不同耕作方式下川芎對土壤中鉛、鎘含量的富集特征

周斯建，趙印泉，彭培好，孫傳敏

(1.成都理工大學 旅游與城鄉規劃學院園林系，成都 610059；2.成都理工大學 地球科學學院，成都 610059)

0 前言

川芎(Ligusticum chuanxiong Hort.)是四川著名的道地藥材，具有活血行氣、祛風止痛之功效，也是我國主要出口中藥材品種之一[1]。四川彭州是川芎道地產區之一，2012年該區川芎種植面積逾1 800 hm2，年產量600×104kg，占全國種植面積和總產量的近1/6[2]。研究表明，作為世界最大的植物藥材生產國，我國中藥材總出口額僅占國際市場的3%，主要制約因素是(藥材中重金屬污染超標[3]，其中川芎曾6次因重金屬超標而被銷毀[4]。

在中藥材重金屬污染中，以Cd、Pb含量超標最為突出[5]，而土壤是藥材中重金屬的主要來源[6]。針對川芎產區常用的水稻-川芎(對應土壤簡稱免耕土)、水稻-川芎(簡稱翻耕土)、蔬菜-川芎(簡稱菜園土)、其他作物-川芎四種(簡稱旱地，下同)耕作方式，研究在不同耕作方式下，川芎對土壤中Cd、Pb含量的積累特征，旨在從耕作方式為川芎Cd、Pb污染防治提供可行依據，并為川芎品質的進一步提高和無污染綠色藥材的種植提供指導。

1 材料和方法

1.1 采樣及處理

在2009年-2010年間，以多點混合的方式采集四川彭州市敖平鎮川芎種植區內不同耕作方式下川芎的成熟根莖、地上莖葉和相對應的表層0 cm～20 cm的土壤為樣本。以梅花形五點法采樣1 kg，去除土壤中雜草、草根、礫石、粉料團等雜物后帶回試驗室置于通風處自然風干,后經研碎、過篩、裝袋送至地質礦產部成都綜合巖礦測試中心，測試土壤及川芎根莖、川芎葉片樣品中Cd、Pb含量及土壤pH值。元素全量按照中國地質調查局《生態地球化學評價樣品分析技術要求 DD2005-03(試行)》中的相關要求和規定進行測定，土壤 pH值按照《中華人民共和國農業行業標準》(NY/T 1121.2—2006) 用pH值測試儀測定。

1.2 分析方法

利用 SPSS17.0和Excell 2003軟件，完成土壤、川芎中Cd、Pb含量的統計分析及顯著性檢驗。川芎根、葉對Cd、Pb元素的富集系數=C元素/C土壤。

2 結果與分析

2.1 不同耕作方式下土壤中Cd、Pb含量積累特征

以土壤環境質量標準GB15618-1995中Cd(0.3 mg·kg-1)、Pb(300 mg·kg-1)衡量，四種耕作方式下土壤中Pb的含量均符合國家二類土壤的標準，而土壤Cd的含量超過了國家二類土要求，存在一定程度的Cd污染。

表1顯示，在四種土壤中，Cd的含量范圍在0.34 mg·kg-1～1.16 mg·kg-1， 均值為 0.73 mg·kg-1，土壤間Cd元素含量變異系數在1.69%～8.11%之間。在P<0.05水平上，四種土壤間的差異顯著，以菜園土中累積程度最高(1.10 mg·kg-1)，旱地中最低(0.37 mg·kg-1)。Cd含量在旱地中變異較其他三種土壤大，而Pb在四種土中含量范圍在18.40 mg·kg-1～39.20 mg·kg-1，均值為22.64 mg·kg-1，土壤間Pb元素含量變異系數在6.63%～22.93%之間。

在P<0.05水平上，四種土壤間中，菜園土Cd、Pb含量顯著高于其他三種類型土壤，這可能是由于在蔬菜種植過程中，大量施用有機肥[10]、噴施農藥等外源途徑而增加土壤中重金屬的含量，而免耕土由于秸稈還田，將累積在秸稈中以及來自土壤、滯留在根系的Cd、Pb再次釋放到土壤中[11]，促進了土壤對鎘、鉛的吸附[12]，表現出高于翻耕土和旱地的土壤重金屬含量。翻耕土中Cd含量顯著高于旱地，可能是水稻對土壤中Cd的累積的緣故[13]。免耕土與翻耕土間Cd含量的顯著差異表明，采用適當的耕作措施(翻耕、秸稈移除等)可以部分降低稻田中的Cd。

表1 不同耕作方式下土壤中Cd、Pb的積累特征

注：不同字母表示差異顯著(P<0.05，n=5)

表2 不同耕作方式下土壤Cd、Pb污染等級評價

2.2 土壤污染及潛在生態風險評價

采用單因子污染指數和內梅羅綜合指數法評價的結果表明(表2)，四種土中Pb的單因子污染指數均小于“0.7”，處于清潔狀態，而土壤中Cd元素的所有單因子污染指數均高于“1”，顯示土壤已受污染，其中旱地綜合指數小于“1”，處于污染警戒線，翻耕土處于輕度污染，而免耕土和菜園土則分別達到了中度和重污染。為了避免內梅羅指數在評價時對因子的放大(縮小)高含量(低含量)的影響[14]，研究中再采用Hacanson指數法對土壤污染進行定量劃分[15]。

表3 不同耕作方式下土壤中Cd、Pb潛在生態危害程度

由表3可以看出，在四種耕作方式下，土壤中Cd元素的潛在生態風險系數(EI)均大于Pb，其中旱地、翻耕土中Cd為中度生態危等級，免耕土、菜園土已達到強生態危害等級。四種土壤中Pb的生態風險系數均小于10，處于輕微污染。在綜合生態危害指數上，四類土壤中Cd、Pb元素均小于150，處于復合重金屬低度危害。

2.3 不同耕作方式下川芎中Cd、Pb的富集特征

2.3.1 不同耕作方式下川芎中Cd的累積特征

由表4表明，以《藥用植物及制劑外經貿綠色行業標準 WM/T 2-2004》中鎘的標準0.3 (mg·kg-1)來看，在旱地和翻耕土中川芎根莖和葉片含量均符合要求，而根莖在菜園土中略有超標，葉片則在免耕土和菜園土中均超標。

在P<0.05 水平上，菜園土中川芎根莖和葉片中鎘含量高于其他類型土壤，四種耕作方式下川芎根莖、葉片對土壤中鎘的吸收均表現為菜園土>免耕土>翻耕土>旱地。川芎根莖在翻耕土中對 Cd 的富集能力顯著低于其他三種土壤，而在其余類型土壤中差異不顯著，可能與土壤中曾種過川芎相關，這與川芎不能連作的耕作習慣一致。根莖對鎘的富集系數依次為旱地>菜園土>免耕土>翻耕土；不同土壤中，川芎葉片對 Cd 的富集能力按大小依次為：菜園土>免耕土>旱地>翻耕土，其中菜園土與免耕土差異不顯著。川芎葉片和根莖對 Cd 的富集能力與土壤中 Cd 含量成正相關，符合 Cd 在土壤-作物系統中的一般規律[16]。

2.3.2 不同耕作方式下川芎中Pb的富集特征

根據《藥用植物及制劑外經貿綠色行業標準 WM/T 2-2004》中鉛的限量5 mg·kg-1要求，本研究中四種耕作方式下川芎根莖和葉片中鉛均已超標(表5)。

表4 不同耕作方式下川芎中Cd的累積特征

注：同一列不同字母表示在P<0.05 水平上的顯著差異，有相同字母表示差異不顯著

表5 不同耕作方式下川芎中Pb累積特征

注：同一列不同字母表示在P<0.05水平上的顯著差異，有相同字母表示差異并不顯著

在P<0.05水平上，川芎根莖Pb含量在四種土壤中無顯著差異，以翻耕土中最高，菜園土最低，富集系數在翻耕土與旱地、旱地與免耕土間差異不顯著，而翻耕土、旱地中的富集系數顯著高于菜園土，可能與菜園土pH較小、有機質含量較高，土壤中Pb的移動受限有關[17]。川芎葉片Pb含量在免耕土中和富集能力顯著高于其他三種土壤，可能與取樣點環境等相關，需要進一步研究。

2.3.3 不同耕作方式下川芎根莖、葉片中Cd、Pb含量的比較

如圖1所示，不同耕作方式的土壤中，川芎葉片對Cd、Pb的富集能力均大于根莖(葉根重金屬含量比大于“1”)。在菜園土上葉片中Cd的含量是根莖的1.56倍，顯著高于其他土壤。這可能與菜園土中較頻繁的人類活動如施肥、用藥等有關，而這些活動對川芎葉片的影響大于根莖，這與魚腥草[18]、蔬菜[19]等研究相似。葉片與根莖對Pb的富集差異在免耕土中(1.98)顯著大于其他土壤，且在旱地中比值最小(1.05)，表明在川芎種植中，重金屬Pb的來源主要與前物的種類相關，在未種過川芎的旱地中，根莖與葉片對鉛的累積基本相同。

圖1 不同耕作方式對川芎根、葉Cd、Pb富集能力的影響Fig．1 Effect on enrichment ability of different parts of Ligusticum chuanxiong by tillage methods

3 結論

(1)四種土壤均未受Pb污染，但存在不同程度的Cd污染；菜園土Cd、Pb含量顯著高于其他三種土壤，且處于 Cd重污染和強生態危害狀態。在Cd含量上，依次為菜園土>稻田免耕土>稻田翻耕土>旱地；稻田免耕土、旱地和稻田翻耕土在Pb含量上差異不顯著。

(2)在四種耕作方式下，川芎根莖和葉片的Pb含量均超標，川芎根莖中Pb平均含量為6.16 mg·kg-1，葉片中Pb平均含量8.63 mg·kg-1；川芎根莖和葉片Cd含量在旱地和翻耕土中達到要求。

(3)川芎葉片對Cd、Pb的富集能力大于根莖。葉片中鎘含量主要受耕作方式影響，根莖中鉛含量主要與前茬作物種類相關。

(4)川芎不適宜與葉菜類蔬菜輪作，在與水稻輪作時應盡量翻耕，并將秸稈移除。

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