亚麻—水稻轮作模式对镉污染土壤修复潜力研究

陈奕暄，邓潇，杨洋，曾清如

(湖南农业大学资源环境学院，湖南 长沙 410128)

随着工业化和城市化的飞速发展，土壤重金属污染已经成为我国乃至世界上一个严峻的环境问题。有毒重金属在土壤污染过程中具有隐蔽性、长期性、不可降解和不可逆转性的特点，它们不仅导致土壤肥力以及作物产量、品质下降，还易引发地下水污染，并通过食物链途径在植物、动物以及人体内累积[1-2]。其中镉(Cd)是土壤中最严重的金属污染物之一。2014 年公布的全国土壤污染状况调查公报显示，Cd 污染点位超标率最高，达到7%[3]。且与其他微量元素相比，Cd 更容易被农作物根系吸收并运输到地上部分，导致可食用部分受到污染[4]。

水稻被称作“亚洲的粮食”，亚洲有20 亿居民以水稻为主食，其种植面积占全世界的90%以上，其中中国占36%左右[5-6]。与其他粮食作物相比，水稻具有更高的Cd 生物累积条件，易遭受Cd 污染，严重影响人类的粮食安全。

植物修复是一种原位、环保、低成本的技术，可以在不影响土壤特性的情况下从土壤中去除污染物，因此被认为是修复Cd 污染农田最可靠的方法[7-8]。近年来，如何利用植物修复土壤重金属污染是国内外学者的研究热点，特别是关于超富集植物对土壤重金属修复潜力的研究[9-11]。超富集植物是指对土壤中重金属具有极强的吸收与耐受能力的植物[12]，具有理想的植物提取特性。迄今为止已发现400 多种超富集植物，常见的有东南景天、拟南芥、龙葵、印度芥菜等[13]。但大多数超富集植物对环境适应性差，生物量小，且不能产生明显的经济价值，从而限制了它们在植物修复中的广泛应用。

目前，人们开始关注和利用具有一定经济效益和大生物量的作物进行植物修复，如油葵、芝麻、花生、亚麻等油料作物[14]。油料作物具有生长快、生物量大、对重金属的耐受性、吸收和积累能力强等特点[15]，且可以全年种植，可缩短重金属污染土壤的植物提取和修复时间。我国是食用油生产与消费大国，根据调查，目前我国油料供给主要依靠进口[16]。截止2017 年，我国食用油的自给率仅32.3%。因此，应持续扩大油料作物的播种面积[17]。研究表明，即使是生长在重金属重度污染土壤上的油料作物，其产出的油Cd 含量也符合中国食品安全标准。因为Cd 主要存留在饼粕中，而经过脱毒后的饼粕是良好的肥料和牲畜饲料[18]，因此将油料作物应用于重金属污染土壤的修复具有环境和经济双重效益。目前关于油料作物与水稻轮作修复土壤Cd 污染的文献较少，尤其是大田条件下，系统性评估水旱轮作模式对土壤的修复潜力的研究尚未见报道。

本研究以冬季荒田、夏季种水稻的单作模式为对照，分析油料作物亚麻轮作水稻模式的Cd 累积规律和亚麻对后茬水稻吸收积累Cd 的影响，以期为水旱轮作模式修复土壤重金属污染提供数据支持。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验地点位于湖南省浏阳市蕉溪镇(28°23′48.63″N，113°52′59.93″E)，由于污水灌溉、矿区渗漏等原因，农田土壤重金属含量超标。试验地土壤pH 和重金属总量的背景值见表1。选取的田块土壤总Cd 含量为0.86 mg/kg，pH 值为5.73，根据《中国土壤环境质量标准》(GB15618-2018)，超过了国家标准的限定值(0.30 mg/kg)，属于Cd 中度污染区域。

表1 试验土壤的重金属含量Table 1 Background values of heavy metals in soil

1.2 供试材料

种植的亚麻品种为中亚麻1 号，水稻品种为在我国长江中下游地区广泛种植的高产、抗逆性强、适应性广、生育期适中的籼型杂交稻天优华占。种子均在当地种子公司购买。

本试验所用的尿素(总氮≥46%)、复合肥(总养分≥45%，N ∶P2O5∶K2O=15 ∶15 ∶15)、磷酸二氢钾(总含量≥99%，N ∶P2O5∶K2O=0 ∶54 ∶34)购自当地农资商店。主要化学试剂硝酸、高氯酸的纯度均为分析纯或优级纯，购自上海国药集团。

1.3 试验设计

试验分为2 组处理，一组为亚麻—水稻轮作，另一组为冬季不种植任何作物的一季稻单作，作为本试验的对照(CK)。设置方形试验小区(4 m×5 m)，每组3 次重复。2020 年10 月，按照当地种植习惯采用撒播方式播种亚麻。在亚麻种植前一周，施用600 kg/hm2复合肥作为底肥；30 d 后每小区施用100 g 尿素、50 g 磷酸二氢钾作为追肥。2021 年5月，收获亚麻后将小区内土地翻匀淹水。2 组处理均于6 月种植水稻。育秧后，按25 cm×20 cm 的种植密度人工栽插。插秧前施用600 kg/hm2复合肥作为基肥，10 d 后追施150 kg/hm2尿素。水稻成熟后收获，将地上部分全部移出农田，根茬还田。

1.4 采样与分析

亚麻和水稻成熟后，每小区采集10 株样品，清洗干净后，按部位剪碎分装入大号信封，于恒温烘箱105 ℃杀青1 h，然后60 ℃烘至恒重，再用小型高速粉碎机粉碎，过100 目筛后装于样品袋中保存。粉碎后的样品用体积比为85 ∶15 的HNO3/HClO4混合溶液消解，用ICP Optima 8300(美国PerkinElmer)或石墨炉原子吸收法测定Cd 含量。

2020 年9 月，在亚麻种植前，采用5 点法，使用不锈钢取土器采集深度为0～20 cm(耕作层)土壤样品后混合，用pH 计(PHS-3C，中国雷磁)测量土壤的pH 值。

1.5 修复潜力计算

1.5.1 重金属在植物中的富集、转运系数

植物各部分重金属的富集系数(BCF)和转运系数(TF)的计算公式为:

1.5.2 植物修复效率

式中:M(g)—植物对重金属的提取总量；D—耕作层土壤厚度(本文取0.2 m)；1.3—土壤密度(t/m3)；C2—土壤中Cd 含量(mg/kg)；S—土壤面积(hm2)[19]。

在田间状态下，公式(5)给出了最短的植物修复时间，因为它不包含空间或时间的差异性。此外，它是植物修复轮作系统适用性的衡量标准[20]。

1.6 数据分析

采用Excel 2016 进行数据整理，采用IBM SPSS Statistics 19.0 进行统计学分析，用LSD 法对亚麻不同部位各指标的差异进行显著性检验(P＜0.05)。对水稻同一部位不同处理间的差异则采用独立样本t检验。

2 结果与分析

2.1 亚麻各部位的Cd 含量以及富集转运能力

如表2 所示，亚麻叶是Cd 含量最高的部位，Cd含量达到7.77 mg/kg，其对应的BCF值为9.83；纤维Cd 含量为6.05 mg/kg，BCF值为7.66；果壳与籽粒的Cd 含量分别为3.30 和3.05 mg/kg，对应的富集系数分别4.18 和3.86，表明亚麻对Cd 具有很强的耐受性和富集作用。亚麻的茎、叶和纤维均有较高的转运系数，其中亚麻叶的TF值最高，达到2.22，其他部位的TF值也均在0.80 以上，说明亚麻将Cd 由根部往地上部分转运的能力较强。总的来说，亚麻各部位均表现出较强的Cd 富集和转运能力，说明亚麻非常适合作为一种修复植物。

表2 亚麻各部位Cd 含量、富集系数及转运系数Table 2 Cd content，BCF and TF values of each part of flax

2.2 水稻各部位对Cd 的吸收积累情况

如表3 所示，种植亚麻能够有效降低后茬水稻各部位(茎叶除外)的Cd 含量。根是水稻Cd 含量最高的部位，CK 处理中水稻根的Cd 含量为8.60 mg/kg，轮作模式处理降低至7.65 mg/kg，对应的BCF值从9.66 降低至8.41。其中亚麻—水稻轮作模式下水稻穗轴和糙米中的Cd 含量均显著下降(P＜0.05)。CK 处理水稻糙米的Cd 含量为0.96 mg/kg，亚麻—水稻轮作模式为0.49 mg/kg，降低了48.96%，对应的BCF值从1.08 降低至0.54。从转运系数来看，虽然水稻茎叶和穗轴的TF值比谷壳和糙米高，但均低于1，说明水稻将Cd 由根转运至地上部分的能力较弱。且亚麻—水稻轮作有效降低了水稻穗轴、谷壳和糙米的TF值，减少了Cd 由水稻根部向地上部分的转运。总的来说，亚麻—水稻轮作可以有效降低水稻各部位对Cd 的累积与转运。

表3 水稻各部位Cd 含量、富集系数、转运系数比较Table 3 Comparison of Cd concentration，BCF value and TF value in different parts of rice

2.3 不同处理作物生物量比较

如表4 所示，亚麻具有非常高的生物量，总生物量达到16 950.5 kg/hm2，生物量最大的部分是亚麻的茎，为9 726.5 kg/hm2，占总质量的57.4%，其次为纤维和籽粒，分别为2 044.0 和1 953.0 kg/hm2。2 种处理下，水稻轮作和单作的总生物量分别达到23 421.7 和21 809.7 kg/hm2，除水稻茎叶与穗轴外，亚麻轮作后的水稻各部位生物量均有上升的趋势，差异最大的是水稻的根，CK 处理中水稻的根生物量为1 926.6 kg/hm2，而在亚麻轮作后的水稻根生物量增至3 576.6 kg/hm2，是CK 的1.8 倍，且差异显著(P＜0.05)。此外，亚麻—水稻轮作模式中稻米产量达到6 672.8 kg/hm2，比CK 处理(糙米产量为6 012.4 kg/hm2)高11.0%。总体而言，虽然经过亚麻轮作后水稻的生物量有升高趋势，但在大田条件下，轮作处理和对照的总生物量之间无显著差异。

表4 亚麻与水稻各部位生物量Table 4 The biomass of each part of flax and rice kg·hm-2

2.4 水旱轮作模式对Cd 的提取量、修复潜力以及修复年限

如表5 所示，种植一季亚麻的Cd 提取量达到74.27 g/hm2，CK 处理水稻的Cd 提取量为58.07 g/hm2，亚麻—水稻轮作模式下水稻的Cd 提取量为53.98 g/hm2，较CK 处理低，说明前茬种植亚麻可降低后茬水稻Cd 的积累。但亚麻和水稻两季作物的Cd 提取总量达到128.26 g/hm2，说明水旱轮作模式能够显著提高作物对Cd 的提取量。从提取效率来看，亚麻为3.84%，亚麻和水稻的总提取效率达到6.63%，而CK 处理水稻的总提取效率仅为3.00%。因此，选择Cd 提取量大的前茬作物与水稻形成水旱轮作，不仅能够移除土壤中的Cd，同时可降低后茬作物Cd 污染的风险，从而促进Cd 污染土壤的修复。根据作物的Cd 含量和作物产量，运用公式(5)计算推测了修复土壤所需的理论修复年限。仅种植一种作物进行修复所需的时间为16.96～21.97 a，但通过亚麻—水稻轮作，所需时间减少至9.82 a。因此，这种水旱轮作模式不仅可以缩短修复所需的时间，同时可以充分利用土地资源，增加经济效益。

表5 不同处理Cd 提取总量与提取效率比较Table 5 Comparison of the total amount of Cd extracted and the extraction efficiency between different treatments

3 讨论

目前，植物修复作为一种有效、低成本和原位的从污染土壤中去除重金属的方法被广泛运用[21]。亚麻具有生物量大、耐受性强等特点，相比其他植物对Cd 的富集能力更强[22-23]。亚麻是人类最早使用的天然植物纤维，同时，亚麻还是油料作物，亚麻油因含多种不饱和脂肪酸具有很高的经济价值。Bjelkova 等[22]发现，亚麻在Cd 浓度高达1 000 mg/kg的土壤中仍可以正常生长，具有极强的耐受能力，且亚麻纤维也具有不进入食物链的特性，因此成为治理土壤重金属污染的理想作物[23]。杨洋等[18]采用有机试剂对油料作物的籽粒进行萃取，发现重金属主要残留在饼粕中，而油中的重金属含量符合国家食品安全标准，可以正常食用。本研究采取亚麻与水稻轮作的模式对Cd 中度污染的农田土壤进行修复，结果表明，亚麻各部位对Cd 均有较好的富集效果，同时生物量较大，既能产生经济价值，又能修复农田。其叶的Cd 含量达到7.77 mg/kg，果实部分的果壳与籽粒的Cd 含量均在3.00 mg/kg 以上，对应的BCF值分别为4.18 和3.86，这表明亚麻是一种优良的修复作物。同时，虽然秸秆还田是增加土壤肥力、提高后茬作物产量的主要农艺措施之一，但污染农田中产出的秸秆重金属含量较高，还田后易造成土壤重金属活性增强和后茬作物对重金属的累积量提高的风险[24]，收获后作物的地上部分需全部移出农田。因此，后茬水稻秸秆离田后，亚麻—水稻轮作模式对Cd 提取量可达128.26 g/hm2，土壤修复效率达到6.63%。

本研究发现，前茬亚麻对土壤Cd 的提取有效降低了后茬水稻糙米中Cd 的累积，与前人的研究结果一致。Hu 等[25]研究表明，在南方酸性土壤中种植两季伴矿景天后，土壤总Cd 浓度从0.64 mg/kg 降至0.29 mg/kg，同时降低了后一季水稻中的Cd 污染风险。Wu 等[26]研究表明，油菜后轮作的水稻茎叶和糙米中Cd 和Pb 含量显著降低，是由于油菜种植后土壤中Cd、Pb 的化学形态发生了变化，水溶性、可交换性和碳酸盐组分中的Cd、Pb 含量显著降低，有机组分和硫化物组分中的Pb 含量较低。轮作模式下，前一季植物可以降低土壤中的总Cd 含量，从而减少后一季作物对Cd 的提取。同时，前一季作物还可以通过降低Cd 的生物有效性以及毒性来降低其对下一季作物的胁迫[26]。

另一方面，长期连续种植水稻，由于土壤淹水时期过长，易导致土壤通透性变差，土壤易板结，不利于水稻根系的生长，虽然水田有利于土壤有机质以及养分的积累，但土壤板结抑制了养分的释放，使土壤肥力下降，会对水稻生长造成一定的影响，这种现象也称为连作障碍[27-28]。而水旱轮作能够较好地解决这一问题[29]。同时，水旱轮作模式能够充分利用冬季闲置的土地，合理地利用土壤养分，是在不中断作物生产的情况下修复受污染农业土壤的可行策略[30]。

4 结论

亚麻具有较强的Cd 耐受性以及富集能力，其中，亚麻叶对Cd 的富集能力最强，其Cd 含量为7.77 mg/kg，富集系数可达到9.83。果实部分的果壳与籽粒的Cd 含量均在3.00 mg/kg 以上，对应的BCF值分别为4.18 和3.86，且其总生物量可达到16 950.50 kg/hm2。亚麻—水稻轮作模式可以有效降低后茬水稻对Cd 的吸收和转运，有效提高Cd 污染土壤的修复效率，其Cd 提取总量为128.26 g/hm2，提取效率达到6.63%。