?桑樹修復(fù)鎘污染農(nóng)田的效果及桑樹各部位鎘含量調(diào)查

蔣詩夢 李章寶 黃仁志 蔣勇兵 秦志雄 王明 曹慧

摘 要：為了探明不同污染程度農(nóng)田種植桑樹后，農(nóng)田土壤和桑樹內(nèi)鎘含量隨栽植年限的延長而發(fā)生的變化，在長株潭地區(qū)選取3個地點(diǎn)進(jìn)行長期取樣調(diào)查。結(jié)果表明：在Cd含量為風(fēng)險(xiǎn)篩選值之上的農(nóng)田種植桑樹，栽植3 a，土壤pH值明顯升高，土壤Cd含量明顯降低，但仍處于風(fēng)險(xiǎn)篩選值之上;生長至10月下旬、11月上旬，桑樹各部位Cd含量分布表現(xiàn)為葉>根>枝;多年生木本植物桑樹，隨著栽植年限的增加，各部位富集Cd的能力逐漸下降;結(jié)合前期試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行推測，桑樹在超過風(fēng)險(xiǎn)管控值的農(nóng)田種植3 a后，可以實(shí)現(xiàn)安全利用。

關(guān)鍵詞：桑樹;鎘污染農(nóng)田;土壤鎘含量;植株鎘含量;安全利用

中圖分類號：S888 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1006-060X（2020）07-0054-04

Abstract： In order to find out the changes of cadmium content in soil and mulberry trees （Morus alba L.） with the extension of their planting years in farmlands at different pollution levels， three sites were selected for long-term sampling survey in Changsha-Zhuzhou-Xiangtan Area. The results showed that 3 years after mulberry trees being planted in the farmland with Cd concentration above the risk screening value， the soil pH value increased significantly and the soil Cd concentration decreased significantly， but it was still above the risk screening value; from the end of October to the first ten days of November， the distribution of Cd concentration in different parts of mulberry was leaf > root > branch; with the increase of planting years， mulberry， as a perennial woody plant， presented a declining ability of Cd accumulation in different parts; speculated from the preliminary test results， mulberry trees could be safely used in raising silkworm after 3 years of planting in the farmland which exceeds the risk control value.

Key words： mulberry （Morus alba L.）; cadmium contaminated farmland; soil cadmium content; plant cadmium content; safe utilization

根據(jù)2019年全國農(nóng)田土壤污染治理暨長江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)修復(fù)與產(chǎn)業(yè)扶貧技術(shù)交流會專家報(bào)告可知，我國污染耕地已有0.1億hm2，農(nóng)田土壤受重金屬污染現(xiàn)象突出，約占重金屬總污染面積的40%。土壤污染的現(xiàn)狀推動了土壤修復(fù)行業(yè)與技術(shù)的發(fā)展。國內(nèi)外有許多技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)可供借鑒與參考，包括物理、化學(xué)和植物修復(fù)技術(shù)，其中植物修復(fù)具有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的雙重優(yōu)勢，但也存在不足之處[1]。例如：超富集植物龍葵、三葉鬼針草等吸收能力強(qiáng)，但為草本植物[2-3]，生長周期短，生物量小，大面積推廣需要加強(qiáng)栽培技術(shù)研究與種子繁育。木本植物生物量大，但富集能力有限[4]。

還有學(xué)者提出，草本與木本聯(lián)合修復(fù)可有效提高農(nóng)田土壤重金屬復(fù)合污染的修復(fù)效率[5]，還能改善污染土壤的環(huán)境質(zhì)量[6]。

2016年，國家《土壤污染防治行動計(jì)劃》中的目標(biāo)提到，到2030年，全國受污染耕地安全利用率達(dá)到95%以上?！鞍踩谩毙枰诔^風(fēng)險(xiǎn)篩選值或者超過風(fēng)險(xiǎn)管制值的農(nóng)用地上收獲符合國家安全標(biāo)準(zhǔn)的農(nóng)產(chǎn)品。桑樹具有一定的重金屬耐受性[7]，雖然其吸收鎘（Cd）的能力有限，但產(chǎn)量大，生長年限長，在發(fā)揮植物修復(fù)功能[8]的同時，還能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，在污染農(nóng)田種植桑樹既不會影響桑樹和蠶繭的產(chǎn)量[9]，獲得的蠶蛹和蠶繭也都符合安全標(biāo)準(zhǔn)[10]。而且，桑樹不僅可以養(yǎng)蠶，根據(jù)不同的功能，桑樹產(chǎn)業(yè)正向多元化發(fā)展，如飼料桑、果桑等[11]，發(fā)展前景廣闊。綜合來看，桑樹是重金屬污染耕地安全利用較為理想的經(jīng)濟(jì)作物。但由于桑樹修復(fù)能力有限，因此在何種污染程度的農(nóng)田中種植桑樹既安全又可以產(chǎn)生效益是一個值得探討的問題，課題組以此為目的，在不同污染程度的農(nóng)田種植桑樹，通過長時間調(diào)查取樣監(jiān)測農(nóng)田與桑樹內(nèi)鎘含量的變化，以期為蠶桑的安全利用提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)域

在長株潭地區(qū)選取了3塊Cd污染農(nóng)田，土壤調(diào)查數(shù)據(jù)見表1。根據(jù)土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（GB15618—2018）中的對農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值與土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管制值的規(guī)定，3個調(diào)查點(diǎn)土壤pH值均小于5.5，調(diào)查點(diǎn)1與調(diào)查點(diǎn)2的土壤Cd含量位于風(fēng)險(xiǎn)篩選值（0.3 mg/kg）與風(fēng)險(xiǎn)管控值（1.5 mg/kg）之間，而調(diào)查點(diǎn)3的土壤Cd含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于風(fēng)險(xiǎn)管控值。

1.2 試驗(yàn)設(shè)置

2017年1月，每個調(diào)查點(diǎn)栽植3個品種（見表2），每個品種設(shè)置3個重復(fù)，每個重復(fù)栽植20～30株桑樹，行株距為2 m×0.5 m，共9個區(qū)組，隨機(jī)排列。春季發(fā)芽前離地面35～40 cm處剪掉干端，養(yǎng)成主干，發(fā)芽后主干上留3～4個壯芽，其余芽疏掉。第2年春季桑樹發(fā)芽前，離地面60 cm處剪枝，發(fā)芽后每根支干選留2～3個壯芽，每株養(yǎng)成8～10根枝條。各調(diào)查點(diǎn)桑樹按DB43/T382—2008栽培技術(shù)規(guī)范管理。

1.3 取樣及數(shù)據(jù)分析

每個調(diào)查點(diǎn)每個小區(qū)選定一株桑樹，并在離桑樹15 cm的半徑范圍內(nèi)選定土壤調(diào)查點(diǎn)檢測土壤pH值、總Cd及桑樹各部位Cd含量。2017—2019每年調(diào)查取樣，每次定點(diǎn)取土壤與部分植株樣品，統(tǒng)一標(biāo)注，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行樣品前處理。取回的樣品直接烘干并粉碎。樣品檢測采用NY/T 1121.2—2006、GB/T 17141—1997與GB 5009.268—2016中的方法分別檢測土壤pH值及Cd含量。所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)用Excel和SPSS 17.0軟件進(jìn)行分析，采用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（P<0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 栽植桑樹對土壤的影響

調(diào)查點(diǎn)選定的土壤取樣點(diǎn)檢測數(shù)據(jù)（見表1、表3），與2017年的數(shù)據(jù)相比較，2019年的取樣點(diǎn)的土壤pH值均呈升高趨勢且達(dá)到了顯著水平;取樣點(diǎn)Cd含量均呈下降趨勢，其中調(diào)查點(diǎn)1和調(diào)查點(diǎn)2下降幅度達(dá)到了顯著水平，但取樣點(diǎn)Cd含量均未降到風(fēng)險(xiǎn)篩選值之下。

取樣點(diǎn)土壤Cd含量的下降的幅度并不能表明桑樹修復(fù)Cd污染農(nóng)田能力大小，2019年11月，挖取各調(diào)查點(diǎn)桑樹，取桑樹根部土壤進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果（見表3）表明，桑樹根部土壤平均Cd含量顯著大于選定的土壤取樣點(diǎn)的平均Cd含量，可以據(jù)此推測，桑樹對土壤中Cd的吸附表現(xiàn)為，距離桑樹主根部越近，土壤中Cd含量越高。

2.2 桑樹各部位鎘含量的差異

栽植桑樹當(dāng)年（2017）秋季的取樣結(jié)果表明：各調(diào)查點(diǎn)Cd含量在各部位的分布為葉>根>枝;土壤Cd含量高的調(diào)查點(diǎn)，桑葉中的Cd含量也高。2019年各調(diào)查點(diǎn)各部位Cd含量均明顯降低，葉中Cd含量普遍高于根中Cd含量，如圖1。

栽植桑樹主要是收獲桑葉進(jìn)行養(yǎng)蠶。桑葉中的Cd含量數(shù)值見表4，隨著栽植年限的增加，桑葉中的Cd含量呈下降的趨勢，統(tǒng)計(jì)分析表明，3個調(diào)查點(diǎn)2019年葉片中的Cd含量顯著低于2017年葉片中Cd含量。湘潭雨湖區(qū)響水鄉(xiāng)桐塘村、株洲淥口區(qū)南洲鎮(zhèn)泗馬村2個調(diào)查點(diǎn)農(nóng)桑14、強(qiáng)桑1號、育71-1品種間桑葉中的Cd含量無顯著差異;而株洲石峰區(qū)銅塘灣街道長石村品種間桑葉中的Cd含量農(nóng)桑14號顯著大于粵桑11號，與強(qiáng)桑1號差異不顯著。

2019年4月下旬和11月上旬分別在各調(diào)查點(diǎn)取桑葉檢測其總Cd含量，從2次檢測數(shù)據(jù)可以看出，各調(diào)查點(diǎn)的桑葉不同季節(jié)Cd含量有顯著差異（見表5）。

3 討 論

栽植桑樹對土壤也帶來了一些影響。隨著果樹[12]、茶葉[13]栽植年限的增加，土壤pH值會逐漸降低，土壤酸化。而試驗(yàn)檢測結(jié)果顯示，3個調(diào)查點(diǎn)pH值在2017年初檢測均小于5.5，為酸性土壤。栽植桑樹3 a后，土壤pH檢測值均顯著提高了。由此可以推測，在污染農(nóng)田中種植桑樹，可以提高土壤pH值。文獻(xiàn)表明，土壤pH值與有效Cd之間是呈顯著負(fù)相關(guān)的[14]。

在土壤上施用石灰，可以提高土壤pH值，使土壤中有效態(tài)Cd含量降低，以減少植物對Cd的吸收[15]。由結(jié)果可知，隨著栽植桑樹年限的增加，桑樹各部位的Cd含量大幅降低，土壤pH值的升高可能是引起有效Cd含量降低的一個重要原因。栽植桑樹不僅使土壤pH值升高，對土壤產(chǎn)生了類似鈍化的作用[16]，調(diào)查點(diǎn)Cd含量下降，但并未降到風(fēng)險(xiǎn)篩選值之下;同時，栽植桑樹使土壤中的Cd發(fā)生了轉(zhuǎn)移，聚集到了植株根部，與桑樹根際土壤pH值低于非根際土壤，且根際土壤Cd含量高于非根際土壤[17]的研究結(jié)果一致。但是，此次調(diào)查未考慮大氣沉降、雨水pH值、地下水等因素對土壤Cd含量的影響。湖南為酸雨區(qū)，雨水季節(jié)性變化會引起土壤中有效Cd含量的季節(jié)性變化[18]，加之農(nóng)田中Cd分布不均勻，栽植桑樹使農(nóng)田中的Cd發(fā)生了轉(zhuǎn)移與變化，這給準(zhǔn)確評估桑樹對土壤的修復(fù)作用提出了挑戰(zhàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，桑樹各部位Cd含量分布表現(xiàn)為葉>根>枝，與前期及其他研究中重金屬復(fù)合污染下桑樹體內(nèi)Cd含量分布為根>枝>葉[19]的結(jié)果不一致，推測可能是由于取樣季節(jié)不同造成的。因在3個調(diào)查點(diǎn)均發(fā)現(xiàn)春季桑葉中的Cd含量顯著低于秋季桑葉中的Cd含量，推測其與桑樹生長階段與生長時期長短有關(guān)。春季是桑樹旺盛生長的時期，一晝夜內(nèi)新梢可生長2～3 cm，與秋季相比，桑樹的生長速率大于Cd的吸收速率，此原因可能導(dǎo)致了不同生長時期桑葉中Cd含量的差異，且春季生長期（2月下旬至4月下旬）比秋季生長期（6月上旬至10月中旬）要短，故Cd積累的時間春季也比秋季短。有研究表明，煙葉中Cd含量在不同生長時期也會出現(xiàn)不同的變化趨勢，旺長期時，葉中的Cd含量明顯降低[20]。春季土壤濕度也可能有影響植株對Cd的吸收積累，比如淹水條件下，土壤中的有效態(tài)Cd含量低于非淹水條件[18]，此時水稻對重金屬的吸收也顯著降低[21]。秋季桑葉成熟，桑葉中累積的Cd逐漸增多，在水稻中也觀察到類似的結(jié)果，隨著水稻的成熟，葉片中Cd含量逐漸升高，因?yàn)槿~片作為Cd的富集器官，缺乏向其他器官轉(zhuǎn)運(yùn)Cd的途徑，所以隨著生育期的延長，葉片Cd含量逐漸升高[22]。其次，田間取樣并沒有清洗桑葉，秋季大氣中的重金屬也有可能沉積在桑葉中或者直接被桑葉吸收。長株潭灰塵污染很嚴(yán)重，秋季大氣顆粒物及重金屬分析顯示，較其他重金屬，大氣顆粒物中重金屬Cd富集因子最大[23]，灰塵中的平均Cd含量達(dá)到了29.93 mg/kg，為背景值的57.56倍[24]，灰塵里的Cd隨著雨水的沖刷、降水的季節(jié)性變化可能會引起葉面污染或者土壤中Cd含量的變化，從而影響葉片中檢測到的Cd含量。要想明確影響桑葉中Cd含量季節(jié)性變化的原因，需要設(shè)計(jì)一個更科學(xué)的監(jiān)測方法來跟蹤調(diào)查。

種植桑樹最終是為了安全利用被重金屬污染的農(nóng)田，使之仍然能夠繼續(xù)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。課題組2014年在另外一個調(diào)查點(diǎn)開展過養(yǎng)蠶試驗(yàn)[9]，該樣地土壤平均Cd含量為3.08 mg/kg，葉片中平均Cd含量為0.24 mg/kg，蠶蛹及繭皮中的Cd含量均低于食品中污染物限值標(biāo)準(zhǔn)（GB 2762—2017）及生態(tài)紡織品中重金屬Cd的限量值（GB/T 18885—2009）[10]，證明栽桑養(yǎng)蠶是一種較為理想的替代種植方法。分析2017—2019年3個調(diào)查點(diǎn)桑葉的Cd含量，2017年11月桑葉中的平均Cd含量大于1 mg/kg，2019年11月桑葉中的平均Cd含量也大于前期試驗(yàn)中的0.24 mg/kg。

用Jiang等[10]文中數(shù)據(jù)對桑葉中Cd含量與繭皮中Cd含量進(jìn)行相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)R為0.033，桑葉中Cd含量高不代表繭皮中Cd含量高，也未見相關(guān)文獻(xiàn)驗(yàn)證Cd含量大于0.24 mg/kg的桑葉是否可以安全養(yǎng)蠶，因此暫時無法推斷該濃度的桑葉養(yǎng)蠶是否安全。從2019年4月調(diào)查點(diǎn)桑葉中的Cd含量來看，該時期桑葉中平均Cd含量均低于0.24 mg/kg，推測春季調(diào)查點(diǎn)的桑葉是可以安全養(yǎng)蠶的。3個調(diào)查點(diǎn)土壤Cd含量均大于風(fēng)險(xiǎn)篩選值甚至是大于風(fēng)險(xiǎn)管控值，但栽植桑樹3 a后，調(diào)查的結(jié)果表明該農(nóng)田栽植桑樹可以被安全利用。

檢測數(shù)據(jù)反應(yīng)的是桑樹栽植不同年限土壤與植株Cd含量的變化，調(diào)查結(jié)果表明，在農(nóng)田中栽植桑樹，可以提高土壤的pH值，隨著栽植年限的增加，桑樹中吸收的Cd含量會降低;且秋季Cd含量在桑樹中的分布為葉>根>枝。這些結(jié)果可為其他地區(qū)的蠶桑安全利用提供一定的數(shù)據(jù)支持與參考。

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（責(zé)任編輯：肖彥資）