不同類型土壤鎘含量對香芋鎘吸收的影響

謝運(yùn)河，紀(jì)雄輝*，田發(fā)祥，柳賽花，張子葉，易紅偉

1.湖南省農(nóng)業(yè)環(huán)境生態(tài)研究所/農(nóng)業(yè)部長江中游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)田土壤重金屬污染防控與修復(fù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410125；2.湖南雙紅農(nóng)科生態(tài)工程有限公司，湖南 長沙 410006

農(nóng)產(chǎn)品是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，農(nóng)產(chǎn)品數(shù)量安全和質(zhì)量安全是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的兩大核心任務(wù)。隨著科技的發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)步，我國農(nóng)產(chǎn)品數(shù)量安全已得到了有效保障，但質(zhì)量安全問題日益凸顯，對人們的身心健康產(chǎn)生著極大的威脅（尤雷，2018）。我國農(nóng)田主要超標(biāo)重金屬元素為鎘（Cd），2014年環(huán)境保護(hù)部和國土資源部聯(lián)合發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，全國耕地污染點(diǎn)位超標(biāo)率 19.4%，且主要為Cd污染。造成農(nóng)產(chǎn)品Cd超標(biāo)的主要原因有：一是受人類活動(dòng)和自然因素的影響，Cd的排放總量增加，造成農(nóng)田土壤Cd總量增加（Dudka et al.，1999）；二是土壤酸化，增加了Cd的活性，增強(qiáng)了土壤Cd向作物中的轉(zhuǎn)移（廖柏寒等，2009）；三是作物的累積性能及耕作制度也直接影響作物對Cd的積累（吳家梅等，2019）。關(guān)于水稻、玉米、大宗蔬菜等主要農(nóng)作物 Cd吸收積累規(guī)律及調(diào)控機(jī)制皆已有大量研究（周靜等，2018；楊陽等，2017），但關(guān)于香芋（Colocasia esculenta）Cd累積的研究鮮見報(bào)道。

香芋被稱為“蔬菜之王”，營養(yǎng)價(jià)值豐富，色香味俱全（侯運(yùn)和，2011），是一種藥膳兼用型蔬菜，并隨人們生活水的提高和膳食結(jié)構(gòu)的改變，香芋的需求量與日俱增、種植面積逐年加大，香芋種植已逐漸成為湖南臨武、江永等地區(qū)的農(nóng)業(yè)支柱產(chǎn)業(yè)（文強(qiáng)書等，2018；曹真，2017）。香芋主要采用高壟種芋、深溝淹水的方式進(jìn)行，種植方式介于水田和旱作之間，是一種比較特殊的水旱交替種植模式（李祖彪，2007）。因此，明確該種植模式下土壤理化性狀、Cd含量對香芋Cd吸收的影響，對指導(dǎo)香芋的安全生產(chǎn)、促推香芋產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展皆具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)方法

本研究在湖南省臨武縣進(jìn)行，根據(jù)該縣香芋種植的兩類土壤母質(zhì)特征和前期調(diào)研結(jié)果（世界銀行貸款湖南省污染農(nóng)田綜合管理項(xiàng)目（發(fā)改外資[2011]1915號(hào)），分別選擇位于南強(qiáng)鎮(zhèn)文溪村（25°13′33.13″N，112°36′4.25″E）和武水鎮(zhèn)城頭村（25°19′10.06″N，112°35′13.34″E）的兩種主要香芋種植土壤類型：南強(qiáng)鎮(zhèn)文溪村香芋種植基地（WX）為紫色頁巖發(fā)育的堿性水稻土，武水鎮(zhèn)城頭村基地香芋種植基地（CT）為第四紀(jì)紅壤發(fā)育的酸性水稻土，兩個(gè)基地皆存在不同程度的Cd污染。兩個(gè)基地地勢平坦，整體呈狹長型分布，土壤肥力中等偏上，香芋連片種植面積超過 20 hm2，皆采用水稻-香芋輪作模式，種植時(shí)間超過5年。根據(jù)流域灌溉水走向，兩個(gè)香芋種植基地皆從上游至下游分別設(shè)置6個(gè)取樣點(diǎn)位，相鄰取樣點(diǎn)間直線距離約1 km，每個(gè)取樣點(diǎn)選擇相鄰的3個(gè)田塊，作為每個(gè)取樣點(diǎn)位的3次重復(fù)，每個(gè)田塊按照五點(diǎn)取樣法對土壤和香芋進(jìn)行“一對一”取樣。

兩個(gè)試驗(yàn)基地的香芋品種皆為“舜溪”香芋，是臨武縣當(dāng)前種植面積最大的香芋品種。

1.2 測定指標(biāo)與數(shù)據(jù)分析方法

樣品處理：每個(gè)田塊按照五點(diǎn)取樣法，每個(gè)點(diǎn)取香芋樣2蔸，香芋和秸稈清洗干凈后分別切成小顆粒（粒徑＜1 cm），采用四分法留樣1/4，再五點(diǎn)混合后烘干粉碎過100目篩（粒徑＜0.149 mm）后備用；土壤樣品每個(gè)點(diǎn)取0—20 cm耕層土壤250 g左右，五點(diǎn)混合風(fēng)干后，分別制備 100目（粒徑＜0.149 mm）和20目（粒徑＜0.85 mm）樣品備用。香芋和秸稈樣品測定Cd全量；20目土壤樣品用于測定有機(jī)質(zhì)含量（SOM）、陽離子交換量（CEC）、pH及DTPA-Cd含量；100目土壤樣品用于測定土壤Cd全量。

指標(biāo)測定：香芋及秸稈Cd含量采用GB5009.15方法測定，土壤DTPA-Cd含量采用GB/T 23739—2009方法測定；土壤Cd全量采用GB/T 17141方法測定。其他土壤理化性質(zhì)按《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》（魯如坤，2000）進(jìn)行測定。

數(shù)據(jù)處理：以每個(gè)取樣點(diǎn)相鄰的3個(gè)田塊為重復(fù)，采用Microsoft excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理，采用 SPSS 17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)的方差分析（LSD方法，α=0.05）、相關(guān)分析（Bivariate過程進(jìn)行，*：在P＜0.05水平上相關(guān)顯著；**：在P＜0.01水平上相關(guān)顯著）和線性回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 區(qū)域土壤Cd污染情況及主要理化性質(zhì)特征

測定土壤主要理化性質(zhì)及Cd含量情況可知（表1），兩個(gè)基地皆存在不同程度的Cd污染，WX點(diǎn)平均土壤全Cd含量比CT點(diǎn)高29.0%（P＜0.05），但WX點(diǎn)平均DTPA-Cd含量和Cd有效性則分別比CT 點(diǎn)低 53.6%（P＜0.05）和 64.0%（P＜0.05）。WX點(diǎn)平均土壤 pH比 CT點(diǎn)高2.33個(gè) pH單位（P＜0.05），且同一地點(diǎn)不同田塊間土壤pH皆差異顯著，WX點(diǎn)土壤最高與最低pH相差1.02個(gè)pH單位（P＜0.05），而CT點(diǎn)則相差0.08個(gè)pH單位（P＜0.05）；而WX點(diǎn)平均SOM比CT點(diǎn)低20.3%（P＜0.05），但同一地點(diǎn)不同田塊間土壤有機(jī)質(zhì)含量差異皆不顯著；WX點(diǎn)平均陽離子交換量是CT點(diǎn)的 2.2倍（P＜0.05），且同一地點(diǎn)不同田塊間土壤CEC差異也皆不明顯?？梢?，兩試驗(yàn)點(diǎn)田塊間土壤Cd含量、pH的變異性較大，而土壤有機(jī)質(zhì)和陽離子交換量則變異較小。根據(jù)DTPA-Cd/全Cd計(jì)算土壤Cd的有效性結(jié)果表明，WX土壤Cd的有效性整體低于CT點(diǎn)，且同一地點(diǎn)不同田塊間差異不明顯。

2.2 香芋Cd含量特征及其轉(zhuǎn)移系數(shù)

香芋及其秸稈Cd含量如表2所示，CT點(diǎn)的香芋及其秸稈Cd含量皆高于WX點(diǎn)，每個(gè)地點(diǎn)不同田塊間香芋和秸稈 Cd含量差異顯著。CT點(diǎn)香芋Cd含量比WX點(diǎn)高66.7%（P＜0.05），且皆超過《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)GB2762—2017》；CT點(diǎn)香芋秸稈平均Cd含量是WX點(diǎn)的3.6倍（P＜0.05）。

表1 土壤Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)及主要理化性質(zhì)Table 1 Mass fraction of soil Cd and main physical and chemical properties of soil

表2 香芋Cd含量（CX）及Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)（TFX/Y）Table 2 The Cd contents (CX) and Cd transfer coefficients (TFX/Y) of taro

CT點(diǎn)Cd的秸稈/香芋轉(zhuǎn)移系數(shù)（TFstem/taro）、香芋/土壤轉(zhuǎn)移系數(shù)（TFtaro/soil）皆低于WX點(diǎn)，且CT點(diǎn)Cd的TFstem/taro、TFtaro/soil田塊間皆存在顯著差異，而 WX點(diǎn)則差異皆不明顯；CT點(diǎn) Cd的TFstem/taro、TFtaro/soil分別是 WX 點(diǎn)的 1.9倍（P＜0.05）和 1.9倍（P＜0.05）。可見，兩個(gè)地點(diǎn)間香芋 Cd含量及其轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)差異較大，且 WX點(diǎn) Cd的TFstem/taro、TFtaro/soil不受田塊的影響，但CT點(diǎn)不同田塊間香芋Cd的TFstem/taro、TFtaro/soil差異顯著。

2.3 香芋Cd含量與土壤Cd含量及主要理化性質(zhì)的相關(guān)分析

分析香芋Cd含量與土壤Cd含量及土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)性表明（表3），WX點(diǎn)香芋及秸稈Cd含量皆與土壤全Cd、TFtaro/soil呈顯著或極顯著正相關(guān)，且與土壤DTPA-Cd、pH、SOM及CEC皆相關(guān)不明顯，表明WX點(diǎn)香芋及秸稈Cd含量主要受土壤全Cd、土壤至香芋的轉(zhuǎn)移能力共同調(diào)控，而受土壤DTPA-Cd、pH、SOM及CEC的影響較小。建立 WX試驗(yàn)點(diǎn)的香芋 Cd含量（y：mg·kg-1）與土壤全Cd含量（x：mg·kg-1）的線性回歸方程：

計(jì)算香芋達(dá)標(biāo)生產(chǎn)（香芋Cd含量＜0.1 mg·kg-1）時(shí)，WX點(diǎn)土壤全Cd含量閾值為0.65 mg·kg-1，即在當(dāng)前生產(chǎn)情況下，在中堿性土壤的WX點(diǎn)選擇土壤全Cd含量低于0.65 mg·kg-1的土壤，可實(shí)現(xiàn)香芋的Cd安全生產(chǎn)。

CT點(diǎn)香芋及秸稈 Cd含量皆與土壤全 Cd、TFtaro/soil及DTPA-Cd皆呈極顯著正相關(guān)，與土壤pH皆呈顯著負(fù)相關(guān)，且與土壤SOM及CEC相關(guān)不明顯，表明CT點(diǎn)香芋及秸稈Cd含量既受土壤全Cd、土壤至香芋的轉(zhuǎn)移能力的正調(diào)節(jié)，也受土壤pH的負(fù)調(diào)節(jié)，但與土壤 SOM、CEC無顯著關(guān)聯(lián)。分別建立 CT點(diǎn)香芋 Cd含量（y：mg·kg-1）與土壤全Cd含量（x1：mg·kg-1）、土壤 pH（x2）、土壤DTPA-Cd含量（x3：mg·kg-1）的線性回歸方程：

分別計(jì)算香芋達(dá)標(biāo)生產(chǎn)（香芋 Cd含量＜0.1 mg·kg-1）時(shí)CT點(diǎn)的土壤全Cd含量、土壤pH、土壤DTPA-Cd含量閾值，CT點(diǎn)的土壤全Cd含量閾值為0.41 mg·kg-1、土壤pH為6.26、土壤DTPA-Cd含量為 0.19 mg·kg-1，即在當(dāng)前生產(chǎn)情況下，在酸性土壤的CT點(diǎn)，應(yīng)選擇土壤全Cd含量低于0.41 mg·kg-1的土壤，或提升土壤pH至6.26以上，或通過鈍化土壤鎘活性使土壤DTPA-Cd含量降至0.19 mg·kg-1以下，可實(shí)現(xiàn)香芋的Cd安全生產(chǎn)。

香芋Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)與土壤Cd含量及土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)性表明（表3），WX點(diǎn)香芋TFstem/taro、TFtaro/soil皆與土壤全 Cd、DTPA-Cd、pH、有機(jī)質(zhì)及陽離子交換量皆相關(guān)不明顯；CT點(diǎn)香芋TFstem/taro、TFtaro/soil則皆與土壤全Cd、DTPA-Cd呈顯著正相關(guān)，與土壤pH呈顯著負(fù)相關(guān)，與土壤有機(jī)質(zhì)及陽離子交換量相關(guān)不明顯?？梢姡赪X點(diǎn)，Cd由土壤轉(zhuǎn)移至香芋，再至秸稈的轉(zhuǎn)移能力受土壤因子（土壤全Cd、DTPA-Cd、pH、有機(jī)質(zhì)、陽離子交換量）的影響不明顯；但在CT點(diǎn)，Cd的轉(zhuǎn)移能力既受土壤全Cd和有效Cd的正調(diào)控，還受土壤pH的負(fù)調(diào)控。

表3 香芋Cd含量與土壤Cd含量及主要理化性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)Table 3 The correlation coefficients between the Cd content of taro and the Cd content of soil and soil’s chemical properties

3 討論

水旱交替管理是實(shí)現(xiàn)香芋高產(chǎn)的重要栽培方式，香芋在該栽培模式下具有成活率高、生長快、苗健整齊，以及管護(hù)方便省工、病蟲害少、產(chǎn)量高、商品性好等優(yōu)點(diǎn)（李祖彪，2007）。但采用水旱交替管理的香芋高產(chǎn)種植模式，必定會(huì)增加土壤有效態(tài)Cd含量和Cd的生物有效性（紀(jì)雄輝等，2007；劉昭兵等，2010），而土壤鎘的生物有效性直接決定了植物對 Cd的吸收積累（孫麗娟等，2018）。本試驗(yàn)中兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的香芋Cd含量皆超過了食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)（0.1 mg·kg-1），相關(guān)分析結(jié)果表明，兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的香芋Cd含量皆與土壤全Cd、TFtaro/soil皆呈極顯著正相關(guān)，表明香芋Cd轉(zhuǎn)運(yùn)能力、土壤全Cd含量是香芋Cd超標(biāo)的兩大主要影響因子。因此，選擇Cd含量低的土壤種植Cd積累能力低的香芋品種是實(shí)現(xiàn)香芋安全生產(chǎn)的重要途徑。

本研究結(jié)果表明，在中堿性土壤的WX點(diǎn)和酸性土壤的CT點(diǎn)，分別選擇全Cd含量分別低于0.65和0.41 mg·kg-1的土壤種植香芋，是實(shí)現(xiàn)香芋的Cd安全生產(chǎn)的重要前提。但由于土壤Cd活性不僅受土壤全Cd含量的影響，還受土壤pH等環(huán)境因子的調(diào)控。Zhu et al.（2016）研究表明土壤Cd活性與土壤pH值呈極顯著負(fù)相關(guān)，且土壤pH＞7時(shí)土壤Cd的生物有效性急劇下降。本研究中，中堿性土壤的WX點(diǎn)，香芋Cd含量主要受土壤全Cd、TFtaro/soil共同影響，而與pH等其他土壤因子相關(guān)性不明顯；但在酸性土壤的CT點(diǎn)，香芋Cd含量，既受土壤全Cd、TFtaro/soil、DTPA-Cd的正調(diào)節(jié)，還受土壤pH的負(fù)調(diào)節(jié)。表明在中堿性土壤的WX點(diǎn)，應(yīng)在Cd含量低的土壤上種植Cd積累能力低的香芋品種；而在酸性土壤的CT點(diǎn)，還可通過調(diào)理土壤pH至6.26以上、鈍化土壤有效態(tài)Cd（DTPA-Cd）含量至0.19 mg·kg-1以下的方式，實(shí)現(xiàn)香芋的安全生產(chǎn)。

植物對Cd的積累不僅與土壤Cd的生物有效性相關(guān)，還受植物自身轉(zhuǎn)運(yùn)Cd能力的影響（于輝等，2018）。不同作物類型、不同品種對 Cd的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)性能差異顯著（杜彩艷等，2019；李江遐等，2017），因此，篩選并種植 Cd積累能力低的品種是實(shí)現(xiàn)香芋安全生產(chǎn)的重要手段。此外，作物對Cd的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)能力還受土壤 pH等環(huán)境因子的調(diào)控（Wen et al.，2019），本研究中，酸性土壤CT點(diǎn)的土壤Cd有效性及香芋對Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TFstem/taro、TFtaro/soil）皆高于中堿性土壤的WX點(diǎn)，與WX點(diǎn)相比，CT點(diǎn)土壤Cd的有效性平均提高了1.8倍，且TFstem/taro、TFtaro/soil也分別提高了0.94倍和0.99倍，表明酸性土壤不僅提升了土壤Cd的有效性，同時(shí)還提升了土壤-植株系統(tǒng)Cd的遷移轉(zhuǎn)運(yùn)能力，提升了香芋對Cd的吸收積累。

綜上，為實(shí)現(xiàn)香芋的Cd安全生產(chǎn)，不同土壤pH條件下應(yīng)選擇不同的生產(chǎn)策略：中堿性土壤，應(yīng)優(yōu)先選擇Cd含量較低的土壤種植Cd積累能力較低的香芋品種，而酸性土壤還可結(jié)合施用石灰等調(diào)理土壤酸性、土壤調(diào)理劑鈍化土壤Cd活性的方式，降低香芋對Cd的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)和積累，實(shí)現(xiàn)香芋安全生產(chǎn)。

4 結(jié)論

（1）紫色頁巖發(fā)育的中堿性水稻土壤Cd活性、Cd在土壤-香芋系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)移系數(shù)（TFstem/taro、TFtaro/soil）皆低于第四紀(jì)紅壤發(fā)育的酸性水稻土壤。

（2）香芋Cd含量主要受土壤全Cd和Cd在土壤-香芋系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)移能力的正調(diào)控；但在第四紀(jì)紅壤發(fā)育的酸性水稻土壤中，香芋 Cd含量還受DTPA-Cd的正調(diào)控，還受土壤pH的負(fù)調(diào)控。

（3）在中堿性土壤中，香芋的安全生產(chǎn)應(yīng)優(yōu)先選擇Cd吸收能力較低的香芋品種，或選擇土壤全Cd低于0.65 mg·kg-1的土壤進(jìn)行種植；而在酸性土壤中，則可優(yōu)先選擇Cd吸收能力較低的香芋品種，或選擇土壤全Cd含量低于0.41 mg·kg-1的土壤，或通過施用石灰等調(diào)理土壤pH至6.26以上，以及采用土壤鈍化技術(shù)使土壤DTPA-Cd降至0.19 mg·kg-1以下，最好是因地制宜的選擇以上技術(shù)并進(jìn)行優(yōu)化組合，抑制土壤Cd向作物系統(tǒng)的遷移。