甘藍(lán)型油菜在鎘污染土壤修復(fù)中的應(yīng)用研究

范占煌，張振乾

（1中節(jié)能大地（杭州）環(huán)境修復(fù)有限公司，杭州 310020；2湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128）

0 引言

鎘(Cadmium)是一種移動(dòng)性強(qiáng)、生物毒性大的重金屬，極易通過食物鏈進(jìn)入人體并產(chǎn)生毒害作用，1984年被聯(lián)合國(guó)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(guó)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(dá)到了1200萬(wàn)t，導(dǎo)致糧食減產(chǎn)1000萬(wàn)t左右，整體合計(jì)經(jīng)濟(jì)損失200億元[2]。

土壤鎘污染常用的修復(fù)方法有休耕、物理修復(fù)、化學(xué)改良修復(fù)和生物修復(fù)等。生物修復(fù)的成本低、無(wú)二次污染，生態(tài)效益較好，可大范圍應(yīng)用[3-4]。《中華人民共和國(guó)土壤污染防治法》明確指出，土壤修復(fù)活動(dòng)應(yīng)當(dāng)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(fù)措施。植物萃取修復(fù)技術(shù)是生物修復(fù)技術(shù)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(yīng)用前景較好，但傳統(tǒng)的超富集植物在修復(fù)過程中生長(zhǎng)緩慢、對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力差、重金屬修復(fù)比較單一[5]，因此植物修復(fù)技術(shù)的重點(diǎn)是尋找生物量較大、生長(zhǎng)適應(yīng)能力強(qiáng)，且對(duì)重金屬有一定吸收積累的修復(fù)植物[6-7]。

油菜在長(zhǎng)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(yuǎn)較蜈蚣草、野趾草、紫云英、香根草、銅草等超富集修復(fù)植物大，且有較強(qiáng)的吸收累積鎘能力[8]，因而可作為理想的鎘污染土壤修復(fù)植物。以前研究多關(guān)注油菜營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)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(lán)型油菜為材料，分析不同鎘含量對(duì)其農(nóng)藝性狀、不同部位鎘積累情況，探究油菜作為修復(fù)植物的可行性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

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

1.1.2 植物材料 甘藍(lán)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(xué)農(nóng)學(xué)院提供。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 油菜的種植與取樣 試驗(yàn)于2019年在中節(jié)能大地（杭州）環(huán)境修復(fù)有限公司試驗(yàn)基地進(jìn)行。選用上直徑25 cm、高28 cm的白瓷盆，每盆裝土4 kg。把相應(yīng)量的CdCl2配成溶液，分別與過2 mm篩后的供試土壤反復(fù)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(gè)水平：CK(0 mg/kg)、A(5 mg/kg)、B(15 mg/kg)、C(25 mg/kg)。每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)。

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(yīng)48 h。反應(yīng)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?jī)?nèi)。60℃反應(yīng)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(cè)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中鎘的測(cè)定GB5009.15—2014》介紹的方法進(jìn)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(cè)定鎘含量[14]，以國(guó)家鎘分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW0H10)為參比進(jìn)行分析質(zhì)量控制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同鎘含量對(duì)甘藍(lán)型油菜農(nóng)藝性狀的影響

2.1.1 不同鎘含量對(duì)甘藍(lán)型油菜株高的影響 如圖1所示4個(gè)品種的株高均呈先升后降的趨勢(shì)，H2株高受影響較大；在5 mg/kg時(shí)達(dá)到最大值，顯著高于15 mg/kg和25 mg/kg的處理，這個(gè)趨勢(shì)表明在較低鎘含量時(shí)，對(duì)油菜生長(zhǎng)有一定的促進(jìn)作用，與費(fèi)維新等[15]研究一致，而鎘含量過高，會(huì)破壞其的生理功能，導(dǎo)致生長(zhǎng)受阻[16]。

圖1 不同鎘含量對(duì)甘藍(lán)型油菜株高的影響

2.1.2 不同鎘含量對(duì)甘藍(lán)型油菜一次分枝數(shù)的影響 由圖2可知，鎘對(duì)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(qiáng)。一次分枝數(shù)是油菜重要的產(chǎn)量性狀指標(biāo)，本研究結(jié)果可看出，鎘對(duì)油菜籽產(chǎn)量會(huì)有較大影響。

圖2 不同鎘含量對(duì)甘藍(lán)型油菜一次分枝數(shù)的影響

2.1.3 不同鎘含量對(duì)甘藍(lán)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(duì)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(duì)產(chǎn)量的影響較二次分枝大，本結(jié)果表明鎘對(duì)常規(guī)油菜產(chǎn)量的影響較大。

圖3 不同鎘含量對(duì)甘藍(lán)型油菜第二次分枝數(shù)的影響

2.1.4 不同鎘含量對(duì)甘藍(lán)型油菜分枝起點(diǎn)高度的影響 由圖4可知，不同鎘濃度處理下4個(gè)甘藍(lán)型油菜品種分枝起點(diǎn)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(duì)鎘的耐性更強(qiáng)。

圖4 不同鎘含量對(duì)甘藍(lán)型油菜分枝起點(diǎn)高度的影響

2.1.5 不同鎘含量對(duì)甘藍(lán)型油菜主花序長(zhǎng)度的影響 如圖5所示，‘灃油737’的主花序長(zhǎng)度隨鎘濃度的上升而逐漸縮短，并無(wú)顯著差異，而常規(guī)材料H1、H2和H3的主花序長(zhǎng)度在5 mg/kg時(shí)達(dá)到最大值，15 mg/kg和25 mg/kg處理小幅下降，主花序長(zhǎng)度是油菜重要的產(chǎn)量性狀，本研究表明鎘超標(biāo)會(huì)對(duì)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(duì)甘藍(lán)型油菜主花序長(zhǎng)度的影響

2.2 不同鎘含量對(duì)甘藍(lán)型油菜角果相關(guān)性狀的影響

2.2.1 不同鎘含量對(duì)甘藍(lán)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(gè)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(duì)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(duì)鎘的耐受能力強(qiáng)；高濃度鎘會(huì)對(duì)產(chǎn)量造成不利影響。

圖6 不同鎘含量對(duì)甘藍(lán)型油菜有效角果數(shù)的影響

2.2.2 不同鎘含量對(duì)甘藍(lán)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(duì)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(duì)甘藍(lán)型油菜角果粒數(shù)的影響

2.3 甘藍(lán)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(dāng)鎘施入量達(dá)到5 mg/kg時(shí)，莖桿和種子中的鎘含量已遠(yuǎn)高于的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(0.2 mg/kg)。但在菜籽油中，即使土壤鎘施入量達(dá)到25 mg/kg，菜油中鎘含量也遠(yuǎn)低于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，不影響菜油食用。本研究表明鎘鎘超標(biāo)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(fù)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(duì)甘藍(lán)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(huì)對(duì)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(duì)照提高了3.9倍，但仍在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，不影響食用油安全。油菜是一種理想的修復(fù)植物，可用于鎘污染農(nóng)田修復(fù)。

3.2 討論

重金屬污染對(duì)我國(guó)糧食安全生產(chǎn)帶來(lái)較大影響，習(xí)近平同志多次強(qiáng)調(diào)“強(qiáng)化土壤污染管控和修復(fù)，有效防范風(fēng)險(xiǎn)，讓老百姓吃得放心、住得安心”。2014年“中央一號(hào)文件”提出啟動(dòng)重金屬污染耕地修復(fù)試點(diǎn)，之后歷年的“中央一號(hào)文件”均對(duì)該問題予以重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容，《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》、《農(nóng)用地土壤環(huán)境管理辦法》等一系列政策相繼出臺(tái)，“十三五”期間中央累計(jì)安排281.24億元土壤污染防治專項(xiàng)資金，重金屬污染土壤治理工作成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

但當(dāng)前的治理方法仍以物理、化學(xué)修復(fù)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(fù)雖受各級(jí)政府的高度關(guān)注，但仍未能實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用，其中一個(gè)關(guān)鍵問題就是缺乏適宜的修復(fù)植物。本研究發(fā)現(xiàn)甘藍(lán)型油菜在高濃度鎘存在的土壤中仍能生長(zhǎng)、結(jié)實(shí)，且菜油中重金屬含量極低，不影響其食用價(jià)值，將油菜作為修復(fù)植物將改變中國(guó)現(xiàn)有修復(fù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益差，農(nóng)民參與積極性低，修復(fù)效果不理想的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)重金屬污染土壤修復(fù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)兩不誤，提高修復(fù)過程中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益，增強(qiáng)農(nóng)民參與積極性，確保土壤修復(fù)成效和技術(shù)推廣度，促進(jìn)中國(guó)“三農(nóng)”問題的解決和可持續(xù)發(fā)展。