粉葛對(duì)農(nóng)田土壤鎘的富集特征

林小兵，武琳，周利軍，黃欠如，劉少華，陳鋒，歐陽(yáng)國(guó)平，張秋梅*

1.國(guó)家紅壤改良工程技術(shù)研究中心, 江西省紅壤研究所

2.江西省新余市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所

隨著工業(yè)化、城市化和集約化農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)三廢（廢水、廢渣、廢氣）、農(nóng)藥及化肥、生活垃圾等導(dǎo)致的土壤重金屬污染問(wèn)題日益突出[1]。2014年全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)[2]顯示我國(guó)耕地土壤環(huán)境質(zhì)量堪憂，耕地土壤點(diǎn)位超標(biāo)率為19.4%，其中鎘（Cd）超標(biāo)最為嚴(yán)重，達(dá)7.0%。土壤中過(guò)量的Cd會(huì)抑制農(nóng)作物的生長(zhǎng)，造成作物減產(chǎn)甚至絕收，還能通過(guò)食物鏈嚴(yán)重危害人體健康[3-5]。植物修復(fù)主要是利用對(duì)重金屬具有特殊耐性和富集能力的植物來(lái)修復(fù)污染土壤，具有綠色、經(jīng)濟(jì)且能大面積原位實(shí)施的特點(diǎn)[6]。選用生物量大、能夠忍耐Cd污染并能大量富集Cd的植物是植物修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵[7]，同時(shí)種植經(jīng)濟(jì)作物也成為Cd污染地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的一個(gè)重要方向。大部分富集植物因?yàn)樯L(zhǎng)速度緩慢、生物產(chǎn)量低、經(jīng)濟(jì)價(jià)值低等特點(diǎn)[8]，極大地制約了其修復(fù)重金屬污染土壤的效率。

粉葛（Pueraria thomsoniiBenth）屬豆科，多年生落葉草質(zhì)藤本植物[9]，可以形成粗大肥碩塊根，富含淀粉和人體必需營(yíng)養(yǎng)成分及具有生理功能的活性成分[10]，在我國(guó)主要分布于廣西、江西、湖南、湖北、安徽等地[11]。研究顯示[12]，種植在礦區(qū)周邊重金屬污染農(nóng)田的粉葛，粉葛生長(zhǎng)不受重金屬Cd的影響，且葛根產(chǎn)量達(dá)到正常水平。陸金等[13]研究發(fā)現(xiàn)，葛根對(duì)Cd的富集系數(shù)為4.37，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為11.33，粉葛能夠?qū)⒏课盏闹亟饘僭剞D(zhuǎn)移至其作物地上部，從而達(dá)到降低土壤重金屬濃度的目的。江西省粉葛資源豐富，但粉葛對(duì)重金屬的適應(yīng)能力及吸收累積能力的差異研究較少[14]，同時(shí)不同污染地區(qū)的粉葛體內(nèi)Cd濃度及粉葛植株各器官對(duì)Cd的累積也存在很大差異，尤其是葛根（葛粉）對(duì)Cd的累積狀況尚不清楚。為此，筆者通過(guò)不同污染小區(qū)田間種植試驗(yàn)，探討粉葛在不同污染條件下對(duì)土壤Cd的耐性和積累量，探明Cd在粉葛植株體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)、分布及富集特征。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于江西省新余市渝水區(qū)珠珊鎮(zhèn)（114°58′25″E，27°46′41″N），屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年平均氣溫為17.7 ℃，年平均降水量為1 600 mm。在前期調(diào)查基礎(chǔ)上，在珠珊鎮(zhèn)埠下村范圍內(nèi)選擇了3塊不同Cd污染程度農(nóng)田進(jìn)行小區(qū)試驗(yàn)，試驗(yàn)區(qū)土壤理化性質(zhì)及Cd污染程度見(jiàn)表1。

表 1 土壤理化性質(zhì)及Cd污染程度Table 1 Physiochemical properties and Cd pollution level in soil

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試粉葛品種為德興市宋氏葛業(yè)有限公司所選育的“贛葛1號(hào)”。每塊試驗(yàn)小區(qū)約666.67 m2，采用傳統(tǒng)的起壟作種植方式，壟寬90 cm，壟高40 cm，溝寬60 cm，株距40 cm，種植密度約為18 000株/hm2。粉葛起壟時(shí)施有機(jī)肥（枯餅）5 400 kg/hm2和45%硫酸鉀復(fù)合肥2 400 kg/hm2用作基肥。粉葛種苗于2019年4月1日進(jìn)行移栽，2019年12月28日進(jìn)行取樣。

1.3 樣品采集與分析

于粉葛成熟可收獲階段，采取“S”形布點(diǎn)采樣，每塊試驗(yàn)田采集長(zhǎng)勢(shì)相對(duì)一致的5株粉葛混合，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)重復(fù)3次。每株采集葛根（塊根）、葛頭（粉葛栽培后形成的結(jié)構(gòu)）、主藤（由種莖上直接著生的藤蔓）、側(cè)枝（由主藤上生長(zhǎng)的藤蔓）和葉片，同時(shí)相應(yīng)采取0～20 cm土壤。一部分葛根處理為葛粉和葛渣，將葛根切碎、打漿、去離子水洗沉淀后，經(jīng)曬干或烘干所得的淀粉為葛粉，而生產(chǎn)葛粉過(guò)程中的副產(chǎn)物為葛渣。將粉葛植株進(jìn)行烘干和稱重，并采用HNO3-H2O2消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（iCAP-Qc，美國(guó)）測(cè)定粉葛各部位的Cd濃度，植株分析方法參考DZ/T 0253.1—2014《生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)動(dòng)植物樣品分析方法 第1部分：鋰、硼、釩等19個(gè)元素量的測(cè)定 電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)法》[15]，檢出限為0.000 24 mg/kg。土壤總Cd和有效態(tài)Cd濃度采用電感耦合等離子體光譜儀測(cè)定。土壤常規(guī)理化性質(zhì)參照文獻(xiàn)[16]的方法測(cè)定，土壤pH采用電位法測(cè)定；有機(jī)質(zhì)濃度采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定；陽(yáng)離子交換量采用1 mol/L乙酸銨交換法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析通過(guò)R語(yǔ)言（www.rproject.org，R 4.0.4）完成，方差分析采用R語(yǔ)言程序包vegan完成，并通過(guò)Tukey HSD檢驗(yàn)法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)（P＜0.05），相關(guān)性分析（Pearson 相關(guān)系數(shù)）采用R語(yǔ)言程序包psych完成，所有制圖通過(guò)R語(yǔ)言軟件完成。

計(jì)算植株對(duì)土壤Cd的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)[17-18]，其公式分別為：富集系數(shù)=植物各部分Cd濃度/土壤中Cd濃度；轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)=植物各部分Cd濃度/植物根部Cd濃度?？墒斋@的Cd總量=植物地上部分Cd濃度×地上部分生物量[18]；凈化率=植株Cd積累量/土壤有效態(tài)Cd溶度×100%[19]；分配率=（粉葛各部位中Cd濃度×各部位生物量）/單株可移除Cd濃度×100%。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤污染程度對(duì)粉葛不同部位Cd濃度的影響

土壤污染程度對(duì)粉葛植株不同部位中Cd濃度的影響見(jiàn)圖1。從圖1可以看出，葛根、葛粉、葛渣、葛頭、主藤、側(cè)枝、葉片中Cd濃度隨土壤污染程度增加而增加，具體表現(xiàn)為中、高污染土壤中葛根、葛粉、葛渣、葛頭、主藤、側(cè)枝、葉片Cd濃度顯著高于低污染土壤（P＜0.05），其中高污染土壤中主藤Cd濃度顯著高于中污染土壤。與低污染土壤粉葛中Cd濃度相比，中、高污染土壤粉葛中Cd濃度分別增加了118.63%～266.89%和183.79%～415.80%，粉葛中Cd濃度隨土壤污染程度增加而遞增。試驗(yàn)區(qū)葛根中Cd平均濃度為0.59～1.19 mg/kg，均超過(guò)GB 2762—2017《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》[20]中蔬菜及其制品中塊根和塊莖蔬菜標(biāo)準(zhǔn)限值（≤0.10 mg/kg），但葛粉中Cd平均濃度為0.07～0.25 mg/kg，均未超過(guò)WM/T 2—2004《藥用植物及制劑外經(jīng)貿(mào)綠色行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》[21]中的標(biāo)準(zhǔn)限值（≤0.30 mg/kg）。

2.2 Cd在粉葛不同部位的分布特征

由圖2可見(jiàn)，Cd在粉葛植株不同部位間的分布存在顯著差異（P＜0.05），其平均濃度表現(xiàn)為側(cè)枝（8.96 mg/kg）＞主藤（6.85 mg/kg）＞葉片（5.22 mg/kg）＞葛頭（2.80 mg/kg）＞葛根（1.21 mg/kg），且側(cè)枝中Cd濃度顯著高于葛頭和葛根，主藤中Cd濃度顯著高于葛根。在整個(gè)粉葛植株中，根部中Cd約占總量的4.83%，葛頭中Cd約占11.18%，主藤中Cd約占27.36%，側(cè)枝中Cd約占35.78%，葉片中Cd約占20.85%。

圖 2 粉葛不同部位Cd濃度比較Fig.2 Comparison of Cd contents in different parts of Pueraria thomsonii

2.3 粉葛不同部位對(duì)Cd富集轉(zhuǎn)運(yùn)能力的影響

土壤Cd污染程度不同，粉葛不同部位對(duì)Cd的富集、轉(zhuǎn)運(yùn)及分配能力也會(huì)有所差別（表2～表4）。由表2可見(jiàn)，葛根/土壤、葛頭/土壤的富集系數(shù)均隨土壤污染程度增加而降低，在低污染時(shí)富集能力最強(qiáng)；主藤/土壤的富集系數(shù)均隨土壤污染程度增加而增加，在高污染時(shí)富集能力最強(qiáng)；側(cè)枝/土壤、葉片/土壤均在中污染時(shí)富集能力最強(qiáng)。粉葛不同部位的富集系數(shù)表現(xiàn)為側(cè)枝＞主藤＞葉片＞葛頭＞葛根。除高污染時(shí)的葛根/土壤外，其他部位富集系數(shù)均大于1，說(shuō)明粉葛對(duì)土壤中Cd的吸收能力較強(qiáng)。由表3可見(jiàn)，主藤/葛根、葉片/葛根的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均隨土壤污染程度增加而增加，在高污染時(shí)富集能力最強(qiáng)；葛頭/葛根在低污染時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)能力最強(qiáng)；側(cè)枝/葛根在中污染時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)能力最強(qiáng)。粉葛不同部位的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為側(cè)枝＞主藤＞葉片＞葛頭。總體上，土壤Cd污染程度的增加提升了葛根向上運(yùn)輸Cd的能力。由表4可見(jiàn)，葛根中Cd的分配率為7.03%～9.94%，葛頭分配率為5.99%～9.57%，主藤分配率為21.55%～25.49%，側(cè)枝分配率為35.64%～43.81%，葉片分配率為15.40%～23.63%。低污染時(shí)葛根和葛頭中Cd分配率最高，中污染時(shí)側(cè)枝中Cd的分配率最高，高污染時(shí)主藤和葉片中Cd的分配率最高。

2.4 不同污染程度下粉葛對(duì)Cd的移除量

試驗(yàn)結(jié)果表明，粉葛在3種不同污染程度土壤中均能正常生長(zhǎng)，未出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的Cd中毒現(xiàn)象，這說(shuō)明粉葛對(duì)Cd均有較強(qiáng)的耐受能力。由表5可知，粉葛不同部位生物量表現(xiàn)為葛根＞側(cè)枝＞葉片＞主藤＞葛頭，粉葛不同部位及地上生物量均隨土壤污染程度增加而降低。作物對(duì)Cd污染土壤修復(fù)效果的好壞可用對(duì)土壤中Cd的去除率來(lái)衡量，本試驗(yàn)中全株凈化率隨污染程度增加而降低，具體表現(xiàn)為低污染＞中污染＞高污染，Cd移除量是由植株Cd濃度和生物量決定，本試驗(yàn)中移除量隨土壤污染程度增加而增加，具體表現(xiàn)為高污染＞中污染＞低污染，高污染時(shí)移除量為45.39 g/hm2，中污染時(shí)移除量為39.96 g/hm2，低污染時(shí)移除量為 16.56 g/hm2（表 6）。

表 5 不同土壤污染程度下粉葛各部位生物量Table 5 Biomass in different parts of Pueraria thomsonii under different soil pollution levels g/株

表 6 不同土壤污染程度下粉葛Cd移除量Table 6 Cd removal amount from Pueraria thomsonii under different soil pollution levels

2.5 相關(guān)性分析

對(duì)土壤pH、有機(jī)質(zhì)濃度、有效態(tài)Cd濃度、總Cd濃度及粉葛不同部位中Cd濃度等9個(gè)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖3可以看出，土壤pH與有機(jī)質(zhì)濃度，總Cd濃度，葛根、主藤和側(cè)枝Cd濃度均呈負(fù)相關(guān)，其中與主藤和側(cè)枝Cd濃度呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）；土壤有機(jī)質(zhì)、有效態(tài)Cd和總Cd濃度與葛根、葛頭、主藤、側(cè)枝和葉片Cd濃度均呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）；粉葛不同部位葛根、葛頭、主藤、側(cè)枝和葉片間Cd濃度呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。

圖 3 土壤理化性質(zhì)及Cd濃度與粉葛不同部位中Cd濃度的相關(guān)性分析Fig.3 Correlation analysis of physiochemical properties, Cd contents in soil and Cd contents in different parts of Pueraria thomsonii

3 討論

Cd會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生一定的毒害作用，并引起生理特征的改變[22]，但也有部分作物對(duì)Cd具有一定耐性甚至富集作用。龍玉梅等[18]試驗(yàn)表明，籽粒莧、龍葵、商陸、青葙4種植物對(duì)Cd均有較強(qiáng)的耐受能力，均未出現(xiàn)葉片失綠、葉片卷曲等現(xiàn)象。本試驗(yàn)中粉葛在3種不同污染程度土壤上均能正常生長(zhǎng)，未出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的Cd中毒現(xiàn)象，說(shuō)明粉葛對(duì)Cd有較強(qiáng)的耐受能力。粉葛不同部位及地上生物量均隨土壤污染程度增加而降低，全株凈化率隨污染程度增加而降低。孫正國(guó)[23]試驗(yàn)表明，土壤中Cd濃度的增加會(huì)導(dǎo)致龍葵生物量的降低；龍玉梅等[18]研究表明，高濃度的Cd會(huì)影響富集植物的生長(zhǎng)，削弱富集植物對(duì)Cd污染土壤修復(fù)的優(yōu)勢(shì)。而本研究中粉葛對(duì)Cd的移除量隨土壤污染程度增加而增加，低、中、高污染時(shí)移除量分別為16.56、39.96和45.39 g/hm2，土壤Cd濃度的增加使Cd在粉葛植株體內(nèi)積累升高。潘雨齊等[24]研究發(fā)現(xiàn)，土壤Cd污染程度增加促進(jìn)了桑樹(shù)對(duì)Cd的積累，與本研究類似，說(shuō)明在Cd污染高土壤中相應(yīng)的植物吸收和富集的Cd也較高。綜上，在Cd污染區(qū)種植粉葛可較快地修復(fù)受污染土壤，達(dá)到環(huán)境和經(jīng)濟(jì)雙贏，提高人們對(duì)土壤修復(fù)積極性。針對(duì)葛渣及其主藤、側(cè)枝、葉片等地上植株含有大量Cd可能帶來(lái)的二次污染，可采用以下方式處理：1）送至專門(mén)化機(jī)構(gòu)進(jìn)行植物冶煉；2）秸稈回收利用制造紙板等產(chǎn)品；3）經(jīng)過(guò)生物降解（如蚯蚓等）的葛渣肥料還田。

植物體內(nèi)的Cd濃度和植物對(duì)Cd的富集系數(shù)可作為植物對(duì)Cd污染土壤修復(fù)的重要指標(biāo)[18]。本試驗(yàn)中粉葛不同部位中Cd濃度隨土壤污染程度遞增，且中、高污染顯著高于低污染，Cd濃度在粉葛不同部位的大小分布表現(xiàn)為側(cè)枝＞主藤＞葉片＞葛頭＞葛根，富集系數(shù)表現(xiàn)為側(cè)枝＞主藤＞葉片＞葛頭＞葛根，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為側(cè)枝＞主藤＞葉片＞葛頭?？傮w上，土壤Cd污染程度的增加提升了葛根向上運(yùn)輸Cd的能力。作物主要通過(guò)地上部分(除作物根系外，主要包括莖稈、葉片、籽粒等)吸收土壤中的重金屬，作物的地上部分也反映了作物對(duì)重金屬的耐性情況[25]。Cd被粉葛的根吸收后，首先在葛根和葛頭中積累，然后被轉(zhuǎn)運(yùn)到其他部位，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)表明主藤具有較強(qiáng)的轉(zhuǎn)運(yùn)能力，容易富集Cd，地上部位也有可能受到大氣沉降影響，增加粉葛體內(nèi)中Cd濃度。相關(guān)性表明土壤pH與主藤和側(cè)枝Cd濃度呈顯著負(fù)相關(guān)；土壤有機(jī)質(zhì)、有效態(tài)Cd和總Cd濃度與粉葛植株不同部位Cd濃度呈顯著正相關(guān)；葛根、葛頭、主藤、側(cè)枝和葉片間Cd濃度均呈顯著正相關(guān)。劉沖等[17]研究發(fā)現(xiàn)土壤pH與苧麻的Cd濃度呈顯著負(fù)相關(guān)，土壤pH的降低會(huì)使土壤有效態(tài)Cd濃度增加，進(jìn)而促進(jìn)苧麻對(duì)Cd的吸收儲(chǔ)存[26]。龍新憲等[27]研究表明，植物對(duì)Cd的吸收量與土壤中的Cd呈正相關(guān)，土壤中的Cd濃度越高，該地植物中的Cd濃度也相對(duì)越高。郭媛等[28]以黃麻為例，發(fā)現(xiàn)黃麻中的Cd濃度和轉(zhuǎn)運(yùn)能力隨基質(zhì)中Cd濃度升高而逐漸增強(qiáng)，粉葛不同部位中重金屬濃度主要由土壤重金屬濃度決定。不同部位對(duì)Cd的累積還存在基因型差異也是造成粉葛不同部位Cd濃度差異顯著的因素之一[17]。

本試驗(yàn)中鮮食葛根Cd濃度超過(guò)GB 2762—2017中的限值（≤0.10 mg/kg），說(shuō)明鮮食葛根有一定重金屬富集，長(zhǎng)期食用Cd污染地區(qū)葛根存在安全風(fēng)險(xiǎn)，建議降低該地區(qū)鮮食葛根在當(dāng)?shù)鼐用袷称窋z入量的比例。對(duì)直接食用粉葛的栽種土壤，必須嚴(yán)格控制Cd濃度。但本研究葛粉中Cd濃度遠(yuǎn)低于WM/T 2—2004中的標(biāo)準(zhǔn)限值（≤0.30 mg/kg），說(shuō)明在該污染條件下種植的葛粉符合食品安全，與超富集植物相比，利用粉葛(用作葛粉)來(lái)修復(fù)Cd（＜1.93 mg/kg）污染農(nóng)田，既可以有效去除土壤中Cd，又能帶來(lái)經(jīng)濟(jì)收益。

4 結(jié)論

（1）粉葛不同部位中Cd濃度隨土壤污染程度增加而增加，且中、高污染顯著高于低污染，粉葛不同部位中Cd濃度表現(xiàn)為側(cè)枝＞主藤＞葉片＞葛頭＞葛根，其生物量表現(xiàn)為葛根＞側(cè)枝＞葉片＞主藤＞葛頭。

（2）粉葛對(duì)Cd的移除量隨土壤污染程度增加而增加，在高污染時(shí)移除量為45.39 g/hm2，中污染時(shí)移除量為39.96 g/hm2，低污染時(shí)移除量為16.56 g/hm2。

（3）相關(guān)性分析表明，粉葛對(duì)Cd的富集受到土壤環(huán)境的影響，與土壤Cd濃度呈顯著正相關(guān)。

（4）本試驗(yàn)中鮮食葛根Cd濃度超過(guò)GB 2762—2017中的限值（≤0.10 mg/kg），需要防范其食用安全性，但用作葛粉其Cd濃度低于WM/T 2—2004中的標(biāo)準(zhǔn)限值（≤0.30 mg/kg）。因此，在Cd污染區(qū)種植粉葛制作葛粉可以達(dá)到環(huán)境和經(jīng)濟(jì)雙贏，提高當(dāng)?shù)卣头N植戶對(duì)土壤修復(fù)的積極性。