糯高粱红珍珠移除土壤重金属效果及籽粒安全性评价

何翠云，何 琼，胡建伟，陈香兰，康友余，张光武，刘泽贤，李耀奇

(湘潭县易俗河镇农业综合服务中心，湖南湘潭 411228)

湘江流域是湖南土壤重金属污染较严重的区域，其中湘潭耕地土壤重金属镉(Cd)污染最为严重[1～5]。2014年以来，湘潭市土壤重金属污染治理与修复取得了较大成效[6～9]，但仍有相当比例的耕地土壤尚处于轻度至中度污染状态，因此，《湘潭市污染防治攻坚战2020年实施方案》提出，到2020年底，湘潭市受污染耕地安全利用率力争达到91%，完成湘潭市受污染耕地治理目标任务3.74万公顷[10]。

对土壤重金属污染治理与修复的方法主要有物理化学法(改土法、淋洗沉淀法、热处理法、电动化学法、污染固化法等)、生物学修复法(植物修复、动物修复、微生物修复)和土壤农化调控法(降低土壤pH值、增加水分和有机质含量等)，其中，植物修复法包括萃取、挥发和固定3种方法[11]。有资料表明，高粱是一种良好的土壤重金属萃取修复植物[12，13]。糯高粱是优质的酿酒原料[14～16]，可作为非直接食用的替代粮食作物[17]。为进一步探明糯高粱品种红珍珠在湘潭地区种植的生物学产量、重金属含量、对土壤重金属移除效果和籽粒安全生产的情况，2019年7～12月，结合实施“重金属植物移除及利用示范”项目，开展了替代粮食作物移除土壤重金属试验，旨在为种植结构调整提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试地点在湘潭县易俗河镇烟塘村挂嘴洲，选择中等肥力水平田块(T1)和偏低肥力水平田块(T2)为供试土壤，土壤为镉污染的黄红壤土，养分情况见表1。前作为油菜，供试作物为糯高粱品种红珍珠，由贵州红缨子农业科技发展有限公司提供，主要用于酿酒。

1.2 试验设计及田间管理

根据土壤肥力水平，设置中等肥力水平田块T1，偏低肥力水平田块T2，种植面积均为500 m2以上，在其中设3个小区(3个重复)，每个小区面积30 m2，共6个小区。播种前深耕晒田，深翻土层30 cm，晒田至走路不粘泥为准，晒田后旋耕开厢，厢宽200 cm(包沟)，沟宽30 cm，沟深25 cm，每厢种植4行，株行距25 cm×50 cm(包沟)。开厢起垄前施45%硫酸钾复合肥465 kg/hm2，试验区田块开深40 cm、宽30 cm的围沟，以防渍水。种子经3 h以上日晒，并自然晾干后，与5 mL/kg“巧适”(少量清水稀释)拌匀，于4月上旬播种，每穴3～4粒(留苗2株)，播种后两天内用38%莠去津1800 mL/hm2对水喷雾，封闭除草。施肥、中耕除草和病虫害防治等田间管理与大田一致。10月中旬收获。

1.3 取样与测定方法

在高粱成熟收割前，分别在T1、T2田块的3个小区各随机选取5 m2样方，测定每个样方高粱茎叶和籽粒的鲜质量，同时，在样方内采集植株样品，带回实验室测定籽粒干质量等指标，各小区全部收获计产。pH、有机质、全氮、速效氮、有效磷含量按照文献[18]方法测定；土壤重金属镉(Cd)、汞(Hg)、砷(As)、铅(Pb)、铬(Cr)含量，采用乙酸铵浸提法测定[19]，高粱茎叶及籽粒中重金属(Cd、Pb、Hg、Cr、As)含量采用HNO3-HClO4(5∶1)湿解法消煮，定容稀释后采用ICP-MS测定。

1.4 数据处理与分析

试验所获数据采用Excel 2010和SPSS 17.0软件进行处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 土壤养分及重金属含量背景值

2.1.1 土壤养分含量背景值

由表1可知，T2田块养分背景值分别为：pH5.2、有机质29.5 g/kg、全氮1.84 g/kg、速效氮176 mg/kg、有效磷含量12.6 mg/kg，比T1分别低0.4、15.6 g/kg、0.44 g/kg、21 mg/kg和0.4 mg/kg，说明T2田块肥力水平明显低于T1。

表1 供试土壤养分状况

2.1.2 土壤重金属含量背景值

表2表明，T1土壤重金属Cd、Hg、As、Pb、Cr含量背景值分别为1.35、0.257、26.0、67、88 mg/kg，有效Cd、Pb、Cr含量分别为0.273、10.586、0.038 mg/kg；T2土壤重金属Cd、Hg、As、Pb、Cr含量背景值分别为1.07、0.260、28.6、75、90 mg/kg，有效Cd、Pb、Cr含量分别为0.355、13.328、0.046 mg/kg。T2除总Cd低于T1外，其他指标均高于T1。根据国家标准“GB 15618—2018 土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)”，Cd含量高于标准3倍以上，Hg、As、Pb、Cr未超标。说明试验区土壤Cd污染严重，不宜种植水稻，需替代种植非直接食用的作物，如酒用高粱、饲料用玉米等旱粮作物。

表2 土壤重金属含量背景值 mg/kg

2.2 糯高粱红珍珠产量与其重金属含量的关系

表3表明，T1与T2地上部鲜质量、茎叶及籽粒干质量均差异显著(p<0.05)，表明产量与土壤基础地力水平密切相关。T1与T2茎叶和籽粒中重金属含量差异不显著，说明产量与茎叶和籽粒对土壤重金属吸收的比例无关，但产量越高，茎叶吸收Cd的比例(含量)有增高的趋势。对茎叶与籽粒干质量及其重金属含量比较分析发现，糯高粱红珍珠平均茎叶干质量(7.06 t/hm2)显著高于籽粒(4.07 t/hm2)，占地上部分总干质量的63.4%；茎叶中的各重金属含量均显著高于籽粒，说明茎叶构成了糯高粱红珍珠的主要生物产量，也是吸收土壤重金属的主要部分。

表3 糯高粱红珍珠地上部分生物量及其重金属含量

2.3 糯高粱红珍珠对土壤中重金属的移除效果

由茎叶、籽粒干质量和茎叶、籽粒中重金属含量计算出茎叶和籽粒对土壤重金属的移除量见表4。糯高粱红珍珠对土壤中Cd、Hg、As、Pb、Cr移除总量T1分别为46.189、0.273、7.501、69.386、169.798 g/hm2，其中，茎叶对土壤Cd、Hg、As、Pb、Cr的移除量分别为45.490、0.234、6.744、68.981、166.212 g/hm2，与T2比较，除对Hg的移除量(高0.028 g/hm2)差异不显著外，对Cd、As、Pb、Cr的移除量(分别高15.330、2.120、17.753、46.760 g/hm2)差异均显著(p<0.05)；T1处理籽粒对土壤Cd、Hg、As、Pb、Cr的移除量分别为0.699、0.039、0.757、0.405、3.586 g/hm2，与T2差异均不显著。说明糯高粱红珍珠移除土壤重金属的效果T1显著大于T2(仅籽粒中的Pb例外)。分析表明，茎叶移除土壤重金属的量显著高于籽粒，这主要由高粱的不同部位产量及其吸收量不同所致。移除量大小顺序，茎叶T1和T2均为Cr>Pb>Cd>As>Hg，籽粒T1和T2均为Cr>As>Cd>Pb>Hg，移除量最大的均为Cr，最小的均为Hg，Cd移除量在茎叶和籽粒中均位居第三。说明糯高粱红珍珠地上部生物产量越高，移除土壤重金属量就越大，但在籽粒移除量中受产量高低的影响较小，仅表现为随产量增加略为增加的趋势。

表4 糯高粱红珍珠移除土壤重金属效果

2.4 糯高粱红珍珠籽粒安全性评价

高粱茎叶一般作篱笆、覆盖物等用途，在高粱秸秆总量不大的情况下，一般不需考虑安全问题。表5结果表明，籽粒中Cd、Hg、As、Pb和Cr的平均含量均低于“GB 2762—2017 食品安全国家标准食品中污染物限量”标准，说明糯高粱红珍珠籽粒食用安全性良好，可用于酿酒。

表5 糯高粱红珍珠籽粒重金属含量的安全性比较 mg/kg

3 讨论

糯高粱红珍珠产量随土壤肥力的提高而增加，其茎叶对土壤Cd的吸收比例(含量)有随产量增加而提高的趋势，但差异不显著，茎叶中重金属含量显著高于籽粒；茎叶和籽粒移除土壤重金属量随产量的增加而增加，其中茎叶表现得更为明显。这与尹文雅等[13]的研究结果一致。籍贵苏等[19]研究表明，粒用高粱茎对Cd、Pb等多种重金属的贮藏能力较强，本研究结果也表现为高粱茎叶对Cd、Pb等重金属有较强的贮藏能力。糯高粱红珍珠在湘潭地区种植表现为植株高大，株高最高可达3.3 m，生物学产量大，茎叶与籽粒的比值(茎粒比)高，这可能是其茎叶对土壤重金属的富集能力比籽粒高的原因。籽粒中Cd、Hg、As、Pb和Cr的含量均低于食品安全国家标准，这与尹文雅等[13]研究结果不一致，可能与品种有关。不同高粱品种(种质)对土壤Cd、Hg、As、Pb和Cr的吸收能力存在较大差异[19]，糯高粱红珍珠植株高大，从土壤中吸收重金属运输、贮(藏)积(累)到穗部籽粒的距离较远，比相对较矮的其他品种可能更难将重金属贮积到籽粒中。籍贵苏等[19]对11个高粱品种(8个甜高粱品种、2个饲用高粱品种和1个粒用高粱品种)的研究发现，高粱各器官对土壤Cd等重金属的富集系数平均值以根最高，但粒用高粱品种则为茎>叶>根>穗，表明高粱根对土壤Cd等重金属也有一定的富集能力，若能去除土中的高粱根，土壤Cd等重金属的移除效果将更好。当高粱秸秆产量达到一定量时，需考虑秸秆的无害化处理和有效利用问题。目前，高粱秸秆的资源化利用尚无成熟的技术，因其Cd等重金属含量高，作为农村新型能源和工业原料的资源化利用可能是其无害化处理的有效途径。由于条件的限制，未能对试验后的土壤进行重金属含量检测，糯高粱红珍珠对土壤Cd等重金属虽有明显的移除效果，但无法明确知道土壤重金属含量的降低值。因此，种植不同高粱品种对土壤Cd等重金属含量的影响以及高粱茎叶和根的无害化处理技术等均有待进一步研究。

4 结论

试验区土壤重金属Cd含量严重超标，Hg、As、Pb和Cr未超标，说明试验区土壤为Cd污染严重的土壤。在中等和偏低肥力的土壤上糯高粱红珍珠产量为4.89 t/hm2和3.24 t/hm2，移除土壤重金属效果明显，Cd、Hg、As、Pb、Cr移除总量的分别为38.411、0.251、6.324、60.530、145.939 g/hm2，其中由茎叶移除的分别占98.5%、87.7%、89.9%、99.3%、97.9%，显著高于籽粒。籽粒中Cd、Hg、As、Pb、Cr的平均含量分别为0.145、0.008、0.158、0.11、0.772 mg/kg，均低于国家安全标准，可安全用作酿酒原料。酒用糯高粱红珍珠主要销往贵州茅台等酿酒企业，实行订单生产，可在湘潭地区大力推广种植，在其他Cd污染严重的地区可考虑用作“水改旱”的替代作物。