-
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”、化肥及农药等进入土壤环境,导致农业土壤重金属镉问题日益突出[1],农田镉污染不仅造成农作物产量、品质下降,并通过食物链严重威胁人体健康,还影响农业的可持续发展[2-3]。植物修复主要是利用对重金属具有特殊耐性和较强富集能力的植物来修复重金属污染土壤[4],如镉超积累植物忍冬(Lonicera japonica)和龙葵(Solanum nigrum)等。Huang等[5]研究表明,伴矿景天(Sedum plumbizincicola)地上部对重金属镉的积累量可达541.36 mg·kg−1,Yu等[6]发现青葙(Celosia argentea)是镉锰复合污染土壤的植物。粉葛(Pueraria thomsonii Benth)属豆科两年生落叶草质藤本植物[7],具粗大肥硕块根,富含淀粉和人体所必需营养成分及具有生理功能的活性成分[8],主要分布于广西、江西、广东、湖南、湖北、安徽、四川等地[9]。章丽娟[10]研究结果表明,矿区周边粉葛的生长不受重金属镉的影响,且块根产量能达到正常水平;陆金等[11]发现,粉葛块根对重金属镉的富集系数为4.37,说明粉葛对重金属镉具有很强的富集能力。粉葛对Cd移除量每年可达40 g·hm−2 [12]。目前,国内外关于粉葛重金属成分的研究较少[13],江西省粉葛资源相当丰富,但缺乏其相应的粉葛重金属镉含量的研究,粉葛对土壤重金属镉的吸收累积特征研究也较少。不同种植年限会影响作物对土壤养分的吸收、重金属富集等[14-15]。党华美等[16]研究发现,不同种植年限钩藤的重金属镉含量均不相同。粉葛有一年生和两年生种植,研究表明其总黄酮及葛根素会随种植年限逐年增加[17-18]。
本研究以江西省新余市某中度镉污染农田粉葛种植基地的粉葛为对象,研究不同种植年限下粉葛受土壤重金属镉的影响及其富集特征,旨在为减轻和预防农田土壤重金属镉污染、保护土壤环境和保障农产品质量安全提供参考依据。
-
从图1可以看出,不同种植年限间土壤pH、总镉、有效态镉含量和阳离子交换量差异均不显著(P>0.05,表1)。其中,两年生粉葛土壤有机质显著低于一年生(F=5.83,P=0.03),土壤有机质降低了19.11%。
表 1 不同种植年限粉葛土壤理化性质及重金属镉含量
种植年限 pH 有机质/(g·kg−1) 阳离子交换量/(cmol·kg−1) 总镉/(mg·kg−1) 有效态镉/(mg·kg−1) 一年生 4.63±0.09a 31.29±6.49a 5.87±0.57a 1.18±0.63a 1.00±0.59a 两年生 4.66±0.17a 25.31±4.37b 5.82±0.54a 1.28±0.94a 1.12±0.89a 注:表中数据n=10,同列中不同小写字母表示差异在P<0.05水平具有统计学意义,下同。 -
种植年限对粉葛不同部位中镉含量的影响见图1。除叶片外,不同种植年限间块根、葛粉、葛渣、葛头、主藤、侧枝中镉含量存在显著差异(P<0.05,图1),两年生粉葛植株镉含量显著高于一年生。与一年生粉葛相比,两年生粉葛块根、葛粉、葛渣、葛头、主藤、侧枝和叶片中镉含量分别增加了1.41、1.25、3.25、4.68、1.01、1.07和0.42倍。从均值来看,一年生粉葛块根、葛粉、葛渣、葛头、主藤、侧枝和叶片中镉含量分别为1.11、0.16、1.36、2.80、6.85、8.96和5.22 mg·kg−1,两年生粉葛块根、葛粉、葛渣、葛头、主藤、侧枝和叶片中镉含量分别为2.67、0.36、5.78、15.91、13.75、18.60和7.41 mg·kg−1。总体上,一年生和两年生粉葛不同部位镉含量大小顺序为侧枝>主藤>葛头>叶片>葛渣>块根>葛粉。一年生粉葛块根中镉含量为1.11 mg·kg−1,超过《食品安全国家标准:食物中污染物限量》(GB 2762—2017)[22]中蔬菜及其制品中块根和块茎蔬菜限量标准(Cd≤0.10 mg·kg−1),葛粉中镉含量0.16 mg·kg−1,未超过《药用植物及制剂外经贸绿色行业标准》(WM/T2—2004)[23]中的限量标准(Cd≤0.30 mg·kg−1)。两年生粉葛块根中镉含量为2.67 mg·kg−1,超过(GB 2762—2017)中蔬菜及其制品中块根和块茎蔬菜限量标准,葛粉中镉含量0.36 mg·kg−1,也超过(WM/T2—2004)中的限量标准。
-
由表2可见,除叶片外,两年生粉葛块根、葛头、主藤和侧枝/土壤均显著高于一年生(P<0.05)。粉葛各部位富集系数均>1(1.00~15.29),说明粉葛对土壤中镉的吸收能力较强。镉在粉葛不同部位中的富集系数由大到小顺序为侧枝>主藤>葛头>叶片>块根。由表2可见,葛头对块根的转运能力随种植年限增强,且两年生葛头/块根的转运系数显著高于一年生的;而叶片对块根的转运能力在第一年最强,且一年生叶片/块根的转运系数显著高于两年生的;不同种植年限间主藤和侧枝对块根的转运能力差异较小。由表2可知,对葛根的分配系数大小为葛渣>葛粉,不同种植年限间葛粉、葛渣/块根分配系数差异较小。
表 2 不同种植年限粉葛各部位富集系数、转运系数和分配系数
种植年限 一年生 两年生 富集系数 块根/土壤 1.00±0.46b 2.35±1.34a 葛头/土壤 2.68±0.97b 12.43±2.87a 主藤/土壤 5.75±1.11b 11.81±3.72a 侧枝/土壤 7.13±2.74b 15.29±4.03a 叶片/土壤 4.64±1.43a 6.41±3.07a 转运系数 葛头/块根 3.55±2.64b 6.76±3.61a 主藤/块根 6.01±2.56a 8.09±6.56a 侧枝/块根 8.37±7.18a 9.55±4.59a 叶片/块根 6.35±4.75a 3.08±1.34b 分配系数 葛粉/块根 0.22±0.23a 0.16±0.10a 葛渣/块根 1.82±1.81a 2.60±1.57a -
对土壤pH、有机质、有效态镉、总镉及粉葛不同部位中镉含量等11个指标进行相关性分析,结果(表3)表明,土壤阳离子交换量与一年生粉葛主藤和侧枝中镉含量均呈显著正相关(P<0.05);土壤总镉和有效态镉含量与一年生粉葛不同部位中镉含量均呈显著正相关(P<0.05)。土壤pH与一年生粉葛葛头中镉含量均呈显著负相关(P<0.05);土壤总镉和有效态镉含量与两年生粉葛不同部位中镉含量均呈显著正相关(P<0.05)。
表 3 土壤理化性质及Cd含量与粉葛不同部位中Cd含量的相关性分析
种植年限 变量 块根 葛粉 葛渣 葛头 主藤 侧枝 叶片 一年生 pH −0.11 −0.10 0.11 0.11 −0.29 −0.39 −0.04 有机质 0.57 0.59 0.51 0.54 0.61 0.63 0.57 阳离子交换量 0.57 0.61 0.52 0.52 0.67* 0.71* 0.60 土壤总镉 0.65* 0.92*** 0.92*** 0.81** 0.94*** 0.84** 0.90*** 土壤有效态镉 0.65* 0.95*** 0.94*** 0.79** 0.93*** 0.81** 0.89*** 两年生 pH −0.11 −0.51 −0.48 −0.71* −0.51 −0.57 −0.06 有机质 −0.18 −0.09 −0.01 −0.18 −0.11 −0.08 0.01 阳离子交换量 −0.13 0.01 0.10 0.20 0.14 0.16 0.02 土壤总镉 0.72* 0.89*** 0.88*** 0.98** 0.92*** 0.93** 0.66* 土壤有效态镉 0.67* 0.88*** 0.86*** 0.97** 0.90*** 0.91** 0.61* 注:*表示P<0.05,**P<0.01,***P<0.001。
Enrichment of cadmium by Pueraria thomsonii Benth planted for different years in farmland
-
摘要: 为揭示不同种植年限粉葛对土壤重金属镉的富集特征,以江西新余中度镉污染农田种植的一年生、两年生粉葛为研究对象,分析不同种植年限间粉葛(Pueraria thomsonii Benth)块根(葛粉和葛渣)、葛头、主藤、侧枝和叶片中重金属镉的含量及其富集情况。结果表明,除叶片外,两年生粉葛各部位镉含量显著高于一年生的;粉葛不同部位镉含量大小排序为侧枝>主藤>葛头>叶片>葛渣>块根>葛粉;粉葛对土壤镉富集系数均>1,说明粉葛对土壤中镉的吸收能力较强。除一年生粉葛葛粉外,一年生粉葛块根和两年生粉葛块根、葛粉中镉含量均超过国家食品安全限量标准。相关分析表明,粉葛各部位镉含量与土壤总镉和有效态镉含量呈显著正相关,粉葛各部分中镉含量随种植年限具有明显的累积效应。因此,在中度镉污染农田宜选择种植一年生粉葛,且食用方式以葛粉最佳,以达到生态和经济效益双赢。Abstract: An attempt was made to reveal the cadmium enrichment characteristics of Pueraria thomsonii planted for different years. The plants of P. thomsonii grown for one year and two years on moderately cadmium-contaminated farmland in Xinyu, Jiangxi province were collected to determine the content and enrichment of the heavy metal cadmium in the tuber (meal and residues), basal stem, main stem, lateral branches, and leaves. Except for the leaves, the cadmium content was significantly higher in each part of the two years old plants than in the one year old plants. The contents of cadmium in different plant parts were in the order of lateral branch > main stem > basal stem > leaves > residues > tuber > meal. P. thomsonii has a high capacity to absorb cadmium from soil, as evidenced by the enrichment coefficient of cadmium from soil to P. thomsonii being larger than 1. Except for the meal of the tuber from the one year old plants of P. thomsonii, the cadmium contents in the tuber of 1-years old plants, and the tuber and meal of 2-years old plants were all higher than the limit of the standard. Correlation analysis showed that the content of cadmium in each part of P. thomsonii had a significantly positive correlation with the total and available cadmium in the soil and had an accumulative effect on the age of the plants. Therefore, in a moderately cadmium-contaminated farmland it is recommended to plant P. thomsonii for one year and use its tuber to produce meal as food to attain both ecological and economic benefits.
-
Key words:
- Pueraria thomsonii Benth /
- plant age /
- cadmium /
- enrichment characteristics /
- heavy metal pollution /
- food safety
-
表 1 不同种植年限粉葛土壤理化性质及重金属镉含量
种植年限 pH 有机质/(g·kg−1) 阳离子交换量/(cmol·kg−1) 总镉/(mg·kg−1) 有效态镉/(mg·kg−1) 一年生 4.63±0.09a 31.29±6.49a 5.87±0.57a 1.18±0.63a 1.00±0.59a 两年生 4.66±0.17a 25.31±4.37b 5.82±0.54a 1.28±0.94a 1.12±0.89a 注:表中数据n=10,同列中不同小写字母表示差异在P<0.05水平具有统计学意义,下同。 表 2 不同种植年限粉葛各部位富集系数、转运系数和分配系数
种植年限 一年生 两年生 富集系数 块根/土壤 1.00±0.46b 2.35±1.34a 葛头/土壤 2.68±0.97b 12.43±2.87a 主藤/土壤 5.75±1.11b 11.81±3.72a 侧枝/土壤 7.13±2.74b 15.29±4.03a 叶片/土壤 4.64±1.43a 6.41±3.07a 转运系数 葛头/块根 3.55±2.64b 6.76±3.61a 主藤/块根 6.01±2.56a 8.09±6.56a 侧枝/块根 8.37±7.18a 9.55±4.59a 叶片/块根 6.35±4.75a 3.08±1.34b 分配系数 葛粉/块根 0.22±0.23a 0.16±0.10a 葛渣/块根 1.82±1.81a 2.60±1.57a 表 3 土壤理化性质及Cd含量与粉葛不同部位中Cd含量的相关性分析
种植年限 变量 块根 葛粉 葛渣 葛头 主藤 侧枝 叶片 一年生 pH −0.11 −0.10 0.11 0.11 −0.29 −0.39 −0.04 有机质 0.57 0.59 0.51 0.54 0.61 0.63 0.57 阳离子交换量 0.57 0.61 0.52 0.52 0.67* 0.71* 0.60 土壤总镉 0.65* 0.92*** 0.92*** 0.81** 0.94*** 0.84** 0.90*** 土壤有效态镉 0.65* 0.95*** 0.94*** 0.79** 0.93*** 0.81** 0.89*** 两年生 pH −0.11 −0.51 −0.48 −0.71* −0.51 −0.57 −0.06 有机质 −0.18 −0.09 −0.01 −0.18 −0.11 −0.08 0.01 阳离子交换量 −0.13 0.01 0.10 0.20 0.14 0.16 0.02 土壤总镉 0.72* 0.89*** 0.88*** 0.98** 0.92*** 0.93** 0.66* 土壤有效态镉 0.67* 0.88*** 0.86*** 0.97** 0.90*** 0.91** 0.61* 注:*表示P<0.05,**P<0.01,***P<0.001。 -
[1] 环境保护部, 国土资源部. 全国土壤污染状况调查公报[R]. 北京: 环境保护部, 2014, 1 − 5. [2] LI B, WANG X, QI X, et al. Identification of rice cultivars with low brown rice mixed cadmium and lead contents and their interactions with the micronutrients iron, zinc, nickel and manganese [J]. Journal of Environmental Sciences, 2012, 24: 1790 − 1798. doi: 10.1016/S1001-0742(11)60972-8 [3] HUANG Y, WANG L Y, WANG W J, et al. Current status of agricultural soil pollution by heavy metals in China: A meta-analysis [J]. Science of The Total Environment, 2019, 651: 3034 − 3042. doi: 10.1016/j.scitotenv.2018.10.185 [4] 安婧, 宫晓双, 魏树和. 重金属污染土壤超积累植物修复关键技术的发展[J]. 生态学杂志, 2015, 34(11): 3261 − 3270. [5] HUANG R, DONG M L, MAO P, et al. Evaluation of phytoremediation potential of five Cd (hyper) accumulators in two Cd contaminated soils [J]. Science of The Total Environment, 2020, 721: 137581. doi: 10.1016/j.scitotenv.2020.137581 [6] YU G, ULLAH H, WANG X S, et al. Integrated transcriptome and metabolome analysis reveals the mechanismof tolerance to manganese and cadmium toxicity in the Mn/Cd hyperaccumulator Celosia argentea Linn [J]. Journal of Hazardous Materials, 2022, 443(2): 130206. [7] 王艳, 杨远宁, 王学礼, 等. 施用含硒有机肥对粉葛产量及硒吸收转运的影响[J]. 热带作物学报, 2021, 42(2): 449 − 454. [8] 田国政. 葛中重金属元素铅和镉的分析与评价[J]. 湖北民族学院学报(自然科学版), 2004, 22(4): 42 − 44. [9] 何绍浪, 张昆, 成艳红, 等. 江西省粉葛种植产业发展现状及对策[J]. 江西中医药, 2020, 51(12): 9 − 12. [10] 章丽娟. 大理葛根及其种植土壤中主要金属元素的调查[D]. 大理: 大理学院, 2012. [11] 陆金, 赵兴青, 黄健, 等. 铜陵狮子山矿区尾矿库及周边17种乡土植物重金属含量及富集特征[J]. 环境化学, 2019, 38(1): 78 − 86. [12] 林小兵, 武琳, 周利军, 等. 粉葛对农田土壤镉的富集特征[J]. 环境工程技术学报, 2022, 12(5): 1626 − 1632. [13] 叶惠煊, 谭舟, 刘向前, 等. 湿法消解-原子荧光光谱法测定湘葛一号中的砷、汞、铅[J]. 食品科学, 2014, 35(4): 151 − 154. doi: 10.7506/spkx1002-6630-201404031 [14] 井永苹, 李彦, 薄录吉, 等. 不同种植年限设施菜地土壤养分、重金属含量变化及主导污染因子解析[J]. 山东农业科学, 2016, 48(4): 66 − 71. doi: 10.14083/j.issn.1001-4942.2016.04.016 [15] 郭睿, 王士华, 赵应勇. 不同种植年限对大叶女贞土壤生态环境的影响[J]. 西部林业科学, 2019, 48(6): 90 − 96. doi: 10.16473/j.cnki.xblykx1972.2019.06.014 [16] 党华美, 赵欢, 何腾兵, 等. 贵州不同种植年限钩藤土壤重金属的安全评价[J]. 中药材, 2015, 38(11): 2257 − 2261. doi: 10.13863/j.issn1001-4454.2015.11.005 [17] 张尊听, 杨伯伦, 刘谦光, 等. 太白山野葛根中异黄酮和葛根素含量随季节的变化[J]. 天然产物研究与开发, 2001, 13(6): 33 − 35. [18] 刘逢芹, 李宏建, 周扬星, 等. 不同采集时间野葛不同部位总黄酮和葛根素含量比较[J]. 植物资源与环境学报, 2006, 15(2): 79 − 80. [19] 鲁如坤. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京: 中国农业科技出版社, 1999. [20] 龙玉梅, 刘杰, 傅校锋, 等. 4种Cd超富集/富集植物修复性能的比较[J]. 江苏农业科学, 2019, 47(8): 296 − 300. [21] 刘冲, 赵玲, 李秀华, 等. 苎麻对农田土壤中汞、镉的吸收累积特征研究[J]. 农业环境科学学报, 2020, 39(5): 1034 − 1042. [22] 中华人民共和国国家卫生和计划生育委员会, 国家食品药品监督管理总局. 食品安全国家标准, 食物中污染物限量(GB 2762—2017) [S]. 北京: 中国标准出版社, 2017, 1-19. [23] 中国人民共和国商务部. 药用植物及制剂外经贸绿色行业标准(WM/T2—2004)[S]. 北京: 中国标准出版社, 2005: 1 − 6. [24] 王克安, 杨宁, 李絮花, 等. 不同种植年限日光温室土壤养分变化规律研究[J]. 山东农业科学, 2010, 42(9): 56 − 59. [25] 李玉娣, 谷洁, 付青霞, 等. 陕西云阳蔬菜大棚土壤养分及微生物群落功能两样性研究[J]. 农业环境科学学报, 2014, 33(4): 765 − 771. [26] 柳小兰, 王科, 王道平, 等. 碳酸盐岩地区不同种植年限的黄壤重金属含量特征及评价[J]. 江苏农业科学, 2019, 47(16): 308 − 312. [27] 郭军康, 赵瑾, 魏婷, 等. 西安市郊不同年限设施菜地土壤Cd和Pb形态分析与污染评价[J]. 农业环境科学学报, 2018, 37(11): 2570 − 2577. [28] 刘进, 潘月鹏, 师华定. 华北地区农田土壤镉来源及大气沉降的贡献[J]. 农业环境科学学报, 2022, 41(8): 1698 − 1708. [29] 董萌, 赵运林, 库文珍, 等. 洞庭湖湿地8种优势植物对镉的富集特征[J]. 生态学杂志, 2011, 30(12): 2783 − 2789. [30] SUN Y, ZHOU Q, LIN W, et al. Cadmium tolerance and accumulation characteristics of Bidens pilosa L. as a potential Cd-hyperaccumulator [J]. Journal of Hazardous Materials, 2009, 161(2/3): 808 − 814. doi: 10.1016/j.jhazmat.2008.04.030 [31] LU L, TIAN S, MIN Z, et al. The role of Ca pathway in Cd uptake and translocation by the hyperaccumulator Sedum alfredii [J]. Journal of Hazardous Materials, 2010, 183(1-3): 22 − 28. doi: 10.1016/j.jhazmat.2010.06.036 [32] 佘玮, 揭雨成, 邢虎成, 等. 不同程度污染农田苎麻吸收积累镉特性研究[J]. 中国农学通报, 2012, 28(14): 275 − 279. [33] 龙新宪, 王艳红, 刘洪彦. 不同生态型东南景天对土壤中Cd的生长反应及吸收积累的差异性[J]. 植物生态学报, 2008, 32(1): 168 − 175. [34] 郭媛, 邱财生, 龙松华, 等. 不同黄麻品种对重金属污染农田镉的富集和转移效率研究[J]. 农业环境科学学报, 2019, 38(8): 1929 − 1935. doi: 10.11654/jaes.2019-0597