處理

在2009年-2010年間，以多點(diǎn)混合的方式采集四川彭州市敖平鎮(zhèn)川芎種植區(qū)內(nèi)不同耕作方式下川芎的成熟根莖、地上莖葉和相對(duì)應(yīng)的表層0 cm～20 cm的土壤為樣本。以梅花形五點(diǎn)法采樣1 kg，去除土壤中雜草、草根、礫石、粉料團(tuán)等雜物后帶回試驗(yàn)室置于通風(fēng)處自然風(fēng)干,后經(jīng)研碎、過篩、裝袋送至地質(zhì)礦產(chǎn)部成都綜合巖礦測試中心，測試土壤及川芎根莖、川芎葉片樣品中Cd、Pb含量及土壤pH值。元素全量按照中國地質(zhì)調(diào)查局《生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)樣品分析技術(shù)要求 DD2005-03(試行)》中的相關(guān)要求和規(guī)定進(jìn)行測定，土壤 pH值按照《中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》(NY/T 1121.2—2006) 用pH值測試儀測定。

1.2 分析方法

利用 SPSS17.0和Excell 2003軟件，完成土壤、川芎中Cd、Pb含量的統(tǒng)計(jì)分析及顯著性檢驗(yàn)。川芎根、葉對(duì)Cd、Pb元素的富集系數(shù)=C元素/C土壤。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作方式下土壤中Cd、Pb含量積累特征

以土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB15618-1995中Cd(0.3 mg·kg-1)、Pb(300 mg·kg-1)衡量，四種耕作方式下土壤中Pb的含量均符合國家二類土壤的標(biāo)準(zhǔn)，而土壤Cd的含量超過了國家二類土要求，存在一定程度的Cd污染。

表1顯示，在四種土壤中，Cd的含量范圍在0.34 mg·kg-1～1.16 mg·kg-1， 均值為 0.73 mg·kg-1，土壤間Cd元素含量變異系數(shù)在1.69%～8.11%之間。在P<0.05水平上，四種土壤間的差異顯著，以菜園土中累積程度最高(1.10 mg·kg-1)，旱地中最低(0.37 mg·kg-1)。Cd含量在旱地中變異較其他三種土壤大，而Pb在四種土中含量范圍在18.40 mg·kg-1～39.20 mg·kg-1，均值為22.64 mg·kg-1，土壤間Pb元素含量變異系數(shù)在6.63%～22.93%之間。

在P<0.05水平上，四種土壤間中，菜園土Cd、Pb含量顯著高于其他三種類型土壤，這可能是由于在蔬菜種植過程中，大量施用有機(jī)肥[10]、噴施農(nóng)藥等外源途徑而增加土壤中重金屬的含量，而免耕土由于秸稈還田，將累積在秸稈中以及來自土壤、滯留在根系的Cd、Pb再次釋放到土壤中[11]，促進(jìn)了土壤對(duì)鎘、鉛的吸附[12]，表現(xiàn)出高于翻耕土和旱地的土壤重金屬含量。翻耕土中Cd含量顯著高于旱地，可能是水稻對(duì)土壤中Cd的累積的緣故[13]。免耕土與翻耕土間Cd含量的顯著差異表明，采用適當(dāng)?shù)母鞔胧?翻耕、秸稈移除等)可以部分降低稻田中的Cd。

表1 不同耕作方式下土壤中Cd、Pb的積累特征

注：不同字母表示差異顯著(P<0.05，n=5)

表2 不同耕作方式下土壤Cd、Pb污染等級(jí)評(píng)價(jià)

2.2 土壤污染及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

采用單因子污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)的結(jié)果表明(表2)，四種土中Pb的單因子污染指數(shù)均小于“0.7”，處于清潔狀態(tài)，而土壤中Cd元素的所有單因子污染指數(shù)均高于“1”，顯示土壤已受污染，其中旱地綜合指數(shù)小于“1”，處于污染警戒線，翻耕土處于輕度污染，而免耕土和菜園土則分別達(dá)到了中度和重污染。為了避免內(nèi)梅羅指數(shù)在評(píng)價(jià)時(shí)對(duì)因子的放大(縮小)高含量(低含量)的影響[14]，研究中再采用Hacanson指數(shù)法對(duì)土壤污染進(jìn)行定量劃分[15]。

表3 不同耕作方式下土壤中Cd、Pb潛在生態(tài)危害程度

由表3可以看出，在四種耕作方式下，土壤中Cd元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)(EI)均大于Pb，其中旱地、翻耕土中Cd為中度生態(tài)危等級(jí)，免耕土、菜園土已達(dá)到強(qiáng)生態(tài)危害等級(jí)。四種土壤中Pb的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)均小于10，處于輕微污染。在綜合生態(tài)危害指數(shù)上，四類土壤中Cd、Pb元素均小于150，處于復(fù)合重金屬低度危害。

2.3 不同耕作方式下川芎中Cd、Pb的富集特征

2.3.1 不同耕作方式下川芎中Cd的累積特征

由表4表明，以《藥用植物及制劑外經(jīng)貿(mào)綠色行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) WM/T 2-2004》中鎘的標(biāo)準(zhǔn)0.3 (mg·kg-1)來看，在旱地和翻耕土中川芎根莖和葉片含量均符合要求，而根莖在菜園土中略有超標(biāo)，葉片則在免耕土和菜園土中均超標(biāo)。

在P<0.05 水平上，菜園土中川芎根莖和葉片中鎘含量高于其他類型土壤，四種耕作方式下川芎根莖、葉片對(duì)土壤中鎘的吸收均表現(xiàn)為菜園土>免耕土>翻耕土>旱地。川芎根莖在翻耕土中對(duì) Cd 的富集能力顯著低于其他三種土壤，而在其余類型土壤中差異不顯著，可能與土壤中曾種過川芎相關(guān)，這與川芎不能連作的耕作習(xí)慣一致。根莖對(duì)鎘的富集系數(shù)依次為旱地>菜園土>免耕土>翻耕土；不同土壤中，川芎葉片對(duì) Cd 的富集能力按大小依次為：菜園土>免耕土>旱地>翻耕土，其中菜園土與免耕土差異不顯著。川芎葉片和根莖對(duì) Cd 的富集能力與土壤中 Cd 含量成正相關(guān)，符合 Cd 在土壤-作物系統(tǒng)中的一般規(guī)律[16]。

2.3.2 不同耕作方式下川芎中Pb的富集特征

根據(jù)《藥用植物及制劑外經(jīng)貿(mào)綠色行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) WM/T 2-2004》中鉛的限量5 mg·kg-1要求，本研究中四種耕作方式下川芎根莖和葉片中鉛均已超標(biāo)(表5)。

表4 不同耕作方式下川芎中Cd的累積特征

注：同一列不同字母表示在P<0.05 水平上的顯著差異，有相同字母表示差異不顯著

表5 不同耕作方式下川芎中Pb累積特征

注：同一列不同字母表示在P<0.05水平上的顯著差異，有相同字母表示差異并不顯著

在P<0.05水平上，川芎根莖Pb含量在四種土壤中無顯著差異，以翻耕土中最高，菜園土最低，富集系數(shù)在翻耕土與旱地、旱地與免耕土間差異不顯著，而翻耕土、旱地中的富集系數(shù)顯著高于菜園土，可能與菜園土pH較小、有機(jī)質(zhì)含量較高，土壤中Pb的移動(dòng)受限有關(guān)[17]。川芎葉片Pb含量在免耕土中和富集能力顯著高于其他三種土壤，可能與取樣點(diǎn)環(huán)境等相關(guān)，需要進(jìn)一步研究。

2.3.3 不同耕作方式下川芎根莖、葉片中Cd、Pb含量的比較

如圖1所示，不同耕作方式的土壤中，川芎葉片對(duì)Cd、Pb的富集能力均大于根莖(葉根重金屬含量比大于“1”)。在菜園土上葉片中Cd的含量是根莖的1.56倍，顯著高于其他土壤。這可能與菜園土中較頻繁的人類活動(dòng)如施肥、用藥等有關(guān)，而這些活動(dòng)對(duì)川芎葉片的影響大于根莖，這與魚腥草[18]、蔬菜[19]等研究相似。葉片與根莖對(duì)Pb的富集差異在免耕土中(1.98)顯著大于其他土壤，且在旱地中比值最小(1.05)，表明在川芎種植中，重金屬Pb的來源主要與前物的種類相關(guān)，在未種過川芎的旱地中，根莖與葉片對(duì)鉛的累積基本相同。

圖1 不同耕作方式對(duì)川芎根、葉Cd、Pb富集能力的影響Fig．1 Effect on enrichment ability of different parts of Ligusticum chuanxiong by tillage methods

3 結(jié)論

(1)四種土壤均未受Pb污染，但存在不同程度的Cd污染；菜園土Cd、Pb含量顯著高于其他三種土壤，且處于 Cd重污染和強(qiáng)生態(tài)危害狀態(tài)。在Cd含量上，依次為菜園土>稻田免耕土>稻田翻耕土>旱地；稻田免耕土、旱地和稻田翻耕土在Pb含量上差異不顯著。

(2)在四種耕作方式下，川芎根莖和葉片的Pb含量均超標(biāo)，川芎根莖中Pb平均含量為6.16 mg·kg-1，葉片中Pb平均含量8.63 mg·kg-1；川芎根莖和葉片Cd含量在旱地和翻耕土中達(dá)到要求。

(3)川芎葉片對(duì)Cd、Pb的富集能力大于根莖。葉片中鎘含量主要受耕作方式影響，根莖中鉛含量主要與前茬作物種類相關(guān)。

(4)川芎不適宜與葉菜類蔬菜輪作，在與水稻輪作時(shí)應(yīng)盡量翻耕，并將秸稈移除。

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