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.長江大學化學與環境工程學院，湖北 荊州 434023；2.湖北省農業科學院植保土肥研究所/農業農村部廢棄物肥料化利用重點實驗室/農業環境治理湖北省工程研究中心，武漢 430064）

當前中國耕地土壤環境質量不容樂觀，據2014年發布的《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，全國耕地土壤點位超標率為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，已被聯合國環境規劃署列為全球性意義危害化學物質之首［2］。2013 年曝光的湖南稻米Cd 超標事件更是引起社會公眾對糧食安全的廣泛關注。

國內外已對Cd 污染農田的防治做了大量研究，其中植物修復是中輕度農田土壤Cd 污染修復技術的有效途徑之一。根據修復的機理，植物修復技術可以分為植物提取、植物固定和植物揮發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 轉移到植物體內，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。與物理化學修復技術相比，植物修復技術具有修復成本低、不會造成二次污染、對土壤破壞小等優點［3］。

當前，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用上存在生境適應能力弱、生物量小、地上生物量小或田間管理復雜等局限，不利于大面積推廣應用。同時，不同區域的污染農田氣候狀況、土壤性質、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Cd 污染土壤的植物，具有生長速度快、生物量大、適應能力強等優點，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 污染農田植物修復技術的研究與推廣應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《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）規定的風險篩選值（pH≤7.5，0.3 mg/kg），屬于安全利用類農田。

表1 土壤基本理化性質及污染狀況

蓖麻為市場購買，生物質高粱（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技術有限公司提供。

1.2 試驗設計

試驗共設置3 個處理，分別種植生物質高粱、甜高粱和蓖麻。每個處理3 次重復，共9 個小區，小區面積30 m2，隨機區組排列。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合肥600 kg/hm2，復合肥由湖北三寧化工股份有限公司生產，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 和速效養分含量的測定，部分樣品過100 目尼龍篩用于有機質和全Cd 含量的測定。土壤基本理化性質的測定參照《土壤農化分析》的常規方法［12］。

2019 年9 月24 日，每個小區取長勢均勻的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，以標準物質 GBW（E）100348 進行質量控制。

1.3 數據處理

富集系數（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 軟件進行數據處理，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。生物質高粱和蓖麻各器官生物量表現為莖稈＞穗＞葉片，甜高粱各器官生物量表現為莖稈＞葉片＞穗，其中生物質高粱與甜高粱莖稈、葉片的生物量之間差異不顯著，但穗的生物量生物質高粱顯著高于甜高粱（P＜0.05）。地上部生物量表現為生物質高粱＞甜高粱＞蓖麻，分別為22.574 8、18.748 2、4.406 6 t/hm2，且生物質高粱顯著高于其余2 種富集植物，生物質高粱、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 的富集情況均表現為莖稈＞葉片＞穗（表3）。莖稈及葉片中Cd 含量均表現為生物質高粱＞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 的含量則表現為生物質高粱＞蓖麻＞甜高粱。生物質高粱莖稈和葉片中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

3 種富集植物莖稈對Cd 的富集系數表現為生物質高粱＞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）。葉片富集系數表現為生物質高粱＞甜高粱＞蓖麻，分別為2.2、1.6、0.5，蓖麻葉片的富集系數未超過 1，且顯著低于生物質高粱。3 種富集植物穗的富集系數均小于1，表現為生物質高粱＞蓖麻＞甜高粱，生物質高粱穗中富集系數顯著高于其余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，可得出生物質高粱、甜高粱和蓖麻當季地上部可移除 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

3 小結與討論

利用超富集植物進行重金屬污染土壤修復具有綠色環保、修復成本低、可徹底移除土壤重金屬等特點［13］，是當前中國農田土壤資源環境壓力趨緊背景下較為合適的修復技術之一。根據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達100 mg/kg。此外，超富集植物富集系數（BCF）應大于1，即植物體內的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技術的產業化發展［16］。

本研究中，生物質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勢。同時，生物質高粱和甜高粱莖稈和葉片中Cd 的富集系數均大于1，具備對Cd 的富集特性，且地上部Cd 的平均富集系數為 2.86 和 2.51，這與谷雨等［11］的研究結果較為一致。而蓖麻地上部生物量和富集系數2 方面均不及生物質高粱和甜高粱。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，生物質高粱、甜高粱和蓖麻當季地上部可移除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，生物質高粱在3 種富集植物中富集Cd 的能力最強，是修復重金屬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量在適當的施肥量下均可達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化能力，還可輔以物理、化學及微生物手段，增加重金屬的生物有效性，如通過化學調控技術（如螯合劑）、植物-微生物聯合修復技術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效率。