甘薯與馬鈴薯在土壤鎘污染治理中的應用研究進展

張超凡，張道微，黃艷嵐，周 虹，張 亞

（湖南省作物研究所，湖南 長沙 410125）

1 土壤鎘污染現狀

重金屬污染是目前全球面臨的重大環境問題，而且形勢嚴峻，據我國農業部農業環境監測結果，污灌區以鎘污染面積最大，達3.85 萬hm2，占重金屬超標面積的59.6%。由于鎘金屬對土壤的污染是不可逆過程，鎘金屬能通過食物鏈在人體富集，危害健康，鎘污染的治理已成為人類亟待解決的問題。

我國土壤中鎘金屬基礎含量并不高[1]。土壤鎘金屬污染主要來源于人類工農業生產活動，主要分幾個方面：工業廢氣中鎘沉降，大氣中重金屬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傳輸[2]；污水灌溉，含重金屬鎘的廢水未經處理就直接排入河流，取水灌溉后造成土壤的污染；農田施用磷肥、污泥、農藥和殺蟲劑的長期累積污染，如品質較差的過磷酸鈣和磷礦粉中含有較高的重金屬鎘；固體廢棄物攜帶進入土壤，這些廢棄物在堆放過程中重金屬會擴散到附近的土壤中，有些廢棄物甚至被直接加工作為肥料進入土壤；植物對鎘的富集，個別植物表現出對鎘的吸收和富集的偏好性，土壤中鎘的基礎含量并未超標，而種植的作物卻能富集鎘而超標。

2 甘薯與馬鈴薯對土壤中鎘的吸收能力

目前已經發現許多基因參與植物對鎘的吸收、運輸和積累，影響植物對土壤鎘吸收的主要因素在于植物與土壤環境的關系[3]。不同作物對鎘的吸收存在偏好性差異，絕大多數作物對鎘的吸收隨土壤中鎘濃度的升高而增加[4]。

馬鈴薯對鎘的吸收表現出較強的偏好性。用城市固態廢物堆肥土壤種植馬鈴薯，檢測出馬鈴薯中重金屬的積累[5]，且馬鈴薯比小麥和大麥的富集重金屬能力更強[6]。馬鈴薯塊莖中重金屬鎘的積累高達0.04～0.20 mg/kg[7]，植株體內積累規律為莖>葉>果實>根[8]。而按照標準，馬鈴薯除果實外，根、莖、葉中鎘含量幾乎全部超出國家食品安全限值，存在較高的生態風險[9]。

甘薯屬于低鎘吸收作物。甘薯的地上部莖葉和地下部塊根以及同部位不同品種間的鎘含量差異明顯。在輕度鎘污染條件下，甘薯莖葉鮮樣鎘含量為0.032 9～0.057 4 mg/kg，塊根鮮樣鎘含量為0.002 2～0.011 0 mg/kg，莖葉含量明顯超過塊根，但是按照國家食品中污染物限量標準GB-2762-2005，甘薯莖葉和塊根鎘含量均未超標。當然，有一些甘薯品種莖葉的鎘含量接近或者超過這以標準，而塊根鎘含量遠低于莖葉，屬于無公害蔬菜質量標準的范圍內。甘薯塊根中的鎘累積是塊根吸收和莖葉轉運共同作用的結果，而哪種作用對塊根中鎘累積的貢獻最大，有待進一步研究證明。甘薯對鎘的吸收累積在不同品種間差異主要受遺傳控制，與其基因型密切相關[10]。同時，鎘脅迫造成了甘薯葉片光合作用的減弱，加速了甘薯葉的衰老，甘薯植株保護酶活性的上升減少了細胞凋亡，維護了細胞的正常新陳代謝[11]。

3 影響甘薯與馬鈴薯鎘吸收的主要因素

3.1 土壤pH 值

一般來說，在中性和堿性條件下，隨著pH 值的升高，土壤中生成鎘的硫化物、氫氧化物、碳酸鹽和磷酸鹽的沉淀逐漸增多[12]。同時，很多作物對鎘的吸收能力都受土壤pH 值的影響，在適于作物生長的范圍內，土壤微環境pH 值和馬鈴薯根、莖中鎘的積累量呈顯著負相關，土壤微環境有機質的含量與馬鈴薯葉中鎘的積累呈極顯著正相關，馬鈴薯根中鎘含量與莖中鎘含量呈顯著正相關，這說明土壤微環境pH 值是影響馬鈴薯鎘吸收的重要因素[13]。

石灰和羥基磷灰石對鎘污染治理的主要依據是提高了土壤微環境pH 值，從而降低土壤中有效態鎘含量，抑制作物對鎘的吸收和積累。此外，羥基磷灰石中的鈣離子能夠阻礙馬鈴薯對土壤中鎘的吸收，但是這一效應作用存在很大的局限性，過量的施用羥基磷灰石可能會抑制馬鈴薯的正常生長[14]。目前用石灰結合土壤調理劑處理鎘污染土壤，再種植不易富集鎘的甘薯品種，達到了改良土壤的作用，又保證了土壤的利用和農業生產，取得良好的效果。

3.2 土壤Eh 值

Eh 值是溶液氧化性或還原性強弱的衡量指標，Eh 值愈大，氧化性愈強，Eh 值愈小，還原性愈強。Eh>0 視為氧化條件，Eh<0 視為還原條件。土壤中有許多氧化還原體系，氧化條件下（Eh 值高時）比還原條件下（Eh 值低時）更容易促進作物對鎘的吸收。鈣鎂磷肥因為影響到土壤中的Eh 值，已成為重要的重金屬污染土壤改良劑。在堿性土壤上施用鈣鎂磷肥時，能達到改良土壤環境、增產和緩解鎘毒害的作用[15]。在重金屬脅迫下,施用鈣鎂磷肥能夠降低重金屬對小白菜的毒害作用，土壤中的重金屬基本不影響小白菜的正常生長，顯著抑制了重金屬Cd和Pb 等元素向小白菜地上葉片部分的遷移[16]；適量的鈣鎂磷肥能促進甘薯的增產，促進甘薯生物產量積累的顯著增加，提高甘薯薯塊的干率以及淀粉含量[17]；施用鈣鎂磷肥增強了馬鈴薯對鎘的抗性，使馬鈴薯表現出更強的重金屬污染耐受性，同時也提高了馬鈴薯單株產量和生物量積累[18]，可見施用適量鈣鎂磷肥是鎘污染土壤改良有效可行的重要方法。

3.3 土壤陽離子交換量

土壤陽離子交換量（CEC）反映了土壤膠體的負電荷量，CEC 越高，負電荷量越高，通過靜電吸引而吸附的鎘離子也越多。氮磷鉀肥由于其自身能夠給土壤提供一定的離子環境，影響土壤中鎘的存在狀態，進而改變作物對鎘的吸收能力；土壤中有機質通過改變陽離子交換量來影響土壤的吸附能力；腐殖質中的含氧功能團也是制約土壤陽離子交換量的重要因素[19]。有研究表明，施用氮肥能改變植物對重金屬的吸收能力[20]，其種類、用量可明顯影響植物對鎘的吸收[21]，長期使用磷肥能促進馬鈴薯對鎘的吸收和積累[22]，磷酸二氫鉀、磷酸氫二銨和沸石均能提高土壤速效磷含量，而土壤速效磷含量與有效態與鎘含量呈極顯著負相關[23]。土壤鎘污染區種植馬鈴薯，氮肥施用量需降低，磷肥施用量不變，鉀肥施用量需適當增加[24]。各礦質元素在甘薯不同器官的積累量隨植株生長而增加，但分配率不同，前期各元素集中于地上部，中后期逐漸轉移至塊根中[25]，這與甘薯植物體內不同部位鎘含量分布規律一致[10]，說明礦質元素在甘薯體內的積累具有協同性。腐植酸對植物體的生長發育有明顯的促進作用，并能提高植物的抗性能力。腐植酸鈉能抑制作物對鎘污染區土壤中鎘的吸收，施用一定量的腐植酸鈉能抑制小白菜對鎘的吸收，減輕鎘對植物的危害，降低小白菜可食部分鎘含量[26]，這種規律在不同作物中有著類似性。在施肥適量的情況下，腐殖酸緩釋肥能夠延緩馬鈴薯無機肥的釋放，減少養分的損失同時也改善了馬鈴薯的品質，是一種環保型的高效肥料[27]。有機肥也可改良重金屬污染土壤，增加土壤肥力、增強植株抗性和抑制重金屬吸收。羊糞由于含有較多有機酸類物質，可緩解土壤鎘污染對作物的危害，增強土壤對鎘的固定能力,降低重金屬有效性，抑制作物對鎘的吸收[28]。施用生物有機肥，能較好地協調地上部與地下部的生長，促進結薯，提高鮮薯產量、品質及商品率[29]。土壤緩釋肥與有機肥配施能滿足馬鈴薯對養分的需求,達到較好的增產效果,并在一定程度上減少了肥料成本投入與生產勞動成本投入[30]。

3.4 生物炭

生物炭不是一般的木炭，是一種碳含量極其豐富的木炭。它是在低氧環境下，通過高溫裂解將木材、草、玉米稈或其他農作物廢物碳化。這種由植物形成的，以固定碳元素為目的的木炭被科學家們稱為“生物炭”。

生物炭既可作為高品質能源、土壤改良劑，也可作為還原劑、肥料緩釋載體及二氧化碳封存劑等，已廣泛應用于固碳減排、水源凈化、重金屬吸附和土壤改良等，可在一定程度上為氣候變化、環境污染和土壤功能退化等全球關切的熱點問題提供解決方案。添加生物炭后，土壤pH 值和陽離子交換量（CEC）隨著培養時間的增加而逐漸增加，而土壤有機碳（SOC）含量則呈先增加至最大值而后緩慢降低的趨勢，但仍高于對照；同時，生物炭的施入顯著降低了土壤中弱酸可提取態鎘和還原態鎘含量，提高了可氧化態鎘和殘渣態鎘含量，且隨著培養時間的延長這種轉化趨勢更為明顯[31]。而生物炭的施用能有效提高馬鈴薯干物質積累速率和生物產量[32]，施用炭基肥料能顯著促進甘薯地上部發育，極大提高甘薯生物產量[33]。

3.5種植模式

鎘被植物吸收后，與植物體內蛋白的結合更穩定，所以在植物體內，鎘多與蛋白結合而存在，甘薯、馬鈴薯蛋白質含量都在2%左右，可見甘薯于馬鈴薯鎘積累的容量不大。2009年在鎘中毒污染區種植進行鎘低吸收甘薯品種篩選，發現甘薯品種間不僅生物量差異大，對鎘的吸收和積累能力也不同，雖然莖葉含量遠大于塊根，但均未超過國家食品中污染物限值標準GB2726-20085。因此，除土壤自身環境外，品種差異是影響甘薯鎘積累的重要因素，種植低鎘吸收薯類品種，將不影響污染土壤的使用。同時，篩選高吸收鎘的甘薯、馬鈴薯品種，在鎘含量高的土壤，通過種植高鎘吸收品種來富集土壤中鎘，從而達到降低和改良污染土壤，種植后的生物產出，可以作為生物能源材料使用，實現鎘轉移和鎘提取的作用。

實行低鎘吸收甘薯品種和玉米（高鎘吸收）套作種植或者低鎘吸收甘薯品種和高鎘吸收馬鈴薯品種輪作種植能夠對鎘污染土壤治理和利用發揮最佳效用。按試驗數據，根據污染程度和季節的不同，合理安排輪作和套作，可使污染土壤的甘薯莖葉含量降低50%～80%。利用非食用的作物吸收土壤中重金屬鎘，降低食用作物對鎘的吸收，也能有效減少重金屬通過食物鏈向人體的遷移和積累。同時，利用高鎘吸收作物和低鎘吸收作物間套作，既能保證農業生產，又能改善土壤鎘污染環境，實現了污染區土壤進行充分利用，同時還能有效治理土壤鎘污染。

4 甘薯與馬鈴薯在鎘污染土壤治理中的應用前景

重金屬污染治理是綜合性極強的項目，也是人類在生產活動中遇到的重大難題，目前雖有一些實踐性的治理方案，但是尚無具有明顯成效的方案。生物修復尤其是農作物本身對鎘污染土壤的修復和治理，是源自生態環境的最直接和最自然的方案，其供選擇的方案非常多，卻亟待人們去發掘與利用。

人們在鎘污染治理實踐中應該綜合考慮多方面的影響因素。甘薯對鎘和鉛的吸收具有協同作用，單污染下甘薯對鉛的富集大于鎘，復合污染下甘薯對鎘的富集大于鉛[34]。類似的規律也存在于油菜[35]、花葉冷水花[36]、芥菜[37]等作物，說明鎘污染不單純是土壤中單一礦物質污染的結果，在設計治理方案時需綜合考慮土壤微環境和作物本身的關系。不同土壤改良劑的利用也只是從某方面實施改良，多種改良劑的組合利用，如石灰+鈣鎂磷肥或者石灰+有機肥等組合就能起到多方位的調節作用。同時，在選擇土壤改良劑時，也應該充分考慮到作物生長習性，如偏好酸性土壤的作物，選用有機肥或者生物炭比石灰等堿性調節劑更利于作物生長，而甘薯和馬鈴薯作為先鋒作物，具有廣泛的適應性，在這方面的要求不高，也是甘薯和馬玲薯選作重金屬污染土壤種植作物的重要原因之一。

篩選低鎘積累或高鎘吸收的薯類品種作鎘污染土壤作物是必不可少的步驟，國家甘薯產業體系長沙綜合試驗站在甘薯低鎘吸收品種篩選的試驗過程中發現，鎘污染土壤中，不同甘薯品種間不僅生物量差異大，而且對鎘的吸收和積累能力也不同。按照國家食品中污染物限值標準≤0.01 mg/kg（GB2726-20085），盡管甘薯莖葉的鎘積累大于塊根，很多甘薯對鎘的吸收和積累屬于安全范圍內，試驗站篩選的湘薯09-8等品種為低鎘吸收品種。農業部無公害標準NY5221- 2005 規定薯芋類蔬菜馬鈴薯鎘含量低于0.05 mg/kg，很多馬鈴薯品種在鎘污染區對鎘的吸收和積累超出這一范圍，為高鎘吸收品種，但是很少超過0.1 mg/kg。同時作物的耕種模式同樣影響到作物對鎘的吸收，甘薯多數品種為低鎘吸收品種，而馬鈴薯卻能很好地富集鎘，這兩大重要旱糧作物可以在同一塊耕地上進行輪作耕種，起到很好的互補作用，既能改善土壤環境，降低土壤鎘含量，又能保證農業生產。

現代生物技術在農業上的應用，也為利用甘薯和馬鈴薯治理鎘污染土壤提供了新思路。QTL（quantitative trait locus）指的是檢測控制數量性狀的基因在基因組中的位置。目前已經檢測出許多低鎘吸收甘薯品種和高鎘吸收的馬鈴薯品種，構建甘薯分子連鎖圖譜，對雜交群體高鎘處理下的形態特征數據進行分析，確定各性狀QTL 的數目及其在染色體上的位置已經成為尋找調控作物鎘吸收和運輸主要基因[38]。趙雄偉等構建了了玉米籽粒與鉛吸收有關性狀的自交系群體，對玉米籽粒鉛含量性狀進行了QTL 定位分析[39]。林輝峰等水稻苗期耐鎘脅迫的QTL 初步定位，檢測到3個與耐鎘有關的QTLs[40]。王益等利用q-PCR 的方法分析鎘脅迫下基因的表達，克隆出豌豆參與鎘脅迫響應和吸收相關的10 多個基因[41]，為深層次研究作物與鎘吸收積累關系提供了全新的思路。

[1]張增強. 重金屬鎘在土壤中吸持/釋放及運移特征的研究[D]. 楊凌：西北農業大學，1998.

[2]黃耀裔. 土壤重金屬污染來源與預防治理[J]. 能源與環境，2009，（1）：62-63.

[3]成顏君，龔偉群，李戀卿，等.種雜交水稻對2種不同土壤中Cd吸收與分配的比較[J]. 農業環境科學學報，2008，27（5）：1895-1900.

[4]朱 勇，葉宇飛，江瀟瀟，等. 鉛鎘污染土壤上蔬菜種類的選擇[J]. 浙江農業科學，2010，（2）：383-385.

[5]Topcuoglu B，Onal M K. The effects of MSW compost application on the yield and heavy metal accumulation in potato plant （Solatium tuberosum L.）[J]. Acta Horticulturae，2012，944：83-86.

[6]KCasova，JCerny，JSzakova，et al. P.Tlustos.Cadmium balance in soils under different fertiIization managements including sewages ludge application[J]. Plant Soil Enviro，2009，55（8）：353-361.

[7]Fan J L，Ziadi N，Belanger G，et al. Cadmium accumulation in potato tubers produced in Quebec[J]. Canadian Journal of Soil Science，2009，89（4）：435-443.

[8]Fan T，Qi X B，Hu C，et al. Effect of alternate partial root-zone irrigation w ith reclaimed water on heavy metals accumulation and distribution in potato[J]. Journal of Irrigation and Drainage，2011，30（2）：95-97.

[9]付海波，曾 艷，陳敬安，等. 鉛鋅礦冶煉區農田土壤和馬鈴薯中Cd 含量及其化學形態分布[J]. 河南農業科學，2014，43（9）：66-71.

[10]劉昭兵，紀雄輝，田發祥，等. 不同基因型甘薯（Ipomoea batatas Lam. ）吸收累積Cd 的特征差異性研究[J].農業環境科學學報，2010，29（9）：1653-1658.

[11]胡玉龍，李雪華，趙蘋藝，等. 鎘脅迫對甘薯苗生理生化指標的影響[J]. 湖北農業科學，2015，54（4）：858-861.

[12]A ltin O，Ozbelge O H，Dogu T. Effect of pH，flow rate and concentration on the sorption of Pb and Cd on montmorillonite. Experimental[J]. Journal of chemical technology and biotechnology，2007，74（12）：1131-1138.

[13]趙轉軍，南忠仁，王兆煒，等. 綠洲油菜根際土壤中Cd，Pb 賦存形態特征及其互作影響[J]. 干旱區資源與環境，2013，12（27）：93-99.

[14]宋 勇，何 談，劉明月，等. 羥基磷灰石對Cd 污染土壤中馬鈴薯生長及品質的影響[J]. 環境科學，2010，31（9）：2240-2247.

[15]霍文瑞，曹仁林，何宗蘭，等. 不同改良劑抑制水稻吸收Cd 的研究——在石灰性土壤上[J]. 農業環境保護，1989，6（6）：38-40.

[16]陳曉婷，王 果，梁志超，等. 鈣鎂碑肥和娃肥對Cd、Pb、Zn 污染土壤上小白菜生長和元素吸收的影響[J]. 福建農林大學學報（自然科學版），2002，31（1）：109-112.

[17]張超凡，周 虹，黃艷嵐，等. 甘薯新品種湘薯20 號的選育及栽培技術[J]. 湖南農業科學，2010，（8）：18-20.

[18]史曉瓏，楊強勝，白瑞琴， 等. 鎘脅迫下4種肥料對馬鈴薯生長發育的影響[J]. 內蒙古農業大學學報，2015，36（1）：34-39.

[19]Vasiliev A N，Golovko L V，Trachevsky V，et al. Adsorption of heavy metal cations by organic ligands grafted on porous materials[J]. M icroporous and Mesoporous materials，2009，118（4）：251-257.

[20]聶俊華，劉秀梅，王慶仁. 營養元素N、P、K 對Pb 超富集植物吸收能力的影響[J]. 農業工程學報，2004，20（5）：262-265.

[21]Tsadilas C D，Karaivazoglou N A，Tsotsolis N C，et al. Cadmium up take by tobacco as affected by liming，N form and year of cultivation[J]. Environmental Pollution，2005，134：239-246.

[22]李 波，青長樂，周正步，等. 肥料中氮磷和有機質對土壤重金屬行為的影響及在土壤治污中的應用[J].農業環境保護，2000，19（6）：375-377.

[23]王秀麗，梁成華，馬子惠，等. 施用磷酸鹽和沸石對土壤鎘形態轉化的影響[J]. 環境科學，2015，36（4）：1437-1444.

[24]鄧祿軍，夏錦慧，張亞莉，等. 土壤鎘污染對馬鈴薯塊莖氮、磷、鉀含量及積累量的影響[J]. 安徽農業科學，2013，（14）：6238-6240.

[25]柳洪鵑，張立明，史春余，等. 甘薯礦質元素吸收與分配特性研究[J]. 中國土壤與肥料，2011，（2）：71-75.

[26]任學軍，杜 彬，任艷軍. 腐植酸納對Cd 脅迫小白菜生物效應的研究[J]. 安徽農業科學，2010，38（30）：16888-16890.

[27]郭建芳，王曰鑫. 腐殖酸緩釋肥對馬鈴薯產量及品質的影響[A]. 北京：第五屆全國綠色環保肥料新技術、新產品交流會論文集[C]. 北京：中國腐植酸工業協會，2005.

[28]曹利軍，王華東. 土壤作物系統Cd 污染及其防治研究[J]. 環境污染與防治，1996，18（5）：8-11.

[29]張超凡，李宏志，楊紅權，等. 高產甘薯品種徐薯22 三級高倍快速繁殖技術研究[J]. 湖南農業科學，2009，（10）：9-11.

[30]芶久蘭，何佳芳，周瑞榮，等. 緩釋肥與有機肥配施對馬鈴薯產量及養分吸收的影響[J]. 貴州農業科學，2011，（12）：151-153.

[31]王 林，徐應明，梁學峰，等. 生物炭和雞糞對鎘低積累油菜吸收鎘的影響[J]. 中國環境科學，2014，34（11）：2851-2858.

[32]任少勇，王 姣，黃美華，等. 炭基肥對馬鈴薯干物質積累分配和產量的影響[J]. 中國馬鈴薯，2013，（4）：215-221.

[33]劉 晴. 不同炭基肥料對甘薯農藝性狀、產量的影響[J]. 農業科技通訊，2012，（6）：73-75.

[34]黃以波，謝 素，亦如瀚，等. 鎘、鉛、芘復合污染對甘薯生長及生理特征的影響[J]. 生態科學，2014，33（1）：113-120.

[35]趙轉軍，南忠仁，王兆煒，等.綠洲油菜根際土壤中Cd、Pb 賦存形態特征及其互作影響[J]. 干旱區資源與環境，2013，（12）：93-99.

[36]趙楊迪，潘遠智，劉碧英，等. Cd、Pb 單一及復合污染對花葉冷水花生長的影響及其積累特性研究[J].農業環境科學學報，2012，31（1）：48-53.

[37]謝 素，寇士偉，吳鵬輝，等. Cd-Cu-Pb 復合污染對芥菜吸收Cd、Cu 和Pb 及礦質元素的影響[J]. 環境科學研究，2012，25（4）：453-459.

[38]李愛賢，劉慶昌，王慶美，等. 利用SRAP 標記構建甘薯分子連鎖圖譜[J]. 作物學報，2010，（8）：1286-1295.

[39]趙雄偉，林海建，張志明，等. 玉米籽粒重金屬鉛（Pb2+）含量的QTL 定位[J]. 遺傳，2014，36（8）：821-826.

[40]林輝鋒，熊 君，賈小麗，等. 水稻苗期耐Cd 脅迫的QTL 定位分析[J]. 中國農學通報，2009，25（9）：26-31.

[41]Wang Y，Yu K F，Poysa V，et al. A Single Point Mutation in GmHMA3 A ffects （Cd）[J]. Translocation and Accumulation in Soybean Seeds Molecular Plant，2012，5（5）：1154-1156.