糯高粱紅珍珠移除土壤重金屬效果及籽粒安全性評價

何翠云，何 瓊，胡建偉，陳香蘭，康友余，張光武，劉澤賢，李耀奇

(湘潭縣易俗河鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)中心，湖南湘潭 411228)

湘江流域是湖南土壤重金屬污染較嚴重的區(qū)域，其中湘潭耕地土壤重金屬鎘(Cd)污染最為嚴重[1～5]。2014年以來，湘潭市土壤重金屬污染治理與修復(fù)取得了較大成效[6～9]，但仍有相當(dāng)比例的耕地土壤尚處于輕度至中度污染狀態(tài)，因此，《湘潭市污染防治攻堅戰(zhàn)2020年實施方案》提出，到2020年底，湘潭市受污染耕地安全利用率力爭達到91%，完成湘潭市受污染耕地治理目標任務(wù)3.74萬公頃[10]。

對土壤重金屬污染治理與修復(fù)的方法主要有物理化學(xué)法(改土法、淋洗沉淀法、熱處理法、電動化學(xué)法、污染固化法等)、生物學(xué)修復(fù)法(植物修復(fù)、動物修復(fù)、微生物修復(fù))和土壤農(nóng)化調(diào)控法(降低土壤pH值、增加水分和有機質(zhì)含量等)，其中，植物修復(fù)法包括萃取、揮發(fā)和固定3種方法[11]。有資料表明，高粱是一種良好的土壤重金屬萃取修復(fù)植物[12，13]。糯高粱是優(yōu)質(zhì)的釀酒原料[14～16]，可作為非直接食用的替代糧食作物[17]。為進一步探明糯高粱品種紅珍珠在湘潭地區(qū)種植的生物學(xué)產(chǎn)量、重金屬含量、對土壤重金屬移除效果和籽粒安全生產(chǎn)的情況，2019年7～12月，結(jié)合實施“重金屬植物移除及利用示范”項目，開展了替代糧食作物移除土壤重金屬試驗，旨在為種植結(jié)構(gòu)調(diào)整提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試地點在湘潭縣易俗河鎮(zhèn)煙塘村掛嘴洲，選擇中等肥力水平田塊(T1)和偏低肥力水平田塊(T2)為供試土壤，土壤為鎘污染的黃紅壤土，養(yǎng)分情況見表1。前作為油菜，供試作物為糯高粱品種紅珍珠，由貴州紅纓子農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司提供，主要用于釀酒。

1.2 試驗設(shè)計及田間管理

根據(jù)土壤肥力水平，設(shè)置中等肥力水平田塊T1，偏低肥力水平田塊T2，種植面積均為500 m2以上，在其中設(shè)3個小區(qū)(3個重復(fù))，每個小區(qū)面積30 m2，共6個小區(qū)。播種前深耕曬田，深翻土層30 cm，曬田至走路不粘泥為準，曬田后旋耕開廂，廂寬200 cm(包溝)，溝寬30 cm，溝深25 cm，每廂種植4行，株行距25 cm×50 cm(包溝)。開廂起壟前施45%硫酸鉀復(fù)合肥465 kg/hm2，試驗區(qū)田塊開深40 cm、寬30 cm的圍溝，以防漬水。種子經(jīng)3 h以上日曬，并自然晾干后，與5 mL/kg“巧適”(少量清水稀釋)拌勻，于4月上旬播種，每穴3～4粒(留苗2株)，播種后兩天內(nèi)用38%莠去津1800 mL/hm2對水噴霧，封閉除草。施肥、中耕除草和病蟲害防治等田間管理與大田一致。10月中旬收獲。

1.3 取樣與測定方法

在高粱成熟收割前，分別在T1、T2田塊的3個小區(qū)各隨機選取5 m2樣方，測定每個樣方高粱莖葉和籽粒的鮮質(zhì)量，同時，在樣方內(nèi)采集植株樣品，帶回實驗室測定籽粒干質(zhì)量等指標，各小區(qū)全部收獲計產(chǎn)。pH、有機質(zhì)、全氮、速效氮、有效磷含量按照文獻[18]方法測定；土壤重金屬鎘(Cd)、汞(Hg)、砷(As)、鉛(Pb)、鉻(Cr)含量，采用乙酸銨浸提法測定[19]，高粱莖葉及籽粒中重金屬(Cd、Pb、Hg、Cr、As)含量采用HNO3-HClO4(5∶1)濕解法消煮，定容稀釋后采用ICP-MS測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗所獲數(shù)據(jù)采用Excel 2010和SPSS 17.0軟件進行處理和統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分及重金屬含量背景值

2.1.1 土壤養(yǎng)分含量背景值

由表1可知，T2田塊養(yǎng)分背景值分別為：pH5.2、有機質(zhì)29.5 g/kg、全氮1.84 g/kg、速效氮176 mg/kg、有效磷含量12.6 mg/kg，比T1分別低0.4、15.6 g/kg、0.44 g/kg、21 mg/kg和0.4 mg/kg，說明T2田塊肥力水平明顯低于T1。

表1 供試土壤養(yǎng)分狀況

2.1.2 土壤重金屬含量背景值

表2表明，T1土壤重金屬Cd、Hg、As、Pb、Cr含量背景值分別為1.35、0.257、26.0、67、88 mg/kg，有效Cd、Pb、Cr含量分別為0.273、10.586、0.038 mg/kg；T2土壤重金屬Cd、Hg、As、Pb、Cr含量背景值分別為1.07、0.260、28.6、75、90 mg/kg，有效Cd、Pb、Cr含量分別為0.355、13.328、0.046 mg/kg。T2除總Cd低于T1外，其他指標均高于T1。根據(jù)國家標準“GB 15618—2018 土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標準(試行)”，Cd含量高于標準3倍以上，Hg、As、Pb、Cr未超標。說明試驗區(qū)土壤Cd污染嚴重，不宜種植水稻，需替代種植非直接食用的作物，如酒用高粱、飼料用玉米等旱糧作物。

表2 土壤重金屬含量背景值 mg/kg

2.2 糯高粱紅珍珠產(chǎn)量與其重金屬含量的關(guān)系

表3表明，T1與T2地上部鮮質(zhì)量、莖葉及籽粒干質(zhì)量均差異顯著(p<0.05)，表明產(chǎn)量與土壤基礎(chǔ)地力水平密切相關(guān)。T1與T2莖葉和籽粒中重金屬含量差異不顯著，說明產(chǎn)量與莖葉和籽粒對土壤重金屬吸收的比例無關(guān)，但產(chǎn)量越高，莖葉吸收Cd的比例(含量)有增高的趨勢。對莖葉與籽粒干質(zhì)量及其重金屬含量比較分析發(fā)現(xiàn)，糯高粱紅珍珠平均莖葉干質(zhì)量(7.06 t/hm2)顯著高于籽粒(4.07 t/hm2)，占地上部分總干質(zhì)量的63.4%；莖葉中的各重金屬含量均顯著高于籽粒，說明莖葉構(gòu)成了糯高粱紅珍珠的主要生物產(chǎn)量，也是吸收土壤重金屬的主要部分。

表3 糯高粱紅珍珠地上部分生物量及其重金屬含量

2.3 糯高粱紅珍珠對土壤中重金屬的移除效果

由莖葉、籽粒干質(zhì)量和莖葉、籽粒中重金屬含量計算出莖葉和籽粒對土壤重金屬的移除量見表4。糯高粱紅珍珠對土壤中Cd、Hg、As、Pb、Cr移除總量T1分別為46.189、0.273、7.501、69.386、169.798 g/hm2，其中，莖葉對土壤Cd、Hg、As、Pb、Cr的移除量分別為45.490、0.234、6.744、68.981、166.212 g/hm2，與T2比較，除對Hg的移除量(高0.028 g/hm2)差異不顯著外，對Cd、As、Pb、Cr的移除量(分別高15.330、2.120、17.753、46.760 g/hm2)差異均顯著(p<0.05)；T1處理籽粒對土壤Cd、Hg、As、Pb、Cr的移除量分別為0.699、0.039、0.757、0.405、3.586 g/hm2，與T2差異均不顯著。說明糯高粱紅珍珠移除土壤重金屬的效果T1顯著大于T2(僅籽粒中的Pb例外)。分析表明，莖葉移除土壤重金屬的量顯著高于籽粒，這主要由高粱的不同部位產(chǎn)量及其吸收量不同所致。移除量大小順序，莖葉T1和T2均為Cr>Pb>Cd>As>Hg，籽粒T1和T2均為Cr>As>Cd>Pb>Hg，移除量最大的均為Cr，最小的均為Hg，Cd移除量在莖葉和籽粒中均位居第三。說明糯高粱紅珍珠地上部生物產(chǎn)量越高，移除土壤重金屬量就越大，但在籽粒移除量中受產(chǎn)量高低的影響較小，僅表現(xiàn)為隨產(chǎn)量增加略為增加的趨勢。

表4 糯高粱紅珍珠移除土壤重金屬效果

2.4 糯高粱紅珍珠籽粒安全性評價

高粱莖葉一般作籬笆、覆蓋物等用途，在高粱秸稈總量不大的情況下，一般不需考慮安全問題。表5結(jié)果表明，籽粒中Cd、Hg、As、Pb和Cr的平均含量均低于“GB 2762—2017 食品安全國家標準食品中污染物限量”標準，說明糯高粱紅珍珠籽粒食用安全性良好，可用于釀酒。

表5 糯高粱紅珍珠籽粒重金屬含量的安全性比較 mg/kg

3 討論

糯高粱紅珍珠產(chǎn)量隨土壤肥力的提高而增加，其莖葉對土壤Cd的吸收比例(含量)有隨產(chǎn)量增加而提高的趨勢，但差異不顯著，莖葉中重金屬含量顯著高于籽粒；莖葉和籽粒移除土壤重金屬量隨產(chǎn)量的增加而增加，其中莖葉表現(xiàn)得更為明顯。這與尹文雅等[13]的研究結(jié)果一致。籍貴蘇等[19]研究表明，粒用高粱莖對Cd、Pb等多種重金屬的貯藏能力較強，本研究結(jié)果也表現(xiàn)為高粱莖葉對Cd、Pb等重金屬有較強的貯藏能力。糯高粱紅珍珠在湘潭地區(qū)種植表現(xiàn)為植株高大，株高最高可達3.3 m，生物學(xué)產(chǎn)量大，莖葉與籽粒的比值(莖粒比)高，這可能是其莖葉對土壤重金屬的富集能力比籽粒高的原因。籽粒中Cd、Hg、As、Pb和Cr的含量均低于食品安全國家標準，這與尹文雅等[13]研究結(jié)果不一致，可能與品種有關(guān)。不同高粱品種(種質(zhì))對土壤Cd、Hg、As、Pb和Cr的吸收能力存在較大差異[19]，糯高粱紅珍珠植株高大，從土壤中吸收重金屬運輸、貯(藏)積(累)到穗部籽粒的距離較遠，比相對較矮的其他品種可能更難將重金屬貯積到籽粒中。籍貴蘇等[19]對11個高粱品種(8個甜高粱品種、2個飼用高粱品種和1個粒用高粱品種)的研究發(fā)現(xiàn)，高粱各器官對土壤Cd等重金屬的富集系數(shù)平均值以根最高，但粒用高粱品種則為莖>葉>根>穗，表明高粱根對土壤Cd等重金屬也有一定的富集能力，若能去除土中的高粱根，土壤Cd等重金屬的移除效果將更好。當(dāng)高粱秸稈產(chǎn)量達到一定量時，需考慮秸稈的無害化處理和有效利用問題。目前，高粱秸稈的資源化利用尚無成熟的技術(shù)，因其Cd等重金屬含量高，作為農(nóng)村新型能源和工業(yè)原料的資源化利用可能是其無害化處理的有效途徑。由于條件的限制，未能對試驗后的土壤進行重金屬含量檢測，糯高粱紅珍珠對土壤Cd等重金屬雖有明顯的移除效果，但無法明確知道土壤重金屬含量的降低值。因此，種植不同高粱品種對土壤Cd等重金屬含量的影響以及高粱莖葉和根的無害化處理技術(shù)等均有待進一步研究。

4 結(jié)論

試驗區(qū)土壤重金屬Cd含量嚴重超標，Hg、As、Pb和Cr未超標，說明試驗區(qū)土壤為Cd污染嚴重的土壤。在中等和偏低肥力的土壤上糯高粱紅珍珠產(chǎn)量為4.89 t/hm2和3.24 t/hm2，移除土壤重金屬效果明顯，Cd、Hg、As、Pb、Cr移除總量的分別為38.411、0.251、6.324、60.530、145.939 g/hm2，其中由莖葉移除的分別占98.5%、87.7%、89.9%、99.3%、97.9%，顯著高于籽粒。籽粒中Cd、Hg、As、Pb、Cr的平均含量分別為0.145、0.008、0.158、0.11、0.772 mg/kg，均低于國家安全標準，可安全用作釀酒原料。酒用糯高粱紅珍珠主要銷往貴州茅臺等釀酒企業(yè)，實行訂單生產(chǎn)，可在湘潭地區(qū)大力推廣種植，在其他Cd污染嚴重的地區(qū)可考慮用作“水改旱”的替代作物。