低鎘鉛甜玉米品種篩選及在間套種修復污染土壤中的應用

陳銘孫， 李擇桂， 林賢柯， 劉 朋， 衛(wèi)澤斌， 吳啟堂

(華南農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院/土壤環(huán)境與廢物資源農(nóng)業(yè)利用廣東高校重點實驗室，廣東廣州 510642

我國農(nóng)田土壤重金屬污染問題嚴重[1]，對農(nóng)產(chǎn)品的安全生產(chǎn)構成了嚴重威脅[2]，廣東省是我國農(nóng)田土壤重金屬污染較嚴重的區(qū)域。張金蓮等調查了廣東省清遠市農(nóng)田土壤重金屬污染情況，結果表明，與廣東省土壤背景值相比，農(nóng)田表層0～20 cm土壤中鉛(Pb)、銅(Cu)、鎘(Cd)、鋅(Zn)、鎳(Ni)和鉻(Cr)元素含量表現(xiàn)出不同程度的富集。從單項污染指數(shù)來看，72.7%的表層土壤樣品存在1種或幾種重金屬超標，以Cd、Cu、Pb和Zn污染為主，其中Cd污染比例最高，其次是Cu，最后是污染比例相當?shù)腜b和Zn[3]。李結雯等對廣東省廣州市番禺區(qū)農(nóng)田土壤中砷(As)、汞(Hg)、Cu、Zn、Ni、Pb、Cr、Cd等8種重金屬的含量進行分析，結果表明，Cd的污染最普遍，其次是Hg[4]。林榮譽等對廣東省珠海市基本農(nóng)田規(guī)劃區(qū)的土壤樣品進行測定分析，研究發(fā)現(xiàn)有7%的土壤處于中污染狀態(tài)，53%的土壤處于輕污染狀態(tài)[5]。

目前，土壤重金屬污染的修復途徑主要有2種：(1)改變重金屬在土壤中的存在形態(tài)，使其固定，降低其在環(huán)境中的遷移性和生物可利用性，即穩(wěn)定化；(2)從土壤中去除重金屬，使其存留濃度接近或達到背景值，即去( 除) 污化。方法包括客土、固定化、化學淋洗、電動修復、植物修復、微生物修復和動物修復，單獨使用1種方法很難獲得高效、低耗、低擾動的理想效果，對重金屬污染土壤的治理應根據(jù)污染場地的實際情況采用最合理的方案[6]。另外，采用抗污染低累積作物品種[7]來減輕農(nóng)作物可食部分重金屬污染，這樣能保持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，對人體的危害降至最低，提高農(nóng)民耕作的積極性，并且具有成本低的優(yōu)點。目前，國內外正在興起研究熱潮，聯(lián)合修復技術是目前的研究熱點之一。其中，Wu等研究施加配制混合淋洗劑(mix chelant，MC)[檸檬酸 ∶味精廢液 ∶乙二胺四乙酸(ethylenediaminetetraacetic acid，EDTA) ∶氯化鉀(KCl)濃度比=10 ∶1 ∶2 ∶3.5]對東南景天與玉米套種兩者吸收重金屬的影響，結果表明，該方法能夠提高東南景天對重金屬的富集，而且低累積作物莖葉也可用作飼料[8]。衛(wèi)澤斌等在植物套種和螯合劑施用對重金屬污染土壤的長期修復效果以及對地下水可能的環(huán)境風險試驗中發(fā)現(xiàn)，東南景天與玉米的套種適合于春夏季進行，施加螯合劑可以促進重金屬向下層土遷移，滲濾液重金屬含量會提高，但未明顯超過地下水Ⅲ級標準[9]。本試驗針對7個甜玉米品種，并和1個低Cd飼料玉米品種進行對比，開展試驗研究，探討其對Cd和Pb元素積累能力的差異，篩選出低Cd、Pb甜玉米品種，從而降低玉米重金屬含量超標的風險，在飼料玉米的基礎上提高玉米種植效益，并將篩選出的甜玉米品種應用于與東南景天的間套種修復污染土壤中，驗證篩選出的品種應用效果。

1 材料與方法

1.1 供試土壤和植物

玉米品種篩選田間試驗選址為廣東省韶關市某地，屬中亞熱帶季風氣候，平均氣溫20.4 ℃，年降水量1 778 mm，無霜期312 d。試驗田污染來源為多金屬礦礦山廢水污染河流，多年灌溉污染河水污染農(nóng)田。8種玉米種子和東南景天苗均采自浙江衢州某古老鉛鋅礦滲濾池，試驗土壤來自樂昌某鉛鋅礦污染的農(nóng)田，土壤基本理化性質詳見表1。

表1 2種試驗土壤的基本理化性質

1.2 供試試劑與儀器

試劑：硝酸、氫氟酸、高氯酸、鹽酸(優(yōu)級純，購于廣州化學試劑廠)、KOH(購于廣東省廣州市東圃化工園)，Ca(OH)2(購于湖南省翁源縣某石灰石廠)。

主要儀器：火焰原子吸收光譜儀(日本日立Z-2300型)，石墨爐原子光譜儀(日本日立Z-2700型)，自動定氮儀(上海纖檢儀器有限公司KDN-103F)，消化爐(上海精宏實驗設備有限公司HYP-1040)，pH計(上海精科儀器有限公司雷磁PHS-3C)。

1.3 試驗設計

品種篩選試驗地總面積110 m2，試驗時間為2015年4—7月。設置3個區(qū)組(3個重復)、8個處理(品種)，共24個小區(qū)，每個小區(qū)面積2 m2，8個處理(品種)在區(qū)組內隨機排列。玉米種子共8個品種，其中甜玉米品種7個，SMP1260、SMHTN、CN6號、SSXM、JZY、FM、HZ，筆者所在課題組已篩選出的低累積飼料玉米品種1個，云石-5號。玉米4月底播種，每個小區(qū)定植10株，7月初收獲。

滲濾池試驗時間為2015年11月至2016年6月，由于CN6品種春夏季種植產(chǎn)量低，滲濾池試驗玉米品種采用JZY，均與東南景天套種，再分3個處理：處理1，F(xiàn)eCl3淋洗，處理2，混合螯合劑(MC)淋洗以及對照組(不作淋洗處理)，每一塊面積是0.9 m×0.9 m，每個處理設3個重復，隨機排列。11月先種植超富集植物東南景天，每個小區(qū)均勻種植100株大小相近的東南景天苗，3月每個小區(qū)種植6株玉米，5月收獲東南景天，6月收獲玉米，灌溉水為自然降水和自來水。

每個月施復合肥1次，每小區(qū)10 g，玉米成熟前1個月噴灑殺蟲劑除蟲。

1.4 樣品收集與處理方法

樣品采集：種植玉米前采集起始土壤樣品，玉米收獲前1個月收獲東南景天，玉米收獲時采集土壤樣品及玉米籽粒、莖葉植物樣品，東南景天。土壤樣品用土鉆分別采集0～20、20～40 cm 2個土層。

樣品處理：土壤樣品采集后置于通風陰涼處風干，過20、100目尼龍篩，儲存于封口袋中待測。玉米莖葉采集后用自來水清洗泥土，再用雙蒸水潤洗，晾干，玉米棒脫粒，放入大信封中置于烘箱內105 ℃殺青30 min，65 ℃烘干至恒質量，用高速粉碎機粉碎，儲存于封口袋中待測。收獲的東南景天用自來水沖洗干凈，再用雙蒸水漂洗3次，晾干，置于信封中烘干，粉碎貯存于封口袋中備測。

1.5 測定方法

土壤理化性質指標的分析方法參照魯如坤的方法[10]進行，土壤和植物重金屬分析方法采用國家標準方法[11]。

1.6 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理用Excel軟件，顯著性分析SAS 8.0。

2 結果與分析

2.1 玉米產(chǎn)量

如表2所示，玉米的品種不同，其產(chǎn)量存在較大差異，玉米籽粒產(chǎn)量由大到小順序為CN6號>HZ>云石-5號>JZY>HTN>FM>SMP1260>SSXM。JZY、CN6號、HZ籽粒產(chǎn)量超過或者接近飼料玉米云石-5號籽粒產(chǎn)量，可將上述3個品種定為高產(chǎn)品種，其中CN6號產(chǎn)量達到0.299 kg/m2。莖葉產(chǎn)量由大到小順序為SMP1260>JZY>FM>HZ>HTN>CN6號>云石-5號>SSXM。SSXM由于氣候等原因，其籽粒、莖葉產(chǎn)量最低，不適于在廣東地區(qū)種植。

表2 玉米籽粒和莖葉產(chǎn)量

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示品種間差異顯著(P<0.05)，下同。

2.2 品種篩選試驗玉米重金屬含量

分析各玉米品種籽粒Cd、Pb、Cu和Zn含量，結果如表3所示，玉米籽粒重金屬含量品種間差異較大，其中SMP1260、HTN、JZY、CN6號、HZ、云石-5號籽粒Cd含量低于食品衛(wèi)生標準(0.1 mg/kg)，SSXM、FM籽粒Cd含量略高于食品衛(wèi)生標準，分別是食品衛(wèi)生標準的1.11、1.23倍，籽粒Cd含量由小到大順序為CN6號<云石-5號

如表4所示，8個品種玉米莖葉Cd、Pb含量符合有機肥重金屬衛(wèi)生標準，生產(chǎn)出的玉米莖葉均可用于制作有機肥。莖葉Cd含量由小到大順序為CN6號<云石-5號

表3 不同玉米品種籽粒重金屬含量

表4 不同玉米品種莖葉重金屬含量

2.3 各品種玉米富集系數(shù)

表5顯示，玉米種植前后土壤重金屬濃度變化不大。根據(jù)生物富集系數(shù)公式：BCF=Cp/Cs，結合表3、表4、表5中玉米籽粒、莖葉重金屬含量計算得出各品種玉米富集系數(shù)，結果如表6所示。從籽粒富集系數(shù)看，8個品種籽粒Cd富集系數(shù)均<1，尤其是籽粒Pb富集系數(shù)遠小于1，莖葉Pb富集系數(shù)也<1，莖葉Cd富集系數(shù)除SSXM、FM 2個品種>1，其余品種均<1，說明籽粒對重金屬不富集，莖葉只有SSXM、FM 2個品種對Cd體現(xiàn)出富集。

2.4 套種試驗玉米產(chǎn)量和重金屬含量

選定JZY為應用品種，其因為重金屬含量符合食品衛(wèi)生標準，而且產(chǎn)量較好。分析各處理之下玉米籽粒Cd、Pb、Cu和Zn含量，結果如下表7所示，其中籽粒Cd含量均低于食品衛(wèi)生標準(0.1 mg/kg)，三個處理籽粒Cd含量非常接近，并沒顯著差異。籽粒Pb含量檢測濃度低于食品衛(wèi)生標準(0.2 mg/kg)。

各處理之下玉米莖葉Cd、Pb、Cu和Zn含量，結果如下表8所示，生產(chǎn)出的玉米莖葉均可用于制作有機肥。各處理重金屬含量并沒有明顯差異。莖葉重金屬Cd含量符合飼料衛(wèi)生標準(1 mg/kg)，莖葉重金屬Pb含量符合飼料衛(wèi)生標準(5 mg/kg)，可以用于動物飼料生產(chǎn)。

各處理之下玉米籽粒和莖葉產(chǎn)量如表9所示，未淋洗+套種處理的籽粒產(chǎn)量最高，F(xiàn)eCl3淋洗+套種處理的籽粒產(chǎn)量最低與其他處理產(chǎn)量有明顯差異。MC淋洗+套種的莖葉產(chǎn)量最高，達1.256 kg/m2，且各處理沒有顯著性差異。

2.5 東南景天產(chǎn)量和重金屬提取量

各處理東南景天重金屬含量和產(chǎn)量如表10所示，Cd和Pb含量沒有顯著性差異，東南景天對Cu和Pb基本不富集，對Cd和Zn具有富集作用，只有套種處理的東南景天Zn含量高達6 154 mg/kg，是MC淋洗+套種處理東南景天Zn含量的22.3倍。東南景天的產(chǎn)量有顯著性差異，其中只有套種處理的東南景天產(chǎn)量最高，是MC淋洗+套種處理產(chǎn)量的 4.98 倍。

東南景天提取量如表11所示，由于產(chǎn)量的關系，各處理東南景天對每種重金屬的提取量都有顯著性差異，未淋洗+套種處理東南景天對Cd提取量為14.65 mg/m2，提取率為2.74%，分別是FeCl3+套種處理、MC+套種處理的1.95、6.85倍。未淋洗+套種處理東南景天對Zn提取量高達 2 719 mg/m2，分別是FeCl3+套種處理，MC+套種處理的2.22、9.22倍。

表5 玉米種植前后表層土壤重金屬含量

表6 各品種玉米富集系數(shù)

2.6 套種試驗土壤重金屬變化

滲濾池各處理土壤重金屬含量如表12所示。各處理過后土壤4種重金屬含量都有不同程度下降，其中Cd含量下降最明顯，未淋洗+套種處理和FeCl3淋洗+套種處理Cd含量分別下降10.4%、15.1%，MC淋洗+套種Cd、Pb含量下降最多，分別下降23.6%、22.5%。

表7 套種試驗的玉米籽粒重金屬含量

表8 套種試驗玉米莖葉重金屬含量

表9 套種試驗玉米產(chǎn)量

3 討論與結論

不同品種的Cd、Pb含量存在差異，說明篩選低Cd、Pb甜玉米品種是可行的， 由于氣候不同， 玉米產(chǎn)量之間也存在差異，有些品種不適合于當?shù)氐臍夂蛩翖l件，淋洗劑對土壤中Cd、Pb的淋洗效果比較明顯，對東南景天的產(chǎn)量和玉米的產(chǎn)量也有一定的影響，對于施加螯合劑可能產(chǎn)生的地下水污染風險，可以通過在深層土壤添加固定劑有效固定表層淋濾下來的重金屬。MC淋洗過后的土壤抑制植物生長，導致生物量偏低，土壤有些板結。MC淋洗效果對土壤重金屬效果較好，主要是因為MC的施加促進了土壤重金屬的淋濾，導致表層土壤Zn和Cd含量最低，表層淋濾出的重金屬向下層遷移，套種+MC處理的下層土壤的重金屬明顯增加。東南景天不是Pb超富集植物，植物對土壤Pb提取量貢獻較小，主要依賴MC淋洗劑對Pb的淋濾，因此未施加MC處理的土壤Pb

表10 東南景天的重金屬含量和產(chǎn)量

表11 東南景天的提取量

表12 滲濾池各處理土壤重金屬含量

含量沒有明顯降低。

許多研究表明，只要選擇合適的重金屬低積累玉米品種，受重金屬污染的田地也能生產(chǎn)出安全的產(chǎn)品[12-13]。甜玉米的經(jīng)濟價值較高， 能夠帶動農(nóng)民生產(chǎn)的積極性。本研究通過對8個玉米品種的試驗研究再一次表明，通過品種篩選，也能找到合適的符合食用衛(wèi)生標準且產(chǎn)量較好的重金屬低累積甜玉米品種。

在品種篩選結果中，SMP1260、HTN、JZY、CN6號、HZ、云石-5號籽粒Cd含量低于食品衛(wèi)生標準(0.1 mg/kg)，SSXM、FM Cd含量略高于食品衛(wèi)生標準，分別是食品衛(wèi)生標準的1.11、1.23倍，籽粒Pb含量檢測結果均不超過食品衛(wèi)生標準(0.2 mg/kg)，SSXM、FM 2個品種莖葉Cd含量超過飼料衛(wèi)生標準(1 mg/kg)，分別是飼料衛(wèi)生標準的1.56、1.98倍，其余品種Cd含量符合飼料衛(wèi)生標準。莖葉Pb含量由小到大順序為云石-5號