王沛琦 高 梅 劉旭云 胡學(xué)禮 代夢媛 李文昌

(云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所,云南 昆明 650205)

土壤重金屬污染是世界上最嚴(yán)重的環(huán)境污染問題之一[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國重金屬污染耕地面積約2 000萬 hm2，約占耕地面積的1/5，其中重金屬鎘(Cd)污染耕地面積約1萬 hm2[2]。在云南地區(qū)，由于不同的資源分布和工業(yè)布局，礦業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，隨著礦產(chǎn)資源的開采、選礦和冶煉，導(dǎo)致周邊耕作土壤中重金屬Cd污染日趨嚴(yán)重。檢測結(jié)果表明，礦區(qū)及周邊農(nóng)田土壤的Cd含量達(dá)3～260 mg·kg-1[3]，已嚴(yán)重超過目前的土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(0.3 mg·kg-1)[4]。土壤中的Cd可被種植的農(nóng)作物吸收、富集，通過食物鏈進(jìn)入人體，最終危害人類健康，如個(gè)舊礦區(qū)[5]、蘭坪礦區(qū)[6]農(nóng)作物中Cd含量超標(biāo)率達(dá)85%以上。因此，對云南這些因采礦而被重金屬Cd污染的耕作土壤進(jìn)行植物修復(fù)，并恢復(fù)其生產(chǎn)力刻不容緩。植物修復(fù)較傳統(tǒng)的修復(fù)手段，具有成本低、安全并能改善土壤等優(yōu)勢，是土壤重金屬污染修復(fù)的有效手段之一。

蓖麻(RicinuscommunisL.)屬于大戟科蓖麻屬一年或多年生草本雙子葉植物，具有枝葉繁茂、根系發(fā)達(dá)、生長迅速、耐旱、耐鹽堿、耐貧瘠等特點(diǎn)。蓖麻種子、葉片等可做藥用、工業(yè)原料、生物能源等，產(chǎn)品不進(jìn)入食物鏈，在綠化荒山、治理環(huán)境等方面具有較大的利用價(jià)值[7-9]。近年來大量研究表明蓖麻植株及其龐大的根系對土壤中的重金屬Cd具有較強(qiáng)的富集和耐受能力[10-12]，但關(guān)于在大田條件下重金屬Cd在不同蓖麻品種植株中分布差異性的研究較少。因此，本研究以云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院選育的滇蓖2號、滇蓖4號、云蓖麻5號、山西的經(jīng)作蓖麻1號以及山東的稼祥2號為試驗(yàn)材料，研究不同品種對Cd污染土壤的適應(yīng)性及富集性差異，以期為蓖麻修復(fù)Cd污染土壤提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于個(gè)舊大屯樓坊寨礦區(qū)(103°14′59.45″E，23°26′8.66″N， 海拔1 329 m)，該礦區(qū)土壤類型為紅壤，年平均氣溫20.00℃，年降水量700 mm左右。土壤的理化性質(zhì)為：pH值5.2，有機(jī)質(zhì)28.0 g·kg-1，全氮0.14%，全磷0.08%，全鉀3.47%，水解性氮111.8 mg·kg-1，有效磷72.0 mg·kg-1，速效鉀171.0 mg·kg-1。 此外，供試土壤中Pb含量99.8 mg·kg-1，Cd含量3.2 mg·kg-1，Cu含量48.3 mg·kg-1，Zn含量134.0 mg·kg-1， 其中Cd含量遠(yuǎn)超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(0.3 mg·kg-1)[4]。

1.2 試驗(yàn)材料

以云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院選育的滇蓖2號、滇蓖4號、云蓖麻5號、山西經(jīng)作蓖麻有限公司選育的經(jīng)作蓖麻1號以及山東家祥蓖麻種業(yè)科技有限公司選育的稼祥2號為試驗(yàn)材料，其中滇蓖2號為晚熟品種，滇蓖4號和云蓖麻5號為中熟品種，經(jīng)作蓖麻1號和稼祥2號為早熟品種。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，分為3個(gè)區(qū)組，每個(gè)區(qū)組設(shè)置5個(gè)小區(qū)，分別安排5個(gè)蓖麻品種，每小區(qū)面積20 m2。各品種按完全隨機(jī)排列，株行距為1 m×1 m，各小區(qū)之間留80 cm路道，小區(qū)四周留保護(hù)行，每小區(qū)基施450 kg·hm-1復(fù)合肥(N∶P∶K=16∶16∶16)，并于開花期追施225 kg·hm-2尿素，其他田間管理按常規(guī)種植管理。于2018年蓖麻成熟期，進(jìn)行株高、莖粗、有效分枝數(shù)、百粒重等農(nóng)藝性狀測定；每小區(qū)隨機(jī)取5株作為植物樣品，連根拔起，根際土樣按5點(diǎn)取樣法取0～20 cm土層剖面，每個(gè)點(diǎn)的土樣為2 kg。

1.4 測定項(xiàng)目與方法

植物樣品按根、莖、葉分開，用自來水沖洗干凈，于105℃殺青后，70℃烘干至恒重并稱取各部分干重，樣品粉碎后過篩，待測。土樣自然風(fēng)干后過40目篩，待測。植物樣品及土樣加入濃硝酸-高氯酸(v∶v=4∶1)混合液后，在ANKS-XJ40微波消解儀(青島艾尼克斯)中進(jìn)行消解，消解至液體呈無色透明或略帶微黃色，放冷后定容至25 mL容量瓶中，消化液中Cd含量采用火焰原子吸收分光光度法進(jìn)行測定[13]。根據(jù)公式計(jì)算重金屬富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)、預(yù)計(jì)畝提取量、提取效率及預(yù)計(jì)相對修復(fù)年限[14]：

富集系數(shù)=蓖麻某一部位Cd含量/土壤Cd含量

(1)

莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)=蓖麻莖葉Cd含量/根Cd含量

(2)

籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)=蓖麻籽粒Cd含量/莖葉Cd含量

(3)

預(yù)計(jì)畝提取量=植株提取重金屬量×每畝株數(shù)

(4)

提取效率=植株提取重金屬量/(土壤重金屬含量×土壤質(zhì)量)×100%[13]

(5)

預(yù)計(jì)相對修復(fù)年限=(土壤重金屬含量-國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn))×土壤質(zhì)量/植株提取重金屬量

(6)

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2007及SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行處理，差異顯著性分析采用LSD法。

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬污染農(nóng)田中蓖麻生長情況

在鎘污染土壤中，5個(gè)蓖麻品種的株高在116.78～440.78 cm之間，莖粗在2.50～5.04 cm之間，有效分枝在3.78～5.78個(gè)之間，百粒重在24.56～46.98 g之間，單株產(chǎn)量在92.39～338.85 g之間。不同品種間比較可知，滇蓖2號的株高、莖粗及單株產(chǎn)量分別為440.78 cm、5.04 cm及338.85 g，均顯著高于其他品種；云蓖麻5號次之，其百粒重及單株產(chǎn)量顯著高于經(jīng)作蓖麻1號、稼祥2號及滇蓖4號，有效分枝數(shù)在5個(gè)品種中最多；經(jīng)作蓖麻1號的株高、莖粗、百粒重及單株產(chǎn)量在5個(gè)品種中最低，且顯著低于其他4個(gè)品種。

表1 蓖麻主要農(nóng)藝性狀

2.2 鎘在蓖麻各器官的分布

不同蓖麻品種各器官鎘含量如圖1所示，根、莖、葉和果實(shí)中鎘含量的變化范圍分別為0.72～1.40、0.68～1.14、1.36～2.38和0.21～0.33 mg·kg-1；其中滇蓖2號、云蓖麻5號各器官鎘含量大小為葉>根>莖>果實(shí)，經(jīng)作蓖麻1號為根>葉>莖>果實(shí)，稼祥2號與滇蓖4號為葉>莖>根>果實(shí)。根中鎘含量最高為經(jīng)作蓖麻1號(1.40 mg·kg-1)，顯著高于其他4個(gè)品種，根中鎘含量最低為云蓖麻5號；莖中鎘含量最高為經(jīng)作蓖麻1號(1.14 mg·kg-1)，顯著高于滇蓖2號及云蓖麻5號，且云蓖麻5號莖中鎘含量最低；除經(jīng)作蓖麻1號外，其余4個(gè)品種葉中鎘含量差異不顯著，其中滇蓖2號最高，鎘含量為2.38 mg·kg-1，經(jīng)作蓖麻1號最低，鎘含量為1.36 mg·kg-1；果實(shí)中鎘含量最高為經(jīng)作蓖麻1號(0.33 mg·kg-1)，顯著高于滇蓖2號及云蓖麻5號，滇蓖2號果實(shí)中鎘含量最低，為0.21 mg·kg-1。

注：不同小寫字母表示同一器官不同品種間差異顯著(P<0.05)。

2.3 不同蓖麻品種對鎘的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)差異

成熟期不同蓖麻品種對重金屬鎘的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)如表2所示。不同蓖麻品種根的富集系數(shù)為0.23～0.44，其中經(jīng)作蓖麻1號根對鎘的富集能力最強(qiáng)，其次是滇蓖2號，云蓖麻5號根對鎘的富集能力最低，且顯著低于經(jīng)作蓖麻1號和滇蓖2號；不同蓖麻品種莖葉對鎘的富集系數(shù)為0.79～1.02，其中滇蓖4號莖葉對鎘的富集能力最強(qiáng)，其次是滇蓖2號，顯著高于經(jīng)作蓖麻1號；不同蓖麻品種籽粒對鎘的富集系數(shù)為0.07～0.10，滇蓖2號與云蓖麻5號籽粒對鎘的富集能力最低，與稼祥2號及滇蓖4號差異不顯著，但顯著低于經(jīng)作蓖麻1號。

由轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)分析可知，成熟期不同蓖麻品種莖葉對鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均大于1，籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均小于1，說明這5個(gè)品種由根向莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)鎘的能力較強(qiáng)，由莖葉向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)能力較弱。不同蓖麻品種莖葉對鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為1.79～4.01，其中云蓖麻5號莖葉對鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最大，為4.01，其次為滇蓖麻4號，為3.59，均顯著高于經(jīng)作蓖麻1號；不同蓖麻品種籽粒對鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為0.07～0.13，其中經(jīng)作蓖麻1號籽粒對鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最大，顯著高于其他4個(gè)品種，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最小的是滇蓖2號。

表2 污染土壤中不同蓖麻品種的重金屬富集及轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

2.4 不同蓖麻品種對鎘污染土壤的修復(fù)能力

成熟期不同蓖麻品種的生物量及Cd積累量如表3所示。根部的干重為24.63～423.18 g/株，莖的干重為56.57～2 235.00 g/株，葉的干重為37.67～543.33 g/株。其中，滇蓖2號根的干重顯著高于其他品種，云蓖麻5號次之，經(jīng)作蓖麻1號最低；滇蓖2號莖的干重顯著高于經(jīng)作蓖麻1號、稼祥2號及滇蓖4號，與云蓖麻5號之間差異不顯著；滇蓖2號與云蓖麻5號葉的干重顯著高于其他品種，而經(jīng)作蓖麻1號最低。

成熟期不同蓖麻品種根中Cd積累量為0.03～0.42 mg/株，莖中Cd積累量為0.06～1.60 mg/株，葉中Cd積累量為0.05～1.29 mg/株，果實(shí)中Cd積累量為0.03～0.07 mg/株。滇蓖2號根中Cd積累量顯著高于其他品種，其次是云蓖麻5號與滇蓖4號，分別為0.22 mg/株和0.20 mg/株；滇蓖2號、滇蓖4號及云蓖麻5號品種間莖中Cd積累量差異不顯著，但顯著高于其他2個(gè)品種；滇蓖2號及云蓖麻5號品種間葉的Cd積累量差異不顯著，但顯著高于其他3個(gè)品種；滇蓖2號、滇蓖4號與云蓖麻5號品種間果實(shí)的Cd積累量差異不顯著，但顯著高于其他2個(gè)品種。

由畝提取量可知，滇蓖2號的畝提取量最高，為2 264.09 mg，其次是云蓖麻5號，為1 695.44 mg。按照修復(fù)20 cm耕層計(jì)算，各品種對Cd的提取效率平均為2.70%，其中滇蓖2號最高，為5.34%。若要將該試驗(yàn)地0～20 cm耕層土壤的Cd含量降低至中國土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 15618-2018)的二級標(biāo)準(zhǔn)(0.6 mg·kg-1)[4]， 預(yù)計(jì)種植滇蓖2號所需時(shí)間最短，其相對修復(fù)年限為15年，其次是云蓖麻5號，為21年，而種植經(jīng)作蓖麻1號所需時(shí)間最長。

3 討論

植物對重金屬的吸收主要通過根系，然后經(jīng)木質(zhì)部運(yùn)輸?shù)角o、葉等組織，還有少部分重金屬可通過葉片從空氣中吸收[15]。對于Cd在植物不同器官的分布，不同的研究結(jié)果略有差異，部分植物根部的重金屬Cd積累量要高于地上組織，也有一些植物地上組織對Cd的積累量要高于根部[16-18]。前人對于Cd在蓖麻不同器官分布的研究結(jié)果也略有差異，史景允等[19]采用盆栽試驗(yàn)，研究了5個(gè)淄蓖麻品種對Cd的積累特性，結(jié)果表明，不同淄蓖麻植株各組織的Cd積累量為根>莖>葉；劉義富等[20]對長在云南礦區(qū)的蓖麻不同組織Cd含量進(jìn)行研究，結(jié)果表明根>葉>莖。在本研究中，5個(gè)蓖麻品種中有4個(gè)品種葉片的Cd含量高于根和莖，與前人對蓖麻的研究結(jié)果不一致，但與李文略等[21]對紅麻的研究結(jié)果相似。葉片Cd含量較高可能與重金屬Cd在土壤中活性較高[22]，以及污染農(nóng)田附近存在礦廠，其排放的含Cd粉塵落到蓖麻葉上被蓖麻葉吸收有關(guān)。

富集系數(shù)與轉(zhuǎn)移系數(shù)可以很好地反映植物對重金屬的富集和轉(zhuǎn)移能力[23-24]。已有研究表明當(dāng)土壤Cd濃度為5 mg·kg-1時(shí)，蓖麻對Cd的富集系數(shù)均大于1，根部可達(dá)到20[25]。本研究中，莖葉對Cd的富集系數(shù)最大，根次之，果實(shí)最小，除了滇蓖4號莖葉富集系數(shù)(1.02)大于1外，其余均小于1，未達(dá)到前人報(bào)道的水平，推測可能與蓖麻不同品種間生理特性差異及土壤pH值等有關(guān)[26]。雖然蓖麻對Cd的富集能力處于中等水平，但其莖葉對Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均大于1，最高可達(dá)4.01，說明蓖麻對Cd由根部向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)能力較強(qiáng)。

一般生長在污染土壤中的植物，對重金屬的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均大于1，且植株體內(nèi)的Cd含量大于100 mg·kg-1， 才可稱之為超富集植物[27-28]。在本研究中，5個(gè)蓖麻品種植株體內(nèi)的Cd含量均未達(dá)到此標(biāo)準(zhǔn)，說明蓖麻不是Cd的超富集植物。大量研究表明，超富集植物存在生物量小、根系不深、生長慢、生態(tài)適應(yīng)性差、育苗難等問題，在實(shí)際應(yīng)用中存在局限性[29-30]。而蓖麻生物量大，提取能力強(qiáng)(本研究中5個(gè)品種的莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均大于1)，整株積累量可觀，彌補(bǔ)了蓖麻富集能力較弱的缺點(diǎn)。前人研究表明，Cd的超富集植物印度芥菜和遏藍(lán)菜在Cd濃度為2.87 mg·kg-1的土壤上種植，提取率分別為0.5%和0.6%[31]，在本研究中除經(jīng)作蓖麻1號的提取率(0.24%)低于印度芥菜和遏藍(lán)菜外，其他品種均較高，其中滇蓖2號對Cd的提取率最大，可達(dá)到5.22%。同時(shí)蓖麻與一些生長快、抗性好、具有富集重金屬能力的植物，如油菜[32]、油葵[33]、小麥[34]、甜高粱[35]、玉米[36]等相比，不僅生物量大，且種子重金屬含量低，可用于生產(chǎn)生物能源，不進(jìn)入食物鏈，不會對人體產(chǎn)生危害。此外，蓖麻是多年生植物，可以種植在不適合糧食作物生長的貧瘠和重金屬污染的土壤上，持續(xù)去除污染土壤中的重金屬Cd[37]。因此，蓖麻可用于生物能源的生產(chǎn)和鎘污染的修復(fù)，達(dá)到同步解決日益增加的能源需求和鎘污染農(nóng)田修復(fù)的目的。

4 結(jié)論

研究結(jié)果表明在Cd污染農(nóng)田中，不同蓖麻品種農(nóng)藝性狀表現(xiàn)各異，其中滇蓖2號表現(xiàn)最好，生物量最大。蓖麻吸收的Cd主要集中在地上部分；不同品種均有一定的Cd富集和轉(zhuǎn)移能力。在5個(gè)蓖麻品種中，滇蓖2號對Cd的畝提取量、提取率顯著高于其他品種，適宜在云南個(gè)舊Cd污染的土壤上推廣種植。本研究僅通過大田試驗(yàn)比較了5個(gè)蓖麻品種對Cd污染土壤的修復(fù)效果，對于蓖麻在重金屬Cd脅迫下的積累、吸收和解毒機(jī)制還不明確，有待進(jìn)一步研究。

表3 不同蓖麻品種的干重、Cd積累量及提取效率