三種植物對土壤鎘的富集效果研究

馮敬云，聶新星，劉 波，段小麗，張志毅，楊 利

（1.長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023；2.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保土肥研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部廢棄物肥料化利用重點實驗室/農(nóng)業(yè)環(huán)境治理湖北省工程研究中心，武漢 430064）

當(dāng)前中國耕地土壤環(huán)境質(zhì)量不容樂觀，據(jù)2014年發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示，全國耕地土壤點位超標(biāo)率為19.4%，污染類型以無機型為主，無機污染物中以重金屬鎘（Cd）點位超標(biāo)率排在首位［1］。Cd 是一種具有很強生物毒性的重金屬，在土壤中具有隱蔽性和累積性。農(nóng)田土壤受Cd 污染后，Cd 會通過作物根系在作物可食部分富集，進而危害人體健康，已被聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署列為全球性意義危害化學(xué)物質(zhì)之首［2］。2013 年曝光的湖南稻米Cd 超標(biāo)事件更是引起社會公眾對糧食安全的廣泛關(guān)注。

國內(nèi)外已對Cd 污染農(nóng)田的防治做了大量研究，其中植物修復(fù)是中輕度農(nóng)田土壤Cd 污染修復(fù)技術(shù)的有效途徑之一。根據(jù)修復(fù)的機理，植物修復(fù)技術(shù)可以分為植物提取、植物固定和植物揮發(fā)3 種類型，其中研究較多的是植物提取，其原理是富集植物通過根系吸收將Cd 轉(zhuǎn)移到植物體內(nèi)，然后通過收獲物移除達到降低土壤中重金屬Cd 含量的目的。與物理化學(xué)修復(fù)技術(shù)相比，植物修復(fù)技術(shù)具有修復(fù)成本低、不會造成二次污染、對土壤破壞小等優(yōu)點［3］。

當(dāng)前，針對重金屬Cd 污染的富集植物有很多，如東南景天（Sedum alfrediiHance）［4］、印度芥菜［5］、龍葵（Solanum nigrumL.）［6］、籽粒莧（Amaranthus hybridusL.）［7，8］、藿香薊（Ageratum conyzoidesL.）［2］等植物都對土壤重金屬Cd 具有一定的富集作用。但有些富集植物在實際應(yīng)用上存在生境適應(yīng)能力弱、生物量小、地上生物量小或田間管理復(fù)雜等局限，不利于大面積推廣應(yīng)用。同時，不同區(qū)域的污染農(nóng)田氣候狀況、土壤性質(zhì)、污染狀況不同，最適合的富集植物也不盡相同。蓖麻（Ricinus communisL.）［9］和高粱［Sorghum bicolor（L.）Moench］［10，11］是一種潛在的修復(fù)Cd 污染土壤的植物，具有生長速度快、生物量大、適應(yīng)能力強等優(yōu)點，且均可以作為能源植物進行利用。因此，本研究選取蓖麻、生物質(zhì)高粱和甜高粱（Sorghum bicolor‘Dochna’）3 種植物，通過田間試驗驗證其對土壤重金屬Cd 的富集效果，以期為湖北省中輕度Cd 污染農(nóng)田植物修復(fù)技術(shù)的研究與推廣應(yīng)用提供一定的理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與材料

試驗于2019 年5—9 月在湖北省某Cd 污染旱地進行。供試土壤的基本理化性質(zhì)及污染狀況見表1。由表1 可知，供試土壤Cd 含量超過了《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）規(guī)定的風(fēng)險篩選值（pH≤7.5，0.3 mg/kg），屬于安全利用類農(nóng)田。

表1 土壤基本理化性質(zhì)及污染狀況

蓖麻為市場購買，生物質(zhì)高粱（阿爾托2 號）和甜高粱（阿爾托326 號）由湖南隆平高科耕地修復(fù)技術(shù)有限公司提供。

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)置3 個處理，分別種植生物質(zhì)高粱、甜高粱和蓖麻。每個處理3 次重復(fù)，共9 個小區(qū)，小區(qū)面積30 m2，隨機區(qū)組排列。富集植物種植前旋耕至土壤松碎、平整、無大土塊，耕層上虛下實，在最后一次旋整時施復(fù)合肥600 kg/hm2，復(fù)合肥由湖北三寧化工股份有限公司生產(chǎn)，N∶P2O5∶K2O=16∶16∶16。2019 年 6 月 10 日進行播種，2 種高粱種植密度為8 000 株/667 m2，蓖 麻 種 植 密 度 為 1 200 株/667 m2。各小區(qū)施肥、除草等田間管理措施保持一致。

試驗開始前采用5 點法采集耕層（0～20 cm）混合土壤1 kg，樣品風(fēng)干后，手工去除根系、石塊等雜物，部分樣品過20 目尼龍篩用于土壤pH 和速效養(yǎng)分含量的測定，部分樣品過100 目尼龍篩用于有機質(zhì)和全Cd 含量的測定。土壤基本理化性質(zhì)的測定參照《土壤農(nóng)化分析》的常規(guī)方法［12］。

2019 年9 月24 日，每個小區(qū)取長勢均勻的1 m2作為樣方，實測3 種富集植物秸稈、葉片和子粒的鮮重，然后分別取秸稈、葉片和子粒樣品，于105 ℃烘箱中殺青30 min，65 ℃烘干至恒重后稱重記錄每部分生物量，并利用不銹鋼粉碎機制樣用于測試分析。

各部分植株樣品采用HNO3-H2O2濕法消解，用石墨爐-原子吸收分光光度計（PinAAcle 900T，PerkinElmer）測定，以標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì) GBW（E）100348 進行質(zhì)量控制。

1.3 數(shù)據(jù)處理

富集系數(shù)（BCF）反映植物從土壤中吸收重金屬的能力。具體計算公式如下：

移除Cd 含量：可通過植物地上部各部分生物量及其Cd 含量乘積計算單位面積植物對Cd 的吸收量。具體計算公式如下：

采用Microsoft Excel 2007 軟件進行數(shù)據(jù)處理，利用SPSS 17.0 軟件（Duncan 法，P＜0.05）對試驗處理進行方差分析和均值比較，采用Origin 9.0 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 3 種富集植物地上部生物量情況

3 種富集植物莖稈、葉片、穗生物量見表2。生物質(zhì)高粱和蓖麻各器官生物量表現(xiàn)為莖稈＞穗＞葉片，甜高粱各器官生物量表現(xiàn)為莖稈＞葉片＞穗，其中生物質(zhì)高粱與甜高粱莖稈、葉片的生物量之間差異不顯著，但穗的生物量生物質(zhì)高粱顯著高于甜高粱（P＜0.05）。地上部生物量表現(xiàn)為生物質(zhì)高粱＞甜高粱＞蓖麻，分別為22.574 8、18.748 2、4.406 6 t/hm2，且生物質(zhì)高粱顯著高于其余2 種富集植物，生物質(zhì)高粱、甜高粱地上部生物量分別是蓖麻地上部生物量的 5.1、4.3 倍。

表2 3 種富集植物地上部生物量（干基）差異 （單位：t/hm2）

2.2 3 種富集植物各器官Cd 含量情況

3 種富集植物各器官中Cd 的富集情況均表現(xiàn)為莖稈＞葉片＞穗（表3）。莖稈及葉片中Cd 含量均表現(xiàn)為生物質(zhì)高粱＞甜高粱＞蓖麻，3 種富集植物莖稈中 Cd 含量分別為2.02、1.49、0.64 mg/kg，且三者間差異均達顯著性水平（P＜0.05）；葉片中Cd 的含量分別為 0.84、0.61、0.19 mg/kg，且三者間差異均達顯著性水平（P＜0.05）；穗中Cd 的含量則表現(xiàn)為生物質(zhì)高粱＞蓖麻＞甜高粱。生物質(zhì)高粱莖稈和葉片中Cd 含量均顯著高于其余2 種富集植物。

表3 3 種富集植物各器官Cd 含量差異 （單位：mg/kg）

2.3 3 種富集植物地上部對重金屬Cd 的富集系數(shù)

3 種富集植物莖稈對Cd 的富集系數(shù)表現(xiàn)為生物質(zhì)高粱＞甜高粱＞蓖麻，且均超過1，分別為5.3、3.9 和1.7（圖1），差異均達顯著性水平（P＜0.05）。葉片富集系數(shù)表現(xiàn)為生物質(zhì)高粱＞甜高粱＞蓖麻，分別為2.2、1.6、0.5，蓖麻葉片的富集系數(shù)未超過 1，且顯著低于生物質(zhì)高粱。3 種富集植物穗的富集系數(shù)均小于1，表現(xiàn)為生物質(zhì)高粱＞蓖麻＞甜高粱，生物質(zhì)高粱穗中富集系數(shù)顯著高于其余2 種富集植物。此外，以生物量乘以各器官中Cd 含量總和計算可移除Cd總量，可得出生物質(zhì)高粱、甜高粱和蓖麻當(dāng)季地上部可移除 Cd 的總量分別為 24.66、17.72、1.57 g/hm2。

圖1 3 種富集植物對Cd 的富集系數(shù)

3 小結(jié)與討論

利用超富集植物進行重金屬污染土壤修復(fù)具有綠色環(huán)保、修復(fù)成本低、可徹底移除土壤重金屬等特點［13］，是當(dāng)前中國農(nóng)田土壤資源環(huán)境壓力趨緊背景下較為合適的修復(fù)技術(shù)之一。根據(jù)Brooks 等［14］和Baker 等［15］提出的超富集植物概念，超富集植物地上部富集重金屬應(yīng)達100 mg/kg。此外，超富集植物富集系數(shù)（BCF）應(yīng)大于1，即植物體內(nèi)的Cd 含量要大于土壤中的Cd 含量，且能在重金屬污染土壤中正常生長。然而自然界多數(shù)重金屬超富集植物生長緩慢、生物量低，能真正大面積推廣應(yīng)用的重金屬Cd超富集植物是比較難篩選的，進而限制了植物修復(fù)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展［16］。

本研究中，生物質(zhì)高粱和甜高粱生長迅速、生物量可達18.7～22.6 t/hm2，與東南景天、印度芥菜等超富集植物相比，在生物量方面具有突出優(yōu)勢。同時，生物質(zhì)高粱和甜高粱莖稈和葉片中Cd 的富集系數(shù)均大于1，具備對Cd 的富集特性，且地上部Cd 的平均富集系數(shù)為 2.86 和 2.51，這與谷雨等［11］的研究結(jié)果較為一致。而蓖麻地上部生物量和富集系數(shù)2 方面均不及生物質(zhì)高粱和甜高粱。通過植物地上部各器官生物量及其Cd 含量乘積可計算每公頃植物對Cd 的吸收量，生物質(zhì)高粱、甜高粱和蓖麻當(dāng)季地上部可移除Cd 的總量分別為24.66、17.72 g/hm2和1.57 g/hm2。如果土壤容重按1.2 g/cm3，耕層深度0.2 m 計 算 ，土 壤 總 Cd 需 從 0.38 mg/kg 降 低 到 0.30 mg/kg，在不考慮其他輸入輸出因素的情況下，按照種植季度計算，生物質(zhì)高粱、甜高粱和蓖麻需要7.78、10.84、122.27 季，按照高粱每年種植 2 季，蓖麻每年種植1 季計算，則需要 3.89、5.42、122.27 年。由此可見，生物質(zhì)高粱在3 種富集植物中富集Cd 的能力最強，是修復(fù)重金屬Cd 污染土壤的良好材料。

楊泉等［17］的研究表明，供試高粱品種的生物產(chǎn)量在適當(dāng)?shù)氖┓柿肯戮蛇_57 t/hm2以上，因此，可通過施肥措施進一步提高富集植物的生物量。為提高富集植物對土壤重金屬的吸收與轉(zhuǎn)化能力，還可輔以物理、化學(xué)及微生物手段，增加重金屬的生物有效性，如通過化學(xué)調(diào)控技術(shù)（如螯合劑）、植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)等途徑有效促進植物對重金屬的吸收［18］，從而提高植物的修復(fù)效率。