陳奕暄，鄧瀟，楊洋，曾清如

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128)

隨著工業(yè)化和城市化的飛速發(fā)展，土壤重金屬污染已經(jīng)成為我國(guó)乃至世界上一個(gè)嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題。有毒重金屬在土壤污染過(guò)程中具有隱蔽性、長(zhǎng)期性、不可降解和不可逆轉(zhuǎn)性的特點(diǎn)，它們不僅導(dǎo)致土壤肥力以及作物產(chǎn)量、品質(zhì)下降，還易引發(fā)地下水污染，并通過(guò)食物鏈途徑在植物、動(dòng)物以及人體內(nèi)累積[1-2]。其中鎘(Cd)是土壤中最嚴(yán)重的金屬污染物之一。2014 年公布的全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)顯示，Cd 污染點(diǎn)位超標(biāo)率最高，達(dá)到7%[3]。且與其他微量元素相比，Cd 更容易被農(nóng)作物根系吸收并運(yùn)輸?shù)降厣喜糠郑瑢?dǎo)致可食用部分受到污染[4]。

水稻被稱作“亞洲的糧食”，亞洲有20 億居民以水稻為主食，其種植面積占全世界的90%以上，其中中國(guó)占36%左右[5-6]。與其他糧食作物相比，水稻具有更高的Cd 生物累積條件，易遭受Cd 污染，嚴(yán)重影響人類的糧食安全。

植物修復(fù)是一種原位、環(huán)保、低成本的技術(shù)，可以在不影響土壤特性的情況下從土壤中去除污染物，因此被認(rèn)為是修復(fù)Cd 污染農(nóng)田最可靠的方法[7-8]。近年來(lái)，如何利用植物修復(fù)土壤重金屬污染是國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)，特別是關(guān)于超富集植物對(duì)土壤重金屬修復(fù)潛力的研究[9-11]。超富集植物是指對(duì)土壤中重金屬具有極強(qiáng)的吸收與耐受能力的植物[12]，具有理想的植物提取特性。迄今為止已發(fā)現(xiàn)400 多種超富集植物，常見(jiàn)的有東南景天、擬南芥、龍葵、印度芥菜等[13]。但大多數(shù)超富集植物對(duì)環(huán)境適應(yīng)性差，生物量小，且不能產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，從而限制了它們?cè)谥参镄迯?fù)中的廣泛應(yīng)用。

目前，人們開(kāi)始關(guān)注和利用具有一定經(jīng)濟(jì)效益和大生物量的作物進(jìn)行植物修復(fù)，如油葵、芝麻、花生、亞麻等油料作物[14]。油料作物具有生長(zhǎng)快、生物量大、對(duì)重金屬的耐受性、吸收和積累能力強(qiáng)等特點(diǎn)[15]，且可以全年種植，可縮短重金屬污染土壤的植物提取和修復(fù)時(shí)間。我國(guó)是食用油生產(chǎn)與消費(fèi)大國(guó)，根據(jù)調(diào)查，目前我國(guó)油料供給主要依靠進(jìn)口[16]。截止2017 年，我國(guó)食用油的自給率僅32.3%。因此，應(yīng)持續(xù)擴(kuò)大油料作物的播種面積[17]。研究表明，即使是生長(zhǎng)在重金屬重度污染土壤上的油料作物，其產(chǎn)出的油Cd 含量也符合中國(guó)食品安全標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)镃d 主要存留在餅粕中，而經(jīng)過(guò)脫毒后的餅粕是良好的肥料和牲畜飼料[18]，因此將油料作物應(yīng)用于重金屬污染土壤的修復(fù)具有環(huán)境和經(jīng)濟(jì)雙重效益。目前關(guān)于油料作物與水稻輪作修復(fù)土壤Cd 污染的文獻(xiàn)較少，尤其是大田條件下，系統(tǒng)性評(píng)估水旱輪作模式對(duì)土壤的修復(fù)潛力的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。

本研究以冬季荒田、夏季種水稻的單作模式為對(duì)照，分析油料作物亞麻輪作水稻模式的Cd 累積規(guī)律和亞麻對(duì)后茬水稻吸收積累Cd 的影響，以期為水旱輪作模式修復(fù)土壤重金屬污染提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于湖南省瀏陽(yáng)市蕉溪鎮(zhèn)(28°23′48.63″N，113°52′59.93″E)，由于污水灌溉、礦區(qū)滲漏等原因，農(nóng)田土壤重金屬含量超標(biāo)。試驗(yàn)地土壤pH 和重金屬總量的背景值見(jiàn)表1。選取的田塊土壤總Cd 含量為0.86 mg/kg，pH 值為5.73，根據(jù)《中國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-2018)，超過(guò)了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的限定值(0.30 mg/kg)，屬于Cd 中度污染區(qū)域。

表1 試驗(yàn)土壤的重金屬含量Table 1 Background values of heavy metals in soil

1.2 供試材料

種植的亞麻品種為中亞麻1 號(hào)，水稻品種為在我國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)廣泛種植的高產(chǎn)、抗逆性強(qiáng)、適應(yīng)性廣、生育期適中的秈型雜交稻天優(yōu)華占。種子均在當(dāng)?shù)胤N子公司購(gòu)買。

本試驗(yàn)所用的尿素(總氮≥46%)、復(fù)合肥(總養(yǎng)分≥45%，N ∶P2O5∶K2O=15 ∶15 ∶15)、磷酸二氫鉀(總含量≥99%，N ∶P2O5∶K2O=0 ∶54 ∶34)購(gòu)自當(dāng)?shù)剞r(nóng)資商店。主要化學(xué)試劑硝酸、高氯酸的純度均為分析純或優(yōu)級(jí)純，購(gòu)自上海國(guó)藥集團(tuán)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)分為2 組處理，一組為亞麻—水稻輪作，另一組為冬季不種植任何作物的一季稻單作，作為本試驗(yàn)的對(duì)照(CK)。設(shè)置方形試驗(yàn)小區(qū)(4 m×5 m)，每組3 次重復(fù)。2020 年10 月，按照當(dāng)?shù)胤N植習(xí)慣采用撒播方式播種亞麻。在亞麻種植前一周，施用600 kg/hm2復(fù)合肥作為底肥；30 d 后每小區(qū)施用100 g 尿素、50 g 磷酸二氫鉀作為追肥。2021 年5月，收獲亞麻后將小區(qū)內(nèi)土地翻勻淹水。2 組處理均于6 月種植水稻。育秧后，按25 cm×20 cm 的種植密度人工栽插。插秧前施用600 kg/hm2復(fù)合肥作為基肥，10 d 后追施150 kg/hm2尿素。水稻成熟后收獲，將地上部分全部移出農(nóng)田，根茬還田。

1.4 采樣與分析

亞麻和水稻成熟后，每小區(qū)采集10 株樣品，清洗干凈后，按部位剪碎分裝入大號(hào)信封，于恒溫烘箱105 ℃殺青1 h，然后60 ℃烘至恒重，再用小型高速粉碎機(jī)粉碎，過(guò)100 目篩后裝于樣品袋中保存。粉碎后的樣品用體積比為85 ∶15 的HNO3/HClO4混合溶液消解，用ICP Optima 8300(美國(guó)PerkinElmer)或石墨爐原子吸收法測(cè)定Cd 含量。

2020 年9 月，在亞麻種植前，采用5 點(diǎn)法，使用不銹鋼取土器采集深度為0～20 cm(耕作層)土壤樣品后混合，用pH 計(jì)(PHS-3C，中國(guó)雷磁)測(cè)量土壤的pH 值。

1.5 修復(fù)潛力計(jì)算

1.5.1 重金屬在植物中的富集、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

植物各部分重金屬的富集系數(shù)(BCF)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)的計(jì)算公式為:

1.5.2 植物修復(fù)效率

式中:M(g)—植物對(duì)重金屬的提取總量；D—耕作層土壤厚度(本文取0.2 m)；1.3—土壤密度(t/m3)；C2—土壤中Cd 含量(mg/kg)；S—土壤面積(hm2)[19]。

在田間狀態(tài)下，公式(5)給出了最短的植物修復(fù)時(shí)間，因?yàn)樗话臻g或時(shí)間的差異性。此外，它是植物修復(fù)輪作系統(tǒng)適用性的衡量標(biāo)準(zhǔn)[20]。

1.6 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，采用IBM SPSS Statistics 19.0 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，用LSD 法對(duì)亞麻不同部位各指標(biāo)的差異進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(P＜0.05)。對(duì)水稻同一部位不同處理間的差異則采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 亞麻各部位的Cd 含量以及富集轉(zhuǎn)運(yùn)能力

如表2 所示，亞麻葉是Cd 含量最高的部位，Cd含量達(dá)到7.77 mg/kg，其對(duì)應(yīng)的BCF值為9.83；纖維Cd 含量為6.05 mg/kg，BCF值為7.66；果殼與籽粒的Cd 含量分別為3.30 和3.05 mg/kg，對(duì)應(yīng)的富集系數(shù)分別4.18 和3.86，表明亞麻對(duì)Cd 具有很強(qiáng)的耐受性和富集作用。亞麻的莖、葉和纖維均有較高的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，其中亞麻葉的TF值最高，達(dá)到2.22，其他部位的TF值也均在0.80 以上，說(shuō)明亞麻將Cd 由根部往地上部分轉(zhuǎn)運(yùn)的能力較強(qiáng)?？偟膩?lái)說(shuō)，亞麻各部位均表現(xiàn)出較強(qiáng)的Cd 富集和轉(zhuǎn)運(yùn)能力，說(shuō)明亞麻非常適合作為一種修復(fù)植物。

表2 亞麻各部位Cd 含量、富集系數(shù)及轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)Table 2 Cd content，BCF and TF values of each part of flax

2.2 水稻各部位對(duì)Cd 的吸收積累情況

如表3 所示，種植亞麻能夠有效降低后茬水稻各部位(莖葉除外)的Cd 含量。根是水稻Cd 含量最高的部位，CK 處理中水稻根的Cd 含量為8.60 mg/kg，輪作模式處理降低至7.65 mg/kg，對(duì)應(yīng)的BCF值從9.66 降低至8.41。其中亞麻—水稻輪作模式下水稻穗軸和糙米中的Cd 含量均顯著下降(P＜0.05)。CK 處理水稻糙米的Cd 含量為0.96 mg/kg，亞麻—水稻輪作模式為0.49 mg/kg，降低了48.96%，對(duì)應(yīng)的BCF值從1.08 降低至0.54。從轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)來(lái)看，雖然水稻莖葉和穗軸的TF值比谷殼和糙米高，但均低于1，說(shuō)明水稻將Cd 由根轉(zhuǎn)運(yùn)至地上部分的能力較弱。且亞麻—水稻輪作有效降低了水稻穗軸、谷殼和糙米的TF值，減少了Cd 由水稻根部向地上部分的轉(zhuǎn)運(yùn)?？偟膩?lái)說(shuō)，亞麻—水稻輪作可以有效降低水稻各部位對(duì)Cd 的累積與轉(zhuǎn)運(yùn)。

表3 水稻各部位Cd 含量、富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)比較Table 3 Comparison of Cd concentration，BCF value and TF value in different parts of rice

2.3 不同處理作物生物量比較

如表4 所示，亞麻具有非常高的生物量，總生物量達(dá)到16 950.5 kg/hm2，生物量最大的部分是亞麻的莖，為9 726.5 kg/hm2，占總質(zhì)量的57.4%，其次為纖維和籽粒，分別為2 044.0 和1 953.0 kg/hm2。2 種處理下，水稻輪作和單作的總生物量分別達(dá)到23 421.7 和21 809.7 kg/hm2，除水稻莖葉與穗軸外，亞麻輪作后的水稻各部位生物量均有上升的趨勢(shì)，差異最大的是水稻的根，CK 處理中水稻的根生物量為1 926.6 kg/hm2，而在亞麻輪作后的水稻根生物量增至3 576.6 kg/hm2，是CK 的1.8 倍，且差異顯著(P＜0.05)。此外，亞麻—水稻輪作模式中稻米產(chǎn)量達(dá)到6 672.8 kg/hm2，比CK 處理(糙米產(chǎn)量為6 012.4 kg/hm2)高11.0%。總體而言，雖然經(jīng)過(guò)亞麻輪作后水稻的生物量有升高趨勢(shì)，但在大田條件下，輪作處理和對(duì)照的總生物量之間無(wú)顯著差異。

表4 亞麻與水稻各部位生物量Table 4 The biomass of each part of flax and rice kg·hm-2

2.4 水旱輪作模式對(duì)Cd 的提取量、修復(fù)潛力以及修復(fù)年限

如表5 所示，種植一季亞麻的Cd 提取量達(dá)到74.27 g/hm2，CK 處理水稻的Cd 提取量為58.07 g/hm2，亞麻—水稻輪作模式下水稻的Cd 提取量為53.98 g/hm2，較CK 處理低，說(shuō)明前茬種植亞麻可降低后茬水稻Cd 的積累。但亞麻和水稻兩季作物的Cd 提取總量達(dá)到128.26 g/hm2，說(shuō)明水旱輪作模式能夠顯著提高作物對(duì)Cd 的提取量。從提取效率來(lái)看，亞麻為3.84%，亞麻和水稻的總提取效率達(dá)到6.63%，而CK 處理水稻的總提取效率僅為3.00%。因此，選擇Cd 提取量大的前茬作物與水稻形成水旱輪作，不僅能夠移除土壤中的Cd，同時(shí)可降低后茬作物Cd 污染的風(fēng)險(xiǎn)，從而促進(jìn)Cd 污染土壤的修復(fù)。根據(jù)作物的Cd 含量和作物產(chǎn)量，運(yùn)用公式(5)計(jì)算推測(cè)了修復(fù)土壤所需的理論修復(fù)年限。僅種植一種作物進(jìn)行修復(fù)所需的時(shí)間為16.96～21.97 a，但通過(guò)亞麻—水稻輪作，所需時(shí)間減少至9.82 a。因此，這種水旱輪作模式不僅可以縮短修復(fù)所需的時(shí)間，同時(shí)可以充分利用土地資源，增加經(jīng)濟(jì)效益。

表5 不同處理Cd 提取總量與提取效率比較Table 5 Comparison of the total amount of Cd extracted and the extraction efficiency between different treatments

3 討論

目前，植物修復(fù)作為一種有效、低成本和原位的從污染土壤中去除重金屬的方法被廣泛運(yùn)用[21]。亞麻具有生物量大、耐受性強(qiáng)等特點(diǎn)，相比其他植物對(duì)Cd 的富集能力更強(qiáng)[22-23]。亞麻是人類最早使用的天然植物纖維，同時(shí)，亞麻還是油料作物，亞麻油因含多種不飽和脂肪酸具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。Bjelkova 等[22]發(fā)現(xiàn)，亞麻在Cd 濃度高達(dá)1 000 mg/kg的土壤中仍可以正常生長(zhǎng)，具有極強(qiáng)的耐受能力，且亞麻纖維也具有不進(jìn)入食物鏈的特性，因此成為治理土壤重金屬污染的理想作物[23]。楊洋等[18]采用有機(jī)試劑對(duì)油料作物的籽粒進(jìn)行萃取，發(fā)現(xiàn)重金屬主要?dú)埩粼陲炂芍?，而油中的重金屬含量符合?guó)家食品安全標(biāo)準(zhǔn)，可以正常食用。本研究采取亞麻與水稻輪作的模式對(duì)Cd 中度污染的農(nóng)田土壤進(jìn)行修復(fù)，結(jié)果表明，亞麻各部位對(duì)Cd 均有較好的富集效果，同時(shí)生物量較大，既能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)價(jià)值，又能修復(fù)農(nóng)田。其葉的Cd 含量達(dá)到7.77 mg/kg，果實(shí)部分的果殼與籽粒的Cd 含量均在3.00 mg/kg 以上，對(duì)應(yīng)的BCF值分別為4.18 和3.86，這表明亞麻是一種優(yōu)良的修復(fù)作物。同時(shí)，雖然秸稈還田是增加土壤肥力、提高后茬作物產(chǎn)量的主要農(nóng)藝措施之一，但污染農(nóng)田中產(chǎn)出的秸稈重金屬含量較高，還田后易造成土壤重金屬活性增強(qiáng)和后茬作物對(duì)重金屬的累積量提高的風(fēng)險(xiǎn)[24]，收獲后作物的地上部分需全部移出農(nóng)田。因此，后茬水稻秸稈離田后，亞麻—水稻輪作模式對(duì)Cd 提取量可達(dá)128.26 g/hm2，土壤修復(fù)效率達(dá)到6.63%。

本研究發(fā)現(xiàn)，前茬亞麻對(duì)土壤Cd 的提取有效降低了后茬水稻糙米中Cd 的累積，與前人的研究結(jié)果一致。Hu 等[25]研究表明，在南方酸性土壤中種植兩季伴礦景天后，土壤總Cd 濃度從0.64 mg/kg 降至0.29 mg/kg，同時(shí)降低了后一季水稻中的Cd 污染風(fēng)險(xiǎn)。Wu 等[26]研究表明，油菜后輪作的水稻莖葉和糙米中Cd 和Pb 含量顯著降低，是由于油菜種植后土壤中Cd、Pb 的化學(xué)形態(tài)發(fā)生了變化，水溶性、可交換性和碳酸鹽組分中的Cd、Pb 含量顯著降低，有機(jī)組分和硫化物組分中的Pb 含量較低。輪作模式下，前一季植物可以降低土壤中的總Cd 含量，從而減少后一季作物對(duì)Cd 的提取。同時(shí)，前一季作物還可以通過(guò)降低Cd 的生物有效性以及毒性來(lái)降低其對(duì)下一季作物的脅迫[26]。

另一方面，長(zhǎng)期連續(xù)種植水稻，由于土壤淹水時(shí)期過(guò)長(zhǎng)，易導(dǎo)致土壤通透性變差，土壤易板結(jié)，不利于水稻根系的生長(zhǎng)，雖然水田有利于土壤有機(jī)質(zhì)以及養(yǎng)分的積累，但土壤板結(jié)抑制了養(yǎng)分的釋放，使土壤肥力下降，會(huì)對(duì)水稻生長(zhǎng)造成一定的影響，這種現(xiàn)象也稱為連作障礙[27-28]。而水旱輪作能夠較好地解決這一問(wèn)題[29]。同時(shí)，水旱輪作模式能夠充分利用冬季閑置的土地，合理地利用土壤養(yǎng)分，是在不中斷作物生產(chǎn)的情況下修復(fù)受污染農(nóng)業(yè)土壤的可行策略[30]。

4 結(jié)論

亞麻具有較強(qiáng)的Cd 耐受性以及富集能力，其中，亞麻葉對(duì)Cd 的富集能力最強(qiáng)，其Cd 含量為7.77 mg/kg，富集系數(shù)可達(dá)到9.83。果實(shí)部分的果殼與籽粒的Cd 含量均在3.00 mg/kg 以上，對(duì)應(yīng)的BCF值分別為4.18 和3.86，且其總生物量可達(dá)到16 950.50 kg/hm2。亞麻—水稻輪作模式可以有效降低后茬水稻對(duì)Cd 的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，有效提高Cd 污染土壤的修復(fù)效率，其Cd 提取總量為128.26 g/hm2，提取效率達(dá)到6.63%。