2020, Vol. 37
2. 湖南农业大学生物科学技术学院, 长沙 410128
2. College of Bioscience and Technology, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China
我国农田重金属污染问题日益严重[1-2]。农田土壤重金属的持续输入及不断积累已致我国0.1亿hm2的耕地受到不同程度的重金属污染，其中又以Cd污染最为严重，约占重金属污染土地面积的56.9%[3-6]。土壤重金属污染可能导致作物重金属超标，长期食用这些重金属超标的作物会对人体造成相当大的危害，重金属污染问题已经严重威胁到国民健康[7-10]。
目前较为成熟的重金属污染治理方法有工程治理、化学治理、生物治理（微生物和植物治理）[11]。工程治理、化学治理由于其局限性不能大规模推广，而植物修复由于其绿色安全、经济环保而引起学术界的广泛关注[12-14]。程晨等[15]研究发现在种植两季、三季伴矿景天后，后茬低Cd水稻Cd含量仅为0.03 mg·kg-1，后茬高Cd水稻品种在添加钝化剂后Cd含量也能降低至0.2 mg·kg-1。单一超富集植物对土壤重金属富集能力虽强，但地上部分生物量小，因此总提取量有限。且因其对生长环境要求高、缺乏经济价值、田间管理难度大等缺点，难以在土壤重金属修复实践中大范围推广。因此寻找富集能力强、生物量较大，并且有一定经济价值的作物来修复土壤重金属污染是当前的研究热点[16]。杨洋等[17]研究发现向日葵和油菜在生物量上有显著的优势，且在修复的同时可以产生一定经济效益。朱俊艳等[18]研究发现在油菜-海州香薷轮作体系中两茬植物对土壤中的Cd与Cu都有一定的活化作用，能促进植物吸收重金属。
红叶甜菜、花生、油葵是较为常见的农产品[19-22]，且具有较高的生物量和良好的经济价值。本试验选用这三种经济作物，在长沙市望城区桥驿镇群力村的重金属污染土壤上进行实验，通过冬季种植红叶甜菜、夏季复种植花生和春末种植油葵、夏季复种植花生两种轮作模式，计算作物Cd富集能力、Cd提取总量等指标来探究两种轮作模式的修复潜力。
1 材料与方法 1.1 试验地点概况本试验地点位于湖南省长沙市望城区桥驿镇群力村（28°26′ 22.53″ N，112°57′ 21.85″ E），该村附近有长沙市最大的黑麋峰垃圾填埋场，填埋的垃圾渗漏液会渗透并污染地下水资源。附近农田长期使用污水灌溉种植，导致该地重金属含量超标，已经威胁到作物安全和人体健康。本试验所用土壤的有机质（OM）、阳离子交换量（CEC）分别为33.43 g·kg-1和11.17 cmol·kg-1，pH值为5.56，属于酸性土壤，Pb、Zn、Cu含量分别为46.96、85.00、14.93 mg·kg-1，按国家酸性土壤污染标准参考二级标准，均未超标，而该地Cd含量为0.316 mg·kg-1，超过国家标准（0.3 mg·kg-1），CaCl2提取态Cd为0.137 mg·kg-1，属于Cd轻度污染区域。
1.2 试验设计红叶甜菜-花生和油葵-花生每组轮作模式设置三个独立平行小区，在试验地划分6块6 m×6 m的小区。第一季分别种植红叶甜菜（种植密度30 cm×30 cm）和油葵（种植密度50 cm×30 cm）。红叶甜菜和油葵收获后，将土壤深翻均匀，复种植花生（种植密度30 cm×20 cm）于之前的轮作土壤上。每块试验地随机在收获时采集5株植物样品进行后处理。
1.3 样品的采集和分析方法通过五点采样法均匀采取试验地里0~20 cm深度的土样，去除大块杂物石块并风干。四分法多次混匀后，用研钵磨粉碎，分别过10目和100目筛，待测土壤理化性质。将收获的植物样品洗净烘干后称量各个部位干质量，用粉碎机粉碎过100目筛，待测植物中的Cd含量。
采用HNO3、HF、HClO4和H2O2消解定容，测定土壤重金属含量[22]。生物有效态Cd的测定使用TCLP溶液、0.1 mol·L-1 HCl（V/m=5:1），0.1 mol·L-1 CaCl2溶液（V/m= 5:1）提取，石墨炉原子吸收分光光度计（240 Z AA，Agilent Technologies公司）和电感耦合等离子源自发射光谱仪（ICP-OES optima 8300，美国PE公司）测定[23]。
1.4 修复潜力的计算（Cd去除总量和土壤Cd含量）Cd的富集系数（BCF）=植物各部位Cd的含量/土壤中Cd的含量。
转运系数（TF）=植物各部位Cd的含量/根部Cd的含量。
植物提取Cd总量=植物地上部Cd的含量×植物地上部质量+植物地下部Cd的含量×植物地下部质量。
1.5 数据分析数据采用Excel 2016、SPSS 19.0进行处理和分析。
2 结果与分析 2.1 两种轮作模式下的Cd积累由表 1、图 1、图 2可知，在作物各组分中，红叶甜菜叶片对Cd的富集能力最强，为3.440 mg·kg-1，是土壤Cd本底值的10.89倍，红叶甜菜各部位的Cd含量均大于1.000 mg·kg-1，BCF值均大于1。从转移系数TF来看，红叶甜菜茎、叶的TF值分别为1.64和3.37，均大于1，这表明红叶甜菜具有很强的Cd转运能力。两种模式中花生各部位Cd含量分布呈现茎>叶>根>果壳>果实的特点。红叶甜菜-花生模式下花生茎、叶Cd含量略高，其中茎Cd含量最高，为2.771 mg·kg-1。除了果实之外，花生的根、茎、叶、果壳BCF值均大于1，其茎、叶的转运系数TF均大于1，表明Cd更多地向茎和叶中输送。油葵中Cd含量最高的部位为果实和叶，富集系数都大于6。除果壳外，油葵的TF均大于1，表现出较强的Cd富集能力。
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表 1 作物各部位Cd含量（mg·kg-1） Table 1 Cd content of each component in crops(mg·kg-1) |
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图 1 作物各部位BCF值 Figure 1 BCF values of different parts of crop |
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图 2 作物各部位TF值 Figure 2 TF values of different parts of crops |
本试验的三种作物在轻度Cd污染土壤下生长正常。红叶甜菜、油葵、花生生物量如图 3所示。油葵的生物量最大，其次是红叶甜菜、花生。油葵、花生果实产量为2 183.34、2 969.18 kg·hm-2·a-1。每公顷油葵、花生、红叶甜菜干物质量均大于10 t，远高于超富集作物的公顷质量。
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图 3 作物各部位干质量 Figure 3 Dry weight of each component of crops |
由图 4可知在红叶甜菜-花生模式下，红叶甜菜一季可带走Cd 37.07 g·hm-2；种植一季花生可以带走Cd的量为16.27 g·hm-2；轮作一季红叶甜菜-花生可带走Cd的量为53.34 g·hm-2。在油葵-花生模式下，油葵每年能提取的Cd的量为28.17 g·hm-2。在油葵-花生轮作模式下，花生种植一季可以带走Cd 12.63 g·hm-2；轮作一季油葵-花生可带走的Cd的量是40.80 g·hm-2。该模式带走的Cd总量低于红叶甜菜-花生模式。
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不同字母表示不同作物提取Cd总量间差异显著（P < 0.05） Different letters indicate significant differences in total Cd extracted from different crops(P < 0.05) 图 4 种植一季作物各部位带走的Cd质量 Figure 4 Amount of Cd taken away by different crop parts |
由表 2可知，在红叶甜菜-花生轮作模式下，种植完一季红叶甜菜土壤Cd含量由原始0.316 mg·kg-1下降至0.300 mg·kg-1，种植完花生后，土壤Cd下降至0.286 mg·kg-1，具有显著性差异，说明红叶甜菜-花生模式对于土壤Cd污染具有较好的修复效果。轮作一季红叶甜菜和花生后土壤Cd由0.316 mg·kg-1下降至0.286 mg·kg-1，符合国家标准（0.3 mg·kg-1）。在油葵-花生轮作模式下，种植一季油葵后，土壤Cd下降至0.296 mg·kg-1，具有显著性差异。在该土壤复种植花生后，土壤Cd降至0.283 mg·kg-1，符合国家标准。两种轮作模式经过三种浸提液提取发现CaCl2浸提液提取态Cd显著下降；HCl提取态Cd在轮作前后无显著差异；TCLP提取态Cd在油葵-花生模式下含量显著下降，红叶甜菜-花生模式下无显著差异。
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表 2 轮作前后土壤Cd含量（mg·kg-1） Table 2 Concentration of Cd before and after rotation in soil(mg·kg-1) |
研究发现，油葵的耐受性和富集能力较高，在Cd污染植物修复中可优先选用[24]。与超富集植物相比，利用红叶甜菜-花生、油葵-花生这两种轮作模式来修复Cd污染的农田既可以有效地去除土壤Cd，减轻环境危害，又能在收获农作物后及继续利用，带来经济收益，这种治理方法是可行的[25]。
每公顷油葵、花生、红叶甜菜干物质量远大于超富集作物，如天蓝遏蓝菜（0.9 t·hm-2）[26]，花生、油葵、红叶甜菜对Cd的富集系数除果实外都大于1，油葵-花生、红叶甜菜-花生能带走40.80 g·hm-2和53.34 g·hm-2，土壤Cd由0.316 mg·kg-1降至国家安全标准以下。说明这两种模式能对农田Cd污染进行有效的修复，在轻度Cd污染情况下能有效地带走Cd。
谢华等[27]在研究中发现在0.670 mg·kg-1 Cd土壤浓度下皇竹草富集系数（2.38）和作物体内Cd含量（1.690 mg·kg-1）均不及花生、油葵和红叶甜菜。重金属超标的红叶甜菜经过一系列脱毒达标后可以当饲料使用。分析表明花生、油葵果实提取的油中重金属并不超标，重金属富集在粕饼中，对粕饼进行脱毒后可再利用[28]。对花生、油葵秸秆进行废物利用[29]，可以带来经济收益，解决秸秆后处理困难的问题。苏慧等[30]介绍了化学强化和农艺措施强化植物修复的方法，Wei等[31]研究发现合理增加尿素施用量可以增加蒲公英产量且不降低植物体内Cd含量，蒲公英带走的Cd总量增加3~5倍。Pietro等[32]研究发现在冬天利用白羽扇豆与适当作物轮作可以促进土壤质量的恢复，采用农艺措施代替土壤添加剂可以提升植物修复效率。
本研究讨论了红叶甜菜、油葵、花生的修复潜力，冬季种植红叶甜菜、春季种植油葵、夏季种植花生这种四季轮作模式，在有效修复土壤Cd污染同时还能创造一定的经济价值。在本研究基础上通过化学生物农业强化技术加速土壤重金属Cd的修复效率，将是下一步的重点研究工作。本研究为一年或一个轮作周期的试验结果，长期效应还有待进一步探索。
4 结论（1）红叶甜菜、花生、油葵对重金属Cd的富集系数虽不及超富集植物，但其具有较高的生物量和较强的富集能力，田间管理难度相对较小且能带来一定的经济效益，因此更适合作为农田Cd污染修复植物。油葵-花生、红叶甜菜-花生能带走40.80 g·hm-2和53.34 g·hm-2的土壤Cd，土壤Cd含量由0.316 mg·kg-1降低至国家安全标准以下。这两种模式均对农田Cd污染有较好的修复潜力。
（2）两种轮作模式的作物都能在试验农田上正常生长，且生物量高，能有效地提取土壤中的Cd。在轻微Cd（0.300 mg·kg-1左右）污染土壤条件下经过一季轮作可将土壤Cd含量降至国家安全标准以下。
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