甘藍型油菜品種對農田土壤重金屬鎘與銅的富集差異研究

費維新 榮松柏 初明光

摘要 [目的]探討甘藍型油菜品種對農田土壤中重金屬鎘與銅污染修復能力的差異。[方法]選用10個在生產上應用的主要油菜品種在重金屬鎘、銅污染區與非污染區種植，研究不同品種在兩種不同背景土壤下生長期與植株部位對農田土壤中重金屬鎘與銅的吸收富集差異。[結果]甘藍型油菜對土壤中的重金屬鎘與銅有較強的吸附與富集能力，但不同的甘藍型油菜品種間與植株的不同部位對重金屬的吸附富集能力有差異。油菜植株對鎘的吸收富集主要集中在莖葉部位尤其是莖稈上，各部位富集能力依次為：莖稈>葉片>根>種籽;對銅吸收富集主要集中在根部和種籽上，各部位富集能力表現為：根>種籽>葉片>莖稈。10個甘藍型油菜品種對重金屬鎘的富集能力表現較大差異，苗期秦優10號對重金屬鎘的富集能力最強，成熟期秦優11號與綿油11號表現出對鎘的超富集能力;不同油菜品種對銅的富集能力也表現出差異，苗期秦優10號葉片的銅富集能力較強，成熟期秦優10號與浙油51種籽的銅富集能力較強。[結論]該研究可為重金屬污染土壤的修復提供技術支撐。

關鍵詞 甘藍型油菜;農田土壤;重金屬污染;植物修復;富集能力

中圖分類號 X53文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）10-0074-05

Abstract [Objective]To explore the difference of remediation ability of Brassica napus varieties to heavy metal cadmium and copper pollution in farmland soil. [Method]Ten main rapeseed cultivars were planted in heavy metal cadmium， copper contaminated areas and nonpolluted areas. The difference of absorption and enrichment of different cultivars to cadmium and copper in farmland soils at different growth stages and plant locations were studied under two different soil backgrounds.[Result]Rapeseed had strong ability of adsorption and enrichment for heavy metals cadmium and cuprum in contaminated soil， but the ability of adsorption and enrichment for heavy metals was different in different rapeseed cultivars and different parts of plants. The cadmium mainly enriched in stems and leaves of rapeseed plants， especially on the stems. The enrichment ability of each part was in turn： leaves>stems> roots > seeds. The cuprum mainly enriched in roots and seeds， and the enrichment ability of each part was shown as： root > seeds > leaves > stems. Ten rapeseed varieties showed significant differences in the enrichment ability for heavy metal cadmium. In the seedling stage， the enrichment ability for heavy metal cadmium of Qinyou10 was stronger than other cultivars， while in the mature stage Qinyou11 and Mianyou11 enrichment ability for cadmium was best. The enrichment ability of copper in different rapeseed varieties also showed differences. The copper enrichment ability of Qinyou 10 was stronger in seedling stage， and the copper enrichment ability of Qinyou 10 and Zheyou 51 in mature stage was relatively higher.[Conclusion]This study can provide technical support for the repair of heavy metal contaminated soil.

Key words Brassica napus;Farmland soil;Heavy metal pollution;Phytoremediation;Enrichment capacity

隨著我國工業化進程加快以及農業生產上農藥化肥的不合理過量使用，重金屬污染農田水體已成為當前一大嚴重問題。農業部農產品污染防治重點實驗室對全國24個省市土地調查顯示，重金屬超標的農產品占污染物超標農產品總面積的80%以上。環境保護部對基本農田保護區土壤的重金屬抽測，重金屬超標率達12.1% [1]。農產品、魚類產品、生活用水等重金屬超標問題頻現，由于重金屬難以降解與清除，在生物圈中移動與累積，對食品安全與人類健康造成嚴重的影響。顧繼光等[2]研究發現，土壤農作物受鎘污染導致產生“鎘米”，人食用后容易得風濕性關節炎、腎炎、潰瘍病等疾病，癌癥平均死亡率也會增加，人體內酶的正常活動受到鎘的影響后，會造成貧血、高血壓、骨痛病。為此，學術界提出了多種修復治理重金屬污染土壤與水體的方法，但是很多措施因成本高昂及操作過程繁瑣而難以實施。

植物吸取修復技術（phytoextraction）是利用植物將土壤中的重金屬吸收、轉移到植物的可收獲部分，通過收獲植物來減少土壤與水體中重金屬含量，具有成本低、簡便易行、安全可靠、環境友好等諸多優點，是植物修復技術[3-4]中研究最多的一類，已成為國內外重金屬污染環境治理研究的熱點和前沿領域[5]。我國研究發現了一批重金屬積累或超積累植物，其中包括Cu積累植物海州香薷（Elsholtzia splendens Nakai）、鴨跖草（Commelina communis Linn.）等;Cd超積累植物東南景天（Sedum alfredii Hance）、龍葵（Solanum nigrum L.）、伴礦景天（Sedum plumbizincicola X.H.Guo et S.B.Zhou sp.nov.）、圓錐南芥（Arabis paniculata F.）、長柔毛委陵菜（Potentilla griffithii var.velutina）、芥菜型油菜（Brassica juncea L.）等[6-7]。但上述重金屬富集植物在我國的適應性與種植技術方面有一定的局限性。

油菜是我國的主要農作物之一，甘藍型油菜（Brassica napus L.）在我國南北地區廣泛種植，常年種植面積近1 000萬hm2，生長生物量大，生產的菜籽油是我國重要的食用油來源，同時也可作為生物柴油[8-9];并且油菜的生產種植技術成熟易于掌握，因此比非農作物植物及種植較少的芥菜型油菜在應用上更具有優勢。油菜對于鎘、銅都具有修復潛力，研究篩選出甘藍型油菜品種滬油20對Cd污染土壤的凈化率都超過1%，達到了超累積植物對重金屬吸附的要求[10]。另有研究發現，油菜地上部分對Cd的吸收量顯著高于地下部分[11]，其中莖的Cd含量最高，籽粒最低;低濃度下，油菜對Cd的轉運系數較高，修復效率可達6.841%～7.752%，可用于修復中等程度Cd污染土壤。油菜地下部分對Cu

的吸收量顯著高于地上部分，Cu在油菜根部的積累尤其明顯[12-13]。為了進一步探索利用甘藍型油菜開展重金屬污染土壤的植物修復技術，為修復重金屬污染土壤提供適合的油菜品種，該研究分析比較了甘藍型油菜品種對受污染土壤與未受污染土壤中重金屬鎘、銅的吸收富集能力差異以及重金屬在植物不同部位的分布差異，以期為污染土壤修復提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選用的10個甘藍型油菜品種均為目前我國長江流域油菜生產上主要推廣應用種植的甘藍型油菜品種，其品種的適應性、豐產性良好;在生產上種植面積大，范圍廣，作為重金屬污染植物修復應用也可以充分發揮其品種生產應用潛能，較其他種類修復應用植物品種在污染治理上更有優勢。

1.2 試驗設計

試驗品種分別種植在重金屬鎘和銅污染區銅陵市義安區和非污染區肥東縣撮鎮，其中銅陵義安試驗點土壤中鎘和銅含量較風險篩選值分別超出6.93、183 mg/kg（表2）。土壤檢測參照DZ/T0279-2016與DZ/T0130.2—2006方法[14-15]，檢測儀器主要為 X射線熒光光譜儀、原子熒光光譜儀。試驗前茬種植水稻。采用隨機區組試驗設計，4次重復，小區面積20 m2，種植密度15萬株/hm2，整地前每公頃施用底肥俄羅斯復合肥（NPK16-16-16）750 kg。試驗采用直播穴播方式播種。分別在苗期與成熟期取樣分析地下部根系、地上部葉片、莖稈與種籽中的重金屬鎘與銅的富集含量。

1.3 樣品處理

1.3.1 植物樣品前處理法。樣品采集：每小區植物樣品采取5點取樣法采樣，每個點采集5株共計25株混合制樣，4次重復，植物采集后裝入潔凈的聚乙烯封口塑料袋，帶回實驗室分析。植物清洗：先將植物樣品根莖葉分開，用自來水和0.1 mol稀鹽酸洗凈，然后用去離子水淋洗3次，晾干后稱鮮重，然后于105 ℃烘箱中殺青30 min，并在70 ℃烘干2 d，計干重，測定植物含水率。烘干后的樣品分別用不銹鋼磨碎機粉碎，過60目篩，保存備用。

1.3.2 植物消化處理。樣品稱量：稱取1 g烘干粉碎后的均勻植物樣品放入消化管底部，加入5 ml硝酸，蓋上小漏斗，靜置過夜。樣品消化：將消化管放入消化爐，90 ℃消化0.5 h，120 ℃消化1 h，至植物消化至透亮的黃色液體，關爐冷卻。樣品定容：將消化液過濾，用去離子水定容至25 mL容量瓶。分裝至樣品儲備瓶（10 mL塑料離心管，每個樣品裝2管），待測。

1.3.3 測定方法。植物樣品用 5∶1 的HNO3 /HClO4（V/V）消化，然后用原子吸收光譜儀（品牌：德國耶拿NovAA400P）進行Cd等元素含量測定。

1.4 數據處理

試驗數據分析軟件采用Microsoft Excel 統計和SAS 9.1進行方差分析（多重比較采用Duncan 法，0.05水平）。計算富集系數（BCF，地上部器官中重金屬含量與土壤中重金屬含量的比值）和轉運系數（TF，莖葉中重金屬含量與根部重金屬含量的比值）。

2 結果與分析

2.1 供試甘藍型油菜品種的生長情況

試驗發現，在肥東重金屬非污染區與銅陵重金屬污染區2個試驗點，參試的10個甘藍型油菜品種田間生長表現均正常，油菜品種在植株生長發育、葉色、葉型、開花及結籽等方面均無明顯差異，因此試驗選用的這些油菜品種適合在該污染區域種植。

2.2 油菜苗期植株根系與葉片對鎘的吸附能力比較

表3～4表明，油菜苗期植株根系與葉片對污染土壤中的重金屬鎘均有富集作用，葉片中的鎘平均含量為5.39 mg/kg，根中的鎘平均含量為1.57 mg/kg，10個油菜品種鎘在根部的富集系數均值為0.216 8，富集系數均小于1;在葉片部分的富集系數均值為0.746，其中秦優10號富集系數大于1;所有參試品種的轉運系數均值為3.528，德油99轉運系數最高（4.395），葉片對重金屬鎘的富集能力較根強。

方差分析結果表明，品種間對重金屬鎘的富集能力表現差異達顯著水平，秦優10號與中油589的苗期對重金屬鎘的富集能力較強，其中秦優10號的根與葉片中鎘含量分別為2.35、8.13 mg/kg，中油589的根與葉片中鎘含量分別為1.89、6.41 mg/kg;相對來說灃油737與德油99的富集鎘能力較弱。

2.3 油菜苗期植株根系與葉片對銅的吸附能力比較

油菜苗期植株根部對重金屬銅具有較強的富集吸附能力，分析結果表明根的重金屬銅平均含量為5.88 mg/kg，在污染土壤區與非污染區不同品種間根部對銅富集的差異均未達顯著水平;根部的富集系數均值為0.025 2，所有參試油菜品種富集系數均小于1;秦優10號與滬油21根系的銅富集能力較強，其中秦優10號根部的銅含量分別為7.46、6.98 mg/kg（表5）。

油菜葉片的銅平均含量為2.38 mg/kg，根部的銅含量是葉片的2.47倍，在污染土壤區試驗品種間葉片對銅的富集能力表現出顯著差異，葉片銅富集系數均值為0.010 2，所有品種的富集系數均小于1;其中 秦優10號與浙油51葉片的銅富集能力較強，其葉片中銅含量分別為4.65、3.43 mg/kg。天禾油11等4個品種對土壤中重金屬銅的富集吸附能力較弱（表6）。

2.4 油菜成熟期植株莖稈與種籽中重金屬鎘的含量比較

由表7可知，油菜品種間莖稈中鎘的富集系數均值為3.032，其中秦優11號的富集系數最高（5.539），所有參試品種成熟期植株莖稈對鎘的富集系數均大于1;品種成熟期莖稈中重金屬鎘的平均含量為21.92 mg/kg，不同油菜品種間莖稈中鎘的含量表現出差異，方差分析結果達顯著水平。秦優11號與綿油11號表現出對鎘的超富集能力，其中莖稈中鎘含量分別為40.04、39.47 mg/kg，秦優10號等5個品種對土壤中的重金屬鎘表現出較弱的富集能力。而種籽中鎘的平均含量僅為0.51 mg/kg，富集系數均值為0.070 4，所有品種種籽的富集系數均小于1，方差分析結果表明，參試油菜品種間種籽富集重金屬鎘含量的差異不顯著。可見成熟期重金屬鎘主要富集在油菜莖稈中。

2.5 油菜成熟期植株莖稈與種籽中重金屬銅的含量比較

3 討論與結論

甘藍型油菜對土壤中的重金屬鎘與銅具有較強的吸附與富集能力，但是植株的不同部位對重金屬的吸附富集能力有差異。研究結果表明，油菜植株對鎘的吸收富集主要集中在莖葉部位尤其是莖稈上，其中各個部分富集能力表現為：莖稈>葉片>根>種籽，對銅的吸收富集主要集中在根部和種籽上，其中各個部分富集能力比較表現為：根>種籽>葉片>莖稈。王寧等[17-19]對重金屬鎘在油菜中的富集研究表明，油菜體內Cd分布為地上部>地下部，隨著Cd濃度的升高，油菜植株對Cd的吸收顯著增加，而且油菜地上部分的吸收量顯著高于地下部分，其中莖的Cd濃度最高，籽粒最低，與該研究結果基本一致。但也有研究認為油菜體內Cd積累規律為根部大于地上部 [20-21]，這可能與各學者研究采取的研究方法與樣品采集時間不同導致的分析數據差異，具體原因有待進一步試驗驗證。楊紅飛等[12]等對重金屬Cu在油菜中的富集研究表明，重金屬Cu主要積累在油菜根部，向莖葉遷移累積的量很少;成熟期單一Cu污染和復合污染時油菜根莖葉中Cu含量及富集系數均為根>葉>莖，與該研究結果一致。

甘藍型油菜對土壤中重金屬鎘與銅的富集能力在品種間有差異，同時在油菜的不同生長時期與不同植株器官部位也存在差異。參試的10個甘藍型油菜品種對重金屬鎘的富集能力表現較大差異，苗期秦優10號與中油589對重金屬鎘的富集能力較強，成熟期秦優11號與綿油11號表現出對鎘的超富集能力;對銅的富集能力品種間也表現出差異，苗期秦優10號等3個品種根系的銅富集能力較強，成熟期浙油51與秦優10號的種籽中銅含量較高。同時一些甘藍型油菜品種表現出較低的重金屬吸附富集能力，如中核雜418對鎘的富集能力較弱，天禾油11與德油99等品種對銅的吸收富集能力較弱。因此在重金屬污染土壤的修復過程中，可根據實際情況選擇對重金屬吸附富集能力強的甘藍型油菜品種連續種植，結合秸稈與根的處理方法清除污染土壤中的重金屬，從而保障農業的安全健康生產。

該研究中把種籽中的重金屬含量也作為一項重要檢測指標，結果表明Cd在植物中的遷移能力較強，莖葉中富集較多，但在籽粒中的含量較莖稈中低很多;Cu則主要富集于植株根部與種籽中，但其含量在不同品種間差異顯著，其機理有待進一步研究。因此通過品種的選擇，有望得到在莖葉中重金屬含量高而在籽粒中含量低的油菜品種，在修復污染土壤中獲得的油菜油脂可以研究開發作為生物柴油，這樣既可提高農業生產經濟效益，又可實現邊生產邊修復，比較符合我國目前農業土地資源有限、土壤重金屬污染突出的實際國情。

參考文獻

[1] 傅國偉.中國水土重金屬污染的防治對策[J].中國環境科學，2012，32（2）：373-376.

[2] 顧繼光，林秋奇，胡韌，等.土壤-植物系統中重金屬污染的治理途徑及研究展望[J].土壤通報，2005，36（1）：128-133.

[3] 王小玻.重金屬復合污染農田土壤植物修復的研究[D].昆明：昆明理工大學，2010.

[4] SAIER M H，JR，TREVORS J T.Phytoremediation[J].Water，air and soil pollution，2010，205（S1）：61-63.

[5] SHAHEEN S M，RINKLEBE J.Phytoextraction of potentially toxic elements by Indian mustard，rapeseed，and sunflower from a contaminated riparian soil[J].Environmental geochemistry and health，2015，37（6）：953-967.