?桑樹修復鎘污染農田的效果及桑樹各部位鎘含量調查

蔣詩夢 李章寶 黃仁志 蔣勇兵 秦志雄 王明 曹慧

摘 要：為了探明不同污染程度農田種植桑樹后，農田土壤和桑樹內鎘含量隨栽植年限的延長而發生的變化，在長株潭地區選取3個地點進行長期取樣調查。結果表明：在Cd含量為風險篩選值之上的農田種植桑樹，栽植3 a，土壤pH值明顯升高，土壤Cd含量明顯降低，但仍處于風險篩選值之上;生長至10月下旬、11月上旬，桑樹各部位Cd含量分布表現為葉>根>枝;多年生木本植物桑樹，隨著栽植年限的增加，各部位富集Cd的能力逐漸下降;結合前期試驗結果進行推測，桑樹在超過風險管控值的農田種植3 a后，可以實現安全利用。

關鍵詞：桑樹;鎘污染農田;土壤鎘含量;植株鎘含量;安全利用

中圖分類號：S888 文獻標識碼：A文章編號：1006-060X（2020）07-0054-04

Abstract： In order to find out the changes of cadmium content in soil and mulberry trees （Morus alba L.） with the extension of their planting years in farmlands at different pollution levels， three sites were selected for long-term sampling survey in Changsha-Zhuzhou-Xiangtan Area. The results showed that 3 years after mulberry trees being planted in the farmland with Cd concentration above the risk screening value， the soil pH value increased significantly and the soil Cd concentration decreased significantly， but it was still above the risk screening value; from the end of October to the first ten days of November， the distribution of Cd concentration in different parts of mulberry was leaf > root > branch; with the increase of planting years， mulberry， as a perennial woody plant， presented a declining ability of Cd accumulation in different parts; speculated from the preliminary test results， mulberry trees could be safely used in raising silkworm after 3 years of planting in the farmland which exceeds the risk control value.

Key words： mulberry （Morus alba L.）; cadmium contaminated farmland; soil cadmium content; plant cadmium content; safe utilization

根據2019年全國農田土壤污染治理暨長江經濟帶生態修復與產業扶貧技術交流會專家報告可知，我國污染耕地已有0.1億hm2，農田土壤受重金屬污染現象突出，約占重金屬總污染面積的40%。土壤污染的現狀推動了土壤修復行業與技術的發展。國內外有許多技術與經驗可供借鑒與參考，包括物理、化學和植物修復技術，其中植物修復具有技術和經濟上的雙重優勢，但也存在不足之處[1]。例如：超富集植物龍葵、三葉鬼針草等吸收能力強，但為草本植物[2-3]，生長周期短，生物量小，大面積推廣需要加強栽培技術研究與種子繁育。木本植物生物量大，但富集能力有限[4]。

還有學者提出，草本與木本聯合修復可有效提高農田土壤重金屬復合污染的修復效率[5]，還能改善污染土壤的環境質量[6]。

2016年，國家《土壤污染防治行動計劃》中的目標提到，到2030年，全國受污染耕地安全利用率達到95%以上。“安全利用”需要在超過風險篩選值或者超過風險管制值的農用地上收獲符合國家安全標準的農產品。桑樹具有一定的重金屬耐受性[7]，雖然其吸收鎘（Cd）的能力有限，但產量大，生長年限長，在發揮植物修復功能[8]的同時，還能產生經濟效益，在污染農田種植桑樹既不會影響桑樹和蠶繭的產量[9]，獲得的蠶蛹和蠶繭也都符合安全標準[10]。而且，桑樹不僅可以養蠶，根據不同的功能，桑樹產業正向多元化發展，如飼料桑、果桑等[11]，發展前景廣闊。綜合來看，桑樹是重金屬污染耕地安全利用較為理想的經濟作物。但由于桑樹修復能力有限，因此在何種污染程度的農田中種植桑樹既安全又可以產生效益是一個值得探討的問題，課題組以此為目的，在不同污染程度的農田種植桑樹，通過長時間調查取樣監測農田與桑樹內鎘含量的變化，以期為蠶桑的安全利用提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區域

在長株潭地區選取了3塊Cd污染農田，土壤調查數據見表1。根據土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（GB15618—2018）中的對農用地土壤污染風險篩選值與土壤污染風險管制值的規定，3個調查點土壤pH值均小于5.5，調查點1與調查點2的土壤Cd含量位于風險篩選值（0.3 mg/kg）與風險管控值（1.5 mg/kg）之間，而調查點3的土壤Cd含量遠遠大于風險管控值。

1.2 試驗設置

2017年1月，每個調查點栽植3個品種（見表2），每個品種設置3個重復，每個重復栽植20～30株桑樹，行株距為2 m×0.5 m，共9個區組，隨機排列。春季發芽前離地面35～40 cm處剪掉干端，養成主干，發芽后主干上留3～4個壯芽，其余芽疏掉。第2年春季桑樹發芽前，離地面60 cm處剪枝，發芽后每根支干選留2～3個壯芽，每株養成8～10根枝條。各調查點桑樹按DB43/T382—2008栽培技術規范管理。

1.3 取樣及數據分析

每個調查點每個小區選定一株桑樹，并在離桑樹15 cm的半徑范圍內選定土壤調查點檢測土壤pH值、總Cd及桑樹各部位Cd含量。2017—2019每年調查取樣，每次定點取土壤與部分植株樣品，統一標注，帶回實驗室進行樣品前處理。取回的樣品直接烘干并粉碎。樣品檢測采用NY/T 1121.2—2006、GB/T 17141—1997與GB 5009.268—2016中的方法分別檢測土壤pH值及Cd含量。所有數據的統計用Excel和SPSS 17.0軟件進行分析，采用Duncan新復極差法進行顯著性檢驗（P<0.05）。

2 結果與分析

2.1 栽植桑樹對土壤的影響

調查點選定的土壤取樣點檢測數據（見表1、表3），與2017年的數據相比較，2019年的取樣點的土壤pH值均呈升高趨勢且達到了顯著水平;取樣點Cd含量均呈下降趨勢，其中調查點1和調查點2下降幅度達到了顯著水平，但取樣點Cd含量均未降到風險篩選值之下。

取樣點土壤Cd含量的下降的幅度并不能表明桑樹修復Cd污染農田能力大小，2019年11月，挖取各調查點桑樹，取桑樹根部土壤進行檢測，檢測結果（見表3）表明，桑樹根部土壤平均Cd含量顯著大于選定的土壤取樣點的平均Cd含量，可以據此推測，桑樹對土壤中Cd的吸附表現為，距離桑樹主根部越近，土壤中Cd含量越高。

2.2 桑樹各部位鎘含量的差異

栽植桑樹當年（2017）秋季的取樣結果表明：各調查點Cd含量在各部位的分布為葉>根>枝;土壤Cd含量高的調查點，桑葉中的Cd含量也高。2019年各調查點各部位Cd含量均明顯降低，葉中Cd含量普遍高于根中Cd含量，如圖1。

栽植桑樹主要是收獲桑葉進行養蠶。桑葉中的Cd含量數值見表4，隨著栽植年限的增加，桑葉中的Cd含量呈下降的趨勢，統計分析表明，3個調查點2019年葉片中的Cd含量顯著低于2017年葉片中Cd含量。湘潭雨湖區響水鄉桐塘村、株洲淥口區南洲鎮泗馬村2個調查點農桑14、強桑1號、育71-1品種間桑葉中的Cd含量無顯著差異;而株洲石峰區銅塘灣街道長石村品種間桑葉中的Cd含量農桑14號顯著大于粵桑11號，與強桑1號差異不顯著。

2019年4月下旬和11月上旬分別在各調查點取桑葉檢測其總Cd含量，從2次檢測數據可以看出，各調查點的桑葉不同季節Cd含量有顯著差異（見表5）。

3 討 論

栽植桑樹對土壤也帶來了一些影響。隨著果樹[12]、茶葉[13]栽植年限的增加，土壤pH值會逐漸降低，土壤酸化。而試驗檢測結果顯示，3個調查點pH值在2017年初檢測均小于5.5，為酸性土壤。栽植桑樹3 a后，土壤pH檢測值均顯著提高了。由此可以推測，在污染農田中種植桑樹，可以提高土壤pH值。文獻表明，土壤pH值與有效Cd之間是呈顯著負相關的[14]。

在土壤上施用石灰，可以提高土壤pH值，使土壤中有效態Cd含量降低，以減少植物對Cd的吸收[15]。由結果可知，隨著栽植桑樹年限的增加，桑樹各部位的Cd含量大幅降低，土壤pH值的升高可能是引起有效Cd含量降低的一個重要原因。栽植桑樹不僅使土壤pH值升高，對土壤產生了類似鈍化的作用[16]，調查點Cd含量下降，但并未降到風險篩選值之下;同時，栽植桑樹使土壤中的Cd發生了轉移，聚集到了植株根部，與桑樹根際土壤pH值低于非根際土壤，且根際土壤Cd含量高于非根際土壤[17]的研究結果一致。但是，此次調查未考慮大氣沉降、雨水pH值、地下水等因素對土壤Cd含量的影響。湖南為酸雨區，雨水季節性變化會引起土壤中有效Cd含量的季節性變化[18]，加之農田中Cd分布不均勻，栽植桑樹使農田中的Cd發生了轉移與變化，這給準確評估桑樹對土壤的修復作用提出了挑戰。

試驗結果表明，桑樹各部位Cd含量分布表現為葉>根>枝，與前期及其他研究中重金屬復合污染下桑樹體內Cd含量分布為根>枝>葉[19]的結果不一致，推測可能是由于取樣季節不同造成的。因在3個調查點均發現春季桑葉中的Cd含量顯著低于秋季桑葉中的Cd含量，推測其與桑樹生長階段與生長時期長短有關。春季是桑樹旺盛生長的時期，一晝夜內新梢可生長2～3 cm，與秋季相比，桑樹的生長速率大于Cd的吸收速率，此原因可能導致了不同生長時期桑葉中Cd含量的差異，且春季生長期（2月下旬至4月下旬）比秋季生長期（6月上旬至10月中旬）要短，故Cd積累的時間春季也比秋季短。有研究表明，煙葉中Cd含量在不同生長時期也會出現不同的變化趨勢，旺長期時，葉中的Cd含量明顯降低[20]。春季土壤濕度也可能有影響植株對Cd的吸收積累，比如淹水條件下，土壤中的有效態Cd含量低于非淹水條件[18]，此時水稻對重金屬的吸收也顯著降低[21]。秋季桑葉成熟，桑葉中累積的Cd逐漸增多，在水稻中也觀察到類似的結果，隨著水稻的成熟，葉片中Cd含量逐漸升高，因為葉片作為Cd的富集器官，缺乏向其他器官轉運Cd的途徑，所以隨著生育期的延長，葉片Cd含量逐漸升高[22]。其次，田間取樣并沒有清洗桑葉，秋季大氣中的重金屬也有可能沉積在桑葉中或者直接被桑葉吸收。長株潭灰塵污染很嚴重，秋季大氣顆粒物及重金屬分析顯示，較其他重金屬，大氣顆粒物中重金屬Cd富集因子最大[23]，灰塵中的平均Cd含量達到了29.93 mg/kg，為背景值的57.56倍[24]，灰塵里的Cd隨著雨水的沖刷、降水的季節性變化可能會引起葉面污染或者土壤中Cd含量的變化，從而影響葉片中檢測到的Cd含量。要想明確影響桑葉中Cd含量季節性變化的原因，需要設計一個更科學的監測方法來跟蹤調查。

種植桑樹最終是為了安全利用被重金屬污染的農田，使之仍然能夠繼續產生經濟效益。課題組2014年在另外一個調查點開展過養蠶試驗[9]，該樣地土壤平均Cd含量為3.08 mg/kg，葉片中平均Cd含量為0.24 mg/kg，蠶蛹及繭皮中的Cd含量均低于食品中污染物限值標準（GB 2762—2017）及生態紡織品中重金屬Cd的限量值（GB/T 18885—2009）[10]，證明栽桑養蠶是一種較為理想的替代種植方法。分析2017—2019年3個調查點桑葉的Cd含量，2017年11月桑葉中的平均Cd含量大于1 mg/kg，2019年11月桑葉中的平均Cd含量也大于前期試驗中的0.24 mg/kg。

用Jiang等[10]文中數據對桑葉中Cd含量與繭皮中Cd含量進行相關分析，相關系數R為0.033，桑葉中Cd含量高不代表繭皮中Cd含量高，也未見相關文獻驗證Cd含量大于0.24 mg/kg的桑葉是否可以安全養蠶，因此暫時無法推斷該濃度的桑葉養蠶是否安全。從2019年4月調查點桑葉中的Cd含量來看，該時期桑葉中平均Cd含量均低于0.24 mg/kg，推測春季調查點的桑葉是可以安全養蠶的。3個調查點土壤Cd含量均大于風險篩選值甚至是大于風險管控值，但栽植桑樹3 a后，調查的結果表明該農田栽植桑樹可以被安全利用。

檢測數據反應的是桑樹栽植不同年限土壤與植株Cd含量的變化，調查結果表明，在農田中栽植桑樹，可以提高土壤的pH值，隨著栽植年限的增加，桑樹中吸收的Cd含量會降低;且秋季Cd含量在桑樹中的分布為葉>根>枝。這些結果可為其他地區的蠶桑安全利用提供一定的數據支持與參考。

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（責任編輯：肖彥資）