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川芎是一种常见的中药材，属于四川传统的出口药材，对治疗风湿痹痛、抗凝血及抗血小板聚集、神经保护具有良好效果。现如今由于金属的大量开采和冶炼，土壤重金属污染问题愈发严重，许多研究表明川芎是典型的镉富集植物[1-2]，川芎中镉含量超标已经引起了安全性和出口问题[3]。因此，如何有效的、低成本的降低川芎中的镉含量已经成为一个亟需解决的问题。
目前，在治理土壤重金属的技术中，通过向土壤添加混合改良剂的方法可以有效降低土壤有效态重金属活性，减少植物对重金属的富集并改善土壤养分状况[4]，从而增加植物生物量，以达到治理和修复的目的[5-6]。
混合改良剂具有修复效果明显，经济成本低，不会造成二次污染的优点，现被我国广泛用于解决重金属在土壤-植物中的迁移累积问题[7-8]。根据研究，施加生物炭、沸石粉、膨润土的混合改良剂处理的玉米土壤与对照组相比，显著降低了有效态镉含量，并且提升了玉米产量[9]；生石灰、鸡粪、巯基硅组合处理的水稻土壤和对照组相比，降低了5.21%—20.56%有效态Cd含量，提升了20.59%—62.14%水稻产量[10]。施加生石灰可增加土壤pH值，降低川芎镉含量[11]；施加KH2PO4-NaOH缓冲液，降低了川芎土壤有效态镉含量[12]。目前关于单一改良剂修复川芎重金属污染土壤研究日益增多，但目前关于混合改良剂治理川芎镉污染及其生长的研究仍鲜有报道。
本研究基于川芎田间试验，考察不同混合改良剂的施用对川芎中镉污染土壤重金属有效性、川芎药用部位的镉含量、川芎生物量和土壤养分的影响，并探索其相关性，以期为川芎镉污染土壤修复、川芎药用安全性和川芎的科学种植提供科学依据。
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试验材料为四川省成都市彭州区川芎种植基地人工栽种川芎Ligusticum chuanxiong hort。田间试验位于四川省成都市某川芎种植基地（31°5′35″N、104°0′34″E），基本理化性质如表1所示。试验小区面积为46.62 m2。
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试验共设两种混合改良剂，分别为改良剂Ⅰ：轻质碳酸钙、石灰石、钙基膨润土、纳米磷酸二氢钾、生物炭、硅酸钠、凹凸棒；改良剂Ⅱ：重质碳酸钙、钙基膨润土、纳米磷酸二氢钾、生物炭、硅酸钠、凹凸棒。试验共设7种处理，混合改良剂浓度由预实验土壤中最低有效态Cd含量筛选而得，分别为不施加混合改良剂（CK），混合改良剂Ⅰ低浓度（525 kg·hm−2）（O1），混合改良剂Ⅰ中浓度（1575 kg·hm−2）（O2），混合改良剂Ⅰ高浓度（5250 kg·hm−2）（O3），混合改良剂Ⅱ低浓度（612 kg·hm−2）（T1），混合改良剂Ⅱ中浓度（918 kg·hm−2）（T2），混合改良剂Ⅱ高浓度（1224 kg·hm−2）（T3）。每种处理3个重复，共21个区域，每个区域随机排列，采用泥梗并用塑料膜分隔，每个区域2.22 m2（2.22 m×1 m）。两种混合改良剂各组分质量均按1∶1混合均匀，于种植川芎前7 d均匀施入0—20 cm土壤中，并对其耕耙。川芎种植时间为2018年9月上旬，于2019年5月中下旬收获。所有处理川芎栽培方式相同，种植后每20 d追1次肥，共追3次肥，每亩施肥量为有机粪肥1.2 t，春季再追肥1次，施肥量同前。
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于川芎收获期，利用五点取样法，采集完整的植物样品以及100 g浅层土样（0—20 cm）。在105 ℃温度条件下将川芎植株样品杀青30 min[13]，65 ℃烘干，去除砂砾等异物，切片，粉碎，过0.5 mm筛，密封保存待测。土壤样品风干磨碎过0.5 mm筛，密封保存待测。
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川芎样品：在川芎杀青烘干后测定生物量（干重），根茎部位Cd参照《药典》方法，将川芎样品风干，去除砂砾等异物，过100目尼龙筛，制成药材粉末，取供试样品1 g，置于烧杯中，加入硝酸-高氯酸（4∶1）混合溶液10 mL混匀，瓶口加盖，浸泡过夜。次日置于加热板上消解，保持微沸，待消解液呈无色透明或略微黄色，冷却后转入10 mL量瓶，用2 %硝酸溶液洗涤容器，定容，摇匀，后用火焰原子吸收光谱仪（德国耶拿分析仪器股份公司，novAA300/FL）测定镉的含量。
土壤样品：土壤中有效态Cd测定采用Tessier提取法进行测定，后用火焰原子吸收光谱仪测定Cd含量。土壤pH值采用pH计（pHs-3C，上海精科）测定（水土比2.5∶1）；土壤有机质采用重铬酸钾法测定；土壤孔隙度根据土壤容重（环刀法）和比重（比重瓶法）计算得到；速效磷含量的测定采用钼锑抗比色法；碱解氮含量的测定采用碱解扩散法；硝态氮含量的测定采用紫外可见分光光度法；铵态氮含量采用靛酚蓝比色法。土壤磷酸酶测定采用磷酸苯二钠比色法；脲酶活性测定采用苯酚—次氯酸钠比色法[14]。
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试验数据采用Excel和SPSS22.0进行统计分析，利用Origin 9.1作图，每种处理设3个重复，分析结果采用3个重复的实验平均值±标准误差，采用Duncan分析法检验处理间差异的显著性。
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施加混合改良剂可以减少土壤有效态Cd含量和川芎的吸收量[15-16]，在一定范围内，土壤pH值越小，土壤重金属生物有效性越大[17-18]。pH是一种重要的理化性质，对土壤溶解-沉淀、吸附-解吸反应起到重要影响[19]。如表2所示，施加混合改良剂后，各处理的土壤pH均显著提升（P < 0.05）。由轻质碳酸钙、石灰石、钙基膨润土、纳米磷酸二氢钾、生物炭、硅酸钠和凹凸棒组配而成的混合改良剂I处理下的土壤为弱酸性（施加量分别为O1：525 kg·hm−2、O2：1575 kg·hm−2、O3：5250 kg·hm−2），与对照组相比，pH提高了0.32—0.59个单位。 混合改良剂Ⅱ由重质碳酸钙、钙基膨润土、纳米磷酸二氢钾、生物炭、硅酸钠、凹凸棒组配而成（施加量分别为T1：612 kg·hm−2、T2：918 kg·hm−2、T3：1224 kg·hm−2），pH提升了0.38—0.8个单位，这可能是由于本研究中混合改良剂Ⅰ的石灰石与生物炭等的组合与混合改良剂Ⅱ中凹凸棒与生物炭等的组合含有大量的碱性成分[20]，与土壤充分混匀后提升了土壤pH，并且混合改良剂中的生物炭可以增加土壤中的盐基离子（钾、钠等），通过吸持反应后，土壤可交换的H+和AL3+减少，从而增加土壤pH值[21]。
施加混合改良剂可以显著提高土壤的有机质含量（P < 0.05）。其中，T3与T1处理提高土壤有机质效果最明显（P < 0.05），分别提升了26.29%和23.78%，O1、O2、O3处理下土壤有机质含量增加了11.30%—16.79%，但改良剂施加量的提升对有机质含量的影响无显著差异。混合改良剂Ⅰ不同浓度处理能提升20.82%—28.47%土壤硝态氮含量，但是该3种处理差异不显著（P > 0.05）。总体而言，混合改良剂Ⅱ对土壤硝态氮的提升效果优于混合改良剂Ⅰ。混合改良剂的添加可以提升土壤速效磷的含量，T1处理提升了99.95%，效果最明显，较CK处理差异显著（P < 0.05）。混合改良剂Ⅰ和混合改良剂Ⅱ的施加使土壤有机质、速效磷等养分的含量提升，土壤本身离子交换反应加快，提高了土壤对重金属离子的吸附和交换能力，减少了土壤有效态Cd含量，降低了重金属生物有效性[22]，减少川芎对Cd的吸收.
施加了混合改良剂后，所有处理均提高了土壤孔隙度，增加量最多的为T1和T3处理，分别提升了9.15%和8.59%，这是由于混合改良剂中生物炭拥有良好的吸附能力，并且其本身的多孔结构能够增加土壤的孔隙结构，起到改善土壤结构的作用[23]。
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由图1可知，施加不同浓度的混合改良剂后，土壤有效态Cd含量得到显著降低，不同处理组间差异显著（P < 0.05）。不同混合改良剂不同浓度处理对土壤有效态Cd影响不同，对比CK处理，土壤有效态Cd含量降幅为9.64%—51.79%，处理效果最好的是T1和T3，分别为降低了51.79%和50.77%，说明混合改良剂的施加均能不同程度减少土壤有效态Cd的含量。
这是由于施加了混合改良剂后，土壤pH得到提升，土壤表面胶体中负电荷量因此增加，Cd2+的电性吸附效果也因此提升[23]，两种混合改良剂中的钙基膨润土和生物炭的性质较为接近，能够有效滞留土壤中的镉离子[9]，土壤中正负电荷结合，形成了羟基化合物，以提供给重金属离子更多吸附位点，从而降低土壤重金属生物有效性[24]，同时，混合改良剂中的凹凸棒的添加可能改变了土壤性状，例如pH、阳离子交换量等，促进了离子的络合反应，使土壤中有效态Cd转变为其它形态Cd[25]。
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由表3可知，所有处理均提升了土壤脲酶的活性，随着混合改良剂Ⅰ浓度的增加，土壤脲酶活性呈现先提升再降低的趋势，说明O2处理的土壤最有益于土壤脲酶活性。T1和T2处理土壤脲酶活性无显著差异（P > 0.05），T3处理土壤脲酶活性在所有处理中提升最大，上升了55.4%。混合改良剂的添加可以增加土壤磷酸酶的活性，增幅最大的是O1，土壤磷酸酶活性提升了52.6%，随着混合改良剂Ⅰ处理的浓度的提升，土壤磷酸酶活性呈下降趋势，T1、T2、T3处理的土壤与对照组CK相比，差异显著（P < 0.05）。说明混合改良剂的添加可以增加脲酶和磷酸酶的含量，这有利于土壤微生物的生长，促进土壤有机质、氮、磷等养分含量的分解矿化，提高土壤肥力[26]。
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施加混合改良剂能有效降低收获期川芎根部Cd含量（图2）。添加不同浓度的混合改良剂均能显著降低川芎根部对Cd的吸收。除T1和T3处理之外，不同处理差异显著（P < 0.05），降低幅度在41.51%—56.13%，这说明两种混合改良剂不同浓度的添加均能有效降低川芎根部对Cd的吸收，其中处理效果最好的是T1、T3，降低幅度分别达到了56.13%、55.67%。随着混合改良剂Ⅰ浓度的提升，川芎根部Cd含量呈逐渐减少趋势，说明随着混合改良剂Ⅰ施加量的增加能够更好的减少川芎对镉的富集；随着混合改良剂Ⅱ施用量的增加，川芎根部Cd含量呈现先提升再降低的趋势，这与土壤有效态Cd趋势一致，这主要是由于混合改良剂的施加提升了土壤pH（表2），减少了土壤有效态Cd的含量（图1），因此川芎对Cd的吸收效果受到抑制，混合改良剂中的轻质碳酸钙和重质碳酸钙都含有Ca2+离子，它能够调控川芎植株体内的阴阳离子，Ca2+离子与Cd2+离子竞争，阻止Cd2+离子从土壤向川芎迁移转运，减少了川芎对Cd2+的吸收[27]。
混合改良剂的添加显著增加了川芎的生物量（图2）。与对照CK相比，O1、O2、T2处理的川芎生物量差异不显著（P > 0.05），O3、T1、T3处理的川芎生物量增加趋势显著（P < 0.05），增加效果最好的是T1、T3处理，增幅分别为53.50%和52.72%，但该两种处理无显著差异（P > 0.05），随着混合改良剂Ⅰ浓度的提升，川芎生物量呈增长的趋势，这与川芎根部Cd含量趋势正好相反，这说明川芎根部Cd的减少对其生长有利，随着混合改良剂Ⅰ浓度的提升，O2处理的川芎根部Cd和生物量均低于O1处理，但土壤有效态Cd含量却高于O1处理，这可能是由于O2处理的土壤孔隙度高于O1处理（表2），提供了更优质的土壤结构以供川芎中更好的吸收养分对抗土壤中的有效态Cd，因此更利于川芎的生长和减少川芎根部对Cd的富集。川芎生物量的提高可能是由于混合改良剂的添加使得土壤pH增加，土壤有效态Cd的活跃程度因此减少，降低了对川芎生长的胁迫，并且对土壤理化性质和酶活性起到良好的改善作用，增加了土壤的养分，为川芎的生长提供了更好的土壤环境[28]，磷酸二氢钾、生物炭等的添加使得土壤中C、N、P等营养元素含量提升[29]，提供了充足的养分，促进了川芎的吸收，混合改良剂中硅酸钠的添加也对作物的生物量有着良好的影响作用[30]，并且混合改良剂也有效的起到了去除重金属离子的作用，减少了Cd对川芎的胁迫作用。
结合土壤有效态Cd、川芎Cd和生物量来看，混合改良剂Ⅱ整体效果优于混合改良剂Ⅰ，这可能是由于混合改良剂Ⅱ中的重质碳酸钙的粉体分散性较高，土壤Ca2+、K+等阳离子间的作用更加明显[31]，从而起到更好的去除重金属离子的作用，这还可能是由于虽然改良剂Ⅰ施加的石灰石能显著降低重金属生物有效性[32]，但是和轻质碳酸钙的组配施用反而略微影响了土壤胶体与颗粒引起的结合，减少了团聚体的形成[23]，因此孔隙度增加量略低于混合改良剂Ⅱ（表2），由此引起的混合改良剂Ⅰ的总体土壤肥力和土壤质量略逊色于混合改良剂Ⅱ，从而影响了Cd的迁移效果和川芎生物量。
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不同混合改良剂的添加均会改变川芎镉含量、土壤有效态镉含量、土壤理化性质和酶活性。通过IBM SPSS Statistics 22.0进行对川芎生物量和土壤指标之间的相关性分析（表4）。
由表4可以看出，川芎生物量分别与土壤有效态Cd含量、土壤pH呈极显著负相关（P < 0.01）和正相关关系（P < 0.01），这与提高土壤pH会降低有效态Cd含量，并增加植物生物量的结果相一致[33]，土壤有机质也与川芎生物量有极显著相关性（P < 0.01），这与在一定范围内，土壤中有机质含量与肥力水平呈正相关关系并可使植株生物量增加结果一致[34]。川芎生物量与速效磷和脲酶有显著相关性关系（P < 0.05），川芎生物量与土壤硝态氮呈较弱正相关，和土壤磷酸酶呈负相关关系。这表明了种植川芎土壤中有效态Cd含量较高时，川芎植株会受到Cd的毒害，土壤养分含量减少，影响其生长发育，因此可以通过在降低川芎土壤有效态Cd的方法提升川芎生物量和品质[35]。
川芎Cd和土壤有效态Cd、土壤pH，呈极显著正相关和负相关关系（P < 0.01），这说明土壤pH的提高降低了土壤中有效态Cd对川芎根部的迁移效果，这与前人研究结果一致[36]，川芎根部Cd与土壤孔隙度呈极显著负相关关系（P < 0.01），这可能是由于混合改良剂中生物炭丰富的孔隙结构对土壤理化性状有良好的改善作用，能够有效减少土壤有效态镉含量，从而减少作物中Cd的富集[37]。
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（1）两种混合改良剂及其不同浓度施加水平均能在不同程度上提高土壤pH值（P < 0.05），减少土壤有效态Cd含量，降低土壤重金属生物有效性，从而减少了川芎用药部位（根部）的Cd含量。混合改良剂Ⅰ（轻质碳酸钙、石灰石、钙基膨润土、纳米磷酸二氢钾、生物炭、硅酸钠、凹凸棒）和混合改良剂Ⅱ（重质碳酸钙、钙基膨润土、纳米磷酸二氢钾、生物炭、硅酸钠、凹凸棒）的3种浓度对土壤有效态Cd的降幅分别达9.64%—42.59%和28.86%—51.79%，混合改良剂Ⅰ的3种浓度中，5250 kg·hm−2处理有着最好的处理效果，混合改良剂Ⅱ中612 kg·hm−2和1224 kg·hm−2对比空白处理分别降低了51.79%和50.77%，但是所有处理均仍未达到川芎镉含量国家标准（0.3 mg·kg−1）。
（2）混合改良剂的添加可以有效提升川芎的生物量，这与改良剂的添加后，土壤有效态Cd的减少，有机质等理化性质和脲酶等酶活性的提高均有不同程度的相关性，从川芎生物量来看，混合改良剂Ⅱ的612 kg·hm−2和1224 kg·hm−2浓度施配效果最好，并从川芎根部镉含量减少效果和经济方面考虑，混合改良剂Ⅱ中612 kg·hm−2浓度处理效果最好。
混合改良剂对镉污染土壤川芎镉积累及生长的影响
Effects of mixed amendments on the cadmium accumulation and growth of Ligusticum chuanxiong hort in cadmium-contaminated soil
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摘要: 为解决川芎中镉含量超标而引起的中药安全问题，以四川省川芎主产地的土壤为研究对象，分别研究了施加不同剂量的混合改良剂Ⅰ（轻质碳酸钙、石灰石、钙基膨润土、纳米磷酸二氢钾、生物炭、硅酸钠、凹凸棒）的3种浓度525 kg·hm−2（O1）、1575 kg·hm−2（O2）、5250 kg·hm−2（O3）和改良剂Ⅱ（重质碳酸钙、钙基膨润土、纳米磷酸二氢钾、生物炭、硅酸钠、凹凸棒）的3种浓度612 kg·hm−2（T1）、918 kg·hm−2（T2）、1224 kg·hm−2（T3）对川芎根部镉（Cd）、土壤有效态镉以及川芎生物量的影响。结果表明，不同浓度下两种混合改良剂的施用均减少了川芎根部对镉的富集，这可能是由于两种混合改良剂的添加增加了土壤pH，减少了镉在土壤-川芎中的迁移，其中T1和T3处理降幅最大，对比空白处理分别降低了56.13%和55.67%；通过施加不同浓度混合改良剂，能够提升川芎生物量，增加效果最好的是T1、T3处理，对比空白处理增加了53.50%和52.72%，这可能是由于混合改良剂的添加增加了土壤的氮、磷等含量和脲酶活性，改善了土壤养分状况。从川芎根部镉含量减少效果、川芎生物量增加量和混合改良剂施加量的经济角度来看，混合改良剂Ⅱ的612 kg·hm−2处理效果最好。Abstract: To solve the safety problem caused by excessive cadmium (Cd) in Ligusticum chuanxiong hort, soils of the main producing area of Ligusticum chuanxiong hort in Sichuan province were used for the field experiments. We aimed to investigate the effects of soil amendments on plant growth and Cd accumulation by Ligusticum chuanxiong hort, as well as the available Cd in soils. The soil mixed amendment Ⅰ was composed of precipitated calcium carbonate, limestone, calcium bentonite, nano potassium dihydrogen phosphate, biochar, sodium silicate, and attapulgite,which was applied in the field at the concentration of 525 kg·hm−2 (O1), 1575 kg·hm−2 (O2), and 5250 kg·hm−2 (O3), respectively. The mixed amendment Ⅱ was composed of heavy calcium carbonate, calcium bentonite, nano potassium dihydrogen phosphate, biochar, sodium silicate, and attapulgite,and was applied at the concentration of 612 kg·hm−2 (T1), 918 kg·hm−2 (T2), 1224 kg·hm−2 (T3) , respectively. The results showed that Cd accumulation in the roots of Ligusticum chuanxiong hort was reduced by both the two amendments, which might attributed to the increasing soil pH and then reducing Cd migration to the plant. The treatments of T1 and T3 greatly decreased the accumulation of Cd in plants by 56.13% and 55.67%, respectively, compared to the control group. The biomass of Ligusticum chuanxiong hort was significantly improved with the application of mixed amendments. The treatments of T1 and T3 were most effective in enhancing the biomass, which increased 53.50% and 52.72% of the biomass compared to the control group. This might due to the increase in urease activity, soil nitrogen, and phosphorus with the application of mixed amendments. In general, the economically optimal amendment rates was 612 kg·hm−2 according to the present study.
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Key words:
- Mixed amendments /
- Ligusticum chuanxiong hort /
- available cadmium /
- biomass
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图 1 混合改良剂对土壤有效态Cd含量影响
Figure 1. Influence of mixed amendments on soil available Cd content
图 2 混合改良剂对川芎根部Cd含量（a）和川芎生物量（b）的影响
Figure 2. Effects of mixed amendments on Cd content (a) and biomass (b) of Ligusticum chuanxiong hort
表 1 供试土壤基本理化性质
Table 1. Chemical Properties of the soil tested
项目
ItempH 有机质/（g·kg−1）
Organic matter全磷/（g·kg−1）
Total phosphorus全氮/（g·kg−1）
Total nitrogen孔隙度/%
Porosity总Cd/（g·kg−1）
Total Calcium含量 5.63 28.93 0.67 1.22 43.91 1.52 
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表 2 混合改良剂对土壤理化性质的影响
Table 2. Effects of mixed amendments on soil physical and chemical properties
处理
TreatmentpH 有机质/ (g·kg−1)
Organic matter硝态氮/ (g·kg−1)
Nitrate nitrogen速效磷/ (g·kg−1)
Available phosphorus孔隙度/%
PorosityCK 5.83±0.25 c 31.87±2.82 d 17.00±0.86 a 21.42±1.15 f 44.10±0.94 c O1 6.17±0.23 bc 35.47±2.39 c 21.76±0.88 bc 34.34±0.95 e 46.47±0.76 abc O2 6.15±0.23 bc 36.39±2.06 bc 21.84±2.34 bc 36.68±0.98 c 47.17±0.51 abc O3 6.42±0.35 ab 37.22±2.46 abc 20.54±0.31 bc 38.24±0.74 c 47.40±0.49 bc T1 6.61±0.09 a 39.45±1.20 ab 29.57±10.14 a 42.83±0.62 a 48.13±0.69 a T2 6.21±0.18 abc 36.43±1.07 bc 24.49±1.44 abc 36.52±0.26 d 44.260±0.53 d T3 6.63±0.06 a 40.25±0.73 a 25.59±1.70 ab 41.01±0.52 b 47.89±0.71 ab 不同小写字母表示同列各处理间差异显著（P < 0.05），下同.
Lowercase letters indicate significant differences at 0.05 level．The same below．
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表 3 混合改良剂对土壤酶活性的影响（mg·g−1）
Table 3. Effects of mixed amendments on soil enzyme activity
处理 Treatment 脲酶 Urease 磷酸酶 Phosphatase CK 0.10±0.09 ab 170.89±2.19 d O1 0.14±0.06 d 260.89±8.68 a O2 0.15±0.07 c 219.68±8.05 b O3 0.12±0.02 bc 181.15±7.65 d T1 0.14±0.01 ab 201.64±10.98 c T2 0.14±0.05 ab 215.82±2.48 b T3 0.16±0.01 a 20.21±6.50 bc
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表 4 川芎生物量和根部Cd与土壤指标之间的相关性分析
Table 4. Correlation analysis of rhizoma chuanxiong biomass, root Cd and soil index
有效态 Cd
Available
CadmiumpH 有机质
Organic
matter硝态氮
Nitrate
nitrogen速效磷
Available
phosphorus脲酶
Urease磷酸酶
Phosphatase孔隙度
Porosity生物量 R −0.748** 0.650** 0.612** 0.383 0.666** 0.492* −0.037 0.406 P 0.000 0.001 0.003 0.087 0.001 0.023 0.874 0.068 川芎Cd R 0.787** −0.719** −0.731** −0.552** −0.964** −0767** −0.446* −0.675** P 0.000 0.000 0.000 0.009 0.000 0.000 0.043 0.001 R值表示Pearson相关系数，P值表示显著性；* 在P < 0.05水平显著，**在P < 0.01水平显著.
The R value represents the Pearson correlation coefficient, The P value represents significance; *means it’s significant correlation at 0.05 level; **means it’s significant correlation at 0.01 level.
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