不同镉背景值农田中荞麦镉积累转运特性研究

张 璐，何录秋，杨学乐

（湖南省作物研究所，长沙 410125）

0 引言

近几十年来，受工业“三废”长期排放、农业含镉污水的灌溉、化肥和农药的大量施用、重金属大气沉降不断增多等因素影响，重金属镉(Cd)经过扩散、沉降并累积到农田中，导致农田土壤的镉污染情况日益严重[1]。据统计，中国耕地面积的1/5遭重金属污染破坏，损失的农作物平均每年约1200万t，产生经济损失达200亿元以上[2-3]。农田土壤中的重金属能够被植物根系吸收，并被转运到植物地上部位，伴随食物链的传递进入人体内，对身体健康造成严重危害[4]。利用植物的重金属积累转运特性使农作物食用部位达到安全标准或对受重金属污染的农田土壤进行修复是中国农业科研和产业发展中的重要内容[5]。利用较强富集特性的作物，进行农田植物修复，是治理土壤污染、减少重金属危害的有效措施之一，对促进农业可持续发展具有重要意义[6-8]。

荞麦为蓼科荞麦属双子叶植物，农业生产上主要形成了苦荞和甜荞两个栽培种，荞麦生育期60～80天，在中国大部分地区都有分布[9]。荞麦对土壤要求不严，适应性广，抗逆性强，耐瘠薄，耐干旱，具有很高的营养价值和药用价值，是广大旱作农区的重要作物之一[10]。近年来，许多研究表明荞麦能够生长在重金属污染的地区，而且对重金属具有一定的吸附积累作用[11]，可以作为重金属修复植物来利用。在重金属铅方面，荞麦对铅具有富集作用，但对铅的耐受性存在品种差异[12]，荞麦对重金属铅的吸收和转运可通过外源硒的施加而受到抑制[13]。在重金属镉方面，田菊翠等[14]研究水稻和荞麦的耐镉差异性，发现荞麦对金属镉的耐受性大于水稻；刘笑蓉等[15]对12种不同药用植物的聚类分析发现金荞麦不属于镉低积累作物类别；李静等[16]用内梅罗污染指数法对苦荞镉积累进行评价，研究发现在轻度污染土壤背景条件下，苦荞镉含量为清洁（安全）等级。有关荞麦在重度污染土壤条件下镉积累情况以及不同部位镉积累转运特性的研究未见报道。

中国南方地区土壤偏酸性，尤其长株潭地区受工、矿、冶等产业的影响，农田土壤中镉含量超标现象十分严重。探索荞麦在中度及重度镉污染背景下的镉积累转运特性，有助于对荞麦修复镉污染农田的潜力进行评价，以期有效降低农田土壤镉污染程度，从而减少农产品镉含量超标的风险。本试验以适合湖南地区种植的8个荞麦品种（系）为研究对象，在湖南湘潭市、株洲市不同镉背景值农田开展多点试验，检测荞麦成熟期根、茎叶、籽粒各部位镉含量，研究荞麦对镉的积累转运特性，探索荞麦对镉污染农田的修复作用。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验以适合湖南本地种植且在生产上推广应用较广的8个荞麦品种（系）作为试验材料，分别为‘九江苦荞’、‘凤凰苦荞’、‘凤苦2号’、‘西荞5号’、‘红花甜荞’、‘定甜荞1号’、‘西农T1106’、‘西农T1321’（4个苦荞品种、4个甜荞品种）。

1.2 试验方法

1.2.1 试验地点 在湘潭市和株洲市的不同地区，选择地势平坦、气候条件一致、肥力水平中等、土壤镉背景值不同的若干旱田，经初步土壤检测分析，选择其中9个地点安排田间试验。试验于2018年8月—2019年11月进行。

1.2.2 小区试验设计 每个试验地点均采用随机区组排列，3个重复小区，小区面积10 m2(2 m×5 m)。荞麦于3月下旬至4月上旬播种，条播，行距30 cm，留苗密度为150～180株/m2。

1.2.3 试验样品采集和处理 采用五点取样法取耕作层混合土壤，采样深度0～20 cm，每个混合样品取1 kg土，放在通风处自然风干，挑出杂质。混匀后从中取出200 g样品，放入密封袋中并编号。

在荞麦成熟期每个小区随机连续取样20株，分别采集根、茎叶、籽粒样品。荞麦根用自来水洗净泥土，茎叶和籽粒挑去杂质，装入网兜。将植物样品放置在通风处风干，在干燥箱中65℃烘干，研磨并通过60目筛，每份样品取出200 g，放入密封袋并编号。

1.2.4 样品镉含量测定 土壤全镉采用GB/T 17141—1997方法测定，土壤有效镉采用GB/T 23739—2009方法测定，土壤pH、有机质含量采用常规分析方法测定。植物各部位样品镉含量采用GB 5009.15—2014方法测定。

1.3 数据计算

用污染指数(Pollution index，Pi)评价土壤镉污染程度，根据HJ/T 166-2004和GB 15618—2018，土壤Cd质量标准值为0.3。污染指数分级标准：Pi≤1.0为尚清洁；1.0＜Pi≤2.0为轻度污染；2.0＜Pi≤3.0为中度污染；Pi＞3.0为重度污染。

其中，Ci：污染元素Cd的实测值；Si：土壤污染元素Cd质量标准值。

用富集系数(BF)和转运系数(TF)衡量荞麦对镉的富集能力和运输能力。

所有数据采用Microsoft Excel 2016和DPS 7.05进行计算分析和图表绘制，统计分析采用Tukey多重比较方法比较不同处理间差异。

2 结果与分析

2.1 不同镉背景值农田土壤理化性质分析

9个试验点土壤理化性质见表1。由表1可知，9个试验点土壤pH4.45～6.14，均为偏酸性土壤，符合湖南省大部分农田土壤受雨水影响而呈现酸性的实际情况。土壤颜色有棕色、栗色、黄棕色3种。土壤有机质含量范围为25.2～43.0，根据全国第二次土壤普查耕层有机质含量分级标准，3个试验点为一级，4个试验点为二级，2个试验点为三级。土壤全镉在0.5～3.0 mg/kg范围内大致均匀分布，其中L1、L2试验点土壤全镉在1.0 mg/kg以下，L3、L4、L5、L6试验点土壤全镉在1.0 mg/kg与2.0 mg/kg之间，L7、L8、L9试验点土壤全镉在2.0 mg/kg以上。9个试验点土壤镉污染指数均在2.0以上，最高达9.4，L1试验点属于中度污染，其他试验点均属于重度污染。

表1 试验点土壤理化性质

2.2 不同镉背景值农田中荞麦籽粒镉积累量

为了研究荞麦籽粒在不同土壤镉背景值条件下的镉积累量，将不同试验点荞麦籽粒样品进行镉含量检测。由表2和图1可知，荞麦籽粒镉含量范围为0.07～2.35 mg/kg，且不同镉污染农田荞麦籽粒镉含量不同，其中，在镉污染指数最低的L1试验点，荞麦籽粒镉含量范围为0.07～0.13 mg/kg，所有品种均低于其他试验点；L2试验点荞麦籽粒镉含量范围为0.26～0.73 mg/kg；在土壤镉含量大于1.5 mg/kg的6个试验点(L4～L9)，荞麦籽粒镉含量均在0.81 mg/kg以上，最高达2.35 mg/kg。说明荞麦籽粒对镉具有很强的积累能力。

图1 不同镉背景值农田中荞麦籽粒镉含量

表2 各试验点不同品种荞麦籽粒镉含量

从不同试验点荞麦籽粒镉含量平均值表现来看，从L1到L4试验点，荞麦籽粒镉含量迅速由0.1 mg/kg增加到1.44 mg/kg，土壤镉含量增加1.43倍，而荞麦籽粒镉积累含量增加了13.4倍。说明在一定范围内，随着土壤镉含量不断增加，荞麦籽粒镉含量呈增加趋势。从L4到L9试验点，荞麦籽粒镉含量在1.09～1.76 mg/kg范围内波动，不再随着土壤镉含量的增加而明显增加。

从各试验点荞麦籽粒镉含量的品种差异来看，在同一试验点8个品种荞麦籽粒镉含量差异不大，且各品种之间的排序没有明显规律，说明这8个品种在镉积累能力方面差异较小。荞麦镉积累能力与品种之间是否有相关性还需要利用大量品种进行验证。

2.3 不同镉背景值农田中荞麦各部位镉积累量比较

对不同试验点荞麦根、茎叶、籽粒各部位镉含量进行比较。由图2可知，在所有试验点，成熟期荞麦各部位镉积累量有显著性差异，其中根镉含量范围为0.67～7.08 mg/kg，茎叶镉含量范围为1.32～9.76 mg/kg，籽粒镉含量范围为0.10～1.76 mg/kg。在所有试验点，不同部位对镉的吸收规律均表现为茎叶＞根＞籽粒，说明在成熟期荞麦茎叶对镉的积累能力强，其次是根，籽粒积累能力较差。根系由土壤中吸收的镉随着荞麦后期生长发育而沿茎秆向上运输，积累在茎秆和叶片中。

图2 不同镉背景值农田中荞麦各部位镉含量

2.4 不同镉背景值农田中荞麦各部位镉富集系数、转运系数比较

为了比较荞麦根、茎叶、籽粒对金属镉的积累能力，用富集系数表示荞麦各部位镉积累能力的大小。由图3可知，同一部位在不同试验点镉富集系数不同，其中根富集系数范围为1.03～4.08，在L4试验点最高，在L1试验点最低，最高是最低的3.96倍；茎叶富集系数范围为2.03～5.52，在L4试验点最高，在L1试验点最低，最高是最低的2.72倍；籽粒富集系数范围为0.15～0.92，在L6试验点最高，在L1试验地最低，最高是最低的6.13倍。不同试验点荞麦各部位对镉的富集系数均表现为茎叶＞根＞籽粒，且茎叶和根富集系数均大于1，说明茎叶和根对镉具有明显的富集作用；籽粒镉富集系数均小于1，其中L1、L2试验点籽粒镉富集系数小于0.5，其他7个试验点均大于0.5，说明籽粒对金属镉具有较强的积累能力，但不如茎叶和根的积累能力强。

图3 不同镉背景值农田中荞麦各部位镉富集系数比较

为了比较镉在荞麦不同部位之间的迁移能力，用转运系数表示荞麦根-茎叶、茎叶-籽粒转运镉能力的大小。由图4可知，荞麦不同部位之间镉转运系数不同，其中根-茎叶镉转运系数范围为1.34～2.30，在L2试验点最高，在L8试验点最低；茎叶-籽粒镉转运系数范围为0.07～0.22，在L6试验点最高，在L1试验点最低。所有试验点根-茎叶的镉转运系数均远大于茎叶-籽粒的镉转运系数，根-茎叶的转运系数大于1.0，而茎叶-籽粒的转运系数只有0.1左右，两者基本相差1个数量级，说明荞麦从根到茎叶转运镉能力很强，而从茎叶到籽粒转运镉能力很弱，这与荞麦各部位镉积累量结果一致。

图4 不同镉背景值农田中荞麦各部位之间镉转运系数比较

3 讨论与结论

植物修复技术是一种以植物为载体，对土壤中的污染物进行吸附或降解，从而净化土壤的技术[17]，具有操作简单、成本低廉、对农田破坏小等优点[18]，国内外学者在利用植物进行农田土壤污染修复方面已经做了较为广泛的研究。可以用作土壤修复的植物很多，包括景天[19]、籽粒苋[20]、油菜[21]、油葵[22]、印度芥菜[23]等，均由于植物对重金属具有较强富集能力而可以作为土壤修复的潜力作物。前人研究表明，荞麦对重金属具有一定的耐受性和吸附积累作用[11,14]，不属于镉低积累作物类别[15]，本研究结果与此一致。由于前人研究中采用的供试土壤镉污染程度较低，未达到重度污染土壤条件，因此本研究设置了9个不同镉背景值条件，均达到中度或重度镉污染程度，本研究中，当土壤镉背景值大于1.5 mg/kg时，荞麦籽粒镉含量均在0.81 mg/kg以上，最高达2.35 mg/kg，说明荞麦籽粒在重度镉污染土壤条件下具有很强的镉积累能力。土壤镉背景值对荞麦籽粒镉积累量影响很大，土壤镉含量较低时，随着土壤镉含量增加，荞麦籽粒镉含量迅速增加，当土壤镉含量到达一定程度，荞麦籽粒镉含量不再明显增加。由于本研究最高土壤镉含量为2.83mg/kg，更高浓度的镉含量条件在自然农田环境下较难达到，土壤镉含量继续增加对荞麦籽粒镉积累是否有明显影响以及荞麦籽粒镉含量最终变化趋势还有待在实验室条件下进一步研究。有研究表明荞麦对重金属的耐受性存在品种差异[12]，但本研究中，荞麦品种间籽粒镉含量排序没有明显规律，可能是由于本研究采用的荞麦品种数量较少，荞麦镉积累能力与品种之间是否有相关性还需要利用大量品种进行验证。

一般来说，重金属在植株内的积累规律为：新陈代谢旺盛的部位积累量较多，在繁殖器官中积累量较少[24]。对于荞麦不同部位的重金属吸收规律和转运特性研究还尚未见报道。本研究中，成熟期荞麦不同部位对镉的吸收规律表现为茎叶＞根＞籽粒。原因可能是荞麦在生长后期，根系生长减缓，营养物质向上部运输，茎秆和叶片作为组织运输、光合和蒸腾作用的场所，代谢较快，镉积累量最高；籽粒作为繁殖器官，镉积累量少。9个试验点茎叶和根Cd富集系数均大于1，籽粒Cd富集系数均小于1，也说明茎叶和根对金属镉具有明显的富集作用，籽粒对Cd富集作用相对较弱；荞麦茎叶Cd的富集系数大于根，说明茎叶对Cd吸收积累作用比根强。9个试验点茎叶-籽粒镉转运系数均为0.1左右，说明荞麦茎叶中的镉只有少量能够转运到籽粒中；根-茎叶的镉转运系数均大于1，说明荞麦茎叶对根中的镉转运能力强，镉大量积累在茎叶中。

荞麦对Cd的吸收积累受遗传因素和很多复杂的环境条件共同影响[25]。有研究表明，农作物吸收积累Cd受到土壤pH影响，土壤在pH较低时，重金属的迁移能力强，生物有效性高[26-27]，随着土壤pH升高，H+对重金属离子的吸附位点竞争降低，从而降低了Cd的生物有效性[28]。土壤有机质也是影响植物对重金属吸收能力的一个因素，富含有机质的土壤对重金属具有很强的吸附能力，降低了重金属的迁移速率[29]。土壤中的Fe2+可与Cd2+竞争转运蛋白，降低了植物对Cd的积累[30]，Zn可促进植物对Cd的吸收，从而增强Cd转移到植物地上部位[31]。在本研究中，9个试验点都是pH 6.5以下的酸性土壤，有机质含量中等，但个别试验点pH、有机质偏高或偏低，可能对荞麦籽粒镉吸收有一定影响，因此试验中出现个别试验点荞麦籽粒镉含量偏高或偏低的现象。此外，农田环境条件复杂，不同试验点天气状况、灌溉及排水等栽培措施、土壤微生物活动、不同重金属间相互作用等因素也能影响荞麦的镉积累转运能力。不同土壤性质和外界因素对植物镉积累的影响是当前很多学者研究的热点，进一步研究荞麦镉积累各影响因素之间的相关性、不同因素的作用机理以及结合各因素进行荞麦镉含量预测，是下一步的探索方向。

镉高富集植物是否能应用到实际中，除具有超强重金属富集能力以外，还要综合考虑植物对重金属的耐受性、生育期长短、抗病抗逆性、生物量、收获产品利用价值、废弃物利用及处理等因素。荞麦对重金属镉的耐受性强，本研究中，土壤镉达到重度污染程度，荞麦正常的生长发育仍不受影响。田菊翠等[14]比较荞麦和水稻的镉耐受性，发现荞麦镉耐受性很强，外施Cd达到50 mg/kg以上时，水稻出现受害症状，外施Cd达200 mg/kg时，荞麦的受害症状才出现。此外，用于土壤修复的荞麦具有二次利用价值，用荞麦茎秆为材料制作的吸附剂，能对废水中的Cr和Cu表现出良好的吸附性能，且价格低廉、工艺简单[32]。将苦荞去除茎叶制作全胚苦荞茶，经检测镉含量很低，可进行安全利用[33]。荞麦作为一种药用植物，从中提取的药物活性成分在抑制癌细胞的生长、干预肿瘤细胞侵袭、消炎抗菌等方面具有重要的作用[34-36]。荞麦适应性强，耐瘠薄，耐干旱，生育期较短，综合考虑各因素，荞麦是一种适合用作重金属污染土壤修复的潜力植物。为了达到更充分的综合利用，进一步研究栽培技术提高植物生物量、促进重金属在植物各部位之间的转化，以及加强对重金属修复植物的安全利用加工技术研究、废弃植物材料的安全处理、产品的多样化利用价值开发等是未来的研究发展方向。

综上，荞麦具有很强的镉积累能力，在土壤全镉为0.65～2.83 mg/kg范围内，荞麦籽粒镉含量变化范围为0.07～2.35 mg/kg。随着土壤镉含量不断增加，荞麦籽粒镉含量先迅速增加，随后当土壤镉含量到达一定程度后，荞麦籽粒镉含量不再明显增加。荞麦茎叶对镉的积累能力最强，其次是根，两者的镉富集系数大于1，籽粒对镉的积累能力相对较弱，镉富集系数小于1。荞麦从根向茎叶转运镉能力强，镉转运系数大于1，从茎叶向籽粒转运镉能力弱，镉转运系数远小于1。结合荞麦对重金属耐受性强、生育期短、抗性强、收获产品具有可利用价值等优势，荞麦是一种适合用作重金属污染土壤修复的潜力植物。