重金屬污染土壤中施加荔枝木生物炭對向日葵植株吸收累積鉛鎘砷的影響

劉 俊,朱 宇,李志良,曾憲琳,管慶蓮,胡勁松,2,3,朱允華,2,3,謝紅艷,2,3,李銀銀,蔡元松,王錦霞,彭翠英,2,3

(1.南華大學(xué)衡陽醫(yī)學(xué)院,湖南 衡陽 421001;2.有色金屬礦區(qū)耕地重金屬污染生態(tài)阻抗技術(shù)研究衡陽市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 衡陽 421001;3.生物毒理與生態(tài)修復(fù)衡陽市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 衡陽 421001)

土壤重金屬污染已成為全球性環(huán)境問題[1-3]。素有“魚米之鄉(xiāng)”美稱的湖南省部分地區(qū)土壤重金屬污染較嚴(yán)重,農(nóng)產(chǎn)品食品安全受到一定影響。湖南省湘潭、株洲、衡陽等地抽檢的稻米Pb、Cd和As含量部分超標(biāo)[4-5],礦區(qū)周邊的油菜與花生等作物易受Zn、Cd和Cu等重金屬污染[6-7]。湖南省重金屬污染土壤的治理和修復(fù)日益受到重視。重金屬污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)以綠色環(huán)保、低成本、能大面積推廣等特征受到越來越多的關(guān)注[8]。植物修復(fù)重金屬污染土壤的實(shí)際效果取決于植株自身的生物量及其累積重金屬的能力[9]。超富集植物雖然累積重金屬的能力很強(qiáng),但往往具有生長周期長、生長緩慢、生物量低等不足之處[10],嚴(yán)重制約著其在修復(fù)土壤重金屬污染方面的應(yīng)用與推廣。因此,學(xué)者們越來越關(guān)注篩選和培育生物量大、生長迅速,且對重金屬具有較強(qiáng)富集能力的植物[11-12]。

向日葵(Helianthusannuus)是一種兼具經(jīng)濟(jì)價(jià)值(油料作物)和觀賞價(jià)值的草本園藝植物,具有葉片面積大、莖干發(fā)達(dá)、生物量大、對生存環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)等特征,在美麗鄉(xiāng)村建設(shè)和城市景觀工程中被廣泛應(yīng)用。向日葵對U、Cu、Pb和Cd有較強(qiáng)的吸收、累積能力[13-14]。如何在生態(tài)恢復(fù)與景觀再造工程中降低向日葵籽粒中重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)成為亟需解決的問題。

生物炭對重金屬污染土壤具有良好的修復(fù)作用[15-17]。研究表明,生物炭能降低盆栽油麥菜、油菜和玉米等植株地上部分重金屬含量[18-20],減少農(nóng)作物被重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)。筆者通過田間試驗(yàn)研究了向重金屬復(fù)合污染土壤施加生物炭后向日葵植株及其器官累積Pb、Cd和As含量的變化,探討了生物炭對向日葵植株累積和分配Pb、Cd和As的影響,以期為修復(fù)礦區(qū)重金屬污染土壤,美化生態(tài)環(huán)境,保障食品安全提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于湖南省衡陽市水口山礦區(qū)(26°30′ N,113°38′ E),海拔185 m,屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候區(qū),年均氣溫為19.0 ℃,月均最高氣溫為32.7 ℃(7月),月均最低氣溫為5.1 ℃(12月),年均降水量1 400～1 700 mm。水口山鎮(zhèn)素有“世界鉛都”的美稱,地下蘊(yùn)藏著豐富的鉛、鋅、金、銀、銅、硫、鈹、鉍、鈾等20多種礦產(chǎn)資源。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)材料

供試作物為向日葵,品種為三道眉,種子購自濰坊香克斯農(nóng)業(yè)科技有限公司。供試生物炭為購買的荔枝木炭粉(過0.28 mm孔徑篩),w(Pb)、w(Cd)和w(As)分別為4. 90、0.25和0.33 mg·kg-1。供試土壤為礦區(qū)重金屬污染菜地,w(Pb)、w(Cd)和w(As)分別為161. 32、4.41、21.45 mg·kg-1。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將菜地翻土、平整后,共設(shè)12個(gè)種植單元,每個(gè)單元相隔0.5 m,以避免不同水平生物炭之間的干擾。試驗(yàn)設(shè)3個(gè)生物炭水平,添加量(w)分別為2.5%、5% 和10%，未施加生物炭的為對照。將生物炭與菜地表層0～15 cm土壤混勻,試驗(yàn)設(shè)3次重復(fù),小區(qū)面積為3 m×3 m,隨機(jī)區(qū)組排列。

向日葵種子用40 ℃溫水浸泡4～6 h至自然冷卻,撈出濾干,用干凈濕巾包好,置于25 ℃恒溫箱中催芽,露白后于2017年3月26日播種于試驗(yàn)小區(qū)(生物炭與土壤混勻,熟化1周)。待幼苗長至兩葉一心時(shí)每小區(qū)保留長勢一致的幼苗54株(6株·m-2)。在向日葵整個(gè)生長期適當(dāng)澆灌自來水以維持60%的田間持水量并及時(shí)除去試驗(yàn)小區(qū)雜草。2017年8月26日向日葵成熟,在每個(gè)小區(qū)隨機(jī)采集6株向日葵植株。

2.3 測定項(xiàng)目與方法

將采集的向日葵植株分為根、莖、葉、種子和花托5部分,先后用自來水和去離子水洗凈,置于103 ℃烘箱內(nèi)殺青1 h,再調(diào)至80 ℃烘至恒重。稱量每株向日葵各器官的生物量(干重)后,使用非金屬器械將烘干的植物樣品粉碎、混勻后分別裝入密封袋內(nèi)保存。植株各部位采用HNO3-HClO4體系消化[18]。消解液中Pb和Cd濃度用火焰原子吸收光譜儀(日立Z-2000) 測定,As濃度用石墨爐原子吸收光譜儀(GTA120,美國瓦里安)測定[21-22]。

2.4 數(shù)據(jù)處理及分析

向日葵植株重金屬總量的計(jì)算公式:植株重金屬總量=根生物量×根重金屬含量+莖生物量×莖重金屬含量+葉生物量×葉重金屬含量+花托生物量×花托重金屬含量+籽粒生物量×籽粒重金屬含量。

采用 Excel 2016 和 SPSS 16.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示,組間數(shù)據(jù)差異用單因子方差進(jìn)行比較。

3 結(jié)果與分析

3.1 生物炭施用量對向日葵生物量的影響

從圖1可知,在復(fù)合重金屬污染土壤施加生物炭對向日葵植株及其器官生物量影響顯著。在一定施用量范圍內(nèi),隨著生物炭施用量的增加,向日葵植株及其器官生物量明顯增加,但生物炭施用量過高時(shí)植株及其器官生物量下降。在生物炭用量為5%時(shí),向日葵植株及其根、莖、葉、花托、籽粒生物量達(dá)到最大值,分別比對照顯著提高64.70%、120.42%、132.81%、136.49%、175.08%和330.15%(P<0.05);在生物炭用量為10%時(shí),根、莖、葉、花托和籽粒生物量分別比5%水平組降低26.13%、7.79%、1.95%、36.53%和76.09%,尤其是根與籽粒含量分別比對照組顯著下降11.05%和21.07%(P<0.05)。適量的生物炭能促進(jìn)向日葵植株的生長,但過高用量的生物炭會抑制向日葵生長。

直方柱上方英文小寫字母不同表示不同生物炭用量間向日葵生物量差異顯著(P<0.05)。

3.2 生物炭施用量對向日葵植株累積Pb、Cd和As總量的影響

從圖2可知,在復(fù)合重金屬污染土壤施加生物炭,向日葵植株累積Pb、Cd、As的總量顯著增加。與對照組相比,添加2.5%、5%和10%生物炭向日葵植株中累積的Pb、Cd和As總量分別增長22.90%～58.92%、15.76%～42.25%和67.92%～109.78%(P<0.05)。在生物炭用量為5%時(shí),向日葵植株累積的Cd和As達(dá)到最大值,分別比對照組提高42.25%和109.78%;在生物炭用量為2.5%時(shí),向日葵植株累積的Pb達(dá)到最大值,比對照組顯著增長58.92%。顯然,生物炭能顯著增強(qiáng)向日葵植株吸收和累積Pb、Cd和As的能力。

直方柱上方英文小寫字母不同表示不同生物炭用量間向日葵植株重金屬總量差異顯著(P<0.05)。

3.3 生物炭施用量對向日葵根累積Pb、Cd和As的影響

從圖3可知,向重金屬復(fù)合污染土壤中施加生物炭對向日葵根累積Pb、Cd和As影響顯著。隨著生物炭施用量的增加,向日葵根累積的Pb、Cd和As含量顯著下降(P<0.05)。在生物炭用量為10%時(shí),向日葵根中的Pb、Cd和As含量比對照組分別下降87.87%、53.58%和75.46%。這說明向重金屬復(fù)合污染土壤施加生物炭可以有效地抑制Pb、Cd和As在向日葵根中的累積。

直方柱上方英文小寫字母不同表示不同生物炭用量間向日葵根重金屬含量差異顯著(P<0.05)。

3.4 生物炭施用量對向日葵莖累積Pb、Cd和As的影響

如圖4所示,隨著生物炭施用量的增加,向日葵莖累積的Pb、Cd和As含量顯著降低(P<0.05)。在生物炭用量為10%時(shí),向日葵莖中的Pb、Cd和As含量分別比對照組下降31.07%、40.27%和31.64%。這說明向重金屬復(fù)合污染土壤施加生物炭可以有效地抑制Pb、Cd和As在向日葵莖中的累積。

直方柱上方英文小寫字母不同表示不同生物炭用量間向日葵莖重金屬含量差異顯著(P<0.05)。

3.5 生物炭施用量對向日葵葉累積Pb、Cd和As的影響

從圖5可知,向重金屬復(fù)合污染土壤中施加生物炭后向日葵葉中Pb、Cd和As含量比對照有所增加,且不同施加水平之間差異顯著(P<0.05)。適量施加生物炭能顯著促進(jìn)Pb、Cd和As在向日葵葉中累積;但隨著生物炭施用量的增加,這種促進(jìn)效應(yīng)呈下降趨勢。

直方柱上方英文小寫字母不同表示不同生物炭用量間向日葵葉重金屬含量差異顯著(P<0.05)。

在生物炭用量為2.5%時(shí),葉中累積的Pb、Cd和As含量達(dá)到最大值,分別比對照組增加60.31%、27.13%和68.29%。這表明向重金屬復(fù)合污染土壤中施加生物炭后,向日葵根和莖中的Pb、Cd和As大量地向葉遷移和累積。

3.6 生物炭施用量對向日葵花托累積Pb、Cd和As的影響

從圖6可知,向重金屬復(fù)合污染土壤中施加生物炭后,向日葵花托中累積Pb、Cd和As含量顯著增加(P<0.05)。隨著生物炭施用量的增加,花托中累積的Pb和As含量不斷增加;在生物炭用量為10%時(shí),花托中累積的Pb和As達(dá)到最大值,分別比對照組增加193.03%和267.36%。隨著生物炭施用量的增加,花托中累積的Cd含量呈先增加后降低趨勢;在生物炭用量為5%時(shí),花托中累積的Cd達(dá)到最大值,比對照組增加19.13%。這表明,向重金屬復(fù)合污染土壤中施加生物炭后,向日葵根和莖中的Pb、Cd和As大量地向花托遷移和累積。

直方柱上方英文小寫字母不同表示不同生物炭用量間向日葵花托重金屬含量差異顯著(P<0.05)。

3.7 生物炭施用量對向日葵籽粒累積Pb、Cd和As的影響

如圖7所示,向重金屬復(fù)合污染土壤中施加生物炭后,向日葵籽粒中累積的Pb、Cd、As含量隨著生物炭施用量的增加顯著降低(P<0.05)。在生物炭用量為10%時(shí),向日葵籽粒中的Pb、Cd和As含量比對照組分別下降78.13%、46.18%和50.23%;籽粒中Pb、Cd和As含量分別為1.230、2.623和0.543 mg·kg-1。與GB 2762—2017中堅(jiān)果及籽類的Pb和Cd的限量標(biāo)準(zhǔn)(0.2 和0.5 mg·kg-1)相比,向日葵籽粒的Pb和Cd含量分別超標(biāo)28.12和5.35倍。這說明向重金屬復(fù)合污染土壤施加生物炭可以有效地抑制Pb、Cd和As在向日葵籽粒中的累積,但仍未達(dá)到食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)。

直方柱上方英文小寫字母不同表示不同生物炭用量間向日葵籽粒重金屬含量差異顯著(P<0.05)。

4 討論

4.1 生物炭對向日葵生長的影響

研究表明,生物炭可以提高土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和速效鉀等土壤養(yǎng)分含量[23-24],并改善土壤通氣狀況和持水能力[25];生物炭不但促進(jìn)了植物根系向土壤深層伸長和吸收營養(yǎng)元素[24];而且促進(jìn)植物葉表面積增大、葉綠素含量增加[23,26],增強(qiáng)葉片光化學(xué)效率,提高葉片的光合性能[26]。適量的生物炭可以促進(jìn)向日葵植株生長,這與前人研究發(fā)現(xiàn)生物炭能促進(jìn)油麥菜、玉米、番茄等農(nóng)作物生長的結(jié)果一致[18,27-28]。

4.2 生物炭對向日葵植株累積Pb、Cd、As的影響

土壤中重金屬被植物吸收后,大部分富集在根部,較少遷移至地上部[29]。一般來說,重金屬在植物體內(nèi)各器官的含量分布從大到小依次為根>莖>葉>籽實(shí)[29-30]。該研究發(fā)現(xiàn)向日葵植株各器官中葉累積的Pb、Cd和As含量最高。生物炭可提高作物生育期的蒸騰速率與凈光合速率[31],促進(jìn)隨水溶液運(yùn)輸?shù)闹亟饘冫}分往葉運(yùn)輸。Pb、Cd和As能通過農(nóng)作物根系的共質(zhì)體進(jìn)入導(dǎo)管,從而隨水一起向地上部分遷移、轉(zhuǎn)運(yùn)[32]。向日葵葉的表面積遠(yuǎn)大于籽粒,其耗散的水分遠(yuǎn)大于種子。因而,Pb、Cd和As在向日葵植株中優(yōu)先隨水轉(zhuǎn)運(yùn)到葉與花托中。

研究發(fā)現(xiàn),生物炭能降低油菜、油麥菜、煙草、生菜等作物各器官的Pb、Cd等重金屬含量[15,18,33-34]。施加生物炭后向日葵植株累積的Pb、Cd和As總量顯著增加,但向日葵各器官累積的Pb、Cd和As含量變化趨勢并不一致。向日葵根、莖與籽粒累積的Pb、Cd和As含量顯著降低(P<0.05),但葉與花托中累積的Pb、Cd和As含量顯著增加(P<0.05)。對照組向日葵植株累積的Pb含量分配規(guī)律為葉?根>花托>莖>種子,As為葉?花托>根>莖>種子,Cd為葉?莖>根>花托>種子。向土壤中施加生物炭后,Pb、Cd和As在向日葵各器官累積、分配有如下共同的規(guī)律:葉?花托>莖>根>種子。顯然,向重金屬復(fù)合污染土壤施加生物炭后可能激發(fā)了向日葵植株的某種解毒機(jī)制;向日葵優(yōu)先將根吸收的Pb、Cd和As轉(zhuǎn)運(yùn)、分配至葉和花托中,并阻抗其向繁殖器官——籽粒中轉(zhuǎn)運(yùn)與累積,以減少對下一代(種子)的生物毒害作用。

4.3 “生物炭+向日葵”模式對重金屬復(fù)合污染土壤的修復(fù)潛力

施加生物炭后,向日葵植株累積的Pb、Cd和As總量顯著增加。在生物炭用量為5%時(shí),每株向日葵植株可以有效去除復(fù)合重金屬污染土壤中的Cd(2.734 g)和As(2.060 g);在生物炭用量為2.5%時(shí),每株向日葵植株可以有效去除復(fù)合重金屬污染土壤中的Pb(10.964 g)。按試驗(yàn)小區(qū)的種植密度(6株·m-2),預(yù)計(jì)種植向日葵60 000株·hm-2(輔以生物炭改良土壤),可以分別去除重金屬污染土壤中的Cd 657.840 Kg、Pb 164.040 Kg和As 123.600 Kg。生物炭改良重金屬污染土壤后,向日葵籽粒的Pb、Cd和As含量仍然超出GB 2762—2017標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的食品限量值。隨著人類對能源需求的加大,生物能源材料作為一種新型能源正在逐步被開發(fā)和利用,以取代一部分石化能源[35]。向日葵可以作為生物柴油的原料,且具有可再生、 環(huán)境友好型、 安全性等特點(diǎn),具有廣泛的應(yīng)用前景。因此,在重金屬復(fù)合污染土壤中采用“生物炭+向日葵”模式進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)時(shí),將收獲的成熟向日葵加以回收利用(如做能源植物),不但對重金屬復(fù)合污染土壤有較強(qiáng)的修復(fù)效應(yīng),同時(shí)還能產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益(旅游觀光和能源經(jīng)濟(jì)效益)。

5 結(jié)論

(1)向重金屬復(fù)合污染土壤施加生物炭能顯著促進(jìn)向日葵的生長,但過量施用會抑制其生長。

(2)向重金屬復(fù)合污染土壤施加生物炭后,向日葵植株累積的Pb、Cd和As的總量顯著增加,分別高達(dá)10.964、2.734和2.060 g·株-1;與對照組相比,累積的Pb、Cd和As總量分別增長了22.90%～58.92%、15.76%～42.25%和67.92%～109.78%。向日葵對重金屬復(fù)合污染土壤具有較強(qiáng)的修復(fù)能力。

(3)向重金屬復(fù)合污染土壤施加生物炭后,向日葵葉與花托中Pb、Cd和As的累積含量顯著增加,根、莖和籽粒中累積的Pb、Cd和As含量顯著降低。向日葵籽粒中的Pb、Cd和As含量比對照組分別下降78.13%、46.18%和50.23%,但仍無法達(dá)到GB 2762—2017標(biāo)準(zhǔn)中堅(jiān)果及籽類的限量標(biāo)準(zhǔn),僅可作為生物能源材料進(jìn)行開發(fā)利用。