甘薯与马铃薯在土壤镉污染治理中的应用研究进展

张超凡，张道微，黄艳岚，周 虹，张 亚

（湖南省作物研究所，湖南 长沙 410125）

1 土壤镉污染现状

重金属污染是目前全球面临的重大环境问题，而且形势严峻，据我国农业部农业环境监测结果，污灌区以镉污染面积最大，达3.85 万hm2，占重金属超标面积的59.6%。由于镉金属对土壤的污染是不可逆过程，镉金属能通过食物链在人体富集，危害健康，镉污染的治理已成为人类亟待解决的问题。

我国土壤中镉金属基础含量并不高[1]。土壤镉金属污染主要来源于人类工农业生产活动，主要分几个方面：工业废气中镉沉降，大气中重金属可直接沉降到土壤中或被土壤吸附，也可以被植物吸收并向土壤中传输[2]；污水灌溉，含重金属镉的废水未经处理就直接排入河流，取水灌溉后造成土壤的污染；农田施用磷肥、污泥、农药和杀虫剂的长期累积污染，如品质较差的过磷酸钙和磷矿粉中含有较高的重金属镉；固体废弃物携带进入土壤，这些废弃物在堆放过程中重金属会扩散到附近的土壤中，有些废弃物甚至被直接加工作为肥料进入土壤；植物对镉的富集，个别植物表现出对镉的吸收和富集的偏好性，土壤中镉的基础含量并未超标，而种植的作物却能富集镉而超标。

2 甘薯与马铃薯对土壤中镉的吸收能力

目前已经发现许多基因参与植物对镉的吸收、运输和积累，影响植物对土壤镉吸收的主要因素在于植物与土壤环境的关系[3]。不同作物对镉的吸收存在偏好性差异，绝大多数作物对镉的吸收随土壤中镉浓度的升高而增加[4]。

马铃薯对镉的吸收表现出较强的偏好性。用城市固态废物堆肥土壤种植马铃薯，检测出马铃薯中重金属的积累[5]，且马铃薯比小麦和大麦的富集重金属能力更强[6]。马铃薯块茎中重金属镉的积累高达0.04～0.20 mg/kg[7]，植株体内积累规律为茎>叶>果实>根[8]。而按照标准，马铃薯除果实外，根、茎、叶中镉含量几乎全部超出国家食品安全限值，存在较高的生态风险[9]。

甘薯属于低镉吸收作物。甘薯的地上部茎叶和地下部块根以及同部位不同品种间的镉含量差异明显。在轻度镉污染条件下，甘薯茎叶鲜样镉含量为0.032 9～0.057 4 mg/kg，块根鲜样镉含量为0.002 2～0.011 0 mg/kg，茎叶含量明显超过块根，但是按照国家食品中污染物限量标准GB-2762-2005，甘薯茎叶和块根镉含量均未超标。当然，有一些甘薯品种茎叶的镉含量接近或者超过这以标准，而块根镉含量远低于茎叶，属于无公害蔬菜质量标准的范围内。甘薯块根中的镉累积是块根吸收和茎叶转运共同作用的结果，而哪种作用对块根中镉累积的贡献最大，有待进一步研究证明。甘薯对镉的吸收累积在不同品种间差异主要受遗传控制，与其基因型密切相关[10]。同时，镉胁迫造成了甘薯叶片光合作用的减弱，加速了甘薯叶的衰老，甘薯植株保护酶活性的上升减少了细胞凋亡，维护了细胞的正常新陈代谢[11]。

3 影响甘薯与马铃薯镉吸收的主要因素

3.1 土壤pH 值

一般来说，在中性和碱性条件下，随着pH 值的升高，土壤中生成镉的硫化物、氢氧化物、碳酸盐和磷酸盐的沉淀逐渐增多[12]。同时，很多作物对镉的吸收能力都受土壤pH 值的影响，在适于作物生长的范围内，土壤微环境pH 值和马铃薯根、茎中镉的积累量呈显著负相关，土壤微环境有机质的含量与马铃薯叶中镉的积累呈极显著正相关，马铃薯根中镉含量与茎中镉含量呈显著正相关，这说明土壤微环境pH 值是影响马铃薯镉吸收的重要因素[13]。

石灰和羟基磷灰石对镉污染治理的主要依据是提高了土壤微环境pH 值，从而降低土壤中有效态镉含量，抑制作物对镉的吸收和积累。此外，羟基磷灰石中的钙离子能够阻碍马铃薯对土壤中镉的吸收，但是这一效应作用存在很大的局限性，过量的施用羟基磷灰石可能会抑制马铃薯的正常生长[14]。目前用石灰结合土壤调理剂处理镉污染土壤，再种植不易富集镉的甘薯品种，达到了改良土壤的作用，又保证了土壤的利用和农业生产，取得良好的效果。

3.2 土壤Eh 值

Eh 值是溶液氧化性或还原性强弱的衡量指标，Eh 值愈大，氧化性愈强，Eh 值愈小，还原性愈强。Eh>0 视为氧化条件，Eh<0 视为还原条件。土壤中有许多氧化还原体系，氧化条件下（Eh 值高时）比还原条件下（Eh 值低时）更容易促进作物对镉的吸收。钙镁磷肥因为影响到土壤中的Eh 值，已成为重要的重金属污染土壤改良剂。在碱性土壤上施用钙镁磷肥时，能达到改良土壤环境、增产和缓解镉毒害的作用[15]。在重金属胁迫下,施用钙镁磷肥能够降低重金属对小白菜的毒害作用，土壤中的重金属基本不影响小白菜的正常生长，显著抑制了重金属Cd和Pb 等元素向小白菜地上叶片部分的迁移[16]；适量的钙镁磷肥能促进甘薯的增产，促进甘薯生物产量积累的显著增加，提高甘薯薯块的干率以及淀粉含量[17]；施用钙镁磷肥增强了马铃薯对镉的抗性，使马铃薯表现出更强的重金属污染耐受性，同时也提高了马铃薯单株产量和生物量积累[18]，可见施用适量钙镁磷肥是镉污染土壤改良有效可行的重要方法。

3.3 土壤阳离子交换量

土壤阳离子交换量（CEC）反映了土壤胶体的负电荷量，CEC 越高，负电荷量越高，通过静电吸引而吸附的镉离子也越多。氮磷钾肥由于其自身能够给土壤提供一定的离子环境，影响土壤中镉的存在状态，进而改变作物对镉的吸收能力；土壤中有机质通过改变阳离子交换量来影响土壤的吸附能力；腐殖质中的含氧功能团也是制约土壤阳离子交换量的重要因素[19]。有研究表明，施用氮肥能改变植物对重金属的吸收能力[20]，其种类、用量可明显影响植物对镉的吸收[21]，长期使用磷肥能促进马铃薯对镉的吸收和积累[22]，磷酸二氢钾、磷酸氢二铵和沸石均能提高土壤速效磷含量，而土壤速效磷含量与有效态与镉含量呈极显著负相关[23]。土壤镉污染区种植马铃薯，氮肥施用量需降低，磷肥施用量不变，钾肥施用量需适当增加[24]。各矿质元素在甘薯不同器官的积累量随植株生长而增加，但分配率不同，前期各元素集中于地上部，中后期逐渐转移至块根中[25]，这与甘薯植物体内不同部位镉含量分布规律一致[10]，说明矿质元素在甘薯体内的积累具有协同性。腐植酸对植物体的生长发育有明显的促进作用，并能提高植物的抗性能力。腐植酸钠能抑制作物对镉污染区土壤中镉的吸收，施用一定量的腐植酸钠能抑制小白菜对镉的吸收，减轻镉对植物的危害，降低小白菜可食部分镉含量[26]，这种规律在不同作物中有着类似性。在施肥适量的情况下，腐殖酸缓释肥能够延缓马铃薯无机肥的释放，减少养分的损失同时也改善了马铃薯的品质，是一种环保型的高效肥料[27]。有机肥也可改良重金属污染土壤，增加土壤肥力、增强植株抗性和抑制重金属吸收。羊粪由于含有较多有机酸类物质，可缓解土壤镉污染对作物的危害，增强土壤对镉的固定能力,降低重金属有效性，抑制作物对镉的吸收[28]。施用生物有机肥，能较好地协调地上部与地下部的生长，促进结薯，提高鲜薯产量、品质及商品率[29]。土壤缓释肥与有机肥配施能满足马铃薯对养分的需求,达到较好的增产效果,并在一定程度上减少了肥料成本投入与生产劳动成本投入[30]。

3.4 生物炭

生物炭不是一般的木炭，是一种碳含量极其丰富的木炭。它是在低氧环境下，通过高温裂解将木材、草、玉米秆或其他农作物废物碳化。这种由植物形成的，以固定碳元素为目的的木炭被科学家们称为“生物炭”。

生物炭既可作为高品质能源、土壤改良剂，也可作为还原剂、肥料缓释载体及二氧化碳封存剂等，已广泛应用于固碳减排、水源净化、重金属吸附和土壤改良等，可在一定程度上为气候变化、环境污染和土壤功能退化等全球关切的热点问题提供解决方案。添加生物炭后，土壤pH 值和阳离子交换量（CEC）随着培养时间的增加而逐渐增加，而土壤有机碳（SOC）含量则呈先增加至最大值而后缓慢降低的趋势，但仍高于对照；同时，生物炭的施入显著降低了土壤中弱酸可提取态镉和还原态镉含量，提高了可氧化态镉和残渣态镉含量，且随着培养时间的延长这种转化趋势更为明显[31]。而生物炭的施用能有效提高马铃薯干物质积累速率和生物产量[32]，施用炭基肥料能显著促进甘薯地上部发育，极大提高甘薯生物产量[33]。

3.5种植模式

镉被植物吸收后，与植物体内蛋白的结合更稳定，所以在植物体内，镉多与蛋白结合而存在，甘薯、马铃薯蛋白质含量都在2%左右，可见甘薯于马铃薯镉积累的容量不大。2009年在镉中毒污染区种植进行镉低吸收甘薯品种筛选，发现甘薯品种间不仅生物量差异大，对镉的吸收和积累能力也不同，虽然茎叶含量远大于块根，但均未超过国家食品中污染物限值标准GB2726-20085。因此，除土壤自身环境外，品种差异是影响甘薯镉积累的重要因素，种植低镉吸收薯类品种，将不影响污染土壤的使用。同时，筛选高吸收镉的甘薯、马铃薯品种，在镉含量高的土壤，通过种植高镉吸收品种来富集土壤中镉，从而达到降低和改良污染土壤，种植后的生物产出，可以作为生物能源材料使用，实现镉转移和镉提取的作用。

实行低镉吸收甘薯品种和玉米（高镉吸收）套作种植或者低镉吸收甘薯品种和高镉吸收马铃薯品种轮作种植能够对镉污染土壤治理和利用发挥最佳效用。按试验数据，根据污染程度和季节的不同，合理安排轮作和套作，可使污染土壤的甘薯茎叶含量降低50%～80%。利用非食用的作物吸收土壤中重金属镉，降低食用作物对镉的吸收，也能有效减少重金属通过食物链向人体的迁移和积累。同时，利用高镉吸收作物和低镉吸收作物间套作，既能保证农业生产，又能改善土壤镉污染环境，实现了污染区土壤进行充分利用，同时还能有效治理土壤镉污染。

4 甘薯与马铃薯在镉污染土壤治理中的应用前景

重金属污染治理是综合性极强的项目，也是人类在生产活动中遇到的重大难题，目前虽有一些实践性的治理方案，但是尚无具有明显成效的方案。生物修复尤其是农作物本身对镉污染土壤的修复和治理，是源自生态环境的最直接和最自然的方案，其供选择的方案非常多，却亟待人们去发掘与利用。

人们在镉污染治理实践中应该综合考虑多方面的影响因素。甘薯对镉和铅的吸收具有协同作用，单污染下甘薯对铅的富集大于镉，复合污染下甘薯对镉的富集大于铅[34]。类似的规律也存在于油菜[35]、花叶冷水花[36]、芥菜[37]等作物，说明镉污染不单纯是土壤中单一矿物质污染的结果，在设计治理方案时需综合考虑土壤微环境和作物本身的关系。不同土壤改良剂的利用也只是从某方面实施改良，多种改良剂的组合利用，如石灰+钙镁磷肥或者石灰+有机肥等组合就能起到多方位的调节作用。同时，在选择土壤改良剂时，也应该充分考虑到作物生长习性，如偏好酸性土壤的作物，选用有机肥或者生物炭比石灰等碱性调节剂更利于作物生长，而甘薯和马铃薯作为先锋作物，具有广泛的适应性，在这方面的要求不高，也是甘薯和马玲薯选作重金属污染土壤种植作物的重要原因之一。

筛选低镉积累或高镉吸收的薯类品种作镉污染土壤作物是必不可少的步骤，国家甘薯产业体系长沙综合试验站在甘薯低镉吸收品种筛选的试验过程中发现，镉污染土壤中，不同甘薯品种间不仅生物量差异大，而且对镉的吸收和积累能力也不同。按照国家食品中污染物限值标准≤0.01 mg/kg（GB2726-20085），尽管甘薯茎叶的镉积累大于块根，很多甘薯对镉的吸收和积累属于安全范围内，试验站筛选的湘薯09-8等品种为低镉吸收品种。农业部无公害标准NY5221- 2005 规定薯芋类蔬菜马铃薯镉含量低于0.05 mg/kg，很多马铃薯品种在镉污染区对镉的吸收和积累超出这一范围，为高镉吸收品种，但是很少超过0.1 mg/kg。同时作物的耕种模式同样影响到作物对镉的吸收，甘薯多数品种为低镉吸收品种，而马铃薯却能很好地富集镉，这两大重要旱粮作物可以在同一块耕地上进行轮作耕种，起到很好的互补作用，既能改善土壤环境，降低土壤镉含量，又能保证农业生产。

现代生物技术在农业上的应用，也为利用甘薯和马铃薯治理镉污染土壤提供了新思路。QTL（quantitative trait locus）指的是检测控制数量性状的基因在基因组中的位置。目前已经检测出许多低镉吸收甘薯品种和高镉吸收的马铃薯品种，构建甘薯分子连锁图谱，对杂交群体高镉处理下的形态特征数据进行分析，确定各性状QTL 的数目及其在染色体上的位置已经成为寻找调控作物镉吸收和运输主要基因[38]。赵雄伟等构建了了玉米籽粒与铅吸收有关性状的自交系群体，对玉米籽粒铅含量性状进行了QTL 定位分析[39]。林辉峰等水稻苗期耐镉胁迫的QTL 初步定位，检测到3个与耐镉有关的QTLs[40]。王益等利用q-PCR 的方法分析镉胁迫下基因的表达，克隆出豌豆参与镉胁迫响应和吸收相关的10 多个基因[41]，为深层次研究作物与镉吸收积累关系提供了全新的思路。

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