三种植物对土壤镉的富集效果研究

冯敬云，聂新星，刘 波，段小丽，张志毅，杨 利

（1.长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州 434023；2.湖北省农业科学院植保土肥研究所/农业农村部废弃物肥料化利用重点实验室/农业环境治理湖北省工程研究中心，武汉 430064）

当前中国耕地土壤环境质量不容乐观，据2014年发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国耕地土壤点位超标率为19.4%，污染类型以无机型为主，无机污染物中以重金属镉（Cd）点位超标率排在首位［1］。Cd 是一种具有很强生物毒性的重金属，在土壤中具有隐蔽性和累积性。农田土壤受Cd 污染后，Cd 会通过作物根系在作物可食部分富集，进而危害人体健康，已被联合国环境规划署列为全球性意义危害化学物质之首［2］。2013 年曝光的湖南稻米Cd 超标事件更是引起社会公众对粮食安全的广泛关注。

国内外已对Cd 污染农田的防治做了大量研究，其中植物修复是中轻度农田土壤Cd 污染修复技术的有效途径之一。根据修复的机理，植物修复技术可以分为植物提取、植物固定和植物挥发3 种类型，其中研究较多的是植物提取，其原理是富集植物通过根系吸收将Cd 转移到植物体内，然后通过收获物移除达到降低土壤中重金属Cd 含量的目的。与物理化学修复技术相比，植物修复技术具有修复成本低、不会造成二次污染、对土壤破坏小等优点［3］。

当前，针对重金属Cd 污染的富集植物有很多，如东南景天（Sedum alfrediiHance）［4］、印度芥菜［5］、龙葵（Solanum nigrumL.）［6］、籽粒苋（Amaranthus hybridusL.）［7，8］、藿香蓟（Ageratum conyzoidesL.）［2］等植物都对土壤重金属Cd 具有一定的富集作用。但有些富集植物在实际应用上存在生境适应能力弱、生物量小、地上生物量小或田间管理复杂等局限，不利于大面积推广应用。同时，不同区域的污染农田气候状况、土壤性质、污染状况不同，最适合的富集植物也不尽相同。蓖麻（Ricinus communisL.）［9］和高粱［Sorghum bicolor（L.）Moench］［10，11］是一种潜在的修复Cd 污染土壤的植物，具有生长速度快、生物量大、适应能力强等优点，且均可以作为能源植物进行利用。因此，本研究选取蓖麻、生物质高粱和甜高粱（Sorghum bicolor‘Dochna’）3 种植物，通过田间试验验证其对土壤重金属Cd 的富集效果，以期为湖北省中轻度Cd 污染农田植物修复技术的研究与推广应用提供一定的理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

试验于2019 年5—9 月在湖北省某Cd 污染旱地进行。供试土壤的基本理化性质及污染状况见表1。由表1 可知，供试土壤Cd 含量超过了《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）规定的风险筛选值（pH≤7.5，0.3 mg/kg），属于安全利用类农田。

表1 土壤基本理化性质及污染状况

蓖麻为市场购买，生物质高粱（阿尔托2 号）和甜高粱（阿尔托326 号）由湖南隆平高科耕地修复技术有限公司提供。

1.2 试验设计

试验共设置3 个处理，分别种植生物质高粱、甜高粱和蓖麻。每个处理3 次重复，共9 个小区，小区面积30 m2，随机区组排列。富集植物种植前旋耕至土壤松碎、平整、无大土块，耕层上虚下实，在最后一次旋整时施复合肥600 kg/hm2，复合肥由湖北三宁化工股份有限公司生产，N∶P2O5∶K2O=16∶16∶16。2019 年 6 月 10 日进行播种，2 种高粱种植密度为8 000 株/667 m2，蓖 麻 种 植 密 度 为 1 200 株/667 m2。各小区施肥、除草等田间管理措施保持一致。

试验开始前采用5 点法采集耕层（0～20 cm）混合土壤1 kg，样品风干后，手工去除根系、石块等杂物，部分样品过20 目尼龙筛用于土壤pH 和速效养分含量的测定，部分样品过100 目尼龙筛用于有机质和全Cd 含量的测定。土壤基本理化性质的测定参照《土壤农化分析》的常规方法［12］。

2019 年9 月24 日，每个小区取长势均匀的1 m2作为样方，实测3 种富集植物秸秆、叶片和子粒的鲜重，然后分别取秸秆、叶片和子粒样品，于105 ℃烘箱中杀青30 min，65 ℃烘干至恒重后称重记录每部分生物量，并利用不锈钢粉碎机制样用于测试分析。

各部分植株样品采用HNO3-H2O2湿法消解，用石墨炉-原子吸收分光光度计（PinAAcle 900T，PerkinElmer）测定，以标准物质 GBW（E）100348 进行质量控制。

1.3 数据处理

富集系数（BCF）反映植物从土壤中吸收重金属的能力。具体计算公式如下：

移除Cd 含量：可通过植物地上部各部分生物量及其Cd 含量乘积计算单位面积植物对Cd 的吸收量。具体计算公式如下：

采用Microsoft Excel 2007 软件进行数据处理，利用SPSS 17.0 软件（Duncan 法，P＜0.05）对试验处理进行方差分析和均值比较，采用Origin 9.0 软件作图。

2 结果与分析

2.1 3 种富集植物地上部生物量情况

3 种富集植物茎秆、叶片、穗生物量见表2。生物质高粱和蓖麻各器官生物量表现为茎秆＞穗＞叶片，甜高粱各器官生物量表现为茎秆＞叶片＞穗，其中生物质高粱与甜高粱茎秆、叶片的生物量之间差异不显著，但穗的生物量生物质高粱显著高于甜高粱（P＜0.05）。地上部生物量表现为生物质高粱＞甜高粱＞蓖麻，分别为22.574 8、18.748 2、4.406 6 t/hm2，且生物质高粱显著高于其余2 种富集植物，生物质高粱、甜高粱地上部生物量分别是蓖麻地上部生物量的 5.1、4.3 倍。

表2 3 种富集植物地上部生物量（干基）差异 （单位：t/hm2）

2.2 3 种富集植物各器官Cd 含量情况

3 种富集植物各器官中Cd 的富集情况均表现为茎秆＞叶片＞穗（表3）。茎秆及叶片中Cd 含量均表现为生物质高粱＞甜高粱＞蓖麻，3 种富集植物茎秆中 Cd 含量分别为2.02、1.49、0.64 mg/kg，且三者间差异均达显著性水平（P＜0.05）；叶片中Cd 的含量分别为 0.84、0.61、0.19 mg/kg，且三者间差异均达显著性水平（P＜0.05）；穗中Cd 的含量则表现为生物质高粱＞蓖麻＞甜高粱。生物质高粱茎秆和叶片中Cd 含量均显著高于其余2 种富集植物。

表3 3 种富集植物各器官Cd 含量差异 （单位：mg/kg）

2.3 3 种富集植物地上部对重金属Cd 的富集系数

3 种富集植物茎秆对Cd 的富集系数表现为生物质高粱＞甜高粱＞蓖麻，且均超过1，分别为5.3、3.9 和1.7（图1），差异均达显著性水平（P＜0.05）。叶片富集系数表现为生物质高粱＞甜高粱＞蓖麻，分别为2.2、1.6、0.5，蓖麻叶片的富集系数未超过 1，且显著低于生物质高粱。3 种富集植物穗的富集系数均小于1，表现为生物质高粱＞蓖麻＞甜高粱，生物质高粱穗中富集系数显著高于其余2 种富集植物。此外，以生物量乘以各器官中Cd 含量总和计算可移除Cd总量，可得出生物质高粱、甜高粱和蓖麻当季地上部可移除 Cd 的总量分别为 24.66、17.72、1.57 g/hm2。

图1 3 种富集植物对Cd 的富集系数

3 小结与讨论

利用超富集植物进行重金属污染土壤修复具有绿色环保、修复成本低、可彻底移除土壤重金属等特点［13］，是当前中国农田土壤资源环境压力趋紧背景下较为合适的修复技术之一。根据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属应达100 mg/kg。此外，超富集植物富集系数（BCF）应大于1，即植物体内的Cd 含量要大于土壤中的Cd 含量，且能在重金属污染土壤中正常生长。然而自然界多数重金属超富集植物生长缓慢、生物量低，能真正大面积推广应用的重金属Cd超富集植物是比较难筛选的，进而限制了植物修复技术的产业化发展［16］。

本研究中，生物质高粱和甜高粱生长迅速、生物量可达18.7～22.6 t/hm2，与东南景天、印度芥菜等超富集植物相比，在生物量方面具有突出优势。同时，生物质高粱和甜高粱茎秆和叶片中Cd 的富集系数均大于1，具备对Cd 的富集特性，且地上部Cd 的平均富集系数为 2.86 和 2.51，这与谷雨等［11］的研究结果较为一致。而蓖麻地上部生物量和富集系数2 方面均不及生物质高粱和甜高粱。通过植物地上部各器官生物量及其Cd 含量乘积可计算每公顷植物对Cd 的吸收量，生物质高粱、甜高粱和蓖麻当季地上部可移除Cd 的总量分别为24.66、17.72 g/hm2和1.57 g/hm2。如果土壤容重按1.2 g/cm3，耕层深度0.2 m 计 算 ，土 壤 总 Cd 需 从 0.38 mg/kg 降 低 到 0.30 mg/kg，在不考虑其他输入输出因素的情况下，按照种植季度计算，生物质高粱、甜高粱和蓖麻需要7.78、10.84、122.27 季，按照高粱每年种植 2 季，蓖麻每年种植1 季计算，则需要 3.89、5.42、122.27 年。由此可见，生物质高粱在3 种富集植物中富集Cd 的能力最强，是修复重金属Cd 污染土壤的良好材料。

杨泉等［17］的研究表明，供试高粱品种的生物产量在适当的施肥量下均可达57 t/hm2以上，因此，可通过施肥措施进一步提高富集植物的生物量。为提高富集植物对土壤重金属的吸收与转化能力，还可辅以物理、化学及微生物手段，增加重金属的生物有效性，如通过化学调控技术（如螯合剂）、植物-微生物联合修复技术等途径有效促进植物对重金属的吸收［18］，从而提高植物的修复效率。