黑豆—油菜與大豆—油菜輪作模式土壤鎘修復(fù)能力比較

常銀川，陳奕暄，竇 源，譚可夫，涂鵬飛，曾清如

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南長沙 410128）

近年來，我國重金屬造成的土壤環(huán)境污染問題十分嚴重［1］。其中，20世紀末期礦產(chǎn)開發(fā)是造成我國土壤重金屬污染的重要因素之一。礦產(chǎn)開采過程中會產(chǎn)生大量的廢渣和尾礦，在自然條件下，這些尾礦中的重金屬易隨著地表徑流進入土壤中，形成土壤和水體污染［2］。由于重金屬在土壤系統(tǒng)里較為穩(wěn)定，從土壤中遷移出去的能力較差，很難被土壤中的微生物等降解吸收，所以，土壤一旦遭受重金屬的侵入污染，將會給整個生態(tài)系統(tǒng)帶來非常大的危害，對各種生物的健康造成潛在的威脅［3］。

我國是食用油生產(chǎn)大國，同時也是食用油的消費大國。截止2017年，我國食用植物油自給率不到40%，為世界上最大的油料作物進口國。然而，即使我國是油品高產(chǎn)大國，但仍無法滿足國內(nèi)的巨大需求。據(jù)統(tǒng)計，我國僅花生油能夠基本實現(xiàn)自給，而豆油自給率僅有15.1%，菜籽油自給率也只有69.4%［4］。因此，需要大力發(fā)展大豆等油料作物的種植，以保障國內(nèi)油料供給。此外，油料作物對重金屬亦有一定富集能力。黎紅亮等［5］通過有機試劑對油料作物的籽粒進行提油，發(fā)現(xiàn)植物油中重金屬的含量符合食品安全標準，能產(chǎn)生一定的經(jīng)濟利用價值，不會影響環(huán)境和人類健康，因此油料作物很適用于重金屬污染土壤的植物修復(fù)。

植物修復(fù)是一種新型的、成本低廉、環(huán)境友好的土壤重金屬修復(fù)技術(shù)［6］。傳統(tǒng)的超富集植物雖然對土壤重金屬有非常強的富集能力以及耐受能力，但由于其生物量較小，不耐干旱不耐寒冷，且大多數(shù)超富集植物都不具備經(jīng)濟價值，因此對于農(nóng)田重金屬污染土壤的修復(fù)來說意義不大［7］。油料作物是我國在農(nóng)田中種植的傳統(tǒng)農(nóng)作物，一些研究已經(jīng)證實了油料作物可以用來修復(fù)被重金屬污染的土壤，但尚沒有報道有哪一種油料作物輪作模式能夠長期、系統(tǒng)并且有效地修復(fù)重金屬污染土壤。本研究通過調(diào)整當?shù)氐霓r(nóng)業(yè)種植模式，合理利用廢棄的污染農(nóng)田，以期能夠篩選出適合湖南當?shù)厣a(chǎn)的雙季油料作物或者油料作物與經(jīng)濟作物輪作的模式來修復(fù)農(nóng)田土壤。本試驗選取常見的豆類（大豆、黑豆）和油菜，在中度鎘污染土壤進行輪作，分析這3種油料作物對鎘的吸收富集能力，比較大豆、黑豆分別與油菜輪作對土壤鎘污染的修復(fù)效果，為重金屬鎘污染農(nóng)田的治理及合理利用提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地點

本試驗為大田試驗，地點位于湖南省醴陵市均楚鎮(zhèn)黃谷村（113.8257°E，23.0246°N）。由表1可知，該村受周圍礦區(qū)尾礦和大氣沉降的污染，導(dǎo)致該地重金屬含量超標。試驗田土壤的pH為4.51，重金屬鎘含量超過國家二級標準2.3倍［8，9］，鎘的CaCl2提取態(tài)為0.279 mg／kg，屬于鎘中度污染區(qū)域。而Pb、Zn、Cu含量低于國家標準。該試驗田種植出的稻米鎘含量為0.66 mg／kg（表2），超過國家標準3.3倍［10］。

表1 試驗土壤的重金屬本底值Table 1 Background values of heavy metals in soil mg／kg

表2 黃谷村污染土壤種植的稻米重金屬含量Table 2 Heavy metal content of rice planted in contam inated soil in Huanggu village mg／kg

1.2 試驗設(shè)計

每組輪作模式設(shè)置6個獨立平行小區(qū)，在試驗地劃分6塊（4 m×8 m）小區(qū)，每塊地按照當?shù)爻Ｒ?guī)施加復(fù)合肥方法施加基肥。第一季3個小區(qū)種植大豆，種植密度30 cm×20 cm，3個小區(qū)種植黑豆，種植密度與大豆一致。在第一季作物收獲離田后將土壤深翻耕均勻，再種植油菜（品種：綠生1號），種植密度30 cm×20 cm。植期期間，做好田間管理，定時澆水、除草和施肥。

在收獲期每塊試驗地隨機采集5株植物樣品制成一個混合樣品，按照不同的部位分裝帶回實驗室。先將植物樣品清洗干凈，再裝入大號信封中放入恒溫烘箱中，將溫度調(diào)整到105℃殺青120 min，再在將溫度下調(diào)到60℃烘2 d后，取出，用小型高速粉碎機粉碎，過100目篩，放入干燥皿中備用。

在試驗小區(qū)采集土樣。采集前將試驗區(qū)挖設(shè)壟溝，采用5點取樣法采集耕作層的土壤樣品。采樣時盡量避免石頭、枝葉等雜質(zhì)。土壤采集完畢后，做好標記，待風(fēng)干后以4分法進行處理，然后將土壤樣品研磨，過10目以及100目篩，放置于干燥皿中備用。

1.3 測定指標

土壤測定pH值、重金屬含量、有機質(zhì)、陽離子交換量4大類指標，植物樣品測量其生物量以及不同部位的重金屬含量。土壤樣品風(fēng)干后采用四分法進行處理，過篩后用微波消解法消解；植物樣品殺青粉碎過篩后用消解儀消解。分別采用原子吸收分光光度計（AA-7000，日本島津）、ICP-OES（Optimas 8300，美國PE）、石墨爐原子吸收分光光度計（AA-240 ZZ，美國安捷倫）對消解液進行測量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本研究中樣品消解均做三組平行，并添加樣品空白及標準樣品組。使用Excel2007進行統(tǒng)計分析，用Origin 8.0作圖。各指標計算公式如下：

其中：M每公頃土壤鎘的總量（g）＝2250×C土壤中鎘的含量

注：1 hm2土壤20 cm耕作層質(zhì)量為2250 t。

2 結(jié)果與討論

2.1 兩種輪作模式下植株中的鎘積累比較

從表3可知，在作物的不同部位，對土壤中鎘的富集能力最強的為油菜葉片，其含量達到了6.27～7.13 mg／kg。黑豆各部位鎘含量均高于大豆。黑豆根、莖、葉、果殼、果的鎘含量分別達到了2.14、2.63、4.10、1.34、0.71 mg／kg，黑豆—油菜模式下的油菜的根、莖、葉、果殼、果分別達到3.10、4.73、7.13、1.85、0.50 mg／kg。

表3 兩種輪作模式下植株各部位鎘含量Table 3 Cadmium content in different parts of crops under two rotation patterns mg／kg

2.2 兩種輪作模式下的鎘生物富集系數(shù)

生物富集系數(shù)是植物修復(fù)中衡量不同作物對于土壤重金屬富集能力強弱的一個標準［11］。一般認為當植物富集系數(shù)大于1時，表明該植物對土壤重金屬表現(xiàn)出較強的富集能力。從圖1（a）可知，對土壤鎘富集能力最強的植物為油菜，其次為黑豆。富集能力最強的部位為油菜的葉片，兩種輪作模式下分別達到7.27和6.35，其次為油菜的莖，分別達到4.83和4.04，最低的部位為油菜的籽粒，富集系數(shù)均低于1，說明籽粒對鎘的富集能力較弱。大豆與黑豆兩種豆科油料作物比較，黑豆表現(xiàn)出了較高的對鎘的富集能力，鎘富集能力最強的是黑豆的葉片，達到4.13，其次是黑豆的莖，富集系數(shù)達到2.65。而兩種作物果實對鎘的富集系數(shù)均小于1，說明土壤鎘向果實中的轉(zhuǎn)運能力較弱，這有利于植物修復(fù)過程中實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的安全生產(chǎn)。

2.3 不同輪作模式下的鎘轉(zhuǎn)運系數(shù)比較

由圖1（b）可知，兩種輪作模式中油菜莖、葉的轉(zhuǎn)運系數(shù)都是最高的，在不同輪作模式中，油菜葉的轉(zhuǎn)運系數(shù)最高，分別達到2.30和2.12，表明油菜地上部分對鎘累積能力要大于根部。黑豆各部位的轉(zhuǎn)運系數(shù)均高于大豆，莖、葉、果殼、果分別達到了1.23、1.92、0.63、0.33，說明黑豆由地下部分往地上部分轉(zhuǎn)運鎘的能力更強。成熟期各部位的鎘轉(zhuǎn)運系數(shù)油菜＞黑豆＞大豆。而各部位轉(zhuǎn)運系數(shù)呈現(xiàn)出葉＞莖＞果殼＞果的規(guī)律。而果殼及果的轉(zhuǎn)運系數(shù)均小于1，說明鎘由根轉(zhuǎn)運到果實部位的能力較弱。

圖1 不同輪作模式的鎘生物富集系數(shù)及轉(zhuǎn)運系數(shù)Fig.1 Biological coefficient and transportation factor of different rotation patterns

2.4 輪作模式修復(fù)潛力比較

大豆—油菜和黑豆—油菜輪作模式中，各種作物均能正常生長，未出現(xiàn)明顯鎘脅迫反應(yīng)。兩種模式中，大豆的生物量最大，為14 800 kg／hm2，其次是黑豆、油菜。黑豆、大豆、油菜籽粒產(chǎn)量分別為3396.65、1891.10和3119.99 kg／hm2。據(jù)以往的研究表明，油料作物在經(jīng)過榨油后，重金屬主要富集在殘余的粕餅中，粕餅經(jīng)過脫毒后，可以作為優(yōu)良的動物飼料和有機肥，能將資源利用最大化。

在大豆—油菜和黑豆—油菜兩種輪作模式下，種植一季黑豆可帶走鎘29.45 g／hm2，一季油菜可以帶走鎘45.87 g／hm2，一季黑豆—油菜輪作模式下共可帶走鎘75.32 g／hm2。在大豆—油菜輪作模式下，一季大豆能帶走鎘12.62 g／hm2，一季油菜可帶走鎘39.06 g／hm2，一季大豆—油菜輪作模式下可帶走鎘51.68 g／hm2。

由表4可知，在黑豆—油菜輪作模式中，種植完一季黑豆土壤鎘含量由原始土壤的0.993 mg／kg降至0.981 mg／kg，土壤TCLP提取態(tài)鎘濃度由0.385 mg／kg降至0.380 mg／kg。種植完油菜后，土壤鎘含量從0.981 mg／kg降至0.964 mg／kg，TCLP提取態(tài)鎘濃度由0.380 mg／kg降至0.375 mg／kg。這表明，黑豆—油菜輪作模式對于土壤中輕度鎘污染具有較好的修復(fù)效率。在大豆—油菜輪作模式中，種植完一季大豆土壤鎘含量由0.993 mg／kg降至0.988 mg／kg，土壤TCLP提取態(tài)鎘濃度由0.385 mg／kg降至0.382 mg／kg，種植完油菜后，土壤鎘含量從0.988mg／kg降至0.973 mg／kg，TCLP提取態(tài)鎘濃度由0.382 mg／kg降至0.377 mg／kg。以上結(jié)果表明，黑豆—油菜輪作模式對于中輕度鎘污染土壤的修復(fù)效率要優(yōu)于大豆—油菜輪作模式。

表4 兩種模式下作物收獲前后土壤鎘含量Table 4 Cadmium content in soil before and after crop harvest under two models mg／kg

3 討論

植物修復(fù)是一個比較漫長的過程，許多類似于超富集植物的修復(fù)作物雖然具有一定的修復(fù)價值，但是往往有生物量小、對生活環(huán)境有較高的要求等，在長期修復(fù)過程中，使得種植戶的收益急劇下降，而采用傳統(tǒng)油料作物來進行植物修復(fù)則是一種新的思路［12，13］。在修復(fù)過程中，油料作物具有很大的生物量并且還有不低的富集能力等特點，并且能為種植戶帶來可觀的收入，植物的各個部位都能進行資源化利用，能夠?qū)崿F(xiàn)邊創(chuàng)造可觀的價值邊進行修復(fù)［14，15］。

大豆、黑豆、油菜均為我國傳統(tǒng)的油料作物，兩種輪作模式中大豆、黑豆、油菜除果實外對鎘的富集系數(shù)都大于1，說明這3種作物都可以作為植物修復(fù)的理想作物［16～18］。黑豆—油菜、大豆—油菜種植一輪能帶走鎘75.32和51.68 g／hm2，土壤鎘由0.993 mg／kg分別降低至0.964、0.973 mg／kg，說明這兩種模式對農(nóng)田重金屬污染都能夠進行有效的修復(fù)，在中輕度鎘污染土壤中在不影響植物健康的情況下能有效降低土壤鎘污染。

利用黑豆—油菜、大豆—油菜這兩種輪作模式來修復(fù)重金屬污染的農(nóng)田既可以有效去除土壤鎘，不會對環(huán)境造成危害，又能將作物收獲后進行回收利用，帶來經(jīng)濟收益，這種治理方法是可行的。

油料作物果實以及其它部位中重金屬超標，但是經(jīng)過一系列脫毒處理達標后可以當飼料和肥料使用［19］。有研究表明，大豆、油菜等果實提取的油中重金屬并不超標，重金屬主要富集在粕餅中，對粕餅進行脫毒后可再利用［20，21］。

4 結(jié)論

（1）兩種植模式的作物都能在中輕度鎘污染試驗農(nóng)田上正常生長，表現(xiàn)出對重金屬鎘的一定耐性。經(jīng)過種植一輪黑豆—油菜、大豆—油菜，分別能夠從土壤中帶走73.52和51.68 g／hm2的鎘，對土壤中鎘的修復(fù)效率約為3%。

（2）黑豆—油菜輪作模式中，黑豆表現(xiàn)出良好的鎘富集能力，其根、莖、葉、果殼、果中鎘的含量分別為2.14、2.63、4.10、1.34、0.71 mg／kg，且富集系數(shù)除果實外均在1以上，油菜各個部位含量最高的分別為葉與莖，分別達到了7.13和4.73 mg／kg。

（3）在3種油料作物中，油菜對重金屬鎘的提取能力最佳，其次是黑豆；輪作模式中以黑豆—油菜模式提取效率最高。