绿豆、蓖麻对轻度重金属污染农田修复效果的影响

2023-03-14王跃飞王永宁刘宏金乔志刚

天津农业科学 2023年2期

王跃飞，王永宁，张雷，刘宏金，乔志刚，武岩

（内蒙古自治区农牧业生态与资源保护中心，内蒙古呼和浩特 010021）

土壤是保障我国农业可持续发展至关重要的自然资源，也是生态和环境保护的重要对象。但随着我国工农业生产快速发展，土壤污染问题逐渐突出，其中土壤重金属污染呈现逐渐加重趋势[1-4]。生态环境部全国土壤污染状况调查显示，我国耕地土壤污染点位超标率达19.4%，主要污染物为重金属，其中镉污染点位超标率达到7.0%，其次分别为砷、汞、铅、铬等。内蒙古矿产资源丰富，在矿山开发的过程中随大气沉降、淋洗选矿过程，可能存在重金属污染周边农田情况。

修复重金属污染土壤的方法有很多，包括物理修复、化学修复和生物修复。在这些修复方法中，植物修复是近些年发展起来的一项绿色修复技术，该技术具有成本低、操作简便、不会对土壤造成二次污染等优点[5-8]。前人开展了较多重金属超积累植物和农作物吸附的研究，但这些超积累植物和农作物吸附大多存在生物量小、生长速度慢、吸附效率不高等问题，不利于大规模推广，在植物修复实践中受到限制[9]。所以，寻找生物量大、对重金属吸收力强，以及耐性强的植物和农作物成为植物修复技术实际应用中需要解决的关键问题[10]。蓖麻和绿豆对重金属富集性、耐受性、经济性均较强，同时也具有较大的生物量或具有较强耐干旱、耐土壤贫瘠力、适应能力强，对重金属污染农田修复具有较高的实用价值[11-12]。同时绿豆还具固氮作用，可提高土壤肥力[13-16]。本研究通过绿豆和蓖麻对轻度土壤重金属污染农田修复进行研究，探索修复新途径。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于内蒙古自治区中部某尾矿库周边农田，该地区海拔750 m，全年平均气温5 ℃，年均日照时数为2 950 h，无霜期115 d，属中温带大陆性季风气候，土壤类型为栗钙土和棕壤土，碱性土壤。

1.2 试验材料

当地主栽绿豆、蓖麻品种各1 种。

1.3 试验方法

试验于2019 年5—11 月进行，开始前采集0～20 cm 耕层土壤。设置对照组（CK）、绿豆组、蓖麻组3 个试验组，3 次重复，小区面积40 m2，种肥二铵450 kg·hm-2，复合肥150 kg·hm-2，整个生育期灌水3 次，其他种植管理方式按照当地常规习惯种植。

1.4 样品采集

收获时，采用五点取样法采集土壤、植株样品。绿豆处理每个分样点采集3 个植株，0.5 kg 土壤；蓖麻处理每个分样点采集1 个植株，0.5 kg 土壤。最后，分别将每个处理小区采的植株装入网袋，土壤样品混合装入布袋中。植株样品带回风干处理后将籽粒分离，70 ℃烘至恒质量，粉碎过100 目筛备用。土壤样品风干碾碎后用四分法取样品200 g，分别过18、100 目筛后备用。

1.5 检测指标及方法

土壤检测：pH 值、铬、铅、镉、砷、汞重金属含量等6 项指标。铅、镉：石墨炉原子吸收分光光度法；铬：火焰原子吸收分光光度法；砷、汞：原子荧光法；pH 值：离子选择电极法。

植物检测：铬、铅、镉、砷、汞重金属含量等5 项指标，方法同上。

2 结果与分析

2.1 不同植物修复处理对土壤重金属含量的影响

由表1 可知，除土壤As 外，绿豆、蓖麻组4 种土壤重金属含量显著低于CK 处理，绿豆组土壤Cr、Pb、Cd 和Hg 的含量分别是CK 的0.88 倍、0.74 倍、0.43倍、0.67 倍，较CK 分别降低11.84%、26.27%、56.97%、33.33%，蓖麻组土壤Cr、Pb、Cd 和Hg 的含量分别是CK 的0.95 倍、0.79 倍、0.66 倍、0.67 倍，较CK 分别降低5.35%、20.85%、33.94%、33.33%。由此可见，种植绿豆和蓖麻可以显著降低土壤中Cr、Pb、Cd 和Hg 的含量。绿豆与蓖麻对于降低土壤中Cd 效果最好。

表1 不同植物修复前后土壤重金属含量 mg·kg-1

绿豆组和蓖麻组相比，土壤Cr 降低了6.32%；土壤Pb 降低了6.85%；土壤Cd 降低了34.86%；土壤As 降低了3.29%；土壤Hg 含量相同，且出Cr 外，绿豆组和蓖麻组对土壤中重金属含量差异不显著。总体来看，种植绿豆和蓖麻对土壤Pb、Cd 和Hg 的吸附量差别不大，在Pb、Cd 和Hg 轻度污染的农田中，种植这两种作物均可以降低土壤中重金属含量，但在降低土壤Cd 方面，种植绿豆效果优于蓖麻，表明绿豆对土壤Cd 的吸附高于蓖麻。

2.2 富集植物对重金属的累积

由表2 可知，绿豆籽实5 种重金属含量均小于绿豆秸秆，蓖麻籽实5 种重金属含量均小于蓖麻秸秆，说明重金属在植物体内器官转移程度呈逐渐减小状态。

表2 修复植物不同部位重金属累积量 mg·kg-1

绿豆籽实Cr、Pb、Cd、As 和Hg 5 种重金属含量的平均值分别是0.37、0.27、0.02、0.05、0.001 mg·kg-1。蓖麻籽实中Cr、Pb、Cd、As 和Hg 5 种重金属含量的平均值分别是0.07、0.10、0.03、0.04、0.001 mg·kg-1，除Cd 和Hg 之外，其余均表现为蓖麻籽实重金属含量低于绿豆籽实重金属含量，尤其是蓖麻籽实Cr 和Pb 的含量仅为绿豆的0.19 倍、0.37 倍，蓖麻籽实中Cd 的含量高于绿豆，是绿豆的1.50 倍，蓖麻籽实中Hg 含量与绿豆秸秆中Hg 含量相当。

绿豆秸秆中Cr、Pb、Cd、As 和Hg 5 种重金属含量的平均值分别是 3.28、5.05、0.2、0.13、0.002 mg·kg-1，蓖麻秸秆中Cr、Pb、Cd、As 和Hg 5 种重金属含量的平均值分别是1.45、0.86、0.06、0.09、0.002 mg·kg-1，除Hg 之外，蓖麻秸秆其余4 种重金属含量均低于绿豆秸秆，蓖麻秸秆中Cr、Pb、Cd、As 的含量分别仅为绿豆的0.44 倍、0.17 倍、0.30 倍、0.69 倍，蓖麻秸秆中Hg 含量和绿豆秸秆中Hg 含量相当。由此可见，绿豆对Cr、Pb、Cd 和As 的富集能力高于蓖麻，二者对Hg 的富集能力相当。

绿豆植株地上部Cr、Pb、Cd、As 和Hg 5 种重金属含量的平均值分别是3.65、5.32、0.22、0.18、0.003 mg·kg-1，蓖麻植株地上部Cr、Pb、Cd、As 和Hg 5 种重金属含量的平均值分别是1.52、0.96、0.09、0.13、0.003 mg·kg-1，除Hg 外，绿豆植株地上部Cr、Pb、Cd、As 含量均高于蓖麻，分别达到2.4 倍、5.5 倍、2.4 倍、1.4 倍。

2.3 不同富集植物生物量

该试验区绿豆平均产量为1 519.5 kg·hm-2，秸秆平均干质量为2 247 kg·hm-2，地上部产量3 766.5 kg·hm-2；蓖麻平均产量为2 592 kg·hm-2，秸秆平均干质量为5 302.5 kg·hm-2，地上部产量7 894.5 kg·hm-2。

表3 不同富集植物生物量 kg·hm-2

2.4 富集植物的地上部富集系数

富集系数指植物某一部位重金属含量与土壤中该种重金属含量的比值，反映了重金属在植物体内的富集情况，其值越大，表明植物的富集能力越强。本试验主要针对绿豆和蓖麻地上部植株（籽实和秸秆）富集情况进行研究。由图1 可知，绿豆组、蓖麻组对5 种重金属的地上部富集系数均小于1；绿豆组和蓖麻组对Hg 的地上部富集系数相等，均为0.10。绿豆组对Cr、Pb、Cd 和As 的地上部富集系数均高于蓖麻；绿豆组对Cr、Pb、Cd 和As 的地上部富集系数分别为0.07、0.03、0.13、0.02，对5 种重金属的地上部富集系数大小顺序为Cd>Hg>Cr>Pb>As，对Cd的地上部富集系数最大，为0.13，对As 的地上部富集系数最小，为0.02。蓖麻组对Cr、Pb、Cd 和As 的地上部富集系数分别为0.02、0.005、0.05、0.01，5 种重金属的地上部富集系数大小顺序为Hg>Cr>Cd>As>Pb，对Hg 的地上部富集系数最大，为0.1，对Pb的地上部富集系数最小，为0.005。

图1 不同修复植物对重金属的富集系数

地上部富集系数与植物对土壤中重金属含量的影响呈现正相关关系，绿豆和蓖麻对土壤中Cd 降低效果最好，分别达到56.97%、33.94%，绿豆较蓖麻土壤Cd 降低了34.86%，在所有影响土壤重金属的元素中降低率为最高。绿豆、蓖麻地上部富集系数中，Cd 与其他几种元素相比也较高，同时绿豆和蓖麻在对Cd 的地上部富集系数上差别最大，与两种植物对土壤的影响一致。从不同的角度印证了绿豆与蓖麻对重金属Cd 的吸附效果最好，绿豆优于蓖麻。

3 讨论与结论

3.1 讨论

有研究表明，豆科植物可以吸附重金属，主要原因是根瘤菌向土壤分泌氨基酸、谷胱甘肽等特殊物质[17]，改变了土壤中重金属元素存在形态，使其降低毒性或转换为低毒性形态，减轻重金属对自身细胞的毒害[18]。根瘤菌还可以改变重金属在土壤固相组分中的分布，通过改变土壤固相组分中的重金属向土壤溶液中释放的数量，进而降低重金属在土壤中的活性，起到对土壤重金属污染的解毒作用[19-21]。本研究中，绿豆可以降低土壤重金属含量，原因在于植株的吸附、根瘤菌降低了重金属活性或转化为其他复合物，从而减轻对土壤的损害，增加了绿豆植株的吸附率。这与前人研究较为一致。同时绿豆对于降低土壤Cd 效果最为明显，下降率达到56.97%。

蓖麻作为一种重金属修复植物，其对重金属富集性及耐受力较强，且经济价值较高，同时具有很大的生物量、很强的耐旱、耐贫瘠能力、适应能力[22]。有研究表明，蓖麻对重金属胁迫的耐性响应及解毒机制主要包括细胞膜质过氧化、抗氧化系统调节、有机酸络合调节、重金属的固定和区室化隔离等[23-25]。本试验中，蓖麻组土壤较CK 均有降低，Cr、Pb、Cd 和Hg 分别降低5.35%、20.85%、33.94%、33.33%。这有可能为蓖麻的解毒机制，在不影响自身正常生长的条件下，增加了对重金属的吸附作用。