不同類型土壤鎘含量對香芋鎘吸收的影響

謝運河，紀雄輝*，田發祥，柳賽花，張子葉，易紅偉

1.湖南省農業環境生態研究所/農業部長江中游平原農業環境重點實驗室/農田土壤重金屬污染防控與修復湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410125；2.湖南雙紅農科生態工程有限公司，湖南 長沙 410006

農產品是人類賴以生存和發展的物質基礎，農產品數量安全和質量安全是農業生產的兩大核心任務。隨著科技的發展和農業生產的進步，我國農產品數量安全已得到了有效保障，但質量安全問題日益凸顯，對人們的身心健康產生著極大的威脅（尤雷，2018）。我國農田主要超標重金屬元素為鎘（Cd），2014年環境保護部和國土資源部聯合發布的《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，全國耕地污染點位超標率 19.4%，且主要為Cd污染。造成農產品Cd超標的主要原因有：一是受人類活動和自然因素的影響，Cd的排放總量增加，造成農田土壤Cd總量增加（Dudka et al.，1999）；二是土壤酸化，增加了Cd的活性，增強了土壤Cd向作物中的轉移（廖柏寒等，2009）；三是作物的累積性能及耕作制度也直接影響作物對Cd的積累（吳家梅等，2019）。關于水稻、玉米、大宗蔬菜等主要農作物 Cd吸收積累規律及調控機制皆已有大量研究（周靜等，2018；楊陽等，2017），但關于香芋（Colocasia esculenta）Cd累積的研究鮮見報道。

香芋被稱為“蔬菜之王”，營養價值豐富，色香味俱全（侯運和，2011），是一種藥膳兼用型蔬菜，并隨人們生活水的提高和膳食結構的改變，香芋的需求量與日俱增、種植面積逐年加大，香芋種植已逐漸成為湖南臨武、江永等地區的農業支柱產業（文強書等，2018；曹真，2017）。香芋主要采用高壟種芋、深溝淹水的方式進行，種植方式介于水田和旱作之間，是一種比較特殊的水旱交替種植模式（李祖彪，2007）。因此，明確該種植模式下土壤理化性狀、Cd含量對香芋Cd吸收的影響，對指導香芋的安全生產、促推香芋產業的健康發展皆具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗方法

本研究在湖南省臨武縣進行，根據該縣香芋種植的兩類土壤母質特征和前期調研結果（世界銀行貸款湖南省污染農田綜合管理項目（發改外資[2011]1915號），分別選擇位于南強鎮文溪村（25°13′33.13″N，112°36′4.25″E）和武水鎮城頭村（25°19′10.06″N，112°35′13.34″E）的兩種主要香芋種植土壤類型：南強鎮文溪村香芋種植基地（WX）為紫色頁巖發育的堿性水稻土，武水鎮城頭村基地香芋種植基地（CT）為第四紀紅壤發育的酸性水稻土，兩個基地皆存在不同程度的Cd污染。兩個基地地勢平坦，整體呈狹長型分布，土壤肥力中等偏上，香芋連片種植面積超過 20 hm2，皆采用水稻-香芋輪作模式，種植時間超過5年。根據流域灌溉水走向，兩個香芋種植基地皆從上游至下游分別設置6個取樣點位，相鄰取樣點間直線距離約1 km，每個取樣點選擇相鄰的3個田塊，作為每個取樣點位的3次重復，每個田塊按照五點取樣法對土壤和香芋進行“一對一”取樣。

兩個試驗基地的香芋品種皆為“舜溪”香芋，是臨武縣當前種植面積最大的香芋品種。

1.2 測定指標與數據分析方法

樣品處理：每個田塊按照五點取樣法，每個點取香芋樣2蔸，香芋和秸稈清洗干凈后分別切成小顆粒（粒徑＜1 cm），采用四分法留樣1/4，再五點混合后烘干粉碎過100目篩（粒徑＜0.149 mm）后備用；土壤樣品每個點取0—20 cm耕層土壤250 g左右，五點混合風干后，分別制備 100目（粒徑＜0.149 mm）和20目（粒徑＜0.85 mm）樣品備用。香芋和秸稈樣品測定Cd全量；20目土壤樣品用于測定有機質含量（SOM）、陽離子交換量（CEC）、pH及DTPA-Cd含量；100目土壤樣品用于測定土壤Cd全量。

指標測定：香芋及秸稈Cd含量采用GB5009.15方法測定，土壤DTPA-Cd含量采用GB/T 23739—2009方法測定；土壤Cd全量采用GB/T 17141方法測定。其他土壤理化性質按《土壤農業化學分析方法》（魯如坤，2000）進行測定。

數據處理：以每個取樣點相鄰的3個田塊為重復，采用Microsoft excel 2003進行數據的整理，采用 SPSS 17.0進行數據的方差分析（LSD方法，α=0.05）、相關分析（Bivariate過程進行，*：在P＜0.05水平上相關顯著；**：在P＜0.01水平上相關顯著）和線性回歸分析。

2 結果與分析

2.1 區域土壤Cd污染情況及主要理化性質特征

測定土壤主要理化性質及Cd含量情況可知（表1），兩個基地皆存在不同程度的Cd污染，WX點平均土壤全Cd含量比CT點高29.0%（P＜0.05），但WX點平均DTPA-Cd含量和Cd有效性則分別比CT 點低 53.6%（P＜0.05）和 64.0%（P＜0.05）。WX點平均土壤 pH比 CT點高2.33個 pH單位（P＜0.05），且同一地點不同田塊間土壤pH皆差異顯著，WX點土壤最高與最低pH相差1.02個pH單位（P＜0.05），而CT點則相差0.08個pH單位（P＜0.05）；而WX點平均SOM比CT點低20.3%（P＜0.05），但同一地點不同田塊間土壤有機質含量差異皆不顯著；WX點平均陽離子交換量是CT點的 2.2倍（P＜0.05），且同一地點不同田塊間土壤CEC差異也皆不明顯。可見，兩試驗點田塊間土壤Cd含量、pH的變異性較大，而土壤有機質和陽離子交換量則變異較小。根據DTPA-Cd/全Cd計算土壤Cd的有效性結果表明，WX土壤Cd的有效性整體低于CT點，且同一地點不同田塊間差異不明顯。

2.2 香芋Cd含量特征及其轉移系數

香芋及其秸稈Cd含量如表2所示，CT點的香芋及其秸稈Cd含量皆高于WX點，每個地點不同田塊間香芋和秸稈 Cd含量差異顯著。CT點香芋Cd含量比WX點高66.7%（P＜0.05），且皆超過《食品安全國家標準GB2762—2017》；CT點香芋秸稈平均Cd含量是WX點的3.6倍（P＜0.05）。

表1 土壤Cd質量分數及主要理化性質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的轉移系數（TFX/Y）Table 2 The Cd contents (CX) and Cd transfer coefficients (TFX/Y) of taro

CT點Cd的秸稈/香芋轉移系數（TFstem/taro）、香芋/土壤轉移系數（TFtaro/soil）皆低于WX點，且CT點Cd的TFstem/taro、TFtaro/soil田塊間皆存在顯著差異，而 WX點則差異皆不明顯；CT點 Cd的TFstem/taro、TFtaro/soil分別是 WX 點的 1.9倍（P＜0.05）和 1.9倍（P＜0.05）?？梢?，兩個地點間香芋 Cd含量及其轉運系數差異較大，且 WX點 Cd的TFstem/taro、TFtaro/soil不受田塊的影響，但CT點不同田塊間香芋Cd的TFstem/taro、TFtaro/soil差異顯著。

2.3 香芋Cd含量與土壤Cd含量及主要理化性質的相關分析

分析香芋Cd含量與土壤Cd含量及土壤理化性質之間的相關性表明（表3），WX點香芋及秸稈Cd含量皆與土壤全Cd、TFtaro/soil呈顯著或極顯著正相關，且與土壤DTPA-Cd、pH、SOM及CEC皆相關不明顯，表明WX點香芋及秸稈Cd含量主要受土壤全Cd、土壤至香芋的轉移能力共同調控，而受土壤DTPA-Cd、pH、SOM及CEC的影響較小。建立 WX試驗點的香芋 Cd含量（y：mg·kg-1）與土壤全Cd含量（x：mg·kg-1）的線性回歸方程：

計算香芋達標生產（香芋Cd含量＜0.1 mg·kg-1）時，WX點土壤全Cd含量閾值為0.65 mg·kg-1，即在當前生產情況下，在中堿性土壤的WX點選擇土壤全Cd含量低于0.65 mg·kg-1的土壤，可實現香芋的Cd安全生產。

CT點香芋及秸稈 Cd含量皆與土壤全 Cd、TFtaro/soil及DTPA-Cd皆呈極顯著正相關，與土壤pH皆呈顯著負相關，且與土壤SOM及CEC相關不明顯，表明CT點香芋及秸稈Cd含量既受土壤全Cd、土壤至香芋的轉移能力的正調節，也受土壤pH的負調節，但與土壤 SOM、CEC無顯著關聯。分別建立 CT點香芋 Cd含量（y：mg·kg-1）與土壤全Cd含量（x1：mg·kg-1）、土壤 pH（x2）、土壤DTPA-Cd含量（x3：mg·kg-1）的線性回歸方程：

分別計算香芋達標生產（香芋 Cd含量＜0.1 mg·kg-1）時CT點的土壤全Cd含量、土壤pH、土壤DTPA-Cd含量閾值，CT點的土壤全Cd含量閾值為0.41 mg·kg-1、土壤pH為6.26、土壤DTPA-Cd含量為 0.19 mg·kg-1，即在當前生產情況下，在酸性土壤的CT點，應選擇土壤全Cd含量低于0.41 mg·kg-1的土壤，或提升土壤pH至6.26以上，或通過鈍化土壤鎘活性使土壤DTPA-Cd含量降至0.19 mg·kg-1以下，可實現香芋的Cd安全生產。

香芋Cd轉移系數與土壤Cd含量及土壤理化性質之間的相關性表明（表3），WX點香芋TFstem/taro、TFtaro/soil皆與土壤全 Cd、DTPA-Cd、pH、有機質及陽離子交換量皆相關不明顯；CT點香芋TFstem/taro、TFtaro/soil則皆與土壤全Cd、DTPA-Cd呈顯著正相關，與土壤pH呈顯著負相關，與土壤有機質及陽離子交換量相關不明顯。可見，在WX點，Cd由土壤轉移至香芋，再至秸稈的轉移能力受土壤因子（土壤全Cd、DTPA-Cd、pH、有機質、陽離子交換量）的影響不明顯；但在CT點，Cd的轉移能力既受土壤全Cd和有效Cd的正調控，還受土壤pH的負調控。

表3 香芋Cd含量與土壤Cd含量及主要理化性質的相關系數Table 3 The correlation coefficients between the Cd content of taro and the Cd content of soil and soil’s chemical properties

3 討論

水旱交替管理是實現香芋高產的重要栽培方式，香芋在該栽培模式下具有成活率高、生長快、苗健整齊，以及管護方便省工、病蟲害少、產量高、商品性好等優點（李祖彪，2007）。但采用水旱交替管理的香芋高產種植模式，必定會增加土壤有效態Cd含量和Cd的生物有效性（紀雄輝等，2007；劉昭兵等，2010），而土壤鎘的生物有效性直接決定了植物對 Cd的吸收積累（孫麗娟等，2018）。本試驗中兩個試驗點的香芋Cd含量皆超過了食品安全國家標準（0.1 mg·kg-1），相關分析結果表明，兩個試驗點的香芋Cd含量皆與土壤全Cd、TFtaro/soil皆呈極顯著正相關，表明香芋Cd轉運能力、土壤全Cd含量是香芋Cd超標的兩大主要影響因子。因此，選擇Cd含量低的土壤種植Cd積累能力低的香芋品種是實現香芋安全生產的重要途徑。

本研究結果表明，在中堿性土壤的WX點和酸性土壤的CT點，分別選擇全Cd含量分別低于0.65和0.41 mg·kg-1的土壤種植香芋，是實現香芋的Cd安全生產的重要前提。但由于土壤Cd活性不僅受土壤全Cd含量的影響，還受土壤pH等環境因子的調控。Zhu et al.（2016）研究表明土壤Cd活性與土壤pH值呈極顯著負相關，且土壤pH＞7時土壤Cd的生物有效性急劇下降。本研究中，中堿性土壤的WX點，香芋Cd含量主要受土壤全Cd、TFtaro/soil共同影響，而與pH等其他土壤因子相關性不明顯；但在酸性土壤的CT點，香芋Cd含量，既受土壤全Cd、TFtaro/soil、DTPA-Cd的正調節，還受土壤pH的負調節。表明在中堿性土壤的WX點，應在Cd含量低的土壤上種植Cd積累能力低的香芋品種；而在酸性土壤的CT點，還可通過調理土壤pH至6.26以上、鈍化土壤有效態Cd（DTPA-Cd）含量至0.19 mg·kg-1以下的方式，實現香芋的安全生產。

植物對Cd的積累不僅與土壤Cd的生物有效性相關，還受植物自身轉運Cd能力的影響（于輝等，2018）。不同作物類型、不同品種對 Cd的吸收轉運性能差異顯著（杜彩艷等，2019；李江遐等，2017），因此，篩選并種植 Cd積累能力低的品種是實現香芋安全生產的重要手段。此外，作物對Cd的吸收轉運能力還受土壤 pH等環境因子的調控（Wen et al.，2019），本研究中，酸性土壤CT點的土壤Cd有效性及香芋對Cd的轉運系數（TFstem/taro、TFtaro/soil）皆高于中堿性土壤的WX點，與WX點相比，CT點土壤Cd的有效性平均提高了1.8倍，且TFstem/taro、TFtaro/soil也分別提高了0.94倍和0.99倍，表明酸性土壤不僅提升了土壤Cd的有效性，同時還提升了土壤-植株系統Cd的遷移轉運能力，提升了香芋對Cd的吸收積累。

綜上，為實現香芋的Cd安全生產，不同土壤pH條件下應選擇不同的生產策略：中堿性土壤，應優先選擇Cd含量較低的土壤種植Cd積累能力較低的香芋品種，而酸性土壤還可結合施用石灰等調理土壤酸性、土壤調理劑鈍化土壤Cd活性的方式，降低香芋對Cd的吸收轉運和積累，實現香芋安全生產。

4 結論

（1）紫色頁巖發育的中堿性水稻土壤Cd活性、Cd在土壤-香芋系統中的轉移系數（TFstem/taro、TFtaro/soil）皆低于第四紀紅壤發育的酸性水稻土壤。

（2）香芋Cd含量主要受土壤全Cd和Cd在土壤-香芋系統中的轉移能力的正調控；但在第四紀紅壤發育的酸性水稻土壤中，香芋 Cd含量還受DTPA-Cd的正調控，還受土壤pH的負調控。

（3）在中堿性土壤中，香芋的安全生產應優先選擇Cd吸收能力較低的香芋品種，或選擇土壤全Cd低于0.65 mg·kg-1的土壤進行種植；而在酸性土壤中，則可優先選擇Cd吸收能力較低的香芋品種，或選擇土壤全Cd含量低于0.41 mg·kg-1的土壤，或通過施用石灰等調理土壤pH至6.26以上，以及采用土壤鈍化技術使土壤DTPA-Cd降至0.19 mg·kg-1以下，最好是因地制宜的選擇以上技術并進行優化組合，抑制土壤Cd向作物系統的遷移。