能源植物甜高粱在銅污染耕地上的應用潛力研究

薛忠財，王冶，柳潔，呂芃，杜瑞恒

（1.河北民族師范學院資源與環境科學學院/冀北山區土壤與特色植物營養創新研究中心，河北 承德 067000；2.河北民族師范學院教師教育學院，河北 承德 067000；3.河北省農林科學院谷子研究所/ 國家高粱改良中心河北分中心，河北 石家莊 050035）

當前，由于銅礦開采、含銅殺蟲劑使用、污水灌溉等人類活動，導致我國耕地土壤銅污染問題十分嚴重[1]，我國銅染物點位超標率達到2.1%[2]，在一些銅礦區附近的土壤中銅含量甚至高達2 000 mg/kg 以上[3]。雖然銅是植物生長必需的微量元素之一，在植物生理代謝中發揮著十分重要的作用[4]，但是過量的銅進入植物體后會導致其生長代謝受到嚴重抑制[5]，并通過食物鏈的富集作用對人們身體健康造成不利影響[1]。因此，銅污染耕地的安全利用和修復也是當前迫切需要解決的土壤環境問題之一。

植物修復技術具有環境友好、成本低、無二次污染等優點，在銅污染耕地的安全利用和修復中已經受到了廣泛關注[6～8]。我國研究者已經篩選了一批銅耐/富集植物，如鴨跖草（Commelina communis）[9]、海州香薷（Elsholtzia splendensL）[10]等，并在植物生理學、生物化學、形態學等方面進行了大量研究[5，6]，為銅礦廢棄地植被重建、銅污染土壤修復提供了優良材料。但是，將這些植物應用于銅含量相對不高且要確保生產收益的耕地改良，存在投入較大、修復周期長、種植效益低等問題。

甜高粱〔Sorghum bicolor（Linn.） Moench〕 是一種優秀的能源植物，具有多種用途，可生產能源、糧食和飼料[11]，具有生物產量高、抗逆性強等特點，在我國大部分地區可以種植[12]。我們前期對甜高粱在不同濃度鎘、鉛處理下的富集規律進行了研究，結果表明，甜高粱對鎘和鉛均具有較強的耐性與吸收能力，當土壤鎘含量為18 mg/kg 時甜高粱的鎘積累量最高可達0.84 mg/株，當土壤鉛含量為3 102 mg/kg 時甜高粱的鉛積累量最高可達12.4 mg/株，由此認為甜高粱可以作為修復大面積鎘、鉛污染耕地的植物材料[13，14]，與前人研究結果[15，16]一致。

雖然關于銅污染土壤的植物修復研究，特別是銅耐/富集植物的篩選、植物對銅的耐性機制等研究已經取得了顯著進展[8，9，17]，但截至目前，有關甜高粱對銅的富集特征及其應用潛力研究尚未見系統報道。通過田間控制試驗，研究不同銅污染條件下甜高粱對銅的吸收和積累規律，分析甜高粱在銅污染耕地上的應用潛力，旨為建立基于甜高粱的重金屬污染耕地安全利用與修復技術提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2016 年5～11 月在河北省農林科學院谷子研究所實驗站進行。土壤為壤土，pH 值6.7，基礎土壤養分含量為有機質2.59 g/kg、全氮1.72 g/kg（速效氮78.9 mg/kg）、全磷0.5 g/kg（速效磷11.2 mg/kg）、全鉀14.8 g/kg（速效鉀94.4 mg/kg），銅含量為33.3 mg/kg〔低于農用地土壤污染風險篩選值100 mg/kg（GB 15618—2018，6.5＜土壤pH 值≤7.5）〕。

1.2 試驗材料

參試甜高粱品種為M64，由河北省農林科學院谷子研究所提供。

基礎土壤取自河北省農林科學院谷子研究所實驗站大田，自然風干，去除雜質后磨碎，過6 mm 篩，備用。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計 2013 年4 月，在基礎土壤中分別添 加Cu（NO3）2·3H2O 溶 液100、150、200、300、400 mg/kg，配制成5 個不同水平的銅污染土壤，依次用Cu1、Cu2、Cu3、Cu4和Cu5表示（表1）；以未添加Cu（NO3）2·3H2O 溶液的基礎土壤作為對照（Cu0）。在農田中挖深0.4 m、寬0.4 m、長3 m 的池子12 個，然后將配制好的土壤分別裝入事先用厚塑料布覆蓋底部和四周（為防止土壤中的銅離子因灌溉而流失或造成二次污染） 的池子中，每處理均設置2 個小區，加水平衡30 d 后用于甜高粱種植。在本試驗開始前該處理小區已經連續種植3 a，因此，在試驗開始前，對各小區土壤測定銅含量（表1）。2016 年5 月26 日播種甜高粱，定苗后每個小區保留12 株，分別在播種期和拔節期每個小區土施尿素50 g，生育期內通過澆水保持田間土壤水分含量，待完成生育期后于11 月8日收獲。

表1 供試土壤的銅含量Table 1 Cu concentration in the tested soil （mg/kg）

1.3.2 測定項目與方法

1.3.2.1 株高和生物量。甜高粱成熟后，每小區均選擇5 株長勢一致的植株，測定株高；之后將植株分為子粒、莖、葉和根4 個部分，用水洗去根表面粘附的土壤，用20 mmol/L 的乙二胺四乙酸二鈉溶液浸泡一段時間后，再用蒸餾水沖洗干凈，隨后105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒重，稱量干物質重。

1.3.2.2 莖稈水分和糖含量。甜高粱成熟后，每小區均選擇5 株長勢一致的植株，去除根、葉、子粒后，采用稱量法測定莖稈水分含量；采用高效液相色譜儀LC-20A（shimadzu，Japan）測定莖稈糖含量[14]。

1.3.2.3 銅含量。甜高粱收獲后，采集小區內土壤樣品，采用HNO3-HCl-HF（體積比1∶3∶1）消解體系對土壤樣品進行消解，采用HNO3對已收獲甜高粱植株的不同部位樣品進行消解，利用電感耦合等離子體原子發射光譜儀（iCAP7400，Thermo fisher，USA）測定銅含量。根據公式，計算富集系數（BFC）和轉運系數（TF）：

BFC=甜高粱植株各部分（根、莖、葉、子粒）銅含量/土壤銅含量

TF=甜高粱植株地上各部分（莖、葉、子粒）銅含量/根銅含量

BFC越大，表示甜高粱對銅的積累能力越強；TF越大，表示甜高粱由根部轉運到地上部的能力越強。

1.3.3 數據統計分析 使用Microsoft Office Excel 2003 軟件進行數據統計整理和作圖，使用SPSS 23.0軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 銅對甜高粱生長的影響

試驗土壤銅含量范圍內，甜高粱未出現明顯的毒害癥狀，生長正常并完成整個生育期（表2）。說明甜高粱對銅具有較強抗性，能夠在銅污染水平較高的土壤中生長。

表2 不同含量銅處理對甜高粱生長的影響Table 2 Effects of different concentration of Cu on the growth of sweet sorghum

不同含量的銅處理雖然對株高無顯著影響，但當土壤銅含量為348.50 mg/kg 時，甜高粱根、莖、葉、子粒的干物質量分別較CK 下降52.56%、52.72%、31.93%和54.38%，且差異均達到了顯著水平（P＜0.05）。不同含量的銅處理對甜高粱莖稈的糖和水分含量影響均不顯著（圖1）。

圖1 不同含量銅處理對甜高粱莖稈水分和糖含量的影響Fig.1 Effects of different concentration of Cu on water content and sugar content of sweet sorghum stalks

2.2 甜高粱對銅的富集特征

隨著土壤銅含量的增加，甜高粱植株各部位的銅含量均顯著增加；且相同銅含量條件下，甜高粱不同部位的銅含量順序均為根＞莖＞葉＞子粒，其中土壤銅含量為348.50 mg/kg 時，甜高粱根、莖、葉、子粒的銅含量分別為48.96、44.06、20.96 和14.58 mg/kg（表3）。從甜高粱單株銅積累量（圖2a）上看，隨著土壤銅含量的增加，甜高粱對銅的吸收量呈先增加后降低的變化，其中土壤銅含量為291.25 mg/kg 時，甜高粱對銅的積累量最高，達到4.67 mg/株，其中地上部積累量為3.94 mg/株；當土壤銅含量為348.50 mg/kg 時，雖然甜高粱各部分的銅含量均為最高，但是由于各部分生物量的降低，致使其對銅的積累量下降。然而，從銅在甜高粱植株體內各部分的歸一化分布（圖2b）可以看出，由于莖部生物量較高，導致甜高粱體內的銅主要分布在莖中，占全部總量的59.2%～75.3%，平均為65.8%；其次是在葉部、根部，分布比例分別為18.6%和12.6%；在子粒中的分布比例最低，僅3.0%。綜上分析可以看出，甜高粱植株中的銅含量隨著土壤銅含量的增加而增加，其中莖稈中銅積累量較高。

表3 甜高粱不同器官中的銅含量Table 3 Cu concentration in different organs of sweet sorghum （mg/kg）

圖2 甜高粱不同部位的銅積累量（a）及歸一化分布（a）Fig.2 Cu accumulation（a）and distribution（a）in different organs of sweet sorghum

隨著土壤銅含量的增加，甜高粱莖、葉和子粒對銅的TF呈先增加后降低的變化，其中，莖的TF較高，可以達到0.75～1.55，平均為0.98，而葉片、子粒對銅的TF平均值分別為0.50 和0.43（圖3a）；BCF呈降低趨勢，其中根和莖部的BCF顯著＞葉片和子粒（圖3b）。當銅被轉移到地上部后，通過收獲植株地上部達到降低土壤銅含量的目的。本試驗條件下，單株甜高粱地上部銅的積累量最高可達3.94 mg（土壤銅含量為291.25 mg/kg 時），按照甜高粱種植密度9 萬株/hm2計算，種植1 hm2甜高粱可吸收銅0.35 kg，因此認為，甜高粱具有在銅污染農田大面積推廣和應用的潛力。

圖3 不同含量銅處理下甜高粱對銅的TF（a）和BCF（b）Fig.3 TF（a）and BCF（b）in sweet sorghum under different Cu concentration treatments

2.3 甜高粱對銅的富集特征與土壤銅含量的關系

對甜高粱不同器官銅含量與土壤全量銅含量的關系進行分析，結果（圖4）顯示，根、莖、葉、子粒的銅含量均與土壤全量銅含量呈顯著正相關，決定系數分別為0.94、0.92、0.85 和0.83。說明甜高粱不同器官的銅含量均隨土壤銅含量的增加而顯著增加。

圖4 甜高粱不同器官銅含量與土壤銅含量的關系Fig.4 Correlation between total Cu concentration in the tested soil and Cu concentration in different organs of sweet sorghum

3 討論與結論

3.1 討論

3.1.1 甜高粱對銅的富集特征分析 研究表明，植物體內的銅含量隨著介質中銅含量的增加而顯著增加，并在植物體內呈現出不均勻分布的特征[7，18，19]。銅在鴨跖草體內各器官的分布順序為根＞莖＞葉[10]。本研究土壤不同含量的銅處理下，甜高粱均可正常生長并完成生育期，說明甜高粱對銅具有較強抗性；但是，隨著土壤銅含量的增加，甜高粱植株不同部位的銅含量均顯著增加，相同水平銅處理下各部位的銅含量順序均為根＞莖＞葉＞子粒。試驗銅含量范圍內，隨著土壤銅含量的增加，甜高粱對銅的TF呈先增加后降低的變化，說明當土壤銅含量過高時，甜高粱通過限制銅離子向地上部的運輸，以減少銅的毒害作用[7，20]，這與前人對海州香薷等植物的研究結果[9]一致；BCF呈降低趨勢，其中根和莖部的BCF顯著高于葉片和子粒。然而，綜合考慮生物量后，甜高粱對銅的提取量呈現莖＞葉＞根＞子粒，當土壤銅含量為291.25 mg/kg 時，單株甜高粱銅的積累量最高達到4.67 mg/株，地上部的提取量最高為3.94 mg/株。與前期研究相比，甜高粱對于鎘和銅的富集特征較為相似，但在提取量上存在較大差異[13]。

3.1.2 甜高粱對銅污染農田的應用潛力分析 甜高粱對銅具有較強抗性，可以在銅污染農田中正常生長。為進一步闡明其在銅污染耕地上的推廣應用潛力，我們從生態、經濟、社會3 個維度進行深入分析。

3.1.2.1 生態效益方面。

（1）種植甜高粱可吸收土壤中的銅。理論上，通過連續多年種植甜高粱，最終可以實現降低土壤銅含量的目的。前人通過篩選發現了海州香薷[9，21]、鴨跖草[10]、密毛蕨（Petridium revolutum）[3]、黃花月見草（Oenothera glaziovianaMich）[21]、高羊茅（Festuca elata）[22]等多種銅耐/富集植物（表4），其中，在礦山（土壤銅含量平均為2 432 mg/kg）上發現的銅積累植物密毛蕨體內的銅含量隨著土壤銅含量的增加而顯著增加，地上部生物量平均為18.33 g/株，最高可達40.05 g/株，地上部提取量平均可達3.68 mg/株[3]，這些均為礦業廢棄地的植被重建、銅污染土壤的植物修復提供了優良材料，并且在富集特征、耐性機制以及田間工程應用等方面取得了顯著成績。然而，對于土壤銅含量相對不高，且要確保生產收益的耕地來說，種植這類植物存在投入較大、修復周期長、種植收益低等問題。本研究結果顯示，甜高粱對銅具有較強抗性，單株地上部吸收量最高為3.94 mg，按照甜高粱種植密度9 萬株/hm2計算，種植1 hm2甜高粱可提取銅0.35 kg。Lima 等[23]研究了高粱（BSR716） 葉片光合作用對銅脅迫的響應，證明高粱可以作為一種用于銅污染土壤修復的植物修復材料，并在此條件下，按照干物質產量37 t/hm2、地上部銅含量18 mg/kg對提取量進行了推算，預計種植1 hm2高粱可提取銅660 g。本研究結果與前人研究結果相比較低，可能與本研究是在田間控制條件下進行的，甜高粱生長受到了一定影響，生物量與正常條件下相比較低有關。

表4 不同植物對銅的提取量Table 4 The accumulation of Cu in different plants

（2）種植甜高粱可在固碳釋氧上發揮重要作用。甜高粱對銅的提取量較高。按照正常田間下甜高粱平均干物質量（含根） 30 t/hm2、吸碳系數0.45 計算，種植1 hm2甜高粱每年可固定二氧化碳49.5 t、釋放氧氣36 t。另外，種植甜高粱可以為燃料乙醇的生產提供充足的原料保障，且還可以有效解決修復植物的資源化、無害化利用等問題[24]。采用我們前期研究的先進固態發酵技術可以最經濟地把吸收銅后的甜高粱莖稈轉化為乙醇，糖利用率達到96.69%，乙醇產率可達到91.80%，能夠減少對于化石燃料的消耗，且不產生新的二氧化碳[25]。

3.1.2.2 經濟效益方面。甜高粱屬于典型的雙庫作物，莖稈含糖量和子粒產量是衡量甜高粱利用價值的重要指標[26，27]。前人研究表明，鎘、鉛等重金屬元素均對甜高粱莖稈的含水量和含糖量無顯著影響[14，28]。在本研究條件下，土壤銅含量對甜高粱莖稈的水分和糖含量均無明顯影響，平均糖含量為10.17%；但是，子粒產量在土壤銅含量達到348.50 mg/kg 時較CK 降低54.38%，按照甜高粱種植密度9 萬株/hm2計算，可產甜高粱莖稈20.3～40.1 t/hm2，平均莖稈產量可達32.2 t/hm2，子粒產量為510～1 140 kg/hm2。為了保證試驗條件的一致，本研究采用了相同的種植密度，該方法對甜高粱的生長造成了一定影響，導致甜高粱莖稈和子粒產量較田間正常條件下的指標值明顯偏低。因此，按田間正常生長條件下，甜高粱可產含糖量10%～16%的莖稈66～78 t/hm2，子粒產量33.75～56.25 t/hm2，按照收購價格莖稈200 元/t、子粒2 500 元/t 計算，可獲得收益18 825～24 975 元/hm2；扣除種子、化肥、機械等費用4 500 元/hm2后，單季種植可凈收益14 325～20 475 元/hm2。若在南方，可實現一年兩季種植，其凈收益將會更高，可以達到28 650～40 950 元/hm2。

3.1.2.3 社會效益方面。甜高粱莖稈可以作為生產燃料乙醇的優良原料。改變甜高粱的傳統種植結構，在銅污染耕地上大面積種植，并通過完善后期工業化的產業鏈條，建立甜高粱加工及廢棄物資源化、能源化利用項目[25]，有利于推動相關地區能源相關產業的發展，形成新的經濟增長點，帶動能源產業的發展，通過解決勞動力的就業問題從而增加農民收入[29]，因此，可以在保證農民收益不減的前提下實現對銅污染耕地的利用[30]。

3.2 結論

甜高粱對銅具有較強的吸收能力和耐性，且對銅的吸收與土壤銅含量關系密切，隨著土壤銅含量的增加而顯著增加，單株地上部銅的積累量最高可以達到3.94 mg，銅主要積累在甜高粱的根部，并呈現根＞莖＞葉＞子粒的分布特點，但當土壤銅含量達到348.50 mg/kg 時會對甜高粱的正常生長產生抑制。

在銅污染的農田上種植甜高粱能夠帶來顯著的經濟、社會和生態效益，有利于形成一個以污染農田利用和修復為目的的生態能源產業，既可以實現對污染耕地的安全利用，又可以對土壤進行修復，還可以生產清潔燃料，思路明確、技術可行，具有較強的實際應用潛力。但今后需要加強資源整合力度，在甜高粱種植資源的開發和利用，提高甜高粱修復效率的措施，以及修復植物處置工藝優化和設備開發、技術的集成與推廣等多個方面加強研究，逐步優化和完善產業鏈條，促進該技術的推廣應用。