不同类型土壤镉含量对香芋镉吸收的影响

谢运河，纪雄辉*，田发祥，柳赛花，张子叶，易红伟

1.湖南省农业环境生态研究所/农业部长江中游平原农业环境重点实验室/农田土壤重金属污染防控与修复湖南省重点实验室，湖南 长沙 410125；2.湖南双红农科生态工程有限公司，湖南 长沙 410006

农产品是人类赖以生存和发展的物质基础，农产品数量安全和质量安全是农业生产的两大核心任务。随着科技的发展和农业生产的进步，我国农产品数量安全已得到了有效保障，但质量安全问题日益凸显，对人们的身心健康产生着极大的威胁（尤雷，2018）。我国农田主要超标重金属元素为镉（Cd），2014年环境保护部和国土资源部联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国耕地污染点位超标率 19.4%，且主要为Cd污染。造成农产品Cd超标的主要原因有：一是受人类活动和自然因素的影响，Cd的排放总量增加，造成农田土壤Cd总量增加（Dudka et al.，1999）；二是土壤酸化，增加了Cd的活性，增强了土壤Cd向作物中的转移（廖柏寒等，2009）；三是作物的累积性能及耕作制度也直接影响作物对Cd的积累（吴家梅等，2019）。关于水稻、玉米、大宗蔬菜等主要农作物 Cd吸收积累规律及调控机制皆已有大量研究（周静等，2018；杨阳等，2017），但关于香芋（Colocasia esculenta）Cd累积的研究鲜见报道。

香芋被称为“蔬菜之王”，营养价值丰富，色香味俱全（侯运和，2011），是一种药膳兼用型蔬菜，并随人们生活水的提高和膳食结构的改变，香芋的需求量与日俱增、种植面积逐年加大，香芋种植已逐渐成为湖南临武、江永等地区的农业支柱产业（文强书等，2018；曹真，2017）。香芋主要采用高垄种芋、深沟淹水的方式进行，种植方式介于水田和旱作之间，是一种比较特殊的水旱交替种植模式（李祖彪，2007）。因此，明确该种植模式下土壤理化性状、Cd含量对香芋Cd吸收的影响，对指导香芋的安全生产、促推香芋产业的健康发展皆具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验方法

本研究在湖南省临武县进行，根据该县香芋种植的两类土壤母质特征和前期调研结果（世界银行贷款湖南省污染农田综合管理项目（发改外资[2011]1915号），分别选择位于南强镇文溪村（25°13′33.13″N，112°36′4.25″E）和武水镇城头村（25°19′10.06″N，112°35′13.34″E）的两种主要香芋种植土壤类型：南强镇文溪村香芋种植基地（WX）为紫色页岩发育的碱性水稻土，武水镇城头村基地香芋种植基地（CT）为第四纪红壤发育的酸性水稻土，两个基地皆存在不同程度的Cd污染。两个基地地势平坦，整体呈狭长型分布，土壤肥力中等偏上，香芋连片种植面积超过 20 hm2，皆采用水稻-香芋轮作模式，种植时间超过5年。根据流域灌溉水走向，两个香芋种植基地皆从上游至下游分别设置6个取样点位，相邻取样点间直线距离约1 km，每个取样点选择相邻的3个田块，作为每个取样点位的3次重复，每个田块按照五点取样法对土壤和香芋进行“一对一”取样。

两个试验基地的香芋品种皆为“舜溪”香芋，是临武县当前种植面积最大的香芋品种。

1.2 测定指标与数据分析方法

样品处理：每个田块按照五点取样法，每个点取香芋样2蔸，香芋和秸秆清洗干净后分别切成小颗粒（粒径＜1 cm），采用四分法留样1/4，再五点混合后烘干粉碎过100目筛（粒径＜0.149 mm）后备用；土壤样品每个点取0—20 cm耕层土壤250 g左右，五点混合风干后，分别制备 100目（粒径＜0.149 mm）和20目（粒径＜0.85 mm）样品备用。香芋和秸秆样品测定Cd全量；20目土壤样品用于测定有机质含量（SOM）、阳离子交换量（CEC）、pH及DTPA-Cd含量；100目土壤样品用于测定土壤Cd全量。

指标测定：香芋及秸秆Cd含量采用GB5009.15方法测定，土壤DTPA-Cd含量采用GB/T 23739—2009方法测定；土壤Cd全量采用GB/T 17141方法测定。其他土壤理化性质按《土壤农业化学分析方法》（鲁如坤，2000）进行测定。

数据处理：以每个取样点相邻的3个田块为重复，采用Microsoft excel 2003进行数据的整理，采用 SPSS 17.0进行数据的方差分析（LSD方法，α=0.05）、相关分析（Bivariate过程进行，*：在P＜0.05水平上相关显著；**：在P＜0.01水平上相关显著）和线性回归分析。

2 结果与分析

2.1 区域土壤Cd污染情况及主要理化性质特征

测定土壤主要理化性质及Cd含量情况可知（表1），两个基地皆存在不同程度的Cd污染，WX点平均土壤全Cd含量比CT点高29.0%（P＜0.05），但WX点平均DTPA-Cd含量和Cd有效性则分别比CT 点低 53.6%（P＜0.05）和 64.0%（P＜0.05）。WX点平均土壤 pH比 CT点高2.33个 pH单位（P＜0.05），且同一地点不同田块间土壤pH皆差异显著，WX点土壤最高与最低pH相差1.02个pH单位（P＜0.05），而CT点则相差0.08个pH单位（P＜0.05）；而WX点平均SOM比CT点低20.3%（P＜0.05），但同一地点不同田块间土壤有机质含量差异皆不显著；WX点平均阳离子交换量是CT点的 2.2倍（P＜0.05），且同一地点不同田块间土壤CEC差异也皆不明显。可见，两试验点田块间土壤Cd含量、pH的变异性较大，而土壤有机质和阳离子交换量则变异较小。根据DTPA-Cd/全Cd计算土壤Cd的有效性结果表明，WX土壤Cd的有效性整体低于CT点，且同一地点不同田块间差异不明显。

2.2 香芋Cd含量特征及其转移系数

香芋及其秸秆Cd含量如表2所示，CT点的香芋及其秸秆Cd含量皆高于WX点，每个地点不同田块间香芋和秸秆 Cd含量差异显著。CT点香芋Cd含量比WX点高66.7%（P＜0.05），且皆超过《食品安全国家标准GB2762—2017》；CT点香芋秸秆平均Cd含量是WX点的3.6倍（P＜0.05）。

表1 土壤Cd质量分数及主要理化性质Table 1 Mass fraction of soil Cd and main physical and chemical properties of soil

表2 香芋Cd含量（CX）及Cd的转移系数（TFX/Y）Table 2 The Cd contents (CX) and Cd transfer coefficients (TFX/Y) of taro

CT点Cd的秸秆/香芋转移系数（TFstem/taro）、香芋/土壤转移系数（TFtaro/soil）皆低于WX点，且CT点Cd的TFstem/taro、TFtaro/soil田块间皆存在显著差异，而 WX点则差异皆不明显；CT点 Cd的TFstem/taro、TFtaro/soil分别是 WX 点的 1.9倍（P＜0.05）和 1.9倍（P＜0.05）。可见，两个地点间香芋 Cd含量及其转运系数差异较大，且 WX点 Cd的TFstem/taro、TFtaro/soil不受田块的影响，但CT点不同田块间香芋Cd的TFstem/taro、TFtaro/soil差异显著。

2.3 香芋Cd含量与土壤Cd含量及主要理化性质的相关分析

分析香芋Cd含量与土壤Cd含量及土壤理化性质之间的相关性表明（表3），WX点香芋及秸秆Cd含量皆与土壤全Cd、TFtaro/soil呈显著或极显著正相关，且与土壤DTPA-Cd、pH、SOM及CEC皆相关不明显，表明WX点香芋及秸秆Cd含量主要受土壤全Cd、土壤至香芋的转移能力共同调控，而受土壤DTPA-Cd、pH、SOM及CEC的影响较小。建立 WX试验点的香芋 Cd含量（y：mg·kg-1）与土壤全Cd含量（x：mg·kg-1）的线性回归方程：

计算香芋达标生产（香芋Cd含量＜0.1 mg·kg-1）时，WX点土壤全Cd含量阈值为0.65 mg·kg-1，即在当前生产情况下，在中碱性土壤的WX点选择土壤全Cd含量低于0.65 mg·kg-1的土壤，可实现香芋的Cd安全生产。

CT点香芋及秸秆 Cd含量皆与土壤全 Cd、TFtaro/soil及DTPA-Cd皆呈极显著正相关，与土壤pH皆呈显著负相关，且与土壤SOM及CEC相关不明显，表明CT点香芋及秸秆Cd含量既受土壤全Cd、土壤至香芋的转移能力的正调节，也受土壤pH的负调节，但与土壤 SOM、CEC无显著关联。分别建立 CT点香芋 Cd含量（y：mg·kg-1）与土壤全Cd含量（x1：mg·kg-1）、土壤 pH（x2）、土壤DTPA-Cd含量（x3：mg·kg-1）的线性回归方程：

分别计算香芋达标生产（香芋 Cd含量＜0.1 mg·kg-1）时CT点的土壤全Cd含量、土壤pH、土壤DTPA-Cd含量阈值，CT点的土壤全Cd含量阈值为0.41 mg·kg-1、土壤pH为6.26、土壤DTPA-Cd含量为 0.19 mg·kg-1，即在当前生产情况下，在酸性土壤的CT点，应选择土壤全Cd含量低于0.41 mg·kg-1的土壤，或提升土壤pH至6.26以上，或通过钝化土壤镉活性使土壤DTPA-Cd含量降至0.19 mg·kg-1以下，可实现香芋的Cd安全生产。

香芋Cd转移系数与土壤Cd含量及土壤理化性质之间的相关性表明（表3），WX点香芋TFstem/taro、TFtaro/soil皆与土壤全 Cd、DTPA-Cd、pH、有机质及阳离子交换量皆相关不明显；CT点香芋TFstem/taro、TFtaro/soil则皆与土壤全Cd、DTPA-Cd呈显著正相关，与土壤pH呈显著负相关，与土壤有机质及阳离子交换量相关不明显。可见，在WX点，Cd由土壤转移至香芋，再至秸秆的转移能力受土壤因子（土壤全Cd、DTPA-Cd、pH、有机质、阳离子交换量）的影响不明显；但在CT点，Cd的转移能力既受土壤全Cd和有效Cd的正调控，还受土壤pH的负调控。

表3 香芋Cd含量与土壤Cd含量及主要理化性质的相关系数Table 3 The correlation coefficients between the Cd content of taro and the Cd content of soil and soil’s chemical properties

3 讨论

水旱交替管理是实现香芋高产的重要栽培方式，香芋在该栽培模式下具有成活率高、生长快、苗健整齐，以及管护方便省工、病虫害少、产量高、商品性好等优点（李祖彪，2007）。但采用水旱交替管理的香芋高产种植模式，必定会增加土壤有效态Cd含量和Cd的生物有效性（纪雄辉等，2007；刘昭兵等，2010），而土壤镉的生物有效性直接决定了植物对 Cd的吸收积累（孙丽娟等，2018）。本试验中两个试验点的香芋Cd含量皆超过了食品安全国家标准（0.1 mg·kg-1），相关分析结果表明，两个试验点的香芋Cd含量皆与土壤全Cd、TFtaro/soil皆呈极显著正相关，表明香芋Cd转运能力、土壤全Cd含量是香芋Cd超标的两大主要影响因子。因此，选择Cd含量低的土壤种植Cd积累能力低的香芋品种是实现香芋安全生产的重要途径。

本研究结果表明，在中碱性土壤的WX点和酸性土壤的CT点，分别选择全Cd含量分别低于0.65和0.41 mg·kg-1的土壤种植香芋，是实现香芋的Cd安全生产的重要前提。但由于土壤Cd活性不仅受土壤全Cd含量的影响，还受土壤pH等环境因子的调控。Zhu et al.（2016）研究表明土壤Cd活性与土壤pH值呈极显著负相关，且土壤pH＞7时土壤Cd的生物有效性急剧下降。本研究中，中碱性土壤的WX点，香芋Cd含量主要受土壤全Cd、TFtaro/soil共同影响，而与pH等其他土壤因子相关性不明显；但在酸性土壤的CT点，香芋Cd含量，既受土壤全Cd、TFtaro/soil、DTPA-Cd的正调节，还受土壤pH的负调节。表明在中碱性土壤的WX点，应在Cd含量低的土壤上种植Cd积累能力低的香芋品种；而在酸性土壤的CT点，还可通过调理土壤pH至6.26以上、钝化土壤有效态Cd（DTPA-Cd）含量至0.19 mg·kg-1以下的方式，实现香芋的安全生产。

植物对Cd的积累不仅与土壤Cd的生物有效性相关，还受植物自身转运Cd能力的影响（于辉等，2018）。不同作物类型、不同品种对 Cd的吸收转运性能差异显著（杜彩艳等，2019；李江遐等，2017），因此，筛选并种植 Cd积累能力低的品种是实现香芋安全生产的重要手段。此外，作物对Cd的吸收转运能力还受土壤 pH等环境因子的调控（Wen et al.，2019），本研究中，酸性土壤CT点的土壤Cd有效性及香芋对Cd的转运系数（TFstem/taro、TFtaro/soil）皆高于中碱性土壤的WX点，与WX点相比，CT点土壤Cd的有效性平均提高了1.8倍，且TFstem/taro、TFtaro/soil也分别提高了0.94倍和0.99倍，表明酸性土壤不仅提升了土壤Cd的有效性，同时还提升了土壤-植株系统Cd的迁移转运能力，提升了香芋对Cd的吸收积累。

综上，为实现香芋的Cd安全生产，不同土壤pH条件下应选择不同的生产策略：中碱性土壤，应优先选择Cd含量较低的土壤种植Cd积累能力较低的香芋品种，而酸性土壤还可结合施用石灰等调理土壤酸性、土壤调理剂钝化土壤Cd活性的方式，降低香芋对Cd的吸收转运和积累，实现香芋安全生产。

4 结论

（1）紫色页岩发育的中碱性水稻土壤Cd活性、Cd在土壤-香芋系统中的转移系数（TFstem/taro、TFtaro/soil）皆低于第四纪红壤发育的酸性水稻土壤。

（2）香芋Cd含量主要受土壤全Cd和Cd在土壤-香芋系统中的转移能力的正调控；但在第四纪红壤发育的酸性水稻土壤中，香芋 Cd含量还受DTPA-Cd的正调控，还受土壤pH的负调控。

（3）在中碱性土壤中，香芋的安全生产应优先选择Cd吸收能力较低的香芋品种，或选择土壤全Cd低于0.65 mg·kg-1的土壤进行种植；而在酸性土壤中，则可优先选择Cd吸收能力较低的香芋品种，或选择土壤全Cd含量低于0.41 mg·kg-1的土壤，或通过施用石灰等调理土壤pH至6.26以上，以及采用土壤钝化技术使土壤DTPA-Cd降至0.19 mg·kg-1以下，最好是因地制宜的选择以上技术并进行优化组合，抑制土壤Cd向作物系统的迁移。