甘蓝型油菜品种对农田土壤重金属镉与铜的富集差异研究

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　　摘要 [目的]探讨甘蓝型油菜品种对农田土壤中重金属镉与铜污染修复能力的差异。[方法]选用10个在生产上应用的主要油菜品种在重金属镉、铜污染区与非污染区种植，研究不同品种在两种不同背景土壤下生长期与植株部位对农田土壤中重金属镉与铜的吸收富集差异。[结果]甘蓝型油菜对土壤中的重金属镉与铜有较强的吸附与富集能力，但不同的甘蓝型油菜品种间与植株的不同部位对重金属的吸附富集能力有差异。油菜植株对镉的吸收富集主要集中在茎叶部位尤其是茎秆上，各部位富集能力依次为：茎秆>叶片>根>种籽;对铜吸收富集主要集中在根部和种籽上，各部位富集能力表现为：根>种籽>叶片>茎秆。10个甘蓝型油菜品种对重金属镉的富集能力表现较大差异，苗期秦优10号对重金属镉的富集能力最强，成熟期秦优11号与绵油11号表现出对镉的超富集能力;不同油菜品种对铜的富集能力也表现出差异，苗期秦优10号叶片的铜富集能力较强，成熟期秦优10号与浙油51种籽的铜富集能力较强。[结论]该研究可为重金属污染土壤的修复提供技术支撑。
　　关键词 甘蓝型油菜;农田土壤;重金属污染;植物修复;富集能力
　　中图分类号 X53文献标识码 A
　　文章编号 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
　　隨着我国工业化进程加快以及农业生产上农药化肥的不合理过量使用，重金属污染农田水体已成为当前一大严重问题。农业部农产品污染防治重点实验室对全国24个省市土地调查显示，重金属超标的农产品占污染物超标农产品总面积的80%以上。环境保护部对基本农田保护区土壤的重金属抽测，重金属超标率达12.1% [1]。农产品、鱼类产品、生活用水等重金属超标问题频现，由于重金属难以降解与清除，在生物圈中移动与累积，对食品安全与人类健康造成严重的影响。顾继光等[2]研究发现，土壤农作物受镉污染导致产生“镉米”，人食用后容易得风湿性关节炎、肾炎、溃疡病等疾病，癌症平均死亡率也会增加，人体内酶的正常活动受到镉的影响后，会造成贫血、高血压、骨痛病。为此，学术界提出了多种修复治理重金属污染土壤与水体的方法，但是很多措施因成本高昂及操作过程繁琐而难以实施。 　　植物吸取修复技术（phytoextraction）是利用植物将土壤中的重金属吸收、转移到植物的可收获部分，通过收获植物来减少土壤与水体中重金属含量，具有成本低、简便易行、安全可靠、环境友好等诸多优点，是植物修复技术[3-4]中研究最多的一类，已成为国内外重金属污染环境治理研究的热点和前沿领域[5]。我国研究发现了一批重金属积累或超积累植物，其中包括Cu积累植物海州香薷（Elsholtzia splendens Nakai）、鸭跖草（Commelina communis Linn.）等;Cd超积累植物东南景天（Sedum alfredii Hance）、龙葵（Solanum nigrum L.）、伴矿景天（Sedum plumbizincicola X.H.Guo et S.B.Zhou sp.nov.）、圆锥南芥（Arabis paniculata F.）、长柔毛委陵菜（Potentilla griffithii var.velutina）、芥菜型油菜（Brassica juncea L.）等[6-7]。但上述重金属富集植物在我国的适应性与种植技术方面有一定的局限性。
　　油菜是我国的主要农作物之一，甘蓝型油菜（Brassica napus L.）在我國南北地区广泛种植，常年种植面积近1 000万hm2，生长生物量大，生产的菜籽油是我国重要的食用油来源，同时也可作为生物柴油[8-9];并且油菜的生产种植技术成熟易于掌握，因此比非农作物植物及种植较少的芥菜型油菜在应用上更具有优势。油菜对于镉、铜都具有修复潜力，研究筛选出甘蓝型油菜品种沪油20对Cd污染土壤的净化率都超过1%，达到了超累积植物对重金属吸附的要求[10]。另有研究发现，油菜地上部分对Cd的吸收量显著高于地下部分[11]，其中茎的Cd含量最高，籽粒最低;低浓度下，油菜对Cd的转运系数较高，修复效率可达6.841%～7.752%，可用于修复中等程度Cd污染土壤。油菜地下部分对Cu
　　的吸收量显著高于地上部分，Cu在油菜根部的积累尤其明显[12-13]。为了进一步探索利用甘蓝型油菜开展重金属污染土壤的植物修复技术，为修复重金属污染土壤提供适合的油菜品种，该研究分析比较了甘蓝型油菜品种对受污染土壤与未受污染土壤中重金属镉、铜的吸收富集能力差异以及重金属在植物不同部位的分布差异，以期为污染土壤修复提供技术支撑。
　　1 材料与方法
　　1.1 试验材料
　　选用的10个甘蓝型油菜品种均为目前我国长江流域油菜生产上主要推广应用种植的甘蓝型油菜品种，其品种的适应性、丰产性良好;在生产上种植面积大，范围广，作为重金属污染植物修复应用也可以充分发挥其品种生产应用潜能，较其他种类修复应用植物品种在污染治理上更有优势。
　　1.2 试验设计
　　试验品种分别种植在重金属镉和铜污染区铜陵市义安区和非污染区肥东县撮镇，其中铜陵义安试验点土壤中镉和铜含量较风险筛选值分别超出6.93、183 mg/kg（表2）。土壤检测参照DZ/T0279-2016与DZ/T0130.2—2006方法[14-15]，检测仪器主要为 X射线荧光光谱仪、原子荧光光谱仪。试验前茬种植水稻。采用随机区组试验设计，4次重复，小区面积20 m2，种植密度15万株/hm2，整地前每公顷施用底肥俄罗斯复合肥（NPK16-16-16）750 kg。试验采用直播穴播方式播种。分别在苗期与成熟期取样分析地下部根系、地上部叶片、茎秆与种籽中的重金属镉与铜的富集含量。
　　1.3 样品处理
　　1.3.1 植物样品前处理法。样品采集：每小区植物样品采取5点取样法采样，每个点采集5株共计25株混合制样，4次重复，植物采集后装入洁净的聚乙烯封口塑料袋，带回实验室分析。植物清洗：先将植物样品根茎叶分开，用自来水和0.1 mol稀盐酸洗净，然后用去离子水淋洗3次，晾干后称鲜重，然后于105 ℃烘箱中杀青30 min，并在70 ℃烘干2 d，计干重，测定植物含水率。烘干后的样品分别用不锈钢磨碎机粉碎，过60目筛，保存备用。
　　1.3.2 植物消化处理。样品称量：称取1 g烘干粉碎后的均匀植物样品放入消化管底部，加入5 ml硝酸，盖上小漏斗，静置过夜。样品消化：将消化管放入消化炉，90 ℃消化0.5 h，120 ℃消化1 h，至植物消化至透亮的黄色液体，关炉冷却。样品定容：将消化液过滤，用去离子水定容至25 mL容量瓶。分装至样品储备瓶（10 mL塑料离心管，每个样品装2管），待测。
　　1.3.3 测定方法。植物样品用 5∶1 的HNO3 /HClO4（V/V）消化，然后用原子吸收光谱仪（品牌：德国耶拿NovAA400P）进行Cd等元素含量测定。
　　1.4 数据处理
　　试验数据分析软件采用Microsoft Excel 统计和SAS 9.1进行方差分析（多重比较采用Duncan 法，0.05水平）。计算富集系数（BCF，地上部器官中重金属含量与土壤中重金属含量的比值）和转运系数（TF，茎叶中重金属含量与根部重金属含量的比值）。
　　2 结果与分析
　　2.1 供试甘蓝型油菜品种的生长情况
　　试验发现，在肥东重金属非污染区与铜陵重金属污染区2个试验点，参试的10个甘蓝型油菜品种田间生长表现均正常，油菜品种在植株生长发育、叶色、叶型、开花及结籽等方面均无明显差异，因此试验选用的这些油菜品种适合在该污染区域种植。
　　2.2 油菜苗期植株根系与叶片对镉的吸附能力比较
　　表3～4表明，油菜苗期植株根系与叶片对污染土壤中的重金属镉均有富集作用，叶片中的镉平均含量为5.39 mg/kg，根中的镉平均含量为1.57 mg/kg，10个油菜品种镉在根部的富集系数均值为0.216 8，富集系数均小于1;在叶片部分的富集系数均值为0.746，其中秦优10号富集系数大于1;所有参试品种的转运系数均值为3.528，德油99转运系数最高（4.395），叶片对重金属镉的富集能力较根强。 　　方差分析结果表明，品种间对重金属镉的富集能力表现差异达显著水平，秦优10号与中油589的苗期对重金属镉的富集能力较强，其中秦优10号的根与叶片中镉含量分别为2.35、8.13 mg/kg，中油589的根与叶片中镉含量分别为1.89、6.41 mg/kg;相对来说沣油737与德油99的富集镉能力较弱。
　　2.3 油菜苗期植株根系与叶片对铜的吸附能力比较
　　油菜苗期植株根部对重金属铜具有较强的富集吸附能力，分析结果表明根的重金属铜平均含量为5.88 mg/kg，在污染土壤区与非污染区不同品种间根部对铜富集的差异均未达显著水平;根部的富集系数均值为0.025 2，所有参试油菜品种富集系数均小于1;秦优10号与沪油21根系的铜富集能力较强，其中秦优10号根部的铜含量分别为7.46、6.98 mg/kg（表5）。
　　油菜叶片的铜平均含量为2.38 mg/kg，根部的铜含量是叶片的2.47倍，在污染土壤区试验品种间叶片对铜的富集能力表现出显著差异，叶片铜富集系数均值为0.010 2，所有品种的富集系数均小于1;其中 秦优10号与浙油51叶片的铜富集能力较强，其叶片中铜含量分别为4.65、3.43 mg/kg。天禾油11等4个品种对土壤中重金属铜的富集吸附能力较弱（表6）。
　　2.4 油菜成熟期植株茎秆与种籽中重金属镉的含量比较
　　由表7可知，油菜品种间茎秆中镉的富集系数均值为3.032，其中秦优11号的富集系数最高（5.539），所有参试品种成熟期植株茎秆对镉的富集系数均大于1;品种成熟期茎秆中重金属镉的平均含量为21.92 mg/kg，不同油菜品种间茎秆中镉的含量表现出差异，方差分析结果达显著水平。秦优11号与绵油11号表现出对镉的超富集能力，其中茎秆中镉含量分别为40.04、39.47 mg/kg，秦优10号等5个品种对土壤中的重金属镉表现出较弱的富集能力。而种籽中镉的平均含量仅为0.51 mg/kg，富集系数均值为0.070 4，所有品种种籽的富集系数均小于1，方差分析结果表明，参试油菜品种间种籽富集重金属镉含量的差异不显著。可见成熟期重金属镉主要富集在油菜茎秆中。
　　2.5 油菜成熟期植株茎秆与种籽中重金属铜的含量比较
　　3 讨论与结论
　　甘蓝型油菜对土壤中的重金属镉与铜具有较强的吸附与富集能力，但是植株的不同部位对重金属的吸附富集能力有差异。研究结果表明，油菜植株对镉的吸收富集主要集中在茎叶部位尤其是茎秆上，其中各个部分富集能力表现为：茎秆>叶片>根>种籽，对铜的吸收富集主要集中在根部和种籽上，其中各个部分富集能力比较表现为：根>种籽>叶片>茎秆。王宁等[17-19]对重金属镉在油菜中的富集研究表明，油菜体内Cd分布为地上部>地下部，随着Cd浓度的升高，油菜植株对Cd的吸收显著增加，而且油菜地上部分的吸收量显著高于地下部分，其中茎的Cd浓度最高，籽粒最低，与该研究结果基本一致。但也有研究认为油菜体内Cd积累规律为根部大于地上部 [20-21]，这可能与各学者研究采取的研究方法与样品采集时间不同导致的分析数据差异，具体原因有待进一步试验验证。杨红飞等[12]等对重金属Cu在油菜中的富集研究表明，重金属Cu主要积累在油菜根部，向茎叶迁移累积的量很少;成熟期单一Cu污染和复合污染时油菜根茎叶中Cu含量及富集系数均为根>叶>茎，与该研究结果一致。
　　甘蓝型油菜对土壤中重金属镉与铜的富集能力在品种间有差异，同时在油菜的不同生长时期与不同植株器官部位也存在差异。参试的10个甘蓝型油菜品种对重金属镉的富集能力表现较大差异，苗期秦优10号与中油589对重金属镉的富集能力较强，成熟期秦优11号与绵油11号表现出对镉的超富集能力;对铜的富集能力品种间也表现出差异，苗期秦优10号等3个品种根系的铜富集能力较强，成熟期浙油51与秦优10号的种籽中铜含量较高。同时一些甘蓝型油菜品种表现出较低的重金属吸附富集能力，如中核杂418对镉的富集能力较弱，天禾油11与德油99等品种对铜的吸收富集能力较弱。因此在重金属污染土壤的修复过程中，可根据实际情况选择对重金属吸附富集能力强的甘蓝型油菜品种连续种植，结合秸秆与根的处理方法清除污染土壤中的重金属，从而保障农业的安全健康生产。
　　该研究中把种籽中的重金属含量也作为一项重要检测指标，结果表明Cd在植物中的迁移能力较强，茎叶中富集较多，但在籽粒中的含量较茎秆中低很多;Cu则主要富集于植株根部与种籽中，但其含量在不同品种间差异显著，其机理有待进一步研究。因此通过品种的选择，有望得到在茎叶中重金属含量高而在籽粒中含量低的油菜品种，在修复污染土壤中获得的油菜油脂可以研究开发作为生物柴油，这样既可提高农业生产经济效益，又可实现边生产边修复，比较符合我国目前农业土地资源有限、土壤重金属污染突出的实际国情。
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