綠豆、蓖麻對輕度重金屬污染農(nóng)田修復(fù)效果的影響

王躍飛，王永寧，張 雷，劉宏金，喬志剛，武 巖

（內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)生態(tài)與資源保護中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021）

土壤是保障我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要的自然資源，也是生態(tài)和環(huán)境保護的重要對象。但隨著我國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)快速發(fā)展，土壤污染問題逐漸突出，其中土壤重金屬污染呈現(xiàn)逐漸加重趨勢[1-4]。生態(tài)環(huán)境部全國土壤污染狀況調(diào)查顯示，我國耕地土壤污染點位超標(biāo)率達19.4%，主要污染物為重金屬，其中鎘污染點位超標(biāo)率達到7.0%，其次分別為砷、汞、鉛、鉻等。內(nèi)蒙古礦產(chǎn)資源豐富，在礦山開發(fā)的過程中隨大氣沉降、淋洗選礦過程，可能存在重金屬污染周邊農(nóng)田情況。

修復(fù)重金屬污染土壤的方法有很多，包括物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)。在這些修復(fù)方法中，植物修復(fù)是近些年發(fā)展起來的一項綠色修復(fù)技術(shù)，該技術(shù)具有成本低、操作簡便、不會對土壤造成二次污染等優(yōu)點[5-8]。前人開展了較多重金屬超積累植物和農(nóng)作物吸附的研究，但這些超積累植物和農(nóng)作物吸附大多存在生物量小、生長速度慢、吸附效率不高等問題，不利于大規(guī)模推廣，在植物修復(fù)實踐中受到限制[9]。所以，尋找生物量大、對重金屬吸收力強，以及耐性強的植物和農(nóng)作物成為植物修復(fù)技術(shù)實際應(yīng)用中需要解決的關(guān)鍵問題[10]。蓖麻和綠豆對重金屬富集性、耐受性、經(jīng)濟性均較強，同時也具有較大的生物量或具有較強耐干旱、耐土壤貧瘠力、適應(yīng)能力強，對重金屬污染農(nóng)田修復(fù)具有較高的實用價值[11-12]。同時綠豆還具固氮作用，可提高土壤肥力[13-16]。本研究通過綠豆和蓖麻對輕度土壤重金屬污染農(nóng)田修復(fù)進行研究，探索修復(fù)新途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部某尾礦庫周邊農(nóng)田，該地區(qū)海拔750 m，全年平均氣溫5 ℃，年均日照時數(shù)為2 950 h，無霜期115 d，屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，土壤類型為栗鈣土和棕壤土，堿性土壤。

1.2 試驗材料

當(dāng)?shù)刂髟跃G豆、蓖麻品種各1 種。

1.3 試驗方法

試驗于2019 年5—11 月進行，開始前采集0～20 cm 耕層土壤。設(shè)置對照組（CK）、綠豆組、蓖麻組3 個試驗組，3 次重復(fù)，小區(qū)面積40 m2，種肥二銨450 kg·hm-2，復(fù)合肥150 kg·hm-2，整個生育期灌水3 次，其他種植管理方式按照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)習(xí)慣種植。

1.4 樣品采集

收獲時，采用五點取樣法采集土壤、植株樣品。綠豆處理每個分樣點采集3 個植株，0.5 kg 土壤；蓖麻處理每個分樣點采集1 個植株，0.5 kg 土壤。最后，分別將每個處理小區(qū)采的植株裝入網(wǎng)袋，土壤樣品混合裝入布袋中。植株樣品帶回風(fēng)干處理后將籽粒分離，70 ℃烘至恒質(zhì)量，粉碎過100 目篩備用。土壤樣品風(fēng)干碾碎后用四分法取樣品200 g，分別過18、100 目篩后備用。

1.5 檢測指標(biāo)及方法

土壤檢測：pH 值、鉻、鉛、鎘、砷、汞重金屬含量等6 項指標(biāo)。鉛、鎘：石墨爐原子吸收分光光度法；鉻：火焰原子吸收分光光度法；砷、汞：原子熒光法；pH 值：離子選擇電極法。

植物檢測：鉻、鉛、鎘、砷、汞重金屬含量等5 項指標(biāo)，方法同上。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植物修復(fù)處理對土壤重金屬含量的影響

由表1 可知，除土壤As 外，綠豆、蓖麻組4 種土壤重金屬含量顯著低于CK 處理，綠豆組土壤Cr、Pb、Cd 和Hg 的含量分別是CK 的0.88 倍、0.74 倍、0.43倍、0.67 倍，較CK 分別降低11.84%、26.27%、56.97%、33.33%，蓖麻組土壤Cr、Pb、Cd 和Hg 的含量分別是CK 的0.95 倍、0.79 倍、0.66 倍、0.67 倍，較CK 分別降低5.35%、20.85%、33.94%、33.33%。由此可見，種植綠豆和蓖麻可以顯著降低土壤中Cr、Pb、Cd 和Hg 的含量。綠豆與蓖麻對于降低土壤中Cd 效果最好。

表1 不同植物修復(fù)前后土壤重金屬含量 mg·kg-1

綠豆組和蓖麻組相比，土壤Cr 降低了6.32%；土壤Pb 降低了6.85%；土壤Cd 降低了34.86%；土壤As 降低了3.29%；土壤Hg 含量相同，且出Cr 外，綠豆組和蓖麻組對土壤中重金屬含量差異不顯著。總體來看，種植綠豆和蓖麻對土壤Pb、Cd 和Hg 的吸附量差別不大，在Pb、Cd 和Hg 輕度污染的農(nóng)田中，種植這兩種作物均可以降低土壤中重金屬含量，但在降低土壤Cd 方面，種植綠豆效果優(yōu)于蓖麻，表明綠豆對土壤Cd 的吸附高于蓖麻。

2.2 富集植物對重金屬的累積

由表2 可知，綠豆籽實5 種重金屬含量均小于綠豆秸稈，蓖麻籽實5 種重金屬含量均小于蓖麻秸稈，說明重金屬在植物體內(nèi)器官轉(zhuǎn)移程度呈逐漸減小狀態(tài)。

表2 修復(fù)植物不同部位重金屬累積量 mg·kg-1

綠豆籽實Cr、Pb、Cd、As 和Hg 5 種重金屬含量的平均值分別是0.37、0.27、0.02、0.05、0.001 mg·kg-1。蓖麻籽實中Cr、Pb、Cd、As 和Hg 5 種重金屬含量的平均值分別是0.07、0.10、0.03、0.04、0.001 mg·kg-1，除Cd 和Hg 之外，其余均表現(xiàn)為蓖麻籽實重金屬含量低于綠豆籽實重金屬含量，尤其是蓖麻籽實Cr 和Pb 的含量僅為綠豆的0.19 倍、0.37 倍，蓖麻籽實中Cd 的含量高于綠豆，是綠豆的1.50 倍，蓖麻籽實中Hg 含量與綠豆秸稈中Hg 含量相當(dāng)。

綠豆秸稈中Cr、Pb、Cd、As 和Hg 5 種重金屬含量 的 平 均 值 分 別 是 3.28、5.05、0.2、0.13、0.002 mg·kg-1，蓖麻秸稈中Cr、Pb、Cd、As 和Hg 5 種重金屬含量的平均值分別是1.45、0.86、0.06、0.09、0.002 mg·kg-1，除Hg 之外，蓖麻秸稈其余4 種重金屬含量均低于綠豆秸稈，蓖麻秸稈中Cr、Pb、Cd、As 的含量分別僅為綠豆的0.44 倍、0.17 倍、0.30 倍、0.69 倍，蓖麻秸稈中Hg 含量和綠豆秸稈中Hg 含量相當(dāng)。由此可見，綠豆對Cr、Pb、Cd 和As 的富集能力高于蓖麻，二者對Hg 的富集能力相當(dāng)。

綠豆植株地上部Cr、Pb、Cd、As 和Hg 5 種重金屬含 量 的 平 均 值 分 別 是3.65、5.32、0.22、0.18、0.003 mg·kg-1，蓖麻植株地上部Cr、Pb、Cd、As 和Hg 5 種重金屬含量的平均值分別是1.52、0.96、0.09、0.13、0.003 mg·kg-1，除Hg 外，綠豆植株地上部Cr、Pb、Cd、As 含量均高于蓖麻，分別達到2.4 倍、5.5 倍、2.4 倍、1.4 倍。

2.3 不同富集植物生物量

該試驗區(qū)綠豆平均產(chǎn)量為1 519.5 kg·hm-2，秸稈平均干質(zhì)量為2 247 kg·hm-2，地上部產(chǎn)量3 766.5 kg·hm-2；蓖麻平均產(chǎn)量為2 592 kg·hm-2，秸稈平均干質(zhì)量為5 302.5 kg·hm-2，地上部產(chǎn)量7 894.5 kg·hm-2。

表3 不同富集植物生物量 kg·hm-2

2.4 富集植物的地上部富集系數(shù)

富集系數(shù)指植物某一部位重金屬含量與土壤中該種重金屬含量的比值，反映了重金屬在植物體內(nèi)的富集情況，其值越大，表明植物的富集能力越強。本試驗主要針對綠豆和蓖麻地上部植株（籽實和秸稈）富集情況進行研究。由圖1 可知，綠豆組、蓖麻組對5 種重金屬的地上部富集系數(shù)均小于1；綠豆組和蓖麻組對Hg 的地上部富集系數(shù)相等，均為0.10。綠豆組對Cr、Pb、Cd 和As 的地上部富集系數(shù)均高于蓖麻；綠豆組對Cr、Pb、Cd 和As 的地上部富集系數(shù)分別為0.07、0.03、0.13、0.02，對5 種重金屬的地上部富集系數(shù)大小順序為Cd>Hg>Cr>Pb>As，對Cd的地上部富集系數(shù)最大，為0.13，對As 的地上部富集系數(shù)最小，為0.02。蓖麻組對Cr、Pb、Cd 和As 的地上部富集系數(shù)分別為0.02、0.005、0.05、0.01，5 種重金屬的地上部富集系數(shù)大小順序為Hg>Cr>Cd>As>Pb，對Hg 的地上部富集系數(shù)最大，為0.1，對Pb的地上部富集系數(shù)最小，為0.005。

圖1 不同修復(fù)植物對重金屬的富集系數(shù)

地上部富集系數(shù)與植物對土壤中重金屬含量的影響呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，綠豆和蓖麻對土壤中Cd 降低效果最好，分別達到56.97%、33.94%，綠豆較蓖麻土壤Cd 降低了34.86%，在所有影響土壤重金屬的元素中降低率為最高。綠豆、蓖麻地上部富集系數(shù)中，Cd 與其他幾種元素相比也較高，同時綠豆和蓖麻在對Cd 的地上部富集系數(shù)上差別最大，與兩種植物對土壤的影響一致。從不同的角度印證了綠豆與蓖麻對重金屬Cd 的吸附效果最好，綠豆優(yōu)于蓖麻。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

有研究表明，豆科植物可以吸附重金屬，主要原因是根瘤菌向土壤分泌氨基酸、谷胱甘肽等特殊物質(zhì)[17]，改變了土壤中重金屬元素存在形態(tài)，使其降低毒性或轉(zhuǎn)換為低毒性形態(tài)，減輕重金屬對自身細胞的毒害[18]。根瘤菌還可以改變重金屬在土壤固相組分中的分布，通過改變土壤固相組分中的重金屬向土壤溶液中釋放的數(shù)量，進而降低重金屬在土壤中的活性，起到對土壤重金屬污染的解毒作用[19-21]。本研究中，綠豆可以降低土壤重金屬含量，原因在于植株的吸附、根瘤菌降低了重金屬活性或轉(zhuǎn)化為其他復(fù)合物，從而減輕對土壤的損害，增加了綠豆植株的吸附率。這與前人研究較為一致。同時綠豆對于降低土壤Cd 效果最為明顯，下降率達到56.97%。

蓖麻作為一種重金屬修復(fù)植物，其對重金屬富集性及耐受力較強，且經(jīng)濟價值較高，同時具有很大的生物量、很強的耐旱、耐貧瘠能力、適應(yīng)能力[22]。有研究表明，蓖麻對重金屬脅迫的耐性響應(yīng)及解毒機制主要包括細胞膜質(zhì)過氧化、抗氧化系統(tǒng)調(diào)節(jié)、有機酸絡(luò)合調(diào)節(jié)、重金屬的固定和區(qū)室化隔離等[23-25]。本試驗中，蓖麻組土壤較CK 均有降低，Cr、Pb、Cd 和Hg 分別降低5.35%、20.85%、33.94%、33.33%。這有可能為蓖麻的解毒機制，在不影響自身正常生長的條件下，增加了對重金屬的吸附作用。

3.2 結(jié)論

（1）種植綠豆和蓖麻，均能吸附土壤中重金屬，減少重金屬含量，達到修復(fù)目的。

（2）綠豆籽實和秸稈對于Cr、Pb、As 積累量均高于蓖麻，綠豆地上部對于Cr、Pb、Cd、As 積累量均高于蓖麻，綠豆對Cr、Pb、Cd、As 的地上部富集系數(shù)高于蓖麻。綠豆吸附土壤重金屬效果優(yōu)于蓖麻。