随着我国中草药应用越来越广泛，中药材种植过程中的重金属污染引起了社会的普遍关注。韩小丽、赵连华等^[1-2]通过对我国30个产地的259种中药材的调查发现，Pb、Cd、Hg、As和Cu等重金属的污染率分别达到9.66%、26.35%、13.00%、9.32%、16.09%，其中Cd元素超标率最大。五加科人参属三七（Panax Notoginseng）是我国特有的一种多年生珍稀中药草，具有活血化瘀、消肿止痛等功效，对人体多种系统具有特殊生理活性^[3]。一方面，三七因生长特性而局限种植于云南省文山州、红河州等少数中高海拔地区，其种植地匮乏；另一方面，三七存在严重的连作障碍^[4]，而近几年又出现了三七重金属污染的报道^[5-7]。冯光泉等^[8]研究发现，采自云南主产区的48个三七样品中，As、Pb、Hg、Cd含量均出现超标，且三七植株对Cd表现出一定的富集作用。陈璐等^[9]分析文山、马关等6个三七种植区30个土壤和植株样本发现，三七主根、须根、茎、叶样本中Cd含量超标率分别为13.3%、40%、20%、6.6%，土壤样本Cd含量超标率达60%。三七Cd污染可能是由于其种植地土壤Cd背景含量偏高造成的^[10]，也可能与种植区矿山开发带来的工业重金属污染相关联^[11]。目前，对三七的重金属污染成因、分布状况的调查研究较多，但有关三七种植过程中降低Cd吸收的技术措施研究报道还较少。

近年来，生物质炭作为生物质废弃物循环利用的有效措施成为研究热点。生物质炭是生物质废弃物在限氧条件下通过热裂解产生的含碳丰富、难溶、稳定、高度芳香化的固体物质^[12-13]，其表面含有丰富的-COOH、-COH和-OH等含氧官能团及磷酸、碳酸盐等矿物组分，具有较大的比表面积、较高的化学和生物学稳定性^[14-15]。施用生物质炭可提高土壤pH值、增加土壤的CEC及有机质含量^[16]，有效降低土壤中重金属和农药对植物的毒害，还可以调节土壤的孔隙度和提高其保水能力，促进土壤养分循环和植物生长^[17]。生物质炭用于抑制污染农田粮食作物重金属的吸收已有较多的报道^[18]，但对中药材重金属吸收及其对中药材生长影响的研究还少有报道。因此，本研究通过田间试验，采用生物质炭作为土壤改良剂，以有机肥、钙镁磷肥两种传统改良剂^[19]为对比，探究不同改良剂对三七重金属吸收的影响，以期为保障重金属污染土壤中三七的质量安全提供有效途径。

于2013年12月18日在云南省某三七种植区布置了田间试验。试验点位于亚热带高原地区，受西南季风控制，具明显的低纬度山地季风气候，年平均气温14.7 ℃，年平均降雨量1500 mm，海拔2180 m。试验前茬作物为玉米。试验地土壤类型为红壤，pH4.95（土水比1：2.5）、CEC 16.60 cmol·kg^-1、有机质（SOM）含量52.19 g·kg^-1、总Cd含量7.99 mg·kg^-1。

试验用生物质炭购自河南商丘三利新能源有限公司，是小麦秸秆在连续竖式炭化窖炉经350~450 ℃限氧热裂解制得的麦秸炭，其pH值为9.19（炭水比1：20）^[20]、CEC为92 cmol·kg^-1、有机碳含量680.5 g·kg^-1、速效磷1.30 g·kg^-1、全钾108.32 g·kg^-1、碳酸根26.40 cmol·kg^-1、二氧化硅813.08 mg·kg^-1、比表面积29.97 m²·g-1。有机肥为采购于南京六合区市场普通有机肥，其主要原料为畜禽粪便，pH 5.43（土水比1：2.5），CEC为7.34 cmol·kg^-1；钙镁磷肥采购于南京江宁区某肥料批发市场，P₂O₅>15%，pH 9.46（土水比1：2.5）。

田间试验设置4个处理。对照处理（CK）：以不施用改良剂处理为对照；生物质炭处理（BC）：小麦秸秆炭的施用量为15 t·hm^-2；有机肥处理（M）：有机肥的施用量为750 kg·hm^-2；钙镁磷肥处理（P）：钙镁磷肥施用量为300 kg·hm^-2。此外，各处理均按当地种植习惯施用等量化肥。小区面积为2 m²（1 m×2 m），每个处理3个重复，共12个小区并随机排列，小区间以30 cm间隔作为保护行防止互渗。改良剂在2014年1月7日三七移栽前一周一次性均匀施入土壤，与0~20 cm耕层土壤充分混匀。挑选健康、长势均一的三七苗移栽种植，种植密度和管理模式与常规种植相同。于2015年10月在三七收获前测量株高，并分别采集主根、须根、茎、叶等部位及0~15 cm耕层土壤样品。

植株样品先用自来水反复冲洗，再用超声清洗，然后用去离子水淋洗多次，置于烘箱中105 ℃杀青30 min，60 ℃烘干至恒重称算生物量，然后用不锈钢粉碎机粉碎过60目尼龙筛备用。根际土壤样品在自然风干后，挑出其中的动植物残体和石砾等非土壤物质，过20目尼龙筛后部分用作土壤含水量、有效Cd含量、土壤pH、土壤CEC等理化性质的测定；另取10~20 g土壤样品用玛瑙研钵磨碎过100目尼龙筛，用于测定土壤总Cd、土壤SOM等理化性质的测定。土壤及植株样品分析采用鲁如坤^[21]常规分析方法。土壤pH按土水质量比1：2.5，用pH计测定；土壤有机质用重铬酸钾氧化-外加热法测定；CEC采用乙酸铵法测定；三七植株Cd含量采用4：1硝酸-高氯酸消煮，土壤总Cd采用硝酸-高氯酸-氢氟酸全量分解法消解，土壤有效Cd采用土水比1：10的CaCl2（0.01 mol·L^-1）浸提液振荡2 h后过滤，上述所有Cd测定均采用原子吸收分光光度法测定（北京普析通用仪器有限责任公司，A3），并采用标准物质做回收试验以控制试验精准度，标准物质回收率均在85%~115%允许误差范围内。

根据三七植株各部位Cd含量，分别计算各部位Cd的富集系数（Accumulation coefficient，AF）和转移系数（Transfer coefficient，TF），计算公式如下：

富集系数（AF）=植物体或某器官中某元素的含量/该元素在土壤中的含量^[22]

转移系数（TF）=植株地上部某元素含量/根系该元素含量^[23]

数据采用SPSS 16.0和Microsoft Excel 2013进行统计分析，处理间差异显著性（P < 0.05）用单因素方差分析进行计算，并采用最小显著差数法（LSD）进行多重比较，所有数据均以平均值±标准差的形式列出（n=3）。

三种改良剂对三七生物量的影响见表 1。不同处理间三七株高和须根重均无显著差异；生物质炭、钙镁磷肥处理下三七主根干重较对照显著性提高48.7%与50.4%；钙镁磷肥处理与有机肥处理三七剪口、茎、叶生物量较对照均无显著性差异，而生物质炭处理下三七剪口、茎、叶干重较对照、钙镁磷肥处理、有机肥处理相比分别显著提高30.3%~36.5%、21.6%~35.4%和19.6%~35.8%。关于生物质炭促进作物生长、提高玉米、水稻等农作物产量的报道较多^[24]。这可能是由于生物质炭具有多孔结构和较大比表面积，从而提高土壤孔隙度、降低土壤容重和密度，为三七根系提供了良好的生长环境^[25]；同时，生物质炭自身含有大量离子、碱性物质以及多种官能团，可以提高土壤养分含量，降低土壤酸性，其较强的吸附能力能够提高对土壤中养分的吸附保蓄能力，减少养分流失，为三七生长提供充足的营养物质^[26]。

表 1 不同改良剂处理对三七株高及单株植株生物量的影响 Table 1 Effect of amendments on growth of Panax Notoginseng (dry weight)

表选项

三七植株不同部位Cd含量见图 1。生物质炭处理三七主根、剪口、茎、叶Cd含量较对照分别显著下降25.4%、40.9%、34.3%、33.0%，但须根中Cd含量与对照相比无显著差异。钙镁磷肥处理下三七主根、剪口、茎、叶、须根Cd含量较对照分别显著降低43.6%、40.2%、51.2%、33.5%、48.1%，但生物质炭与钙镁磷肥处理相比，三七各部位Cd含量无显著差异。有机肥处理下三七植株各部分Cd含量较对照均无显著性差异。

图 1 不同处理下三七各部位Cd含量 Figure 1 Cd contents in different parts of Panax Notoginseng in different treatments

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三七生长过程通过须根吸收土壤中的Cd并不断向地上部转移，三七植株Cd的富集系数（AF）见表 2。三七须根Cd的富集系数较高，AF值变化范围为2.84~4.64，其他部位Cd的AF值均在0.29~0.65，表明三七须根中Cd的富集强度远大于其他部位。这与罗春玲等^[27]研究的大多数植物吸收的重金属主要积累在根系而地上部含量较低的结果一致，可能是植物根系通过使Cd主要分布在质外体，或形成磷酸盐、碳酸盐沉淀，或与细胞壁结合将Cd沉积于须根根尖细胞壁上，从而阻止Cd进入细胞原生质以减轻其毒害^[28]。生物质炭和钙镁磷肥处理较对照均显著降低了三七主根、剪口、茎、叶Cd的AF值，降低幅度分别为25.4%~43.6%、40.2%~40.9%、34.3%~51.2%和32.9%~33.5%，但钙镁磷肥与生物质炭处理相比，三七各部位Cd的AF值差异不显著。有机肥处理下三七各部位Cd的AF值较对照均无显著性差异。由表 2可知，三七主根、茎、叶片和剪口Cd的TF分别为0.10~0.12、0.11~0.15、0.10~0.13和0.07~0.13，各处理间Cd的TF值均无显著差异。一般将TF>1的作物称为对该元素转移能力强的作物^[29]，三七各部位TF值均小于1，说明三七植株中的Cd从地下部向地上部的转移能力较弱。陈璐等^[9]研究也表明，三七中Cd的自下而上的转移能力较差，较易集中于三七根部，而三七主根作为主要药用部位。因此，降低三七根部Cd的吸收对三七药品质量安全十分重要。

表 2 各处理下三七Cd富集系数及转移系数 Table 2 Comparison of Cd transfer coefficient and accumulation coefficient between different treats of Panax Notoginseng

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三种改良剂处理下土壤有效Cd含量的变化结果见图 2A。与对照相比，钙镁磷肥和生物质炭处理土壤有效Cd含量分别显著性降低了56.1%和55.4%，而有机肥处理土壤有效Cd含量较对照差异不显著。相关分析结果表明，三七剪口、茎、叶部位Cd含量与土壤有效Cd均呈显著正相关关系，相关系数分别为0.960、0.979和0.983（表 3）。这与龚伟群等^[30]指出的土壤-植株体系中Cd的迁移与积累取决于土壤中的有效Cd含量的研究结果一致。Chen等^[31]研究也表明，水稻籽粒中镉的含量与土壤有效Cd含量显著相关。由此可见，生物质炭和钙镁磷肥降低土壤Cd有效性是减少三七各部位Cd吸收的关键。图 2C与图 2D表明，生物质炭处理土壤有机质含量与CEC较其他3个处理分别显著提高27.6%~29.7%和8.2%~8.6%。生物质炭降低Cd有效性的效应可能与其提高土壤有机质含量以及CEC有关^[32-33]：土壤有机质作为可吸附态Cd的吸附位点与螯合剂，为土壤中可吸附态Cd提供有效载体，从而减少土壤有效Cd含量；土壤CEC的提高为可吸附态Cd提供更多吸附位点，进一步降低Cd的生物有效性。

图 2 各处理对土壤基本理化性质的影响 Figure 2 Effects of amendments on basic physico-chemical properties of tested soils

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表 3 三七Cd含量与土壤理化性质相关性分析 Table 3 Correlation coefficients of Cd uptake of Panax Notoginseng with basic physico-chemical properties of tested soil

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此外，许多研究表明，施用生物质炭和钙镁磷肥在一定时期内均可显著提高土壤的pH^[34-35]，土壤pH的提高一方面促使Cd离子水解为吸附作用更强的Cd（OH）⁺并被土壤胶体及相关官能团吸附螯合，降低土壤有效Cd含量^[36]；另一方面通过增强土壤胶体负电荷性、减弱H₃O⁺竞争作用，使得有机质、锰氧化物等载体与重金属结合更牢固^[37]，达到降低土壤Cd生物有效性的效果。本研究中生物质炭与钙镁磷肥处理的土壤pH与对照相比没有显著差异（图 2B），可能由于土壤样品是在改良剂施用近两年后采集，生物质炭与钙镁磷肥中的碱性物质部分淋失^[38]，对土壤的石灰效应会随时间的推移而逐渐减弱^[31]。钙镁磷肥对土壤中Cd有效性的影响一方面与其水解产生的Ca²⁺、Cd²⁺的共沉淀，有利于交换态Cd向碳酸盐结合态Cd转变有关；另一方面，磷酸根与Cd²⁺作用形成在土壤中较为稳定的溶解度较低的化合物，达到降低土壤有效Cd含量的作用效果^[39]。有机肥对土壤重金属有效性的作用机制较复杂，主要通过改变土壤pH值或腐殖化过程中产生的腐殖质与金属离子的络合来影响重金属的活性。李平等^[40]研究发现，施用有机肥120 d后显著降低了交换性镉的含量，能够使土壤重金属由有效态向某些潜在有效态或无效态转变；但章明奎等^[38]研究结果表明，施用有机肥3年后对水溶性镉没有显著影响，有机改良剂对土壤重金属的稳定效果随时间推移、有机物质的逐渐降解而下降。本研究中有机肥对土壤中Cd的钝化效果不显著，虽然有机肥能增加土壤Cd的吸附位点，但其吸附态Cd主要以活性非紧密型有机结合态为主^[41]，有机肥分解过程中部分结合态Cd又被释放成为有效Cd^[42]，从而降低了有机肥对Cd污染土壤的改良效果。

（1）生物质炭与钙镁磷肥具有促进三七生长的作用，施用有机肥对三七植株生物量无影响。

（2）生物质炭与钙镁磷肥处理的改良效果较好：生物质炭和钙镁磷肥处理三七主根、剪口、茎、叶的Cd含量均显著降低。相关分析结果表明，三七剪口、茎、叶部位Cd含量与土壤有效Cd均呈显著正相关关系。生物质炭与钙镁磷肥处理通过提高土壤CEC及有机质含量为土壤有效Cd提供稳定载体，降低Cd生物有效性，从而减少了三七植株Cd含量。有机肥处理土壤有效Cd含量及三七Cd的吸收较对照均无显著差异。

（3）三七须根Cd富集系数范围在2.84~4.64，主根、剪口、茎、叶等部位Cd的富集系数和转移系数均小于1，三七须根具有富集土壤Cd的效应，且Cd在三七中的转移能力较差，易集中于三七地下部，施用生物质炭和钙镁磷肥均可降低土壤Cd的生物有效性，确保三七药用质量安全。