基于甜高粱的鉛污染農(nóng)田安全利用技術(shù)研究

薛忠財(cái)，杜瑞恒，李十中

（1河北民族師范學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北承德 067000；2清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院，北京 100084；3河北省農(nóng)林科學(xué)院谷子研究所，石家莊 050035）

0 引言

土壤作為重要的自然資源，為人類的生產(chǎn)和生活提供必要的物質(zhì)基礎(chǔ)。然而，礦山開采、有色金屬冶煉、蓄電池、燃料（含鉛汽油等）、印刷等行業(yè)在發(fā)展過程中排放的大量含鉛廢水、廢渣和粉塵等，造成中國土壤鉛污染問題十分嚴(yán)重[1]，點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)到1.5%[2]。由于土壤中的鉛可以通過手-口途徑或者食用鉛污染土壤上種植的農(nóng)作物等暴露途徑進(jìn)入人體，從而損害神經(jīng)系統(tǒng)和血液系統(tǒng)的功能，引起鉛中毒[3-4]。

可見，中國目前鉛污染農(nóng)田面積巨大、危害嚴(yán)重，如何利用或修復(fù)這些農(nóng)田，實(shí)現(xiàn)對(duì)污染農(nóng)田的可持續(xù)利用是人們急需要解決的問題。根據(jù)《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》、《土壤污染防治法》等文件的要求，對(duì)受到污染的農(nóng)田要以恢復(fù)土壤農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能、滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求為目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上已經(jīng)形成了“分類施策、農(nóng)用優(yōu)先，預(yù)防為主、治用結(jié)合”的治理思路，開發(fā)出農(nóng)藝阻控、化學(xué)調(diào)控等多種污染農(nóng)田安全利用技術(shù)[5-6]。綜合考慮中國現(xiàn)有的土地政策和人多地少的基本國情，在技術(shù)選擇時(shí)既要實(shí)現(xiàn)土地的安全利用，又要滿足廣大農(nóng)民的利益需求。改變傳統(tǒng)的種植結(jié)構(gòu)，種植適合當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件、具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值、抗性強(qiáng)的作物（如桑樹[6]、煙草[7]、油菜[8]）、觀賞植物[9]是一種有效的途徑。

甜高粱[Sorghum bicolor(Linn.)Moench]作為重要的糧食作物和能源作物，每公頃可生產(chǎn)含糖10%～15%的莖稈75～90 t，具有生物量大、抗逆性強(qiáng)等特點(diǎn)，且在中國大部分地區(qū)均可以種植[10]。現(xiàn)已證明，甜高粱對(duì)鎘、鉛等重金屬具有較強(qiáng)的吸收能力和耐性[11-12]，可在污染農(nóng)田上推廣種植[13-14]。目前，在植物對(duì)鉛的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、累積、存儲(chǔ)的生理及分子機(jī)理研究中取得了顯著進(jìn)展[15-17]。秦華等[18]通過盆栽試驗(yàn)證明，鉛含量在甜高粱體內(nèi)含量由大到小的順序?yàn)楦救~＞莖＞穗；Zhuang 等[19]研究表明，在鉛含量為938 mg/kg 的農(nóng)田上種植甜高粱，每公頃可吸收鉛0.35 kg。

但是，關(guān)于甜高粱對(duì)鉛的富集特征及其與土壤中鉛含量關(guān)系的研究尚未見報(bào)道。因此，本研究通過田間控制試驗(yàn)研究在不同鉛污染條件下，甜高粱對(duì)鉛吸收和積累規(guī)律，分析其與土壤鉛含量的關(guān)系，試圖在此基礎(chǔ)上建立基于甜高粱的鉛污染農(nóng)田安全利用技術(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)時(shí)間、地點(diǎn)

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。

1.2 試驗(yàn)材料

1.2.1 供試品種甜高粱品種為‘M64’（由河北省農(nóng)林科學(xué)院谷子研究所提供）。

1.2.2 供試土壤壤土，取自河北省農(nóng)林科學(xué)院谷子研究所實(shí)驗(yàn)站大田，經(jīng)自然風(fēng)干、去雜質(zhì)、磨碎過6 mm篩后備用。土壤理化性質(zhì)包括土壤pH 6.7，有機(jī)質(zhì)含量為2.59 g/kg、速效氮含量為78.9 mg/kg、速效磷含量為11.2 mg/kg、速效鉀含量為94.4 mg/kg、鉛含量為52mg/kg。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)土壤于2013 年4 月配制，按照500、1000、1500、2000、4000 mg/kg 的濃度通過添加Pb(NO3)2溶液配制5個(gè)水平的鉛污染土壤，文中分別以T1、T2、T3、T4、T5表示，并以空白土壤作為對(duì)照，用T0表示。在農(nóng)田中，挖12個(gè)池子（長3 m、寬0.4 m、深0.4 m），用厚塑料布覆蓋池子底部和四周，避免土壤中的重金屬因灌溉而流失，隨后把配制好的土壤分別裝入池子中，每個(gè)處理重復(fù)2次，加水平衡30天后，連續(xù)多年種植甜高粱，土壤中的鉛含量如表1所示。

1.3.2 株高和生物量的測(cè)定每個(gè)處理選擇5 株，測(cè)定甜高粱地上部高度，分為根、莖、葉和籽粒4個(gè)部分，去除根表面的土壤后，將根莖、葉用20 mmol/L乙二胺四乙酸二鈉(Na2-EDTA)浸泡1 h 以除去表面粘附的離子，然后用蒸餾水沖洗，隨后在105℃殺青30 min 后，在80℃下烘干至恒重。

1.3.3 莖稈水分含量的測(cè)定將根、葉、籽粒去除后，稱量莖稈鮮重(FW)，然后在80℃下烘至恒重，稱取莖稈干物質(zhì)重(DW)。根據(jù)公式(1)計(jì)算葉片含水量WC，每個(gè)處理重復(fù)5次。

1.3.4 莖稈糖含量的測(cè)定采用高效液相色譜儀LC-20A(Shimadzu,Japan)進(jìn)行測(cè)定。取30 g 粉碎后的甜高粱莖稈渣，加入300 mL 水提取糖，取10 mL 提取液加入硫酸調(diào)節(jié)pH 3 后，在5000 r/min 條件下離心5 min，上清液用0.25 μm 膜過濾后進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定條件為：流動(dòng)相50 mmol硫酸，柱溫60℃，流速0.5 mL/min，進(jìn)樣量20 μL，色譜柱：Bio-Rad AminexHPX-87H。每個(gè)處理重復(fù)測(cè)定3次。

表1 供試土壤中全量和HCl提取有效態(tài)鉛含量 mg/kg

1.3.5 鉛含量的測(cè)定土壤樣品風(fēng)干、粉碎，過100 目篩，全量鉛含量采用HNO3:HCl:HF(1:3:1)的消解體系進(jìn)行消解，有效態(tài)鉛含量采用0.1 mol/L HCl提取的方法，稱取土壤樣品10 g，按照1:5的比例加入提取液液，在25℃條件下震蕩提取1.5 h，過濾后離心(5000 r/min，10 min)。取烘干后的植株樣品，粉碎后過60 目篩，取一定量樣品加入HNO3進(jìn)行消解。利用iCAP7400(Thermo fisher,USA)進(jìn)行測(cè)定。

1.3.6 數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)為甜高粱植株地上各部分（莖、葉、籽粒）中鉛含量與根中鉛含量的比值。TF表示鉛由根部轉(zhuǎn)運(yùn)、分配到地上部的能力，TF值越大表示由根部轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部的能力越強(qiáng)。

富集系數(shù)(BFC)為甜高粱植株各部分（根、莖、葉、籽粒）中鉛含量與土壤中鉛含量的比值。BFC值越大表示甜高粱對(duì)于鉛的積累能力越強(qiáng)。

使用Microsoft Office Excel 2016軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖，用SPSS 22.0軟件進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鉛對(duì)甜高粱生長的影響

由表2可知，經(jīng)過不同濃度的鉛處理，甜高粱并未表現(xiàn)出明顯的重金屬毒害癥狀，對(duì)于植株的正常生長沒有顯著影響，不同處理?xiàng)l件下均可以完成整個(gè)生育期，但是當(dāng)土壤中鉛含量達(dá)到3102 mg/kg 時(shí)，植株的籽粒產(chǎn)量和根部生物量與對(duì)照和其他處理相比顯著降低。另外，在經(jīng)過不同濃度鉛處理后，甜高粱莖稈的含糖量和水分含量未發(fā)生明顯變化，平均含糖量為10%、水分含量為75%（見圖1）。

2.2 甜高粱對(duì)鉛的富集特征

隨著土壤中鉛濃度的增加，甜高粱植株體內(nèi)各部位的鉛濃度均顯著增加，且各部位的鉛濃度呈現(xiàn)根＞葉＞莖＞籽粒的趨勢(shì)，當(dāng)土壤中的鉛濃度達(dá)到3102 mg/kg時(shí)，甜高粱根和葉部的鉛濃度分別為311.04、114.37 mg/kg（見表3），單株最高積累量可達(dá)到12.4 mg（見圖2a）。從鉛在甜高粱植株體內(nèi)的分布看（見圖2b），甜高粱體內(nèi)的鉛主要分布在葉中，這主要是由于葉中的鉛濃度較高，占全部總量的51.3%～66.6%，平均值為58.6%，其次在根部的分配比例為23.3%，而在莖部的分布比例為12.7%～23.5%，在籽粒中的分布比例僅為1.1%。

表2 不同濃度鉛處理對(duì)甜高粱生長的影響

轉(zhuǎn)移系數(shù)TF和富集系數(shù)BCF作為衡量植物對(duì)重金屬吸收轉(zhuǎn)化過程和能力的重要指標(biāo)，可以反映重金屬由根部轉(zhuǎn)運(yùn)、分配到地上部的能力，在植物修復(fù)材料的篩選和評(píng)價(jià)過程中發(fā)揮著重要的作用。由圖3 可知，甜高粱葉片對(duì)鉛具有較高的TF值，可達(dá)到0.55～1.06，平均值為0.78，莖稈和籽粒中的TF值的平均值分別為0.12和0.07。從富集系數(shù)上，表現(xiàn)為根＞莖＞葉＞籽粒，而由于土壤中鉛濃度較高，因此BCF值比較低，可以說，甜高粱對(duì)于鉛具有較強(qiáng)的抗性，但是對(duì)于鉛的富集能力較低。

2.3 甜高粱的生長性狀和鉛富集特征與土壤鉛含量的關(guān)系

通過分析甜高粱的生長性狀和鉛富集特征與土壤鉛含量的關(guān)系（見表4）可以看出，根、莖、葉、籽粒的鉛含量與土壤全量鉛含量均有顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為：0.90、0.99、0.99、0.95，這說明甜高粱不同器官中的鉛含量隨著處理濃度的增加而增加，同時(shí)，由于土壤中的有效態(tài)鉛含量與全量鉛含量具有線性關(guān)系(y=0.029x-14.706,R2=0.84)（數(shù)據(jù)未列出），隨著鉛濃度的增加土壤中有效態(tài)鉛含量也不斷增加，并且與甜高粱不同器官內(nèi)的鉛含量均具有顯著的關(guān)系，這說明隨著土壤中鉛含量的增加，甜高粱對(duì)于鉛的吸收量逐漸增加。與此同時(shí)，甜高粱莖稈生物量和莖稈含糖量未受到鉛處理的影響，與土壤鉛含量并沒有顯著相關(guān)。

表3 甜高粱不同器官中的鉛濃度 mg/kg

3 討論

甜高粱對(duì)重金屬（鎘、鉛等）具有較強(qiáng)的抗性和適應(yīng)能力[11,13]，在本研究中，甜高粱在不同濃度鉛處理?xiàng)l件下均可以正常生長，并未表現(xiàn)出明顯的重金屬毒害癥狀（見表1），這表明甜高粱對(duì)鉛具有較強(qiáng)的抗性，并與前人的研究結(jié)果一致[15,18]，隨著土壤中鉛濃度的增加，甜高粱植株體內(nèi)各部位的鉛濃度均顯著增加，各部位的鉛濃度呈現(xiàn)根＞葉＞莖＞籽粒的趨勢(shì)，并且地上部鉛的積累量不斷增加，單株地上部的鉛積累量可以達(dá)到8.63 mg（土壤實(shí)際鉛含量為3102 mg/kg），按照每公頃種植9萬株計(jì)算，每公頃可吸收鉛0.78 kg。

表4 甜高粱的生長性狀和鉛富集特征與土壤鉛含量的關(guān)系(n=6)

同時(shí)，甜高粱作為典型的能源作物和糖料作物，莖稈中糖分的含量的高低是衡量甜高粱莖稈利用價(jià)值的重要指標(biāo)，正常田間的甜高粱莖稈含糖量一般在10%～15%[13]。在本研究中，鉛處理對(duì)甜高粱莖稈的糖含量和水分含量沒有明顯影響（見圖1），平均含糖量為10%，含糖量偏低的主要原因是為了保證試驗(yàn)處理?xiàng)l件的一致，研究中采用了田間控制的方法，對(duì)其生長造成一定的影響，但是處理間差異并不顯著。余海波等[20]研究表明，在經(jīng)石灰和磷礦粉改良后的重金屬污染農(nóng)田上種植甜高粱，其總糖和還原糖含量并沒有明顯變化，筆者前期相關(guān)研究也得到出相同的結(jié)果[11]。在本研究條件下，按照每公頃種植90000株計(jì)算，可產(chǎn)甜高粱莖稈31.5～42.0 t/hm2，平均可達(dá)37.5 t/hm2，莖稈中的平均含糖量為10.0%，每公頃可產(chǎn)糖3.75 t。

甜高粱莖稈由于含糖量較高，是生產(chǎn)燃料乙醇的優(yōu)良材料[21-22]，因此，鉛污染農(nóng)田上種植的甜高粱可以不進(jìn)入食物鏈，而進(jìn)入能源產(chǎn)業(yè)鏈，可減少鉛的暴露途徑，保障糧食產(chǎn)品的安全[13]。采用清華大學(xué)研發(fā)的先進(jìn)固態(tài)發(fā)酵技術(shù)(ASSF)進(jìn)行甜高粱生物乙醇生產(chǎn)，具有糖利用率高、工藝流程簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低、無廢水產(chǎn)生等優(yōu)點(diǎn)，其發(fā)酵周期少于30 h，乙醇產(chǎn)率可高達(dá)92%[23]，并且山東東營已成功建立了工業(yè)化示范項(xiàng)目，乙醇產(chǎn)量能夠達(dá)到理論最高產(chǎn)量的90.5%。另外發(fā)酵后所產(chǎn)生的大量富鉛的發(fā)酵渣（酒糟）和葉片等生物質(zhì)材料具有燃燒發(fā)電的價(jià)值[24]，燃燒后產(chǎn)生的余熱和廢氣可以用于酒糟的烘干脫水，殘?jiān)惋w灰可以作為重金屬提取回收的原材料[25]，這樣也實(shí)現(xiàn)對(duì)甜高粱植株的無害化、資源化和能源化利用。由于后續(xù)處置技術(shù)成熟、指標(biāo)明確，通過本實(shí)驗(yàn)可證明在鉛污染農(nóng)田種植甜高粱，可以為后續(xù)產(chǎn)業(yè)提供原材料，在此基礎(chǔ)上，總結(jié)提出了基于甜高粱的鉛污染農(nóng)田安全利用技術(shù)（見圖4）。

4 結(jié)論

甜高粱對(duì)鉛具有較強(qiáng)的耐性，對(duì)于甜高粱的生長并沒有顯著影響，甜高粱植株體內(nèi)各部位的鉛濃度均顯著增加，且各部位的鉛濃度呈現(xiàn)根＞葉＞莖＞籽粒的特征，根和葉片中的鉛濃度最高可分別達(dá)311.04、114.37 mg/kg。甜高粱對(duì)鉛的吸收與土壤中的鉛含量具有顯著的關(guān)系，隨著土壤中鉛含量的增加，地上部鉛的積累量不斷增加。

通過改變傳統(tǒng)的種植結(jié)構(gòu)，在鉛污染農(nóng)田上種植甜高粱，并集成先進(jìn)固態(tài)發(fā)酵技術(shù)和燃燒技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)甜高粱植株的安全處置，總結(jié)提出了基于甜高粱的鉛污染農(nóng)田安全利用技術(shù)，此技術(shù)簡(jiǎn)便、方法易行，可實(shí)現(xiàn)生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的多方共贏。

通過改變傳統(tǒng)的種植結(jié)構(gòu)，在鉛污染農(nóng)田上種植甜高粱，并集成先進(jìn)固態(tài)發(fā)酵技術(shù)和燃燒技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)甜高粱植株的安全處置，總結(jié)提出了基于甜高粱的鉛污染農(nóng)田安全利用技術(shù)，此技術(shù)簡(jiǎn)便、方法易行，可實(shí)現(xiàn)生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的多方共贏。