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(nóng)業(yè)大學(xué) 國(guó)土資源與環(huán)境學(xué)院，南昌 330045; 2.江西省紅壤研究所 國(guó)家紅壤改良工程技術(shù)研究中心，南昌 331717; 3.江西省新余市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江西 新余 338000;4.廈門(mén)瑪塔生態(tài)股份有限公司，福建 廈門(mén) 361000）

隨著工業(yè)化、城市化和集約化農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，大量工業(yè)“三廢”、化肥及農(nóng)藥等進(jìn)入土壤環(huán)境，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)土壤重金屬鎘問(wèn)題日益突出[1]，農(nóng)田鎘污染不僅造成農(nóng)作物產(chǎn)量、品質(zhì)下降，并通過(guò)食物鏈嚴(yán)重威脅人體健康，還影響農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2-3]。植物修復(fù)主要是利用對(duì)重金屬具有特殊耐性和較強(qiáng)富集能力的植物來(lái)修復(fù)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(duì)重金屬鎘的積累量可達(dá)541.36 mg·kg-1，Yu 等[6]發(fā)現(xiàn)青葙(Celosia argentea)是鎘錳復(fù)合污染土壤的植物。粉葛(Pueraria thomsoniiBenth)屬豆科兩年生落葉草質(zhì)藤本植物[7]，具粗大肥碩塊根，富含淀粉和人體所必需營(yíng)養(yǎng)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(jié)果表明，礦區(qū)周邊粉葛的生長(zhǎng)不受重金屬鎘的影響，且塊根產(chǎn)量能達(dá)到正常水平；陸金等[11]發(fā)現(xiàn)，粉葛塊根對(duì)重金屬鎘的富集系數(shù)為4.37，說(shuō)明粉葛對(duì)重金屬鎘具有很強(qiáng)的富集能力。粉葛對(duì)Cd 移除量每年可達(dá)40 g·hm-2[12]。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于粉葛重金屬成分的研究較少[13]，江西省粉葛資源相當(dāng)豐富，但缺乏其相應(yīng)的粉葛重金屬鎘含量的研究，粉葛對(duì)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(huì)影響作物對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收、重金屬富集等[14-15]。黨華美等[16]研究發(fā)現(xiàn)，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(huì)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(nóng)田粉葛種植基地的粉葛為對(duì)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(yù)防農(nóng)田土壤重金屬鎘污染、保護(hù)土壤環(huán)境和保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況試驗(yàn)地位于江西省新余市渝水區(qū)珠珊鎮(zhèn)埠下村附近(27°46′37″ N，114°58′25″E)，屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，四季分明，光熱充足，雨量充沛，氣候溫和，無(wú)霜期長(zhǎng)，年均氣溫17.7 ℃，年均降雨量1 595 mm。試驗(yàn)土壤為紅壤性水稻土，試驗(yàn)前土壤檢測(cè)結(jié)果表明：0～20 cm 土層土壤有機(jī)質(zhì)含量20.25 g·kg-1，pH 4.67，陽(yáng)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(tài)鎘含量0.64 mg·kg-1，試驗(yàn)區(qū)屬中度鎘污染地區(qū)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)供試粉葛品種為江西省德興市宋氏葛業(yè)有限公司所選育的‘贛葛1 號(hào)'。試驗(yàn)小區(qū)面積約666.67 m2，采用傳統(tǒng)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(jī)肥(枯餅)5 400 kg·hm-2和45%硫酸鉀復(fù)合肥2 400 kg·hm-2，2020 年增施45%硫酸鉀復(fù)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(yàn)以一年生(生長(zhǎng)期2019 年4—12 月)粉葛為對(duì)照，兩年生(生長(zhǎng)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(diǎn)采樣，采集長(zhǎng)勢(shì)相對(duì)一致的5 株粉葛混合一個(gè)樣，重復(fù)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(cè)枝(由主藤上生長(zhǎng)的藤蔓)和葉片等5 個(gè)部位，采集植株樣品的同時(shí)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(jīng)曬干或烘干所得的淀粉為葛粉，而生產(chǎn)葛粉過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物為葛渣。將取回來(lái)的粉葛植株進(jìn)行烘干并通過(guò)用HNO3-H2O2消解-電感耦合等離子體光譜儀測(cè)定粉葛各部位中重金屬鎘含量，土壤總鎘和土壤有效態(tài)鎘含量采用電感耦合等離子體光譜儀測(cè)定。土壤常規(guī)理化性質(zhì)參照魯如坤[19]的方法測(cè)定，土壤pH 測(cè)定采用電位法；有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法；陽(yáng)離子交換量測(cè)定采用1 mol·L-1乙酸銨交換法。

1.4 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析通過(guò)R 語(yǔ)言(www.r-project.org，R 4.0.4)完成，方差分析采用R 語(yǔ)言程序包vegan完成，并通過(guò)Tukey HSD檢驗(yàn)法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(P＜0.05)，相關(guān)性分析(Pearson 相關(guān)系數(shù))采用R 語(yǔ)言程序包psych完成，所有制圖通過(guò)R 語(yǔ)言軟件完成。計(jì)算植株對(duì)土壤鎘的富集系數(shù)和塊根的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)[20-21]，其公式分別為：富集系數(shù)=粉葛各部分鎘溶度/土壤中鎘溶度；轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)=粉葛各部分中鎘溶度/粉葛塊根中鎘溶度。分配系數(shù)為葛粉或葛渣的鎘溶度/塊根的鎘溶度。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)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(tài)鎘含量和陽(yáng)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(jī)質(zhì)顯著低于一年生(F=5.83，P=0.03)，土壤有機(jī)質(zhì)降低了19.11%。

表1 不同種植年限粉葛土壤理化性質(zhì)及重金屬鎘含量

圖1 種植年限對(duì)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(duì)粉葛不同部位中鎘含量的影響見(jiàn)圖1。除葉片外，不同種植年限間塊根、葛粉、葛渣、葛頭、主藤、側(cè)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(cè)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(lái)看，一年生粉葛塊根、葛粉、葛渣、葛頭、主藤、側(cè)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(cè)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?？傮w上，一年生和兩年生粉葛不同部位鎘含量大小順序?yàn)閭?cè)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(guò)《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：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(biāo)準(zhǔn)(Cd≤0.10 mg·kg-1)，葛粉中鎘含量0.16 mg·kg-1，未超過(guò)《藥用植物及制劑外經(jīng)貿(mào)綠色行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》(WM/T2—2004)[23]中的限量標(biāo)準(zhǔn)(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(guò)(GB 2762—2017)中蔬菜及其制品中塊根和塊莖蔬菜限量標(biāo)準(zhǔn)，葛粉中鎘含量0.36 mg·kg-1，也超過(guò)(WM/T2—2004)中的限量標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 粉葛富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)及分配系數(shù)由表2 可見(jiàn)，除葉片外，兩年生粉葛塊根、葛頭、主藤和側(cè)枝/土壤均顯著高于一年生(P＜0.05)。粉葛各部位富集系數(shù)均＞1(1.00～15.29)，說(shuō)明粉葛對(duì)土壤中鎘的吸收能力較強(qiáng)。鎘在粉葛不同部位中的富集系數(shù)由大到小順序?yàn)閭?cè)枝＞主藤＞葛頭＞葉片＞塊根。由表2 可見(jiàn)，葛頭對(duì)塊根的轉(zhuǎn)運(yùn)能力隨種植年限增強(qiáng)，且兩年生葛頭/塊根的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)顯著高于一年生的；而葉片對(duì)塊根的轉(zhuǎn)運(yùn)能力在第一年最強(qiáng)，且一年生葉片/塊根的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)顯著高于兩年生的；不同種植年限間主藤和側(cè)枝對(duì)塊根的轉(zhuǎn)運(yùn)能力差異較小。由表2 可知，對(duì)葛根的分配系數(shù)大小為葛渣＞葛粉，不同種植年限間葛粉、葛渣/塊根分配系數(shù)差異較小。

表2 不同種植年限粉葛各部位富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和分配系數(shù)

2.4 相關(guān)性分析對(duì)土壤pH、有機(jī)質(zhì)、有效態(tài)鎘、總鎘及粉葛不同部位中鎘含量等11 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果(表3)表明，土壤陽(yáng)離子交換量與一年生粉葛主藤和側(cè)枝中鎘含量均呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)；土壤總鎘和有效態(tài)鎘含量與一年生粉葛不同部位中鎘含量均呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)。土壤pH 與一年生粉葛葛頭中鎘含量均呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)；土壤總鎘和有效態(tài)鎘含量與兩年生粉葛不同部位中鎘含量均呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)。

表3 土壤理化性質(zhì)及Cd 含量與粉葛不同部位中Cd 含量的相關(guān)性分析

3 討 論

3.1種植年限對(duì)土壤理化性質(zhì)和鎘含量影響本試驗(yàn)結(jié)果表明，隨種植年限增加，粉葛種植地土壤總鎘、有效態(tài)鎘含量及pH 有所增加，陽(yáng)離子交換量降低，其中土壤有機(jī)質(zhì)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(jī)碳含量逐年降低的結(jié)果相似，兩茬蔬菜種植過(guò)程中土壤有機(jī)質(zhì)得不到有效補(bǔ)充是造成了菜地土壤有機(jī)質(zhì)含量下降的主要因素[24-25]。研究表明隨著種植年限的增長(zhǎng)土壤中重金屬鎘也會(huì)隨之呈增長(zhǎng)趨勢(shì)[16,26]，與本研究發(fā)現(xiàn)兩年生粉葛土壤總鎘、有效態(tài)鎘含量增加結(jié)果相一致。郭軍康等[27]研究發(fā)現(xiàn)隨著年限的增加，設(shè)施菜地土壤中重金屬鎘呈現(xiàn)顯著的累積趨勢(shì)，污染程度由無(wú)污染到中度污染。

試驗(yàn)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(guò)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(yàn)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(xiàn)為側(cè)枝＞主藤＞葛頭＞葉片＞葛渣＞塊根＞葛粉。植物體內(nèi)的重金屬鎘及其對(duì)鎘的富集系數(shù)可作為植物對(duì)鎘污染土壤修復(fù)的重要指標(biāo)[29]。黨華美等[16]研究發(fā)現(xiàn)，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(fù)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(yùn)輸金屬的能力[30]，陸金等[11]研究發(fā)現(xiàn)，粉葛塊根對(duì)重金屬鎘的富集系數(shù)為4.37，本試驗(yàn)區(qū)種植的粉葛對(duì)土壤富集系數(shù)均大于1，說(shuō)明粉葛對(duì)土壤鎘的富集能力較強(qiáng)。本試驗(yàn)中粉葛側(cè)枝和主藤鎘含量最高，研究表明強(qiáng)大的木質(zhì)部裝載能力提高了重金屬鎘從根到地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)效率[30]?；蛐筒町愐彩窃斐煞鄹鸩煌课恢亟饘冁k含量差異顯著的因素之一[31]。相關(guān)性表明土壤總鎘和有效態(tài)鎘含量與粉葛不同部位中鎘含量均呈顯著正相關(guān)，土壤pH 與第二年葛頭呈顯著負(fù)相關(guān)。劉沖等[21]研究也發(fā)現(xiàn)土壤pH 與農(nóng)作物中的鎘含量呈顯著負(fù)相關(guān)。土壤pH 的降低會(huì)使土壤有效態(tài)鎘含量增加，進(jìn)而促進(jìn)苧麻對(duì)重金屬鎘的吸收儲(chǔ)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(duì)越高，兩者呈顯著正相關(guān)。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(zhuǎn)運(yùn)到其他部位，其次兩年生粉葛塊根和葛頭生長(zhǎng)期較長(zhǎng)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(fā)現(xiàn)粉葛在2 年試驗(yàn)過(guò)程中能正常生長(zhǎng)，未出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的鎘中毒現(xiàn)象，且生物量、產(chǎn)量能達(dá)到正常水平，說(shuō)明粉葛對(duì)重金屬鎘有較強(qiáng)的耐受能力和鎘適應(yīng)能力。本試驗(yàn)中鮮食粉葛塊根其重金屬鎘含量超過(guò)食品中鎘限量標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明鮮食塊根有一定重金屬富集，長(zhǎng)期食用鎘污染地區(qū)粉葛塊根存在潛在安全風(fēng)險(xiǎn)，建議降低該地區(qū)鮮食葛根在當(dāng)?shù)鼐用袷称窋z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(biāo)準(zhǔn)要求，說(shuō)明在該污染條件下當(dāng)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(lái)修復(fù)鎘污染農(nóng)田，既可以有效移除土壤中重金屬鎘，又能帶來(lái)經(jīng)濟(jì)收益。葛渣對(duì)葛根的分配系數(shù)遠(yuǎn)大于葛粉，在制造葛粉過(guò)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(duì)農(nóng)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(jié)合室內(nèi)室外試驗(yàn)進(jìn)一步探討影響粉葛對(duì)重金屬鎘的富集，并通過(guò)分子及生理方式來(lái)揭示粉葛對(duì)重金屬鎘富集的機(jī)制研究。綜合其經(jīng)濟(jì)價(jià)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(guò)地上藤蔓不能回田、土壤調(diào)酸提高土壤pH、土壤鎘多少水平之內(nèi)適于種植粉葛來(lái)發(fā)展粉葛種植，為減輕和預(yù)防農(nóng)田土壤重金屬鎘污染提供參考依據(jù)。

4 結(jié) 論

本研究表明粉葛對(duì)土壤鎘具有較強(qiáng)的富集能力，粉葛不同部位鎘含量及富集系數(shù)以側(cè)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(yīng)，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(jīng)濟(jì)作物，達(dá)到安全利用的效果；對(duì)于兩年生及多年生粉葛僅作為修復(fù)作物，對(duì)土壤中重金屬鎘生物移除，以實(shí)現(xiàn)修復(fù)的目的。因此，在中度鎘污染區(qū)種植一年生粉葛制作葛粉可以達(dá)到生態(tài)和經(jīng)濟(jì)雙贏，并促進(jìn)當(dāng)?shù)卣头N植戶對(duì)土壤修復(fù)的積極性。