兩種農(nóng)業(yè)種植模式對重金屬土壤的修復(fù)潛力

楊　洋, 陳志鵬, 黎紅亮, 廖柏寒, 曾清如,,*

1 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 長沙　410128

2 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 長沙　410128

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兩種農(nóng)業(yè)種植模式對重金屬土壤的修復(fù)潛力

楊洋1, 陳志鵬2, 黎紅亮2, 廖柏寒1, 曾清如1,2,*

1 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 長沙410128

2 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 長沙410128

摘要:植物修復(fù)農(nóng)田土壤重金屬污染需要經(jīng)歷一個長期的過程，而大部分用來修復(fù)的植物都不具備利用價值，不能給當(dāng)?shù)剞r(nóng)民帶來經(jīng)濟(jì)收入。因此，一些農(nóng)作物由于其較大的生物量和一定的經(jīng)濟(jì)價值，在植物修復(fù)土壤重金屬污染的應(yīng)用中受到廣泛關(guān)注。是在重金屬(Cu、Zn、Pb、Cd、As、Hg)復(fù)合污染的郴州礦區(qū)廢棄農(nóng)田種植油菜、玉米和油葵,研究油菜-玉米和油-油葵兩種種植模式對土壤重金屬污染的修復(fù)潛力。實驗結(jié)果表明：三種作物在復(fù)合污染土壤中對重金屬都表現(xiàn)出一定的耐性及吸收積累能力。向日葵的根和葉中重金屬Cd、Cu的含量都很高，其中Cd在向日葵的各個部位的富集系數(shù)(BCF)及Cu在向日葵的根和葉的富集系數(shù)(BCF)都大于1。兩種輪作模式對作物的產(chǎn)量沒有明顯的影響，收獲得到的干物質(zhì)量都很高，每年每公頃分別為油菜16.6t、玉米25.29t、油葵22.5t。兩種種植模式都可以對土壤中的重金屬進(jìn)行有效的提取，油菜-油葵種植模式下提取重金屬Cu、Pb、Cd、As的量較高，分別為：Cu 2408g hm-2a-1，Pb 2027g hm-2a-1，Cd 658.5g hm-2a-1，As 250g hm-2a-1，油菜-玉米模式下Zn和Hg的提取量較高，分別為Zn 4987g hm-2a-1和Hg 7.92g hm-2a-1；對于多種重金屬復(fù)合污染的土壤來說，油菜-油葵的種植模式要優(yōu)于油菜-玉米的種植模式?？偟膩碚f，利用3種作物兩兩輪作的種植模式，在不影響作物產(chǎn)量的前提下大大的提高了作物對重金屬的提取總量。3種作物在收獲以后又可以用做工業(yè)原料，這就使得當(dāng)?shù)剞r(nóng)民充分利用礦區(qū)廢棄農(nóng)田修復(fù)污染的同時又能從中獲得一定經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：耕地; 重金屬污染; 農(nóng)業(yè)種植模式; 大生物量; 植物修復(fù)

隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對金屬制品的需求日益增大，使得采礦和冶金行業(yè)的迅速發(fā)展，由此引發(fā)的礦區(qū)周邊土壤重金屬污染和其他環(huán)境問題已經(jīng)引起人們的嚴(yán)重關(guān)注[1- 2]。采礦過程中會產(chǎn)生大量的礦石、礦渣、尾礦及粉塵，它們都含有較高濃度的重金屬，是土壤重金屬污染的主要來源之一[3]。這些廢物中的重金屬可以通過大氣沉降、土壤的徑流和淋溶等各種途徑轉(zhuǎn)移到礦區(qū)周邊的農(nóng)田和水體當(dāng)中，造成重金屬污染，從而影響農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，并且通過食物鏈逐步進(jìn)入人體，危害到人類的身體健康,嚴(yán)重制約了我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及農(nóng)產(chǎn)品安全問題[4- 5]。湖南是有名的“有色金屬之鄉(xiāng)”，礦產(chǎn)資源十分豐富，已發(fā)現(xiàn)的有色金屬礦產(chǎn)17種，可開發(fā)的礦床340多處[6- 7]。研究發(fā)現(xiàn)，有色金屬開發(fā)所引起的Pb、Cd、As、Hg等重金屬土壤污染面積高達(dá)2.8萬km2，占全省總面積的13%[8]。近二三十年的調(diào)查表明，湖南省由于有色金屬采礦引起的重金屬污染事件屢見不鮮。湘潭、郴州、衡陽、冷水江等地的礦區(qū)周邊大部分農(nóng)田都受重金屬嚴(yán)重污染，使得當(dāng)?shù)氐募Z食、蔬菜和引用水都有不同程度的重金屬污染，當(dāng)?shù)鼐用裼捎陂L期食用這些重金屬超標(biāo)的食物，他們的癌癥和各種疾病的發(fā)病率都有明顯高于其他地區(qū)[9- 12]。

植物修復(fù)相對于物理、化學(xué)等其他修復(fù)方法，屬于安全、成本低、環(huán)境友好型的重金屬污染治理措施[13- 14]，在礦區(qū)土壤重金屬污染治理中得到廣泛的應(yīng)用。自植物修復(fù)發(fā)展以來，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾百種超富集植物可以用來提取土壤中的重金屬，但通常這些超富集植物對于環(huán)境的適應(yīng)力較差、生長緩慢、生物量小，在實際的農(nóng)田環(huán)境下不能很好生長，對重金屬的吸收積累量達(dá)不到理想的效果[15- 17]。因此，在治理礦區(qū)農(nóng)田重金屬污染時，采用一些生物量較大、符合當(dāng)?shù)胤N植條件的、有較強(qiáng)重金屬耐受能力、又可以吸收提取重金屬的非食用性農(nóng)作物或者其他大生物量植物來進(jìn)行修復(fù)[14- 15,18- 19]，比野外的一些超富集植物在應(yīng)用和修復(fù)潛力上有明顯的優(yōu)勢，在修復(fù)重金屬污染的同時又可能帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。

在一些農(nóng)作物修復(fù)土壤重金屬的研究當(dāng)中，大部分的研究都還是集中在盆栽實驗和實驗室水培研究[20- 21],很少有人在野外條件下研究農(nóng)作物對重金屬修復(fù)潛力[22]。本文是在郴州礦區(qū)受重金屬污染的荒廢農(nóng)田，調(diào)整其傳統(tǒng)的水稻、蔬菜種植結(jié)構(gòu)，選取油菜、油葵和玉米3種農(nóng)作物，以油菜-油葵、油菜-玉米這種兩兩結(jié)合的輪作種植模式來治理污染礦區(qū)廢棄地。油菜、油葵及玉米都是南方較常見的經(jīng)濟(jì)作物，將它們應(yīng)用到重金屬污染的農(nóng)田很容易被當(dāng)?shù)剞r(nóng)民接受，且這3種作物都對重金屬有很強(qiáng)的耐性和吸收富集的能力，被認(rèn)為是一類對土壤重金屬有修復(fù)潛力的非超富集植物[23]。本文的目的在于研究這些作物在該污染地區(qū)對重金屬的吸收富集特性，探討利用油菜-油葵、油菜-玉米這種種植模式對復(fù)墾及治理重金屬污染廢棄農(nóng)田的可行性，為類似地區(qū)的重金屬污染耕地的農(nóng)業(yè)安全利用和農(nóng)業(yè)種植模式提供有利的技術(shù)支撐。

1材料和方法

1.1試驗地點概況

試驗地點位于郴州市蘇仙區(qū)塘溪鄉(xiāng)石虎埔村(N25°49.572′，E113°09.223′)，該地區(qū)年平均氣溫15—18℃，氣候濕潤，適合植物生長?！坝猩饘俨┪镳^”之稱的柿竹園有色金屬礦區(qū)就位于該區(qū)，多年的采礦、選礦以及對礦渣的隨意堆積，已經(jīng)對周圍的生態(tài)環(huán)境和人們的生活造成了危機(jī)[9,24]。試驗用地選在尾砂礦污染的廢棄農(nóng)田，在上面進(jìn)行油菜-油葵和油菜-玉米兩種輪作模式的種植。

1.2試驗設(shè)計

在試驗田上劃分兩個相鄰的15m×5m的試驗小區(qū)，前一年的11月份在兩個小區(qū)上都種植油菜，來年5月份進(jìn)行油菜的收割；接著繼續(xù)翻耕土地，6月中上旬分別在兩個小區(qū)種植玉米和油葵，9、10月份陸續(xù)收割玉米和油菜。油菜和油葵的種植密度為40cm×65cm(約5株/m2)，玉米的種植密度為40cm×50cm(約9株/m2)。整個過程進(jìn)行常規(guī)的除草、防蟲害等田間管理。收獲的油菜分別對根、莖、葉、莢和菜籽進(jìn)行分析，玉米分別對根、莖、葉、穗軸和玉米粒進(jìn)行分析，油葵分別對根、莖、葉、花盤、果實進(jìn)行分析。

1.3樣品的采集和分析方法

土壤樣品：在種植作物的小區(qū)上按照梅花布點法，隨機(jī)采取深度為0—30 cm的表層土壤，一共10個土壤樣品。去掉石塊、樹枝等雜物，自然風(fēng)干，分別過10目和80目尼龍篩，備用測試土壤重金屬總量和不同形態(tài)。

植物樣品：收獲后的植物樣品，先用自來水將植株表面的泥土徹底清洗干凈，把植株體的各個部位分離開，將水瀝干后稱其鮮重。然后再用去離子水將植物各部位清洗3遍，瀝干水分后裝入信封袋，放入烘箱內(nèi)。先在105℃殺青2h，然后調(diào)至60℃下烘48h。烘好的植物品稱其干重，計算其各部分的干物質(zhì)總量。隨后用粉碎機(jī)粉碎，裝入自封袋內(nèi)保持，待測重金屬含量。

土壤中重金屬Cu、Zn、Pb、Cd全量的測定：用HCL-HNO3-HF-HCLO4消解，用ICP(ICPMA8300, Perkinelmer)測定；土壤中重金屬As、Hg：用王水水浴法消解，用原子熒光光譜儀(AFS-920，北京吉天儀器有限公司)測定。植物中重金屬的測定：用HNO3-HCLO4消解，用ICP(ICPMA8300, Perkinelmer)及原子吸收石墨爐(GTA120，Varian)測定Cu、Zn、Pb、Cd的含量，用原子熒光光譜儀(AFS-920，北京吉天儀器有限公司)測定As、Hg的含量；土壤的pH值用pH計進(jìn)行測定。

土壤重金屬的形態(tài)分級：采用歐盟的BCR三步提取法[25]，用ICP (ICPMA8300, Perkinelmer)和原子熒光光譜儀(AFS-920，北京吉天儀器有限公司)測定。該方法測得的土壤重金屬形態(tài)分為：可交換態(tài)及碳酸鹽結(jié)合態(tài)(酸溶態(tài))、Fe/Mn 氧化物結(jié)合態(tài)(可還原態(tài))、有機(jī)物及硫化物結(jié)合態(tài)(可氧化態(tài))以及殘渣態(tài)，其中殘渣態(tài)是由土壤重金屬全量減去前面3種形態(tài)之和得到的。

1.4修復(fù)潛力的計算

植物重金屬的富集系數(shù)是判斷其修復(fù)土壤重金屬能力的一個重要因素[26]。油菜、玉米、油葵中各組織部位對重金屬的富集系數(shù)BCF=植物各部位重金屬的含量/土壤中重金屬的含量。各種植模式下對土壤重金屬的修復(fù)潛力用植物對重金屬的提取總量表示，詳細(xì)計算如下：

(1)每年植物地上部分提取重金屬總量(g hm-2a-1)=莖的生物量(kg hm-2a-1)×莖中重金屬濃度(mg/kg)+葉的生物量(kg hm-2a-1)×葉中重金屬濃度(mg/kg)+花的生物量(kg hm-2a-1)×花中重金屬濃度(mg/kg)+果實的生物量(kg hm-2a-1)(包括果殼和籽實)×果實中重金屬濃度(mg/kg)；

(2)植物地下部分提取重金屬總量(g hm-2a-1)=根的生物量(kg hm-2a-1)×根中重金屬的濃度(mg/kg)；

(3) 植物對重金屬的提取總量(g hm-2a-1)=植物地上部分提取重金屬總量(g hm-2a-1)+植物地下部分提取重金屬總量(g hm-2a-1)

在這里植物的生物量為干物質(zhì)量，植物收獲時，隨機(jī)設(shè)置5個點，采取每個點所在的單位m2的完整植株體，計算平均每株完整植物體的干物質(zhì)量，根據(jù)種植密度最后得出植物的生物量。

1.5數(shù)據(jù)分析

實驗數(shù)據(jù)使用Origin 8.0、Excel2007軟件分析，所以數(shù)據(jù)均用平均值加標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。

2結(jié)果分析

2.1試驗農(nóng)田土壤重金屬污染情況

通過隨機(jī)采樣檢測得到的結(jié)果表明(表1)，試驗農(nóng)田土壤基本呈酸性，pH值在5.25±0.54范圍內(nèi)；根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618—1995)可知，試驗地區(qū)中的Cu的全量在國家二、三級標(biāo)準(zhǔn)之間，Zn、Hg的全量在三級標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，而土壤中Pb、Cd、As的全量最高濃度分別是三級標(biāo)準(zhǔn)的1.6倍、10.79倍、21倍。說明該試驗區(qū)土壤屬于重金屬復(fù)合污染，其中Cu、Zn、Hg為中度污染；Pb、Cd、As濃度都相當(dāng)高，屬于嚴(yán)重污染；Cd和As污染最為嚴(yán)重。土壤重金屬的總量是衡量污染程度的一個指標(biāo)，而重金屬的生物毒性不完全由總量決定，更大程度上取決于化學(xué)形態(tài)的分布[27]。通過BCR法提取得到土壤中不同形態(tài)的重金屬(表1)，除Hg有96.7%屬于殘渣態(tài)，其他幾種重金屬50%以上都屬于非殘渣態(tài)； Cu、Zn、Pb、Cd中Fe/Mn氧化物結(jié)合態(tài)(可還原態(tài))的含量最高，As是殘渣態(tài)含量最高。重金屬各形態(tài)的分布比例如下，Cu：Fe/Mn 氧化物結(jié)合態(tài)>殘渣態(tài)>有機(jī)物及硫化物結(jié)合態(tài)>酸溶態(tài)，Zn：Fe/Mn 氧化物結(jié)合態(tài)>殘渣態(tài)>酸溶態(tài)>有機(jī)物及硫化物結(jié)合態(tài)，Pb：Fe/Mn 氧化物結(jié)合態(tài)>殘渣態(tài)>有機(jī)物及硫化物結(jié)合態(tài)>酸溶態(tài)，Cd：Fe/Mn 氧化物結(jié)合態(tài)>酸溶態(tài)>有機(jī)物及硫化物結(jié)合態(tài)>殘渣態(tài)，As：殘渣態(tài)> Fe/Mn 氧化物結(jié)合態(tài)>有機(jī)物及硫化物結(jié)合態(tài)>酸溶態(tài)，Hg：殘渣態(tài)>酸溶態(tài)> Fe/Mn 氧化物結(jié)合態(tài)>有機(jī)物及硫化物結(jié)合態(tài)。研究表明，可交換態(tài)及碳酸鹽結(jié)合態(tài)(酸溶態(tài))最容易被植物吸收，F(xiàn)e/Mn 氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)在一定條件下也能產(chǎn)生生物毒性，殘渣態(tài)重金屬幾乎很難被植物吸收[28]。

表1　土壤中重金屬的本底值

*表示土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15618—1995)，數(shù)值為10個土壤樣品平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差

2.2兩種種植模式下植物對重金屬的富集特征

在石虎埔村試驗農(nóng)田，上半年種植油菜，同一試驗區(qū)下半年分別種植玉米和油葵，對成熟期的農(nóng)作物進(jìn)行隨機(jī)采樣分析，由表2、表3可知兩種種植模式下的3種農(nóng)作物不同組織器官對重金屬Cu、Zn、Pb、Cd、As的富集濃度和富集系數(shù)，油菜、玉米、油葵的各個部分都能吸收積累一定濃度的重金屬。油菜葉中Hg的含量相當(dāng)高，為(1.16±0.05)mg/kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他部位及其在油葵和玉米中的含量，富集系數(shù)為0.84；而其他重金屬在油菜中的含量都不高，富集系數(shù)都在0.5以下。Zn在玉米根、油葵根和葉中的含量較高，分別達(dá)(311.8±16.90)mg/kg、(238.68±12.72)mg/kg和(214.07±6.22)mg/kg，富集系數(shù)分別為0.71、0.54、0.49。Pb和As在3種作物中的積累含量都不高，其中Pb的最高濃度出現(xiàn)在玉米根中(158.4±59.61)mg/kg，As的最高濃度是油葵的根部(84.27±4.82)mg/kg，但都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于土壤的本底值。油葵對重金屬Cu和Cd有很好的吸收富集能力，根和葉中的Cu含量都高于土壤本底值，富集系數(shù)分別為1.61、1.27；花盤和果實對Cu的富集系數(shù)也接近1.0。油葵地上和地下部分各組織器官對Cd的富集系數(shù)都大于1，且最高濃度出現(xiàn)在油葵葉中(41.05±8.56)mg/kg，富集系數(shù)為3.98大于地下部分的富集系數(shù)3.45，表現(xiàn)出對Cd的超富集能力。

表2　3種作物各組織中重金屬的積累含量

數(shù)值為5植物樣品平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差

表3　兩種種植模式下農(nóng)作物對重金屬的富集系數(shù)

2.3兩種種植模式下作物的生物量及對重金屬的提取總

油菜、玉米和向日葵在該重金屬復(fù)合污染的土壤上基本能夠正常生長，由圖1可知，3種作物單位植株體的干物質(zhì)總量以及作物各部位干物質(zhì)量的比例。油菜地下和地上部分的干物質(zhì)量基本各占一半，玉米地上部分的干物質(zhì)量比例高達(dá)95%，向日葵地上部分的干物質(zhì)量為68%。根據(jù)試驗設(shè)計的種植密度，油菜和向日葵為5株/m2、玉米為9株/m2以及平均每株的干物質(zhì)量，可以得出表4中每公頃油菜、玉米和向日葵的生物量。3種作物的地上部分秸稈的生物量都達(dá)到了6000kg hm-2a-1，玉米的秸稈量高達(dá)11682kg hm-2a-1。盡管3種作物能夠在污染土壤中正常生長并且沒有發(fā)現(xiàn)毒害作用，其產(chǎn)量還是未能達(dá)到實驗室優(yōu)良條件下的高產(chǎn)水平，但是它們的生物量相對于那些野外的超富集生物來說是相當(dāng)可觀的。

圖1　油菜、玉米、向日葵的干物質(zhì)量/(g/株)Fig.1　The dry matter of rape, corn and sunflower

植物不同部位Differentpartsofplant油菜Rape玉米Corn向日葵Sunflower根Roots875012607710莖Stems6050116826250葉Leaves94522681740莢-穗軸-花盤Pods-Cobs-Heads25020702800果實Seeds60080104000總量Total165952529022500

在油菜-玉米、油菜-油葵種植模式下的3種作物除了油葵對Cd的富集能力達(dá)到真正的超富集植物的定義，油菜、玉米以及油葵相對于其他重金屬都不屬于超富集植物，但是它們能夠在污染嚴(yán)重的尾礦區(qū)土壤中正常的生長，且對重金屬有一定的吸收積累能力，它們較高的生物量決定了其從土壤中提取重金屬的能力。以往植物修復(fù)所采用的超富集植物雖然富集系數(shù)很高，但是生長緩慢，生物量很小，對土壤重金屬的去除效率并不高[14]。而像油菜、玉米和油葵這類的農(nóng)作物和經(jīng)濟(jì)作物的生物量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了超富集植物，他們對于土壤中重金屬的去除效果更好。經(jīng)過野外大田試驗的結(jié)果表明(表5)，油葵對重金屬Cu、Cd和As的提取量明顯高于玉米和油菜，單獨一季地上部分加地部分下土壤中提取的重金屬總量分別為：Cu 2.14 kg hm-2a-1、Cd 0.592 kg hm-2a-1、As 0.218 kg hm-2a-1；玉米對Zn的提取效果最好，高達(dá)3.6 kg hm-2a-1；油菜一季對Pb的提取總量高達(dá)1.26 kg hm-2a-1。而將3種作物兩兩組合，分上、下半年進(jìn)行種植，就使得一年中重金屬的提取量進(jìn)一步增加了，可以看出兩種種植模式都能夠有效的提取土壤中的重金屬，油菜-玉米、油菜-油葵結(jié)合后對重金屬的提取量都要比單獨種植要好。其中Cu、Pb、Cd及As在油菜-油葵的模式下提取量最高，分別為2.4、2.0、0.66、0.25 kg hm-2a-1；油菜-玉米模式下的Zn和Hg提取量較高，分別為4.99、0.0079 kg hm-2a-1。結(jié)果表明，油菜-玉米、油菜-油葵的種植模式，能夠?qū)χ亟饘龠M(jìn)行有效的提取，其中油菜-油葵的種植模式對各重金屬的提取效果都不錯，十分有利于土壤重金屬復(fù)合污染的修復(fù)。

3油菜-玉米和油菜-油葵種植模式修復(fù)潛力的討論

通常植物修復(fù)提取重金屬的有效性由兩個因素決定：植物對重金屬的積累能力和植物的生物量[29]，而植物的生物量和生物富集系數(shù)(BCF)又是衡量一種植物是否具有修復(fù)潛力的關(guān)鍵要素[30]。超富集植物的生物富集系數(shù)(BCF)一般都非常高，但是它們生長緩慢、生物量都比較低，而一般的農(nóng)作物生物量都要高于超富集植物[31]。試驗結(jié)果表明，在重金屬復(fù)合污染的土壤中，油菜、玉米、油葵3種植物一季的生物量分別高達(dá)：16.6t/hm2、玉米25.29t/hm2、油葵22.5t/hm2。研究發(fā)現(xiàn)的一些超富集植物如遏蘭菜在大田中種植一季的生物量卻只有0.38t/hm2[21]；東南景天的生物量為0.85—1.5t/hm2[32]，高的時候也只有5.5t/hm2[17]；寶山堇菜的生物量也只有6.5t/hm2[17]。玉米、向日葵等高生物量的農(nóng)作物的地上部分卻能高達(dá)25—30t/hm2[33]，是超富集植物生物量的幾倍甚至十幾倍。由此可見，在植物修復(fù)重金屬應(yīng)用到實踐時，生物富集系數(shù)僅僅只是一個參照指標(biāo)，植物的生物量往往直接關(guān)系到土壤重金屬的去除總量，在一定的條件下生物量較大的農(nóng)作物對重金屬的提取效果要高于超富集植物。

表5　3種作物不同部位對重金屬的提取總量/(g hm-2 a-1)

隨著人類需求的加大，石油、天然氣等能源危機(jī)的到來不得不使人們開始發(fā)掘新的能源，其中生物能源材料在很大程度上能夠取代石化能源[34]。玉米是用來提取生物乙醇的原料[5]，油菜、油葵可以作為生物柴油的原料，由于它們有可再生、環(huán)境友好型、安全性等特點，很早就是國內(nèi)外能源作物的研究熱點，且發(fā)展規(guī)模和技術(shù)都很成熟[35- 36]。因此，使用油菜-玉米、油菜-油葵這3種農(nóng)作物兩兩結(jié)合的輪作模式來修復(fù)重金屬污染的礦區(qū)農(nóng)田既可以有效的去除土壤中的重金屬，不會對環(huán)境造成危害；同時這3種作物收獲后都可以進(jìn)行回收利用(如做能源植物)，這樣就不會通過食物鏈影響到人類的健康，又能帶來一定的經(jīng)濟(jì)收益。這種植物提取的修復(fù)方式更側(cè)重于如何對污染土地合理利用及降低風(fēng)險，而不是提高金屬提取效率等機(jī)理性的研究，更具有可行性。

4結(jié)論

兩種種植模式的作物都能在礦區(qū)重金屬復(fù)合的廢棄農(nóng)田上正常生長，且生物量較大，能有效地提取土壤中的重金屬。其中，油菜-油葵種植模式雖然對Zn和Hg的提取量略低于油菜-玉米種植模式，對Cu、Pb、Cd、As的提取量都體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。油菜、玉米、油葵收獲以后又可作物生物柴油、生物乙醇的原料，而非進(jìn)入食物鏈的食用原料。因此這樣的種植模式是在合理利用廢棄的污染農(nóng)田和降低風(fēng)險的基礎(chǔ)上，逐步將重金屬從土壤中提取出來。

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The potential of two agricultural cropping patterns for remediating heavy metals from soils

YANG Yang1, CHEN Zhipeng2, LI Hongliang2, LIAO Bohan1, ZENG Qingru1,2,*

1CollegeofBioscienceandBiotechnology,HunanAgriculturalUniversity,Changsha410128,China2CollegeofResourcesandEnvironment,HunanAgriculturalUniversity,Changsha410128,China

Abstract：Plants needs cost many years to remediateheavy metal-contaminated croplands, and because some plants lack economic value, farmers often have no income during this period.Therefore, selecting suitable plants tolerant to heavy metals and producing products ofeconomicvalue may be a key factor in promoting the practical application of phytoremediation polluted soils. Many studies have demonstrated that some cash crops, which have the ability to attain large biomasses and accumulate metals, are highly tolerant to metal pollution.In order to fully utilize farmland contaminated with heavy metalsfrom mine tailings in Chenzhou, three cash crops (rape, corn, and sunflower) wereinvestigated as candidate phytoextraction plants with the potential to overcome these disadvantages of phytoremediation. To identify the potential of two seasonal cropping patterns (rape and corn, rape and sunflower) to remediate heavy metal contaminated land in Chenzhou, field experiments were conducted using rape, corn, and sunflower at a site highly contaminated with heavy metals(Cu, Zn, Pb, Cd, As, and Hg) from mine tailings.The three cash crops demonstrated the potential to tolerate and accumulate heavy metals. Significant accumulations of Cu and Cd were found in leaves and roots of sunflower. The bioconcentration factors (BCF) of Cd in all sunflower parts (roots, stems, leaves, flower heads, and seeds) and the BCF of Cu in sunflower leaves and roots were more than 1. Both cropping patterns (rape-corn, rape-sunflower) performed well and had no significant effect on yield. Three cash crops produced high annual yields of dry biomass (rape: 16.6t/hm2, corn: 25.29t/hm2, sunflower: 25.25t/hm2)after one year rotations. Both cropping patterns absorbed a wide range of heavy metals from thesoil due to their highbiomass yields.Data obtained from the field experiment were used to estimate the amounts of heavy metals (g hm-2a-1) extracted by the three cash crops grown in each of the two cropping patterns. The rape-sunflower cropping system extracted large amounts of Cu (2408g hm-2a-1), Pb (2027g hm-2a-1), Cd (658.5g hm-2a-1), As (250g hm-2a-1), while Zn (4987g hm-2a-1) and Hg (7.92g hm-2a-1) were extracted by the rape-corn cropping system. The rape-sunflower system performed better than rape-corn at remediating the heavy metal contaminated soil. Overall, the three cash crops tested are more suitable for phytoextraction than most conventional hyperaccumulator plants due to their larger biomass, although they have low bioconcentration factors. Cropping pattern had no effect on crop yield, but increased annual extraction of heavy metals from soil comparedsingle crop systems. Furthermore, rape, corn and sunflower are widely used as biofuel crops, so their seed oil could be for this purpose and the stems have great commercial value in ethanol and paper production. Using these crops and cropping systems for phytoextraction offers thepossibility of producing some economic returns for farmers during the remediationprocess.

Key Words:farmland; heavy metal pollution; cropping patterns; high biomass; phytoremediation

DOI:10.5846/stxb201405040883

*通訊作者

Corresponding author.E-mail:qrzeng@163.com

收稿日期:2014- 05- 04; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 06- 12

基金項目:環(huán)境保護(hù)部公益性行業(yè)科研專項(201009047)

楊洋, 陳志鵬, 黎紅亮, 廖柏寒, 曾請如.兩種農(nóng)業(yè)種植模式對重金屬土壤的修復(fù)潛力.生態(tài)學(xué)報,2016,36(3):688- 695.

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