3種鈍化劑施用下川芎主要部位生長(zhǎng)和鎘積累情況初探△

陶珊，彭芳，施田田，袁燦，張啊康，王燦，吳宇，劉健，張超*

1.四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 經(jīng)濟(jì)作物育種栽培研究所，四川 成都 610300；2.四川大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610065；3.廣元市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，四川 廣元 628017

川芎為傘形科植物川芎LigusticumchuanxiongHort.的干燥根莖[1]，具有活血行氣、祛風(fēng)止痛的功效，被譽(yù)為“血中氣藥”[2]。川芎作為重要的川產(chǎn)道地藥材，在四川種植面積超10萬(wàn)畝(1畝≈666.67 m2)，年產(chǎn)銷量在2萬(wàn)噸以上。然而近年來，川芎因檢測(cè)出重金屬鎘(Cd)含量超標(biāo)而導(dǎo)致出口受阻[3]。已有的研究結(jié)果顯示，川芎主產(chǎn)區(qū)藥材Cd含量普遍超標(biāo)(>0.3 mg·kg-1)。Cd以多種化學(xué)形態(tài)存在土壤中，其中易移動(dòng)的活性態(tài)Cd能被植物直接吸收，是植物中Cd含量升高的主要原因[4-5]。川芎根莖對(duì)土壤中Cd有著較強(qiáng)的富集作用，這也是導(dǎo)致Cd污染的重要原因之一[6-7]。因此，修復(fù)Cd污染土壤是控制川芎Cd含量超標(biāo)的一個(gè)重要途徑。

施用鈍化劑是常用的治理重金屬污染土壤的方法。其修復(fù)原理為改變土壤中重金屬的存在形態(tài)，使其鈍化，降低重金屬遷移性和植物有效性，以減小重金屬對(duì)植物的毒性[8-9]，此技術(shù)的關(guān)鍵在于鈍化劑的選擇。1977年，Naidu等[10]最先報(bào)道了在Cd污染的土壤上施用堿性物質(zhì)(如石灰)，能使土壤中重金屬有效態(tài)含量降低約15%，從而使酸性土壤中可被植物利用的Cd的活性降低，減少作物對(duì)Cd的吸收。本研究選用3種鈍化劑，對(duì)Cd污染的川芎田塊進(jìn)行修復(fù)改良，探索3種鈍化劑及不同施用濃度對(duì)川芎生長(zhǎng)和品質(zhì)的影響以及降Cd效果，以期獲得川芎栽培中適宜的重金屬鈍化劑和施用濃度，為解決川芎Cd含量超標(biāo)問題提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料

供試川芎材料為彭州敖平鎮(zhèn)的栽培品種。3種供試鈍化劑(A、B、C)均為四川大學(xué)徐恒教授課題組配制，主要成分及配比見表1。

表1 3種鈍化劑組成

2 方法

2.1 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2017年9月，將A、B、C 3種鈍化劑分別設(shè)置低、中、高3種施用量，分別對(duì)應(yīng)為3000 kg·hm-2(代號(hào)為A1、B1、C1)、5250 kg·hm-2(代號(hào)為A2、B2、C2)、7500 kg·hm-2(代號(hào)為A3、B3、C3)，對(duì)照組(CK)為不添加任何鈍化劑，共計(jì)10個(gè)處理。每個(gè)處理3次重復(fù)，共30個(gè)小區(qū)，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積20 m2。小區(qū)規(guī)劃好后，按照各處理要求撒施鈍化劑，翻地混勻，1周后待鈍化劑與土壤充分接觸后播種川芎。

2.2 樣品采集

川芎出苗后每月動(dòng)態(tài)取樣，采用“五點(diǎn)取樣法”對(duì)各小區(qū)進(jìn)行樣品采集，同一小區(qū)的樣品混合。

2.3 生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定

川芎出苗后于每月20日左右分小區(qū)測(cè)定川芎株高、分蘗數(shù)、地上部分鮮質(zhì)量和地下根莖鮮質(zhì)量，每小區(qū)測(cè)定5株。

2.4 樣品制備

將川芎葉片和地下根莖分離，洗凈、40 ℃烘干、粉碎過60目篩，密封低溫保存?zhèn)溆谩?/p>

2.5 主要成分測(cè)定

采用高效液相色譜法測(cè)定川芎根莖和葉片中阿魏酸、藁本內(nèi)酯和洋川芎內(nèi)酯A含量。

2.5.1色譜條件 Agilent Zorbax C18色譜柱(150 mm×4.0 mm，5 μm)；流動(dòng)相為0.1%磷酸水(A)-乙腈(B)進(jìn)行梯度洗脫(0～20 min，90%～73%A；20～21 min，73%～55%A；21～45 min，55%～35%A；45～55 min，35%～90%A)；流速：1 mL·min-1；柱溫：30 ℃；進(jìn)樣量：10 μL。阿魏酸、洋川芎內(nèi)酯A、藁本內(nèi)酯的檢測(cè)波長(zhǎng)分別為321、280、321 nm。

2.5.2供試品溶液的制備 參照《中華人民共和國(guó)藥典》2015年版制備川芎供試品溶液[1]。

2.6 Cd含量測(cè)定

川芎根莖和葉片中Cd含量采用石墨爐原子吸收光譜測(cè)定方法(GB 5009.15—2014)進(jìn)行測(cè)定。

2.7 統(tǒng)計(jì)分析

應(yīng)用Excel 2010進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算整理及圖表繪制，采用DPS V17.10高級(jí)版對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)果

3.1 3種鈍化劑對(duì)川芎生長(zhǎng)和產(chǎn)量影響

對(duì)川芎收獲期根莖鮮質(zhì)量、地上部分鮮質(zhì)量、株高和分蘗數(shù)等生長(zhǎng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定(表2)。結(jié)果表明，A、B、C 3種鈍化劑施用后，整體上對(duì)川芎的生長(zhǎng)都有一定的促進(jìn)作用，根莖鮮質(zhì)量、地上部分鮮質(zhì)量、株高和分蘗數(shù)與CK相比都有所提高。其中，A鈍化劑的促進(jìn)作用尤其明顯，將A、B、C鈍化劑的3個(gè)處理水平進(jìn)行平均得出，A鈍化劑處理后產(chǎn)量(根莖鮮質(zhì)量)比CK增加31.09%；C鈍化劑其次，增產(chǎn)16.94%；B鈍化劑增產(chǎn)15.18%。其中，A1、A2處理極顯著提高川芎的產(chǎn)量，分別比CK提高57.44%和30.34%，C2、B1處理也顯著提高了川芎的產(chǎn)量，分別比CK提高25.68%和24.18%。其他處理的產(chǎn)量均比CK有所提高，但增產(chǎn)不顯著。

表2 不同處理對(duì)川芎生長(zhǎng)指標(biāo)影響

A1、A2、B3、C2處理能顯著增加川芎地上部分鮮質(zhì)量，其他處理增加地上部分鮮質(zhì)量不顯著。所有鈍化劑處理均能增加川芎分蘗數(shù)。其中，C2處理分蘗數(shù)比CK增加了106.57%。所有鈍化劑處理均能提高川芎株高，但差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

3.2 3種鈍化劑對(duì)川芎主要化學(xué)成分含量影響

川芎的3種主要成分(阿魏酸、洋川芎內(nèi)酯A、藁本內(nèi)酯)含量測(cè)定結(jié)果顯示，3種鈍化劑對(duì)川芎主要成分的影響不明顯(表3)。所有處理中，只有A1處理對(duì)3種有效成分含量有增加效應(yīng)，但增加不顯著。阿魏酸、洋川芎內(nèi)酯A、藁本內(nèi)酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別增加6.65%、1.44%、1.98%。

表3 川芎各處理主要成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

3.3 3種鈍化劑對(duì)川芎根莖Cd含量影響

川芎根莖中Cd積累情況見圖1，A、B鈍化劑能降低川芎根莖中Cd含量，B鈍化劑處理的川芎Cd含量平均比CK降低18.80%，A鈍化劑處理的川芎Cd含量平均比CK降低8.27%，C鈍化劑處理的川芎Cd含量反而比CK高。B3、B2、B1、A2、 A1、A3處理均能顯著降低川芎根莖Cd含量，分別比CK降低了25.56%、18.05%、13.53%、9.77%、8.27%和6.02%。C1、C2、C3 3個(gè)處理極顯著提高川芎根莖Cd含量，分別比CK提高21.05%、39.10%和77.44%。

圖1 川芎根莖中重金屬Cd積累情況

3.4 3種鈍化劑對(duì)川芎葉片Cd含量影響

川芎葉片中Cd積累情況見圖2，降Cd效果最好的是B鈍化劑處理，整體比CK降低了15.92%，其次為A鈍化劑處理，比CK降低了5.71%，C鈍化劑處理反而增加了川芎葉片中Cd含量。B2、B3、B1、A3、A2處理極顯著地降低了川芎葉片中Cd含量，分別比CK降低18.92%、17.12%、11.71%、9.01%、5.41% 。A1處理能顯著降低川芎葉片中Cd含量，比CK降低2.70%。C1、C2、C3 3個(gè)處理反而極顯著提高川芎葉片中Cd含量，分別比CK提高46.85%、54.95%和64.86%。

圖2 川芎葉片中Cd積累情況

3.5 川芎根莖中Cd含量動(dòng)態(tài)變化

通過動(dòng)態(tài)取樣測(cè)定結(jié)果可以看出(圖3)，川芎根莖中，Cd含量在1、2月有一定降低，整體是呈逐漸上升的趨勢(shì)，到收獲期Cd含量達(dá)到最高值。在施用鈍化劑A、B后，川芎根莖中的Cd含量在各時(shí)期相對(duì)CK都有下降。其中，施用A鈍化劑的川芎在收獲期根莖Cd含量比CK降低了8.27%。B鈍化劑施用后效果更好，收獲期根莖中鎘含量比CK降低18.80%，而C鈍化劑在施用后，川芎根莖中的Cd含量不降反升。

圖3 不同鈍化劑處理下川芎各生長(zhǎng)期根莖Cd含量變化趨勢(shì)

3.6 川芎葉片中Cd含量動(dòng)態(tài)變化

川芎葉片中Cd含量呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢(shì)(圖4)，A、B和CK處理葉片Cd含量在2018年3月20日降到最低，C處理葉片中Cd含量在2018年4月20日降到最低，到5月收獲期所有處理葉片中Cd含量都有所上升。其中，CK在2018年3月比2017年10月時(shí)Cd含量降低了61.32%。施用A鈍化劑后在2018年3月份相比2017年10月Cd含量降低了69.53%，施用B鈍化劑后在2018年3月相比2017年10月Cd含量降低69.96%。

圖4 不同鈍化劑處理下川芎各生長(zhǎng)期葉片Cd含量變化趨勢(shì)

4 討論

本研究中，施用3種鈍化劑后，川芎根莖鮮質(zhì)量、地上部分鮮質(zhì)量、株高和分蘗數(shù)與CK相比都有所提高。A鈍化劑對(duì)產(chǎn)量的促進(jìn)效果相對(duì)更好，在施用中、低濃度時(shí)能極顯著地提高川芎的根莖鮮質(zhì)量，這與四川大學(xué)前期的川芎盆栽試驗(yàn)得出的結(jié)果是一致的[11]。這可能是由于3種鈍化劑中的主要成分(如膨潤(rùn)土、生物炭、磷酸鹽等)能夠吸附大量可交換態(tài)重金屬離子并含有豐富的土壤養(yǎng)分元素及微量元素，可以增加土壤有機(jī)質(zhì)、提高土壤肥力，從而促進(jìn)川芎的生長(zhǎng)，提高川芎產(chǎn)量。而3種鈍化劑對(duì)川芎的主要成分(阿魏酸、洋川芎內(nèi)酯A、藁本內(nèi)酯)含量沒有明顯的影響，說明3種鈍化劑施用不會(huì)降低川芎品質(zhì)。

施用A、B 2種鈍化劑對(duì)川芎根莖和葉片都有一定的降Cd效果。通過動(dòng)態(tài)取樣結(jié)果來看，川芎根莖中重金屬Cd含量在整個(gè)生長(zhǎng)期呈逐漸上升的趨勢(shì)，到收獲期Cd含量達(dá)到最高值；而川芎葉片中Cd含量則呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢(shì)，在3—4月達(dá)到最低值。從川芎根莖Cd積累的情況來看，B鈍化劑的降Cd效果最好，A鈍化劑次之，按照降Cd效果排序?yàn)锽3>B2>B1>A2>A1>A3；而從葉片中Cd積累的情況來看，也是B鈍化劑降Cd效果最好，A鈍化劑次之，按照降鎘效果排序?yàn)锽2>B3>B1>A3>A2>A1；C鈍化劑處理后川芎根莖和葉片中Cd含量反而比CK有所增加。這可能與A、B鈍化劑中的主要成分膨潤(rùn)土、生物炭有關(guān)。膨潤(rùn)土是一種以蒙脫石為主要礦物組成的黏土巖，具有較大的比表面積，對(duì)于重金屬離子的吸附能力很強(qiáng)；而生物炭主要通過提高土壤pH來增加對(duì)重金屬離子的吸附作用；兩者均為吸附重金屬離子的重要成分，相對(duì)來說膨潤(rùn)土對(duì)重金屬離子的吸附能力更強(qiáng)[12]。徐奕等[13]研究表明，在盆栽和大田條件下，施用膨潤(rùn)土可降低土壤Cd交換態(tài)含量，水稻各部分Cd 含量總體上隨膨潤(rùn)土施加量的增加而降低。本研究中，3種鈍化劑中B處理的膨潤(rùn)土成分占比高達(dá)85%，這可能是導(dǎo)致B處理對(duì)川芎的降Cd 效果最佳的原因；A鈍化劑中，膨潤(rùn)土占58%、生物炭占38%，兩者占比達(dá)到96%，對(duì)川芎根莖和葉片的降Cd效果也比較明顯；而C鈍化劑中，膨潤(rùn)土占40%、生物基質(zhì)和復(fù)合肥占比分別為26%、17%。何其輝等[14]研究表明，施用商品有機(jī)肥、復(fù)合肥能顯著增加土壤有效態(tài)Cd含量，因此，可能是由于C鈍化劑中生物基質(zhì)和復(fù)合肥的施入增加了土壤中有效態(tài)Cd含量，從而導(dǎo)致川芎根莖和葉片中的Cd含量增加。

本研究結(jié)果表明，在川芎的實(shí)際生產(chǎn)中可以適當(dāng)?shù)剡x用膨潤(rùn)土占比較高的B鈍化劑和A鈍化劑，施用量為3000～5000 kg·hm-2。既可以對(duì)川芎產(chǎn)量有較好的促進(jìn)作用，也能顯著降低川芎藥材中的Cd含量。