烟草—红叶甜菜轮作对镉污染农田的修复潜力试验

谭可夫，涂鹏飞，杨洋，袁婧，陈璘涵，曾清如*

1.湖南农业大学资源环境学院 2.湖南农业大学生物科学技术学院

植物修复重金属污染土壤具有环境友好、成本适中、可原位修复等优势[1-2]。目前，已发现许多对重金属具有超富集能力的植物，但这些植物在实际应用中存在对环境适应性能力差、有效生物量小、生长速度慢等缺点[3-4]，使修复效果不佳且人工管理成本较高[5-6]。因此，筛选对重金属富集能力强、有效生物量大的植物非常必要且迫切。

烟草是一种叶用经济作物，其对重金属Cd的富集系数(BCF)较高，且Cd进入烟草后一般分布在烟叶中[7]。Clarke等[8]在温室沙培烟草时，在培养液中分别添加0.25、1.00 mgkg CdCl2溶液时，发现烟草叶部Cd浓度可达127.6、382.6 mgkg。Song等[9]通过大田试验发现，土壤中Cd浓度为3.02 mgkg时，红叶甜菜能正常生长，且地上部位Cd的浓度可达19.23～20.10 mgkg。可见，烟草和红叶甜菜对Cd均有较强的耐受能力，且成熟期地上部分生物量较大，均有很大的重金属修复潜力。烟草和红叶甜菜均是常见的经济作物，对种植环境有着较强的适应能力，应用到农田重金属修复中较易被农民接受。轮作作为一种农田管理措施，可达到均衡利用土壤养分，改善土壤理化性状的作用，通过轮作可延长植物修复农田重金属的有效时间，显著减少修复所需的时间。目前烟草和红叶甜菜轮作对重金属污染农田修复能力方面研究的报道较为鲜见。笔者选取中、高重金属污染风险的土壤进行盆栽试验，分析烟草—红叶甜菜轮作模式对土壤中不同重金属的富集系数以及转运系数(TF)，通过对比修复前后土壤中重金属浓度及浸出毒性，探究烟草—红叶甜菜轮作模式对2种重金属污染风险土壤的修复潜力，以期为作物修复农田重金属污染提供理论指导及技术支撑。

1 材料和方法

1.1 试验地点

试验地点位于长沙市湖南农业大学的耘园试验基地。长沙市全年平均气温为16.8～17.3 ℃，年积温为5 457 ℃，市区年均降水量为1 361.6 mm，全年无霜期约275 d。

1.2 供试土壤采集

供试土壤分别采自湖南省株洲市黄谷村和郴州市桂阳县官溪村某污染农田。在作物种植前，田间无明显积水的情况下，按五点采样法采集0～20 cm耕作层土壤，混合后装入样品袋中运回实验室。将土壤铺散，挑除其中小石块及植物根系等杂物，自然风干后研磨，过2 mm尼龙筛后备用。供试土壤基本理化性质如表1所示。由表1可知，株洲市重金属污染农田土壤(简称株洲土壤)为酸性土壤，郴州市重金属污染农田土壤(简称郴州土壤)为偏酸性土壤。株洲土壤样品中Cd浓度为GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》[10]中农用地土壤污染风险筛选值的2.83倍，为中重金属污染风险；郴州土壤样品中Pb、Zn、Cd浓度分别是GB 15618—2018中农用地土壤污染风险筛选值的3.91、1.76和6.10倍，为高重金属污染风险。

表1 供试土壤初始理化性质

1.3 试验设计

采用上缘口径为40 cm，下缘口径为24 cm，高度为29 cm的花盆进行盆栽试验，每盆填装供试土壤20 kg，置于阴凉露天处熟化1个月。烟草选用HZ品种(NicotianatabacumL.)，红叶甜菜选用叶用品种(Betavulgarisvar.ciclaL.)，其幼苗均从湖南农业大学烟草种植基地获取。4月中旬移栽烟草幼苗(长约7 cm)，每盆移栽1株长势良好的幼苗；8月下旬(烟草成熟期)分别收获烟草叶的上部、中部、下部；收获后将盆栽土壤混匀施加底肥，9月中旬移栽长势良好的红叶甜菜幼苗，每盆移栽4株；翌年1月中旬每盆采集1株作为生长期样品，翌年4月上旬(红叶甜菜成熟期)收获红叶甜菜。用硫酸钾型复合肥作为底肥及追肥，盆栽均置于露天环境，及时除草、施肥、浇水，并预防病虫害，以保证作物生长良好。设3个平行试验组。

1.4 样品采集和重金属浓度测定

收获作物后，在盆内无积水的情况下，将盆中土壤混合均匀后采集土样，土样自然风干后过100目筛，筛下样品贮存在干净的封口袋中备用。

在作物成熟期，随机采集整株长势均匀的植物样品，使用小铁锄尽可能完整地采集植物样品的地下部分，并充分抖落附着的底土。植物样品带回实验室后，分部位先后用自来水、去离子水清洗干净，置于烘箱中于105 ℃杀青，再于恒温60 ℃烘干，记录每个部位的干质量，粉碎后装入干净的封口袋中备用。

植物样品采用HNO3-HClO4消解，用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES，Optima 8300，美国)测定Pb、Zn、Cu、Cd浓度；土壤样品采用HNO3-HCl-HClO4消解，用ICP-OES和石墨炉原子吸收分光光度计(AA-240FS，美国)测定Pb、Zn、Cu、Cd全量浓度[11]。重金属浸出毒性采用美国国家环境保护局(US EPA)的毒性特征沥滤方法(TCLP)测定[12]；有效态重金属浓度采用0.1 mol/L CaCl2溶液提取后，用石墨炉原子吸收分光光度计和ICP-OES测定[13]。

1.5 修复潜力计算

用BCF和TF[14]2项指标反映植物对重金属污染土壤的修复潜力。其中，植物某部位BCF=植物某部位重金属浓度/土壤中重金属浓度；植物某部位对重金属的TF=植物地上某部位重金属浓度/植物根部重金属浓度。

1.6 数据处理

应用Excel 2016、SPSS 19.0软件对数据进行处理，运用Tukey-test法分析数据的显著性。

2 结果与分析

2.1 轮作作物各部位对重金属的富集

2种土壤轮作作物均能正常生长，其中烟草去顶高度可达150 cm，红叶甜菜成熟期株高超过25 cm，未出现明显受毒害现象，生物量均达到正常标准。2种土壤轮作作物各部位Pb、Zn、Cu、Cd浓度如表2所示。

表2 2种土壤轮作作物成熟期各部位重金属浓度

Table 2 The heavy metals content in each part of rotation crops at the mature stage on two kinds of soils mgkg

表2 2种土壤轮作作物成熟期各部位重金属浓度

作物土壤作物部位PbZnCuCd烟草株洲土壤下部叶23.13±1.58216.65±17.794.52±0.9934.59±2.06中部叶21.24±1.78125.32±3.635.27±0.6210.59±1.26上部叶19.44±4.0955.34±1.486.34±0.323.63±0.34茎21.92±2.0636.56±2.726.79±0.983.59±0.16根126.83±5.05159.53±7.5635.15±1.932.53±0.11郴州土壤下部叶25.43±1.24311.02±25.008.70±1.3241.63±2.95中部叶36.35±4.26150.44±8.557.82±0.4812.86±1.44上部叶21.20±4.5763.38±2.0711.13±0.844.59±0.28茎32.84±3.5458.08±3.267.72±0.373.19±0.13根60.08±8.0480.73±5.2811.75±2.302.39±0.25红叶甜菜根122.10±1.07266.28±11.656.90±1.032.29±0.12叶119.12±0.76258.25±2.004.33±0.122.02±0.26株洲土壤根222.62±1.24452.33±7.9813.30±0.254.33±0.20茎24.17±0.24298.61±12.1612.43±0.30 1.27±0.04叶23.15±0.23193.90±5.147.07±0.281.67±0.06郴州土壤根146.92±1.75253.98±4.5810.87±0.786.04±0.44叶125.62±0.61364.00±5.137.07±0.646.94±0.25根220.21±1.03490.43±3.5816.38±0.227.55±0.57茎29.55±0.31340.87±13.7115.59±0.975.71±0.27叶28.89±0.30172.39±3.2211.14±0.514.11±0.15

注：数值为3组植物样品平均值±标准误差；红叶甜菜作物部位后数字1指生长期，数字2指成熟期。

由表2可知，烟草、红叶甜菜各部位的Pb、Zn、Cu、Cd浓度存在差异。烟草成熟期Cd浓度表现为下部叶>中部叶>上部叶>茎>根，株洲、郴州2种土壤烟草成熟期下部叶中Cd浓度分别达34.59和41.63 mg/kg，烟草根部Pb、Cu的浓度高于其他部位。2种土壤中，红叶甜菜生长期根、叶部Cd浓度相近，而成熟期根部Pb、Zn、Cu、Cd的浓度显著高于其他部位。

2.2 轮作作物成熟期各部位重金属的BCF和TF

BCF和TF是评价植物对重金属修复能力的重要指标。修复作物某部位重金属的BCF大于1，说明该部位重金属浓度超过了土壤的背景浓度；修复作物地上部位重金属的TF大于1，说明该作物地上部位重金属浓度超过了根部的重金属浓度。在重金属污染土壤的修复过程中，植物各部位对重金属的BCF和TF是否大于1是判断植物是否可用于修复的标准。

2种土壤轮作的作物各部位重金属BCF如图1所示。由图1可知，烟草各部位Cd的BCF显著高于Pb、Zn、Cu，株洲、郴州土壤种植的烟草下部叶Cd的BCF分别为40.69、17.06；株洲土壤种植的烟草下部叶、中部叶、根部Zn的BCF较高，均大于1；烟草根部Pb、Cu的BCF均大于1，且显著高于其他部位。红叶甜菜对重金属Cd、Zn的BCF较高，其中生长期根、叶部Cd、Zn的BCF均大于1且较为接近，成熟期根部Cd、Zn的BCF极显著高于茎、叶部；株洲土壤种植的红叶甜菜成熟期茎、叶部Cd、Zn的BCF均大于2，郴州土壤种植的甜菜成熟期茎、叶部Cd的BCF均大于1。

图1 2种土壤种植的作物各部位重金属BCFFig.1 The heavy metal enrichment coefficient of each part of crop plants on two kinds of soils

2种土壤种植的烟草各部位TF如图2所示。由图2可知，烟草地上部位Cd的TF均大于1，且呈现叶部大于茎部的特点。烟草下部叶Cd、Zn的TF极显著高于其他部位，其中郴州土壤种植的烟草下部叶Cd、Zn的TF分别为17.42、3.85，株洲土壤分别为13.67、1.36。红叶甜菜茎、叶部Pb、Zn、Cu、Cd的TF均小于1。

2.3 轮作作物成熟期各部位生物量和重金属提取总量

2种土壤轮作作物单株各部位干质量如图3所示。由图3可知，在2种重金属污染风险土壤上种植的烟草和红叶甜菜单株各部位的干质量未呈现规律性的极显著差异，说明不同重金属污染风险的土壤未对作物的干质量起到显著影响。烟草茎部、叶部的干质量占单株干质量的83.34%～83.11%，而根部仅占16.66%～16.89%；红叶甜菜叶部的干质量占单株干质量的66.28%～68.41%，极显著高于茎、根部。烟草的单株干质量高于红叶甜菜。

图2 2种土壤种植的烟草各部位重金属TFFig.2 The heavy metals transfer coefficient of each part of tobacco on two kinds of soils

注：字母相同表示差异显著(P<0.05);字母不同表示差异极显著(P<0.01)。图3 2种土壤轮作作物单株各部位干质量Fig.3 The dry matter mass from each part of rotation crops on two kinds of soils

2种土壤轮作作物单株各部位重金属提取量如图4所示。由图4可知，单株烟草对Pb、Zn、Cu、Cd的提取量均大于单株红叶甜菜，且2种作物对Zn的提取量极显著高于其他重金属。株洲、郴州土壤种植的单株烟草对Zn和Cd的提取量分别为25.12、2.19和25.88、2.33 mg/株，种植的单株红叶甜菜对Zn和Cd的提取量分别为9.57、0.08和9.78、0.19 mg/株。烟草叶部是Zn、Cd的主要提取部位，Pb、Cu则主要由根、茎部提取；红叶甜菜叶部对Zn、Cu、Cd提取量均远大于根、茎部。

2.4 轮作模式前后土壤重金属全量浓度和有效态变化

轮作过程2种土壤重金属浓度变化如表3所示。由表3可知，2种土壤经过2季作物轮作修复后，土壤中Pb、Zn、Cu、Cd全量浓度均下降，Cd全量浓度下降率最高，郴州、株洲土壤Cd全量浓度的下降率分别为57.64%、24.59%；Cu下降率次之，Pb、Zn的下降率较低。

图4 2种土壤轮作作物单株各部位重金属提取量Fig.4 Total uptake of heavy metals from each part of rotation crops on two kinds of soils

表3 轮作过程土壤重金属全量浓度的变化

Table 3 The changes of heavy metals in soils during crop rotation

时期株洲土壤∕(mg∕kg)郴州土壤∕(mg∕kg)PbZnCuCdPbZnCuCd种植前71.54±1.00a97.97±1.59a25.13±0.60a0.85±0.03a391.08±2.36a351.93±1.51a47.16±0.54a2.44±0.03a烟草收获后70.26±0.34b96.76±1.19b23.45±0.76b0.55±0.03b385.62±2.94b349.40±1.10b45.25±0.29b1.96±0.05b红叶甜菜收获后69.40±0.41c94.49±1.30b22.01±0.52b0.36±0.02c378.08±3.55c346.19±1.05c42.70±1.01c1.84±0.01c下降率∕%2.993.5512.4157.643.321.639.4524.59

注：字母不同表示差异显著(P<0.05);字母相同表示差异不显著(P≥0.05)。

目前TCLP法被认为是有效评价土壤重金属生态风险的简便、快速方法[15-16]。轮作土壤重金属TCLP提取态浓度、0.1 mol/L CaCl2溶液提取态浓度分别如表4、表5所示。由表4、表5可知，TCLP法和0.1 mol/L CaCl2溶液法得到的土壤中Pb、Zn、Cu的有效态浓度为相应时期土壤中全量浓度的1%～10%，Cd的有效态浓度为相应时期土壤全量浓度的30%以上。郴州土壤经2种提取方法得到的重金属有效态浓度均高于株洲土壤。重金属污染土壤经过烟草—红叶甜菜轮作模式后，Pb、Cu、Cd的有效态浓度均出现了极显著的下降。但经过一季红叶甜菜修复后，2种土壤中Zn的有效态浓度却出现了一定程度的上升。

表4 轮作土壤重金属TCLP提取态浓度

注：小写字母不同表示差异显著(P<0.05)；大写字母不同表示差异极显著(P<0.01)。

表5 轮作土壤重金属0.1 molL CaCl2溶液提取态浓度

Table 5 The extracted state concentrations of heavy metals with 0.1molL CaCl2 solution in rotation soils

表5 轮作土壤重金属0.1 molL CaCl2溶液提取态浓度

时期株洲土壤∕(mg∕kg)郴州土壤∕(mg∕kg)PbZnCuCdPbZnCuCd种植前2.62±0.04Aa8.49±0.17Cc0.34±0.02Aa0.60±0.01Aa8.76±0.17Aa22.22±0.72Bb0.68±0.04Aa1.07±0.03Aa烟草收获后1.54±0.05Bb11.16±0.27Bb0.25±0.02Bb0.35±0.02Bb7.88±0.29Bb16.98±0.47Cc0.54±0.03Bb0.85±0.04Bb红叶甜菜收获后1.15±0.03Cc22.92±1.59Aa0.22±0.01Bb0.31±0.01Bc6.47±0.14Cc24.78±1.28Aa0.43±0.02Cc0.65±0.03Cc下降率∕%56.10-169.9635.2948.3326.14-11.5236.7639.25

注：同表3。

3 讨论

本研究发现，不同重金属中，烟草对Cd的富集能力最为突出。有研究证明烟草对Cd的吸收主要通过烟株根系，土壤中的Cd离子由根系细胞壁进入后移动到烟株木质部[17]，随后以各种化学形态向地上部运输，并由韧皮部组织分配到烟株的叶片中。在运输过程中，Cd在烟株的根茎中均有残留[18]。吴玉萍等[19]通过盆栽试验研究Cd在烟草中的累积分配，结果表明，Cd在烟叶中浓度较高，在根、茎中浓度较低；袁祖丽等[20]的研究表明，重金属在烟株体内的分布可能与烟株器官的代谢能力有关，代谢旺盛的植株部位中Cd浓度较高。本研究2种土壤种植的烟草对Cd均表现出叶部>茎>根的累积特性，这与已有研究结果相近。株洲土壤与郴州土壤相比，其种植的烟草根部Zn浓度更高，叶部的浓度则更低。这说明烟草在应对Zn的胁迫时，会增加Zn向地上部分的转运和积累，此时烟草各部位对Zn的富集能力出现了一定的变化。

红叶甜菜成熟期各部位对Zn、Cd富集能力均较强，但叶部重金属的累积量显著高于根、茎部，这是因为红叶甜菜成熟叶部有较大的生物量，其叶部干质量占植株总干质量的66.28%～68.41%。Pavla等[21-23]研究表明，植物的大生物量是土壤重金属植物修复工程应用中至关重要的因素，大生物量修复作物往往有着较强的重金属耐受能力及较高的提取效率。已有研究发现，一些超富集作物如遏蓝菜(ThlaspiarvenseL.)在大田种植一季的生物量为0.38 t/hm2，东南景天(SedumalfrediiHance)的生物量为0.85～1.50 t/hm2[24]。根据本研究盆栽试验所得作物每株干质量，推测用于重金属污染农田土壤修复时，烟草、红叶甜菜的干质量可分别达5.8、6.4 t/hm2。可见，烟草—红叶甜菜轮作模式的总生物量是一般超富集作物的几十倍，因而具有对污染土壤中重金属较高提取总量的优势。

由于大田修复过程中，单株作物修复的土壤量远大于盆栽试验中的土壤量，因此盆栽试验与大田中作物对重金属的修复效率往往有较大的差异。一般大田单株烟草和红叶甜菜对应修复管理的耕作层土壤约为100和13.63 kg，本次盆栽试验用土为20 kg/盆，分别种植1株烟草和4株红叶甜菜，故推算大田中单株烟草、红叶甜菜的修复效率约为盆栽试验的0.2和0.5倍。

本试验轮作土壤中Pb、Cu有效态修复效率均显著高于全量修复效率，这是由于植物对重金属的提取以有效态形式为主。经过一季红叶甜菜修复后，2种土壤中重金属Zn的CaCl2溶液提取态和TCLP提取态浓度均有一定程度的上升，但试验结束时浓度相近，这主要是由于本试验采用的硫酸钾复合肥化合了B、Mn、Zn等农作物必需的微量元素，施肥后会显著提高土壤有效态Zn的浓度[25]。另一方面，土壤中重金属的有效态浓度并不是绝对固定的值，而是以相对稳定形态表现的值[26]。烟草和红叶甜菜对Zn的提取主要以有效态形式为主，这在一定程度上促使土壤中Zn向有效态转换。可见，对重金属土壤修复效果评估应当考虑土壤中重金属有效态的降低效率。

在大田植物修复应用过程中，作物干物质离田后能否得到有效处理是判定修复方式应用潜力的关键。红叶甜菜、烟草叶片部位的生物量较大，对红叶甜菜叶片进行重金属脱毒处理，对烟草叶片进行重金属脱毒处理和烟碱的去除，处理后2种作物叶片剩余部分均可以作为饲料蛋白原料[27]。烟草茎部生物量较大且营养元素含量丰富，可将其生物量较大部分烧制成生物炭，通过酸溶液淋洗和碱性液体沉淀得到安全的液体肥料，以及洗脱重金属后的生物炭材料[28]。烟草和红叶甜菜均能在离田后得到安全利用，说明这2种作物均具有较高的应用潜力。

4 结论

(1)在中、高重金属污染风险的农田土壤中，烟草各部位Cd浓度表现为下部叶>中部叶>上部叶>茎>根。烟草下部叶的Zn浓度均显著高于其他部位，烟草根部的Pb、Cu浓度均显著高于其他部位；轮作红叶甜菜生长期根、叶部的Cd浓度相近，而成熟期根部Pb、Zn、Cu、Cd浓度均显著大于其他部位，说明根部为红叶甜菜对重金属的耐受部位；成熟期红叶甜菜叶部干质量占植株总干质量的66.28%～68.41%，使叶部的重金属提取总量远大于其他部位。

(2)烟草和红叶甜菜在中、高重金属污染风险的土壤中均表现出了对重金属的良好耐受性和富集能力。经过一轮烟草—红叶甜菜修复，株洲、郴州土壤中Cd全量浓度下降率分别为57.64%、24.59%，Cd的TCLP和0.1 mol/L CaCl2提取态浓度的下降率分别为72.50%、48.33%和52.17%、39.25%，烟草—红叶甜菜轮作模式具有修复中、高重金属污染农田土壤的实际应用潜力。由盆栽试验结果推测，用于重金属污染农田土壤修复时，烟草、红叶甜菜的干质量可分别达5.8、6.4 t/hm2。