不同種植年限粉葛對農田土壤鎘的富集特征

林小兵，武 琳，周利軍，黃欠如，陳 燕，劉少華，陳緒龍，張秋梅

（1.江西農業大學 國土資源與環境學院，南昌 330045; 2.江西省紅壤研究所 國家紅壤改良工程技術研究中心，南昌 331717; 3.江西省新余市農業科學研究所，江西 新余 338000;4.廈門瑪塔生態股份有限公司，福建 廈門 361000）

隨著工業化、城市化和集約化農業的快速發展，大量工業“三廢”、化肥及農藥等進入土壤環境，導致農業土壤重金屬鎘問題日益突出[1]，農田鎘污染不僅造成農作物產量、品質下降，并通過食物鏈嚴重威脅人體健康，還影響農業的可持續發展[2-3]。植物修復主要是利用對重金屬具有特殊耐性和較強富集能力的植物來修復重金屬污染土壤[4]，如鎘超積累植物忍冬(Lonicera japonica)和龍葵(Solanum nigrum)等。Huang 等[5]研究表明，伴礦景天(Sedum plumbizincicola)地上部對重金屬鎘的積累量可達541.36 mg·kg-1，Yu 等[6]發現青葙(Celosia argentea)是鎘錳復合污染土壤的植物。粉葛(Pueraria thomsoniiBenth)屬豆科兩年生落葉草質藤本植物[7]，具粗大肥碩塊根，富含淀粉和人體所必需營養成分及具有生理功能的活性成分[8]，主要分布于廣西、江西、廣東、湖南、湖北、安徽、四川等地[9]。章麗娟[10]研究結果表明，礦區周邊粉葛的生長不受重金屬鎘的影響，且塊根產量能達到正常水平；陸金等[11]發現，粉葛塊根對重金屬鎘的富集系數為4.37，說明粉葛對重金屬鎘具有很強的富集能力。粉葛對Cd 移除量每年可達40 g·hm-2[12]。目前，國內外關于粉葛重金屬成分的研究較少[13]，江西省粉葛資源相當豐富，但缺乏其相應的粉葛重金屬鎘含量的研究，粉葛對土壤重金屬鎘的吸收累積特征研究也較少。不同種植年限會影響作物對土壤養分的吸收、重金屬富集等[14-15]。黨華美等[16]研究發現，不同種植年限鉤藤的重金屬鎘含量均不相同。粉葛有一年生和兩年生種植，研究表明其總黃酮及葛根素會隨種植年限逐年增加[17-18]。

本研究以江西省新余市某中度鎘污染農田粉葛種植基地的粉葛為對象，研究不同種植年限下粉葛受土壤重金屬鎘的影響及其富集特征，旨在為減輕和預防農田土壤重金屬鎘污染、保護土壤環境和保障農產品質量安全提供參考依據。

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埠下村附近(27°46′37″ N，114°58′25″E)，屬亞熱帶濕潤季風氣候，四季分明，光熱充足，雨量充沛，氣候溫和，無霜期長，年均氣溫17.7 ℃，年均降雨量1 595 mm。試驗土壤為紅壤性水稻土，試驗前土壤檢測結果表明：0～20 cm 土層土壤有機質含量20.25 g·kg-1，pH 4.67，陽離子交換量5.45 cmol·kg-1，土壤總鎘含量0.97 mg·kg-1，土壤有效態鎘含量0.64 mg·kg-1，試驗區屬中度鎘污染地區。

1.2 試驗設計供試粉葛品種為江西省德興市宋氏葛業有限公司所選育的‘贛葛1 號'。試驗小區面積約666.67 m2，采用傳統的壟作種植方式，壟寬90 cm，壟高40 cm，溝寬60 cm，株距40 cm，種植密度為18 000 株·hm-2。于2019 年4 月1 日移栽，基肥施有機肥(枯餅)5 400 kg·hm-2和45%硫酸鉀復合肥2 400 kg·hm-2，2020 年增施45%硫酸鉀復合肥600 kg·hm-2。選取一年生粉葛和兩年生粉葛：2019 年收獲一年生粉葛；去除粉葛地上部后，2020 年收獲兩年生粉葛。試驗以一年生(生長期2019 年4—12 月)粉葛為對照，兩年生(生長期2019 年4 月至2020 年12 月)粉葛為處理。

1.3 樣 品采集與分析粉 葛 分 兩 次 采 集，于2019 年12 月28 日第一次采集，2020 年12 月22 日第二次采集。采取“S”形布點采樣，采集長勢相對一致的5 株粉葛混合一個樣，重復10 次，共采集50 株粉葛植株。每株粉葛采集塊根、葛頭(葛根與主藤連接處，屬于葛根扦插苗，兩年生)、主藤(由種莖上直接著生的藤蔓)、側枝(由主藤上生長的藤蔓)和葉片等5 個部位，采集植株樣品的同時采取0～20 cm 土壤。一部分粉葛塊根處理為葛粉和葛渣，將粉葛塊根切碎、打漿、水洗沉淀后，經曬干或烘干所得的淀粉為葛粉，而生產葛粉過程中產生的副產物為葛渣。將取回來的粉葛植株進行烘干并通過用HNO3-H2O2消解-電感耦合等離子體光譜儀測定粉葛各部位中重金屬鎘含量，土壤總鎘和土壤有效態鎘含量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魯如坤[19]的方法測定，土壤pH 測定采用電位法；有機質測定采用重鉻酸鉀容量法；陽離子交換量測定采用1 mol·L-1乙酸銨交換法。

1.4 數據處理數據處理和統計分析通過R 語言(www.r-project.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。計算植株對土壤鎘的富集系數和塊根的轉運系數[20-21]，其公式分別為：富集系數=粉葛各部分鎘溶度/土壤中鎘溶度；轉運系數=粉葛各部分中鎘溶度/粉葛塊根中鎘溶度。分配系數為葛粉或葛渣的鎘溶度/塊根的鎘溶度。

2 結果與分析

2.1 土壤理化性質及重金屬鎘含量從圖1 可以看出，不同種植年限間土壤pH、總鎘、有效態鎘含量和陽離子交換量差異均不顯著(P＞0.05，表1)。其中，兩年生粉葛土壤有機質顯著低于一年生(F=5.83，P=0.03)，土壤有機質降低了19.11%。

表1 不同種植年限粉葛土壤理化性質及重金屬鎘含量

圖1 種植年限對粉葛不同部位中鎘含量的影響

2.2 粉葛各部位鎘含量種植年限對粉葛不同部位中鎘含量的影響見圖1。除葉片外，不同種植年限間塊根、葛粉、葛渣、葛頭、主藤、側枝中鎘含量存在顯著差異(P＜0.05，圖1)，兩年生粉葛植株鎘含量顯著高于一年生。與一年生粉葛相比，兩年生粉葛塊根、葛粉、葛渣、葛頭、主藤、側枝和葉片中鎘含量分別增加了1.41、1.25、3.25、4.68、1.01、1.07 和0.42 倍。從均值來看，一年生粉葛塊根、葛粉、葛渣、葛頭、主藤、側枝和葉片中鎘含量分別為1.11、0.16、1.36、2.80、6.85、8.96 和5.22 mg·kg-1，兩年生粉葛塊根、葛粉、葛渣、葛頭、主藤、側枝和葉片中鎘含量分別為2.67、0.36、5.78、15.91、13.75、18.60 和7.41 mg·kg-1。總體上，一年生和兩年生粉葛不同部位鎘含量大小順序為側枝＞主藤＞葛頭＞葉片＞葛渣＞塊根＞葛粉。一年生粉葛塊根中鎘含量為1.11 mg·kg-1，超過《食品安全國家標準：食物中污染物限量》(GB 2762—2017)[22]中蔬菜及其制品中塊根和塊莖蔬菜限量標準(Cd≤0.10 mg·kg-1)，葛粉中鎘含量0.16 mg·kg-1，未超過《藥用植物及制劑外經貿綠色行業標準》(WM/T2—2004)[23]中的限量標準(Cd≤0.30 mg·kg-1)。兩年生粉葛塊根中鎘含量為2.67 mg·kg-1，超過(GB 2762—2017)中蔬菜及其制品中塊根和塊莖蔬菜限量標準，葛粉中鎘含量0.36 mg·kg-1，也超過(WM/T2—2004)中的限量標準。

2.3 粉葛富集系數、轉運系數及分配系數由表2 可見，除葉片外，兩年生粉葛塊根、葛頭、主藤和側枝/土壤均顯著高于一年生(P＜0.05)。粉葛各部位富集系數均＞1(1.00～15.29)，說明粉葛對土壤中鎘的吸收能力較強。鎘在粉葛不同部位中的富集系數由大到小順序為側枝＞主藤＞葛頭＞葉片＞塊根。由表2 可見，葛頭對塊根的轉運能力隨種植年限增強，且兩年生葛頭/塊根的轉運系數顯著高于一年生的；而葉片對塊根的轉運能力在第一年最強，且一年生葉片/塊根的轉運系數顯著高于兩年生的；不同種植年限間主藤和側枝對塊根的轉運能力差異較小。由表2 可知，對葛根的分配系數大小為葛渣＞葛粉，不同種植年限間葛粉、葛渣/塊根分配系數差異較小。

表2 不同種植年限粉葛各部位富集系數、轉運系數和分配系數

2.4 相關性分析對土壤pH、有機質、有效態鎘、總鎘及粉葛不同部位中鎘含量等11 個指標進行相關性分析，結果(表3)表明，土壤陽離子交換量與一年生粉葛主藤和側枝中鎘含量均呈顯著正相關(P＜0.05)；土壤總鎘和有效態鎘含量與一年生粉葛不同部位中鎘含量均呈顯著正相關(P＜0.05)。土壤pH 與一年生粉葛葛頭中鎘含量均呈顯著負相關(P＜0.05)；土壤總鎘和有效態鎘含量與兩年生粉葛不同部位中鎘含量均呈顯著正相關(P＜0.05)。

表3 土壤理化性質及Cd 含量與粉葛不同部位中Cd 含量的相關性分析

3 討 論

3.1種植年限對土壤理化性質和鎘含量影響本試驗結果表明，隨種植年限增加，粉葛種植地土壤總鎘、有效態鎘含量及pH 有所增加，陽離子交換量降低，其中土壤有機質顯著減少。這與郭睿等[15]提出的大葉女貞隨種植年限增加其土壤有機碳含量逐年降低的結果相似，兩茬蔬菜種植過程中土壤有機質得不到有效補充是造成了菜地土壤有機質含量下降的主要因素[24-25]。研究表明隨著種植年限的增長土壤中重金屬鎘也會隨之呈增長趨勢[16,26]，與本研究發現兩年生粉葛土壤總鎘、有效態鎘含量增加結果相一致。郭軍康等[27]研究發現隨著年限的增加，設施菜地土壤中重金屬鎘呈現顯著的累積趨勢，污染程度由無污染到中度污染。

試驗中兩年生粉葛土壤中的鎘含量有所增加，主要原因是種植過程中化肥等肥料的添加，此外，還有可能受到大氣沉降、水分灌溉、粉葛秸稈還田等影響[28]。

3.2 粉葛不同部位鎘含量的差異本試驗中，除葉片外，兩年生粉葛各部位中鎘含量顯著高于一年生，其不同部位中重金屬鎘含量大小順序表現為側枝＞主藤＞葛頭＞葉片＞葛渣＞塊根＞葛粉。植物體內的重金屬鎘及其對鎘的富集系數可作為植物對鎘污染土壤修復的重要指標[29]。黨華美等[16]研究發現，不同種植年限鉤藤土壤重金屬鎘在植株不同部位中的吸收遷移能力差異較大。超積累植物修復重金屬污染土壤取決于植物從土壤中吸取金屬以及向地上部運輸金屬的能力[30]，陸金等[11]研究發現，粉葛塊根對重金屬鎘的富集系數為4.37，本試驗區種植的粉葛對土壤富集系數均大于1，說明粉葛對土壤鎘的富集能力較強。本試驗中粉葛側枝和主藤鎘含量最高，研究表明強大的木質部裝載能力提高了重金屬鎘從根到地上部的轉運效率[30]。基因型差異也是造成粉葛不同部位重金屬鎘含量差異顯著的因素之一[31]。相關性表明土壤總鎘和有效態鎘含量與粉葛不同部位中鎘含量均呈顯著正相關，土壤pH 與第二年葛頭呈顯著負相關。劉沖等[21]研究也發現土壤pH 與農作物中的鎘含量呈顯著負相關。土壤pH 的降低會使土壤有效態鎘含量增加，進而促進苧麻對重金屬鎘的吸收儲存[32]。龍新憲等[33]和郭媛等[34]研究表明，土壤中的重金屬鎘含量越高，該地植物中的鎘含量也相對越高，兩者呈顯著正相關。土壤中鎘含量越高，粉葛各部分中鎘含量也較高，土壤中重金屬鎘被粉葛的塊根吸收后，首先在塊根和葛頭中積累，然后被轉運到其他部位，其次兩年生粉葛塊根和葛頭生長期較長于一年生的，增加其塊根和葛頭中重金屬鎘含量。

3.3 粉葛安全利用本研究還發現粉葛在2 年試驗過程中能正常生長，未出現肉眼可見的鎘中毒現象，且生物量、產量能達到正常水平，說明粉葛對重金屬鎘有較強的耐受能力和鎘適應能力。本試驗中鮮食粉葛塊根其重金屬鎘含量超過食品中鎘限量標準，說明鮮食塊根有一定重金屬富集，長期食用鎘污染地區粉葛塊根存在潛在安全風險，建議降低該地區鮮食葛根在當地居民食品攝入量中的比例。與兩年生粉葛葛粉相比，一年生葛粉符合食品安全標準要求，說明在該污染條件下當年種植及收獲的葛粉是符合食品安全，利用粉葛(用作葛粉)來修復鎘污染農田，既可以有效移除土壤中重金屬鎘，又能帶來經濟收益。葛渣對葛根的分配系數遠大于葛粉，在制造葛粉過程中，塊根中更多的重金屬鎘保留在葛渣中。除種植年限外，粉葛對農田土壤重金屬鎘的吸收累積效率，還受品種、土壤污染程度、施肥方式等影響，今后可結合室內室外試驗進一步探討影響粉葛對重金屬鎘的富集，并通過分子及生理方式來揭示粉葛對重金屬鎘富集的機制研究。綜合其經濟價值、食品安全、生物移除(生物量)等挖掘粉葛為潛在的鎘富集植物，且通過地上藤蔓不能回田、土壤調酸提高土壤pH、土壤鎘多少水平之內適于種植粉葛來發展粉葛種植，為減輕和預防農田土壤重金屬鎘污染提供參考依據。

4 結 論

本研究表明粉葛對土壤鎘具有較強的富集能力，粉葛不同部位鎘含量及富集系數以側枝和主藤較高，其次是葛頭和葉片，而塊根和葛粉較低。土壤鎘及粉葛各部分中鎘含量隨種植年限具有顯著的累積效應，兩年生粉葛鎘含量顯著高于一年生。在中度鎘污染條件下，可以將一年生粉葛(用作葛粉)作為經濟作物，達到安全利用的效果；對于兩年生及多年生粉葛僅作為修復作物，對土壤中重金屬鎘生物移除，以實現修復的目的。因此，在中度鎘污染區種植一年生粉葛制作葛粉可以達到生態和經濟雙贏，并促進當地政府和種植戶對土壤修復的積極性。