不同耕作方式下川芎对土壤中铅、镉含量的富集特征

周斯建，赵印泉，彭培好，孙传敏

(1.成都理工大学 旅游与城乡规划学院园林系，成都 610059；2.成都理工大学 地球科学学院，成都 610059)

0 前言

川芎(Ligusticum chuanxiong Hort.)是四川著名的道地药材，具有活血行气、祛风止痛之功效，也是我国主要出口中药材品种之一[1]。四川彭州是川芎道地产区之一，2012年该区川芎种植面积逾1 800 hm2，年产量600×104kg，占全国种植面积和总产量的近1/6[2]。研究表明，作为世界最大的植物药材生产国，我国中药材总出口额仅占国际市场的3%，主要制约因素是(药材中重金属污染超标[3]，其中川芎曾6次因重金属超标而被销毁[4]。

在中药材重金属污染中，以Cd、Pb含量超标最为突出[5]，而土壤是药材中重金属的主要来源[6]。针对川芎产区常用的水稻-川芎(对应土壤简称免耕土)、水稻-川芎(简称翻耕土)、蔬菜-川芎(简称菜园土)、其他作物-川芎四种(简称旱地，下同)耕作方式，研究在不同耕作方式下，川芎对土壤中Cd、Pb含量的积累特征，旨在从耕作方式为川芎Cd、Pb污染防治提供可行依据，并为川芎品质的进一步提高和无污染绿色药材的种植提供指导。

1 材料和方法

1.1 采样及处理

在2009年-2010年间，以多点混合的方式采集四川彭州市敖平镇川芎种植区内不同耕作方式下川芎的成熟根茎、地上茎叶和相对应的表层0 cm～20 cm的土壤为样本。以梅花形五点法采样1 kg，去除土壤中杂草、草根、砾石、粉料团等杂物后带回试验室置于通风处自然风干,后经研碎、过筛、装袋送至地质矿产部成都综合岩矿测试中心，测试土壤及川芎根茎、川芎叶片样品中Cd、Pb含量及土壤pH值。元素全量按照中国地质调查局《生态地球化学评价样品分析技术要求 DD2005-03(试行)》中的相关要求和规定进行测定，土壤 pH值按照《中华人民共和国农业行业标准》(NY/T 1121.2—2006) 用pH值测试仪测定。

1.2 分析方法

利用 SPSS17.0和Excell 2003软件，完成土壤、川芎中Cd、Pb含量的统计分析及显著性检验。川芎根、叶对Cd、Pb元素的富集系数=C元素/C土壤。

2 结果与分析

2.1 不同耕作方式下土壤中Cd、Pb含量积累特征

以土壤环境质量标准GB15618-1995中Cd(0.3 mg·kg-1)、Pb(300 mg·kg-1)衡量，四种耕作方式下土壤中Pb的含量均符合国家二类土壤的标准，而土壤Cd的含量超过了国家二类土要求，存在一定程度的Cd污染。

表1显示，在四种土壤中，Cd的含量范围在0.34 mg·kg-1～1.16 mg·kg-1， 均值为 0.73 mg·kg-1，土壤间Cd元素含量变异系数在1.69%～8.11%之间。在P<0.05水平上，四种土壤间的差异显著，以菜园土中累积程度最高(1.10 mg·kg-1)，旱地中最低(0.37 mg·kg-1)。Cd含量在旱地中变异较其他三种土壤大，而Pb在四种土中含量范围在18.40 mg·kg-1～39.20 mg·kg-1，均值为22.64 mg·kg-1，土壤间Pb元素含量变异系数在6.63%～22.93%之间。

在P<0.05水平上，四种土壤间中，菜园土Cd、Pb含量显著高于其他三种类型土壤，这可能是由于在蔬菜种植过程中，大量施用有机肥[10]、喷施农药等外源途径而增加土壤中重金属的含量，而免耕土由于秸秆还田，将累积在秸秆中以及来自土壤、滞留在根系的Cd、Pb再次释放到土壤中[11]，促进了土壤对镉、铅的吸附[12]，表现出高于翻耕土和旱地的土壤重金属含量。翻耕土中Cd含量显著高于旱地，可能是水稻对土壤中Cd的累积的缘故[13]。免耕土与翻耕土间Cd含量的显著差异表明，采用适当的耕作措施(翻耕、秸秆移除等)可以部分降低稻田中的Cd。

表1 不同耕作方式下土壤中Cd、Pb的积累特征

注：不同字母表示差异显著(P<0.05，n=5)

表2 不同耕作方式下土壤Cd、Pb污染等级评价

2.2 土壤污染及潜在生态风险评价

采用单因子污染指数和内梅罗综合指数法评价的结果表明(表2)，四种土中Pb的单因子污染指数均小于“0.7”，处于清洁状态，而土壤中Cd元素的所有单因子污染指数均高于“1”，显示土壤已受污染，其中旱地综合指数小于“1”，处于污染警戒线，翻耕土处于轻度污染，而免耕土和菜园土则分别达到了中度和重污染。为了避免内梅罗指数在评价时对因子的放大(缩小)高含量(低含量)的影响[14]，研究中再采用Hacanson指数法对土壤污染进行定量划分[15]。

表3 不同耕作方式下土壤中Cd、Pb潜在生态危害程度

由表3可以看出，在四种耕作方式下，土壤中Cd元素的潜在生态风险系数(EI)均大于Pb，其中旱地、翻耕土中Cd为中度生态危等级，免耕土、菜园土已达到强生态危害等级。四种土壤中Pb的生态风险系数均小于10，处于轻微污染。在综合生态危害指数上，四类土壤中Cd、Pb元素均小于150，处于复合重金属低度危害。

2.3 不同耕作方式下川芎中Cd、Pb的富集特征

2.3.1 不同耕作方式下川芎中Cd的累积特征

由表4表明，以《药用植物及制剂外经贸绿色行业标准 WM/T 2-2004》中镉的标准0.3 (mg·kg-1)来看，在旱地和翻耕土中川芎根茎和叶片含量均符合要求，而根茎在菜园土中略有超标，叶片则在免耕土和菜园土中均超标。

在P<0.05 水平上，菜园土中川芎根茎和叶片中镉含量高于其他类型土壤，四种耕作方式下川芎根茎、叶片对土壤中镉的吸收均表现为菜园土>免耕土>翻耕土>旱地。川芎根茎在翻耕土中对 Cd 的富集能力显著低于其他三种土壤，而在其余类型土壤中差异不显著，可能与土壤中曾种过川芎相关，这与川芎不能连作的耕作习惯一致。根茎对镉的富集系数依次为旱地>菜园土>免耕土>翻耕土；不同土壤中，川芎叶片对 Cd 的富集能力按大小依次为：菜园土>免耕土>旱地>翻耕土，其中菜园土与免耕土差异不显著。川芎叶片和根茎对 Cd 的富集能力与土壤中 Cd 含量成正相关，符合 Cd 在土壤-作物系统中的一般规律[16]。

2.3.2 不同耕作方式下川芎中Pb的富集特征

根据《药用植物及制剂外经贸绿色行业标准 WM/T 2-2004》中铅的限量5 mg·kg-1要求，本研究中四种耕作方式下川芎根茎和叶片中铅均已超标(表5)。

表4 不同耕作方式下川芎中Cd的累积特征

注：同一列不同字母表示在P<0.05 水平上的显著差异，有相同字母表示差异不显著

表5 不同耕作方式下川芎中Pb累积特征

注：同一列不同字母表示在P<0.05水平上的显著差异，有相同字母表示差异并不显著

在P<0.05水平上，川芎根茎Pb含量在四种土壤中无显著差异，以翻耕土中最高，菜园土最低，富集系数在翻耕土与旱地、旱地与免耕土间差异不显著，而翻耕土、旱地中的富集系数显著高于菜园土，可能与菜园土pH较小、有机质含量较高，土壤中Pb的移动受限有关[17]。川芎叶片Pb含量在免耕土中和富集能力显著高于其他三种土壤，可能与取样点环境等相关，需要进一步研究。

2.3.3 不同耕作方式下川芎根茎、叶片中Cd、Pb含量的比较

如图1所示，不同耕作方式的土壤中，川芎叶片对Cd、Pb的富集能力均大于根茎(叶根重金属含量比大于“1”)。在菜园土上叶片中Cd的含量是根茎的1.56倍，显著高于其他土壤。这可能与菜园土中较频繁的人类活动如施肥、用药等有关，而这些活动对川芎叶片的影响大于根茎，这与鱼腥草[18]、蔬菜[19]等研究相似。叶片与根茎对Pb的富集差异在免耕土中(1.98)显著大于其他土壤，且在旱地中比值最小(1.05)，表明在川芎种植中，重金属Pb的来源主要与前物的种类相关，在未种过川芎的旱地中，根茎与叶片对铅的累积基本相同。

图1 不同耕作方式对川芎根、叶Cd、Pb富集能力的影响Fig．1 Effect on enrichment ability of different parts of Ligusticum chuanxiong by tillage methods

3 结论

(1)四种土壤均未受Pb污染，但存在不同程度的Cd污染；菜园土Cd、Pb含量显著高于其他三种土壤，且处于 Cd重污染和强生态危害状态。在Cd含量上，依次为菜园土>稻田免耕土>稻田翻耕土>旱地；稻田免耕土、旱地和稻田翻耕土在Pb含量上差异不显著。

(2)在四种耕作方式下，川芎根茎和叶片的Pb含量均超标，川芎根茎中Pb平均含量为6.16 mg·kg-1，叶片中Pb平均含量8.63 mg·kg-1；川芎根茎和叶片Cd含量在旱地和翻耕土中达到要求。

(3)川芎叶片对Cd、Pb的富集能力大于根茎。叶片中镉含量主要受耕作方式影响，根茎中铅含量主要与前茬作物种类相关。

(4)川芎不适宜与叶菜类蔬菜轮作，在与水稻轮作时应尽量翻耕，并将秸秆移除。

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