柴冠群,范成五,劉桂華,楊嬌嬌,文 雄,秦 松
(1.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所,貴陽(yáng) 550006;2.貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院,貴陽(yáng) 550025)
【研究意義】土壤是保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全和人居環(huán)境安全的重要前提[1]。隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展與農(nóng)業(yè)高度集約化生產(chǎn)后,我國(guó)農(nóng)業(yè)土壤污染問題逐漸凸顯[2],污染土壤中以Cd風(fēng)險(xiǎn)最高,點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)7.0%[3],Cd含量分布呈現(xiàn)出從西北到東南,從東北到西南方向逐漸升高的趨勢(shì)[2]。貴州是我國(guó)典型的高Cd地質(zhì)背景區(qū)[4-5],其耕層土壤Cd含量的算數(shù)平均值為0.659 mg/kg,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全國(guó)土壤Cd含量的算數(shù)平均值0.097 mg/kg[6],這與成土母質(zhì)和母巖等地球化學(xué)屬性密切相關(guān)[2]。農(nóng)業(yè)土壤污染問題亟需解決,植物修復(fù)重金屬污染土壤具有環(huán)境友好、成本低廉、原位修復(fù)等優(yōu)勢(shì),是解決農(nóng)業(yè)土壤污染問題的有效措施之一。開展植物修復(fù)重金屬污染土壤方面的研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】貴州作為我國(guó)烤煙主產(chǎn)區(qū)[7],烤煙是其重要的經(jīng)濟(jì)作物之一,其在幫助當(dāng)?shù)責(zé)熮r(nóng)脫貧致富中發(fā)揮著重要作用[7]。烤煙屬于易累積Cd的經(jīng)濟(jì)作物[9-10],其富集系數(shù)可達(dá)5~10[11]。貴州高鎘含量煙葉主要分布在福泉、水城等礦產(chǎn)資源富集區(qū)[12],張艷玲等[13]采集貴州75個(gè)煙葉樣品,其Cd平均含量為4.93 mg/kg,略低于貴州煙葉Cd限值(5.0 mg/kg)[14]。煙葉累積Cd的多少與土壤Cd含量密切相關(guān)[15],在高鎘地質(zhì)背景區(qū)種植烤煙,可能存在超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)?!吨腥A人名共和國(guó)土壤污染防治法》[1]與《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》[16]均明確提出輕中度重金屬污染農(nóng)田應(yīng)劃為安全利用類土壤,可以采取種植結(jié)構(gòu)調(diào)整與品種替代等措施實(shí)現(xiàn)土壤安全利用,并達(dá)到農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的要求?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】在重金屬污染土壤種植烤煙,將其不可利用部分(根、莖、葉脈)回收,集中無害化處理,可達(dá)到吸收土壤重金屬,修復(fù)土壤重金屬污染的目的。前人關(guān)于烤煙不同部位Cd含量分布的研究結(jié)果不盡相同[17-18],若烤煙不可利用部分對(duì)重金屬累積量較小,則會(huì)減弱其修復(fù)土壤的能力。烤煙因其生物量大,對(duì)Cd富集能力強(qiáng),可以探索在煙葉Cd含量達(dá)標(biāo)的前提下,通過種植烤煙實(shí)現(xiàn)輕中度Cd污染土壤安全利用,并達(dá)到土壤修復(fù)的目的。目前,相關(guān)研究鮮見報(bào)導(dǎo)。【擬解決的關(guān)鍵問題】分析貴州生物量較大的4個(gè)烤煙品種(貴煙8號(hào)、CF228、南江3號(hào)和畢納1號(hào))與常規(guī)品種(云煙87)對(duì)Cd的累積分配特征及對(duì)Cd中度污染土壤修復(fù)效果,以期為貴州輕中度Cd污染煙田土壤安全利用與治理修復(fù)提供技術(shù)支撐。
1.1.1 烤煙品種 選擇貴州生物量較大的4個(gè)烤煙品種(貴煙8號(hào)、CF228、南江3號(hào)、畢納1號(hào))與常規(guī)品種(云煙87),煙苗取自貴州省煙草科學(xué)研究院。
1.1.2 土壤及其他 供試土壤為黃壤,采自貴州某烤煙基地0~20 cm耕作層。其基本理化性質(zhì):pH 6.44,有機(jī)質(zhì)26.03 g/kg,陽(yáng)離子交換量15.3 cmol/kg,全氮、全磷和全鉀分別為1.13、0.68和12.54 g/kg,堿解氮、有效磷和速效鉀分別為65、47和165 mg/kg,全Cd含量(0.705±0.009) mg/kg。根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618—2018)[19],土壤Cd含量在0.6~0.9 mg/kg為中度污染土壤,需要加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)管控,則試驗(yàn)土壤為中度Cd污染土壤,屬于安全利用類土壤。盆缽,直徑與高度分別為36與34 cm,市購(gòu)。
1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 通過盆栽試驗(yàn)研究貴州5個(gè)品種烤煙安全生產(chǎn)及其對(duì)中度Cd污染煙田的修復(fù)潛力。試驗(yàn)設(shè)5個(gè)處理,每個(gè)品種為1個(gè)處理,每個(gè)處理種植5盆(5次重復(fù)),每盆裝土20 kg,種植1株烤煙,共25盆??緹熋琮g60 d移栽,參照文獻(xiàn)[20]施用分析純尿素(4.65 g/盆)、磷酸二氫鉀(10.10 g/盆)和硫酸鉀(8.20 g/盆)。整個(gè)試驗(yàn)過程中采用超純水澆水,每盆澆水量一致,無水滲出。
1.2.2 樣品預(yù)處理 ①烤煙樣品采集與處理??緹熑~片成熟后,一次性采收其根、莖、葉,用自來水沖洗干凈后,以去離子水潤(rùn)洗,再用吸水紙吸干水分,然后用塑料刀按葉脈走向?qū)⑷~脈與葉片分離,烤煙根、莖、葉片和葉脈在105 ℃殺青30 min,60 ℃烘干,分別稱重??緹煾?、莖、葉片和葉脈烘干樣單獨(dú)粉碎,過60目尼龍篩備用。②土壤樣品采集與處理??緹煵墒胀瑫r(shí),采集盆中土壤,每盆土壤單獨(dú)處理。土壤風(fēng)干后,采用四分法采集1 kg土壤全部研磨過10目尼龍篩,對(duì)過10目尼龍篩的土壤繼續(xù)采用四分法采集200 g土壤研磨,過100目尼龍篩備用。
1.2.3 指標(biāo)測(cè)定 烤煙根、莖、葉片、葉脈樣品采用HNO3-HClO4消解,稀HCl定容,土壤樣品采用HNO3-HClO4-HF-HCl消解,稀HCl定容,消解液中Cd含量采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測(cè)定。所有試驗(yàn)用品均經(jīng)稀酸浸泡,試驗(yàn)用水均為去離子超純水。同時(shí)檢測(cè)3個(gè)空白樣品和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW07403和GBW10014)控制試驗(yàn)準(zhǔn)確度。修復(fù)效率(土壤Cd去除率)[21]與烤煙植株對(duì)Cd的富集系數(shù)及不同器官轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)[22]計(jì)算如下。
修復(fù)效率=[修復(fù)前土壤Cd濃度(mg/kg)-修復(fù)后土壤Cd濃度(mg/kg)]/修復(fù)前土壤Cd濃度(mg/kg)×100%
烤煙植株對(duì)Cd的富集系數(shù)(BCF)=整株Cd濃度/收獲后土壤Cd濃度×100%
烤煙地上部對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF1)=地上部Cd濃度/根Cd濃度×100%
莖對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF2)=莖Cd濃度/根Cd濃度×100%
葉脈對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF3)=葉脈Cd濃度/莖Cd濃度×100%
葉片對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF4)=葉片Cd濃度/葉脈Cd濃度×100%
采用SPSS 20.0與Sigmaplot 12.5進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析和制圖。
從表1可知,5個(gè)烤煙品種各器官生物量均存在差異。
表1 不同品種烤煙的生物量與根冠比Table 1 The biomass and root-shoot ratio of different tobacco varieties (g/株)
2.1.1 根 各處理根的生物量為58.895~115.410 g/株,表現(xiàn)為CF228>貴煙8號(hào)>畢納1號(hào)>南江3號(hào)>云煙87,各處理間差異顯著。
2.1.2 莖 各處理莖的生物量為82.995~158.113 g/株,表現(xiàn)為CF228>畢納1號(hào)>南江3號(hào)>貴煙8號(hào)>云煙87,其中,CF228與畢納1號(hào)差異不顯著,二者均顯著高于其余處理;南江3號(hào)和貴煙8號(hào)二者差異不顯著,但均顯著高于云煙87。
2.1.3 葉脈 各處理葉脈的生物量為42.830~62.125 g/株,表現(xiàn)為畢納1號(hào)>南江3號(hào)>CF228>貴煙8號(hào)>云煙87,其中,畢納1號(hào)、南江3號(hào)和CF228三者差異不顯著,但均顯著高于貴煙8號(hào)和云煙87,貴煙8號(hào)與云煙87差異顯著。
2.1.4 葉 各處理葉的生物量為80.985~131.490 g/株,表現(xiàn)為畢納1號(hào)>CF228>南江3號(hào)>云煙87>貴煙8號(hào),其中,CF228與南江3號(hào)和畢納1號(hào)差異不顯著,但均顯著高于其余處理;云煙87顯著高于貴煙8號(hào)。
2.1.5 總質(zhì)量 各處理總質(zhì)量為275.610~463.060 g/株,表現(xiàn)為CF228>畢納1號(hào)>南江3號(hào)>貴煙8號(hào)>云煙87,其中,CF228顯著高于其余處理;畢納1號(hào)與南江3號(hào)差異不顯著;云煙87顯著低于其余處理。
2.1.6 根冠比 各處理根冠比為0.248~0.361,表現(xiàn)為貴煙8號(hào)>CF228>云煙87>畢納1號(hào)>南江3號(hào),其中,貴煙8號(hào)顯著高于其余處理,且差異顯著;云煙87、畢納1號(hào)與南江3號(hào)差異不顯著。
綜上看出,烤煙CF228與畢納1號(hào)莖、葉脈及葉生物量差異不顯著,但均顯著大于云煙87;烤煙CF228總質(zhì)量最大,畢納1號(hào)次之。烤煙各器官僅有葉為可利用部分,不同烤煙品種的葉生物量以畢納1號(hào)最大。
從表2可知,5個(gè)烤煙品種不同器官Cd濃度存在差異。
表2 烤煙不同器官的Cd濃度Table 2 Cd concentration in different tobacco parts (mg/kg)
2.2.1 根 各處理根的Cd濃度為0.304~0.462 mg/kg,表現(xiàn)為畢納1號(hào)>云煙87>南江3號(hào)>貴煙8號(hào)>CF228,其中,畢納1號(hào)根的Cd濃度顯著高于其余處理;云煙87顯著高于CF228,與其余處理差異不顯著;其余處理間差異不顯著。
2.2.2 莖 各處理莖的Cd濃度為0.523~0.926 mg/kg,表現(xiàn)為畢納1號(hào)>云煙87>貴煙8號(hào)>CF228>南江3號(hào),其中,畢納1號(hào)顯著高于云煙87,二者均顯著高于其余處理;其余處理間差異不顯著。
2.2.3 葉脈 各處理葉脈的Cd濃度為1.130~2.645 mg/kg,表現(xiàn)為畢納1號(hào)>云煙87>CF228>貴煙8號(hào)>南江3號(hào),其中,畢納1號(hào)葉脈的Cd濃度顯著高于其余處理;貴煙8號(hào)和南江3號(hào)差異不顯著,但均顯著低于其余處理;其余各處理間差異顯著。
2.2.4 葉 各處理葉的Cd濃度為1.510~2.110 mg/kg,表現(xiàn)為貴煙8號(hào)>云煙87>CF228>南江3號(hào)>畢納1號(hào),各處理的Cd濃度均明顯小于限值(5.0 mg/kg)[14]。其中,貴煙8號(hào)顯著高于其余處理;云煙87與CF228差異不顯著,但均顯著高于其余處理;其余各處理間差異不顯著。
2.2.5 整株 各處理整株的Cd濃度為0.878~1.382 mg/kg,表現(xiàn)為畢納1號(hào)>云煙87>CF228>貴煙8號(hào)>南江3號(hào),其中,畢納1號(hào)顯著高于其余處理;云煙87也顯著高于其余處理;其余處理間差異不顯著。
綜上看出,畢納1號(hào)根、莖、葉脈及整株中的Cd濃度均顯著大于其他品種烤煙,但其葉中Cd濃度顯著小于其他品種烤煙,且遠(yuǎn)小于貴州煙葉Cd限值(5.0 mg/kg)[14],而煙葉在采收完畢后,烤煙其他部位要離田處理,從植物修復(fù)土壤重金屬污染角度考慮,畢納1號(hào)修復(fù)效果較好,且煙葉能夠安全生產(chǎn)。
2.3.1 烤煙不同器官Cd的累積 從表3可知,5個(gè)烤煙品種各器官Cd累積量均存在差異。
表3 烤煙不同器官對(duì)Cd的累積量Table 3 Cd accumulation in different tobacco parts (μg/株)
(1)根:各處理的Cd累積量為21.120~40.466 μg/株,表現(xiàn)為畢納1號(hào)>CF228>貴煙8號(hào)>南江3號(hào)>云煙87,其中,畢納1號(hào)顯著高于其余處理,差異顯著;南江3號(hào)與云煙87差異不顯著,顯著低于其他處理。
(2)莖:各處理莖的Cd累積量為60.037~139.060 μg/株,表現(xiàn)為畢納1號(hào)>CF228>貴煙8號(hào)>南江3號(hào)>云煙87,其中,畢納1號(hào)顯著高于其余處理;CF228顯著高于云煙87,其余處理間差異不顯著。
(3)葉脈:各處理葉脈的Cd累積量為64.249~164.338 μg/株,表現(xiàn)為畢納1號(hào)>CF228>云煙87>南江3號(hào)>貴煙8號(hào),其中,畢納1號(hào)顯著高于其余處理;CF228與云煙87、南江3號(hào)與貴煙8號(hào)差異均不顯著,但CF228與云煙87均顯著高于南江3號(hào)與貴煙8號(hào)。
(4)葉:各處理葉的Cd累積量為166.728~239.238 μg/株,表現(xiàn)為畢納1號(hào)>CF228>南江3號(hào)>貴煙8號(hào)>云煙87,其中,畢納1號(hào)和CF228差異不顯著,但均顯著高于其余處理;其余各處理間差異不顯著。
(5)整株:各處理整株的Cd累積量為329.047~583.102 μg/株,表現(xiàn)為畢納1號(hào)>CF228>南江3號(hào)>貴煙8號(hào)>云煙87,其中,畢納1號(hào)顯著高于CF228,二者均顯著高于其余處理;其余處理間差異不顯著。說明,畢納1號(hào)對(duì)土壤Cd的吸收量最大。2.3.2 烤煙不同器官Cd的分配 從圖1可知,Cd在5個(gè)烤煙品種各器官的分配均存在差異。5個(gè)烤煙品種均表現(xiàn)為葉中分配率最大,根中分配率最??;貴煙8號(hào)和畢納1號(hào)不同器官Cd的分配率表現(xiàn)為葉>葉脈>莖>根,云煙87、CF228與南江3號(hào)則表現(xiàn)為莖中Cd的分配率略高于葉脈。畢納1號(hào)不可利用部分(葉脈、莖、根)Cd的分配率最大,可利用部分(葉)Cd的分配率最小,為41.03%;其他4個(gè)品種均大于50%。
圖1 Cd在各品種烤煙不同器官的分配率Fig.1 Cd distribution in different parts of 5 tobacco varieties
從表4可知,與原始土壤Cd濃度相比,烤煙收獲后,土壤Cd濃度均有顯著降低,降低幅度為0.016~0.029 mg/kg,其中種植畢納1號(hào)的土壤Cd濃度降低最多,其次是南江3號(hào),種植云煙87的土壤Cd含量降低最少。5個(gè)品種對(duì)土壤Cd污染的修復(fù)效率為2.269%~4.113%,表現(xiàn)為畢納1號(hào)>CF228>南江3號(hào)=貴煙8號(hào)>云煙87,其中,畢納1號(hào)最高,CF228其次(3.262%),說明畢納1號(hào)烤煙吸收土壤Cd的能力最強(qiáng)。
表4 烤煙收獲前后土壤Cd含量的變化Table 4 Changes of Cd content in soil before and after tobacco harvest
從表5可知,5個(gè)烤煙品種各器官對(duì)Cd的富集轉(zhuǎn)運(yùn)能力存在差異。5個(gè)烤煙品種植株對(duì)土壤Cd的富集系數(shù)為127.695%~204.549%,表現(xiàn)為畢納1號(hào)>云煙87>CF228>貴煙8號(hào)>南江3號(hào),畢納1號(hào)顯著高于云煙87,二者均顯著高于其余處理;其余處理間差異不顯著;畢納1號(hào)對(duì)土壤Cd富集能力最強(qiáng),南江3號(hào)富集能力最弱。各品種地上部對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為330.028%~402.216%,表現(xiàn)為云煙87>CF228>貴煙8號(hào)>畢納1號(hào)>南江3號(hào),云煙87和CF228顯著高于南江3號(hào),其余處理間差異不顯著。各品種莖部對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為169.806%~205.799%,表現(xiàn)為云煙87>畢納1號(hào)>CF228>貴煙8號(hào)>南江3號(hào),各品種差異不顯著。各品種葉脈對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為216.691%~285.683%,表現(xiàn)為畢納1號(hào)>CF228>云煙87>貴煙8號(hào)>南江3號(hào),畢納1號(hào)顯著高于南江3號(hào),但與其余品種差異不顯著。各品種葉對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為74.299%~173.166%,表現(xiàn)為貴煙8號(hào)>南江3號(hào)>CF228>云煙87>畢納1號(hào),畢納1號(hào)最弱,顯著低于其余品種,說明畢納1號(hào)可利用部位對(duì)Cd的累積能力比不可利用部位弱。綜上,可以考慮將畢納1號(hào)作為修復(fù)中度Cd污染土壤的植物修復(fù)材料。
表5 烤煙植株對(duì)Cd的富集能力及不同器官對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)能力Table 5 Cd accumulation of tobacco plants and transport ability of different parts from tobacco plants (%)
利用超富集植物提取土壤重金屬是一種環(huán)境友好、成本低廉的技術(shù)[23]。目前已發(fā)現(xiàn)的超富集植物多由于生物量小、生長(zhǎng)緩慢等缺點(diǎn)不能大面積推廣。因此,更應(yīng)關(guān)注高生物量的重金屬耐(抗)性植物[24]??緹熓且环N生物量較大,易累積Cd的經(jīng)濟(jì)作物[25],烤煙畢納1號(hào)對(duì)Cd的累積量最大,為583.102 μg/株,其種植密度按1.65 萬株/hm2計(jì)算,每年烤煙可移除土壤Cd 9.621 g/hm2,土壤Cd濃度約可降低0.038 mg/kg,其對(duì)土壤Cd的修復(fù)效率可達(dá)4.113%。不同品種烤煙對(duì)Cd的累積特征存在差異,與其對(duì)土壤Cd的富集轉(zhuǎn)運(yùn)能力有關(guān),烤煙畢納1號(hào)對(duì)Cd的富集系數(shù)為204.529%,顯著大于其他4種烤煙,而烤煙畢納1號(hào)根、莖與葉脈中Cd濃度均顯著大于其他4種烤煙,葉片中Cd濃度均顯著小于其他4種烤煙,可能與葉脈部位汁液向葉片的流速與細(xì)胞中Cd形態(tài)有關(guān)。劉曉等[26]分析不同品種煙草忍耐Cd的機(jī)制發(fā)現(xiàn),Cd脅迫可以抑制烤煙的傷流量,降低其運(yùn)輸速率。
烤煙作為一種經(jīng)濟(jì)作物,其收獲的主要是葉片,該研究烤煙葉片Cd濃度為1.510~2.110 mg/kg,遠(yuǎn)低于貴州烤煙Cd限值[14](5.0 mg/kg),說明在貴州Cd中度污染土壤上種植烤煙,其能夠達(dá)到安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn),并且烤煙可累積Cd 329.047~593.102 μg/株??緹煵煌鞴僦蠧d分配率表現(xiàn)為葉片最大,根最小,與吳玉萍等[18,27]研究結(jié)果一致,與烤煙根系對(duì)Cd的吸收、莖和葉片中Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)及再分配有關(guān)[28]。該研究畢納1號(hào)烤煙莖與葉脈對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)能力與其他4種烤煙差異不顯著,而其葉片對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)能力顯著小于其他4種烤煙。
蘇賢坤等[29]提出利用烤煙根、莖富集重金屬的特點(diǎn),對(duì)采摘過煙葉的根莖集中處理,達(dá)到提取土壤重金屬與防止二次污染的目的。5個(gè)烤煙品種中畢納1號(hào)的不可利用部分(根、莖、葉脈)對(duì)Cd的累積分配最大,其葉片中累積分配最小,畢納1號(hào)葉片中Cd分配率最小,為41.03%,其他4個(gè)品種均大于50%,畢納1號(hào)中Cd從葉脈向葉片的轉(zhuǎn)移系數(shù)最小(74.299%),畢納1號(hào)將Cd主要儲(chǔ)存在根、莖及葉脈等不可利用部分,較其他4種烤煙相比,降低了原料煙葉生產(chǎn)中的不利因素。畢納1號(hào)對(duì)Cd的累積量最大,為583.102 μg/株。因此,從Cd污染土壤修復(fù)及其安全利用角度考慮,可以將種植畢納1號(hào)作為貴州中度Cd污染煙田安全利用措施之一。
烤煙作為一種葉片類經(jīng)濟(jì)作物,本研究的5個(gè)烤煙品種中畢納1號(hào)的單株葉片生物量最大,為131.490 g/株,其葉片Cd濃度顯著小于其他品種,且遠(yuǎn)低于貴州煙葉Cd含量限值(5.0 mg/kg),但其整株吸收Cd含量最大,對(duì)Cd污染土壤的修復(fù)效率為4.113%;其將Cd主要儲(chǔ)存在根、莖及葉脈等不可利用部分,降低了原料煙葉生產(chǎn)中的不利因素。因此,可將種植畢納1號(hào)作為貴州中度Cd污染煙田植物修復(fù)與安全利用的措施之一。