粉葛對農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，歐陽國平，張秋梅*

1.國家紅壤改良工程技術研究中心, 江西省紅壤研究所

2.江西省新余市農業科學研究所

隨著工業化、城市化和集約化農業的快速發展，工業三廢（廢水、廢渣、廢氣）、農藥及化肥、生活垃圾等導致的土壤重金屬污染問題日益突出[1]。2014年全國土壤污染狀況調查公報[2]顯示我國耕地土壤環境質量堪憂，耕地土壤點位超標率為19.4%，其中鎘（Cd）超標最為嚴重，達7.0%。土壤中過量的Cd會抑制農作物的生長，造成作物減產甚至絕收，還能通過食物鏈嚴重危害人體健康[3-5]。植物修復主要是利用對重金屬具有特殊耐性和富集能力的植物來修復污染土壤，具有綠色、經濟且能大面積原位實施的特點[6]。選用生物量大、能夠忍耐Cd污染并能大量富集Cd的植物是植物修復技術的關鍵[7]，同時種植經濟作物也成為Cd污染地區產業結構調整的一個重要方向。大部分富集植物因為生長速度緩慢、生物產量低、經濟價值低等特點[8]，極大地制約了其修復重金屬污染土壤的效率。

粉葛（Pueraria thomsoniiBenth）屬豆科，多年生落葉草質藤本植物[9]，可以形成粗大肥碩塊根，富含淀粉和人體必需營養成分及具有生理功能的活性成分[10]，在我國主要分布于廣西、江西、湖南、湖北、安徽等地[11]。研究顯示[12]，種植在礦區周邊重金屬污染農田的粉葛，粉葛生長不受重金屬Cd的影響，且葛根產量達到正常水平。陸金等[13]研究發現，葛根對Cd的富集系數為4.37，轉運系數為11.33，粉葛能夠將根部吸收的重金屬元素轉移至其作物地上部，從而達到降低土壤重金屬濃度的目的。江西省粉葛資源豐富，但粉葛對重金屬的適應能力及吸收累積能力的差異研究較少[14]，同時不同污染地區的粉葛體內Cd濃度及粉葛植株各器官對Cd的累積也存在很大差異，尤其是葛根（葛粉）對Cd的累積狀況尚不清楚。為此，筆者通過不同污染小區田間種植試驗，探討粉葛在不同污染條件下對土壤Cd的耐性和積累量，探明Cd在粉葛植株體內的轉運、分布及富集特征。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地位于江西省新余市渝水區珠珊鎮（114°58′25″E，27°46′41″N），屬亞熱帶濕潤季風氣候，年平均氣溫為17.7 ℃，年平均降水量為1 600 mm。在前期調查基礎上，在珠珊鎮埠下村范圍內選擇了3塊不同Cd污染程度農田進行小區試驗，試驗區土壤理化性質及Cd污染程度見表1。

表 1 土壤理化性質及Cd污染程度Table 1 Physiochemical properties and Cd pollution level in soil

1.2 試驗設計

供試粉葛品種為德興市宋氏葛業有限公司所選育的“贛葛1號”。每塊試驗小區約666.67 m2，采用傳統的起壟作種植方式，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。粉葛起壟時施有機肥（枯餅）5 400 kg/hm2和45%硫酸鉀復合肥2 400 kg/hm2用作基肥。粉葛種苗于2019年4月1日進行移栽，2019年12月28日進行取樣。

1.3 樣品采集與分析

于粉葛成熟可收獲階段，采取“S”形布點采樣，每塊試驗田采集長勢相對一致的5株粉葛混合，每個試驗小區重復3次。每株采集葛根（塊根）、葛頭（粉葛栽培后形成的結構）、主藤（由種莖上直接著生的藤蔓）、側枝（由主藤上生長的藤蔓）和葉片，同時相應采取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，經曬干或烘干所得的淀粉為葛粉，而生產葛粉過程中的副產物為葛渣。將粉葛植株進行烘干和稱重，并采用HNO3-H2O2消解-電感耦合等離子體質譜儀（iCAP-Qc，美國）測定粉葛各部位的Cd濃度，植株分析方法參考DZ/T 0253.1—2014《生態地球化學評價動植物樣品分析方法 第1部分：鋰、硼、釩等19個元素量的測定 電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)法》[15]，檢出限為0.000 24 mg/kg。土壤總Cd和有效態Cd濃度采用電感耦合等離子體光譜儀測定。土壤常規理化性質參照文獻[16]的方法測定，土壤pH采用電位法測定；有機質濃度采用重鉻酸鉀容量法測定；陽離子交換量采用1 mol/L乙酸銨交換法測定。

1.4 數據處理

試驗數據處理和統計分析通過R語言（www.rproject.org，R 4.0.4）完成，方差分析采用R語言程序包vegan完成，并通過Tukey HSD檢驗法進行差異顯著性檢驗（P＜0.05），相關性分析（Pearson 相關系數）采用R語言程序包psych完成，所有制圖通過R語言軟件完成。

計算植株對土壤Cd的富集系數和轉運系數[17-18]，其公式分別為：富集系數=植物各部分Cd濃度/土壤中Cd濃度；轉運系數=植物各部分Cd濃度/植物根部Cd濃度。可收獲的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 結果與分析

2.1 土壤污染程度對粉葛不同部位Cd濃度的影響

土壤污染程度對粉葛植株不同部位中Cd濃度的影響見圖1。從圖1可以看出，葛根、葛粉、葛渣、葛頭、主藤、側枝、葉片中Cd濃度隨土壤污染程度增加而增加，具體表現為中、高污染土壤中葛根、葛粉、葛渣、葛頭、主藤、側枝、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。試驗區葛根中Cd平均濃度為0.59～1.19 mg/kg，均超過GB 2762—2017《食品安全國家標準 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準限值（≤0.10 mg/kg），但葛粉中Cd平均濃度為0.07～0.25 mg/kg，均未超過WM/T 2—2004《藥用植物及制劑外經貿綠色行業標準》[21]中的標準限值（≤0.30 mg/kg）。

2.2 Cd在粉葛不同部位的分布特征

由圖2可見，Cd在粉葛植株不同部位間的分布存在顯著差異（P＜0.05），其平均濃度表現為側枝（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Cd富集轉運能力的影響

土壤Cd污染程度不同，粉葛不同部位對Cd的富集、轉運及分配能力也會有所差別（表2～表4）。由表2可見，葛根/土壤、葛頭/土壤的富集系數均隨土壤污染程度增加而降低，在低污染時富集能力最強；主藤/土壤的富集系數均隨土壤污染程度增加而增加，在高污染時富集能力最強；側枝/土壤、葉片/土壤均在中污染時富集能力最強。粉葛不同部位的富集系數表現為側枝＞主藤＞葉片＞葛頭＞葛根。除高污染時的葛根/土壤外，其他部位富集系數均大于1，說明粉葛對土壤中Cd的吸收能力較強。由表3可見，主藤/葛根、葉片/葛根的轉運系數均隨土壤污染程度增加而增加，在高污染時富集能力最強；葛頭/葛根在低污染時轉運能力最強；側枝/葛根在中污染時轉運能力最強。粉葛不同部位的轉運系數為側枝＞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輸Cd的能力。由表4可見，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%，側枝分配率為35.64%～43.81%，葉片分配率為15.40%～23.63%。低污染時葛根和葛頭中Cd分配率最高，中污染時側枝中Cd的分配率最高，高污染時主藤和葉片中Cd的分配率最高。

2.4 不同污染程度下粉葛對Cd的移除量

試驗結果表明，粉葛在3種不同污染程度土壤中均能正常生長，未出現肉眼可見的Cd中毒現象，這說明粉葛對Cd均有較強的耐受能力。由表5可知，粉葛不同部位生物量表現為葛根＞側枝＞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Cd污染土壤修復效果的好壞可用對土壤中Cd的去除率來衡量，本試驗中全株凈化率隨污染程度增加而降低，具體表現為低污染＞中污染＞高污染，Cd移除量是由植株Cd濃度和生物量決定，本試驗中移除量隨土壤污染程度增加而增加，具體表現為高污染＞中污染＞低污染，高污染時移除量為45.39 g/hm2，中污染時移除量為39.96 g/hm2，低污染時移除量為 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 相關性分析

對土壤pH、有機質濃度、有效態Cd濃度、總Cd濃度及粉葛不同部位中Cd濃度等9個指標進行相關性分析，結果見圖3。從圖3可以看出，土壤pH與有機質濃度，總Cd濃度，葛根、主藤和側枝Cd濃度均呈負相關，其中與主藤和側枝Cd濃度呈顯著負相關（P＜0.05）；土壤有機質、有效態Cd和總Cd濃度與葛根、葛頭、主藤、側枝和葉片Cd濃度均呈顯著正相關（P＜0.05）；粉葛不同部位葛根、葛頭、主藤、側枝和葉片間Cd濃度呈顯著正相關（P＜0.05）。

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

3 討論

Cd會對植物產生一定的毒害作用，并引起生理特征的改變[22]，但也有部分作物對Cd具有一定耐性甚至富集作用。龍玉梅等[18]試驗表明，籽粒莧、龍葵、商陸、青葙4種植物對Cd均有較強的耐受能力，均未出現葉片失綠、葉片卷曲等現象。本試驗中粉葛在3種不同污染程度土壤上均能正常生長，未出現肉眼可見的Cd中毒現象，說明粉葛對Cd有較強的耐受能力。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[23]試驗表明，土壤中Cd濃度的增加會導致龍葵生物量的降低；龍玉梅等[18]研究表明，高濃度的Cd會影響富集植物的生長，削弱富集植物對Cd污染土壤修復的優勢。而本研究中粉葛對Cd的移除量隨土壤污染程度增加而增加，低、中、高污染時移除量分別為16.56、39.96和45.39 g/hm2，土壤Cd濃度的增加使Cd在粉葛植株體內積累升高。潘雨齊等[24]研究發現，土壤Cd污染程度增加促進了桑樹對Cd的積累，與本研究類似，說明在Cd污染高土壤中相應的植物吸收和富集的Cd也較高。綜上，在Cd污染區種植粉葛可較快地修復受污染土壤，達到環境和經濟雙贏，提高人們對土壤修復積極性。針對葛渣及其主藤、側枝、葉片等地上植株含有大量Cd可能帶來的二次污染，可采用以下方式處理：1）送至專門化機構進行植物冶煉；2）秸稈回收利用制造紙板等產品；3）經過生物降解（如蚯蚓等）的葛渣肥料還田。

植物體內的Cd濃度和植物對Cd的富集系數可作為植物對Cd污染土壤修復的重要指標[18]。本試驗中粉葛不同部位中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為側枝＞主藤＞葉片＞葛頭＞葛根，富集系數表現為側枝＞主藤＞葉片＞葛頭＞葛根，轉運系數為側枝＞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輸Cd的能力。作物主要通過地上部分(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，然后被轉運到其他部位，轉運系數表明主藤具有較強的轉運能力，容易富集Cd，地上部位也有可能受到大氣沉降影響，增加粉葛體內中Cd濃度。相關性表明土壤pH與主藤和側枝Cd濃度呈顯著負相關；土壤有機質、有效態Cd和總Cd濃度與粉葛植株不同部位Cd濃度呈顯著正相關；葛根、葛頭、主藤、側枝和葉片間Cd濃度均呈顯著正相關。劉沖等[17]研究發現土壤pH與苧麻的Cd濃度呈顯著負相關，土壤pH的降低會使土壤有效態Cd濃度增加，進而促進苧麻對Cd的吸收儲存[26]。龍新憲等[27]研究表明，植物對Cd的吸收量與土壤中的Cd呈正相關，土壤中的Cd濃度越高，該地植物中的Cd濃度也相對越高。郭媛等[28]以黃麻為例，發現黃麻中的Cd濃度和轉運能力隨基質中Cd濃度升高而逐漸增強，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]。

本試驗中鮮食葛根Cd濃度超過GB 2762—2017中的限值（≤0.10 mg/kg），說明鮮食葛根有一定重金屬富集，長期食用Cd污染地區葛根存在安全風險，建議降低該地區鮮食葛根在當地居民食品攝入量的比例。對直接食用粉葛的栽種土壤，必須嚴格控制Cd濃度。但本研究葛粉中Cd濃度遠低于WM/T 2—2004中的標準限值（≤0.30 mg/kg），說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)來修復Cd（＜1.93 mg/kg）污染農田，既可以有效去除土壤中Cd，又能帶來經濟收益。

4 結論

（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濃度表現為側枝＞主藤＞葉片＞葛頭＞葛根，其生物量表現為葛根＞側枝＞葉片＞主藤＞葛頭。

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

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

（4）本試驗中鮮食葛根Cd濃度超過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中的標準限值（≤0.30 mg/kg）。因此，在Cd污染區種植粉葛制作葛粉可以達到環境和經濟雙贏，提高當地政府和種植戶對土壤修復的積極性。