硫鐵礦區污染土壤鎘鉛高富集蓖麻品種篩選

鮑廣靈，陶榮浩，張慧敏，葉文玲，胡兆云，周彩玲，馬友華*

（1.農田生態保育與污染防控安徽省重點實驗室，安徽農業大學資源與環境學院，合肥 230036；2.銅陵市義安區農業技術推廣中心，安徽 銅陵 244000）

我國硫鐵礦產資源豐富，其開采會使周圍生態環境受到破壞，采礦過程中排放的廢水、廢氣和廢渣等重金屬污染物會通過大氣沉降、污水灌溉以及地表徑流等方式進入礦區周邊農田[1]。現階段國內對硫鐵礦區土壤重金屬污染研究主要體現在重金屬含量、空間分布等方面，而有關硫鐵礦區對周邊農田土壤質量的影響、篩選高富集植物的系統性研究報道較少[2?3]。針對污染物含量高于農用地土壤污染風險篩選值（管制值）的土壤，2018年8月國家生態環境部發布的《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）中提及了替代種植、退耕還林等嚴格管控措施[4]，高富集植物的篩選和種植適用于重度污染礦區周邊農田的修復利用[5]。

蓖麻被認為是一種潛在的修復土壤重金屬污染的植物，其根系較廣、生物量大、生長勢強，能夠充分適應廣泛的環境條件[6?7]。同時，蓖麻是一種非食用的經濟作物，是生物燃料和生物柴油生產所需的能源作物。因此，蓖麻在解決日益增加的能源需求和Cd污染農田的修復這兩個全球難題方面具有很好的研究價值[8?9]。不同品種的蓖麻對重金屬的累積存在較大的差異，因此，篩選具有實際應用價值的Cd、Pb 超富集植物具有非常重要的意義[10?11]。研究發現，不同蓖麻品種對Cd的富集能力也存在巨大差異。王沛琦等[12]的研究結果表明，在Cd 污染農田中不同蓖麻品種農藝性狀表現各異，生物量不同，蓖麻吸收的Cd主要集中在地上部分，不同品種均有一定的Cd 富集和轉移能力。尹明等[13]的研究結果表明，7 種紅麻在重度污染耕地中的Cd移除量為72.49～149.17 g·hm?2，在輕微污染耕地中的Cd 移除量為25.95～49.91 g·hm?2，紅麻各部位Cd 的富集能力為葉＞根＞莖，轉移能力為葉＞莖。目前全國各區域均開展了重金屬高富集植物品種修復篩選工作，明確當地主要重金屬累積的品種差異、闡明制約重金屬累積的關鍵過程和因素是篩選適配區域條件的高富集植物品種的重要基礎[14]。另外，目前的品種篩選通常是以特定污染元素為目標，缺乏針對多種污染元素的多目標篩選[15]。

本研究在安徽省銅陵市義安區某大型硫鐵礦區周邊農田建立試驗小區，以18 個蓖麻品種為材料，篩選Cd、Pb 高富集蓖麻品種。周邊耕地土壤普遍遭受到Cd、Pb復合污染，大部分農產品中Cd、Pb含量超過食品安全國家標準。本研究旨在探討Cd、Pb 脅迫對重金屬的累積轉運及蓖麻生長情況的影響，以期篩選出適宜推廣種植的Cd、Pb高富集蓖麻品種，為我國礦區Cd、Pb 復合污染農田土壤安全利用提供有效的參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地為安徽省銅陵市義安區東部某嚴格管控類耕地，距銅陵市區約30 km。當地屬于北亞熱帶季風過渡區，四季分明，年平均氣溫16.1 ℃，雨量適中，濕度較大，日照充足，無霜期長，季風氣候顯著。銅陵是我國重要的產礦地區之一，試驗地周圍有1 個大型硫鐵礦，礦區周邊農田已遭受不同程度的Cd、Pb復合污染，其中農田土壤Cd 存在重度污染，Pb 存在中度污染的情況。

1.2 材料

1.2.1 土壤

試驗前期采用五點取樣法采集蓖麻相應生長土壤表層土樣（0～20 cm）約500 g，混合均勻裝入樣品袋，用于土壤本底值檢測。土壤基本性狀：Cd 全量為1.64 mg·kg?1，有效態Cd 為0.828 mg·kg?1，Cd 含量高于農用地土壤污染風險管制值，屬于重度污染；Pb 全量為208 mg·kg?1，有效態Pb 為55.2 mg·kg?1，Pb 含量高于農用地土壤污染風險篩選值，低于農用地土壤污染風險管制值，屬于輕度污染。試驗小區土壤pH 為4.89，有機質含量為32.81 g·kg?1，有效磷含量為43.17 mg·kg?1，全氮含量為1.16g·kg?1，堿解氮含量為189.21mg·kg?1。

1.2.2 蓖麻品種

供試蓖麻（Ricinus communisL.）共有18 個品種，分別用BM?1～BM?18 表示，均由淄博市相關試驗站提供，在試驗地生長良好。

1.3 試驗設計

試驗采取隨機區組的方式進行，18 個蓖麻品種為18 個不同處理，每個處理3 個重復，共54 個小區，小區面積為24 m2，每個品種每個小區栽種3 行，每行3 穴，每穴一粒，栽種9 粒，共栽種27 粒。蓖麻使用中等種植密度（15萬株·hm?2），行距100 cm，株距60 cm。本試驗于2020 年5 月份在安徽省銅陵市義安區某嚴格管控類耕地上進行大田試驗，在蓖麻播種前一周進行基肥的播撒（50 kg·hm?2的氮磷鉀三元素復合肥），播種1 個月后進行田間除草，及時進行田間排水和除蟲等工作，3個月后再次進行除草后及時補肥（15 kg·hm?2的氮肥）。2020 年10 月19 日（生長周期大約5 個月后）進行采樣，測定各小區產量，并采集各試驗小區的根際土樣[16]及蓖麻品種植株樣。

1.4 樣品處理與分析

采集的蓖麻樣品分為根、莖、葉、殼和籽粒5 個部分。植株先清洗干凈，再用去離子水清洗；根部使用10 mmol·L?1的乙二胺四乙酸溶液清除Cd 離子，最后用去離子水清洗。對樣品進行稱量，得到其相關部分的鮮質量。將樣品放入105 ℃烘箱中進行殺青，30 min后再調至80 ℃的烘箱內烘干并稱質量，最后利用不銹鋼粉碎機進行粉碎。土壤、植株干樣品經微波消解后，用原子吸收分光光度計測定，得出Cd 和Pb 含量。

參照相關標準（GB 23739—2009）測定土壤有效態Cd（DTPA?Cd）、有效態Pb（DTPA?Pb），用德國耶拿Z700P 原子吸收分光光度計火焰法測定[17]。蓖麻不同組織中Cd、Pb 的測定參照標準GB/T 500915—2003，用德國耶拿Z700P原子吸收分光光度計石墨爐法測定[18]。土壤常規指標按照國標方法和《土壤農化分析》[19]進行測定，土壤蔗糖酶活性采用3,5?二硝基水楊酸比色法測定，過氧化氫酶活性采用重鉻酸鉀滴定法測定，脲酶活性采用靛酚藍比色法測定[20],土壤蛋白酶活性采用加勒斯江法測定[21]。土壤pH 用去CO2蒸餾水浸提（土水比1∶2.5），而后用精密pH 計（TARTER2100）測定。以國家標準參比物質土壤樣品（GBW07461）和植物樣品（GBW10045）進行質量控制，國標樣分析結果均在允許誤差范圍內。根據以下公式計算相關指標：

轉運系數（TF）=植株地上部重金屬含量（mg·kg?1）/植株地下部重金屬含量（mg·kg?1）[22]

富集系數（BCF）=植株重金屬含量（mg·kg?1）/土壤重金屬含量（mg·kg?1）[23]

提取總量（EA）是評估蓖麻植株對Cd、Pb 的提取能力的指標[24]，計算公式如下：

式中：QRoot為根的生物量，g；CCd-Root、CPb-Root為根中Cd、Pb 的濃度，mg·kg?1；QStem為莖的生物量，g；CCd-Stem、CPb-Stem為莖中Cd、Pb 的濃度，mg·kg?1；QLeaf為葉的生物量，g；CCd-Leaf、CPb-Leaf為葉中Cd、Pb 的濃度mg·kg?1；QFruit為果實的生物量，g；CCd-Fruit、CPb-Fruit為果實中Cd、Pb的濃度，mg·kg?1。

1.5 數據分析

采用Excel 和SPSS 23.0 軟件，用方差分析和相關分析的方法進行統計分析。數據表示為平均值±標準差，用Duncan′s檢驗顯著性差異（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 不同品種蓖麻生物量及產量的差異性

生物量的變化程度可有效地反映植物對重金屬Cd、Pb 的耐性情況。由圖1 可知，本研究中，不同品種蓖麻植株生長受到不同程度的抑制作用，對重金屬脅迫具有一定的耐性。18 個蓖麻品種全株生物量為166.75～1 267.30 kg·hm?2，平均值為599.68 kg·hm?2；產量為33.35～633.65 kg·hm?2，平均值為143.28 kg·hm?2。其中，BM?2、BM?3、BM?4、BM?12、BM?14、BM?17、BM?18 的生物量大于平均值；BM?2、BM?3、BM?4、BM?9、BM?11、BM?12、BM?14 的產量大于平均值。

2.2 不同品種蓖麻對Cd、Pb吸收、富集、轉運及提取量

2.2.1 不同品種蓖麻植株Cd、Pb含量的差異

由表1 可以看出，Cd、Pb 在蓖麻不同組織的分布情況均為根＞莖＞葉＞殼＞籽粒。其中，根、莖、葉、殼和籽粒中Cd 質量分數變化范圍分別是1.05～1.50、0.66～0.97、0.51～0.93、0.23～0.90 mg·kg?1和0.18～0.63 mg·kg?1，平均值分別為1.29、0.80、0.68、0.59 mg·kg?1和0.47 mg·kg?1，變異系數分別為11.97%、6.65%、19.05%、2.86%和30.86%；品種BM?1 和BM?12 的指標均大于平均值。根、莖、葉、殼和籽粒中Pb 質量分數變化范圍分別是103.74～131.99、8.53～34.44、0.43～2.97、0.34～2.03 mg·kg?1和0.27～0.49 mg·kg?1，平均值分別為117.81、21.93、1.26、0.95 mg·kg?1和0.34 mg·kg?1，變異系數分別為8.77%、34.76%、54.42%、52.98%和16.36%；BM?3的各項指標均大于平均值。

表1 不同品種蓖麻植株Cd、Pb含量（mg·kg?1）Table 1 Contents of Cd and Pb in castor bean plants of different varieties（mg·kg?1）

2.2.2 不同品種蓖麻對Cd、Pb 的富集和轉運系數的差異

富集系數（BCF）和轉運系數（TF）是衡量植物對重金屬積累轉運能力的重要指標。由表2可知，18個蓖麻品種對Cd 的富集系數均大于1，對Pb 的富集系數均小于1。其中對Cd 的富集系數為1.66～2.82，對Pb 富集系數為0.61～0.77，富集能力最強的品種是BM?12，最弱的品種是BM?17；18個蓖麻品種莖葉Cd轉運系數為0.92～1.46，籽粒Cd 轉運系數為0.37～0.87，莖葉Pb轉運系數為0.12～0.32，籽粒Pb轉運系數為0.03～0.22。

2.2.3 不同品種蓖麻對Cd、Pb提取能力的差異

蓖麻植株Cd、Pb 提取量受蓖麻品種的影響。由表3 可知，在農田Cd、Pb 污染脅迫下，18 個品種蓖麻Cd 的提取量范圍為7.86～42.67 mg·株?1，Pb 的提取量范圍為353.81～1 482.22 mg·株?1，平均值分別為21.42 mg·株?1和904.05 mg·株?1。BM?2、BM?3、BM?12、BM?14 和BM?18 具有較強的Cd 提取能力，BM?2、BM?3、BM?12、BM?17 和BM?18 具有較強的Pb 提取能力。

表3 不同品種蓖麻對Cd、Pb的提取量Table 3 Extraction amount of Cd and Pb by different varieties of castor bean

2.3 不同品種蓖麻根際土壤酶及根際土壤有效態Cd、Pb

2.3.1 不同品種蓖麻對根際土壤酶活性變化的影響

由于蓖麻品種不同，對土壤中酶活性的影響也不相同。從表4可以看出，種植18個蓖麻品種的根際土壤中所含的蔗糖酶、蛋白酶、過氧化氫酶和脲酶的含量分別在13.17～30.57 mg·kg?1、0.85～1.68 μg·g?1、1.97～3.93 mg·g?1和0.12～0.26 mg·g?1，平均值分別是21.92 mg·kg?1、1.09μg·g?1、3.03 mg·g?1和0.19 mg·g?1，變異系數分別是22.39%、22.06%、15.49%和19.46%。

表4 不同品種蓖麻對根際土壤酶活性的影響Table 4 Effects of different varieties of castor bean on soil enzyme activities

2.3.2 不同品種蓖麻對根際土壤有效態Cd、Pb含量的影響

由表5 可知，有效態Cd 含量變化范圍為1.25～2.82 mg·kg?1，有效態Pb含量變化范圍為72.20～108.79 mg·kg?1，與背景土壤的相關數值相比，土壤中有效態Cd、Pb 均有明顯的上升，其中BM?5、BM?6、BM?13、BM?16 和BM?17 的土壤有效態Cd 含量提升的幅度最為明顯；BM?4、BM?7、BM?8、BM?11和BM?12 的土壤有效態Pb 含量提升的幅度最為明顯；BM?11、BM?12、BM?15 和BM?16 的土壤pH 酸化最為明顯。

表5 不同品種蓖麻對土壤有效態Cd、Pb含量和pH的影響Table 5 Effects of different varieties of castor bean on soil available Cd，Pb content and pH

2.3.3 根際土壤酶活性與根際土壤有效態Cd、Pb的相關性

蓖麻土壤中有效態Cd、Pb 與土壤中脲酶含量之間沒有顯著相關性，與土壤中蔗糖酶含量呈顯著正相關性，與土壤蛋白酶含量呈現顯著正相關性，與土壤中過氧化氫酶含量呈顯著負相關關系（表6）。

表6 根際土壤酶活性與根際土壤有效態Cd、Pb的相關性Table 6 Correlation between enzyme activities and available Cd and Pb in rhizosphere soil

2.3.4 不同品種蓖麻植株Cd、Pb 含量與土壤有效態Cd、Pb的相關性

蓖麻根中Cd 含量與葉、殼、籽粒Cd 含量和土壤有效態Cd 含量之間沒有顯著相關性，與莖Cd 含量之間呈顯著正相關。蓖麻莖中Cd 含量與葉、籽粒Cd 含量和土壤有效態Cd 含量之間沒有相關性，與殼Cd 含量之間呈極顯著正相關。蓖麻葉中Cd 含量和殼、籽粒Cd 含量之間呈顯著正相關關系，而與土壤有效態Cd 含量之間呈顯著負相關關系；蓖麻籽粒中Cd 含量與土壤有效態Cd之間沒有顯著相關性（表7）。

表7 蓖麻不同組織Cd含量與根際土壤有效態Cd含量的相關性Table 7 Correlation between Cd content in different tissues of castor bean and available Cd in rhizosphere soil

蓖麻根中Pb 含量與籽粒Pb 含量之間沒有顯著相關性，與莖、葉、殼Pb 含量和土壤有效態Pb 含量之間呈極顯著正相關。蓖麻莖中Pb 含量與葉、殼和籽粒Pb 含量之間沒有顯著相關性，與土壤有效態Pb 含量之間呈極顯著正相關。蓖麻葉中Pb含量與籽粒Pb含量之間沒有顯著相關性，與殼Pb 含量和土壤有效態Pb 含量之間呈極顯著正相關。蓖麻殼中Pb 含量與籽粒Pb 含量之間沒有顯著相關性，與土壤有效態Pb含量之間呈顯著正相關。蓖麻籽粒中Pb含量與土壤有效態Pb含量之間沒有顯著相關性（表8）。

表8 蓖麻不同組織Pb含量與根際土壤有效態Pb含量的相關性Table 8 Correlation between Pb content in different tissues of castor bean and available Pb in rhizosphere soil

2.4 不同品種蓖麻植株Cd、Pb含量聚類分析

根據不同品種蓖麻植株中的Cd、Pb含量差異，采用系統聚類分析方法，將不同品種蓖麻分成3 類來表示其對Cd、Pb 的累積能力差異，具體分為Ⅰ類（對Cd、Pb 積累較低的蓖麻品種）、Ⅱ類（對Cd、Pb 積累中等的蓖麻品種）和Ⅲ類（對Cd、Pb 積累較高的蓖麻品種）。具體如圖2 所示，品種BM?2、BM?5、BM?6、BM?7、BM?8、BM?9、BM?10、BM?11、BM?12、BM?13、BM?14、BM?15、BM?16 和BM?18 為Cd 積累較高的品種；品種BM?4、BM?6、BM?7、BM?11、BM?13、BM?15、BM?17 和BM?18 為Pb 積累較高的品種。品種BM?6、BM?7、BM?11、BM?13、BM?15 和BM?18 為Cd、Pb積累均較高的品種。

3 討論

3.1 不同品種蓖麻植株對Cd、Pb的吸收、富集和轉運

植物不同組織中重金屬含量的不同與植物種類和重金屬種類息息相關[25]。不同蓖麻品種由于遺傳上的差異對重金屬的積累存在差異，不同重金屬在蓖麻不同部位的積累也存在一定差異[26]。前人對Cd、Pb 在蓖麻不同器官分布的研究結果也略有差異，張惠[27]的研究表明，在Cd污染濃度為150 mg·kg?1、Pb污染濃度為1 000 mg·kg?1的最高污染土壤中，蓖麻各器官累積Cd、Pb 的順序均為：根＞莖＞葉。張晗芝等[7]通過盆栽試驗表明，蓖麻不同部位Cd 含量為莖＞葉＞果實，重金屬大部分累積在蓖麻的根部，少量積累在莖葉中，果實中的含量相對較少。鄢小龍等[28]通過鉛鋅礦區周邊農田42 個Cd、Pb 低累積玉米品種篩選的研究表明，34個玉米品種Cd在植株內的分配規律為根＞葉＞莖＞籽粒，其余玉米品種的分配規律為葉＞根＞莖＞籽粒，42 個品種Pb 在玉米植株內的分配規律為根＞葉＞莖＞籽粒。諶金吾[29]的研究表明，Cd、Pb 在植物各組織的分布基本上是：根＞葉＞枝＞花＞果實＞籽粒，即吸收組織＞同化組織和輸導組織＞繁殖組織。本研究中，不同蓖麻品種各組織Cd、Pb 含量的大小順序均為：根＞莖＞葉＞殼＞籽粒，與前人研究結果相似，但與王沛琦等[12]對蓖麻的研究結果不一致。蓖麻不同組織中Cd、Pb 含量的高低可能與Cd、Pb 在根細胞中的分布及向地上部分轉運能力的高低有關，還可能與土壤中的根系分泌物有關[30]。

富集系數和轉運系數的高低直接影響果實中重金屬的含量，并反映出植物對重金屬的富集和轉運能力[31?32]。尹明等[13]的研究表明，重度Cd 污染下，不同品種紅麻根的富集系數平均值為3.33；不同品種紅麻莖轉運系數平均值為0.46，葉為2.43。符慧琴等[33]的研究表明，0.41 mg·kg?1（輕微污染）Cd 濃度土壤中20種苧麻的富集系數為0.97～1.58，轉運系數為0.66～1.41。楊珍平等[34]的研究表明，當土壤Cd 濃度為5 mg·kg?1時，蓖麻對Cd 的富集系數均大于1。楊惟薇等[35]的研究表明，不同玉米品種中重金屬Cd、Pb 的平均轉運系數均低于1.00。本研究中，18 個品種蓖麻Cd 的富集系數為1.66～2.82，Pb 富集系數為0.61～0.77，莖葉Cd 轉運系數為0.92～1.46，果實Cd 轉運系數為0.37～0.87，莖葉Pb 轉運系數為0.12～0.32，果實Pb 轉運系數為0.03～0.22；不同品種蓖麻對Cd、Pb 的富集系數均大于1，且莖葉Cd 轉運系數多數大于1，莖葉Pb 轉運系數均小于1，Cd、Pb 富集系數與前人對蓖麻研究結果相似，但轉運系數不一致，推測可能與蓖麻不同品種間生理特性差異及Cd、Pb 在蓖麻體內的轉運速率等有關，Cd 易與蛋白質結合成有機絡合物，在蓖麻植株體內的遷移性比Pb強。

礦區種植的植物生活在重金屬含量較高的環境中，對重金屬污染產生了適應方式，不同品種蓖麻對重金屬的吸收和積累機制存在一定差異[36?37]。張玉芬[38]將12 個蓖麻品種劃分為高耐性和低耐性兩類，其中5 個蓖麻品種是高耐性品種，7 個蓖麻品種是低耐性品種；根據蓖麻地上部Cd 累積量差異大小可分為高累積性和低累積性兩類，再結合蓖麻的耐性分為低耐低累積、低耐高累積、高耐低累積和高耐高累積4 種類型。本研究通過聚類分析把硫鐵礦區對重金屬有一定耐性的蓖麻品種劃分為Cd 和Pb 高、中和低富集品種，比較不同蓖麻植株中重金屬含量，篩選品種BM?6、BM?7、BM?11、BM?13、BM?15 和BM?18 為Cd、Pb 積累富集較高的品種。蓖麻與一些生長快、抗性好、具有富集重金屬能力的植物，如玉米、水稻、小麥等相比，不僅生物量大，且種子重金屬含量低，可用于生產生物能源，不進入食物鏈，不會對人體產生危害。此外，蓖麻是多年生植物，可以種植在不適合糧食作物生長的貧瘠和重金屬污染的土壤上，持續去除污染土壤中的重金屬[39]。

3.2 不同品種蓖麻對根際土壤pH及有效態Cd、Pb含量的影響

當受到重金屬脅迫時，蓖麻可能會通過改變根系分泌物的組成和數量來改變根際環境，根系分泌物會影響根際土壤重金屬的生物有效性，通過改變土壤中重金屬的形態，從而改變蓖麻對重金屬的富集能力[40]。黃國勇[24]的研究表明，草酸、酒石酸、檸檬酸、琥珀酸和蘋果酸是蓖麻根系分泌物中重要的有機酸。姚詩源[41]研究發現根系的分泌活動酸化了根際土壤，增加了酸交換性和可還原態Cu 含量，而其他形態銅含量減少。曹雪瑩[42]研究發現土壤重金屬總量及pH等因素都對其重金屬有效態含量有重要影響。大量研究表明，土壤有效態Cd 含量與其總量呈顯著或極顯著正相關，與pH 呈顯著或極顯著負相關[43]（酸性土壤）。在本試驗中，土壤pH 均有所下降，且重金屬Cd、Pb 的有效態含量有明顯提高，不同品種蓖麻的土壤有效態Cd、Pb含量存在明顯差異，與前人研究結果一致。根系分泌物可能通過降低土壤pH值及改變氧化還原電位使重金屬在土壤中的移動性和有效性發生變化[44]，但分泌物的成分及作用仍待進一步研究。

4 結論

（1）在農田土壤Cd、Pb 脅迫下，供試的18 個蓖麻品種生長及產量差異顯著，不同品種蓖麻對Cd、Pb的耐性不同；Cd、Pb 的提取量范圍分別為7.86～42.67 mg·株?1和353.81～1 482.22 mg·株?1，品種BM?2、BM?3、BM?12和BM?18具有較強的Cd、Pb提取能力。

（2）田間小區試驗表明，土壤中有效態Cd、Pb 均顯著上升，BM?11、BM?12、BM?15 和BM?16 的土壤pH 酸化顯著。蓖麻不同部位Cd、Pb 含量從大到小依次為：根＞莖＞葉＞殼＞籽粒，根部是Cd、Pb 累積的主要器官；不同品種蓖麻Cd、Pb 的富集系數均大于1，且莖葉Cd 轉運系數多數大于1，莖葉Pb 轉運系數均小于1，不同蓖麻品種對Cd的富集和轉運能力明顯高于Pb。

（3）根據蓖麻產量、不同組織Cd、Pb含量、富集系數、轉運系數及提取量等指標進行綜合評價，BM?2、BM?6、BM?7、BM?15 和BM?18 共5 個品種可作為Cd、Pb 高富集蓖麻品種在嚴格管控類耕地上推廣種植，其中效果最好的品種是BM?18。