石灰和牡蠣粉對酸性鎘污染農田粉葛增產降鎘效應

林小兵，張秋梅，吳多基，周利軍，武琳，何紹浪，黃欠如，吳建富*

（1.江西農業大學國土資源與環境學院，南昌 330045；2.江西省紅壤及種質資源研究所，國家紅壤改良工程技術研究中心，江西 進賢 331717；3.江西省新余市農業科學研究中心，江西 新余 338000）

粉葛（Pueraria thornsonii Benth.）為豆科葛屬多年生藤本植物[1]，是一種特色經濟作物，素有“南葛北參”的美譽，且已被列入國家“藥食兩品”名錄。粉葛作為一種重要的藥食同源植物，富含葛根素、大豆苷、大豆苷元、染料木素等異黃酮類化合物[2]，具有防癌、抗癌、防治心血管病、解熱、抗炎、美容等營養和藥用價值[3]。江西是粉葛種植主產區之一，種葛歷史悠久，種植、加工技術成熟，2019 年江西省粉葛人工種植面積已達超過2 000 hm2[4]，適合粉葛種植的荒山荒地面積超6 000 hm2。

由于工業生產、大氣沉降、污水灌溉、農藥及化肥不合理施用等導致土壤重金屬污染日益嚴重[5]，全國土壤污染狀況調查公報顯示我國耕地重金屬以鎘超標最為突出。土壤鎘不僅會對農作物的生長和品質產生影響，還能通過食物鏈在人體富集引起各種疾病[6-7]。目前，鎘超標現象已引發了如川芎、川黨參等中藥的安全性和出口問題[8-9]。研究表明粉葛是典型的鎘富集植物[10]，陸金等[11]調查發現粉葛塊根對土壤重金屬鎘的富集系數為4.37，轉運系數為11.33，說明粉葛對土壤重金屬鎘具有較強富集性。針對江西省粉葛種植區中鎘調查發現，粉葛塊根中鎘含量為0.002~0.28 mg·kg-1，存在一定程度的鎘超標現象[12]。因此，如何有效、低成本地降低粉葛中的鎘含量已經成為一個亟需解決的問題。

在鎘污染土壤修復治理技術中，通過向土壤添加石灰類、礦物類、生物炭等鈍化材料，從而提高土壤pH 并鈍化鎘的活性是修復酸性鎘污染土壤的有效措施[13-14]。研究表明，向鎘污染土壤添加外源鈣如石灰、牡蠣粉等可以提高土壤pH和改善土壤理化性質，有效降低土壤鎘的生物有效性和減少植物對鎘的吸收，并增加農作物生物量和產量等[15-17]。但是已有研究主要是針對酸性鎘污染水稻田修復，關于粉葛種植區的鎘污染修復鮮有報道。南方鎘污染水稻地區常用的土壤調理劑中，以石灰為原料的占33.33%，以牡蠣粉為原料的占23.33%，牡蠣粉和石灰已成為南方稻田調酸降鎘的主要原料[18]。因此，本研究基于酸性鎘污染土壤的粉葛大田試驗，研究了添加石灰和牡蠣粉對粉葛土壤中鎘有效性、粉葛各部位鎘含量及生物量的影響，并探討影響粉葛富集鎘的機理，以期為鎘污染土壤修復、粉葛藥用安全性和粉葛科學種植提供數據支撐和理論依據。

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°46'36″ N，114°58'25″E），屬亞熱帶季風性濕潤氣候，雨熱同期。供試土壤（0~20 cm）基本化學性質：土壤pH 值4.93，有機質25.97 g·kg-1，陽離子交換量6.01 cmol·kg-1，堿解氮220.56 mg·kg-1，有效磷13.43 mg·kg-1，速效鉀108.26 mg·kg-1，土壤總鎘含量0.59 mg·kg-1，土壤有效態鎘含量0.38 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

試驗設置3 個處理：空白對照、石灰、牡蠣粉，每個處理重復3 次，各處理采用隨機區組設計，其中石灰施用量為1 500 kg·hm-2（依據石灰CaO 含量，鈣施用量約為860 kg·hm-2），牡蠣粉施用量為2 250 kg·hm-2（依據牡蠣粉CaCO3含量，鈣施用量約為860 kg·hm-2）。供試粉葛品種為“贛葛1號”，由江西省紅壤研究所苗圃基地培育；石灰（生石灰）為礦物源鈣素，由新余市田安農業公司提供，CaO 含量為80%，pH 為11.80；牡蠣粉為生物源鈣素，由福建瑪塔生態科技有限公司提供，原料為牡蠣殼，CaCO3含量為95%，pH為9.58。粉葛種植采用傳統的起壟種植方式，人工起壟，壟寬90 cm，壟高40 cm，溝寬60 cm，株距40 cm，試驗小區面積約為1 333.34 m2，種植密度約為18 000株·hm-2。于2020 年4 月2 日移栽，基肥施45%硫酸鉀復合肥2 400 kg·hm-2，其他措施按粉葛高產栽培方法進行。

1.3 樣品采集與分析

粉葛植株樣品分別于2020 年5 月初（苗期）、7 月初（膨大初期）、8月底（膨大期）和12月底（成熟期）這4 個時期進行采集。采取“S”型布點采樣，每個試驗點采集長勢相對一致的5 株粉葛混合一個樣，分別采集粉葛根部、莖稈和葉片。成熟期將粉葛根部細分為：塊根和葛頭（粉葛栽培后形成的結構），粉葛莖稈，細分為：主藤（種莖上直接著生的藤蔓）和側枝（主藤上生長的藤蔓）和葉片等5 個部位[11]，成熟期采集植株樣品同時相應采取0~20 cm 土壤樣品。成熟期將取回來的粉葛塊根一部分處理為葛粉和葛渣（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），另一部分塊根同其余粉葛植株部位進行烘干和稱量，并用HNO3-H2O2消解-電感耦合等離子體光譜儀測定粉葛各部位鎘含量。土壤總鎘含量采用HF-HNO3-HClO4法消解，土壤有效態鎘含量用0.1 mol·L-1-DTPA 溶液浸提，均采用電感耦合等離子體光譜儀測定。土壤常規化學性質參照魯如坤[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

通過R 語言（R 4.2.2）統計軟件對試驗數據進行方差分析和相關性分析，采用R 語言軟件程序包gg?plot2進行制圖。鎘的生物富集按下列公式計算[20]：生物富集系數（BCF）=粉葛各部位鎘含量（mg·kg-1）/土壤總鎘含量（mg·kg-1）。鎘積累量（移除量）=粉葛各部位鎘含量×粉葛各部位生物量；粉葛種植成本約為2.25 萬元·hm-2，其中石灰成本約為3 750 元·hm-2，牡蠣粉成本約為6 750 元·hm-2；粉葛出粉率約為15%，本實驗中各處理葛粉價格依據目前葛粉市場價和葛粉品質。

2 結果與分析

2.1 施鈣對粉葛生物量和鎘含量的影響

施鈣對不同生育期粉葛生物量和鎘含量的影響見表1，可以看出，施鈣可以促進粉葛生長，與對照比，施用石灰粉葛苗期、膨大初期和膨大期粉葛根部分別增加了19.29%、16.47%和39.18%，莖稈分別增加了7.17%、34.86% 和26.34%，葉片分別增加了13.69%、8.22%和40.31%；施用牡蠣粉粉葛苗期、膨大初期和膨大期粉葛根部分別增加了16.88%、17.34%和81.79%（P<0.05），莖稈分別增加了13.99%、59.84%和12.59%，葉片分別增加了9.20%、35.84% 和25.20%。與對照比，施用石灰降低了粉葛根部（膨大期）、莖稈（膨大初期和膨大期）和葉片（膨大初期和膨大期）中鎘含量（P<0.05）；施用牡蠣粉降低了粉葛根部（膨大初期和膨大期）、莖稈（膨大初期和膨大期）和葉片（膨大初期和膨大期）中鎘含量（P<0.05），其中牡蠣粉處理對粉葛的降鎘效果要優于石灰處理。

表1 施鈣對不同生育期粉葛生物量和鎘含量的影響Table 1 Effects of calcium on the biomass and cadmium content of P.thomsonii under different growth periods

由表2 可以看出，與對照比，成熟期石灰和牡蠣粉處理的粉葛塊根干質量分別增加了37.92%和37.79%，葛頭干質量分別增加了36.21%和62.07%，主藤干質量分別增加了8.69%和0.28%，側枝干質量分別增加了40.80%和102.34%，葉片干質量分別增加了17.07%和34.15%，粉葛植株總生物量分別增加了34.26%和42.46%。其中，牡蠣粉處理的葛頭干質量顯著高于對照（P<0.05），牡蠣粉處理的粉葛植株總生物量也顯著高于對照（P<0.05），而石灰和牡蠣粉處理間差異不顯著（P>0.05）。

表2 施鈣對成熟期粉葛各部位生物量（干質量）的影響（t·hm-2）Table 2 Effects of calcium on biomass of P.thomsonii tissues under mature stage（t·hm-2）

從圖1 可知，施用石灰處理的葛渣、葉片中鎘含量均顯著低于對照，施用牡蠣粉處理的葛渣、葉片、主藤、側枝、葛頭中鎘含量均顯著低于對照（P<0.05），而石灰和牡蠣粉處理間差異不顯著（P>0.05）。粉葛塊根中鎘含量大小表現為對照（0.44 mg·kg-1）>石灰（0.29 mg·kg-1）>牡蠣粉（0.16 mg·kg-1）。與對照比，石灰和牡蠣粉處理的塊根中鎘含量分別降低了34.09%和63.64%，葛粉中鎘含量分別降低了15.38% 和69.23%，葛渣中鎘含量分別降低了63.63% 和67.05%，葛頭中鎘含量分別降低了33.33% 和40.00%，主藤中鎘含量分別降低了32.62% 和34.04%，側枝中鎘含量分別降低了50.59% 和61.18%，葉片中鎘含量分別降低了46.15% 和53.85%。試驗區粉葛塊根中鎘含量為0.11~0.82 mg·kg-1，均超過《食品安全國家標準：食物中污染物限量》GB 2762—2022 中蔬菜及其制品中塊根和塊莖蔬菜標準限值（≤0.10 mg·kg-1），但葛粉中鎘含量為0.02~0.18 mg·kg-1，均未超過《藥用植物及制劑外經貿綠色行業標準》WM/T 2—2004 中的標準限值（≤0.30 mg·kg-1）。

圖1 施鈣對成熟期粉葛各部位鎘含量的影響Figure 1 Effects of calcium on cadmium content in P.thomsonii tissues under mature stage

由圖2 可以看出，各處理粉葛各部位生物量占比由大到小為：塊根（66.97%~71.12%）>側枝（11.49%~16.36%）> 主 藤（7.22%~10.32%）> 葛 頭（5.22%~5.96%）>葉片（3.23%~3.71%）。各處理粉葛各部位鎘含量的分布規律為：主藤（24.26%~31.21%）>側枝（22.15%~29.26%）> 葛 頭（23.26%~27.18%）> 葉 片（14.09%~15.65%）>塊根（5.37%~8.36%）。粉葛各部位對鎘的積累量由大到小為：塊根（29.69%~44.99%）>側枝（22.93%~31.26%）>主藤（16.42%~20.38%）>葛頭（9.99%~14.41%）>葉片（4.16%~4.91%）。總體上，與對照相比，石灰處理增加了塊根、葛頭中鎘積累量的比例，減少了主藤和側枝中鎘積累量的比例；牡蠣粉處理則增加了葛頭、主藤和側枝中鎘積累量的比例，降低了塊根中鎘積累量的比例。

圖2 成熟期粉葛各部位生物量、鎘含量和鎘積累量分配比例Figure 2 Proportion of biomass，cadmium content and cadmium accumulation of P.thomsonii tissues under mature stage

2.2 施鈣對粉葛鎘生物富集系數的影響

由表3 可以看出，添加石灰和牡蠣粉的處理粉葛各部位對土壤鎘生物富集系數均低于對照，富集系數呈現出對照>石灰>牡蠣粉的趨勢。粉葛各部位的富集系數大小為：側枝>主藤>葛頭>葉片>塊根。除牡蠣粉處理的BCF葛根/土壤外，其他部位富集系數均大于1（1.02~3.56），說明粉葛對土壤重金屬鎘的吸收富集能力較強。

表3 施鈣對成熟期粉葛各部位鎘生物富集系數的影響Table 3 Effects of calcium on cadmium bioconcentration factor of P.thomsonii tissues under mature stage

2.3 施鈣對粉葛土壤pH和有效態鎘的影響

表4 所示，與對照比，施用石灰和牡蠣粉顯著提高了土壤pH（P=0.01），其中石灰處理的土壤pH 上升了0.87 個單位（增幅為17.73%），牡蠣粉處理的土壤pH 上升了0.85 個單位（增幅為17.42%）；與對照比，施用石灰和牡蠣粉顯著降低了土壤有效態鎘含量（P=0.002），較對照比均下降了53.84%。

表4 施鈣對成熟期粉葛土壤pH和有效態鎘的影響Table 4 Effects of calcium on soil pH and available cadmium of P.thomsonii under mature stage

2.4 土壤環境因子與粉葛生物量及鎘含量相關性分析

將土壤pH、有效態鎘、總鎘及粉葛各部位生物量等9 個指標進行相關性分析，結果表明（表5），土壤pH與塊根、葛頭生物量及總生物量呈顯著正相關（P<0.05）；土壤總鎘與葛頭質量及總生物量呈顯著負相關（P<0.05）；土壤有效態鎘與塊根、葛頭質量及總生物量呈顯著負相關（P<0.05）。對土壤pH、有效態鎘、總鎘及粉葛各部位中鎘含量等10 個指標進行相關性分析（表5），結果表明，土壤pH 與葛渣、側枝、葉片、葛頭、主藤中鎘含量呈顯著負相關（P<0.05）；土壤總鎘、有效態鎘與塊根、葛渣、側枝、葉片、葛頭、主藤中鎘含量呈顯著正相關（P<0.05）。

表5 土壤環境因子與成熟期粉葛鎘含量及生物量相關性分析Table 5 Correlation analysis of soil environmental factors and cadmium content，biomass of P.thomsonii under mature stage

2.5 粉葛對土壤重金屬鎘的移除量和經濟效益

本試驗結果表明（表6），石灰處理的粉葛對鎘的年移除量為7.07 g·hm-2，葛粉產量為2 655.36 kg·hm-2，收益為15.93 萬元·hm-2，較對照相比，年移除量降低了14.61%，但粉葛產量增加了38.20%，收益增加了107.15%。牡蠣粉處理的粉葛對鎘的年移除量為5.39 g·hm-2，葛粉產量為2 652.84 kg·hm-2，收益為21.00 萬元·hm-2，與對照相比，年移除量降低了34.90%，但粉葛產量增加了38.07%，收益增加了173.08%。說明施用牡蠣粉比施用石灰更有利于提高粉葛生產的經濟效益。

表6 粉葛對土壤鎘的移除量和經濟效益Table 6 Removal of soil cadmium and economic benefits of P.thomsonii

3 討論

3.1 施鈣對粉葛鎘含量的影響

本試驗中施石灰和牡蠣粉后粉葛各部位中鎘含量降低了15.38%~67.05%，并顯著降低了粉葛地上部鎘含量（P<0.05），對鎘生物富集系數呈現出對照>石灰>牡蠣粉的趨勢。張德林等[21]試驗表明施用生石灰后，川芎藥材中鎘含量降低了1.26%~39.05%，趙家印等[22]研究發現碳酸鈣、生石灰降低了芥藍中鎘含量5.85%~28.70%，肖艷輝等[23]試驗發現添加1%石灰可使籽粒莧鎘含量下降90%以上，以上都說明施鈣材料可以有效降低植物對重金屬鎘的吸收和富集，與本研究結果類似。石灰和牡蠣粉主要成分為鈣，不僅可以調節土壤酸堿度，改善微生物環境和理化性質，也為粉葛生長提供了豐富的鈣元素。石灰和牡蠣粉中的鈣離子能夠與鎘離子競爭植物根系上的吸收位點[24]，從而降低粉葛對土壤鎘的吸收；鈣還可以通過改善光合作用，減輕植物氧化損傷，從而保護植物免受重金屬鎘脅迫[25]。牡蠣粉還含有豐富的鎂、鈉、鋇、鋅、鐵等中微量元素[16-17]，這些元素可以提高土壤保肥性能；其次牡蠣粉的多聚孔結構，會吸附土壤中游離的各種重金屬元素，并降低土壤鎘的生物有效性[17]，以上都是牡蠣粉對粉葛降鎘提質效果優于石灰的重要原因。

本試驗還發現，施用石灰和牡蠣粉后可以有效提高土壤pH 和鈍化土壤鎘活性。土壤pH 是影響作物吸收鎘的最主要原因[26]，添加石灰類材料通過改變土壤鎘的賦存形態，降低鎘的有效性，從而抑制作物對鎘吸收和富集[27]。土壤有效態鎘含量與作物鎘含量存在顯著的正相關關系[28-29]，可以通過降低土壤鎘的活性來降低作物對鎘的吸收，這與本研究結果相似。相關性還表明土壤pH與粉葛中鎘含量呈顯著負相關（P<0.05）；而土壤總鎘、有效態鎘與粉葛中鎘含量呈顯著正相關（P<0.05），進一步說明石灰和牡蠣粉主要通過提升土壤pH 來降低鎘的活性，從而減少粉葛對鎘的吸收和富集。施鈣處理特別是牡蠣粉有效降低了鎘在粉葛體內富集，降低了粉葛塊根的食用風險。

3.2 施鈣對粉葛生物量和產量的影響

鈣素等外源物質對植物普遍具有促進生長，增強抗逆性的功能[30]，本試驗中，施鈣可以明顯促進粉葛生長，添加石灰和牡蠣粉后粉葛總生物量增加了34.26%~42.36%，粉葛產量增加了38.07%~38.20%。試驗施用的石灰和牡蠣粉，主要成分為鈣元素，陳會鮮等[31]研究發現鈣能顯著提高食用木薯產量和品質；在鎘脅迫下，鈣還可以顯著促進南美蟛蜞菊[32]、苧麻[33]等生長，增加其生物量，與本試驗結果類似。研究發現施鈣如生石灰、石灰石等可以增加土壤特定物種的相對豐度，提高作物對病原菌侵襲[34]；通過提升土壤酶活性和微生物的多樣性，提高植物的光合作用，細胞分裂等[35-36]。相關分析還發現提高土壤pH可以促進粉葛生長，增加粉葛生物量和產量，而土壤鎘限制了粉葛生長，與粉葛生物量和產量呈顯著負相關。粉葛生物量和產量的提高還可能是由于石灰和牡蠣粉提升了土壤pH，重金屬鎘的生物活性減弱，降低了重金屬鎘對粉葛生長的脅迫，有利于粉葛的生長。本試驗還發現牡蠣粉處理的粉葛產量和生物量高于石灰處理，主要原因是牡蠣粉除了含有豐富的鈣元素外，還含有甲殼素及多種中微量元素，如鎂、鈉、鋇、鍶、銅、鋅、鐵等[16-17]，這些離子在土壤中可被直接交換下來，供粉葛吸收利用。

3.3 粉葛安全生產

本試驗中鮮食粉葛塊根其重金屬鎘含量（0.11~0.82 mg·kg-1）超過GB 2762—2017食品中鎘限量標準（≤0.10 mg·kg-1），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。而研究區葛粉中鎘含量（0.02~0.18 mg·kg-1）符合WM/T 2—2004 食品安全標準（≤0.30 mg·kg-1）要求，說明在該污染條件下收獲的葛粉安全。在制造葛粉過程中，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，產生的副產物為葛渣，所以塊根中更多的重金屬鎘保留在葛渣中。與對照相比，施用石灰塊根中鎘含量降低了34.09%，葛粉中鎘含量降低了15.38%，產量增加了38.20%，收益增加了107.15%；施用牡蠣粉塊根中鎘含量降低了63.64%，葛粉中鎘含量降低了69.23%，產量增加了38.20%，收益增加了173.08%。與石灰比，牡蠣粉成本增加一倍，但是粉葛經濟收益明顯高于石灰，在鎘污染地區，施用牡蠣粉可以有效降低粉葛中鎘含量和增加其經濟收益，同時還可以有效移除土壤中重金屬鎘。與超富集植物相比，雖然粉葛對鎘富集能力無法達到超富集植物的水平，但對重金屬鎘的年移除量達5.39~8.28 g·hm-2，表現出良好的修復鎘污染土壤的潛力。針對粉葛植株含有大量重金屬鎘可能帶來的二次污染，特別是葛渣的處理，可采用以下方式處理，例如送至專門化機構進行植物冶煉；秸稈回收利用制造紙板等產品；經過生物降解的葛渣肥料還田等[10]。

施鈣對粉葛中鎘吸收與富集特征還受到土壤污染程度、施用量、鈣素種類、粉葛品種等影響，今后結合室內外試驗探討鈣在減輕粉葛重金屬鎘毒性方面的作用，鈣對粉葛品質的提升效果，以及粉葛體內的鈣鎘交互作用機制，并通過生理學、分子遺傳學和基因學來進一步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、生物移除等挖掘粉葛為潛在的鎘富集植物，且通過地上藤蔓不回田、土壤鈍化提高土壤pH、土壤鎘污染適宜范圍內種植粉葛來發展粉葛種植，為粉葛安全利用和減輕農田土壤重金屬鎘污染提供參考依據。

4 結論

（1）施用石灰和牡蠣粉有效促進了粉葛的生長，顯著增加了粉葛生物量和產量。

（2）施用石灰和牡蠣粉提高了土壤pH，降低了土壤鎘的有效性，從而減少了鎘在粉葛體內富集，其中牡蠣粉對粉葛降鎘效果優于石灰。

（3）在中輕度鎘污染條件下，施用牡蠣粉可以實現粉葛安全生產和經濟效益雙贏。