江西省葛种植区中重金属镉调查及其富集特征

林小兵，周利军，何绍浪，王斌强，黄欠如，武 琳

(江西省红壤研究所，国家红壤改良工程技术研究中心，江西 南昌 330046)

0 引 言

葛Puerarialobata(Willd.)Ohwi豆科，葛属，多年生落叶草质藤本植物，可以形成粗大肥硕块根，含有丰富的淀粉、营养成分及活性成分[1]，在我国主要分布于广西、江西、湖南、湖北、安徽等地[2]。随着工业化、城市化和集约化农业的快速发展，大量工业“三废”、化肥及农药进入环境，导致农业土壤镉(Cd)问题日益突出[3]，不仅造成农作物品质下降，通过食物链严重威胁人体健康，还影响农业的可持续发展[4-5]。江西是我国主要的粮食主产大省之一，也是我国重要的有色金属之乡，监测数据表明在江西省优势水稻区1000个样本中，农田土壤的主要污染物为Cd、Cu、As、Hg，其中，土壤Cd超标率为4.7%[6-7]。土壤重金属镉污染已成为农作物及蔬菜安全和品质的重要限制因素[8-9]。农作物可食部分的重金属直接影响人类食品安全，而废弃物中的重金属又会对土壤生态环境和畜禽产生影响[10]。章丽娟等[11]调查发现，在矿区周边粉葛的生长不受土壤重金属Cd的影响，且粉葛产量能达到正常水平。陆金等[12]研究发现葛根对重金属Cd的富集系数为4.37，转运系数为11.33，说明葛对重金属Cd具有较强富集性。江西省葛资源丰富，但缺乏其相应的葛重金属含量的研究，不同地区的葛根体内的Cd含量也存在很大差异。近年来，在镉污染地区种植经济作物成为生物修复热点，在收获经济作物的同时修复镉污染土壤[13]，因此，本研究以经济作物-葛为例，探讨葛不同部位重金属富集特征，通过葛藤、葛渣等废弃物移除土壤中镉含量，葛粉符合食品安全同时增加经济收入，最终实现环境效益和经济效益双赢。

1 材料与方法

1.1 调查方法

根据江西省葛主要种植地区，选取了九江市德安县，南昌市新建区、安义县和进贤县，宜春市樟树市和上高县，上饶市鄱阳县、玉山县、德兴市和横峰县，抚州市南城县、崇仁县和资溪县，赣州市兴国县，吉安市永丰县，新余市渝水区等16个地区，样地具体信息见表1。葛品种主要为赣葛1号、赣葛2号、桂葛1号、宋葛1号等。于葛成熟可收获阶段(2019年12月)，从16个地区选取了18个葛搭架种植基地，每个基地采集长势相对一致的5株人工葛，采取“S”形布点采样，共采集90株植株，每株采集葛根(块根)、葛头(葛根与主藤连接处，属于葛根扦插苗，2年生)、主藤、侧枝、叶片，采集植株样品同时相应采取0～20 cm土壤，共采集80份土样。

表1 江西葛种植基地信息Table 1 Pueraria planting areas in Jiangxi

1.2 测定项目与方法

将每个地区采集的土壤和植株样品单独混合成一个样进行测定，将取回来土壤进行风干过筛，土壤常规理化性质参照鲁如坤[14]的方法测定。土壤pH测定采用电位法，土水比为1∶2.5；有机质测定采用重铬酸钾容量法；土壤全镉含量采用王水提取，土壤有效态Cd含量采用二乙烯三胺五乙酸-氯化钙-三乙醇胺缓冲溶液浸提，后采用电感耦合等离子体光谱仪测定。将收获的植株样品分为葛根、葛头、主藤、侧枝和叶片5个部分，其中葛根和葛头用5 mmol·L Ca(NO3)2溶液浸泡15 min，以交换掉表面吸附的镉离子，超声波清洗仪清洗10 min，用去离子水冲洗3次，主藤、侧枝和叶片直接用去离子水清洗3次；将洗净的样品105℃杀青20 min，80 ℃烘至恒重；植株干样磨碎，过5 mm筛，采用HNO3-HClO4消解，采用ICP-OES测定葛根、葛头、主藤、侧枝和叶片的镉含量。植株分析方法参考生态系统地球化学评价动植物样品分析方法[15]，检出限为0.000 24 mg·kg-1。

计算植株对土壤镉的富集系数和转运系数[16]，其公式分别为：富集系数=植物各部分镉含量/土壤中镉含量；转运系数=植物各部分镉含量/植物根部镉含量。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2010软件对数据进行前期处理，通过R语言(www.r-project.org，R 3.5.3)统计软件对试验数据进行单因素方差分析和相关性分析，采用R语言软件程序包ggplot2进行制图，采用Tukey HSD检验法对数据进行差异显著性检验(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 土壤和植株镉含量描述性统计

对所有采样点进行土壤和植株镉的常规统计分析(表2)，结果表明，江西葛种植区土壤pH变化范围为4.32～5.47，有机质变化范围为6.69～39.53 g·kg-1，土壤有效态镉和全镉含量变化范围分别为0.002～0.21 mg·kg-1和0.05～0.25 mg·kg-1，葛根(块根)、葛头、主藤、侧枝和叶片中镉含量变化范围分别为0.002～0.28 mg·kg-1、0.14～1.38 mg·kg-1、0.07～1.83 mg·kg-1、0.04～1.80 mg·kg-1和0.05～1.91 mg·kg-1。从均值来看，土壤pH均值为4.77，有机质均值为20.14 g·kg-1，土壤有效态镉和全镉含量均值分别为0.06 mg·kg-1和0.12 mg·kg-1，葛根、葛头、主藤、侧枝和叶片中镉含量均值分别为0.11 mg·kg-1、0.58 mg·kg-1、0.71 mg·kg-1、0.51 mg·kg-1和0.28 mg·kg-1。除叶片镉含量变异系数为150.3%，属于强变异外，其他8个指标变异系数范围为7.08%～97.9%，基本都位于10%～100%之间，属于中等变异。

表2 江西葛种植区土壤和植株镉含量描述性统计Table 2 Descriptive statistics of Cd contents in soil and plants in Pueraria planting areas of Jiangxi

2.2 不同地区土壤和植株镉含量分析

土壤pH以安义、新建、南城等地区较高，而兴国、德兴a、德安等地区较低(图1a)；有机质以横峰、德兴b、永丰等地区较高，而玉山、鄱阳b、安义等地区较低(图1b)；土壤有效态镉含量以新余、德兴b、横峰等地区较高，而玉山、崇仁、上高等地区较低(图1c)；土壤全镉含量以新余、德兴a、德兴b、鄱阳b等地区较高，而崇仁、樟树、新建等地区较低(图1d)，江西省不同地区葛种植区土壤镉含量均未超过国家标准值。

葛根镉含量以德兴a、兴国、玉山等地区较高，而永丰、南城、鄱阳b等地区较低(图2a)；葛头镉含量以兴国、渝水、崇仁等地区较高，而南城、永丰、鄱阳a等地区较低(图2b)；主藤镉含量以渝水、兴国、德兴等地区较高，而永丰、上高、南城等地区较低(图2c)；侧枝镉含量以兴国、渝水、德兴a等地区较高，而上高、永丰、南城等地区较低(图2d)；叶片镉含量以渝水、德兴b、资溪等地区较高，而永丰、鄱阳b、南城等地区较低(图2e)。总体上，葛种植区重金属镉含量以渝水、兴国、德兴等地区最高，而永丰、南城、鄱阳、上高等地区较低。

注：AY：安义；HF：横峰；YSa：玉山a；DXa：德兴a；DXb：德兴b；DA：德安；XJ：新建；JX：进贤；ZS：樟树；SG：上高；PYa：鄱阳a；PYb：鄱阳b；XG：兴国；YF：永丰；NC：南城；CR：崇仁；ZX：资溪；YSb：渝水b.下同。注：AY:Anyi;HF:Hengfeng;YSa:Yushan a;DXa:Dexing a;DXb:Dexing b;DA:De′an;XJ:Xinjian;JX:Jinxian;ZS:Zhangshu;SG:Shanggao;PYa:Poyang a;PYb:Poyang b;XG:Xingguo;YF:Yongfeng;NC:Nancheng;CR:Chongren;ZX:Zixi;YSb:Yushui b.The same is as below.图1 江西不同葛种植区土壤pH、有机质、有效态和全镉含量Fig.1 Soil pH,organic matter,available and total Cd contents in different Pueraria planting areas of Jiangxi

对不同地区葛根(块根)中重金属Cd含量进行聚类分析(图3)可分为5类：第Ⅰ类为1个地区(德兴a)、第Ⅱ类为4个地区(兴国、玉山、安义和渝水)、第Ⅲ类为4个地区(资溪、德安、樟树和德兴b)、第Ⅳ类为3个地区(进贤、崇仁和上高)和第Ⅴ类为6个地区(永丰、南城、鄱阳b、新建、横峰和鄱阳a)。其中第Ⅰ类和第Ⅱ类葛根重金属Cd含量最高，因此，在人工葛种植时可以优先考虑第Ⅳ类和Ⅴ类地区。

图3 江西葛种植区中镉含量聚类分析Fig.3 Cd contents in different Pueraria planting areas of Jiangxi

2.3 葛不同器官重金属镉含量、富集系数和转运系数

重金属镉在葛植株不同器官间存在显著差异(P<0.05，图4)，其平均含量为主藤(0.71 mg·kg-1)>葛头(0.58 mg·kg-1)>侧枝(0.51 mg·kg-1)>叶片(0.28 mg·kg-1)>葛根(0.11 mg·kg-1)，表现为主藤中镉含量显著高于叶片和葛根(P<0.05，图4)。

对江西不同葛种植区富集系数统计分析(表3)，结果表明，葛根/土壤的富集系数变化范围为0.03～2.04，均值为0.97，以樟树、安义、兴国等地区较高，而永丰、鄱阳b、横峰等地区较低。葛头/土壤的富集系数变化范围为1.67～19.45，均值为5.30，以崇仁、兴国、德安等地区较高，而南城、鄱阳b、德兴b等地区较低。主藤/土壤的富集系数变化范围为0.81～12.28，均值为5.84，以兴国、德安、新建等地区较高，而永丰、鄱阳b、南城等地区较低。侧枝/土壤的富集系数变化范围为0.66～12.65，均值为4.14，以兴国、资溪、崇仁等地区较高，而上高、永丰、鄱阳b等地区较低。叶片/土壤的富集系数变化范围为0.28～7.54，均值为2.05，以渝水、资溪、进贤等地区较高，而鄱阳b、永丰、南城等地区较低。

对江西不同地区进行葛种植区转运系数统计分析(表3)，结果表明，葛头/葛根的转运系数变化范围为1.67～19.45，均值为11.65，以永丰、横峰、鄱阳b等地区较高，而樟树、玉山、德兴a等地区较低。主藤/葛根的转运系数变化范围为2.28～30.44，均值为8.54，以永丰、新建、德兴b等地区较高，而上高、樟树、安义等地区较低。侧枝/葛根的转运系数变化范围为0.57～28，均值为6.16，以永丰、新建、兴国等地区较高，而上高、安义、樟树等地区较低。叶片/葛根的转运系数变化范围为0.47～20.52，均值为3.56，以永丰、渝水、横峰等地区较高，而兴国、樟树、上高等地区较低。

表3 江西不同葛种植区富集系数和转运系数Table 3 Accumulation and translation coefficients in different Pueraria planting areas of Jiangxi

2.4 相关性分析

对葛种植区土壤pH、有机质、土壤全镉、有效态镉及植株不同器官等9个指标进行相关性分析(图5)，结果表明，土壤pH与土壤有机质、土壤有效态镉、土壤全镉、葛根镉、葛头镉、主藤镉、侧枝镉和叶片镉均呈负相关关系，其中与葛头镉、主藤镉和侧枝镉呈显著负相关关系(P<0.05)；土壤有效态镉与土壤有机质(R=0.51，P<0.05)、土壤全镉(R=0.83，P<0.001)呈显著正相关关系，同时土壤有效态镉和土壤全镉与主藤镉、侧枝镉和叶片镉均呈显著正相关关系(P<0.05)；葛不同器官间表现为葛根镉与葛头镉、主藤镉和侧枝镉均呈显著正相关关系(P<0.05)，葛头镉与主藤镉和侧枝镉均呈极显著正相关关系(P<0.001)，主藤镉与侧枝镉和叶片镉均呈显著正相关(P<0.01)，侧枝镉与叶片镉呈显著正相关关系(R=0.55，P<0.05)。

注:不同小写字母表示差异在P<0.05下显著。Note:Different small letters indicate significant differences between treatments at P<0.05 level．图4 葛不同器官重金属镉含量比较Fig.4 Comparison of heavy metal Cd in different organs of Pueraria

3 讨 论

本研究调查发现，江西省葛种植区中重金属镉含量总体状况良好，大部分符合食品安全国家标准[17]，土壤中全镉含量标准值0.3 mg·kg-1(pH<6.5)，根茎类蔬菜中重金属镉限量标准值为0.1 mg·kg-1，但部分地区葛(葛根)存在镉污染超标现象，如渝水、兴国、德兴、安义、玉山等地区，在葛种植时可以优先考虑永丰、南城、鄱阳、新建、横峰、鄱阳、进贤、崇仁和上高等地区。江西省重金属污染主要受污水灌溉、干湿沉降及交通影响等[18]，因此，葛种植时尽量避免城市郊区、工业园区及乡镇企业等较为发达区域，同时还需避免化肥、农药、畜禽粪便带来的重金属污染[19]。

注:*表示相关性在P<0.05水平显著，**表示相关性在P<0.01水平显著，***表示相关性在P<0.001水平显著。Note:*，** and *** indicate significant correlation at P<0.05,P<0.01 and P<0.001,respectively.图5 葛种植区土壤与植株相关性分析Fig.5 Correlation analysis of soil and plants in Pueraria planting areas

作物主要通过地上部分吸收土壤中的重金属，地上部分也反映了作物对重金属的耐性情况[20]。本研究中葛不同部位镉含量及富集系数以主藤最高，其次是葛头和侧枝，叶片和葛根较低；相关性表明葛中镉含量与土壤pH呈现负相关关系，而土壤中的重金属镉呈现正相关关系。镉被葛的根吸收后，首先在葛根和葛头中积累，然后被转运到其他部位，转运系数表明主藤具有较强的转运能力，容易富集重金属镉，地上部位也有可能受到大气沉降影响，增加其镉含量。土壤pH能直接影响土壤特性，改变土壤重金属活性，间接作用于植物生长[21]。龙新宪等[22]研究表明，植物对镉的吸收量与土壤中的镉呈正相关关系，土壤中的镉含量越高，该地植物中的镉含量也相对越高。郭媛等[23]以黄麻为例，发现黄麻中的镉含量和装运能力随基质中镉升高而逐渐增强，葛及不同部位中重金属含量主要由土壤重金属决定。虽然调查区域土壤全镉含量在土壤重金属风险筛选值之内，但葛中重金属镉主要来源于土壤中，其中土壤有效镉指能被作物吸收部分，本研究也表明土壤镉含量与葛植株中镉含量具有较强的相关性，在种植过程中要选择土壤环境质量高的区域。

尽管调查区葛中重金属镉含量总体良好，但需要注意部分地区污染程度和生态风险呈加重趋势。今后需要进一步研究不同品种葛重金属富集情况；一年生与多年生葛重金属富集特征；不同重金属污染程度下葛的富集能力；葛生物量及土壤重金属移除能力；葛粉及葛渣重金属含量等，为保障葛安全提供数据支撑和理论基础。在种植过程中，需隔离污染源，禁止污水灌溉和垃圾肥，避免农药、含重金属化肥和动物粪肥等使用，远离道路降低汽车尾气影响；有条件地区可以进行葛联合农艺措施或钝化剂土壤重金属修复。

4 结 论

(1)调查区域土壤全镉含量为0.12 mg·kg-1，葛根、葛头、主藤、侧枝和叶片中镉含量分别为0.11 mg·kg-1、0.58 mg·kg-1、0.71 mg·kg-1、0.51 mg·kg-1和0.28 mg·kg-1，调查区域葛中镉含量总体状况良好，但部分地区存在镉污染超标现象，避免在渝水、兴国、德兴等风险高地区种植。

(2)葛不同部位镉含量及富集系数表现为主藤>葛头>侧枝>叶片>葛根，葛对重金属镉具有较强富集作用，但其经济作物(可食部分)葛根重金属镉含量相对较低，可作为重金属污染地区生物移除。

(3)相关性表明葛中镉含量与土壤pH呈现负相关，而土壤中的重金属镉呈现正相关，说明调查区域土壤环境及重金属含量决定着葛中镉含量，种植过程中要选择土壤环境质量高的区域。