兩種農業種植模式對重金屬土壤的修復潛力

楊　洋, 陳志鵬, 黎紅亮, 廖柏寒, 曾清如,,*

1 湖南農業大學生物科學與技術學院, 長沙　410128

2 湖南農業大學資源與環境學院, 長沙　410128

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兩種農業種植模式對重金屬土壤的修復潛力

楊洋1, 陳志鵬2, 黎紅亮2, 廖柏寒1, 曾清如1,2,*

1 湖南農業大學生物科學與技術學院, 長沙410128

2 湖南農業大學資源與環境學院, 長沙410128

摘要:植物修復農田土壤重金屬污染需要經歷一個長期的過程，而大部分用來修復的植物都不具備利用價值，不能給當地農民帶來經濟收入。因此，一些農作物由于其較大的生物量和一定的經濟價值，在植物修復土壤重金屬污染的應用中受到廣泛關注。是在重金屬(Cu、Zn、Pb、Cd、As、Hg)復合污染的郴州礦區廢棄農田種植油菜、玉米和油葵,研究油菜-玉米和油-油葵兩種種植模式對土壤重金屬污染的修復潛力。實驗結果表明：三種作物在復合污染土壤中對重金屬都表現出一定的耐性及吸收積累能力。向日葵的根和葉中重金屬Cd、Cu的含量都很高，其中Cd在向日葵的各個部位的富集系數(BCF)及Cu在向日葵的根和葉的富集系數(BCF)都大于1。兩種輪作模式對作物的產量沒有明顯的影響，收獲得到的干物質量都很高，每年每公頃分別為油菜16.6t、玉米25.29t、油葵22.5t。兩種種植模式都可以對土壤中的重金屬進行有效的提取，油菜-油葵種植模式下提取重金屬Cu、Pb、Cd、As的量較高，分別為：Cu 2408g hm-2a-1，Pb 2027g hm-2a-1，Cd 658.5g hm-2a-1，As 250g hm-2a-1，油菜-玉米模式下Zn和Hg的提取量較高，分別為Zn 4987g hm-2a-1和Hg 7.92g hm-2a-1；對于多種重金屬復合污染的土壤來說，油菜-油葵的種植模式要優于油菜-玉米的種植模式。總的來說，利用3種作物兩兩輪作的種植模式，在不影響作物產量的前提下大大的提高了作物對重金屬的提取總量。3種作物在收獲以后又可以用做工業原料，這就使得當地農民充分利用礦區廢棄農田修復污染的同時又能從中獲得一定經濟效益。

關鍵詞：耕地; 重金屬污染; 農業種植模式; 大生物量; 植物修復

隨著全球經濟的發展，人們對金屬制品的需求日益增大，使得采礦和冶金行業的迅速發展，由此引發的礦區周邊土壤重金屬污染和其他環境問題已經引起人們的嚴重關注[1- 2]。采礦過程中會產生大量的礦石、礦渣、尾礦及粉塵，它們都含有較高濃度的重金屬，是土壤重金屬污染的主要來源之一[3]。這些廢物中的重金屬可以通過大氣沉降、土壤的徑流和淋溶等各種途徑轉移到礦區周邊的農田和水體當中，造成重金屬污染，從而影響農作物的產量和質量，并且通過食物鏈逐步進入人體，危害到人類的身體健康,嚴重制約了我國農業生產以及農產品安全問題[4- 5]。湖南是有名的“有色金屬之鄉”，礦產資源十分豐富，已發現的有色金屬礦產17種，可開發的礦床340多處[6- 7]。研究發現，有色金屬開發所引起的Pb、Cd、As、Hg等重金屬土壤污染面積高達2.8萬km2，占全省總面積的13%[8]。近二三十年的調查表明，湖南省由于有色金屬采礦引起的重金屬污染事件屢見不鮮。湘潭、郴州、衡陽、冷水江等地的礦區周邊大部分農田都受重金屬嚴重污染，使得當地的糧食、蔬菜和引用水都有不同程度的重金屬污染，當地居民由于長期食用這些重金屬超標的食物，他們的癌癥和各種疾病的發病率都有明顯高于其他地區[9- 12]。

植物修復相對于物理、化學等其他修復方法，屬于安全、成本低、環境友好型的重金屬污染治理措施[13- 14]，在礦區土壤重金屬污染治理中得到廣泛的應用。自植物修復發展以來，已經發現了幾百種超富集植物可以用來提取土壤中的重金屬，但通常這些超富集植物對于環境的適應力較差、生長緩慢、生物量小，在實際的農田環境下不能很好生長，對重金屬的吸收積累量達不到理想的效果[15- 17]。因此，在治理礦區農田重金屬污染時，采用一些生物量較大、符合當地種植條件的、有較強重金屬耐受能力、又可以吸收提取重金屬的非食用性農作物或者其他大生物量植物來進行修復[14- 15,18- 19]，比野外的一些超富集植物在應用和修復潛力上有明顯的優勢，在修復重金屬污染的同時又可能帶來一定的經濟效益。

在一些農作物修復土壤重金屬的研究當中，大部分的研究都還是集中在盆栽實驗和實驗室水培研究[20- 21],很少有人在野外條件下研究農作物對重金屬修復潛力[22]。本文是在郴州礦區受重金屬污染的荒廢農田，調整其傳統的水稻、蔬菜種植結構，選取油菜、油葵和玉米3種農作物，以油菜-油葵、油菜-玉米這種兩兩結合的輪作種植模式來治理污染礦區廢棄地。油菜、油葵及玉米都是南方較常見的經濟作物，將它們應用到重金屬污染的農田很容易被當地農民接受，且這3種作物都對重金屬有很強的耐性和吸收富集的能力，被認為是一類對土壤重金屬有修復潛力的非超富集植物[23]。本文的目的在于研究這些作物在該污染地區對重金屬的吸收富集特性，探討利用油菜-油葵、油菜-玉米這種種植模式對復墾及治理重金屬污染廢棄農田的可行性，為類似地區的重金屬污染耕地的農業安全利用和農業種植模式提供有利的技術支撐。

1材料和方法

1.1試驗地點概況

試驗地點位于郴州市蘇仙區塘溪鄉石虎埔村(N25°49.572′，E113°09.223′)，該地區年平均氣溫15—18℃，氣候濕潤，適合植物生長。“有色金屬博物館”之稱的柿竹園有色金屬礦區就位于該區，多年的采礦、選礦以及對礦渣的隨意堆積，已經對周圍的生態環境和人們的生活造成了危機[9,24]。試驗用地選在尾砂礦污染的廢棄農田，在上面進行油菜-油葵和油菜-玉米兩種輪作模式的種植。

1.2試驗設計

在試驗田上劃分兩個相鄰的15m×5m的試驗小區，前一年的11月份在兩個小區上都種植油菜，來年5月份進行油菜的收割；接著繼續翻耕土地，6月中上旬分別在兩個小區種植玉米和油葵，9、10月份陸續收割玉米和油菜。油菜和油葵的種植密度為40cm×65cm(約5株/m2)，玉米的種植密度為40cm×50cm(約9株/m2)。整個過程進行常規的除草、防蟲害等田間管理。收獲的油菜分別對根、莖、葉、莢和菜籽進行分析，玉米分別對根、莖、葉、穗軸和玉米粒進行分析，油葵分別對根、莖、葉、花盤、果實進行分析。

1.3樣品的采集和分析方法

土壤樣品：在種植作物的小區上按照梅花布點法，隨機采取深度為0—30 cm的表層土壤，一共10個土壤樣品。去掉石塊、樹枝等雜物，自然風干，分別過10目和80目尼龍篩，備用測試土壤重金屬總量和不同形態。

植物樣品：收獲后的植物樣品，先用自來水將植株表面的泥土徹底清洗干凈，把植株體的各個部位分離開，將水瀝干后稱其鮮重。然后再用去離子水將植物各部位清洗3遍，瀝干水分后裝入信封袋，放入烘箱內。先在105℃殺青2h，然后調至60℃下烘48h。烘好的植物品稱其干重，計算其各部分的干物質總量。隨后用粉碎機粉碎，裝入自封袋內保持，待測重金屬含量。

土壤中重金屬Cu、Zn、Pb、Cd全量的測定：用HCL-HNO3-HF-HCLO4消解，用ICP(ICPMA8300, Perkinelmer)測定；土壤中重金屬As、Hg：用王水水浴法消解，用原子熒光光譜儀(AFS-920，北京吉天儀器有限公司)測定。植物中重金屬的測定：用HNO3-HCLO4消解，用ICP(ICPMA8300, Perkinelmer)及原子吸收石墨爐(GTA120，Varian)測定Cu、Zn、Pb、Cd的含量，用原子熒光光譜儀(AFS-920，北京吉天儀器有限公司)測定As、Hg的含量；土壤的pH值用pH計進行測定。

土壤重金屬的形態分級：采用歐盟的BCR三步提取法[25]，用ICP (ICPMA8300, Perkinelmer)和原子熒光光譜儀(AFS-920，北京吉天儀器有限公司)測定。該方法測得的土壤重金屬形態分為：可交換態及碳酸鹽結合態(酸溶態)、Fe/Mn 氧化物結合態(可還原態)、有機物及硫化物結合態(可氧化態)以及殘渣態，其中殘渣態是由土壤重金屬全量減去前面3種形態之和得到的。

1.4修復潛力的計算

植物重金屬的富集系數是判斷其修復土壤重金屬能力的一個重要因素[26]。油菜、玉米、油葵中各組織部位對重金屬的富集系數BCF=植物各部位重金屬的含量/土壤中重金屬的含量。各種植模式下對土壤重金屬的修復潛力用植物對重金屬的提取總量表示，詳細計算如下：

(1)每年植物地上部分提取重金屬總量(g hm-2a-1)=莖的生物量(kg hm-2a-1)×莖中重金屬濃度(mg/kg)+葉的生物量(kg hm-2a-1)×葉中重金屬濃度(mg/kg)+花的生物量(kg hm-2a-1)×花中重金屬濃度(mg/kg)+果實的生物量(kg hm-2a-1)(包括果殼和籽實)×果實中重金屬濃度(mg/kg)；

(2)植物地下部分提取重金屬總量(g hm-2a-1)=根的生物量(kg hm-2a-1)×根中重金屬的濃度(mg/kg)；

(3) 植物對重金屬的提取總量(g hm-2a-1)=植物地上部分提取重金屬總量(g hm-2a-1)+植物地下部分提取重金屬總量(g hm-2a-1)

在這里植物的生物量為干物質量，植物收獲時，隨機設置5個點，采取每個點所在的單位m2的完整植株體，計算平均每株完整植物體的干物質量，根據種植密度最后得出植物的生物量。

1.5數據分析

實驗數據使用Origin 8.0、Excel2007軟件分析，所以數據均用平均值加標準偏差表示。

2結果分析

2.1試驗農田土壤重金屬污染情況

通過隨機采樣檢測得到的結果表明(表1)，試驗農田土壤基本呈酸性，pH值在5.25±0.54范圍內；根據《土壤環境質量標準》(GB15618—1995)可知，試驗地區中的Cu的全量在國家二、三級標準之間，Zn、Hg的全量在三級標準之內，而土壤中Pb、Cd、As的全量最高濃度分別是三級標準的1.6倍、10.79倍、21倍。說明該試驗區土壤屬于重金屬復合污染，其中Cu、Zn、Hg為中度污染；Pb、Cd、As濃度都相當高，屬于嚴重污染；Cd和As污染最為嚴重。土壤重金屬的總量是衡量污染程度的一個指標，而重金屬的生物毒性不完全由總量決定，更大程度上取決于化學形態的分布[27]。通過BCR法提取得到土壤中不同形態的重金屬(表1)，除Hg有96.7%屬于殘渣態，其他幾種重金屬50%以上都屬于非殘渣態； Cu、Zn、Pb、Cd中Fe/Mn氧化物結合態(可還原態)的含量最高，As是殘渣態含量最高。重金屬各形態的分布比例如下，Cu：Fe/Mn 氧化物結合態>殘渣態>有機物及硫化物結合態>酸溶態，Zn：Fe/Mn 氧化物結合態>殘渣態>酸溶態>有機物及硫化物結合態，Pb：Fe/Mn 氧化物結合態>殘渣態>有機物及硫化物結合態>酸溶態，Cd：Fe/Mn 氧化物結合態>酸溶態>有機物及硫化物結合態>殘渣態，As：殘渣態> Fe/Mn 氧化物結合態>有機物及硫化物結合態>酸溶態，Hg：殘渣態>酸溶態> Fe/Mn 氧化物結合態>有機物及硫化物結合態。研究表明，可交換態及碳酸鹽結合態(酸溶態)最容易被植物吸收，Fe/Mn 氧化物結合態、有機結合態在一定條件下也能產生生物毒性，殘渣態重金屬幾乎很難被植物吸收[28]。

表1　土壤中重金屬的本底值

*表示土壤環境質量標準(GB15618—1995)，數值為10個土壤樣品平均值±標準誤差

2.2兩種種植模式下植物對重金屬的富集特征

在石虎埔村試驗農田，上半年種植油菜，同一試驗區下半年分別種植玉米和油葵，對成熟期的農作物進行隨機采樣分析，由表2、表3可知兩種種植模式下的3種農作物不同組織器官對重金屬Cu、Zn、Pb、Cd、As的富集濃度和富集系數，油菜、玉米、油葵的各個部分都能吸收積累一定濃度的重金屬。油菜葉中Hg的含量相當高，為(1.16±0.05)mg/kg，遠遠高于其他部位及其在油葵和玉米中的含量，富集系數為0.84；而其他重金屬在油菜中的含量都不高，富集系數都在0.5以下。Zn在玉米根、油葵根和葉中的含量較高，分別達(311.8±16.90)mg/kg、(238.68±12.72)mg/kg和(214.07±6.22)mg/kg，富集系數分別為0.71、0.54、0.49。Pb和As在3種作物中的積累含量都不高，其中Pb的最高濃度出現在玉米根中(158.4±59.61)mg/kg，As的最高濃度是油葵的根部(84.27±4.82)mg/kg，但都遠遠小于土壤的本底值。油葵對重金屬Cu和Cd有很好的吸收富集能力，根和葉中的Cu含量都高于土壤本底值，富集系數分別為1.61、1.27；花盤和果實對Cu的富集系數也接近1.0。油葵地上和地下部分各組織器官對Cd的富集系數都大于1，且最高濃度出現在油葵葉中(41.05±8.56)mg/kg，富集系數為3.98大于地下部分的富集系數3.45，表現出對Cd的超富集能力。

表2　3種作物各組織中重金屬的積累含量

數值為5植物樣品平均值±標準誤差

表3　兩種種植模式下農作物對重金屬的富集系數

2.3兩種種植模式下作物的生物量及對重金屬的提取總

油菜、玉米和向日葵在該重金屬復合污染的土壤上基本能夠正常生長，由圖1可知，3種作物單位植株體的干物質總量以及作物各部位干物質量的比例。油菜地下和地上部分的干物質量基本各占一半，玉米地上部分的干物質量比例高達95%，向日葵地上部分的干物質量為68%。根據試驗設計的種植密度，油菜和向日葵為5株/m2、玉米為9株/m2以及平均每株的干物質量，可以得出表4中每公頃油菜、玉米和向日葵的生物量。3種作物的地上部分秸稈的生物量都達到了6000kg hm-2a-1，玉米的秸稈量高達11682kg hm-2a-1。盡管3種作物能夠在污染土壤中正常生長并且沒有發現毒害作用，其產量還是未能達到實驗室優良條件下的高產水平，但是它們的生物量相對于那些野外的超富集生物來說是相當可觀的。

圖1　油菜、玉米、向日葵的干物質量/(g/株)Fig.1　The dry matter of rape, corn and sunflower

植物不同部位Differentpartsofplant油菜Rape玉米Corn向日葵Sunflower根Roots875012607710莖Stems6050116826250葉Leaves94522681740莢-穗軸-花盤Pods-Cobs-Heads25020702800果實Seeds60080104000總量Total165952529022500

在油菜-玉米、油菜-油葵種植模式下的3種作物除了油葵對Cd的富集能力達到真正的超富集植物的定義，油菜、玉米以及油葵相對于其他重金屬都不屬于超富集植物，但是它們能夠在污染嚴重的尾礦區土壤中正常的生長，且對重金屬有一定的吸收積累能力，它們較高的生物量決定了其從土壤中提取重金屬的能力。以往植物修復所采用的超富集植物雖然富集系數很高，但是生長緩慢，生物量很小，對土壤重金屬的去除效率并不高[14]。而像油菜、玉米和油葵這類的農作物和經濟作物的生物量都遠遠超過了超富集植物，他們對于土壤中重金屬的去除效果更好。經過野外大田試驗的結果表明(表5)，油葵對重金屬Cu、Cd和As的提取量明顯高于玉米和油菜，單獨一季地上部分加地部分下土壤中提取的重金屬總量分別為：Cu 2.14 kg hm-2a-1、Cd 0.592 kg hm-2a-1、As 0.218 kg hm-2a-1；玉米對Zn的提取效果最好，高達3.6 kg hm-2a-1；油菜一季對Pb的提取總量高達1.26 kg hm-2a-1。而將3種作物兩兩組合，分上、下半年進行種植，就使得一年中重金屬的提取量進一步增加了，可以看出兩種種植模式都能夠有效的提取土壤中的重金屬，油菜-玉米、油菜-油葵結合后對重金屬的提取量都要比單獨種植要好。其中Cu、Pb、Cd及As在油菜-油葵的模式下提取量最高，分別為2.4、2.0、0.66、0.25 kg hm-2a-1；油菜-玉米模式下的Zn和Hg提取量較高，分別為4.99、0.0079 kg hm-2a-1。結果表明，油菜-玉米、油菜-油葵的種植模式，能夠對重金屬進行有效的提取，其中油菜-油葵的種植模式對各重金屬的提取效果都不錯，十分有利于土壤重金屬復合污染的修復。

3油菜-玉米和油菜-油葵種植模式修復潛力的討論

通常植物修復提取重金屬的有效性由兩個因素決定：植物對重金屬的積累能力和植物的生物量[29]，而植物的生物量和生物富集系數(BCF)又是衡量一種植物是否具有修復潛力的關鍵要素[30]。超富集植物的生物富集系數(BCF)一般都非常高，但是它們生長緩慢、生物量都比較低，而一般的農作物生物量都要高于超富集植物[31]。試驗結果表明，在重金屬復合污染的土壤中，油菜、玉米、油葵3種植物一季的生物量分別高達：16.6t/hm2、玉米25.29t/hm2、油葵22.5t/hm2。研究發現的一些超富集植物如遏蘭菜在大田中種植一季的生物量卻只有0.38t/hm2[21]；東南景天的生物量為0.85—1.5t/hm2[32]，高的時候也只有5.5t/hm2[17]；寶山堇菜的生物量也只有6.5t/hm2[17]。玉米、向日葵等高生物量的農作物的地上部分卻能高達25—30t/hm2[33]，是超富集植物生物量的幾倍甚至十幾倍。由此可見，在植物修復重金屬應用到實踐時，生物富集系數僅僅只是一個參照指標，植物的生物量往往直接關系到土壤重金屬的去除總量，在一定的條件下生物量較大的農作物對重金屬的提取效果要高于超富集植物。

表5　3種作物不同部位對重金屬的提取總量/(g hm-2 a-1)

隨著人類需求的加大，石油、天然氣等能源危機的到來不得不使人們開始發掘新的能源，其中生物能源材料在很大程度上能夠取代石化能源[34]。玉米是用來提取生物乙醇的原料[5]，油菜、油葵可以作為生物柴油的原料，由于它們有可再生、環境友好型、安全性等特點，很早就是國內外能源作物的研究熱點，且發展規模和技術都很成熟[35- 36]。因此，使用油菜-玉米、油菜-油葵這3種農作物兩兩結合的輪作模式來修復重金屬污染的礦區農田既可以有效的去除土壤中的重金屬，不會對環境造成危害；同時這3種作物收獲后都可以進行回收利用(如做能源植物)，這樣就不會通過食物鏈影響到人類的健康，又能帶來一定的經濟收益。這種植物提取的修復方式更側重于如何對污染土地合理利用及降低風險，而不是提高金屬提取效率等機理性的研究，更具有可行性。

4結論

兩種種植模式的作物都能在礦區重金屬復合的廢棄農田上正常生長，且生物量較大，能有效地提取土壤中的重金屬。其中，油菜-油葵種植模式雖然對Zn和Hg的提取量略低于油菜-玉米種植模式，對Cu、Pb、Cd、As的提取量都體現出明顯的優勢。油菜、玉米、油葵收獲以后又可作物生物柴油、生物乙醇的原料，而非進入食物鏈的食用原料。因此這樣的種植模式是在合理利用廢棄的污染農田和降低風險的基礎上，逐步將重金屬從土壤中提取出來。

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The potential of two agricultural cropping patterns for remediating heavy metals from soils

YANG Yang1, CHEN Zhipeng2, LI Hongliang2, LIAO Bohan1, ZENG Qingru1,2,*

1CollegeofBioscienceandBiotechnology,HunanAgriculturalUniversity,Changsha410128,China2CollegeofResourcesandEnvironment,HunanAgriculturalUniversity,Changsha410128,China

Abstract：Plants needs cost many years to remediateheavy metal-contaminated croplands, and because some plants lack economic value, farmers often have no income during this period.Therefore, selecting suitable plants tolerant to heavy metals and producing products ofeconomicvalue may be a key factor in promoting the practical application of phytoremediation polluted soils. Many studies have demonstrated that some cash crops, which have the ability to attain large biomasses and accumulate metals, are highly tolerant to metal pollution.In order to fully utilize farmland contaminated with heavy metalsfrom mine tailings in Chenzhou, three cash crops (rape, corn, and sunflower) wereinvestigated as candidate phytoextraction plants with the potential to overcome these disadvantages of phytoremediation. To identify the potential of two seasonal cropping patterns (rape and corn, rape and sunflower) to remediate heavy metal contaminated land in Chenzhou, field experiments were conducted using rape, corn, and sunflower at a site highly contaminated with heavy metals(Cu, Zn, Pb, Cd, As, and Hg) from mine tailings.The three cash crops demonstrated the potential to tolerate and accumulate heavy metals. Significant accumulations of Cu and Cd were found in leaves and roots of sunflower. The bioconcentration factors (BCF) of Cd in all sunflower parts (roots, stems, leaves, flower heads, and seeds) and the BCF of Cu in sunflower leaves and roots were more than 1. Both cropping patterns (rape-corn, rape-sunflower) performed well and had no significant effect on yield. Three cash crops produced high annual yields of dry biomass (rape: 16.6t/hm2, corn: 25.29t/hm2, sunflower: 25.25t/hm2)after one year rotations. Both cropping patterns absorbed a wide range of heavy metals from thesoil due to their highbiomass yields.Data obtained from the field experiment were used to estimate the amounts of heavy metals (g hm-2a-1) extracted by the three cash crops grown in each of the two cropping patterns. The rape-sunflower cropping system extracted large amounts of Cu (2408g hm-2a-1), Pb (2027g hm-2a-1), Cd (658.5g hm-2a-1), As (250g hm-2a-1), while Zn (4987g hm-2a-1) and Hg (7.92g hm-2a-1) were extracted by the rape-corn cropping system. The rape-sunflower system performed better than rape-corn at remediating the heavy metal contaminated soil. Overall, the three cash crops tested are more suitable for phytoextraction than most conventional hyperaccumulator plants due to their larger biomass, although they have low bioconcentration factors. Cropping pattern had no effect on crop yield, but increased annual extraction of heavy metals from soil comparedsingle crop systems. Furthermore, rape, corn and sunflower are widely used as biofuel crops, so their seed oil could be for this purpose and the stems have great commercial value in ethanol and paper production. Using these crops and cropping systems for phytoextraction offers thepossibility of producing some economic returns for farmers during the remediationprocess.

Key Words:farmland; heavy metal pollution; cropping patterns; high biomass; phytoremediation

DOI:10.5846/stxb201405040883

*通訊作者

Corresponding author.E-mail:qrzeng@163.com

收稿日期:2014- 05- 04; 網絡出版日期:2015- 06- 12

基金項目:環境保護部公益性行業科研專項(201009047)

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