低鎘鉛甜玉米品種篩選及在間套種修復(fù)污染土壤中的應(yīng)用

陳銘孫， 李擇桂， 林賢柯， 劉 朋， 衛(wèi)澤斌， 吳啟堂

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院/土壤環(huán)境與廢物資源農(nóng)業(yè)利用廣東高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510642

我國農(nóng)田土壤重金屬污染問題嚴(yán)重[1]，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的安全生產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[2]，廣東省是我國農(nóng)田土壤重金屬污染較嚴(yán)重的區(qū)域。張金蓮等調(diào)查了廣東省清遠(yuǎn)市農(nóng)田土壤重金屬污染情況，結(jié)果表明，與廣東省土壤背景值相比，農(nóng)田表層0～20 cm土壤中鉛(Pb)、銅(Cu)、鎘(Cd)、鋅(Zn)、鎳(Ni)和鉻(Cr)元素含量表現(xiàn)出不同程度的富集。從單項(xiàng)污染指數(shù)來看，72.7%的表層土壤樣品存在1種或幾種重金屬超標(biāo)，以Cd、Cu、Pb和Zn污染為主，其中Cd污染比例最高，其次是Cu，最后是污染比例相當(dāng)?shù)腜b和Zn[3]。李結(jié)雯等對(duì)廣東省廣州市番禺區(qū)農(nóng)田土壤中砷(As)、汞(Hg)、Cu、Zn、Ni、Pb、Cr、Cd等8種重金屬的含量進(jìn)行分析，結(jié)果表明，Cd的污染最普遍，其次是Hg[4]。林榮譽(yù)等對(duì)廣東省珠海市基本農(nóng)田規(guī)劃區(qū)的土壤樣品進(jìn)行測(cè)定分析，研究發(fā)現(xiàn)有7%的土壤處于中污染狀態(tài)，53%的土壤處于輕污染狀態(tài)[5]。

目前，土壤重金屬污染的修復(fù)途徑主要有2種：(1)改變重金屬在土壤中的存在形態(tài)，使其固定，降低其在環(huán)境中的遷移性和生物可利用性，即穩(wěn)定化；(2)從土壤中去除重金屬，使其存留濃度接近或達(dá)到背景值，即去( 除) 污化。方法包括客土、固定化、化學(xué)淋洗、電動(dòng)修復(fù)、植物修復(fù)、微生物修復(fù)和動(dòng)物修復(fù)，單獨(dú)使用1種方法很難獲得高效、低耗、低擾動(dòng)的理想效果，對(duì)重金屬污染土壤的治理應(yīng)根據(jù)污染場(chǎng)地的實(shí)際情況采用最合理的方案[6]。另外，采用抗污染低累積作物品種[7]來減輕農(nóng)作物可食部分重金屬污染，這樣能保持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，對(duì)人體的危害降至最低，提高農(nóng)民耕作的積極性，并且具有成本低的優(yōu)點(diǎn)。目前，國內(nèi)外正在興起研究熱潮，聯(lián)合修復(fù)技術(shù)是目前的研究熱點(diǎn)之一。其中，Wu等研究施加配制混合淋洗劑(mix chelant，MC)[檸檬酸 ∶味精廢液 ∶乙二胺四乙酸(ethylenediaminetetraacetic acid，EDTA) ∶氯化鉀(KCl)濃度比=10 ∶1 ∶2 ∶3.5]對(duì)東南景天與玉米套種兩者吸收重金屬的影響，結(jié)果表明，該方法能夠提高東南景天對(duì)重金屬的富集，而且低累積作物莖葉也可用作飼料[8]。衛(wèi)澤斌等在植物套種和螯合劑施用對(duì)重金屬污染土壤的長期修復(fù)效果以及對(duì)地下水可能的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，東南景天與玉米的套種適合于春夏季進(jìn)行，施加螯合劑可以促進(jìn)重金屬向下層土遷移，滲濾液重金屬含量會(huì)提高，但未明顯超過地下水Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[9]。本試驗(yàn)針對(duì)7個(gè)甜玉米品種，并和1個(gè)低Cd飼料玉米品種進(jìn)行對(duì)比，開展試驗(yàn)研究，探討其對(duì)Cd和Pb元素積累能力的差異，篩選出低Cd、Pb甜玉米品種，從而降低玉米重金屬含量超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)，在飼料玉米的基礎(chǔ)上提高玉米種植效益，并將篩選出的甜玉米品種應(yīng)用于與東南景天的間套種修復(fù)污染土壤中，驗(yàn)證篩選出的品種應(yīng)用效果。

1 材料與方法

1.1 供試土壤和植物

玉米品種篩選田間試驗(yàn)選址為廣東省韶關(guān)市某地，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，平均氣溫20.4 ℃，年降水量1 778 mm，無霜期312 d。試驗(yàn)田污染來源為多金屬礦礦山廢水污染河流，多年灌溉污染河水污染農(nóng)田。8種玉米種子和東南景天苗均采自浙江衢州某古老鉛鋅礦滲濾池，試驗(yàn)土壤來自樂昌某鉛鋅礦污染的農(nóng)田，土壤基本理化性質(zhì)詳見表1。

表1 2種試驗(yàn)土壤的基本理化性質(zhì)

1.2 供試試劑與儀器

試劑：硝酸、氫氟酸、高氯酸、鹽酸(優(yōu)級(jí)純，購于廣州化學(xué)試劑廠)、KOH(購于廣東省廣州市東圃化工園)，Ca(OH)2(購于湖南省翁源縣某石灰石廠)。

主要儀器：火焰原子吸收光譜儀(日本日立Z-2300型)，石墨爐原子光譜儀(日本日立Z-2700型)，自動(dòng)定氮儀(上海纖檢儀器有限公司KDN-103F)，消化爐(上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司HYP-1040)，pH計(jì)(上海精科儀器有限公司雷磁PHS-3C)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

品種篩選試驗(yàn)地總面積110 m2，試驗(yàn)時(shí)間為2015年4—7月。設(shè)置3個(gè)區(qū)組(3個(gè)重復(fù))、8個(gè)處理(品種)，共24個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積2 m2，8個(gè)處理(品種)在區(qū)組內(nèi)隨機(jī)排列。玉米種子共8個(gè)品種，其中甜玉米品種7個(gè)，SMP1260、SMHTN、CN6號(hào)、SSXM、JZY、FM、HZ，筆者所在課題組已篩選出的低累積飼料玉米品種1個(gè)，云石-5號(hào)。玉米4月底播種，每個(gè)小區(qū)定植10株，7月初收獲。

滲濾池試驗(yàn)時(shí)間為2015年11月至2016年6月，由于CN6品種春夏季種植產(chǎn)量低，滲濾池試驗(yàn)玉米品種采用JZY，均與東南景天套種，再分3個(gè)處理：處理1，F(xiàn)eCl3淋洗，處理2，混合螯合劑(MC)淋洗以及對(duì)照組(不作淋洗處理)，每一塊面積是0.9 m×0.9 m，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，隨機(jī)排列。11月先種植超富集植物東南景天，每個(gè)小區(qū)均勻種植100株大小相近的東南景天苗，3月每個(gè)小區(qū)種植6株玉米，5月收獲東南景天，6月收獲玉米，灌溉水為自然降水和自來水。

每個(gè)月施復(fù)合肥1次，每小區(qū)10 g，玉米成熟前1個(gè)月噴灑殺蟲劑除蟲。

1.4 樣品收集與處理方法

樣品采集：種植玉米前采集起始土壤樣品，玉米收獲前1個(gè)月收獲東南景天，玉米收獲時(shí)采集土壤樣品及玉米籽粒、莖葉植物樣品，東南景天。土壤樣品用土鉆分別采集0～20、20～40 cm 2個(gè)土層。

樣品處理：土壤樣品采集后置于通風(fēng)陰涼處風(fēng)干，過20、100目尼龍篩，儲(chǔ)存于封口袋中待測(cè)。玉米莖葉采集后用自來水清洗泥土，再用雙蒸水潤洗，晾干，玉米棒脫粒，放入大信封中置于烘箱內(nèi)105 ℃殺青30 min，65 ℃烘干至恒質(zhì)量，用高速粉碎機(jī)粉碎，儲(chǔ)存于封口袋中待測(cè)。收獲的東南景天用自來水沖洗干凈，再用雙蒸水漂洗3次，晾干，置于信封中烘干，粉碎貯存于封口袋中備測(cè)。

1.5 測(cè)定方法

土壤理化性質(zhì)指標(biāo)的分析方法參照魯如坤的方法[10]進(jìn)行，土壤和植物重金屬分析方法采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法[11]。

1.6 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理用Excel軟件，顯著性分析SAS 8.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米產(chǎn)量

如表2所示，玉米的品種不同，其產(chǎn)量存在較大差異，玉米籽粒產(chǎn)量由大到小順序?yàn)镃N6號(hào)>HZ>云石-5號(hào)>JZY>HTN>FM>SMP1260>SSXM。JZY、CN6號(hào)、HZ籽粒產(chǎn)量超過或者接近飼料玉米云石-5號(hào)籽粒產(chǎn)量，可將上述3個(gè)品種定為高產(chǎn)品種，其中CN6號(hào)產(chǎn)量達(dá)到0.299 kg/m2。莖葉產(chǎn)量由大到小順序?yàn)镾MP1260>JZY>FM>HZ>HTN>CN6號(hào)>云石-5號(hào)>SSXM。SSXM由于氣候等原因，其籽粒、莖葉產(chǎn)量最低，不適于在廣東地區(qū)種植。

表2 玉米籽粒和莖葉產(chǎn)量

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示品種間差異顯著(P<0.05)，下同。

2.2 品種篩選試驗(yàn)玉米重金屬含量

分析各玉米品種籽粒Cd、Pb、Cu和Zn含量，結(jié)果如表3所示，玉米籽粒重金屬含量品種間差異較大，其中SMP1260、HTN、JZY、CN6號(hào)、HZ、云石-5號(hào)籽粒Cd含量低于食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(0.1 mg/kg)，SSXM、FM籽粒Cd含量略高于食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，分別是食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的1.11、1.23倍，籽粒Cd含量由小到大順序?yàn)镃N6號(hào)<云石-5號(hào)

如表4所示，8個(gè)品種玉米莖葉Cd、Pb含量符合有機(jī)肥重金屬衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)出的玉米莖葉均可用于制作有機(jī)肥。莖葉Cd含量由小到大順序?yàn)镃N6號(hào)<云石-5號(hào)

表3 不同玉米品種籽粒重金屬含量

表4 不同玉米品種莖葉重金屬含量

2.3 各品種玉米富集系數(shù)

表5顯示，玉米種植前后土壤重金屬濃度變化不大。根據(jù)生物富集系數(shù)公式：BCF=Cp/Cs，結(jié)合表3、表4、表5中玉米籽粒、莖葉重金屬含量計(jì)算得出各品種玉米富集系數(shù)，結(jié)果如表6所示。從籽粒富集系數(shù)看，8個(gè)品種籽粒Cd富集系數(shù)均<1，尤其是籽粒Pb富集系數(shù)遠(yuǎn)小于1，莖葉Pb富集系數(shù)也<1，莖葉Cd富集系數(shù)除SSXM、FM 2個(gè)品種>1，其余品種均<1，說明籽粒對(duì)重金屬不富集，莖葉只有SSXM、FM 2個(gè)品種對(duì)Cd體現(xiàn)出富集。

2.4 套種試驗(yàn)玉米產(chǎn)量和重金屬含量

選定JZY為應(yīng)用品種，其因?yàn)橹亟饘俸糠鲜称沸l(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，而且產(chǎn)量較好。分析各處理之下玉米籽粒Cd、Pb、Cu和Zn含量，結(jié)果如下表7所示，其中籽粒Cd含量均低于食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(0.1 mg/kg)，三個(gè)處理籽粒Cd含量非常接近，并沒顯著差異。籽粒Pb含量檢測(cè)濃度低于食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(0.2 mg/kg)。

各處理之下玉米莖葉Cd、Pb、Cu和Zn含量，結(jié)果如下表8所示，生產(chǎn)出的玉米莖葉均可用于制作有機(jī)肥。各處理重金屬含量并沒有明顯差異。莖葉重金屬Cd含量符合飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(1 mg/kg)，莖葉重金屬Pb含量符合飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(5 mg/kg)，可以用于動(dòng)物飼料生產(chǎn)。

各處理之下玉米籽粒和莖葉產(chǎn)量如表9所示，未淋洗+套種處理的籽粒產(chǎn)量最高，F(xiàn)eCl3淋洗+套種處理的籽粒產(chǎn)量最低與其他處理產(chǎn)量有明顯差異。MC淋洗+套種的莖葉產(chǎn)量最高，達(dá)1.256 kg/m2，且各處理沒有顯著性差異。

2.5 東南景天產(chǎn)量和重金屬提取量

各處理東南景天重金屬含量和產(chǎn)量如表10所示，Cd和Pb含量沒有顯著性差異，東南景天對(duì)Cu和Pb基本不富集，對(duì)Cd和Zn具有富集作用，只有套種處理的東南景天Zn含量高達(dá)6 154 mg/kg，是MC淋洗+套種處理東南景天Zn含量的22.3倍。東南景天的產(chǎn)量有顯著性差異，其中只有套種處理的東南景天產(chǎn)量最高，是MC淋洗+套種處理產(chǎn)量的 4.98 倍。

東南景天提取量如表11所示，由于產(chǎn)量的關(guān)系，各處理東南景天對(duì)每種重金屬的提取量都有顯著性差異，未淋洗+套種處理東南景天對(duì)Cd提取量為14.65 mg/m2，提取率為2.74%，分別是FeCl3+套種處理、MC+套種處理的1.95、6.85倍。未淋洗+套種處理東南景天對(duì)Zn提取量高達(dá) 2 719 mg/m2，分別是FeCl3+套種處理，MC+套種處理的2.22、9.22倍。

表5 玉米種植前后表層土壤重金屬含量

表6 各品種玉米富集系數(shù)

2.6 套種試驗(yàn)土壤重金屬變化

滲濾池各處理土壤重金屬含量如表12所示。各處理過后土壤4種重金屬含量都有不同程度下降，其中Cd含量下降最明顯，未淋洗+套種處理和FeCl3淋洗+套種處理Cd含量分別下降10.4%、15.1%，MC淋洗+套種Cd、Pb含量下降最多，分別下降23.6%、22.5%。

表7 套種試驗(yàn)的玉米籽粒重金屬含量

表8 套種試驗(yàn)玉米莖葉重金屬含量

表9 套種試驗(yàn)玉米產(chǎn)量

3 討論與結(jié)論

不同品種的Cd、Pb含量存在差異，說明篩選低Cd、Pb甜玉米品種是可行的， 由于氣候不同， 玉米產(chǎn)量之間也存在差異，有些品種不適合于當(dāng)?shù)氐臍夂蛩翖l件，淋洗劑對(duì)土壤中Cd、Pb的淋洗效果比較明顯，對(duì)東南景天的產(chǎn)量和玉米的產(chǎn)量也有一定的影響，對(duì)于施加螯合劑可能產(chǎn)生的地下水污染風(fēng)險(xiǎn)，可以通過在深層土壤添加固定劑有效固定表層淋濾下來的重金屬。MC淋洗過后的土壤抑制植物生長，導(dǎo)致生物量偏低，土壤有些板結(jié)。MC淋洗效果對(duì)土壤重金屬效果較好，主要是因?yàn)镸C的施加促進(jìn)了土壤重金屬的淋濾，導(dǎo)致表層土壤Zn和Cd含量最低，表層淋濾出的重金屬向下層遷移，套種+MC處理的下層土壤的重金屬明顯增加。東南景天不是Pb超富集植物，植物對(duì)土壤Pb提取量貢獻(xiàn)較小，主要依賴MC淋洗劑對(duì)Pb的淋濾，因此未施加MC處理的土壤Pb

表10 東南景天的重金屬含量和產(chǎn)量

表11 東南景天的提取量

表12 滲濾池各處理土壤重金屬含量

含量沒有明顯降低。

許多研究表明，只要選擇合適的重金屬低積累玉米品種，受重金屬污染的田地也能生產(chǎn)出安全的產(chǎn)品[12-13]。甜玉米的經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高， 能夠帶動(dòng)農(nóng)民生產(chǎn)的積極性。本研究通過對(duì)8個(gè)玉米品種的試驗(yàn)研究再一次表明，通過品種篩選，也能找到合適的符合食用衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)且產(chǎn)量較好的重金屬低累積甜玉米品種。

在品種篩選結(jié)果中，SMP1260、HTN、JZY、CN6號(hào)、HZ、云石-5號(hào)籽粒Cd含量低于食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(0.1 mg/kg)，SSXM、FM Cd含量略高于食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，分別是食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的1.11、1.23倍，籽粒Pb含量檢測(cè)結(jié)果均不超過食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(0.2 mg/kg)，SSXM、FM 2個(gè)品種莖葉Cd含量超過飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(1 mg/kg)，分別是飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的1.56、1.98倍，其余品種Cd含量符合飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。莖葉Pb含量由小到大順序?yàn)樵剖?5號(hào)