江西省葛種植區(qū)中重金屬鎘調(diào)查及其富集特征

林小兵，周利軍，何紹浪，王斌強，黃欠如，武 琳

(江西省紅壤研究所，國家紅壤改良工程技術研究中心，江西 南昌 330046)

0 引 言

葛Puerarialobata(Willd.)Ohwi豆科，葛屬，多年生落葉草質(zhì)藤本植物，可以形成粗大肥碩塊根，含有豐富的淀粉、營養(yǎng)成分及活性成分[1]，在我國主要分布于廣西、江西、湖南、湖北、安徽等地[2]。隨著工業(yè)化、城市化和集約化農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，大量工業(yè)“三廢”、化肥及農(nóng)藥進入環(huán)境，導致農(nóng)業(yè)土壤鎘(Cd)問題日益突出[3]，不僅造成農(nóng)作物品質(zhì)下降，通過食物鏈嚴重威脅人體健康，還影響農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[4-5]。江西是我國主要的糧食主產(chǎn)大省之一，也是我國重要的有色金屬之鄉(xiāng)，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明在江西省優(yōu)勢水稻區(qū)1000個樣本中，農(nóng)田土壤的主要污染物為Cd、Cu、As、Hg，其中，土壤Cd超標率為4.7%[6-7]。土壤重金屬鎘污染已成為農(nóng)作物及蔬菜安全和品質(zhì)的重要限制因素[8-9]。農(nóng)作物可食部分的重金屬直接影響人類食品安全，而廢棄物中的重金屬又會對土壤生態(tài)環(huán)境和畜禽產(chǎn)生影響[10]。章麗娟等[11]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在礦區(qū)周邊粉葛的生長不受土壤重金屬Cd的影響，且粉葛產(chǎn)量能達到正常水平。陸金等[12]研究發(fā)現(xiàn)葛根對重金屬Cd的富集系數(shù)為4.37，轉運系數(shù)為11.33，說明葛對重金屬Cd具有較強富集性。江西省葛資源豐富，但缺乏其相應的葛重金屬含量的研究，不同地區(qū)的葛根體內(nèi)的Cd含量也存在很大差異。近年來，在鎘污染地區(qū)種植經(jīng)濟作物成為生物修復熱點，在收獲經(jīng)濟作物的同時修復鎘污染土壤[13]，因此，本研究以經(jīng)濟作物-葛為例，探討葛不同部位重金屬富集特征，通過葛藤、葛渣等廢棄物移除土壤中鎘含量，葛粉符合食品安全同時增加經(jīng)濟收入，最終實現(xiàn)環(huán)境效益和經(jīng)濟效益雙贏。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查方法

根據(jù)江西省葛主要種植地區(qū)，選取了九江市德安縣，南昌市新建區(qū)、安義縣和進賢縣，宜春市樟樹市和上高縣，上饒市鄱陽縣、玉山縣、德興市和橫峰縣，撫州市南城縣、崇仁縣和資溪縣，贛州市興國縣，吉安市永豐縣，新余市渝水區(qū)等16個地區(qū)，樣地具體信息見表1。葛品種主要為贛葛1號、贛葛2號、桂葛1號、宋葛1號等。于葛成熟可收獲階段(2019年12月)，從16個地區(qū)選取了18個葛搭架種植基地，每個基地采集長勢相對一致的5株人工葛，采取“S”形布點采樣，共采集90株植株，每株采集葛根(塊根)、葛頭(葛根與主藤連接處，屬于葛根扦插苗，2年生)、主藤、側枝、葉片，采集植株樣品同時相應采取0～20 cm土壤，共采集80份土樣。

表1 江西葛種植基地信息Table 1 Pueraria planting areas in Jiangxi

1.2 測定項目與方法

將每個地區(qū)采集的土壤和植株樣品單獨混合成一個樣進行測定，將取回來土壤進行風干過篩，土壤常規(guī)理化性質(zhì)參照魯如坤[14]的方法測定。土壤pH測定采用電位法，土水比為1∶2.5；有機質(zhì)測定采用重鉻酸鉀容量法；土壤全鎘含量采用王水提取，土壤有效態(tài)Cd含量采用二乙烯三胺五乙酸-氯化鈣-三乙醇胺緩沖溶液浸提，后采用電感耦合等離子體光譜儀測定。將收獲的植株樣品分為葛根、葛頭、主藤、側枝和葉片5個部分，其中葛根和葛頭用5 mmol·L Ca(NO3)2溶液浸泡15 min，以交換掉表面吸附的鎘離子，超聲波清洗儀清洗10 min，用去離子水沖洗3次，主藤、側枝和葉片直接用去離子水清洗3次；將洗凈的樣品105℃殺青20 min，80 ℃烘至恒重；植株干樣磨碎，過5 mm篩，采用HNO3-HClO4消解，采用ICP-OES測定葛根、葛頭、主藤、側枝和葉片的鎘含量。植株分析方法參考生態(tài)系統(tǒng)地球化學評價動植物樣品分析方法[15]，檢出限為0.000 24 mg·kg-1。

計算植株對土壤鎘的富集系數(shù)和轉運系數(shù)[16]，其公式分別為：富集系數(shù)=植物各部分鎘含量/土壤中鎘含量；轉運系數(shù)=植物各部分鎘含量/植物根部鎘含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010軟件對數(shù)據(jù)進行前期處理，通過R語言(www.r-project.org，R 3.5.3)統(tǒng)計軟件對試驗數(shù)據(jù)進行單因素方差分析和相關性分析，采用R語言軟件程序包ggplot2進行制圖，采用Tukey HSD檢驗法對數(shù)據(jù)進行差異顯著性檢驗(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 土壤和植株鎘含量描述性統(tǒng)計

對所有采樣點進行土壤和植株鎘的常規(guī)統(tǒng)計分析(表2)，結果表明，江西葛種植區(qū)土壤pH變化范圍為4.32～5.47，有機質(zhì)變化范圍為6.69～39.53 g·kg-1，土壤有效態(tài)鎘和全鎘含量變化范圍分別為0.002～0.21 mg·kg-1和0.05～0.25 mg·kg-1，葛根(塊根)、葛頭、主藤、側枝和葉片中鎘含量變化范圍分別為0.002～0.28 mg·kg-1、0.14～1.38 mg·kg-1、0.07～1.83 mg·kg-1、0.04～1.80 mg·kg-1和0.05～1.91 mg·kg-1。從均值來看，土壤pH均值為4.77，有機質(zhì)均值為20.14 g·kg-1，土壤有效態(tài)鎘和全鎘含量均值分別為0.06 mg·kg-1和0.12 mg·kg-1，葛根、葛頭、主藤、側枝和葉片中鎘含量均值分別為0.11 mg·kg-1、0.58 mg·kg-1、0.71 mg·kg-1、0.51 mg·kg-1和0.28 mg·kg-1。除葉片鎘含量變異系數(shù)為150.3%，屬于強變異外，其他8個指標變異系數(shù)范圍為7.08%～97.9%，基本都位于10%～100%之間，屬于中等變異。

表2 江西葛種植區(qū)土壤和植株鎘含量描述性統(tǒng)計Table 2 Descriptive statistics of Cd contents in soil and plants in Pueraria planting areas of Jiangxi

2.2 不同地區(qū)土壤和植株鎘含量分析

土壤pH以安義、新建、南城等地區(qū)較高，而興國、德興a、德安等地區(qū)較低(圖1a)；有機質(zhì)以橫峰、德興b、永豐等地區(qū)較高，而玉山、鄱陽b、安義等地區(qū)較低(圖1b)；土壤有效態(tài)鎘含量以新余、德興b、橫峰等地區(qū)較高，而玉山、崇仁、上高等地區(qū)較低(圖1c)；土壤全鎘含量以新余、德興a、德興b、鄱陽b等地區(qū)較高，而崇仁、樟樹、新建等地區(qū)較低(圖1d)，江西省不同地區(qū)葛種植區(qū)土壤鎘含量均未超過國家標準值。

葛根鎘含量以德興a、興國、玉山等地區(qū)較高，而永豐、南城、鄱陽b等地區(qū)較低(圖2a)；葛頭鎘含量以興國、渝水、崇仁等地區(qū)較高，而南城、永豐、鄱陽a等地區(qū)較低(圖2b)；主藤鎘含量以渝水、興國、德興等地區(qū)較高，而永豐、上高、南城等地區(qū)較低(圖2c)；側枝鎘含量以興國、渝水、德興a等地區(qū)較高，而上高、永豐、南城等地區(qū)較低(圖2d)；葉片鎘含量以渝水、德興b、資溪等地區(qū)較高，而永豐、鄱陽b、南城等地區(qū)較低(圖2e)?？傮w上，葛種植區(qū)重金屬鎘含量以渝水、興國、德興等地區(qū)最高，而永豐、南城、鄱陽、上高等地區(qū)較低。

注：AY：安義；HF：橫峰；YSa：玉山a；DXa：德興a；DXb：德興b；DA：德安；XJ：新建；JX：進賢；ZS：樟樹；SG：上高；PYa：鄱陽a；PYb：鄱陽b；XG：興國；YF：永豐；NC：南城；CR：崇仁；ZX：資溪；YSb：渝水b.下同。注：AY:Anyi;HF:Hengfeng;YSa:Yushan a;DXa:Dexing a;DXb:Dexing b;DA:De′an;XJ:Xinjian;JX:Jinxian;ZS:Zhangshu;SG:Shanggao;PYa:Poyang a;PYb:Poyang b;XG:Xingguo;YF:Yongfeng;NC:Nancheng;CR:Chongren;ZX:Zixi;YSb:Yushui b.The same is as below.圖1 江西不同葛種植區(qū)土壤pH、有機質(zhì)、有效態(tài)和全鎘含量Fig.1 Soil pH,organic matter,available and total Cd contents in different Pueraria planting areas of Jiangxi

對不同地區(qū)葛根(塊根)中重金屬Cd含量進行聚類分析(圖3)可分為5類：第Ⅰ類為1個地區(qū)(德興a)、第Ⅱ類為4個地區(qū)(興國、玉山、安義和渝水)、第Ⅲ類為4個地區(qū)(資溪、德安、樟樹和德興b)、第Ⅳ類為3個地區(qū)(進賢、崇仁和上高)和第Ⅴ類為6個地區(qū)(永豐、南城、鄱陽b、新建、橫峰和鄱陽a)。其中第Ⅰ類和第Ⅱ類葛根重金屬Cd含量最高，因此，在人工葛種植時可以優(yōu)先考慮第Ⅳ類和Ⅴ類地區(qū)。

圖3 江西葛種植區(qū)中鎘含量聚類分析Fig.3 Cd contents in different Pueraria planting areas of Jiangxi

2.3 葛不同器官重金屬鎘含量、富集系數(shù)和轉運系數(shù)

重金屬鎘在葛植株不同器官間存在顯著差異(P<0.05，圖4)，其平均含量為主藤(0.71 mg·kg-1)>葛頭(0.58 mg·kg-1)>側枝(0.51 mg·kg-1)>葉片(0.28 mg·kg-1)>葛根(0.11 mg·kg-1)，表現(xiàn)為主藤中鎘含量顯著高于葉片和葛根(P<0.05，圖4)。

對江西不同葛種植區(qū)富集系數(shù)統(tǒng)計分析(表3)，結果表明，葛根/土壤的富集系數(shù)變化范圍為0.03～2.04，均值為0.97，以樟樹、安義、興國等地區(qū)較高，而永豐、鄱陽b、橫峰等地區(qū)較低。葛頭/土壤的富集系數(shù)變化范圍為1.67～19.45，均值為5.30，以崇仁、興國、德安等地區(qū)較高，而南城、鄱陽b、德興b等地區(qū)較低。主藤/土壤的富集系數(shù)變化范圍為0.81～12.28，均值為5.84，以興國、德安、新建等地區(qū)較高，而永豐、鄱陽b、南城等地區(qū)較低。側枝/土壤的富集系數(shù)變化范圍為0.66～12.65，均值為4.14，以興國、資溪、崇仁等地區(qū)較高，而上高、永豐、鄱陽b等地區(qū)較低。葉片/土壤的富集系數(shù)變化范圍為0.28～7.54，均值為2.05，以渝水、資溪、進賢等地區(qū)較高，而鄱陽b、永豐、南城等地區(qū)較低。

對江西不同地區(qū)進行葛種植區(qū)轉運系數(shù)統(tǒng)計分析(表3)，結果表明，葛頭/葛根的轉運系數(shù)變化范圍為1.67～19.45，均值為11.65，以永豐、橫峰、鄱陽b等地區(qū)較高，而樟樹、玉山、德興a等地區(qū)較低。主藤/葛根的轉運系數(shù)變化范圍為2.28～30.44，均值為8.54，以永豐、新建、德興b等地區(qū)較高，而上高、樟樹、安義等地區(qū)較低。側枝/葛根的轉運系數(shù)變化范圍為0.57～28，均值為6.16，以永豐、新建、興國等地區(qū)較高，而上高、安義、樟樹等地區(qū)較低。葉片/葛根的轉運系數(shù)變化范圍為0.47～20.52，均值為3.56，以永豐、渝水、橫峰等地區(qū)較高，而興國、樟樹、上高等地區(qū)較低。

表3 江西不同葛種植區(qū)富集系數(shù)和轉運系數(shù)Table 3 Accumulation and translation coefficients in different Pueraria planting areas of Jiangxi

2.4 相關性分析

對葛種植區(qū)土壤pH、有機質(zhì)、土壤全鎘、有效態(tài)鎘及植株不同器官等9個指標進行相關性分析(圖5)，結果表明，土壤pH與土壤有機質(zhì)、土壤有效態(tài)鎘、土壤全鎘、葛根鎘、葛頭鎘、主藤鎘、側枝鎘和葉片鎘均呈負相關關系，其中與葛頭鎘、主藤鎘和側枝鎘呈顯著負相關關系(P<0.05)；土壤有效態(tài)鎘與土壤有機質(zhì)(R=0.51，P<0.05)、土壤全鎘(R=0.83，P<0.001)呈顯著正相關關系，同時土壤有效態(tài)鎘和土壤全鎘與主藤鎘、側枝鎘和葉片鎘均呈顯著正相關關系(P<0.05)；葛不同器官間表現(xiàn)為葛根鎘與葛頭鎘、主藤鎘和側枝鎘均呈顯著正相關關系(P<0.05)，葛頭鎘與主藤鎘和側枝鎘均呈極顯著正相關關系(P<0.001)，主藤鎘與側枝鎘和葉片鎘均呈顯著正相關(P<0.01)，側枝鎘與葉片鎘呈顯著正相關關系(R=0.55，P<0.05)。

注:不同小寫字母表示差異在P<0.05下顯著。Note:Different small letters indicate significant differences between treatments at P<0.05 level．圖4 葛不同器官重金屬鎘含量比較Fig.4 Comparison of heavy metal Cd in different organs of Pueraria

3 討 論

本研究調(diào)查發(fā)現(xiàn)，江西省葛種植區(qū)中重金屬鎘含量總體狀況良好，大部分符合食品安全國家標準[17]，土壤中全鎘含量標準值0.3 mg·kg-1(pH<6.5)，根莖類蔬菜中重金屬鎘限量標準值為0.1 mg·kg-1，但部分地區(qū)葛(葛根)存在鎘污染超標現(xiàn)象，如渝水、興國、德興、安義、玉山等地區(qū)，在葛種植時可以優(yōu)先考慮永豐、南城、鄱陽、新建、橫峰、鄱陽、進賢、崇仁和上高等地區(qū)。江西省重金屬污染主要受污水灌溉、干濕沉降及交通影響等[18]，因此，葛種植時盡量避免城市郊區(qū)、工業(yè)園區(qū)及鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)等較為發(fā)達區(qū)域，同時還需避免化肥、農(nóng)藥、畜禽糞便帶來的重金屬污染[19]。

注:*表示相關性在P<0.05水平顯著，**表示相關性在P<0.01水平顯著，***表示相關性在P<0.001水平顯著。Note:*，** and *** indicate significant correlation at P<0.05,P<0.01 and P<0.001,respectively.圖5 葛種植區(qū)土壤與植株相關性分析Fig.5 Correlation analysis of soil and plants in Pueraria planting areas

作物主要通過地上部分吸收土壤中的重金屬，地上部分也反映了作物對重金屬的耐性情況[20]。本研究中葛不同部位鎘含量及富集系數(shù)以主藤最高，其次是葛頭和側枝，葉片和葛根較低；相關性表明葛中鎘含量與土壤pH呈現(xiàn)負相關關系，而土壤中的重金屬鎘呈現(xiàn)正相關關系。鎘被葛的根吸收后，首先在葛根和葛頭中積累，然后被轉運到其他部位，轉運系數(shù)表明主藤具有較強的轉運能力，容易富集重金屬鎘，地上部位也有可能受到大氣沉降影響，增加其鎘含量。土壤pH能直接影響土壤特性，改變土壤重金屬活性，間接作用于植物生長[21]。龍新憲等[22]研究表明，植物對鎘的吸收量與土壤中的鎘呈正相關關系，土壤中的鎘含量越高，該地植物中的鎘含量也相對越高。郭媛等[23]以黃麻為例，發(fā)現(xiàn)黃麻中的鎘含量和裝運能力隨基質(zhì)中鎘升高而逐漸增強，葛及不同部位中重金屬含量主要由土壤重金屬決定。雖然調(diào)查區(qū)域土壤全鎘含量在土壤重金屬風險篩選值之內(nèi)，但葛中重金屬鎘主要來源于土壤中，其中土壤有效鎘指能被作物吸收部分，本研究也表明土壤鎘含量與葛植株中鎘含量具有較強的相關性，在種植過程中要選擇土壤環(huán)境質(zhì)量高的區(qū)域。

盡管調(diào)查區(qū)葛中重金屬鎘含量總體良好，但需要注意部分地區(qū)污染程度和生態(tài)風險呈加重趨勢。今后需要進一步研究不同品種葛重金屬富集情況；一年生與多年生葛重金屬富集特征；不同重金屬污染程度下葛的富集能力；葛生物量及土壤重金屬移除能力；葛粉及葛渣重金屬含量等，為保障葛安全提供數(shù)據(jù)支撐和理論基礎。在種植過程中，需隔離污染源，禁止污水灌溉和垃圾肥，避免農(nóng)藥、含重金屬化肥和動物糞肥等使用，遠離道路降低汽車尾氣影響；有條件地區(qū)可以進行葛聯(lián)合農(nóng)藝措施或鈍化劑土壤重金屬修復。

4 結 論

(1)調(diào)查區(qū)域土壤全鎘含量為0.12 mg·kg-1，葛根、葛頭、主藤、側枝和葉片中鎘含量分別為0.11 mg·kg-1、0.58 mg·kg-1、0.71 mg·kg-1、0.51 mg·kg-1和0.28 mg·kg-1，調(diào)查區(qū)域葛中鎘含量總體狀況良好，但部分地區(qū)存在鎘污染超標現(xiàn)象，避免在渝水、興國、德興等風險高地區(qū)種植。

(2)葛不同部位鎘含量及富集系數(shù)表現(xiàn)為主藤>葛頭>側枝>葉片>葛根，葛對重金屬鎘具有較強富集作用，但其經(jīng)濟作物(可食部分)葛根重金屬鎘含量相對較低，可作為重金屬污染地區(qū)生物移除。

(3)相關性表明葛中鎘含量與土壤pH呈現(xiàn)負相關，而土壤中的重金屬鎘呈現(xiàn)正相關，說明調(diào)查區(qū)域土壤環(huán)境及重金屬含量決定著葛中鎘含量，種植過程中要選擇土壤環(huán)境質(zhì)量高的區(qū)域。