镉污染稻田甘薯替代种植模式的应用

张道微，赵修忠，张 亚，董 芳，黄艳岚，项 伟，张超凡

（1.湖南省作物研究所，湖南 长沙 410125；2.湘潭县农业农村局，湖南 湘潭 411228）

农田土壤重金属污染是指具有显著生物毒性的镉、铬、铅、汞和砷等污染物进入土壤中过量积累，被作物吸收进入食物链，致使土壤生态系统发生变化，并对人类健康造成潜在威胁的现象。目前，区域性大面积重金属污染耕地的农业安全利用已成为农业及环境科学研究领域的难题与热点[1-5]。湖南省是我国耕地和农产品重金属污染问题较为突出和典型的区域之一，既是“有色金属之乡”，又是全国重要的产粮大省，有色金属行业为国民经济发展做出巨大贡献的同时，也带来了环境污染和农产品重金属污染问题。针对农田土壤污染状况和粮食生产现状，可把粮食作物产区划分为禁产、限产和宜产3种类型[3]。湖南省按照“摸清家底、因地制宜、分区治理、科学施策”的总体研究思路和“边生产、边治理、边修复”的基本技术路径，建立了以“轻度污染农艺调控/中度污染钝化降活/重度污染断链改制”为核心的安全利用模式，为重金属污染耕地农业安全利用提供了切实可行的方案[5]。

甘薯是我国主要粮食作物之一，也是镉污染稻田安全利用理想的替代作物[6-8]。研究发现，甘薯储藏根的镉积累低于吸收根及地上部茎叶，且薯块镉含量远低于薯皮镉含量[9-10]；土壤中镉元素被甘薯根系吸收后，主要被阻滞于吸收根的细胞壁区域，少部分通过韧皮部向地上部和储藏根转运，且薯块中薯皮部位吸收的镉不易横向运输至薯肉，这些特性导致可食用部分（薯块）镉积累量较低[11-15]。因而甘薯在镉污染耕地的综合利用中前景广阔。甘薯作为镉重度污染稻田（土壤全镉含量1.0～2.0 mg/kg）替代作物，已在长、株、潭镉污染耕作区推广应用[16]。该研究选择典型的镉污染耕作稻田替代种植区，开展了甘薯替代种植模式的生产试验，旨在论证南方镉污染稻田较大面积替代种植甘薯的安全性与可行性。

1 材料与方法

1.1 试验地点及供试品种

试验在湖南省湘潭市湘潭县某镉重度污染稻田进行，成片种植甘薯面积达2 hm2，土壤pH值为4.5～7.0，土壤全镉含量为1.0～2.0 mg/kg。选用低镉积累的淀粉加工用甘薯——湘薯98（X98）及鲜食用甘薯——普薯32（P32）为供试甘薯品种。

1.2 试验方法

1.2.1 甘薯种植甘薯种植与大田管理参照HNZ 208－2018 镉污染耕作区甘薯安全生产技术规程 实施，试验区不施用生石灰、特制降镉肥料等土壤改良剂。甘薯栽插时间为2020年5月28日，采收时间为2020年11月2日，生长期为158 d。

1.2.2 取样与制样采收前1周完成取样，2 hm2面积内随机抽取15个样，各个取样点在大田均匀分布，每个取样点为连续5株甘薯的混合样，在植株生长位点采用点对点的方式采集土样。采样后参照HNZ 209—2018 甘薯镉积累特性盆栽鉴定技术规程 进行样品制备。（1）薯块样品：取3个大中薯（单个薯重＞100 g）清洗干净，剥离薯块外周皮层，薯块切丝后，取100 g，70℃烘干至恒重，测量干重，计算干率。（2）地上部茎叶样品：取地上部第二个茎节位置以上所有茎叶，先用大量清水冲洗干净，置于阴凉处晾至无明显流水，切碎后取100 g茎叶，105℃杀青30 min，70℃烘干至恒重，测量干重，计算干率。（3）土壤样品：称取1 kg湿土，自然风干，粉碎备用。

1.2.3 样品检测植株样品镉含量按照GB 5009.15—2014 食品安全国家标准食品中镉的测定进行检测，每批72个样品中含有2个标准物质和2个空白样品进行质量比对。土壤pH值参照NY/T 1121.2—2006中的点位法测定；土壤全镉含量参照GB/T 17141—1997中的石墨炉原子吸收分光光度法测定。鲜薯及相关加工产品的镉含量限量值参照GB 2762—2017 中的标准，鲜薯及相关制品镉含量限量值为0.1 mg/kg。

淀粉加工用商品薯率（%）=大中薯重量/测产小区总重量×100

鲜食用甘薯商品薯率（%）=商品薯鲜薯重量/测产小区总重量×100

薯块等样品检测结果为干重镉含量，鲜重镉含量按照干率换算，计算公式为：鲜重镉含量（%）=干粉镉含量×干率/100

富集指数（%）=样品干重镉含量/取样位置土样全镉含量×100

1.3 数据分析

选用DPS V9.01软件对试验数据进行整理分析。

2 结果与分析

2.1 甘薯的产量性状

如图1所示，普薯32的平均单产达45 917.2 kg/hm2，各小区的平均方差为953.6 kg/hm2；湘薯98的平均单产为54 371.8 kg/hm2，各小区的平均方差为1 898.4 kg/hm2；供试的2个品种在水改旱稻田种植，品种之间平均单产存在极显著差异；品种内各小区之间平均方差较小，产量稳定性表现较好，表现出高产稳产特性。平均商品薯率普薯32为90%，湘薯98为89.2%，2个品种之间无显著性差异。

图1 普薯32与湘薯98的单位面积产量与商品薯率

2.2 甘薯的经济指数

当年鲜薯单价为1.5元/kg，通过单产与商品薯率折算，普薯32平均产值为61 983元/hm2；当年淀粉加工用甘薯鲜薯单价为1.0元/kg，通过单产与平均商品薯率折算，湘薯98平均鲜薯产值为48 465元/hm2；湘薯98加工为淀粉后平均出粉率28%，当年甘薯淀粉单价为12元/kg，折算淀粉加工产值为162 844元/hm2。

2.3 甘薯的安全性评价

2.3.1 鲜食用甘薯普薯32如表1所示，在成片种植区对普薯32进行随机取样检测，6个取样点的土壤pH值范围为4.76～6.70，土壤全镉含量范围为0.940～1.840 mg/kg，藤蔓鲜重镉含量范围为0.012～0.044 mg/kg，薯块鲜重镉含量范围为0.006～0.021 mg/kg。参照GB 2762—2017中的标准，试验区内所有样品镉含量均未超出国家限量标准值。普薯32藤蔓的富集指数范围为6.61%～24.10 %，薯块的富集指数范围为1.93%～6.93 %，地上部与地下部薯块镉富集指数均较低。

表1 薯32地上部与薯块镉含量及富集指数

2.3.2 淀粉加工用甘薯湘薯98如表2所示，在成片种植区对湘薯98进行随机取样检测，取样的9个点土壤pH值范围为4.71～6.75，土壤全镉含量范围为1.033～1.832 mg/kg，藤蔓样品鲜重镉含量范围为0.013～0.090 mg/kg，薯块鲜重镉含量范围为0.011～0.045 mg/kg，薯块淀粉制样镉含量为0.003～0.014 mg/kg。参照GB 2762—2017中的标准，试验区内所有样品镉含量均未超出国家限量标准值。湘薯98藤蔓的富集指数范围为2.26%～13.68%，薯块的富集指数范围为3.24%～8.52%，淀粉制品镉残留比例为15.63%～33.33%，由此可见湘薯98地上部与地下部薯块镉富集指数均较低，鲜薯加工成淀粉后镉含量下降了近69%。

表2 湘薯98地上部与薯块镉含量及富集指数

3 讨论与结论

该研究在镉重度污染稻田成片种植甘薯，选用甘薯品种适宜于镉污染耕地种植，成片种植时高产稳产性好，薯块镉含量均未超出GB 2762—2017中鲜薯及相关制品镉含量的限量值，实现了安全生产。这说明镉污染稻田甘薯安全生产模式是安全可靠的。

农业生产过程可受诸多因素影响，农田生态系统中重金属污染的来源主要有自然因素和人类活动2大途径。其中，自然因素主要是指成土母质和成土过程中所形成的土壤重金属元素背景值以及大气沉降等。人类活动主要包括采矿、冶炼、施用农药和无机肥料、污水污泥排放等[17]。目前，用于农田重金属污染治理的方法有物理化学修复、生物修复及农艺措施等，但这些治理措施存在实施成本高、农业生产可行性小、存在二次污染等问题，目前难以实现大面积推广[18-25]。农业生态修复主要包括种植结构调整与耕作方式改善2部分，兼顾了粮食品质安全与粮食生产任务，在污染耕地的综合利用中发挥着不可替代的作用[5,26]。

重金属镉污染已对我国局部地区农产品质量安全构成严重威胁[1-4]。湖南省耕地土壤污染形势总体不容乐观，局部地区镉污染问题突出，“镉大米”“有色大米”等事件给湖南粮食生产带来较大负面影响，农田重金属污染的综合治理势在必行[5]。笔者所在的研究团队在明确了甘薯镉积累规律的基础上[7-9,11]，充分挖掘了甘薯在镉重度污染稻田种植结构调整中的应用潜力，制定了镉污染稻田甘薯安全生产技术规程，该研究在典型镉重度污染稻田种植结构调整区域开展了甘薯替代种植模式的生产试验，认为该生产模式增产增效显著，技术简单易行，可复制性强，相关产品安全可靠，可在适宜区域大面积推广应用。