Cd是一种积累性、移动性很强的重金属元素，可通过食物链进入人体，严重威胁人类健康，已被公认为是对人类最具威胁的主要有毒重金属之一^[1]。近年来，随着工农业的发展，土壤污染日趋严重，尤其是矿区附近农田存在土壤酸与Cd复合污染的问题^{[2, 3]}。植物修复技术以其廉价高效、安全环保、不破坏生态环境等优点，受到各国的普遍关注，被认为是一种经济有效的土壤重金属去除方法^{[4, 5]}。龙葵（Solanum nigrum L.）是广西、广东地区具有悠久食用历史的常见蔬菜之一^{[6, 7]}，具有生物量较大、适应性强、生长迅速的特点，于2005年被确定为Cd的超富集植物，是实施植物修复的良好材料^{[8, 9]}。甘蔗（Saccharum officinarum L.）是广西环江主要的经济作物之一，既可以作为植物修复材料，也可以作为生物质原料生产燃料乙醇^[10]。化学改良成本较低，对土壤环境扰动小，容易实施，是一种常用的土壤修复措施^{[11, 12]}。梅娟等^[13]研究表明，广西环江地区污染农田施用石灰、氢氧化钠、有机质和蚕砂等化学改良剂，可在一定程度上提高土壤的pH和有机质，促进植物生长，降低植物健康风险。采用植物修复技术和土壤改良措施，对Cd污染农田进行治理和修复，筛选出适用于酸与Cd复合污染土壤的修复和综合治理模式具有重要意义。

2001年，特大洪灾导致广西大环江上游铅锌硫铁矿区约1万m3的尾砂和硫铁粉冲入沿江的农田，致使约613 hm2良田遭受酸化和重金属污染，大面积农田寸草不生，其中Cd轻度污染农田约300 hm2，土壤pH值最低仅为2.31^{[14, 15]}。唐成等^[16]调查也表明，大环江两岸农田受Cd污染的概率达60.63%，需进行农田土壤治理和修复。本文选取广西大环江流域具有代表性的酸与Cd低污染农田为试验区，用石灰和氢氧化钠调节土壤pH，用有机质和蚕砂改良土壤性状，通过种植Cd超富集植物龙葵和当地经济作物甘蔗，研究龙葵和甘蔗对酸与Cd污染农田的修复潜力，并分析龙葵和甘蔗对人体的健康风险。

试验区位于广西环江毛南族自治县西北部大环江沿岸农田，地理位置为东经107°51′～108°43′，北纬24°44′～25°33′，属亚热带季风气候，年平均气温为19.9 ℃，年降雨量1389～1750 mm。供试土壤pH4.99，呈酸性，土壤容重为1.14 g·cm^-3，土壤全Cd为（0.71±0.14）mg·kg^-1，超出国家标准（GB 15618—1995）土壤环境质量二级限值（土壤全Cd≤0.3 mg·kg^-1，pH<6.5），为Cd轻度污染。

龙葵（Solanum nigrum L.）种苗取自当地旷野；甘蔗（Saccharum officinarum L.）为台优25号，种苗由当地农业站提供。

石灰来自环江县水源镇温平石灰厂，pH13，全Cd含量为0.19 mg·kg^-1；氢氧化钠来自新疆中泰化学股份有限公司，全Cd含量为1.19 mg·kg^-1；有机肥来自环江县大才乡新坡村木连屯，pH6.5，全Cd含量为0.31 mg·kg^-1；蚕砂来自环江县思恩镇文化村下兰屯，pH9，全Cd含量为0.11 mg·kg^-1。

本研究采用田间定位试验，试验设套种龙葵和甘蔗2个小区重复，并设1个不种植物的对照小区，每个小区面积约667 m2；每个小区内设置4组处理，各处理在小区中的方位随机分布，分别为不施加土壤改良剂、石灰-氢氧化钠单施、石灰-氢氧化钠与有机肥配施、石灰-氢氧化钠与蚕砂配施，每组处理重复2次。每个小区（667 m2）土壤改良剂施加量为：石灰1000 kg，氢氧化钠500 kg，有机质2000 kg，蚕砂2000 kg。

实验区土壤经过土地平整、翻耕、划片分区后施加改良剂，平衡2个月后，套种龙葵和甘蔗，种植密度（行距×株距）为甘蔗90 cm×15 cm、龙葵90 cm×50 cm。试验周期为2011年3月至2012年1月，植物全生育期不进行施肥，灌溉用水符合GB 5084—2005《农田灌溉水质标准》，采用人工除草方式去除田间杂草。

翻耕土壤及植物收获后，每个片区按五点法采集土壤样品，取耕层0~20 cm土壤组成混合样品，在野外编号，在室内风干，除去土壤中的石块、植物根系和凋落物后粉碎，过30目（0.6 mm）筛，测定土壤Cd含量。植物成熟后对地上部进行测产，并在每个片区采用五点法取样，采集各样点1 m2内的植物地上部植株，组成混合样品，用自来水清洗表面粘附的土壤，再用去离子水淋洗3遍，晾干，105 ℃杀青30 min，65 ℃烘至恒重后，粉碎，测定植物中Cd含量。成熟期的甘蔗进行榨汁，将甘蔗汁烘干至恒重测蔗糖含量。

土壤样品采用HNO₃-H₂O2消煮，植物样品采用HNO₃-HClO₄消煮^[17]，电感耦合等离子质谱法（ICP-MS）测定Cd^[18]。分析过程添加国家标准物质（土壤：GSS-1、GSS-4；植物：GSV-3）进行分析质量控制。

土壤修复采用植物提取量、植物提取效率、预计修复年限、土壤修复效率等指标进行比较和分析，计算公式^{[19, 20]}如下：

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植物通过食物途径平均日摄入重金属的量参照US EPA的MMSOILS模型中的水、食物摄入和空气吸入的暴露评价方程进行简化后计算^[21]，公式为：

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以HQ表征由食物摄入引起的重金属暴露风险指数，计算公式为：

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所有试验数据均采用Excel 2003和SPSS 19.0 LSD法进行统计分析。

由表 1可见，不同土壤处理模式下，龙葵中Cd含量为5.21~16.83 mg·kg^-1，富集系数为7.33~23.70，远远大于1，龙葵对土壤中的Cd表现出较强的富集特性。未进行土壤改良处理与三种土壤改良处理相比，龙葵中Cd含量呈显著性差异（P＜0.05），但各改良处理之间差异不明显（P＞0.05）。未进行土壤改良处理的龙葵中Cd含量高达16.83 mg·kg^-1，但进行土壤改良后，龙葵中Cd含量降低。这主要是因为施加改良剂后，土壤中Cd的有效性降低，抑制了龙葵对Cd的吸收。不同处理模式下，未进行土壤改良处理甘蔗中Cd含量最高，为0.54 mg·kg^-1，其他处理为0.23~0.51 mg·kg^-1，低于土壤中Cd含量，富集系数均小于1，表明甘蔗不具备Cd富集植物特性。

表 1 不同处理条件下植物的生物量、Cd的含量和富集系数（干重） Table 1 Effects of different treatments on biomass，Cd concentrations and bioaccumulation factors（BAF） in plants（dry weight）

表选项

施加石灰-氢氧化钠与蚕砂后，甘蔗和龙葵生物量与其他土壤处理相比呈显著性差异（P＜0.05），其中，甘蔗生物量为33.91 t·hm^-2，是其他处理的1.21~1.59倍，龙葵生物量为2.91 t·hm^-2，是其他处理的1.42~1.59倍。这主要是由于石灰-氢氧化钠与蚕砂的施加，减缓了土壤酸性，提供了充足的土壤养分，从而促进了植物生长。

龙葵和甘蔗从土壤中提取Cd的量见表 2。不同土壤处理模式下，未进行土壤改良处理中Cd的提取量远大于进行土壤改良处理，其中龙葵中Cd的提取量最高达34.18 g·hm^-2，提取效率为2.11%，甘蔗中Cd的提取量最高达11.5 g·hm^-2，提取效率为0.71%。这可能是由于土壤改良剂对植物生长的促进作用小于对植物吸收Cd的抑制作用。

表 2 不同处理条件下植物中Cd的提取量和提取效率（干重） Table 2 Effects of different treatments on amount and efficiency of Cd extraction by plants（dry weight）

表选项

本试验中龙葵种植密度（行距×株距）为90 cm×50 cm，而根据环江当地习惯的种植模式，种植龙葵的行距为30~35 cm，珠距为25~30 cm，种植密度是本试验的4~6倍，且每年可刈割1~2次^[24]。因此，龙葵地上部生物量至少为本试验的4~12倍。以当地种植模式，取生物量为本试验的3倍进行保守估算，龙葵中Cd的年提取量最高可达102.54 g·hm^-2，提取效率可达6.33%。在当地正常种植条件下，未添加土壤改良剂处理中，若通过种植龙葵将实验区土壤Cd污染（0.71 mg·kg^-1）修复到国家土壤环境质量二级标准限值（土壤全Cd<0.30 mg·kg^-1，pH＜6.5）以内，根据计算公式，只需要种植龙葵9年，其他处理条件下则需要14~29年。因此，在酸与Cd低污染农田土壤中，采用龙葵进行土壤修复具有一定的潜力。不同土壤处理条件下，采用甘蔗作为修复材料时，将当地Cd污染土壤修复至二级标准则需要81~145年。

由表 3可以看出，施加土壤改良剂均能够显著提高土壤pH值，其中单施石灰-氢氧化钠，土壤pH值最高为7.79，分别比石灰-氢氧化钠与有机肥或蚕砂配施高2.10%、5.84%。这是由于有机肥及蚕砂的添加可缓释碱性添加剂，有效抑制地土壤反酸。试验区耕层土壤Cd含量为0.52~0.77 mg·kg^-1，均超出GB 15618—1995二级标准的Cd限值（≤0.30 mg·kg^-1；pH≤7.5），需进行土壤修复。不同土壤改良处理模式下，甘蔗/龙葵套种后土壤Cd的含量降低0.02~0.04 mg·kg^-1，土壤修复效率为2.57%~4.44%，其中单施石灰-氢氧化钠套种甘蔗/龙葵对土壤Cd的修复效率最高，达4.4%。未种植作物土壤中Cd的含量降低0.01~0.02 mg·kg^-1，修复效率为1.10%~2.77%，仅为套种甘蔗/龙葵修复效率的42.80%~62.39%。因此，与未种植植物相比，采用植物修复技术可以快速地降低土壤中Cd的含量。

表 3 不同处理条件下土壤pH、Cd的含量（干重） Table 3 Effects of different treatments on pH and Cd concentrations in soil（dry weight）

表选项

不同土壤处理条件下，龙葵和甘蔗蔗糖中Cd的含量均大于食品安全国家标准GB 2762—2012《食品中污染物限量》中蔬菜和调味品中Cd含量的限值：龙葵中Cd的超标倍数达26.05~84.13倍，甘蔗蔗糖中Cd的超标倍数为1.38~3.24。按照成人平均体质量60 kg，平均每日食用叶菜类0.2 kg，平均每日摄入糖量13.4 g^[25]计算，不同土壤改良处理条件下，成人通过龙葵摄入的重金属Cd为5.38~17.39 μg·kg^-1·d^-1，通过食用蔗糖摄入的Cd的量为0.15~0.37 μg·kg^-1·d^-1（表 4）。显然，成人通过食用龙葵平均每日摄入的Cd量远超出了FAO/WHO提出的重金属Cd人均每日允许摄入限量标准（PTDI）1.2 μg·kg^-1·d^-1[26]，除添加石灰-氢氧化钠和有机质处理外，成人通过食用蔗糖平均每日摄入量也大于PTDI标准。依据暴露评价方程计算，当地居民通过食用龙葵进入人体的暴露风险指数（HQ）为7.44~17.39（表 4），暴露风险指数均大于1，通过食用甘蔗蔗糖进入人体的暴露风险指数为0.15~0.37，均小于1。综上所述，龙葵作为食用蔬菜具有较高的健康风险，甘蔗虽然通过食用蔗糖的暴露风险小于1，但蔗糖的Cd含量已超出食品中污染物限量标准，具有一定的健康风险。

表 4 不同处理条件下植物Cd含量及健康风险评价 Table 4 Health risk assessments of Cd in plants under different treatments

表选项

在土壤Cd含量为0.71 mg·kg^-1条件下，龙葵中Cd的最高含量可达16.83 mg·kg^-1，富集系数大于1，表现出较高的Cd富集特性，但龙葵中Cd的含量远未达到Cd超富集植物的临界阈值100 mg·kg^-1。这主要与农田土壤中Cd污染水平较低有关。孙瑞莲等^[27]研究土壤中外源Cd添加量小于25 mg·kg^-1时，植物体内Cd含量未达到超富集植物临界含量（100 mg·kg^-1）；魏树和等^[28]研究表明，当土壤中Cd含量为25 mg·kg^-1时，龙葵地上部Cd含量才能达到100 mg·kg^-1以上。

依据当地正常种植模式，按照龙葵中Cd的最高年提取量102.84 g·hm^-2、年提取效率6.33%计算，将实验区土壤Cd污染（0.71 mg·kg^-1）修复到国家土壤环境质量二级标准限值（全Cd<0.30 mg·kg^-1，pH＜6.5）以内只需要9年，修复时间较短。因此，种植龙葵对广西环江地区酸与Cd复合污染农田土壤进行治理和修复是可行的，具有很强的现实意义。杨勇等^[29]的研究表明，烟草、遏蓝菜、印度芥菜、向日葵对Cd（土壤全Cd为2.87 mg·kg^-1）的年提取效率分别为1.0%、0.6%、0.5%和0.08%；吴启堂等^[30]的田间试验结果表明，东南景天对Cd的提取效率为1%左右；朱俊艳等^[19]大田试验（全Cd为7.75 mg·kg^-1）研究表明，在油菜-海州香薷轮作体系中，植物Cd的年提取效率为0.2%。本研究中龙葵对Cd的年提取效率均高于遏蓝菜、东南景天、海州香薷等植物，且龙葵为当地常见的植物种类，更适合环江地区农田修复。熊国焕等^[31]大田试验（全Cd为3.33~3.79 mg·kg^-1）发现，单作龙葵地上部对Cd的年提取量达152.04 g·hm^-2，年提取效率为0.94%，低于本试验中龙葵的年提取效率，可能与土壤中的重金属含量有关。Wu等^[32]认为土壤重金属含量越高，修复效率相应越低。

植物食用的健康风险评价表明，龙葵通过食用蔬菜途径，对人体健康的风险较高，需对当地居民食用龙葵的习俗给予关注。杨胜香等^[33]、邹晓锦等^[34]对湘西和大宝山矿区蔬菜重金属污染现状及健康风险评价研究表明，矿区居民通过蔬菜途径摄入Cd对其健康存在较大的潜在风险。这说明在矿区影响范围内农田土壤种植作物Cd超标现象严重，长期食用对人体健康存在很大的风险。甘蔗食用健康风险评价表明，当地居民食用实验区种植的甘蔗具有一定的健康风险，但甘蔗是当地的主要经济作物，如何安全综合利用甘蔗是今后研究的重点。莫良玉等^[35]研究表明，园林18号、园林17号、福农15号和粤糖96/86四个甘蔗品种对重金属的抗性较好，其蔗汁重金属含量低，是比较适合环江地区污染土壤种植的品种，当地农业推广部门应严格推广低吸收品种甘蔗，降低甘蔗种植带来的健康风险。朱国辉^[10]等在大宝山矿区种植甘蔗并进行发酵试验，结果表明重金属污染土壤中种植甘蔗不仅修复土壤，还可用来生产燃料乙醇，缓解能源需求压力。因此，筛选抗性品种及改变甘蔗利用模式是当地安全综合利用甘蔗的一个很好的途径，需要进一步研究。

（1）龙葵对试验区重金属Cd表现出较高的富集特性，种植龙葵对试验区酸与Cd复合污染土壤进行治理和修复是可行的。

（2）添加石灰和氢氧化钠等土壤改良剂后，种植龙葵的土壤修复效率最高，可达4.44%。

（3）广西环江县酸与Cd复合污染土壤种植的龙葵中Cd的含量超过食品卫生标准限值，当地居民成人每天通过龙葵摄入的重金属Cd的量也超出FAO/WHO提出的Cd人均每日允许摄入限量标准（PTDI），且暴露风险指数大于1，具有较高的健康风险，当地居民不宜继续食用。甘蔗蔗糖Cd的含量均超出国家标准，具有一定的健康风险，需改变甘蔗综合利用方式。