?桑树修复镉污染农田的效果及桑树各部位镉含量调查

蒋诗梦 李章宝 黄仁志 蒋勇兵 秦志雄 王明 曹慧

摘 要：为了探明不同污染程度农田种植桑树后，农田土壤和桑树内镉含量随栽植年限的延长而发生的变化，在长株潭地区选取3个地点进行长期取样调查。结果表明：在Cd含量为风险筛选值之上的农田种植桑树，栽植3 a，土壤pH值明显升高，土壤Cd含量明显降低，但仍处于风险筛选值之上;生长至10月下旬、11月上旬，桑树各部位Cd含量分布表现为叶>根>枝;多年生木本植物桑树，随着栽植年限的增加，各部位富集Cd的能力逐渐下降;结合前期试验结果进行推测，桑树在超过风险管控值的农田种植3 a后，可以实现安全利用。

关键词：桑树;镉污染农田;土壤镉含量;植株镉含量;安全利用

中图分类号：S888 文献标识码：A文章编号：1006-060X（2020）07-0054-04

Abstract： In order to find out the changes of cadmium content in soil and mulberry trees （Morus alba L.） with the extension of their planting years in farmlands at different pollution levels， three sites were selected for long-term sampling survey in Changsha-Zhuzhou-Xiangtan Area. The results showed that 3 years after mulberry trees being planted in the farmland with Cd concentration above the risk screening value， the soil pH value increased significantly and the soil Cd concentration decreased significantly， but it was still above the risk screening value; from the end of October to the first ten days of November， the distribution of Cd concentration in different parts of mulberry was leaf > root > branch; with the increase of planting years， mulberry， as a perennial woody plant， presented a declining ability of Cd accumulation in different parts; speculated from the preliminary test results， mulberry trees could be safely used in raising silkworm after 3 years of planting in the farmland which exceeds the risk control value.

Key words： mulberry （Morus alba L.）; cadmium contaminated farmland; soil cadmium content; plant cadmium content; safe utilization

根據2019年全国农田土壤污染治理暨长江经济带生态修复与产业扶贫技术交流会专家报告可知，我国污染耕地已有0.1亿hm2，农田土壤受重金属污染现象突出，约占重金属总污染面积的40%。土壤污染的现状推动了土壤修复行业与技术的发展。国内外有许多技术与经验可供借鉴与参考，包括物理、化学和植物修复技术，其中植物修复具有技术和经济上的双重优势，但也存在不足之处[1]。例如：超富集植物龙葵、三叶鬼针草等吸收能力强，但为草本植物[2-3]，生长周期短，生物量小，大面积推广需要加强栽培技术研究与种子繁育。木本植物生物量大，但富集能力有限[4]。

还有学者提出，草本与木本联合修复可有效提高农田土壤重金属复合污染的修复效率[5]，还能改善污染土壤的环境质量[6]。

2016年，国家《土壤污染防治行动计划》中的目标提到，到2030年，全国受污染耕地安全利用率达到95%以上。“安全利用”需要在超过风险筛选值或者超过风险管制值的农用地上收获符合国家安全标准的农产品。桑树具有一定的重金属耐受性[7]，虽然其吸收镉（Cd）的能力有限，但产量大，生长年限长，在发挥植物修复功能[8]的同时，还能产生经济效益，在污染农田种植桑树既不会影响桑树和蚕茧的产量[9]，获得的蚕蛹和蚕茧也都符合安全标准[10]。而且，桑树不仅可以养蚕，根据不同的功能，桑树产业正向多元化发展，如饲料桑、果桑等[11]，发展前景广阔。综合来看，桑树是重金属污染耕地安全利用较为理想的经济作物。但由于桑树修复能力有限，因此在何种污染程度的农田中种植桑树既安全又可以产生效益是一个值得探讨的问题，课题组以此为目的，在不同污染程度的农田种植桑树，通过长时间调查取样监测农田与桑树内镉含量的变化，以期为蚕桑的安全利用提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 试验区域

在长株潭地区选取了3块Cd污染农田，土壤调查数据见表1。根据土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（GB15618—2018）中的对农用地土壤污染风险筛选值与土壤污染风险管制值的规定，3个调查点土壤pH值均小于5.5，调查点1与调查点2的土壤Cd含量位于风险筛选值（0.3 mg/kg）与风险管控值（1.5 mg/kg）之间，而调查点3的土壤Cd含量远远大于风险管控值。

1.2 试验设置

2017年1月，每个调查点栽植3个品种（见表2），每个品种设置3个重复，每个重复栽植20～30株桑树，行株距为2 m×0.5 m，共9个区组，随机排列。春季发芽前离地面35～40 cm处剪掉干端，养成主干，发芽后主干上留3～4个壮芽，其余芽疏掉。第2年春季桑树发芽前，离地面60 cm处剪枝，发芽后每根支干选留2～3个壮芽，每株养成8～10根枝条。各调查点桑树按DB43/T382—2008栽培技术规范管理。

1.3 取样及数据分析

每个调查点每个小区选定一株桑树，并在离桑树15 cm的半径范围内选定土壤调查点检测土壤pH值、总Cd及桑树各部位Cd含量。2017—2019每年调查取样，每次定點取土壤与部分植株样品，统一标注，带回实验室进行样品前处理。取回的样品直接烘干并粉碎。样品检测采用NY/T 1121.2—2006、GB/T 17141—1997与GB 5009.268—2016中的方法分别检测土壤pH值及Cd含量。所有数据的统计用Excel和SPSS 17.0软件进行分析，采用Duncan新复极差法进行显著性检验（P<0.05）。

2 结果与分析

2.1 栽植桑树对土壤的影响

调查点选定的土壤取样点检测数据（见表1、表3），与2017年的数据相比较，2019年的取样点的土壤pH值均呈升高趋势且达到了显著水平;取样点Cd含量均呈下降趋势，其中调查点1和调查点2下降幅度达到了显著水平，但取样点Cd含量均未降到风险筛选值之下。

取样点土壤Cd含量的下降的幅度并不能表明桑树修复Cd污染农田能力大小，2019年11月，挖取各调查点桑树，取桑树根部土壤进行检测，检测结果（见表3）表明，桑树根部土壤平均Cd含量显著大于选定的土壤取样点的平均Cd含量，可以据此推测，桑树对土壤中Cd的吸附表现为，距离桑树主根部越近，土壤中Cd含量越高。

2.2 桑树各部位镉含量的差异

栽植桑树当年（2017）秋季的取样结果表明：各调查点Cd含量在各部位的分布为叶>根>枝;土壤Cd含量高的调查点，桑叶中的Cd含量也高。2019年各调查点各部位Cd含量均明显降低，叶中Cd含量普遍高于根中Cd含量，如图1。

栽植桑树主要是收获桑叶进行养蚕。桑叶中的Cd含量数值见表4，随着栽植年限的增加，桑叶中的Cd含量呈下降的趋势，统计分析表明，3个调查点2019年叶片中的Cd含量显著低于2017年叶片中Cd含量。湘潭雨湖区响水乡桐塘村、株洲渌口区南洲镇泗马村2个调查点农桑14、强桑1号、育71-1品种间桑叶中的Cd含量无显著差异;而株洲石峰区铜塘湾街道长石村品种间桑叶中的Cd含量农桑14号显著大于粤桑11号，与强桑1号差异不显著。

2019年4月下旬和11月上旬分别在各调查点取桑叶检测其总Cd含量，从2次检测数据可以看出，各调查点的桑叶不同季节Cd含量有显著差异（见表5）。

3 讨 论

栽植桑树对土壤也带来了一些影响。随着果树[12]、茶叶[13]栽植年限的增加，土壤pH值会逐渐降低，土壤酸化。而试验检测结果显示，3个调查点pH值在2017年初检测均小于5.5，为酸性土壤。栽植桑树3 a后，土壤pH检测值均显著提高了。由此可以推测，在污染农田中种植桑树，可以提高土壤pH值。文献表明，土壤pH值与有效Cd之间是呈显著负相关的[14]。

在土壤上施用石灰，可以提高土壤pH值，使土壤中有效态Cd含量降低，以减少植物对Cd的吸收[15]。由结果可知，随着栽植桑树年限的增加，桑树各部位的Cd含量大幅降低，土壤pH值的升高可能是引起有效Cd含量降低的一个重要原因。栽植桑树不仅使土壤pH值升高，对土壤产生了类似钝化的作用[16]，调查点Cd含量下降，但并未降到风险筛选值之下;同时，栽植桑树使土壤中的Cd发生了转移，聚集到了植株根部，与桑树根际土壤pH值低于非根际土壤，且根际土壤Cd含量高于非根际土壤[17]的研究结果一致。但是，此次调查未考虑大气沉降、雨水pH值、地下水等因素对土壤Cd含量的影响。湖南为酸雨区，雨水季节性变化会引起土壤中有效Cd含量的季节性变化[18]，加之农田中Cd分布不均匀，栽植桑树使农田中的Cd发生了转移与变化，这给准确评估桑树对土壤的修复作用提出了挑战。

试验结果表明，桑树各部位Cd含量分布表现为叶>根>枝，与前期及其他研究中重金属复合污染下桑树体内Cd含量分布为根>枝>叶[19]的结果不一致，推测可能是由于取样季节不同造成的。因在3个调查点均发现春季桑叶中的Cd含量显著低于秋季桑叶中的Cd含量，推测其与桑树生长阶段与生长时期长短有关。春季是桑树旺盛生长的时期，一昼夜内新梢可生长2～3 cm，与秋季相比，桑树的生长速率大于Cd的吸收速率，此原因可能导致了不同生长时期桑叶中Cd含量的差异，且春季生长期（2月下旬至4月下旬）比秋季生长期（6月上旬至10月中旬）要短，故Cd积累的时间春季也比秋季短。有研究表明，烟叶中Cd含量在不同生长时期也会出现不同的变化趋势，旺长期时，叶中的Cd含量明显降低[20]。春季土壤湿度也可能有影响植株对Cd的吸收积累，比如淹水条件下，土壤中的有效态Cd含量低于非淹水条件[18]，此时水稻对重金属的吸收也显著降低[21]。秋季桑叶成熟，桑叶中累积的Cd逐渐增多，在水稻中也观察到类似的结果，随着水稻的成熟，叶片中Cd含量逐渐升高，因为叶片作为Cd的富集器官，缺乏向其他器官转运Cd的途径，所以随着生育期的延长，叶片Cd含量逐渐升高[22]。其次，田间取样并没有清洗桑叶，秋季大气中的重金属也有可能沉积在桑叶中或者直接被桑叶吸收。长株潭灰尘污染很严重，秋季大气颗粒物及重金属分析显示，较其他重金属，大气颗粒物中重金属Cd富集因子最大[23]，灰尘中的平均Cd含量达到了29.93 mg/kg，为背景值的57.56倍[24]，灰尘里的Cd随着雨水的冲刷、降水的季节性变化可能会引起叶面污染或者土壤中Cd含量的变化，从而影响叶片中检测到的Cd含量。要想明确影响桑叶中Cd含量季节性变化的原因，需要设计一个更科学的监测方法来跟踪调查。

种植桑树最终是为了安全利用被重金属污染的农田，使之仍然能够继续产生经济效益。课题组2014年在另外一个调查点开展过养蚕试验[9]，该样地土壤平均Cd含量为3.08 mg/kg，叶片中平均Cd含量为0.24 mg/kg，蚕蛹及茧皮中的Cd含量均低于食品中污染物限值标准（GB 2762—2017）及生态纺织品中重金属Cd的限量值（GB/T 18885—2009）[10]，证明栽桑养蚕是一种较为理想的替代种植方法。分析2017—2019年3个调查点桑叶的Cd含量，2017年11月桑叶中的平均Cd含量大于1 mg/kg，2019年11月桑叶中的平均Cd含量也大于前期试验中的0.24 mg/kg。

用Jiang等[10]文中数据对桑叶中Cd含量与茧皮中Cd含量进行相关分析，相关系数R为0.033，桑叶中Cd含量高不代表茧皮中Cd含量高，也未见相关文献验证Cd含量大于0.24 mg/kg的桑叶是否可以安全养蚕，因此暂时无法推断该浓度的桑叶养蚕是否安全。从2019年4月调查点桑叶中的Cd含量来看，该时期桑叶中平均Cd含量均低于0.24 mg/kg，推测春季调查点的桑叶是可以安全养蚕的。3个调查点土壤Cd含量均大于风险筛选值甚至是大于风险管控值，但栽植桑树3 a后，调查的结果表明该农田栽植桑树可以被安全利用。

检测数据反应的是桑树栽植不同年限土壤与植株Cd含量的变化，调查结果表明，在农田中栽植桑树，可以提高土壤的pH值，随着栽植年限的增加，桑树中吸收的Cd含量会降低;且秋季Cd含量在桑树中的分布为叶>根>枝。这些结果可为其他地区的蚕桑安全利用提供一定的数据支持与参考。

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（责任编辑：肖彦资）