甘藍型油菜在鎘污染土壤修復中的應用研究

范占煌，張振乾

（1中節(jié)能大地（杭州）環(huán)境修復有限公司，杭州 310020；2湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，長沙 410128）

0 引言

鎘(Cadmium)是一種移動性強、生物毒性大的重金屬，極易通過食物鏈進入人體并產(chǎn)生毒害作用，1984年被聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署列為12種危害物質(zhì)的首位，1993年確定為致癌物質(zhì)[1]。中國受重金屬鎘污染的農(nóng)田有0.1億hm2，每年受到重金屬污染的糧食達到了1200萬t，導致糧食減產(chǎn)1000萬t左右，整體合計經(jīng)濟損失200億元[2]。

土壤鎘污染常用的修復方法有休耕、物理修復、化學改良修復和生物修復等。生物修復的成本低、無二次污染，生態(tài)效益較好，可大范圍應用[3-4]?！吨腥A人民共和國土壤污染防治法》明確指出，土壤修復活動應當優(yōu)先采取不影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、不降低土壤生產(chǎn)功能的生物修復措施。植物萃取修復技術是生物修復技術的一種，它利用可積累污染物的植物將土壤中的重金屬富集于植物可收獲的部分，應用前景較好，但傳統(tǒng)的超富集植物在修復過程中生長緩慢、對環(huán)境適應能力差、重金屬修復比較單一[5]，因此植物修復技術的重點是尋找生物量較大、生長適應能力強，且對重金屬有一定吸收積累的修復植物[6-7]。

油菜在長江中下游地區(qū)大面積種植，是第二大作物，作為冬季作物，不影響水稻生產(chǎn)，生物量遠較蜈蚣草、野趾草、紫云英、香根草、銅草等超富集修復植物大，且有較強的吸收累積鎘能力[8]，因而可作為理想的鎘污染土壤修復植物。以前研究多關注油菜營養(yǎng)生長期地上部鎘含量和鎘吸收量[8-9]，但在不同器官中重金屬累積的規(guī)律并不一致[10-13]。因此在本研究中，以甘藍型油菜為材料，分析不同鎘含量對其農(nóng)藝性狀、不同部位鎘積累情況，探究油菜作為修復植物的可行性。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 供試土壤 中節(jié)能大地（杭州）環(huán)境修復有限公司試驗基地。

1.1.2 植物材料 甘藍型油菜‘灃油737’（雜交品種），H1、H2、H3（育種親本，常規(guī)材料）由湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院提供。

1.2 試驗方法

1.2.1 油菜的種植與取樣 試驗于2019年在中節(jié)能大地（杭州）環(huán)境修復有限公司試驗基地進行。選用上直徑25 cm、高28 cm的白瓷盆，每盆裝土4 kg。把相應量的CdCl2配成溶液，分別與過2 mm篩后的供試土壤反復混合均勻，然后在溫室中穩(wěn)定一周，使得土壤每千克含鎘量形成下列4個水平：CK(0 mg/kg)、A(5 mg/kg)、B(15 mg/kg)、C(25 mg/kg)。每個處理設3次重復。

1.2.2 菜籽油的萃取 取10 g粉碎后的種子，置于20 mL玻璃試管中，加入15 mL石油醚，蓋上試管塞，于50℃反應48 h。反應完成后，取上清置于50 mL離心管中，5000 r/min離心10 min，取上清液，置于三角燒瓶內(nèi)。60℃反應6 h，待石油醚完全蒸發(fā)后得到菜籽油。

1.2.3 樣品的前處理和鎘含量測定 稱取0.33 g粉碎好的莖桿和種子，以及0.43 g菜籽油，樣品按照《食品安全國家標準食品中鎘的測定GB5009.15—2014》介紹的方法進行的消解。莖、葉和菜籽油用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)測定鎘含量[14]，以國家鎘分析標準物質(zhì)(GBW0H10)為參比進行分析質(zhì)量控制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同鎘含量對甘藍型油菜農(nóng)藝性狀的影響

2.1.1 不同鎘含量對甘藍型油菜株高的影響 如圖1所示4個品種的株高均呈先升后降的趨勢，H2株高受影響較大；在5 mg/kg時達到最大值，顯著高于15 mg/kg和25 mg/kg的處理，這個趨勢表明在較低鎘含量時，對油菜生長有一定的促進作用，與費維新等[15]研究一致，而鎘含量過高，會破壞其的生理功能，導致生長受阻[16]。

圖1 不同鎘含量對甘藍型油菜株高的影響

2.1.2 不同鎘含量對甘藍型油菜一次分枝數(shù)的影響 由圖2可知，鎘對不同油菜一次分枝數(shù)均有較大影響，尤其是H1、H2、‘灃油737’影響較小，表明雜交材料耐性強。一次分枝數(shù)是油菜重要的產(chǎn)量性狀指標，本研究結(jié)果可看出，鎘對油菜籽產(chǎn)量會有較大影響。

圖2 不同鎘含量對甘藍型油菜一次分枝數(shù)的影響

2.1.3 不同鎘含量對甘藍型油菜二次分枝數(shù)的影響 從圖3可以看出，‘灃油737’二次分枝數(shù)不同鎘濃度下沒有顯著性差異，常規(guī)材料高濃度鎘處理下，二次分枝數(shù)均較對照顯著下降，常規(guī)材料二次分枝數(shù)整體高于雜交材料‘灃油737’，油菜一次分枝對產(chǎn)量的影響較二次分枝大，本結(jié)果表明鎘對常規(guī)油菜產(chǎn)量的影響較大。

圖3 不同鎘含量對甘藍型油菜第二次分枝數(shù)的影響

2.1.4 不同鎘含量對甘藍型油菜分枝起點高度的影響 由圖4可知，不同鎘濃度處理下4個甘藍型油菜品種分枝起點高度有顯著差異，‘灃油737’最高，H2最短，表明雜交油菜較常規(guī)油菜對鎘的耐性更強。

圖4 不同鎘含量對甘藍型油菜分枝起點高度的影響

2.1.5 不同鎘含量對甘藍型油菜主花序長度的影響 如圖5所示，‘灃油737’的主花序長度隨鎘濃度的上升而逐漸縮短，并無顯著差異，而常規(guī)材料H1、H2和H3的主花序長度在5 mg/kg時達到最大值，15 mg/kg和25 mg/kg處理小幅下降，主花序長度是油菜重要的產(chǎn)量性狀，本研究表明鎘超標會對油菜籽產(chǎn)量造成不利影響，常規(guī)材料較雜交油菜耐受穩(wěn)定性好。

圖5 不同鎘含量對甘藍型油菜主花序長度的影響

2.2 不同鎘含量對甘藍型油菜角果相關性狀的影響

2.2.1 不同鎘含量對甘藍型油菜有效角果數(shù)的影響 由圖6可知，‘灃油737’和H1的有效角果數(shù)在鎘濃度為5 mg/kg處理下最高，且4個品種有效角果數(shù)在5 mg/kg處理下均顯著高于15 mg/kg和25 mg/kg處理，空白對照與15 mg/kg和25 mg/kg處理的油菜的角果數(shù)呈顯著性差異。不同處理下，雜交油菜‘灃油737’的有效角果數(shù)均高于常規(guī)材料，表明其對鎘的耐受能力強；高濃度鎘會對產(chǎn)量造成不利影響。

圖6 不同鎘含量對甘藍型油菜有效角果數(shù)的影響

2.2.2 不同鎘含量對甘藍型油菜角果粒數(shù)的影響 由圖7可知，除常規(guī)材料H2在5 mg/kg處理下，其角果粒數(shù)高于其他處理外，其余品種空白對照的角果粒數(shù)基本高于其他處理，各材料間差異不大。

圖7 不同鎘含量對甘藍型油菜角果粒數(shù)的影響

2.3 甘藍型油菜不同部位鎘含量分析

由表1可知，隨著土壤中加入鎘的濃度的增加，在莖桿、籽粒和菜籽油中的鎘含量也在增加。當鎘施入量達到5 mg/kg時，莖桿和種子中的鎘含量已遠高于的國際標準(0.2 mg/kg)。但在菜籽油中，即使土壤鎘施入量達到25 mg/kg，菜油中鎘含量也遠低于國際標準，不影響菜油食用。本研究表明鎘鎘超標地區(qū)種植油菜不影響菜油品質(zhì)，油菜是一種理想的鎘污染土壤修復植物。

表1 不同部位的鎘含量分析

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

不同濃度鎘對甘藍型油菜的株高、一次分枝、二次分枝、角果數(shù)和角果粒數(shù)具有顯著影響，會對油菜產(chǎn)量造成不利影響；高濃度鎘土壤種植油菜，菜籽油中鎘含量較對照提高了3.9倍，但仍在國際標準范圍內(nèi)，不影響食用油安全。油菜是一種理想的修復植物，可用于鎘污染農(nóng)田修復。

3.2 討論

重金屬污染對我國糧食安全生產(chǎn)帶來較大影響，習近平同志多次強調(diào)“強化土壤污染管控和修復，有效防范風險，讓老百姓吃得放心、住得安心”。2014年“中央一號文件”提出啟動重金屬污染耕地修復試點，之后歷年的“中央一號文件”均對該問題予以重點關注內(nèi)容，《土壤污染防治行動計劃》、《農(nóng)用地土壤環(huán)境管理辦法》等一系列政策相繼出臺，“十三五”期間中央累計安排281.24億元土壤污染防治專項資金，重金屬污染土壤治理工作成為當前研究的熱點。

但當前的治理方法仍以物理、化學修復為主，這些方法投資較大、效益低且未能從根本上解決問題；植物修復雖受各級政府的高度關注，但仍未能實現(xiàn)規(guī)?；瘧?，其中一個關鍵問題就是缺乏適宜的修復植物。本研究發(fā)現(xiàn)甘藍型油菜在高濃度鎘存在的土壤中仍能生長、結(jié)實，且菜油中重金屬含量極低，不影響其食用價值，將油菜作為修復植物將改變中國現(xiàn)有修復技術經(jīng)濟效益差，農(nóng)民參與積極性低，修復效果不理想的現(xiàn)狀，實現(xiàn)重金屬污染土壤修復、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)兩不誤，提高修復過程中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟效益，增強農(nóng)民參與積極性，確保土壤修復成效和技術推廣度，促進中國“三農(nóng)”問題的解決和可持續(xù)發(fā)展。