甘藍(lán)型油菜品種對(duì)農(nóng)田土壤重金屬鎘與銅的富集差異研究

費(fèi)維新 榮松柏 初明光

摘要 [目的]探討甘藍(lán)型油菜品種對(duì)農(nóng)田土壤中重金屬鎘與銅污染修復(fù)能力的差異。[方法]選用10個(gè)在生產(chǎn)上應(yīng)用的主要油菜品種在重金屬鎘、銅污染區(qū)與非污染區(qū)種植，研究不同品種在兩種不同背景土壤下生長期與植株部位對(duì)農(nóng)田土壤中重金屬鎘與銅的吸收富集差異。[結(jié)果]甘藍(lán)型油菜對(duì)土壤中的重金屬鎘與銅有較強(qiáng)的吸附與富集能力，但不同的甘藍(lán)型油菜品種間與植株的不同部位對(duì)重金屬的吸附富集能力有差異。油菜植株對(duì)鎘的吸收富集主要集中在莖葉部位尤其是莖稈上，各部位富集能力依次為：莖稈>葉片>根>種籽;對(duì)銅吸收富集主要集中在根部和種籽上，各部位富集能力表現(xiàn)為：根>種籽>葉片>莖稈。10個(gè)甘藍(lán)型油菜品種對(duì)重金屬鎘的富集能力表現(xiàn)較大差異，苗期秦優(yōu)10號(hào)對(duì)重金屬鎘的富集能力最強(qiáng)，成熟期秦優(yōu)11號(hào)與綿油11號(hào)表現(xiàn)出對(duì)鎘的超富集能力;不同油菜品種對(duì)銅的富集能力也表現(xiàn)出差異，苗期秦優(yōu)10號(hào)葉片的銅富集能力較強(qiáng)，成熟期秦優(yōu)10號(hào)與浙油51種籽的銅富集能力較強(qiáng)。[結(jié)論]該研究可為重金屬污染土壤的修復(fù)提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞 甘藍(lán)型油菜;農(nóng)田土壤;重金屬污染;植物修復(fù);富集能力

中圖分類號(hào) X53文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2019）10-0074-05

Abstract [Objective]To explore the difference of remediation ability of Brassica napus varieties to heavy metal cadmium and copper pollution in farmland soil. [Method]Ten main rapeseed cultivars were planted in heavy metal cadmium， copper contaminated areas and nonpolluted areas. The difference of absorption and enrichment of different cultivars to cadmium and copper in farmland soils at different growth stages and plant locations were studied under two different soil backgrounds.[Result]Rapeseed had strong ability of adsorption and enrichment for heavy metals cadmium and cuprum in contaminated soil， but the ability of adsorption and enrichment for heavy metals was different in different rapeseed cultivars and different parts of plants. The cadmium mainly enriched in stems and leaves of rapeseed plants， especially on the stems. The enrichment ability of each part was in turn： leaves>stems> roots > seeds. The cuprum mainly enriched in roots and seeds， and the enrichment ability of each part was shown as： root > seeds > leaves > stems. Ten rapeseed varieties showed significant differences in the enrichment ability for heavy metal cadmium. In the seedling stage， the enrichment ability for heavy metal cadmium of Qinyou10 was stronger than other cultivars， while in the mature stage Qinyou11 and Mianyou11 enrichment ability for cadmium was best. The enrichment ability of copper in different rapeseed varieties also showed differences. The copper enrichment ability of Qinyou 10 was stronger in seedling stage， and the copper enrichment ability of Qinyou 10 and Zheyou 51 in mature stage was relatively higher.[Conclusion]This study can provide technical support for the repair of heavy metal contaminated soil.

Key words Brassica napus;Farmland soil;Heavy metal pollution;Phytoremediation;Enrichment capacity

隨著我國工業(yè)化進(jìn)程加快以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上農(nóng)藥化肥的不合理過量使用，重金屬污染農(nóng)田水體已成為當(dāng)前一大嚴(yán)重問題。農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)全國24個(gè)省市土地調(diào)查顯示，重金屬超標(biāo)的農(nóng)產(chǎn)品占污染物超標(biāo)農(nóng)產(chǎn)品總面積的80%以上。環(huán)境保護(hù)部對(duì)基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)土壤的重金屬抽測，重金屬超標(biāo)率達(dá)12.1% [1]。農(nóng)產(chǎn)品、魚類產(chǎn)品、生活用水等重金屬超標(biāo)問題頻現(xiàn)，由于重金屬難以降解與清除，在生物圈中移動(dòng)與累積，對(duì)食品安全與人類健康造成嚴(yán)重的影響。顧繼光等[2]研究發(fā)現(xiàn)，土壤農(nóng)作物受鎘污染導(dǎo)致產(chǎn)生“鎘米”，人食用后容易得風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、腎炎、潰瘍病等疾病，癌癥平均死亡率也會(huì)增加，人體內(nèi)酶的正常活動(dòng)受到鎘的影響后，會(huì)造成貧血、高血壓、骨痛病。為此，學(xué)術(shù)界提出了多種修復(fù)治理重金屬污染土壤與水體的方法，但是很多措施因成本高昂及操作過程繁瑣而難以實(shí)施。

植物吸取修復(fù)技術(shù)（phytoextraction）是利用植物將土壤中的重金屬吸收、轉(zhuǎn)移到植物的可收獲部分，通過收獲植物來減少土壤與水體中重金屬含量，具有成本低、簡便易行、安全可靠、環(huán)境友好等諸多優(yōu)點(diǎn)，是植物修復(fù)技術(shù)[3-4]中研究最多的一類，已成為國內(nèi)外重金屬污染環(huán)境治理研究的熱點(diǎn)和前沿領(lǐng)域[5]。我國研究發(fā)現(xiàn)了一批重金屬積累或超積累植物，其中包括Cu積累植物海州香薷（Elsholtzia splendens Nakai）、鴨跖草（Commelina communis Linn.）等;Cd超積累植物東南景天（Sedum alfredii Hance）、龍葵（Solanum nigrum L.）、伴礦景天（Sedum plumbizincicola X.H.Guo et S.B.Zhou sp.nov.）、圓錐南芥（Arabis paniculata F.）、長柔毛委陵菜（Potentilla griffithii var.velutina）、芥菜型油菜（Brassica juncea L.）等[6-7]。但上述重金屬富集植物在我國的適應(yīng)性與種植技術(shù)方面有一定的局限性。

油菜是我國的主要農(nóng)作物之一，甘藍(lán)型油菜（Brassica napus L.）在我國南北地區(qū)廣泛種植，常年種植面積近1 000萬hm2，生長生物量大，生產(chǎn)的菜籽油是我國重要的食用油來源，同時(shí)也可作為生物柴油[8-9];并且油菜的生產(chǎn)種植技術(shù)成熟易于掌握，因此比非農(nóng)作物植物及種植較少的芥菜型油菜在應(yīng)用上更具有優(yōu)勢。油菜對(duì)于鎘、銅都具有修復(fù)潛力，研究篩選出甘藍(lán)型油菜品種滬油20對(duì)Cd污染土壤的凈化率都超過1%，達(dá)到了超累積植物對(duì)重金屬吸附的要求[10]。另有研究發(fā)現(xiàn)，油菜地上部分對(duì)Cd的吸收量顯著高于地下部分[11]，其中莖的Cd含量最高，籽粒最低;低濃度下，油菜對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)較高，修復(fù)效率可達(dá)6.841%～7.752%，可用于修復(fù)中等程度Cd污染土壤。油菜地下部分對(duì)Cu

的吸收量顯著高于地上部分，Cu在油菜根部的積累尤其明顯[12-13]。為了進(jìn)一步探索利用甘藍(lán)型油菜開展重金屬污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)，為修復(fù)重金屬污染土壤提供適合的油菜品種，該研究分析比較了甘藍(lán)型油菜品種對(duì)受污染土壤與未受污染土壤中重金屬鎘、銅的吸收富集能力差異以及重金屬在植物不同部位的分布差異，以期為污染土壤修復(fù)提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用的10個(gè)甘藍(lán)型油菜品種均為目前我國長江流域油菜生產(chǎn)上主要推廣應(yīng)用種植的甘藍(lán)型油菜品種，其品種的適應(yīng)性、豐產(chǎn)性良好;在生產(chǎn)上種植面積大，范圍廣，作為重金屬污染植物修復(fù)應(yīng)用也可以充分發(fā)揮其品種生產(chǎn)應(yīng)用潛能，較其他種類修復(fù)應(yīng)用植物品種在污染治理上更有優(yōu)勢。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)品種分別種植在重金屬鎘和銅污染區(qū)銅陵市義安區(qū)和非污染區(qū)肥東縣撮鎮(zhèn)，其中銅陵義安試驗(yàn)點(diǎn)土壤中鎘和銅含量較風(fēng)險(xiǎn)篩選值分別超出6.93、183 mg/kg（表2）。土壤檢測參照DZ/T0279-2016與DZ/T0130.2—2006方法[14-15]，檢測儀器主要為 X射線熒光光譜儀、原子熒光光譜儀。試驗(yàn)前茬種植水稻。采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，4次重復(fù)，小區(qū)面積20 m2，種植密度15萬株/hm2，整地前每公頃施用底肥俄羅斯復(fù)合肥（NPK16-16-16）750 kg。試驗(yàn)采用直播穴播方式播種。分別在苗期與成熟期取樣分析地下部根系、地上部葉片、莖稈與種籽中的重金屬鎘與銅的富集含量。

1.3 樣品處理

1.3.1 植物樣品前處理法。樣品采集：每小區(qū)植物樣品采取5點(diǎn)取樣法采樣，每個(gè)點(diǎn)采集5株共計(jì)25株混合制樣，4次重復(fù)，植物采集后裝入潔凈的聚乙烯封口塑料袋，帶回實(shí)驗(yàn)室分析。植物清洗：先將植物樣品根莖葉分開，用自來水和0.1 mol稀鹽酸洗凈，然后用去離子水淋洗3次，晾干后稱鮮重，然后于105 ℃烘箱中殺青30 min，并在70 ℃烘干2 d，計(jì)干重，測定植物含水率。烘干后的樣品分別用不銹鋼磨碎機(jī)粉碎，過60目篩，保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 植物消化處理。樣品稱量：稱取1 g烘干粉碎后的均勻植物樣品放入消化管底部，加入5 ml硝酸，蓋上小漏斗，靜置過夜。樣品消化：將消化管放入消化爐，90 ℃消化0.5 h，120 ℃消化1 h，至植物消化至透亮的黃色液體，關(guān)爐冷卻。樣品定容：將消化液過濾，用去離子水定容至25 mL容量瓶。分裝至樣品儲(chǔ)備瓶（10 mL塑料離心管，每個(gè)樣品裝2管），待測。

1.3.3 測定方法。植物樣品用 5∶1 的HNO3 /HClO4（V/V）消化，然后用原子吸收光譜儀（品牌：德國耶拿NovAA400P）進(jìn)行Cd等元素含量測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析軟件采用Microsoft Excel 統(tǒng)計(jì)和SAS 9.1進(jìn)行方差分析（多重比較采用Duncan 法，0.05水平）。計(jì)算富集系數(shù)（BCF，地上部器官中重金屬含量與土壤中重金屬含量的比值）和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF，莖葉中重金屬含量與根部重金屬含量的比值）。

2 結(jié)果與分析

2.1 供試甘藍(lán)型油菜品種的生長情況

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在肥東重金屬非污染區(qū)與銅陵重金屬污染區(qū)2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，參試的10個(gè)甘藍(lán)型油菜品種田間生長表現(xiàn)均正常，油菜品種在植株生長發(fā)育、葉色、葉型、開花及結(jié)籽等方面均無明顯差異，因此試驗(yàn)選用的這些油菜品種適合在該污染區(qū)域種植。

2.2 油菜苗期植株根系與葉片對(duì)鎘的吸附能力比較

表3～4表明，油菜苗期植株根系與葉片對(duì)污染土壤中的重金屬鎘均有富集作用，葉片中的鎘平均含量為5.39 mg/kg，根中的鎘平均含量為1.57 mg/kg，10個(gè)油菜品種鎘在根部的富集系數(shù)均值為0.216 8，富集系數(shù)均小于1;在葉片部分的富集系數(shù)均值為0.746，其中秦優(yōu)10號(hào)富集系數(shù)大于1;所有參試品種的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均值為3.528，德油99轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最高（4.395），葉片對(duì)重金屬鎘的富集能力較根強(qiáng)。

方差分析結(jié)果表明，品種間對(duì)重金屬鎘的富集能力表現(xiàn)差異達(dá)顯著水平，秦優(yōu)10號(hào)與中油589的苗期對(duì)重金屬鎘的富集能力較強(qiáng)，其中秦優(yōu)10號(hào)的根與葉片中鎘含量分別為2.35、8.13 mg/kg，中油589的根與葉片中鎘含量分別為1.89、6.41 mg/kg;相對(duì)來說灃油737與德油99的富集鎘能力較弱。

2.3 油菜苗期植株根系與葉片對(duì)銅的吸附能力比較

油菜苗期植株根部對(duì)重金屬銅具有較強(qiáng)的富集吸附能力，分析結(jié)果表明根的重金屬銅平均含量為5.88 mg/kg，在污染土壤區(qū)與非污染區(qū)不同品種間根部對(duì)銅富集的差異均未達(dá)顯著水平;根部的富集系數(shù)均值為0.025 2，所有參試油菜品種富集系數(shù)均小于1;秦優(yōu)10號(hào)與滬油21根系的銅富集能力較強(qiáng)，其中秦優(yōu)10號(hào)根部的銅含量分別為7.46、6.98 mg/kg（表5）。

油菜葉片的銅平均含量為2.38 mg/kg，根部的銅含量是葉片的2.47倍，在污染土壤區(qū)試驗(yàn)品種間葉片對(duì)銅的富集能力表現(xiàn)出顯著差異，葉片銅富集系數(shù)均值為0.010 2，所有品種的富集系數(shù)均小于1;其中 秦優(yōu)10號(hào)與浙油51葉片的銅富集能力較強(qiáng)，其葉片中銅含量分別為4.65、3.43 mg/kg。天禾油11等4個(gè)品種對(duì)土壤中重金屬銅的富集吸附能力較弱（表6）。

2.4 油菜成熟期植株莖稈與種籽中重金屬鎘的含量比較

由表7可知，油菜品種間莖稈中鎘的富集系數(shù)均值為3.032，其中秦優(yōu)11號(hào)的富集系數(shù)最高（5.539），所有參試品種成熟期植株莖稈對(duì)鎘的富集系數(shù)均大于1;品種成熟期莖稈中重金屬鎘的平均含量為21.92 mg/kg，不同油菜品種間莖稈中鎘的含量表現(xiàn)出差異，方差分析結(jié)果達(dá)顯著水平。秦優(yōu)11號(hào)與綿油11號(hào)表現(xiàn)出對(duì)鎘的超富集能力，其中莖稈中鎘含量分別為40.04、39.47 mg/kg，秦優(yōu)10號(hào)等5個(gè)品種對(duì)土壤中的重金屬鎘表現(xiàn)出較弱的富集能力。而種籽中鎘的平均含量僅為0.51 mg/kg，富集系數(shù)均值為0.070 4，所有品種種籽的富集系數(shù)均小于1，方差分析結(jié)果表明，參試油菜品種間種籽富集重金屬鎘含量的差異不顯著?？梢姵墒炱谥亟饘冁k主要富集在油菜莖稈中。

2.5 油菜成熟期植株莖稈與種籽中重金屬銅的含量比較

3 討論與結(jié)論

甘藍(lán)型油菜對(duì)土壤中的重金屬鎘與銅具有較強(qiáng)的吸附與富集能力，但是植株的不同部位對(duì)重金屬的吸附富集能力有差異。研究結(jié)果表明，油菜植株對(duì)鎘的吸收富集主要集中在莖葉部位尤其是莖稈上，其中各個(gè)部分富集能力表現(xiàn)為：莖稈>葉片>根>種籽，對(duì)銅的吸收富集主要集中在根部和種籽上，其中各個(gè)部分富集能力比較表現(xiàn)為：根>種籽>葉片>莖稈。王寧等[17-19]對(duì)重金屬鎘在油菜中的富集研究表明，油菜體內(nèi)Cd分布為地上部>地下部，隨著Cd濃度的升高，油菜植株對(duì)Cd的吸收顯著增加，而且油菜地上部分的吸收量顯著高于地下部分，其中莖的Cd濃度最高，籽粒最低，與該研究結(jié)果基本一致。但也有研究認(rèn)為油菜體內(nèi)Cd積累規(guī)律為根部大于地上部 [20-21]，這可能與各學(xué)者研究采取的研究方法與樣品采集時(shí)間不同導(dǎo)致的分析數(shù)據(jù)差異，具體原因有待進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。楊紅飛等[12]等對(duì)重金屬Cu在油菜中的富集研究表明，重金屬Cu主要積累在油菜根部，向莖葉遷移累積的量很少;成熟期單一Cu污染和復(fù)合污染時(shí)油菜根莖葉中Cu含量及富集系數(shù)均為根>葉>莖，與該研究結(jié)果一致。

甘藍(lán)型油菜對(duì)土壤中重金屬鎘與銅的富集能力在品種間有差異，同時(shí)在油菜的不同生長時(shí)期與不同植株器官部位也存在差異。參試的10個(gè)甘藍(lán)型油菜品種對(duì)重金屬鎘的富集能力表現(xiàn)較大差異，苗期秦優(yōu)10號(hào)與中油589對(duì)重金屬鎘的富集能力較強(qiáng)，成熟期秦優(yōu)11號(hào)與綿油11號(hào)表現(xiàn)出對(duì)鎘的超富集能力;對(duì)銅的富集能力品種間也表現(xiàn)出差異，苗期秦優(yōu)10號(hào)等3個(gè)品種根系的銅富集能力較強(qiáng)，成熟期浙油51與秦優(yōu)10號(hào)的種籽中銅含量較高。同時(shí)一些甘藍(lán)型油菜品種表現(xiàn)出較低的重金屬吸附富集能力，如中核雜418對(duì)鎘的富集能力較弱，天禾油11與德油99等品種對(duì)銅的吸收富集能力較弱。因此在重金屬污染土壤的修復(fù)過程中，可根據(jù)實(shí)際情況選擇對(duì)重金屬吸附富集能力強(qiáng)的甘藍(lán)型油菜品種連續(xù)種植，結(jié)合秸稈與根的處理方法清除污染土壤中的重金屬，從而保障農(nóng)業(yè)的安全健康生產(chǎn)。

該研究中把種籽中的重金屬含量也作為一項(xiàng)重要檢測指標(biāo)，結(jié)果表明Cd在植物中的遷移能力較強(qiáng)，莖葉中富集較多，但在籽粒中的含量較莖稈中低很多;Cu則主要富集于植株根部與種籽中，但其含量在不同品種間差異顯著，其機(jī)理有待進(jìn)一步研究。因此通過品種的選擇，有望得到在莖葉中重金屬含量高而在籽粒中含量低的油菜品種，在修復(fù)污染土壤中獲得的油菜油脂可以研究開發(fā)作為生物柴油，這樣既可提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益，又可實(shí)現(xiàn)邊生產(chǎn)邊修復(fù)，比較符合我國目前農(nóng)業(yè)土地資源有限、土壤重金屬污染突出的實(shí)際國情。

參考文獻(xiàn)

[1] 傅國偉.中國水土重金屬污染的防治對(duì)策[J].中國環(huán)境科學(xué)，2012，32（2）：373-376.

[2] 顧繼光，林秋奇，胡韌，等.土壤-植物系統(tǒng)中重金屬污染的治理途徑及研究展望[J].土壤通報(bào)，2005，36（1）：128-133.

[3] 王小玻.重金屬復(fù)合污染農(nóng)田土壤植物修復(fù)的研究[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2010.

[4] SAIER M H，JR，TREVORS J T.Phytoremediation[J].Water，air and soil pollution，2010，205（S1）：61-63.

[5] SHAHEEN S M，RINKLEBE J.Phytoextraction of potentially toxic elements by Indian mustard，rapeseed，and sunflower from a contaminated riparian soil[J].Environmental geochemistry and health，2015，37（6）：953-967.