川芎重金属镉污染现状及降镉策略研究进展

廖雪梅,陈媛媛,陶 珊,沙秀芬,3,吴 宇,徐正君,张 超,彭 芳

(1.四川省农业科学院 经济作物育种栽培研究所，四川 成都 610300；2.四川农业大学 水稻研究所, 四川 成都 611130; 3.四川师范大学，四川 成都 610101)

川芎(LigusticumchuanxiongHort.)为伞形科藁本属多年生草本植物，以干燥根茎入药，主要药用成分为有机酸类、苯酚类化合物、生物碱类及多糖，具有活血行气、祛风止痛的功效[1]，《神农本草经》将其列为上品，是著名的川产道地药材。川芎主产于彭州、什邡、都江堰、邛崃、眉山等地，种植面积常年稳定在5 999.4 hm2以上，年产量占全国的95%左右[2]，以川芎为原料的保健品、化妆品、饮料和香烟添加剂等需求量逐年增大。

镉(Cd)是重金属“五毒”元素之一，具有分解周期长、移动性大、难降解等特点，当含量为3～10 mg/kg(植株干质量)时会对植株产生毒害作用。李凤霞等[3]对466份中药材中5种重金属污染进行统计，结果显示，镉以污染率20%位居第一，与韩小丽等[4]的研究结果一致。川芎属于镉富集植物，地下根茎对Cd的富集能力是Cr(铬)的1 351 倍、Pb(铅)的320倍、As(砷)的417倍、Hg(汞)的18.5倍[5]。镉会抑制川芎的生长发育和光合作用，干扰药用成分阿魏酸、川芎嗪及藁本内酯的合成代谢[6]。《中华人民共和国药典(2015 版)》及《药用植物及制剂进出口绿色行业标准》规定，中药材镉元素含量不得超过0.3 mg/kg。

目前，川芎重金属超标问题突出，导致屡次被限制出口，严重影响川芎产业的可持续发展。如何有效降低川芎镉含量，保障药材品质安全，是川芎种植中亟待解决的问题。鉴于此，以国内外文献为基础，从各产区川芎及其土壤的镉含量差异、川芎根茎镉积累规律及影响因素、降低根茎镉含量的措施等方面进行综述,并针对现行降镉相关研究的局限性,提出解决川芎镉超标问题的新思路，旨在为川芎镉污染治理研究提供理论依据。

1 不同产区川芎根茎镉含量差异

不同产区川芎镉含量存在差异，从表1可见，无论是在以彭州、都江堰等地为代表的老产区，还是在以邛崃、眉山等地为代表的新产区，绝大部分川芎镉含量超过《中华人民共和国药典(2015 版)》的限量标准(0.3 mg/kg)，且合格率普遍不及50%。

表1 不同产区川芎药材(根茎)镉含量

2 川芎对镉的吸收积累规律

川芎镉含量与土壤镉污染程度呈正相关。张德林等[7]发现，土壤中度镉污染的敖平产川芎为重度镉污染，这与易桂花等[5]认为川芎 “低背景高富集”的镉吸收特点一致。富集系数可以判断植株对某种元素富集能力的强弱，当富集系数大于0.5，代表根部组织从土壤中吸收镉的能力较强[17]。周骁腾等[18]的调查结果显示，80%位点川芎根茎对镉的富集系数大于1，最大可达2.593。相同镉处理条件(5 mg/kg)下，川芎不同部位镉积累量表现为根茎>根>叶[6]。随着生育时期的推进，根茎镉富集能力逐渐增强，茎叶镉富集能力减弱，收获期川芎根茎镉含量显著高于茎叶[8]。任敏等[9]在彭州市敖平镇和眉山市永寿镇两地的试验发现，川芎地下根茎镉含量分别高于地上部47%和56%，平均镉富集系数均大于0.5且分别高于地上部83.93%和48.48%。川芎根茎主要承担吸收养分、积累营养的作用，在生长后期川芎根茎迅速膨大，干物质量积累达到鼎盛，对Ca、Zn、Fe、Mn等元素的需求变大，此时川芎镉富集能力增强，可能与满足自身迅速生长的需求有关[8,18]。何春杨等[19]发现，购自中药材市场的3批川芎药材，皮部镉含量较皮部以外组织的镉含量分别高出了1.70、1.25、3.37倍，故认为川芎根茎皮部是根茎积累镉的主要部位，这可能是因为皮部直接与土壤接触，更容易积累和截留重金属物质[20]。川芎根茎对镉的强富集能力是川芎药材普遍镉超标的重要原因之一。

3 川芎根茎镉污染的影响因素

3.1 土壤镉污染

土壤生态环境是影响药材质量的重要因素之一，不同产区的川芎镉含量存在显著差异，陈林等[21]研究发现，川芎药材镉含量与土壤镉元素含量强相关。低浓度镉污染能增加川芎产量、阿魏酸含量及浸出物含量，随着土壤镉污染程度加重，川芎产量受到明显抑制，川芎减少对土壤中镉的富集以降低镉对自身的毒害，符合毒理兴奋学效应[7]。目前，在彭州、都江堰、新都、彭山、什邡、眉山等川芎种植区均发现土壤镉污染问题[21]。镉易富集在土壤表层，向下垂直迁移能力差[22]，不同土层土壤镉含量表现为表层(0～20 cm)>中层(20～40 cm)>下层(40～60 cm)[23]。李想[24]通过单因子污染指数法评价了50份彭州市敖平镇川芎地土壤样品，PCd值(重金属Cd的污染指数)为0.47～2.77，80%土壤的PCd大于1，属于镉污染土壤。周骁腾等[18]在都江堰、彭州、什邡、成都4个川芎产区选取15个采样点，其中3个采样点镉的生态危害指数大于80，达到强生态风险污染水平，12个采样点镉的生态风险指数为40～80，存在中度生态风险。有学者建议，在种植选址时应避开水泥厂等工业污染源，因为粉尘会增加川芎田土壤中镉含量[25]。

3.2 土壤pH值

在清洁和中度污染土壤中，川芎镉含量与土壤pH值的关联度较大，与土壤镉污染程度的关联度较小，而在重度污染土壤中则相反[7]。土壤pH值与川芎根茎镉含量呈极显著负相关，碱性土壤中根茎镉含量低于酸性土壤，极差可达61.23 mg/kg，且提高pH值有利于改善川芎苗高和生物量，增加产量[26]。土壤中镉可大致分为7个形态：水溶态、可交换态、碳酸盐结合态、铁(锰/铝)氧化物结合态、有机质结合态、硫化物结合态及残渣晶格结合态；水溶态和可交换态可以被植物直接吸收利用，合称为有效态[27-28]。以可交换态生物活性最高，毒性最大，最易被植物吸收[29]。多数学者认为，pH值是镉元素在川芎根茎中积累的最直接因素，它使土壤中可交换态镉含量百分比发生改变，从而影响川芎根茎对镉的吸收。徐琴等[15]将pH值为5.71和7.11的川芎土壤进行对比，后者土壤中镉离子态(属于可交换态类别)含量所占比例比前者低53.6%，其他形态镉含量所占比例均高于前者，川芎中镉含量比前者低85.7%。李青苗等[12]发现，川芎镉含量与土壤pH值呈负相关，与镉可交换态比例呈正相关，当pH值为7.6时，川芎中镉含量最低，为0.304 mg/kg，镉离子态比例为24.13%，与杨江等[14]的研究结果一致。宁梓君等[29]用生石灰对酸性土壤进行碱化改良,发现随生石灰施用量增加，土壤pH值升高，土壤中离子态镉所占百分比降低，川芎根茎中镉含量显著降低，施用量为1 500 kg/hm2时降镉效果最稳定。

3.3 农艺措施

不同的栽培模式、秸秆覆盖、除草剂使用等农艺措施也会导致川芎镉含量增加。周斯建等[30]发现，在4种典型耕作方式下，川芎根茎和地上部镉含量均表现为蔬菜—川芎>水稻—川芎免耕>水稻—川芎翻耕>其他旱地作物—川芎，其中只有蔬菜—川芎方式种植的川芎根茎镉含量超过了0.3 mg/kg。根据川芎生长需求规律，选择符合国家安全生产标准的绿色肥料进行合理配施，在保证根茎镉含量合格的同时，提高川芎的药用品质。张毅[31]发现，在土壤中施加铵态氮和酰胺态氮肥可以促进川芎根茎对镉吸收，其中碳酸铵单独处理下的川芎镉含量最高，是对照(不施氮肥)的1.5倍；刘灵[32]研究表明，川芎根茎镉含量与氮肥施用量呈正相关，与氮肥施用时间呈负相关，其中镉含量最高的处理氮肥施用量为54.3 kg/hm2，是对照(不施肥)镉含量的1.82倍。此外，磷肥本身的酸碱特性可引起土壤pH值发生改变，从而使得土壤中有效镉含量发生变化。栽种川芎初期，为了避免苓种遭受阳光直射或者大雨冲刷，常常在其表面覆盖一层秸秆，而秸秆腐解后的产物会提高土壤中镉有效态的分配系数[33]。但段桂兰等[34]研究表明，镉含量为0.49 mg/kg的水稻秸秆与石灰混合后还田，降低了后茬水稻糙米中镉积累量。建议在秸秆还田的同时，选择合适的改良剂进行配施，既可增加土壤中的营养成分，又可降低作物受镉污染的风险[35]。另外，据调查，92%芎农在除草过程中选择使用化学除草剂[36]，任敏等[37]发现，施用除草剂的30个川芎根茎样品镉含量平均值为0.43 mg/kg，其中只有9个样品镉含量未超标(<0.3 mg/kg)；而人工除草的川芎根茎样品镉含量平均值为0.27 mg/kg，且17个样品镉含量未超标。

4 降低川芎根茎镉含量的措施

4.1 加强农艺措施管控

在选择川芎种植土壤时，以镉吸附性高的壤土和黏土为宜。邵云等[27]发现，土壤中镉含量表现为壤土>黏土>砂土，土壤中有效态镉含量表现为砂土>黏土>壤土。镉在土壤中有明显的表聚现象，种植前进行深翻处理，可降低耕层土壤(0～20 cm)镉含量，以减小镉迁移到植株中的概率[38]。周斯建等[39]发现，翻耕土壤处理的川芎根茎镉含量仅为0.13 mg/kg，显著低于免耕土壤。有研究表明，耕作方式是通过改变土壤pH值、有机质含量、阳离子交换量等理化性质影响植物对镉的吸收[40]，常同举等[41]发现，不同耕作方式对水稻镉含量影响较大，其中，水旱轮作下各土层土壤pH值、有机质含量、土壤有效镉含量显著低于常规平作、免耕冬水、垄作免耕、厢作免耕等方式，镉向糙米的迁移系数明显降低，糙米中镉含量仅为0.13 mg/kg,符合国家食品卫生标准(GB 2762—2005，<0.2 mg/kg)，而其余4种方式种植的糙米镉含量均超标。

在川芎种植过程中，应针对各产区的实际情况，对栽培技术进行规范指导，改变目前以化肥氮肥为主且滥用、盲用农药的栽培现象。土壤中泥炭土、鸡粪等有机质成分，不仅可以促进植株生长，还能降低植物对镉的吸收，有机质含量越高，对镉的吸附效率越高[42]。对低污染程度土壤中生长的水稻施加油枯，有助于将糙米中镉含量控制在国家食品中污染物限量标准(GB 2762—2012，<0.2 mg/kg)以内，同时可以提升稻谷的生物量[43]。但有学者发现，有机质对镉的有效性也具有负效应，当土壤中有机质溶解后，会与镉产生对土壤吸附点位的竞争，导致土壤对镉的吸附能力降低[44]。在平衡利用各种肥料的同时，正确利用其他元素之间的交互作用，适当添加大量元素和微量元素，能够有效阻控根茎对镉的吸收。郭俊霞等[45]发现，与对照(不施硅肥)相比，在川芎茎叶期喷施硅肥有利于地下根茎生长，并降低总镉含量，以2 250、4 500 g/hm2硅肥处理效果最好，且对药用成分阿魏酸、洋川芎内酯A、藁本内酯的含量无显著影响。另外，对水稻和小麦的研究表明，适当降低锌肥及铜肥施用量[46]，增加硅肥用量，能有效降低作物对镉的吸收，且可缓解镉对植物的毒害作用[47]。在解决虫害及草害问题时，应首先考虑生物防治或者物理防治，选择购买无重金属污染风险的合格农药，绿色栽培农艺措施可以在一定程度上降低川芎根茎镉污染概率。

4.2 修复镉污染土壤

产区土壤的质量安全是川芎品质的重要保障。目前，学者主要从土壤污染角度解决川芎镉超标问题。通过在芎田中添加各种改良剂调节土壤pH值，改变镉元素的存在形态，降低其在土壤和农作物之间的迁移能力。宁梓君等[29]向土壤施加750、1 125、1 500 kg/hm2生石灰后，发现川芎根茎镉含量与生石灰施用量呈极显著负相关，施用量越高，根茎镉含量越低；3组川芎植物样品中根茎镉含量相比于改良前分别降低36.4%、33.9%、52.7%，且1 125、1 500 kg/hm2生石灰处理效果更加稳定。任敏[9]综合应用生石灰、磷酸二氢钾、聚丙烯酸钠、腐殖酸等土壤化学改良剂降低川芎药材镉含量,结果表明，降镉效果最好的组合为生石灰 1 500 kg/hm2+磷酸二氢钾300 kg/hm2+淀粉1 500 kg/hm2，川芎药材镉含量降低了34.21%～42.50%。研究表明，海泡石、生物炭、交联改性甲壳素等新型改良剂对镉在土壤—水稻中的迁移与再分配过程起到较好的阻控作用[48-49]，川芎生产也可借鉴稻田镉超标治理的经验。但被暂时固定在土壤中的镉元素会随pH值的改变被再度活化，再次成为问题。目前，四川共有139种超积累植物，其中1/3以上属于富集镉植物[50]，超积累植物对镉的吸收积累能力是普通植物的100倍，除了化学修复以外，还可以利用超积累植物对镉的富集能力和转移能力高效去除被污染土壤中的镉元素。

4.3 更换种植模式

相较于土壤修复，更换种植模式则是一种更为简单易行的降镉措施，还能为农民创造更高的经济收益。在成都常规粮油种植模式中，油菜—水稻模式产出的稻谷中镉含量比小麦—水稻模式低70.2%，存在显著差异，且多创收114 090元/hm2[51]。川芎—水稻是川芎产区传统的轮作模式，在水稻收获后，稻田经历淹水回旱，土壤中弱酸提取态镉含量增加，川芎被镉污染的概率加大[52]。邓天龙等[53-54]探索发现，大豆对镉的富集能力强于水稻，可以有效降低土壤中镉含量；同时由于肾蕨和川芎的根系对镉存在竞争性吸收，在与大豆轮作的同时，将川芎苓种和肾蕨分苗间作，可进一步降低川芎镉含量，且不会对川芎药用成分产生影响。易镇邪等[55]对比发现，3种稻田粮食作物种植模式中，双季高粱的全年镉累积量最大，但成熟期籽粒中镉含量为0.25 mg/kg，是国家饲料标准(<0.5 mg/kg)的1/2，说明中度镉污染稻田更适合于双季高粱模式。不同种植模式的改变也会引起土壤镉含量的变化，李博等[56]发现，0～20 cm耕层土壤中镉含量表现为连作>套作>轮作>间作。

4.4 培育低富集镉种质资源

同一植物不同种质对镉元素的吸收积累存在差异，在重度镉污染胁迫下，籼稻和粳稻籽粒镉积累差异可达4.14倍[57]，张锡洲等[58]以耐性指数和镉含量为指标，从145份水稻种质资源中筛选出恢复系和保持系镉低积累种质资源共15种，发现同系水稻材料间镉积累能力相差较大。肖美秀[59]筛选出高耐镉性水稻种质共7份，经过镉胁迫处理后，镉敏感性水稻稻米中镉元素含量相较于高耐镉性水稻更高，叶绿素含量受抑制程度更重，抗氧化酶系统活性和抗氧化物质总酚和类黄酮含量更低，猜测抗性与镉吸收量呈反比。目前，水稻、小麦、玉米、番茄、大豆等作物通过种质筛选已得到一大批优良种质资源，为解决作物抗逆生长研究提供丰富的材料。彭州产区和眉山产区13种川芎根茎镉含量分别为0.75～1.33 mg/kg和0.25～0.45 mg/kg，不同种质间差异较大[7]，但关于川芎低富集镉种质的研究尚未见报道。利用种质间镉吸收和积累的差异筛选出低富集镉种质资源，可为解决川芎镉超标问题提供新的思路。

4.4.1 分子标记辅助育种 分子技术的飞速发展以及镉-土壤-植株吸收转运规律的揭示，使得植株器官中介导镉元素吸收、积累、转运的部分功能基因进一步明确，如天然抗性相关巨噬细胞蛋白(NRAMP)家族成员OsNramp5和OsNramp1，它们可以介导镉离子进入根部；原生质膜上的NcZNT、AtZIP1和AtZIP2可以帮助镉元素从根部到地上组织的长距离运输[60]；重金属ATP酶家族(HMA)成员AtHMA2可以促进木质部装载镉[61]；阳离子交换体CAX2和CAX4对镉也具有较强的转运能力[62]。分子标记辅助育种通过与目标基因紧密连锁的分子标记, 筛选具有特定基因型的个体,最终通过常规育种方式选育优良品种，可以弥补系统育种周期长、效率低、易受环境因素影响等不足[63]。黄湘桂等[64]采用分子标记辅助选择技术和逐步聚合的方法，创制了基于创 5S(C5S)背景的包含抗病双基因和镉低积累基因的三基因聚合系水稻种质，其中，基因型为C5S(Pi49+Pigm+OsHMA3)的改良系糙米镉含量为0.051～0.067 mg/kg，远低于0.2 mg/kg的食品安全国家标准。白磊等[65]利用7个与马铃薯抗性基因连锁的分子标记(Rxsp、RYSC3、Ry186、R1、R2-800、R3b 和 N146)对云南农业大学薯类作物研究所收集的马铃薯品种(系)进行多抗性筛选，发现与国外品种(系)所含抗性基因数量相比，国内丰富性较低，云南省内更是单一，这是导致马铃薯产量逐年降低的原因之一。杨海峰等[66]利用orf 725对16个洋葱品种的DNA进行分子标记，筛选出4个全不育型杂交种。李孝琼等[67]利用分子标记辅助选择将广谱高抗稻瘟病基因Pi9导入携带抗稻褐飞虱基因Bphl4和Bphl5的优良恢复系桂恢1561中，通过回交和杂交育种，得到的改良株系既抗稻瘟病又抗稻褐飞虱，且生育期、单株有效穗数、千粒质量等农艺性状优于轮回亲本。同样，分子标记对于川芎低富集镉种质的培育也具有重要意义，悠久的栽培历史中积累的基因突变使川芎拥有较高的遗传多样性，为通过分子标记辅助育种手段获得低富集镉种质奠定了基础。但目前开发的分子标记主要集中于川芎遗传多样性的分析[68-69]及道地川芎与其混伪品物种的鉴定方面[70]。

4.4.2 辐射诱变育种 辐射诱变育种指通过X射线、γ射线、中子、离子束等辐射诱变因素改变植物的遗传物质，根据育种目标进行选择，从而获得新品种[71]。川芎属于无性繁殖，遗传改良主要依靠自然变异，效率太低，而辐射诱变弥补了这一缺点，且引起的变异类型多，可以极大地丰富物种种质资源，为种质筛选工作提供有益助力。经过γ射线辐射诱变后，向日葵出现单秆变多枝，可育变不育，叶片数和分枝数增多，生育期时间缩短等效应[72]，草坪型扁穗牛鞭草植株较对照(未辐射)株高变矮 ,茎节与分蘖数变少，叶片狭窄细短，茎粗变细，辐射当代材料的变异频率为37.5%[73]。随辐射剂量的升高，小麦出苗率、成株率、株高降低，不育率升高，每穗小穗总数、每穗粒数减少,千粒质量降低[74]。近年来，辐射育种已经应用于水稻、小麦、玉米、大豆、棉花、油菜等农作物，并成功选育出花香7号、龙辐玉9号、鲁棉502、浙油80等优良品种[75]。陈慧茹通过12C6+离子束辐照成功创建籽粒镉低积累的突变遗传种质，与野生型相比，突变体籽粒中镉、铅、铜含量分别下降28.6%、24.0%、27.4%，差异显著(P<0.05)[57]。杂交糯稻特优63糯是福建农林大学将辐射诱变与杂交育种相结合培育出的水稻品种，与原杂交稻特优63相比，平均增产4.63%，整精米率、胶稠度和蛋白质含量达国家1级米标准[76]。分子标记能识别辐射诱变后突变体的真伪，辐射诱变为分子标记辅助育种提供丰富的种质材料，二者相结合大大增加了获得有价值突变体的机会，这也是目前作物育种的发展趋势。

5 展望

川芎作为镉富集植物，新老产区土壤和根茎镉含量均出现不同程度的污染，其药用部位根茎平均镉含量为0.209～2.830 mg/kg。建议在川芎种植过程严格按照无公害栽培标准进行，对种植地土壤及附近水源镉含量进行测定，深耕土壤，改变栽培方式，合理配施氮肥，加大有机肥使用比例，坚决抵制镉元素超标肥料，优先使用农业、生物和物理手段防治病虫害，减少农药使用量。目前，研究人员在通过提高土壤pH值、更换传统轮作方式、调节土壤中元素交互作用等手段降低川芎镉含量方面已经取得了一定的研究成果，但由于镉污染来源的复杂性，以及川芎对镉具有高富集特性，现在依然未找到长期有效且能直接应用于大田的解决方案。川芎低富集镉品种的培育是一种经济、便捷、安全的降镉途径，分子技术与辐射诱变技术结合，大大提高了低富集镉川芎品种选育的可能性。在镉污染严重区域及时做出种植结构调整，选择低富集镉材料进行种植，在保证川芎根茎药用品质安全的同时，也可提高镉污染农田的利用率。

目前，与大宗作物相比，川芎品种改良依然局限于常规手段，分子生物学、基因组学等相关研究较为落后，特别是DNA指纹图谱的构建、QTL定位等基础研究工作尚处于空白阶段，严重阻碍了川芎育种工作的进程。今后除了应继续探索新的土壤修复剂以外，可从植物代谢途径入手，利用元素交互作用，抑制根茎对镉的吸收积累，此外还应加强镉—川芎—土壤富集机制方面的研究，揭示川芎富集镉的相关表达基因，为利用分子技术手段筛选低镉基因型的川芎种质奠定基础。