基于甜高粱的铅污染农田安全利用技术研究

薛忠财，杜瑞恒，李十中

（1河北民族师范学院资源与环境科学学院，河北承德 067000；2清华大学核能与新能源技术研究院，北京 100084；3河北省农林科学院谷子研究所，石家庄 050035）

0 引言

土壤作为重要的自然资源，为人类的生产和生活提供必要的物质基础。然而，矿山开采、有色金属冶炼、蓄电池、燃料（含铅汽油等）、印刷等行业在发展过程中排放的大量含铅废水、废渣和粉尘等，造成中国土壤铅污染问题十分严重[1]，点位超标率达到1.5%[2]。由于土壤中的铅可以通过手-口途径或者食用铅污染土壤上种植的农作物等暴露途径进入人体，从而损害神经系统和血液系统的功能，引起铅中毒[3-4]。

可见，中国目前铅污染农田面积巨大、危害严重，如何利用或修复这些农田，实现对污染农田的可持续利用是人们急需要解决的问题。根据《土壤污染防治行动计划》、《土壤污染防治法》等文件的要求，对受到污染的农田要以恢复土壤农业生产功能、满足农业生产要求为目标，在此基础上已经形成了“分类施策、农用优先，预防为主、治用结合”的治理思路，开发出农艺阻控、化学调控等多种污染农田安全利用技术[5-6]。综合考虑中国现有的土地政策和人多地少的基本国情，在技术选择时既要实现土地的安全利用，又要满足广大农民的利益需求。改变传统的种植结构，种植适合当地环境条件、具有经济价值、抗性强的作物（如桑树[6]、烟草[7]、油菜[8]）、观赏植物[9]是一种有效的途径。

甜高粱[Sorghum bicolor(Linn.)Moench]作为重要的粮食作物和能源作物，每公顷可生产含糖10%～15%的茎秆75～90 t，具有生物量大、抗逆性强等特点，且在中国大部分地区均可以种植[10]。现已证明，甜高粱对镉、铅等重金属具有较强的吸收能力和耐性[11-12]，可在污染农田上推广种植[13-14]。目前，在植物对铅的吸收、转运、累积、存储的生理及分子机理研究中取得了显著进展[15-17]。秦华等[18]通过盆栽试验证明，铅含量在甜高粱体内含量由大到小的顺序为根＞叶＞茎＞穗；Zhuang 等[19]研究表明，在铅含量为938 mg/kg 的农田上种植甜高粱，每公顷可吸收铅0.35 kg。

但是，关于甜高粱对铅的富集特征及其与土壤中铅含量关系的研究尚未见报道。因此，本研究通过田间控制试验研究在不同铅污染条件下，甜高粱对铅吸收和积累规律，分析其与土壤铅含量的关系，试图在此基础上建立基于甜高粱的铅污染农田安全利用技术。

1 材料与方法

1.1 试验时间、地点

试验于2016年5—11月在河北省农林科学院谷子研究所实验站进行。

1.2 试验材料

1.2.1 供试品种甜高粱品种为‘M64’（由河北省农林科学院谷子研究所提供）。

1.2.2 供试土壤壤土，取自河北省农林科学院谷子研究所实验站大田，经自然风干、去杂质、磨碎过6 mm筛后备用。土壤理化性质包括土壤pH 6.7，有机质含量为2.59 g/kg、速效氮含量为78.9 mg/kg、速效磷含量为11.2 mg/kg、速效钾含量为94.4 mg/kg、铅含量为52mg/kg。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计试验土壤于2013 年4 月配制，按照500、1000、1500、2000、4000 mg/kg 的浓度通过添加Pb(NO3)2溶液配制5个水平的铅污染土壤，文中分别以T1、T2、T3、T4、T5表示，并以空白土壤作为对照，用T0表示。在农田中，挖12个池子（长3 m、宽0.4 m、深0.4 m），用厚塑料布覆盖池子底部和四周，避免土壤中的重金属因灌溉而流失，随后把配制好的土壤分别装入池子中，每个处理重复2次，加水平衡30天后，连续多年种植甜高粱，土壤中的铅含量如表1所示。

1.3.2 株高和生物量的测定每个处理选择5 株，测定甜高粱地上部高度，分为根、茎、叶和籽粒4个部分，去除根表面的土壤后，将根茎、叶用20 mmol/L乙二胺四乙酸二钠(Na2-EDTA)浸泡1 h 以除去表面粘附的离子，然后用蒸馏水冲洗，随后在105℃杀青30 min 后，在80℃下烘干至恒重。

1.3.3 茎秆水分含量的测定将根、叶、籽粒去除后，称量茎秆鲜重(FW)，然后在80℃下烘至恒重，称取茎秆干物质重(DW)。根据公式(1)计算叶片含水量WC，每个处理重复5次。

1.3.4 茎秆糖含量的测定采用高效液相色谱仪LC-20A(Shimadzu,Japan)进行测定。取30 g 粉碎后的甜高粱茎秆渣，加入300 mL 水提取糖，取10 mL 提取液加入硫酸调节pH 3 后，在5000 r/min 条件下离心5 min，上清液用0.25 μm 膜过滤后进行测定。测定条件为：流动相50 mmol硫酸，柱温60℃，流速0.5 mL/min，进样量20 μL，色谱柱：Bio-Rad AminexHPX-87H。每个处理重复测定3次。

表1 供试土壤中全量和HCl提取有效态铅含量 mg/kg

1.3.5 铅含量的测定土壤样品风干、粉碎，过100 目筛，全量铅含量采用HNO3:HCl:HF(1:3:1)的消解体系进行消解，有效态铅含量采用0.1 mol/L HCl提取的方法，称取土壤样品10 g，按照1:5的比例加入提取液液，在25℃条件下震荡提取1.5 h，过滤后离心(5000 r/min，10 min)。取烘干后的植株样品，粉碎后过60 目筛，取一定量样品加入HNO3进行消解。利用iCAP7400(Thermo fisher,USA)进行测定。

1.3.6 数据处理转运系数(TF)为甜高粱植株地上各部分（茎、叶、籽粒）中铅含量与根中铅含量的比值。TF表示铅由根部转运、分配到地上部的能力，TF值越大表示由根部转运到地上部的能力越强。

富集系数(BFC)为甜高粱植株各部分（根、茎、叶、籽粒）中铅含量与土壤中铅含量的比值。BFC值越大表示甜高粱对于铅的积累能力越强。

使用Microsoft Office Excel 2016软件进行数据处理和作图，用SPSS 22.0软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 铅对甜高粱生长的影响

由表2可知，经过不同浓度的铅处理，甜高粱并未表现出明显的重金属毒害症状，对于植株的正常生长没有显著影响，不同处理条件下均可以完成整个生育期，但是当土壤中铅含量达到3102 mg/kg 时，植株的籽粒产量和根部生物量与对照和其他处理相比显著降低。另外，在经过不同浓度铅处理后，甜高粱茎秆的含糖量和水分含量未发生明显变化，平均含糖量为10%、水分含量为75%（见图1）。

2.2 甜高粱对铅的富集特征

随着土壤中铅浓度的增加，甜高粱植株体内各部位的铅浓度均显著增加，且各部位的铅浓度呈现根＞叶＞茎＞籽粒的趋势，当土壤中的铅浓度达到3102 mg/kg时，甜高粱根和叶部的铅浓度分别为311.04、114.37 mg/kg（见表3），单株最高积累量可达到12.4 mg（见图2a）。从铅在甜高粱植株体内的分布看（见图2b），甜高粱体内的铅主要分布在叶中，这主要是由于叶中的铅浓度较高，占全部总量的51.3%～66.6%，平均值为58.6%，其次在根部的分配比例为23.3%，而在茎部的分布比例为12.7%～23.5%，在籽粒中的分布比例仅为1.1%。

表2 不同浓度铅处理对甜高粱生长的影响

转移系数TF和富集系数BCF作为衡量植物对重金属吸收转化过程和能力的重要指标，可以反映重金属由根部转运、分配到地上部的能力，在植物修复材料的筛选和评价过程中发挥着重要的作用。由图3 可知，甜高粱叶片对铅具有较高的TF值，可达到0.55～1.06，平均值为0.78，茎秆和籽粒中的TF值的平均值分别为0.12和0.07。从富集系数上，表现为根＞茎＞叶＞籽粒，而由于土壤中铅浓度较高，因此BCF值比较低，可以说，甜高粱对于铅具有较强的抗性，但是对于铅的富集能力较低。

2.3 甜高粱的生长性状和铅富集特征与土壤铅含量的关系

通过分析甜高粱的生长性状和铅富集特征与土壤铅含量的关系（见表4）可以看出，根、茎、叶、籽粒的铅含量与土壤全量铅含量均有显著正相关，相关系数分别为：0.90、0.99、0.99、0.95，这说明甜高粱不同器官中的铅含量随着处理浓度的增加而增加，同时，由于土壤中的有效态铅含量与全量铅含量具有线性关系(y=0.029x-14.706,R2=0.84)（数据未列出），随着铅浓度的增加土壤中有效态铅含量也不断增加，并且与甜高粱不同器官内的铅含量均具有显著的关系，这说明随着土壤中铅含量的增加，甜高粱对于铅的吸收量逐渐增加。与此同时，甜高粱茎秆生物量和茎秆含糖量未受到铅处理的影响，与土壤铅含量并没有显著相关。

表3 甜高粱不同器官中的铅浓度 mg/kg

3 讨论

甜高粱对重金属（镉、铅等）具有较强的抗性和适应能力[11,13]，在本研究中，甜高粱在不同浓度铅处理条件下均可以正常生长，并未表现出明显的重金属毒害症状（见表1），这表明甜高粱对铅具有较强的抗性，并与前人的研究结果一致[15,18]，随着土壤中铅浓度的增加，甜高粱植株体内各部位的铅浓度均显著增加，各部位的铅浓度呈现根＞叶＞茎＞籽粒的趋势，并且地上部铅的积累量不断增加，单株地上部的铅积累量可以达到8.63 mg（土壤实际铅含量为3102 mg/kg），按照每公顷种植9万株计算，每公顷可吸收铅0.78 kg。

表4 甜高粱的生长性状和铅富集特征与土壤铅含量的关系(n=6)

同时，甜高粱作为典型的能源作物和糖料作物，茎秆中糖分的含量的高低是衡量甜高粱茎秆利用价值的重要指标，正常田间的甜高粱茎秆含糖量一般在10%～15%[13]。在本研究中，铅处理对甜高粱茎秆的糖含量和水分含量没有明显影响（见图1），平均含糖量为10%，含糖量偏低的主要原因是为了保证试验处理条件的一致，研究中采用了田间控制的方法，对其生长造成一定的影响，但是处理间差异并不显著。余海波等[20]研究表明，在经石灰和磷矿粉改良后的重金属污染农田上种植甜高粱，其总糖和还原糖含量并没有明显变化，笔者前期相关研究也得到出相同的结果[11]。在本研究条件下，按照每公顷种植90000株计算，可产甜高粱茎秆31.5～42.0 t/hm2，平均可达37.5 t/hm2，茎秆中的平均含糖量为10.0%，每公顷可产糖3.75 t。

甜高粱茎秆由于含糖量较高，是生产燃料乙醇的优良材料[21-22]，因此，铅污染农田上种植的甜高粱可以不进入食物链，而进入能源产业链，可减少铅的暴露途径，保障粮食产品的安全[13]。采用清华大学研发的先进固态发酵技术(ASSF)进行甜高粱生物乙醇生产，具有糖利用率高、工艺流程简单、生产成本低、无废水产生等优点，其发酵周期少于30 h，乙醇产率可高达92%[23]，并且山东东营已成功建立了工业化示范项目，乙醇产量能够达到理论最高产量的90.5%。另外发酵后所产生的大量富铅的发酵渣（酒糟）和叶片等生物质材料具有燃烧发电的价值[24]，燃烧后产生的余热和废气可以用于酒糟的烘干脱水，残渣和飞灰可以作为重金属提取回收的原材料[25]，这样也实现对甜高粱植株的无害化、资源化和能源化利用。由于后续处置技术成熟、指标明确，通过本实验可证明在铅污染农田种植甜高粱，可以为后续产业提供原材料，在此基础上，总结提出了基于甜高粱的铅污染农田安全利用技术（见图4）。

4 结论

甜高粱对铅具有较强的耐性，对于甜高粱的生长并没有显著影响，甜高粱植株体内各部位的铅浓度均显著增加，且各部位的铅浓度呈现根＞叶＞茎＞籽粒的特征，根和叶片中的铅浓度最高可分别达311.04、114.37 mg/kg。甜高粱对铅的吸收与土壤中的铅含量具有显著的关系，随着土壤中铅含量的增加，地上部铅的积累量不断增加。

通过改变传统的种植结构，在铅污染农田上种植甜高粱，并集成先进固态发酵技术和燃烧技术实现对甜高粱植株的安全处置，总结提出了基于甜高粱的铅污染农田安全利用技术，此技术简便、方法易行，可实现生态、经济和社会效益的多方共赢。

通过改变传统的种植结构，在铅污染农田上种植甜高粱，并集成先进固态发酵技术和燃烧技术实现对甜高粱植株的安全处置，总结提出了基于甜高粱的铅污染农田安全利用技术，此技术简便、方法易行，可实现生态、经济和社会效益的多方共赢。