鎘污染稻田甘薯替代種植模式的應用

張道微，趙修忠，張 亞，董 芳，黃艷嵐，項 偉，張超凡

（1.湖南省作物研究所，湖南 長沙 410125；2.湘潭縣農業(yè)農村局，湖南 湘潭 411228）

農田土壤重金屬污染是指具有顯著生物毒性的鎘、鉻、鉛、汞和砷等污染物進入土壤中過量積累，被作物吸收進入食物鏈，致使土壤生態(tài)系統發(fā)生變化，并對人類健康造成潛在威脅的現象。目前，區(qū)域性大面積重金屬污染耕地的農業(yè)安全利用已成為農業(yè)及環(huán)境科學研究領域的難題與熱點[1-5]。湖南省是我國耕地和農產品重金屬污染問題較為突出和典型的區(qū)域之一，既是“有色金屬之鄉(xiāng)”，又是全國重要的產糧大省，有色金屬行業(yè)為國民經濟發(fā)展做出巨大貢獻的同時，也帶來了環(huán)境污染和農產品重金屬污染問題。針對農田土壤污染狀況和糧食生產現狀，可把糧食作物產區(qū)劃分為禁產、限產和宜產3種類型[3]。湖南省按照“摸清家底、因地制宜、分區(qū)治理、科學施策”的總體研究思路和“邊生產、邊治理、邊修復”的基本技術路徑，建立了以“輕度污染農藝調控/中度污染鈍化降活/重度污染斷鏈改制”為核心的安全利用模式，為重金屬污染耕地農業(yè)安全利用提供了切實可行的方案[5]。

甘薯是我國主要糧食作物之一，也是鎘污染稻田安全利用理想的替代作物[6-8]。研究發(fā)現，甘薯儲藏根的鎘積累低于吸收根及地上部莖葉，且薯塊鎘含量遠低于薯皮鎘含量[9-10]；土壤中鎘元素被甘薯根系吸收后，主要被阻滯于吸收根的細胞壁區(qū)域，少部分通過韌皮部向地上部和儲藏根轉運，且薯塊中薯皮部位吸收的鎘不易橫向運輸至薯肉，這些特性導致可食用部分（薯塊）鎘積累量較低[11-15]。因而甘薯在鎘污染耕地的綜合利用中前景廣闊。甘薯作為鎘重度污染稻田（土壤全鎘含量1.0～2.0 mg/kg）替代作物，已在長、株、潭鎘污染耕作區(qū)推廣應用[16]。該研究選擇典型的鎘污染耕作稻田替代種植區(qū)，開展了甘薯替代種植模式的生產試驗，旨在論證南方鎘污染稻田較大面積替代種植甘薯的安全性與可行性。

1 材料與方法

1.1 試驗地點及供試品種

試驗在湖南省湘潭市湘潭縣某鎘重度污染稻田進行，成片種植甘薯面積達2 hm2，土壤pH值為4.5～7.0，土壤全鎘含量為1.0～2.0 mg/kg。選用低鎘積累的淀粉加工用甘薯——湘薯98（X98）及鮮食用甘薯——普薯32（P32）為供試甘薯品種。

1.2 試驗方法

1.2.1 甘薯種植甘薯種植與大田管理參照HNZ 208－2018 鎘污染耕作區(qū)甘薯安全生產技術規(guī)程 實施，試驗區(qū)不施用生石灰、特制降鎘肥料等土壤改良劑。甘薯栽插時間為2020年5月28日，采收時間為2020年11月2日，生長期為158 d。

1.2.2 取樣與制樣采收前1周完成取樣，2 hm2面積內隨機抽取15個樣，各個取樣點在大田均勻分布，每個取樣點為連續(xù)5株甘薯的混合樣，在植株生長位點采用點對點的方式采集土樣。采樣后參照HNZ 209—2018 甘薯鎘積累特性盆栽鑒定技術規(guī)程 進行樣品制備。（1）薯塊樣品：取3個大中薯（單個薯重＞100 g）清洗干凈，剝離薯塊外周皮層，薯塊切絲后，取100 g，70℃烘干至恒重，測量干重，計算干率。（2）地上部莖葉樣品：取地上部第二個莖節(jié)位置以上所有莖葉，先用大量清水沖洗干凈，置于陰涼處晾至無明顯流水，切碎后取100 g莖葉，105℃殺青30 min，70℃烘干至恒重，測量干重，計算干率。（3）土壤樣品：稱取1 kg濕土，自然風干，粉碎備用。

1.2.3 樣品檢測植株樣品鎘含量按照GB 5009.15—2014 食品安全國家標準食品中鎘的測定進行檢測，每批72個樣品中含有2個標準物質和2個空白樣品進行質量比對。土壤pH值參照NY/T 1121.2—2006中的點位法測定；土壤全鎘含量參照GB/T 17141—1997中的石墨爐原子吸收分光光度法測定。鮮薯及相關加工產品的鎘含量限量值參照GB 2762—2017 中的標準，鮮薯及相關制品鎘含量限量值為0.1 mg/kg。

淀粉加工用商品薯率（%）=大中薯重量/測產小區(qū)總重量×100

鮮食用甘薯商品薯率（%）=商品薯鮮薯重量/測產小區(qū)總重量×100

薯塊等樣品檢測結果為干重鎘含量，鮮重鎘含量按照干率換算，計算公式為：鮮重鎘含量（%）=干粉鎘含量×干率/100

富集指數（%）=樣品干重鎘含量/取樣位置土樣全鎘含量×100

1.3 數據分析

選用DPS V9.01軟件對試驗數據進行整理分析。

2 結果與分析

2.1 甘薯的產量性狀

如圖1所示，普薯32的平均單產達45 917.2 kg/hm2，各小區(qū)的平均方差為953.6 kg/hm2；湘薯98的平均單產為54 371.8 kg/hm2，各小區(qū)的平均方差為1 898.4 kg/hm2；供試的2個品種在水改旱稻田種植，品種之間平均單產存在極顯著差異；品種內各小區(qū)之間平均方差較小，產量穩(wěn)定性表現較好，表現出高產穩(wěn)產特性。平均商品薯率普薯32為90%，湘薯98為89.2%，2個品種之間無顯著性差異。

圖1 普薯32與湘薯98的單位面積產量與商品薯率

2.2 甘薯的經濟指數

當年鮮薯單價為1.5元/kg，通過單產與商品薯率折算，普薯32平均產值為61 983元/hm2；當年淀粉加工用甘薯鮮薯單價為1.0元/kg，通過單產與平均商品薯率折算，湘薯98平均鮮薯產值為48 465元/hm2；湘薯98加工為淀粉后平均出粉率28%，當年甘薯淀粉單價為12元/kg，折算淀粉加工產值為162 844元/hm2。

2.3 甘薯的安全性評價

2.3.1 鮮食用甘薯普薯32如表1所示，在成片種植區(qū)對普薯32進行隨機取樣檢測，6個取樣點的土壤pH值范圍為4.76～6.70，土壤全鎘含量范圍為0.940～1.840 mg/kg，藤蔓鮮重鎘含量范圍為0.012～0.044 mg/kg，薯塊鮮重鎘含量范圍為0.006～0.021 mg/kg。參照GB 2762—2017中的標準，試驗區(qū)內所有樣品鎘含量均未超出國家限量標準值。普薯32藤蔓的富集指數范圍為6.61%～24.10 %，薯塊的富集指數范圍為1.93%～6.93 %，地上部與地下部薯塊鎘富集指數均較低。

表1 薯32地上部與薯塊鎘含量及富集指數

2.3.2 淀粉加工用甘薯湘薯98如表2所示，在成片種植區(qū)對湘薯98進行隨機取樣檢測，取樣的9個點土壤pH值范圍為4.71～6.75，土壤全鎘含量范圍為1.033～1.832 mg/kg，藤蔓樣品鮮重鎘含量范圍為0.013～0.090 mg/kg，薯塊鮮重鎘含量范圍為0.011～0.045 mg/kg，薯塊淀粉制樣鎘含量為0.003～0.014 mg/kg。參照GB 2762—2017中的標準，試驗區(qū)內所有樣品鎘含量均未超出國家限量標準值。湘薯98藤蔓的富集指數范圍為2.26%～13.68%，薯塊的富集指數范圍為3.24%～8.52%，淀粉制品鎘殘留比例為15.63%～33.33%，由此可見湘薯98地上部與地下部薯塊鎘富集指數均較低，鮮薯加工成淀粉后鎘含量下降了近69%。

表2 湘薯98地上部與薯塊鎘含量及富集指數

3 討論與結論

該研究在鎘重度污染稻田成片種植甘薯，選用甘薯品種適宜于鎘污染耕地種植，成片種植時高產穩(wěn)產性好，薯塊鎘含量均未超出GB 2762—2017中鮮薯及相關制品鎘含量的限量值，實現了安全生產。這說明鎘污染稻田甘薯安全生產模式是安全可靠的。

農業(yè)生產過程可受諸多因素影響，農田生態(tài)系統中重金屬污染的來源主要有自然因素和人類活動2大途徑。其中，自然因素主要是指成土母質和成土過程中所形成的土壤重金屬元素背景值以及大氣沉降等。人類活動主要包括采礦、冶煉、施用農藥和無機肥料、污水污泥排放等[17]。目前，用于農田重金屬污染治理的方法有物理化學修復、生物修復及農藝措施等，但這些治理措施存在實施成本高、農業(yè)生產可行性小、存在二次污染等問題，目前難以實現大面積推廣[18-25]。農業(yè)生態(tài)修復主要包括種植結構調整與耕作方式改善2部分，兼顧了糧食品質安全與糧食生產任務，在污染耕地的綜合利用中發(fā)揮著不可替代的作用[5,26]。

重金屬鎘污染已對我國局部地區(qū)農產品質量安全構成嚴重威脅[1-4]。湖南省耕地土壤污染形勢總體不容樂觀，局部地區(qū)鎘污染問題突出，“鎘大米”“有色大米”等事件給湖南糧食生產帶來較大負面影響，農田重金屬污染的綜合治理勢在必行[5]。筆者所在的研究團隊在明確了甘薯鎘積累規(guī)律的基礎上[7-9,11]，充分挖掘了甘薯在鎘重度污染稻田種植結構調整中的應用潛力，制定了鎘污染稻田甘薯安全生產技術規(guī)程，該研究在典型鎘重度污染稻田種植結構調整區(qū)域開展了甘薯替代種植模式的生產試驗，認為該生產模式增產增效顯著，技術簡單易行，可復制性強，相關產品安全可靠，可在適宜區(qū)域大面積推廣應用。