黑豆—油菜与大豆—油菜轮作模式土壤镉修复能力比较

常银川，陈奕暄，窦 源，谭可夫，涂鹏飞，曾清如

（湖南农业大学资源环境学院，湖南长沙 410128）

近年来，我国重金属造成的土壤环境污染问题十分严重［1］。其中，20世纪末期矿产开发是造成我国土壤重金属污染的重要因素之一。矿产开采过程中会产生大量的废渣和尾矿，在自然条件下，这些尾矿中的重金属易随着地表径流进入土壤中，形成土壤和水体污染［2］。由于重金属在土壤系统里较为稳定，从土壤中迁移出去的能力较差，很难被土壤中的微生物等降解吸收，所以，土壤一旦遭受重金属的侵入污染，将会给整个生态系统带来非常大的危害，对各种生物的健康造成潜在的威胁［3］。

我国是食用油生产大国，同时也是食用油的消费大国。截止2017年，我国食用植物油自给率不到40%，为世界上最大的油料作物进口国。然而，即使我国是油品高产大国，但仍无法满足国内的巨大需求。据统计，我国仅花生油能够基本实现自给，而豆油自给率仅有15.1%，菜籽油自给率也只有69.4%［4］。因此，需要大力发展大豆等油料作物的种植，以保障国内油料供给。此外，油料作物对重金属亦有一定富集能力。黎红亮等［5］通过有机试剂对油料作物的籽粒进行提油，发现植物油中重金属的含量符合食品安全标准，能产生一定的经济利用价值，不会影响环境和人类健康，因此油料作物很适用于重金属污染土壤的植物修复。

植物修复是一种新型的、成本低廉、环境友好的土壤重金属修复技术［6］。传统的超富集植物虽然对土壤重金属有非常强的富集能力以及耐受能力，但由于其生物量较小，不耐干旱不耐寒冷，且大多数超富集植物都不具备经济价值，因此对于农田重金属污染土壤的修复来说意义不大［7］。油料作物是我国在农田中种植的传统农作物，一些研究已经证实了油料作物可以用来修复被重金属污染的土壤，但尚没有报道有哪一种油料作物轮作模式能够长期、系统并且有效地修复重金属污染土壤。本研究通过调整当地的农业种植模式，合理利用废弃的污染农田，以期能够筛选出适合湖南当地生产的双季油料作物或者油料作物与经济作物轮作的模式来修复农田土壤。本试验选取常见的豆类（大豆、黑豆）和油菜，在中度镉污染土壤进行轮作，分析这3种油料作物对镉的吸收富集能力，比较大豆、黑豆分别与油菜轮作对土壤镉污染的修复效果，为重金属镉污染农田的治理及合理利用提供依据。

1 材料和方法

1.1 试验地点

本试验为大田试验，地点位于湖南省醴陵市均楚镇黄谷村（113.8257°E，23.0246°N）。由表1可知，该村受周围矿区尾矿和大气沉降的污染，导致该地重金属含量超标。试验田土壤的pH为4.51，重金属镉含量超过国家二级标准2.3倍［8，9］，镉的CaCl2提取态为0.279 mg／kg，属于镉中度污染区域。而Pb、Zn、Cu含量低于国家标准。该试验田种植出的稻米镉含量为0.66 mg／kg（表2），超过国家标准3.3倍［10］。

表1 试验土壤的重金属本底值Table 1 Background values of heavy metals in soil mg／kg

表2 黄谷村污染土壤种植的稻米重金属含量Table 2 Heavy metal content of rice planted in contam inated soil in Huanggu village mg／kg

1.2 试验设计

每组轮作模式设置6个独立平行小区，在试验地划分6块（4 m×8 m）小区，每块地按照当地常规施加复合肥方法施加基肥。第一季3个小区种植大豆，种植密度30 cm×20 cm，3个小区种植黑豆，种植密度与大豆一致。在第一季作物收获离田后将土壤深翻耕均匀，再种植油菜（品种：绿生1号），种植密度30 cm×20 cm。植期期间，做好田间管理，定时浇水、除草和施肥。

在收获期每块试验地随机采集5株植物样品制成一个混合样品，按照不同的部位分装带回实验室。先将植物样品清洗干净，再装入大号信封中放入恒温烘箱中，将温度调整到105℃杀青120 min，再在将温度下调到60℃烘2 d后，取出，用小型高速粉碎机粉碎，过100目筛，放入干燥皿中备用。

在试验小区采集土样。采集前将试验区挖设垄沟，采用5点取样法采集耕作层的土壤样品。采样时尽量避免石头、枝叶等杂质。土壤采集完毕后，做好标记，待风干后以4分法进行处理，然后将土壤样品研磨，过10目以及100目筛，放置于干燥皿中备用。

1.3 测定指标

土壤测定pH值、重金属含量、有机质、阳离子交换量4大类指标，植物样品测量其生物量以及不同部位的重金属含量。土壤样品风干后采用四分法进行处理，过筛后用微波消解法消解；植物样品杀青粉碎过筛后用消解仪消解。分别采用原子吸收分光光度计（AA-7000，日本岛津）、ICP-OES（Optimas 8300，美国PE）、石墨炉原子吸收分光光度计（AA-240 ZZ，美国安捷伦）对消解液进行测量。

1.4 数据处理

本研究中样品消解均做三组平行，并添加样品空白及标准样品组。使用Excel2007进行统计分析，用Origin 8.0作图。各指标计算公式如下：

其中：M每公顷土壤镉的总量（g）＝2250×C土壤中镉的含量

注：1 hm2土壤20 cm耕作层质量为2250 t。

2 结果与讨论

2.1 两种轮作模式下植株中的镉积累比较

从表3可知，在作物的不同部位，对土壤中镉的富集能力最强的为油菜叶片，其含量达到了6.27～7.13 mg／kg。黑豆各部位镉含量均高于大豆。黑豆根、茎、叶、果壳、果的镉含量分别达到了2.14、2.63、4.10、1.34、0.71 mg／kg，黑豆—油菜模式下的油菜的根、茎、叶、果壳、果分别达到3.10、4.73、7.13、1.85、0.50 mg／kg。

表3 两种轮作模式下植株各部位镉含量Table 3 Cadmium content in different parts of crops under two rotation patterns mg／kg

2.2 两种轮作模式下的镉生物富集系数

生物富集系数是植物修复中衡量不同作物对于土壤重金属富集能力强弱的一个标准［11］。一般认为当植物富集系数大于1时，表明该植物对土壤重金属表现出较强的富集能力。从图1（a）可知，对土壤镉富集能力最强的植物为油菜，其次为黑豆。富集能力最强的部位为油菜的叶片，两种轮作模式下分别达到7.27和6.35，其次为油菜的茎，分别达到4.83和4.04，最低的部位为油菜的籽粒，富集系数均低于1，说明籽粒对镉的富集能力较弱。大豆与黑豆两种豆科油料作物比较，黑豆表现出了较高的对镉的富集能力，镉富集能力最强的是黑豆的叶片，达到4.13，其次是黑豆的茎，富集系数达到2.65。而两种作物果实对镉的富集系数均小于1，说明土壤镉向果实中的转运能力较弱，这有利于植物修复过程中实现农产品的安全生产。

2.3 不同轮作模式下的镉转运系数比较

由图1（b）可知，两种轮作模式中油菜茎、叶的转运系数都是最高的，在不同轮作模式中，油菜叶的转运系数最高，分别达到2.30和2.12，表明油菜地上部分对镉累积能力要大于根部。黑豆各部位的转运系数均高于大豆，茎、叶、果壳、果分别达到了1.23、1.92、0.63、0.33，说明黑豆由地下部分往地上部分转运镉的能力更强。成熟期各部位的镉转运系数油菜＞黑豆＞大豆。而各部位转运系数呈现出叶＞茎＞果壳＞果的规律。而果壳及果的转运系数均小于1，说明镉由根转运到果实部位的能力较弱。

图1 不同轮作模式的镉生物富集系数及转运系数Fig.1 Biological coefficient and transportation factor of different rotation patterns

2.4 轮作模式修复潜力比较

大豆—油菜和黑豆—油菜轮作模式中，各种作物均能正常生长，未出现明显镉胁迫反应。两种模式中，大豆的生物量最大，为14 800 kg／hm2，其次是黑豆、油菜。黑豆、大豆、油菜籽粒产量分别为3396.65、1891.10和3119.99 kg／hm2。据以往的研究表明，油料作物在经过榨油后，重金属主要富集在残余的粕饼中，粕饼经过脱毒后，可以作为优良的动物饲料和有机肥，能将资源利用最大化。

在大豆—油菜和黑豆—油菜两种轮作模式下，种植一季黑豆可带走镉29.45 g／hm2，一季油菜可以带走镉45.87 g／hm2，一季黑豆—油菜轮作模式下共可带走镉75.32 g／hm2。在大豆—油菜轮作模式下，一季大豆能带走镉12.62 g／hm2，一季油菜可带走镉39.06 g／hm2，一季大豆—油菜轮作模式下可带走镉51.68 g／hm2。

由表4可知，在黑豆—油菜轮作模式中，种植完一季黑豆土壤镉含量由原始土壤的0.993 mg／kg降至0.981 mg／kg，土壤TCLP提取态镉浓度由0.385 mg／kg降至0.380 mg／kg。种植完油菜后，土壤镉含量从0.981 mg／kg降至0.964 mg／kg，TCLP提取态镉浓度由0.380 mg／kg降至0.375 mg／kg。这表明，黑豆—油菜轮作模式对于土壤中轻度镉污染具有较好的修复效率。在大豆—油菜轮作模式中，种植完一季大豆土壤镉含量由0.993 mg／kg降至0.988 mg／kg，土壤TCLP提取态镉浓度由0.385 mg／kg降至0.382 mg／kg，种植完油菜后，土壤镉含量从0.988mg／kg降至0.973 mg／kg，TCLP提取态镉浓度由0.382 mg／kg降至0.377 mg／kg。以上结果表明，黑豆—油菜轮作模式对于中轻度镉污染土壤的修复效率要优于大豆—油菜轮作模式。

表4 两种模式下作物收获前后土壤镉含量Table 4 Cadmium content in soil before and after crop harvest under two models mg／kg

3 讨论

植物修复是一个比较漫长的过程，许多类似于超富集植物的修复作物虽然具有一定的修复价值，但是往往有生物量小、对生活环境有较高的要求等，在长期修复过程中，使得种植户的收益急剧下降，而采用传统油料作物来进行植物修复则是一种新的思路［12，13］。在修复过程中，油料作物具有很大的生物量并且还有不低的富集能力等特点，并且能为种植户带来可观的收入，植物的各个部位都能进行资源化利用，能够实现边创造可观的价值边进行修复［14，15］。

大豆、黑豆、油菜均为我国传统的油料作物，两种轮作模式中大豆、黑豆、油菜除果实外对镉的富集系数都大于1，说明这3种作物都可以作为植物修复的理想作物［16～18］。黑豆—油菜、大豆—油菜种植一轮能带走镉75.32和51.68 g／hm2，土壤镉由0.993 mg／kg分别降低至0.964、0.973 mg／kg，说明这两种模式对农田重金属污染都能够进行有效的修复，在中轻度镉污染土壤中在不影响植物健康的情况下能有效降低土壤镉污染。

利用黑豆—油菜、大豆—油菜这两种轮作模式来修复重金属污染的农田既可以有效去除土壤镉，不会对环境造成危害，又能将作物收获后进行回收利用，带来经济收益，这种治理方法是可行的。

油料作物果实以及其它部位中重金属超标，但是经过一系列脱毒处理达标后可以当饲料和肥料使用［19］。有研究表明，大豆、油菜等果实提取的油中重金属并不超标，重金属主要富集在粕饼中，对粕饼进行脱毒后可再利用［20，21］。

4 结论

（1）两种植模式的作物都能在中轻度镉污染试验农田上正常生长，表现出对重金属镉的一定耐性。经过种植一轮黑豆—油菜、大豆—油菜，分别能够从土壤中带走73.52和51.68 g／hm2的镉，对土壤中镉的修复效率约为3%。

（2）黑豆—油菜轮作模式中，黑豆表现出良好的镉富集能力，其根、茎、叶、果壳、果中镉的含量分别为2.14、2.63、4.10、1.34、0.71 mg／kg，且富集系数除果实外均在1以上，油菜各个部位含量最高的分别为叶与茎，分别达到了7.13和4.73 mg／kg。

（3）在3种油料作物中，油菜对重金属镉的提取能力最佳，其次是黑豆；轮作模式中以黑豆—油菜模式提取效率最高。