能源植物甜高粱在銅污染耕地上的應(yīng)用潛力研究

薛忠財(cái)，王冶，柳潔，呂芃，杜瑞恒

（1.河北民族師范學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/冀北山區(qū)土壤與特色植物營養(yǎng)創(chuàng)新研究中心，河北 承德 067000；2.河北民族師范學(xué)院教師教育學(xué)院，河北 承德 067000；3.河北省農(nóng)林科學(xué)院谷子研究所/ 國家高粱改良中心河北分中心，河北 石家莊 050035）

當(dāng)前，由于銅礦開采、含銅殺蟲劑使用、污水灌溉等人類活動，導(dǎo)致我國耕地土壤銅污染問題十分嚴(yán)重[1]，我國銅染物點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)到2.1%[2]，在一些銅礦區(qū)附近的土壤中銅含量甚至高達(dá)2 000 mg/kg 以上[3]。雖然銅是植物生長必需的微量元素之一，在植物生理代謝中發(fā)揮著十分重要的作用[4]，但是過量的銅進(jìn)入植物體后會導(dǎo)致其生長代謝受到嚴(yán)重抑制[5]，并通過食物鏈的富集作用對人們身體健康造成不利影響[1]。因此，銅污染耕地的安全利用和修復(fù)也是當(dāng)前迫切需要解決的土壤環(huán)境問題之一。

植物修復(fù)技術(shù)具有環(huán)境友好、成本低、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，在銅污染耕地的安全利用和修復(fù)中已經(jīng)受到了廣泛關(guān)注[6～8]。我國研究者已經(jīng)篩選了一批銅耐/富集植物，如鴨跖草（Commelina communis）[9]、海州香薷（Elsholtzia splendensL）[10]等，并在植物生理學(xué)、生物化學(xué)、形態(tài)學(xué)等方面進(jìn)行了大量研究[5，6]，為銅礦廢棄地植被重建、銅污染土壤修復(fù)提供了優(yōu)良材料。但是，將這些植物應(yīng)用于銅含量相對不高且要確保生產(chǎn)收益的耕地改良，存在投入較大、修復(fù)周期長、種植效益低等問題。

甜高粱〔Sorghum bicolor（Linn.） Moench〕 是一種優(yōu)秀的能源植物，具有多種用途，可生產(chǎn)能源、糧食和飼料[11]，具有生物產(chǎn)量高、抗逆性強(qiáng)等特點(diǎn)，在我國大部分地區(qū)可以種植[12]。我們前期對甜高粱在不同濃度鎘、鉛處理下的富集規(guī)律進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，甜高粱對鎘和鉛均具有較強(qiáng)的耐性與吸收能力，當(dāng)土壤鎘含量為18 mg/kg 時(shí)甜高粱的鎘積累量最高可達(dá)0.84 mg/株，當(dāng)土壤鉛含量為3 102 mg/kg 時(shí)甜高粱的鉛積累量最高可達(dá)12.4 mg/株，由此認(rèn)為甜高粱可以作為修復(fù)大面積鎘、鉛污染耕地的植物材料[13，14]，與前人研究結(jié)果[15，16]一致。

雖然關(guān)于銅污染土壤的植物修復(fù)研究，特別是銅耐/富集植物的篩選、植物對銅的耐性機(jī)制等研究已經(jīng)取得了顯著進(jìn)展[8，9，17]，但截至目前，有關(guān)甜高粱對銅的富集特征及其應(yīng)用潛力研究尚未見系統(tǒng)報(bào)道。通過田間控制試驗(yàn)，研究不同銅污染條件下甜高粱對銅的吸收和積累規(guī)律，分析甜高粱在銅污染耕地上的應(yīng)用潛力，旨為建立基于甜高粱的重金屬污染耕地安全利用與修復(fù)技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2016 年5～11 月在河北省農(nóng)林科學(xué)院谷子研究所實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行。土壤為壤土，pH 值6.7，基礎(chǔ)土壤養(yǎng)分含量為有機(jī)質(zhì)2.59 g/kg、全氮1.72 g/kg（速效氮78.9 mg/kg）、全磷0.5 g/kg（速效磷11.2 mg/kg）、全鉀14.8 g/kg（速效鉀94.4 mg/kg），銅含量為33.3 mg/kg〔低于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值100 mg/kg（GB 15618—2018，6.5＜土壤pH 值≤7.5）〕。

1.2 試驗(yàn)材料

參試甜高粱品種為M64，由河北省農(nóng)林科學(xué)院谷子研究所提供。

基礎(chǔ)土壤取自河北省農(nóng)林科學(xué)院谷子研究所實(shí)驗(yàn)站大田，自然風(fēng)干，去除雜質(zhì)后磨碎，過6 mm 篩，備用。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 2013 年4 月，在基礎(chǔ)土壤中分別添 加Cu（NO3）2·3H2O 溶 液100、150、200、300、400 mg/kg，配制成5 個(gè)不同水平的銅污染土壤，依次用Cu1、Cu2、Cu3、Cu4和Cu5表示（表1）；以未添加Cu（NO3）2·3H2O 溶液的基礎(chǔ)土壤作為對照（Cu0）。在農(nóng)田中挖深0.4 m、寬0.4 m、長3 m 的池子12 個(gè)，然后將配制好的土壤分別裝入事先用厚塑料布覆蓋底部和四周（為防止土壤中的銅離子因灌溉而流失或造成二次污染） 的池子中，每處理均設(shè)置2 個(gè)小區(qū)，加水平衡30 d 后用于甜高粱種植。在本試驗(yàn)開始前該處理小區(qū)已經(jīng)連續(xù)種植3 a，因此，在試驗(yàn)開始前，對各小區(qū)土壤測定銅含量（表1）。2016 年5 月26 日播種甜高粱，定苗后每個(gè)小區(qū)保留12 株，分別在播種期和拔節(jié)期每個(gè)小區(qū)土施尿素50 g，生育期內(nèi)通過澆水保持田間土壤水分含量，待完成生育期后于11 月8日收獲。

表1 供試土壤的銅含量Table 1 Cu concentration in the tested soil （mg/kg）

1.3.2 測定項(xiàng)目與方法

1.3.2.1 株高和生物量。甜高粱成熟后，每小區(qū)均選擇5 株長勢一致的植株，測定株高；之后將植株分為子粒、莖、葉和根4 個(gè)部分，用水洗去根表面粘附的土壤，用20 mmol/L 的乙二胺四乙酸二鈉溶液浸泡一段時(shí)間后，再用蒸餾水沖洗干凈，隨后105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒重，稱量干物質(zhì)重。

1.3.2.2 莖稈水分和糖含量。甜高粱成熟后，每小區(qū)均選擇5 株長勢一致的植株，去除根、葉、子粒后，采用稱量法測定莖稈水分含量；采用高效液相色譜儀LC-20A（shimadzu，Japan）測定莖稈糖含量[14]。

1.3.2.3 銅含量。甜高粱收獲后，采集小區(qū)內(nèi)土壤樣品，采用HNO3-HCl-HF（體積比1∶3∶1）消解體系對土壤樣品進(jìn)行消解，采用HNO3對已收獲甜高粱植株的不同部位樣品進(jìn)行消解，利用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀（iCAP7400，Thermo fisher，USA）測定銅含量。根據(jù)公式，計(jì)算富集系數(shù)（BFC）和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF）：

BFC=甜高粱植株各部分（根、莖、葉、子粒）銅含量/土壤銅含量

TF=甜高粱植株地上各部分（莖、葉、子粒）銅含量/根銅含量

BFC越大，表示甜高粱對銅的積累能力越強(qiáng)；TF越大，表示甜高粱由根部轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部的能力越強(qiáng)。

1.3.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析 使用Microsoft Office Excel 2003 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)整理和作圖，使用SPSS 23.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 銅對甜高粱生長的影響

試驗(yàn)土壤銅含量范圍內(nèi)，甜高粱未出現(xiàn)明顯的毒害癥狀，生長正常并完成整個(gè)生育期（表2）。說明甜高粱對銅具有較強(qiáng)抗性，能夠在銅污染水平較高的土壤中生長。

表2 不同含量銅處理對甜高粱生長的影響Table 2 Effects of different concentration of Cu on the growth of sweet sorghum

不同含量的銅處理雖然對株高無顯著影響，但當(dāng)土壤銅含量為348.50 mg/kg 時(shí)，甜高粱根、莖、葉、子粒的干物質(zhì)量分別較CK 下降52.56%、52.72%、31.93%和54.38%，且差異均達(dá)到了顯著水平（P＜0.05）。不同含量的銅處理對甜高粱莖稈的糖和水分含量影響均不顯著（圖1）。

圖1 不同含量銅處理對甜高粱莖稈水分和糖含量的影響Fig.1 Effects of different concentration of Cu on water content and sugar content of sweet sorghum stalks

2.2 甜高粱對銅的富集特征

隨著土壤銅含量的增加，甜高粱植株各部位的銅含量均顯著增加；且相同銅含量條件下，甜高粱不同部位的銅含量順序均為根＞莖＞葉＞子粒，其中土壤銅含量為348.50 mg/kg 時(shí)，甜高粱根、莖、葉、子粒的銅含量分別為48.96、44.06、20.96 和14.58 mg/kg（表3）。從甜高粱單株銅積累量（圖2a）上看，隨著土壤銅含量的增加，甜高粱對銅的吸收量呈先增加后降低的變化，其中土壤銅含量為291.25 mg/kg 時(shí)，甜高粱對銅的積累量最高，達(dá)到4.67 mg/株，其中地上部積累量為3.94 mg/株；當(dāng)土壤銅含量為348.50 mg/kg 時(shí)，雖然甜高粱各部分的銅含量均為最高，但是由于各部分生物量的降低，致使其對銅的積累量下降。然而，從銅在甜高粱植株體內(nèi)各部分的歸一化分布（圖2b）可以看出，由于莖部生物量較高，導(dǎo)致甜高粱體內(nèi)的銅主要分布在莖中，占全部總量的59.2%～75.3%，平均為65.8%；其次是在葉部、根部，分布比例分別為18.6%和12.6%；在子粒中的分布比例最低，僅3.0%。綜上分析可以看出，甜高粱植株中的銅含量隨著土壤銅含量的增加而增加，其中莖稈中銅積累量較高。

表3 甜高粱不同器官中的銅含量Table 3 Cu concentration in different organs of sweet sorghum （mg/kg）

圖2 甜高粱不同部位的銅積累量（a）及歸一化分布（a）Fig.2 Cu accumulation（a）and distribution（a）in different organs of sweet sorghum

隨著土壤銅含量的增加，甜高粱莖、葉和子粒對銅的TF呈先增加后降低的變化，其中，莖的TF較高，可以達(dá)到0.75～1.55，平均為0.98，而葉片、子粒對銅的TF平均值分別為0.50 和0.43（圖3a）；BCF呈降低趨勢，其中根和莖部的BCF顯著＞葉片和子粒（圖3b）。當(dāng)銅被轉(zhuǎn)移到地上部后，通過收獲植株地上部達(dá)到降低土壤銅含量的目的。本試驗(yàn)條件下，單株甜高粱地上部銅的積累量最高可達(dá)3.94 mg（土壤銅含量為291.25 mg/kg 時(shí)），按照甜高粱種植密度9 萬株/hm2計(jì)算，種植1 hm2甜高粱可吸收銅0.35 kg，因此認(rèn)為，甜高粱具有在銅污染農(nóng)田大面積推廣和應(yīng)用的潛力。

圖3 不同含量銅處理下甜高粱對銅的TF（a）和BCF（b）Fig.3 TF（a）and BCF（b）in sweet sorghum under different Cu concentration treatments

2.3 甜高粱對銅的富集特征與土壤銅含量的關(guān)系

對甜高粱不同器官銅含量與土壤全量銅含量的關(guān)系進(jìn)行分析，結(jié)果（圖4）顯示，根、莖、葉、子粒的銅含量均與土壤全量銅含量呈顯著正相關(guān)，決定系數(shù)分別為0.94、0.92、0.85 和0.83。說明甜高粱不同器官的銅含量均隨土壤銅含量的增加而顯著增加。

圖4 甜高粱不同器官銅含量與土壤銅含量的關(guān)系Fig.4 Correlation between total Cu concentration in the tested soil and Cu concentration in different organs of sweet sorghum

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

3.1.1 甜高粱對銅的富集特征分析 研究表明，植物體內(nèi)的銅含量隨著介質(zhì)中銅含量的增加而顯著增加，并在植物體內(nèi)呈現(xiàn)出不均勻分布的特征[7，18，19]。銅在鴨跖草體內(nèi)各器官的分布順序?yàn)楦厩o＞葉[10]。本研究土壤不同含量的銅處理下，甜高粱均可正常生長并完成生育期，說明甜高粱對銅具有較強(qiáng)抗性；但是，隨著土壤銅含量的增加，甜高粱植株不同部位的銅含量均顯著增加，相同水平銅處理下各部位的銅含量順序均為根＞莖＞葉＞子粒。試驗(yàn)銅含量范圍內(nèi)，隨著土壤銅含量的增加，甜高粱對銅的TF呈先增加后降低的變化，說明當(dāng)土壤銅含量過高時(shí)，甜高粱通過限制銅離子向地上部的運(yùn)輸，以減少銅的毒害作用[7，20]，這與前人對海州香薷等植物的研究結(jié)果[9]一致；BCF呈降低趨勢，其中根和莖部的BCF顯著高于葉片和子粒。然而，綜合考慮生物量后，甜高粱對銅的提取量呈現(xiàn)莖＞葉＞根＞子粒，當(dāng)土壤銅含量為291.25 mg/kg 時(shí)，單株甜高粱銅的積累量最高達(dá)到4.67 mg/株，地上部的提取量最高為3.94 mg/株。與前期研究相比，甜高粱對于鎘和銅的富集特征較為相似，但在提取量上存在較大差異[13]。

3.1.2 甜高粱對銅污染農(nóng)田的應(yīng)用潛力分析 甜高粱對銅具有較強(qiáng)抗性，可以在銅污染農(nóng)田中正常生長。為進(jìn)一步闡明其在銅污染耕地上的推廣應(yīng)用潛力，我們從生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會3 個(gè)維度進(jìn)行深入分析。

3.1.2.1 生態(tài)效益方面。

（1）種植甜高粱可吸收土壤中的銅。理論上，通過連續(xù)多年種植甜高粱，最終可以實(shí)現(xiàn)降低土壤銅含量的目的。前人通過篩選發(fā)現(xiàn)了海州香薷[9，21]、鴨跖草[10]、密毛蕨（Petridium revolutum）[3]、黃花月見草（Oenothera glaziovianaMich）[21]、高羊茅（Festuca elata）[22]等多種銅耐/富集植物（表4），其中，在礦山（土壤銅含量平均為2 432 mg/kg）上發(fā)現(xiàn)的銅積累植物密毛蕨體內(nèi)的銅含量隨著土壤銅含量的增加而顯著增加，地上部生物量平均為18.33 g/株，最高可達(dá)40.05 g/株，地上部提取量平均可達(dá)3.68 mg/株[3]，這些均為礦業(yè)廢棄地的植被重建、銅污染土壤的植物修復(fù)提供了優(yōu)良材料，并且在富集特征、耐性機(jī)制以及田間工程應(yīng)用等方面取得了顯著成績。然而，對于土壤銅含量相對不高，且要確保生產(chǎn)收益的耕地來說，種植這類植物存在投入較大、修復(fù)周期長、種植收益低等問題。本研究結(jié)果顯示，甜高粱對銅具有較強(qiáng)抗性，單株地上部吸收量最高為3.94 mg，按照甜高粱種植密度9 萬株/hm2計(jì)算，種植1 hm2甜高粱可提取銅0.35 kg。Lima 等[23]研究了高粱（BSR716） 葉片光合作用對銅脅迫的響應(yīng)，證明高粱可以作為一種用于銅污染土壤修復(fù)的植物修復(fù)材料，并在此條件下，按照干物質(zhì)產(chǎn)量37 t/hm2、地上部銅含量18 mg/kg對提取量進(jìn)行了推算，預(yù)計(jì)種植1 hm2高粱可提取銅660 g。本研究結(jié)果與前人研究結(jié)果相比較低，可能與本研究是在田間控制條件下進(jìn)行的，甜高粱生長受到了一定影響，生物量與正常條件下相比較低有關(guān)。

表4 不同植物對銅的提取量Table 4 The accumulation of Cu in different plants

（2）種植甜高粱可在固碳釋氧上發(fā)揮重要作用。甜高粱對銅的提取量較高。按照正常田間下甜高粱平均干物質(zhì)量（含根） 30 t/hm2、吸碳系數(shù)0.45 計(jì)算，種植1 hm2甜高粱每年可固定二氧化碳49.5 t、釋放氧氣36 t。另外，種植甜高粱可以為燃料乙醇的生產(chǎn)提供充足的原料保障，且還可以有效解決修復(fù)植物的資源化、無害化利用等問題[24]。采用我們前期研究的先進(jìn)固態(tài)發(fā)酵技術(shù)可以最經(jīng)濟(jì)地把吸收銅后的甜高粱莖稈轉(zhuǎn)化為乙醇，糖利用率達(dá)到96.69%，乙醇產(chǎn)率可達(dá)到91.80%，能夠減少對于化石燃料的消耗，且不產(chǎn)生新的二氧化碳[25]。

3.1.2.2 經(jīng)濟(jì)效益方面。甜高粱屬于典型的雙庫作物，莖稈含糖量和子粒產(chǎn)量是衡量甜高粱利用價(jià)值的重要指標(biāo)[26，27]。前人研究表明，鎘、鉛等重金屬元素均對甜高粱莖稈的含水量和含糖量無顯著影響[14，28]。在本研究條件下，土壤銅含量對甜高粱莖稈的水分和糖含量均無明顯影響，平均糖含量為10.17%；但是，子粒產(chǎn)量在土壤銅含量達(dá)到348.50 mg/kg 時(shí)較CK 降低54.38%，按照甜高粱種植密度9 萬株/hm2計(jì)算，可產(chǎn)甜高粱莖稈20.3～40.1 t/hm2，平均莖稈產(chǎn)量可達(dá)32.2 t/hm2，子粒產(chǎn)量為510～1 140 kg/hm2。為了保證試驗(yàn)條件的一致，本研究采用了相同的種植密度，該方法對甜高粱的生長造成了一定影響，導(dǎo)致甜高粱莖稈和子粒產(chǎn)量較田間正常條件下的指標(biāo)值明顯偏低。因此，按田間正常生長條件下，甜高粱可產(chǎn)含糖量10%～16%的莖稈66～78 t/hm2，子粒產(chǎn)量33.75～56.25 t/hm2，按照收購價(jià)格莖稈200 元/t、子粒2 500 元/t 計(jì)算，可獲得收益18 825～24 975 元/hm2；扣除種子、化肥、機(jī)械等費(fèi)用4 500 元/hm2后，單季種植可凈收益14 325～20 475 元/hm2。若在南方，可實(shí)現(xiàn)一年兩季種植，其凈收益將會更高，可以達(dá)到28 650～40 950 元/hm2。

3.1.2.3 社會效益方面。甜高粱莖稈可以作為生產(chǎn)燃料乙醇的優(yōu)良原料。改變甜高粱的傳統(tǒng)種植結(jié)構(gòu)，在銅污染耕地上大面積種植，并通過完善后期工業(yè)化的產(chǎn)業(yè)鏈條，建立甜高粱加工及廢棄物資源化、能源化利用項(xiàng)目[25]，有利于推動相關(guān)地區(qū)能源相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，形成新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，帶動能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，通過解決勞動力的就業(yè)問題從而增加農(nóng)民收入[29]，因此，可以在保證農(nóng)民收益不減的前提下實(shí)現(xiàn)對銅污染耕地的利用[30]。

3.2 結(jié)論

甜高粱對銅具有較強(qiáng)的吸收能力和耐性，且對銅的吸收與土壤銅含量關(guān)系密切，隨著土壤銅含量的增加而顯著增加，單株地上部銅的積累量最高可以達(dá)到3.94 mg，銅主要積累在甜高粱的根部，并呈現(xiàn)根＞莖＞葉＞子粒的分布特點(diǎn)，但當(dāng)土壤銅含量達(dá)到348.50 mg/kg 時(shí)會對甜高粱的正常生長產(chǎn)生抑制。

在銅污染的農(nóng)田上種植甜高粱能夠帶來顯著的經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)效益，有利于形成一個(gè)以污染農(nóng)田利用和修復(fù)為目的的生態(tài)能源產(chǎn)業(yè)，既可以實(shí)現(xiàn)對污染耕地的安全利用，又可以對土壤進(jìn)行修復(fù)，還可以生產(chǎn)清潔燃料，思路明確、技術(shù)可行，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用潛力。但今后需要加強(qiáng)資源整合力度，在甜高粱種植資源的開發(fā)和利用，提高甜高粱修復(fù)效率的措施，以及修復(fù)植物處置工藝優(yōu)化和設(shè)備開發(fā)、技術(shù)的集成與推廣等多個(gè)方面加強(qiáng)研究，逐步優(yōu)化和完善產(chǎn)業(yè)鏈條，促進(jìn)該技術(shù)的推廣應(yīng)用。