張 璐，何錄秋，楊學樂

（湖南省作物研究所，長沙 410125）

0 引言

近幾十年來，受工業(yè)“三廢”長期排放、農(nóng)業(yè)含鎘污水的灌溉、化肥和農(nóng)藥的大量施用、重金屬大氣沉降不斷增多等因素影響，重金屬鎘(Cd)經(jīng)過擴散、沉降并累積到農(nóng)田中，導致農(nóng)田土壤的鎘污染情況日益嚴重[1]。據(jù)統(tǒng)計，中國耕地面積的1/5遭重金屬污染破壞，損失的農(nóng)作物平均每年約1200萬t，產(chǎn)生經(jīng)濟損失達200億元以上[2-3]。農(nóng)田土壤中的重金屬能夠被植物根系吸收，并被轉(zhuǎn)運到植物地上部位，伴隨食物鏈的傳遞進入人體內(nèi)，對身體健康造成嚴重危害[4]。利用植物的重金屬積累轉(zhuǎn)運特性使農(nóng)作物食用部位達到安全標準或?qū)κ苤亟饘傥廴镜霓r(nóng)田土壤進行修復是中國農(nóng)業(yè)科研和產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的重要內(nèi)容[5]。利用較強富集特性的作物，進行農(nóng)田植物修復，是治理土壤污染、減少重金屬危害的有效措施之一，對促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[6-8]。

蕎麥為蓼科蕎麥屬雙子葉植物，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上主要形成了苦蕎和甜蕎兩個栽培種，蕎麥生育期60～80天，在中國大部分地區(qū)都有分布[9]。蕎麥對土壤要求不嚴，適應性廣，抗逆性強，耐瘠薄，耐干旱，具有很高的營養(yǎng)價值和藥用價值，是廣大旱作農(nóng)區(qū)的重要作物之一[10]。近年來，許多研究表明蕎麥能夠生長在重金屬污染的地區(qū)，而且對重金屬具有一定的吸附積累作用[11]，可以作為重金屬修復植物來利用。在重金屬鉛方面，蕎麥對鉛具有富集作用，但對鉛的耐受性存在品種差異[12]，蕎麥對重金屬鉛的吸收和轉(zhuǎn)運可通過外源硒的施加而受到抑制[13]。在重金屬鎘方面，田菊翠等[14]研究水稻和蕎麥的耐鎘差異性，發(fā)現(xiàn)蕎麥對金屬鎘的耐受性大于水稻；劉笑蓉等[15]對12種不同藥用植物的聚類分析發(fā)現(xiàn)金蕎麥不屬于鎘低積累作物類別；李靜等[16]用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法對苦蕎鎘積累進行評價，研究發(fā)現(xiàn)在輕度污染土壤背景條件下，苦蕎鎘含量為清潔（安全）等級。有關(guān)蕎麥在重度污染土壤條件下鎘積累情況以及不同部位鎘積累轉(zhuǎn)運特性的研究未見報道。

中國南方地區(qū)土壤偏酸性，尤其長株潭地區(qū)受工、礦、冶等產(chǎn)業(yè)的影響，農(nóng)田土壤中鎘含量超標現(xiàn)象十分嚴重。探索蕎麥在中度及重度鎘污染背景下的鎘積累轉(zhuǎn)運特性，有助于對蕎麥修復鎘污染農(nóng)田的潛力進行評價，以期有效降低農(nóng)田土壤鎘污染程度，從而減少農(nóng)產(chǎn)品鎘含量超標的風險。本試驗以適合湖南地區(qū)種植的8個蕎麥品種（系）為研究對象，在湖南湘潭市、株洲市不同鎘背景值農(nóng)田開展多點試驗，檢測蕎麥成熟期根、莖葉、籽粒各部位鎘含量，研究蕎麥對鎘的積累轉(zhuǎn)運特性，探索蕎麥對鎘污染農(nóng)田的修復作用。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗以適合湖南本地種植且在生產(chǎn)上推廣應用較廣的8個蕎麥品種（系）作為試驗材料，分別為‘九江苦蕎’、‘鳳凰苦蕎’、‘鳳苦2號’、‘西蕎5號’、‘紅花甜蕎’、‘定甜蕎1號’、‘西農(nóng)T1106’、‘西農(nóng)T1321’（4個苦蕎品種、4個甜蕎品種）。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗地點 在湘潭市和株洲市的不同地區(qū)，選擇地勢平坦、氣候條件一致、肥力水平中等、土壤鎘背景值不同的若干旱田，經(jīng)初步土壤檢測分析，選擇其中9個地點安排田間試驗。試驗于2018年8月—2019年11月進行。

1.2.2 小區(qū)試驗設(shè)計 每個試驗地點均采用隨機區(qū)組排列，3個重復小區(qū)，小區(qū)面積10 m2(2 m×5 m)。蕎麥于3月下旬至4月上旬播種，條播，行距30 cm，留苗密度為150～180株/m2。

1.2.3 試驗樣品采集和處理 采用五點取樣法取耕作層混合土壤，采樣深度0～20 cm，每個混合樣品取1 kg土，放在通風處自然風干，挑出雜質(zhì)。混勻后從中取出200 g樣品，放入密封袋中并編號。

在蕎麥成熟期每個小區(qū)隨機連續(xù)取樣20株，分別采集根、莖葉、籽粒樣品。蕎麥根用自來水洗凈泥土，莖葉和籽粒挑去雜質(zhì)，裝入網(wǎng)兜。將植物樣品放置在通風處風干，在干燥箱中65℃烘干，研磨并通過60目篩，每份樣品取出200 g，放入密封袋并編號。

1.2.4 樣品鎘含量測定 土壤全鎘采用GB/T 17141—1997方法測定，土壤有效鎘采用GB/T 23739—2009方法測定，土壤pH、有機質(zhì)含量采用常規(guī)分析方法測定。植物各部位樣品鎘含量采用GB 5009.15—2014方法測定。

1.3 數(shù)據(jù)計算

用污染指數(shù)(Pollution index，Pi)評價土壤鎘污染程度，根據(jù)HJ/T 166-2004和GB 15618—2018，土壤Cd質(zhì)量標準值為0.3。污染指數(shù)分級標準：Pi≤1.0為尚清潔；1.0＜Pi≤2.0為輕度污染；2.0＜Pi≤3.0為中度污染；Pi＞3.0為重度污染。

其中，Ci：污染元素Cd的實測值；Si：土壤污染元素Cd質(zhì)量標準值。

用富集系數(shù)(BF)和轉(zhuǎn)運系數(shù)(TF)衡量蕎麥對鎘的富集能力和運輸能力。

所有數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016和DPS 7.05進行計算分析和圖表繪制，統(tǒng)計分析采用Tukey多重比較方法比較不同處理間差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同鎘背景值農(nóng)田土壤理化性質(zhì)分析

9個試驗點土壤理化性質(zhì)見表1。由表1可知，9個試驗點土壤pH4.45～6.14，均為偏酸性土壤，符合湖南省大部分農(nóng)田土壤受雨水影響而呈現(xiàn)酸性的實際情況。土壤顏色有棕色、栗色、黃棕色3種。土壤有機質(zhì)含量范圍為25.2～43.0，根據(jù)全國第二次土壤普查耕層有機質(zhì)含量分級標準，3個試驗點為一級，4個試驗點為二級，2個試驗點為三級。土壤全鎘在0.5～3.0 mg/kg范圍內(nèi)大致均勻分布，其中L1、L2試驗點土壤全鎘在1.0 mg/kg以下，L3、L4、L5、L6試驗點土壤全鎘在1.0 mg/kg與2.0 mg/kg之間，L7、L8、L9試驗點土壤全鎘在2.0 mg/kg以上。9個試驗點土壤鎘污染指數(shù)均在2.0以上，最高達9.4，L1試驗點屬于中度污染，其他試驗點均屬于重度污染。

表1 試驗點土壤理化性質(zhì)

2.2 不同鎘背景值農(nóng)田中蕎麥籽粒鎘積累量

為了研究蕎麥籽粒在不同土壤鎘背景值條件下的鎘積累量，將不同試驗點蕎麥籽粒樣品進行鎘含量檢測。由表2和圖1可知，蕎麥籽粒鎘含量范圍為0.07～2.35 mg/kg，且不同鎘污染農(nóng)田蕎麥籽粒鎘含量不同，其中，在鎘污染指數(shù)最低的L1試驗點，蕎麥籽粒鎘含量范圍為0.07～0.13 mg/kg，所有品種均低于其他試驗點；L2試驗點蕎麥籽粒鎘含量范圍為0.26～0.73 mg/kg；在土壤鎘含量大于1.5 mg/kg的6個試驗點(L4～L9)，蕎麥籽粒鎘含量均在0.81 mg/kg以上，最高達2.35 mg/kg。說明蕎麥籽粒對鎘具有很強的積累能力。

圖1 不同鎘背景值農(nóng)田中蕎麥籽粒鎘含量

表2 各試驗點不同品種蕎麥籽粒鎘含量

從不同試驗點蕎麥籽粒鎘含量平均值表現(xiàn)來看，從L1到L4試驗點，蕎麥籽粒鎘含量迅速由0.1 mg/kg增加到1.44 mg/kg，土壤鎘含量增加1.43倍，而蕎麥籽粒鎘積累含量增加了13.4倍。說明在一定范圍內(nèi)，隨著土壤鎘含量不斷增加，蕎麥籽粒鎘含量呈增加趨勢。從L4到L9試驗點，蕎麥籽粒鎘含量在1.09～1.76 mg/kg范圍內(nèi)波動，不再隨著土壤鎘含量的增加而明顯增加。

從各試驗點蕎麥籽粒鎘含量的品種差異來看，在同一試驗點8個品種蕎麥籽粒鎘含量差異不大，且各品種之間的排序沒有明顯規(guī)律，說明這8個品種在鎘積累能力方面差異較小。蕎麥鎘積累能力與品種之間是否有相關(guān)性還需要利用大量品種進行驗證。

2.3 不同鎘背景值農(nóng)田中蕎麥各部位鎘積累量比較

對不同試驗點蕎麥根、莖葉、籽粒各部位鎘含量進行比較。由圖2可知，在所有試驗點，成熟期蕎麥各部位鎘積累量有顯著性差異，其中根鎘含量范圍為0.67～7.08 mg/kg，莖葉鎘含量范圍為1.32～9.76 mg/kg，籽粒鎘含量范圍為0.10～1.76 mg/kg。在所有試驗點，不同部位對鎘的吸收規(guī)律均表現(xiàn)為莖葉＞根＞籽粒，說明在成熟期蕎麥莖葉對鎘的積累能力強，其次是根，籽粒積累能力較差。根系由土壤中吸收的鎘隨著蕎麥后期生長發(fā)育而沿莖稈向上運輸，積累在莖稈和葉片中。

圖2 不同鎘背景值農(nóng)田中蕎麥各部位鎘含量

2.4 不同鎘背景值農(nóng)田中蕎麥各部位鎘富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運系數(shù)比較

為了比較蕎麥根、莖葉、籽粒對金屬鎘的積累能力，用富集系數(shù)表示蕎麥各部位鎘積累能力的大小。由圖3可知，同一部位在不同試驗點鎘富集系數(shù)不同，其中根富集系數(shù)范圍為1.03～4.08，在L4試驗點最高，在L1試驗點最低，最高是最低的3.96倍；莖葉富集系數(shù)范圍為2.03～5.52，在L4試驗點最高，在L1試驗點最低，最高是最低的2.72倍；籽粒富集系數(shù)范圍為0.15～0.92，在L6試驗點最高，在L1試驗地最低，最高是最低的6.13倍。不同試驗點蕎麥各部位對鎘的富集系數(shù)均表現(xiàn)為莖葉＞根＞籽粒，且莖葉和根富集系數(shù)均大于1，說明莖葉和根對鎘具有明顯的富集作用；籽粒鎘富集系數(shù)均小于1，其中L1、L2試驗點籽粒鎘富集系數(shù)小于0.5，其他7個試驗點均大于0.5，說明籽粒對金屬鎘具有較強的積累能力，但不如莖葉和根的積累能力強。

圖3 不同鎘背景值農(nóng)田中蕎麥各部位鎘富集系數(shù)比較

為了比較鎘在蕎麥不同部位之間的遷移能力，用轉(zhuǎn)運系數(shù)表示蕎麥根-莖葉、莖葉-籽粒轉(zhuǎn)運鎘能力的大小。由圖4可知，蕎麥不同部位之間鎘轉(zhuǎn)運系數(shù)不同，其中根-莖葉鎘轉(zhuǎn)運系數(shù)范圍為1.34～2.30，在L2試驗點最高，在L8試驗點最低；莖葉-籽粒鎘轉(zhuǎn)運系數(shù)范圍為0.07～0.22，在L6試驗點最高，在L1試驗點最低。所有試驗點根-莖葉的鎘轉(zhuǎn)運系數(shù)均遠大于莖葉-籽粒的鎘轉(zhuǎn)運系數(shù)，根-莖葉的轉(zhuǎn)運系數(shù)大于1.0，而莖葉-籽粒的轉(zhuǎn)運系數(shù)只有0.1左右，兩者基本相差1個數(shù)量級，說明蕎麥從根到莖葉轉(zhuǎn)運鎘能力很強，而從莖葉到籽粒轉(zhuǎn)運鎘能力很弱，這與蕎麥各部位鎘積累量結(jié)果一致。

圖4 不同鎘背景值農(nóng)田中蕎麥各部位之間鎘轉(zhuǎn)運系數(shù)比較

3 討論與結(jié)論

植物修復技術(shù)是一種以植物為載體，對土壤中的污染物進行吸附或降解，從而凈化土壤的技術(shù)[17]，具有操作簡單、成本低廉、對農(nóng)田破壞小等優(yōu)點[18]，國內(nèi)外學者在利用植物進行農(nóng)田土壤污染修復方面已經(jīng)做了較為廣泛的研究。可以用作土壤修復的植物很多，包括景天[19]、籽粒莧[20]、油菜[21]、油葵[22]、印度芥菜[23]等，均由于植物對重金屬具有較強富集能力而可以作為土壤修復的潛力作物。前人研究表明，蕎麥對重金屬具有一定的耐受性和吸附積累作用[11,14]，不屬于鎘低積累作物類別[15]，本研究結(jié)果與此一致。由于前人研究中采用的供試土壤鎘污染程度較低，未達到重度污染土壤條件，因此本研究設(shè)置了9個不同鎘背景值條件，均達到中度或重度鎘污染程度，本研究中，當土壤鎘背景值大于1.5 mg/kg時，蕎麥籽粒鎘含量均在0.81 mg/kg以上，最高達2.35 mg/kg，說明蕎麥籽粒在重度鎘污染土壤條件下具有很強的鎘積累能力。土壤鎘背景值對蕎麥籽粒鎘積累量影響很大，土壤鎘含量較低時，隨著土壤鎘含量增加，蕎麥籽粒鎘含量迅速增加，當土壤鎘含量到達一定程度，蕎麥籽粒鎘含量不再明顯增加。由于本研究最高土壤鎘含量為2.83mg/kg，更高濃度的鎘含量條件在自然農(nóng)田環(huán)境下較難達到，土壤鎘含量繼續(xù)增加對蕎麥籽粒鎘積累是否有明顯影響以及蕎麥籽粒鎘含量最終變化趨勢還有待在實驗室條件下進一步研究。有研究表明蕎麥對重金屬的耐受性存在品種差異[12]，但本研究中，蕎麥品種間籽粒鎘含量排序沒有明顯規(guī)律，可能是由于本研究采用的蕎麥品種數(shù)量較少，蕎麥鎘積累能力與品種之間是否有相關(guān)性還需要利用大量品種進行驗證。

一般來說，重金屬在植株內(nèi)的積累規(guī)律為：新陳代謝旺盛的部位積累量較多，在繁殖器官中積累量較少[24]。對于蕎麥不同部位的重金屬吸收規(guī)律和轉(zhuǎn)運特性研究還尚未見報道。本研究中，成熟期蕎麥不同部位對鎘的吸收規(guī)律表現(xiàn)為莖葉＞根＞籽粒。原因可能是蕎麥在生長后期，根系生長減緩，營養(yǎng)物質(zhì)向上部運輸，莖稈和葉片作為組織運輸、光合和蒸騰作用的場所，代謝較快，鎘積累量最高；籽粒作為繁殖器官，鎘積累量少。9個試驗點莖葉和根Cd富集系數(shù)均大于1，籽粒Cd富集系數(shù)均小于1，也說明莖葉和根對金屬鎘具有明顯的富集作用，籽粒對Cd富集作用相對較弱；蕎麥莖葉Cd的富集系數(shù)大于根，說明莖葉對Cd吸收積累作用比根強。9個試驗點莖葉-籽粒鎘轉(zhuǎn)運系數(shù)均為0.1左右，說明蕎麥莖葉中的鎘只有少量能夠轉(zhuǎn)運到籽粒中；根-莖葉的鎘轉(zhuǎn)運系數(shù)均大于1，說明蕎麥莖葉對根中的鎘轉(zhuǎn)運能力強，鎘大量積累在莖葉中。

蕎麥對Cd的吸收積累受遺傳因素和很多復雜的環(huán)境條件共同影響[25]。有研究表明，農(nóng)作物吸收積累Cd受到土壤pH影響，土壤在pH較低時，重金屬的遷移能力強，生物有效性高[26-27]，隨著土壤pH升高，H+對重金屬離子的吸附位點競爭降低，從而降低了Cd的生物有效性[28]。土壤有機質(zhì)也是影響植物對重金屬吸收能力的一個因素，富含有機質(zhì)的土壤對重金屬具有很強的吸附能力，降低了重金屬的遷移速率[29]。土壤中的Fe2+可與Cd2+競爭轉(zhuǎn)運蛋白，降低了植物對Cd的積累[30]，Zn可促進植物對Cd的吸收，從而增強Cd轉(zhuǎn)移到植物地上部位[31]。在本研究中，9個試驗點都是pH 6.5以下的酸性土壤，有機質(zhì)含量中等，但個別試驗點pH、有機質(zhì)偏高或偏低，可能對蕎麥籽粒鎘吸收有一定影響，因此試驗中出現(xiàn)個別試驗點蕎麥籽粒鎘含量偏高或偏低的現(xiàn)象。此外，農(nóng)田環(huán)境條件復雜，不同試驗點天氣狀況、灌溉及排水等栽培措施、土壤微生物活動、不同重金屬間相互作用等因素也能影響蕎麥的鎘積累轉(zhuǎn)運能力。不同土壤性質(zhì)和外界因素對植物鎘積累的影響是當前很多學者研究的熱點，進一步研究蕎麥鎘積累各影響因素之間的相關(guān)性、不同因素的作用機理以及結(jié)合各因素進行蕎麥鎘含量預測，是下一步的探索方向。

鎘高富集植物是否能應用到實際中，除具有超強重金屬富集能力以外，還要綜合考慮植物對重金屬的耐受性、生育期長短、抗病抗逆性、生物量、收獲產(chǎn)品利用價值、廢棄物利用及處理等因素。蕎麥對重金屬鎘的耐受性強，本研究中，土壤鎘達到重度污染程度，蕎麥正常的生長發(fā)育仍不受影響。田菊翠等[14]比較蕎麥和水稻的鎘耐受性，發(fā)現(xiàn)蕎麥鎘耐受性很強，外施Cd達到50 mg/kg以上時，水稻出現(xiàn)受害癥狀，外施Cd達200 mg/kg時，蕎麥的受害癥狀才出現(xiàn)。此外，用于土壤修復的蕎麥具有二次利用價值，用蕎麥莖稈為材料制作的吸附劑，能對廢水中的Cr和Cu表現(xiàn)出良好的吸附性能，且價格低廉、工藝簡單[32]。將苦蕎去除莖葉制作全胚苦蕎茶，經(jīng)檢測鎘含量很低，可進行安全利用[33]。蕎麥作為一種藥用植物，從中提取的藥物活性成分在抑制癌細胞的生長、干預腫瘤細胞侵襲、消炎抗菌等方面具有重要的作用[34-36]。蕎麥適應性強，耐瘠薄，耐干旱，生育期較短，綜合考慮各因素，蕎麥是一種適合用作重金屬污染土壤修復的潛力植物。為了達到更充分的綜合利用，進一步研究栽培技術(shù)提高植物生物量、促進重金屬在植物各部位之間的轉(zhuǎn)化，以及加強對重金屬修復植物的安全利用加工技術(shù)研究、廢棄植物材料的安全處理、產(chǎn)品的多樣化利用價值開發(fā)等是未來的研究發(fā)展方向。

綜上，蕎麥具有很強的鎘積累能力，在土壤全鎘為0.65～2.83 mg/kg范圍內(nèi)，蕎麥籽粒鎘含量變化范圍為0.07～2.35 mg/kg。隨著土壤鎘含量不斷增加，蕎麥籽粒鎘含量先迅速增加，隨后當土壤鎘含量到達一定程度后，蕎麥籽粒鎘含量不再明顯增加。蕎麥莖葉對鎘的積累能力最強，其次是根，兩者的鎘富集系數(shù)大于1，籽粒對鎘的積累能力相對較弱，鎘富集系數(shù)小于1。蕎麥從根向莖葉轉(zhuǎn)運鎘能力強，鎘轉(zhuǎn)運系數(shù)大于1，從莖葉向籽粒轉(zhuǎn)運鎘能力弱，鎘轉(zhuǎn)運系數(shù)遠小于1。結(jié)合蕎麥對重金屬耐受性強、生育期短、抗性強、收獲產(chǎn)品具有可利用價值等優(yōu)勢，蕎麥是一種適合用作重金屬污染土壤修復的潛力植物。