甘蓝型油菜在镉污染土壤修复中的应用研究

范占煌，张振乾

（1中节能大地（杭州）环境修复有限公司，杭州 310020；2湖南农业大学农学院，长沙 410128）

0 引言

镉(Cadmium)是一种移动性强、生物毒性大的重金属，极易通过食物链进入人体并产生毒害作用，1984年被联合国环境规划署列为12种危害物质的首位，1993年确定为致癌物质[1]。中国受重金属镉污染的农田有0.1亿hm2，每年受到重金属污染的粮食达到了1200万t，导致粮食减产1000万t左右，整体合计经济损失200亿元[2]。

土壤镉污染常用的修复方法有休耕、物理修复、化学改良修复和生物修复等。生物修复的成本低、无二次污染，生态效益较好，可大范围应用[3-4]。《中华人民共和国土壤污染防治法》明确指出，土壤修复活动应当优先采取不影响农业生产、不降低土壤生产功能的生物修复措施。植物萃取修复技术是生物修复技术的一种，它利用可积累污染物的植物将土壤中的重金属富集于植物可收获的部分，应用前景较好，但传统的超富集植物在修复过程中生长缓慢、对环境适应能力差、重金属修复比较单一[5]，因此植物修复技术的重点是寻找生物量较大、生长适应能力强，且对重金属有一定吸收积累的修复植物[6-7]。

油菜在长江中下游地区大面积种植，是第二大作物，作为冬季作物，不影响水稻生产，生物量远较蜈蚣草、野趾草、紫云英、香根草、铜草等超富集修复植物大，且有较强的吸收累积镉能力[8]，因而可作为理想的镉污染土壤修复植物。以前研究多关注油菜营养生长期地上部镉含量和镉吸收量[8-9]，但在不同器官中重金属累积的规律并不一致[10-13]。因此在本研究中，以甘蓝型油菜为材料，分析不同镉含量对其农艺性状、不同部位镉积累情况，探究油菜作为修复植物的可行性。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 供试土壤 中节能大地（杭州）环境修复有限公司试验基地。

1.1.2 植物材料 甘蓝型油菜‘沣油737’（杂交品种），H1、H2、H3（育种亲本，常规材料）由湖南农业大学农学院提供。

1.2 试验方法

1.2.1 油菜的种植与取样 试验于2019年在中节能大地（杭州）环境修复有限公司试验基地进行。选用上直径25 cm、高28 cm的白瓷盆，每盆装土4 kg。把相应量的CdCl2配成溶液，分别与过2 mm筛后的供试土壤反复混合均匀，然后在温室中稳定一周，使得土壤每千克含镉量形成下列4个水平：CK(0 mg/kg)、A(5 mg/kg)、B(15 mg/kg)、C(25 mg/kg)。每个处理设3次重复。

1.2.2 菜籽油的萃取 取10 g粉碎后的种子，置于20 mL玻璃试管中，加入15 mL石油醚，盖上试管塞，于50℃反应48 h。反应完成后，取上清置于50 mL离心管中，5000 r/min离心10 min，取上清液，置于三角烧瓶内。60℃反应6 h，待石油醚完全蒸发后得到菜籽油。

1.2.3 样品的前处理和镉含量测定 称取0.33 g粉碎好的茎杆和种子，以及0.43 g菜籽油，样品按照《食品安全国家标准食品中镉的测定GB5009.15—2014》介绍的方法进行的消解。茎、叶和菜籽油用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测定镉含量[14]，以国家镉分析标准物质(GBW0H10)为参比进行分析质量控制。

2 结果与分析

2.1 不同镉含量对甘蓝型油菜农艺性状的影响

2.1.1 不同镉含量对甘蓝型油菜株高的影响 如图1所示4个品种的株高均呈先升后降的趋势，H2株高受影响较大；在5 mg/kg时达到最大值，显著高于15 mg/kg和25 mg/kg的处理，这个趋势表明在较低镉含量时，对油菜生长有一定的促进作用，与费维新等[15]研究一致，而镉含量过高，会破坏其的生理功能，导致生长受阻[16]。

图1 不同镉含量对甘蓝型油菜株高的影响

2.1.2 不同镉含量对甘蓝型油菜一次分枝数的影响 由图2可知，镉对不同油菜一次分枝数均有较大影响，尤其是H1、H2、‘沣油737’影响较小，表明杂交材料耐性强。一次分枝数是油菜重要的产量性状指标，本研究结果可看出，镉对油菜籽产量会有较大影响。

图2 不同镉含量对甘蓝型油菜一次分枝数的影响

2.1.3 不同镉含量对甘蓝型油菜二次分枝数的影响 从图3可以看出，‘沣油737’二次分枝数不同镉浓度下没有显著性差异，常规材料高浓度镉处理下，二次分枝数均较对照显著下降，常规材料二次分枝数整体高于杂交材料‘沣油737’，油菜一次分枝对产量的影响较二次分枝大，本结果表明镉对常规油菜产量的影响较大。

图3 不同镉含量对甘蓝型油菜第二次分枝数的影响

2.1.4 不同镉含量对甘蓝型油菜分枝起点高度的影响 由图4可知，不同镉浓度处理下4个甘蓝型油菜品种分枝起点高度有显著差异，‘沣油737’最高，H2最短，表明杂交油菜较常规油菜对镉的耐性更强。

图4 不同镉含量对甘蓝型油菜分枝起点高度的影响

2.1.5 不同镉含量对甘蓝型油菜主花序长度的影响 如图5所示，‘沣油737’的主花序长度随镉浓度的上升而逐渐缩短，并无显著差异，而常规材料H1、H2和H3的主花序长度在5 mg/kg时达到最大值，15 mg/kg和25 mg/kg处理小幅下降，主花序长度是油菜重要的产量性状，本研究表明镉超标会对油菜籽产量造成不利影响，常规材料较杂交油菜耐受稳定性好。

图5 不同镉含量对甘蓝型油菜主花序长度的影响

2.2 不同镉含量对甘蓝型油菜角果相关性状的影响

2.2.1 不同镉含量对甘蓝型油菜有效角果数的影响 由图6可知，‘沣油737’和H1的有效角果数在镉浓度为5 mg/kg处理下最高，且4个品种有效角果数在5 mg/kg处理下均显著高于15 mg/kg和25 mg/kg处理，空白对照与15 mg/kg和25 mg/kg处理的油菜的角果数呈显著性差异。不同处理下，杂交油菜‘沣油737’的有效角果数均高于常规材料，表明其对镉的耐受能力强；高浓度镉会对产量造成不利影响。

图6 不同镉含量对甘蓝型油菜有效角果数的影响

2.2.2 不同镉含量对甘蓝型油菜角果粒数的影响 由图7可知，除常规材料H2在5 mg/kg处理下，其角果粒数高于其他处理外，其余品种空白对照的角果粒数基本高于其他处理，各材料间差异不大。

图7 不同镉含量对甘蓝型油菜角果粒数的影响

2.3 甘蓝型油菜不同部位镉含量分析

由表1可知，随着土壤中加入镉的浓度的增加，在茎杆、籽粒和菜籽油中的镉含量也在增加。当镉施入量达到5 mg/kg时，茎杆和种子中的镉含量已远高于的国际标准(0.2 mg/kg)。但在菜籽油中，即使土壤镉施入量达到25 mg/kg，菜油中镉含量也远低于国际标准，不影响菜油食用。本研究表明镉镉超标地区种植油菜不影响菜油品质，油菜是一种理想的镉污染土壤修复植物。

表1 不同部位的镉含量分析

3 结论与讨论

3.1 结论

不同浓度镉对甘蓝型油菜的株高、一次分枝、二次分枝、角果数和角果粒数具有显著影响，会对油菜产量造成不利影响；高浓度镉土壤种植油菜，菜籽油中镉含量较对照提高了3.9倍，但仍在国际标准范围内，不影响食用油安全。油菜是一种理想的修复植物，可用于镉污染农田修复。

3.2 讨论

重金属污染对我国粮食安全生产带来较大影响，习近平同志多次强调“强化土壤污染管控和修复，有效防范风险，让老百姓吃得放心、住得安心”。2014年“中央一号文件”提出启动重金属污染耕地修复试点，之后历年的“中央一号文件”均对该问题予以重点关注内容，《土壤污染防治行动计划》、《农用地土壤环境管理办法》等一系列政策相继出台，“十三五”期间中央累计安排281.24亿元土壤污染防治专项资金，重金属污染土壤治理工作成为当前研究的热点。

但当前的治理方法仍以物理、化学修复为主，这些方法投资较大、效益低且未能从根本上解决问题；植物修复虽受各级政府的高度关注，但仍未能实现规模化应用，其中一个关键问题就是缺乏适宜的修复植物。本研究发现甘蓝型油菜在高浓度镉存在的土壤中仍能生长、结实，且菜油中重金属含量极低，不影响其食用价值，将油菜作为修复植物将改变中国现有修复技术经济效益差，农民参与积极性低，修复效果不理想的现状，实现重金属污染土壤修复、农业生产两不误，提高修复过程中农业生产经济效益，增强农民参与积极性，确保土壤修复成效和技术推广度，促进中国“三农”问题的解决和可持续发展。