籽粒苋-钝化剂联合修复系统对菜地土壤和西蓝花重金属含量的影响

梁金明 王珂 杨国义 李彬 邓玉 朱雅琪

摘要 为了保障菜地土壤的安全利用，修复菜地土壤重金属污染、降低蔬菜重金属含量，对籽粒苋-钝化剂联合修复系统对菜地土壤和西蓝花重金属含量的影响进行研究。结果表明，籽粒苋种植可以显著降低菜地土壤Cd、Pb、Ni含量（P<0.05）;籽粒苋-钝化剂联合修复系统可以显著降低西蓝花Cd、Pb含量（P<0.05）;西蓝花种植可以显著降低土壤Hg、Cr、Ni含量（P<0.05），不宜在重金属污染土壤中种植。

关键词 籽粒苋;植物修复;钝化剂;菜地土壤;西蓝花;重金属含量;影响

中图分类号 X53文獻标识码 A

文章编号 0517-6611（2021）10-0070-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.10.019

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Study on the Effect of Grain Amaranth-passivator Combined Remediation System on the Heavy Metal Content of Vegetable Soil and Broccoli

LIANG Jin-ming1，WANG Ke2，YANG Guo-yi3 et al （1.Zhongshan Agricultural Science and Technology Extension Center，Zhongshan，Guangdong 528400;2.Pearl River Hydraulic Research Institute，Pearl River Water Conservancy Commission，Guangzhou，Guangdong 510611;3.Institute of Eco-Environment and Soil，Guangdong Academy of Sciences/Key Laboratory of Comprehensive Management of Agricultural Environment of Guangdong Province，Guangzhou，Guangdong 510650）

Abstract In order to ensure the safe use of vegetable soil，repair heavy metal pollution in vegetable soil，and reduce vegetable heavy metal content，this paper studied the effect of grain amaranth-passivator combined remediation system on the heavy metal content of vegetable soil and broccoli.The results showed that the grain amaranth planting could significantly reduce the Cd，Pb，Ni content of vegetable soil（P<0.05）.Grain amaranth-passivator combined repair system can significantly reduce broccoli Cd，Pb content（P<0.05）.Broccoli planting could significantly reduce the soil Hg，Cr and Ni content （P<0.05），and it was not suitable for planting in heavy metal contaminated soil.

Key words Grain amaranth;Phytoremediation;Passivator;Vegetable soil;Broccoli;Heavy metal content;Effect

随着工业化的发展和农业化肥的过度使用，耕地土壤重金属污染问题日趋严峻[1-3]。生态环境部全国土壤污染状况调查结果显示，我国耕地土壤点位超标率最高，达19.4%，主要污染物以重金属为主[4]。重金属可以在农作物体内富集，并通过食物链最终进入人体，对人体健康产生危害，其中以蔬菜类富集重金属能力最强[5-6]。有学者对我国多个城市郊区蔬菜重金属污染研究发现，多数郊区蔬菜受到不同程度的重金属污染，其中以Pb、Cd超标现象最为普遍[7]。为了保护人体健康，修复菜地土壤重金属污染、降低蔬菜重金属含量、保障菜地土壤的安全利用成为当前学术界研究热点之一[8]。因此，笔者以广东省中山市某蔬菜基地为研究对象，研究籽粒苋-钝化剂联合修复技术对菜地土壤和西蓝花重金属含量的影响，对提高菜地受污染土壤安全利用率和保障当地蔬菜质量安全具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验地点及土壤重金属含量 试验地点位于广东省中山市某蔬菜基地（113.42°E、22.26°N），高程-2.2 m。试验基地面积共0.20 hm2，按梅花点法采集10个土壤样点，样品混合均匀后采用四分法进行取样，所有样品均为0～20 cm表层样品，采样工具为竹片。对所采集土壤样品的重金属含量进行检测，结果显示，Cd（0.472±0.042） mg/kg、Hg（0.215±0.080）mg/kg、As（20.8±0.4）mg/kg、Pb（55.5±1.1）mg/kg、Cr（122±3）mg/kg、Cu（60.4±1.6）mg/kg、Zn（118±4）mg/kg、Ni（58.0±2.8）mg/kg。

1.2 试验材料

所选用的重金属钝化剂——铁基生物炭（以下简称“钝化剂”）为佛山市铁人环保科技有限公司生产。籽粒苋种子品种为红苋K112，西蓝花幼苗品种为绿野90，均为当地购买。

1.3 试验设计

试验时间为2015年5—12月，分两季进行。第一季试验时间为5—7月，种植作物为籽粒苋，试验前对蔬菜基地进行整地、翻耕，并施入75 kg复合肥（1 125 kg/hm2）作为基肥。基地四周设有保护行，5月8日条播种植籽粒苋，行间距为30 cm，播种量为6.0～7.5 kg/hm2，覆土深度为2～4 cm，播種之后进行镇压，以确保土壤墒情。6月2日进行间苗，7月10日籽粒苋成熟进行收割，收割时株高80～100 cm。在植物整个生长期间按当地常规方法进行灌溉、施肥。

第二季试验时间为10—12月，对0.20 hm2基地追施150 kg 复合肥（750 kg/hm2）作为基肥，对其中0.18 hm2施用重金属钝化剂（设计为3个小区，每个小区0.06 hm2），设计3个处理：A（土壤重金属钝化剂2 250 kg/hm2）、B（土壤重金属钝化剂1 875 kg/hm2）、C（土壤重金属钝化剂1 500 kg/hm2）;对剩下的0.02 hm2不施用重金属钝化剂，作为对照组（CK）。基地四周设有保护行，10月11日移栽西蓝花幼苗，11月21日和12月3日喷施叶面硅肥，施用量为7 500 mL/hm2，12月下旬西蓝花成熟收割。在植物整个生长期间除上述处理外其他灌溉、杀虫、施肥按当地常规方法进行。

1.4 样品采集及处理

在成熟时期采集土壤样品和植物样品。土壤样品按照梅花点法在每个小区采集5个样点，采样深度为0～20 cm，采用四分法取样，将采集到的样品自然风干，研磨过20目和100目筛备用。籽粒苋和西蓝花样品均为每个小区随机采样5株，带回实验室后依次用自来水、蒸馏水、高纯水清洗后用吸水纸吸干表面水分，在105 ℃条件下杀青30 min后70 ℃条件下烘干至恒重，用高速万能粉碎机（FW100）粉碎，过60目尼龙筛备用。

1.5 测定方法

土壤pH采用无CO2蒸馏水按土水比1∶2.5提取，电位法测定[9];土壤中As含量测定采用原子荧光法-土壤中总砷的测定[10];Hg含量测定采用原子荧光法-土壤中总汞的测定[11];Cd、Pb含量采用HCl-HNO3-HF-HClO4消解，石墨炉原子吸收分光光度法测定[12];Cr、Cu、Zn、Ni总量采用HCl-HNO3-HF-HClO4消解，火焰原子吸收分光光度法测定[13-15];土壤各指标测定过程中均设置土壤标准物质GBW07453（GSS-24）进行质量控制。

植物样品的重金属As、Hg采用HNO3-HClO4（4∶1）消解，原子荧光光度计（AFS-830）测定[16-17];Cr、Cd、Pb采用HNO3-HClO4（4∶1）消解，石墨炉原子吸收光谱仪（PinAAcle 900Z）测定[18-20];测定样品时，采用植物标准物质GBW10015（GSB-6）进行质量控制。

1.6 数据处理

采用Origin 8.0软件进行图片编辑，采用SPSS 11.5软件进行单因素方差分析（Duncan多重比较法）和Pearson相关性分析（双尾检验），检验水平α=0.05。

2 结果与分析

2.1 籽粒苋修复系统对菜地土壤重金属含量的影响

植物修复技术是一项利用植物处理有毒有害污染物的修复技术，其对土壤重金属污染有很好的修复作用，是一项与工程实践活动紧密结合的土壤环境污染控制技术[21]。1977年Brooks等[22]首次提出超累积植物的概念，1983年Chaney[23]又提出了重金属植物修复的思想，随后，利用植物修复技术治理土壤重金属污染进入快速发展的时期，并取得了一定成效。应用于植物修复技术的超富集植物应具有可以忍耐和超量累积重金属元素、生物量大、易栽培等特点。籽粒苋作为一种生物量大、易栽培的Cd富集植物，对Cd具有很强的富集性，是修复土壤重金属Cd污染的良好材料，同时对其他重金属也有很好的富集作用[24]。

该试验通过菜地种植籽粒苋，研究籽粒苋种植前后对菜地土壤重金属含量的影响，从图1可以看出，利用籽粒苋进行修复后，土壤中Cd含量由0.472 mg/kg降低至0.421 mg/kg，显著降低10.8%（P<0.05），说明籽粒苋种植对菜地土壤Cd污染修复效果良好;此外，籽粒苋修复前后Pb含量由55.5 mg/kg 降低至47.2 mg/kg，Ni含量由58.0 mg/kg降低至52.0 mg/kg，分别显著降低了14.9%、10.3%（P<0.05），说明籽粒苋种植除对菜地土壤Cd污染有良好的修复效果外，对Pb、Ni也有很好的修复效果;而其他几种重金属指标中，Hg、As、Cr、Cu含量降低不显著，Zn含量略有升高，说明籽粒苋种植对菜地土壤Hg、As、Cr、Cu、Zn污染修复无显著效果。试验结果表明，籽粒苋种植对降低菜地土壤Cd、Pb、Ni含量有显著效果（P<0.05），是一种很好的菜地土壤重金属修复超富集植物。

2.2 钝化剂修复系统对西蓝花中重金属含量的影响

西蓝花作为一种常见蔬菜，其营养价值高，受到很多人的喜爱，但其对重金属的富集能力相对较高[25]。长期食用重金属含量较高的食物，易使重金属在人体内富集，从而给人体健康带来危害，因此西蓝花作为人类经常食用的食物之一，控制其重金属含量至关重要。种植籽粒苋对土壤重金属污染菜地进行修复后，种植西蓝花时通过钝化剂修复系统对西蓝花中重金属含量的影响进行研究，结果表明（表1），施用钝化剂可以显著降低西蓝花中Cd、Pb含量（P<0.05），但是对降低西蓝花中Hg、As、Cr含量效果不显著。

Cd是一种危害极大的无机污染物，过量的Cd摄入会对人体健康造成极大危害，损害血管、人体脏器，严重者致癌致畸;Pb作为一种用途广泛的工业原料，随着人类活动通过各类途径进入人体并最终在人体内富集，对人体健康造成极其严重的影响，损伤人体肠胃功能、肾脏功能、神经系统等[26]。因此，需要控制食物中Cd、Pb含量，以进一步控制Cd、Pb在人体内的富集，避免给人体健康带来过多危害。该试验结果表明（表1），施用2 250 kg/hm2（A处理）、1 875 kg/hm2（B处理）、1 500 kg/hm2（C处理）钝化剂均可以显著降低西蓝花中Cd含量（P<0.05），但A处理和B处理的效果较好，分别降低西蓝花Cd含量38.2%、32.9%，而C处理仅降低西蓝花Cd含量9.66%;对人体健康危害较大的另一种重金属污染物Pb而言，A处理和B处理可显著降低西蓝花中Pb含量42.7%、51.9%（P<0.05），而C处理西蓝花中Pb含量变化不显著;3种钝化剂施用量均对西蓝花Hg、As、Cr含量影响不显著;3种钝化剂施用量下，A处理西蓝花中Cd含量最低，且随着施用量的降低西蓝花中Cd含量增加，而3种钝化剂施用量下，B处理西蓝花中Pb含量最低，该条件时更利于抑制Pb在西蓝花植株内富集。结果表明，可以通过施用重金属钝化剂降低蔬菜中重金属Cd、Pb含量，以降低其通过食物链在人体内的富集。

2.3 钝化剂修复系统对菜地土壤中重金属含量的影响

菜地土壤中重金属含量过高，易导致重金属在蔬菜体内富集，通过食物链进入人体，危害人体健康[28]。因此，控制菜地土壤中重金属含量是控制蔬菜体内重金属富集的最直接途径。通过种植籽粒苋对土壤重金属污染菜地进行修复后，种植西蓝花时通过钝化剂修复系统对土壤中重金属含量的影响进行研究，試验结果发现（表2），钝化剂修复对菜地土壤中Cd、As、Pb、Cu、Zn含量变化无显著影响;未施钝化剂的CK处理在修复后土壤中Hg含量显著降低72.2%（P<0.05），而施不同量钝化剂的其他处理土壤中Hg含量无显著变化;未施钝化剂及施不同量钝化剂的各处理土壤中Cr含量显著降低19.3%～21.7%（P<0.05），Ni含量显著降低9.3%～13.2%（P<0.05），但不同处理间土壤中Cr、Ni含量差异不显著，土壤中Cr、Ni含量的降低可能与西蓝花的种植有关，而受钝化剂施用量的影响不显著。结果表明，钝化剂的施用对土壤重金属含量的降低无显著影响，但种植西蓝花可以使土壤Hg、Cr、Ni含量显著降低（P<0.05），进一步证实了西蓝花对土壤重金属的富集作用[25]。

3 结论

（1）籽粒苋种植可降低菜地土壤Cd、Pb、Ni含量，是一种很好的菜地土壤重金属修复超富集植物，在中轻度重金属污染菜地土壤修复中有很好的应用前景。

（2）施用2 250、1 875、1 500 kg/hm2的重金属钝化剂（铁基生物炭）均可以显著降低西蓝花Cd含量（P<0.05），且随着钝化剂施用量的增加，西蓝花中Cd含量降低。

（3）施用2 250、1 875、1 500 kg/hm2的重金属钝化剂（铁基生物炭）时，2 250、1 875 kg/hm2的施用量均可显著降低西蓝花中Pb含量（P<0.05），其中1 875 kg/hm2施用量效果最好，而施用量为1 500 kg/hm2时并不能显著降低西蓝花中Pb含量。

（4）西蓝花对重金属有很好的富集作用，不建议在中轻度重金属污染土壤中种植。

参考文献

[1]

周江明.中国耕地重金属污染现状及其人为污染源浅析[J].中国土壤与肥料，2020（2）：83-92.

[2] 蔡美芳，李开明，谢丹平，等.我国耕地土壤重金属污染现状与防治对策研究[J].环境科学与技术，2014，37（S2）：223-230.

[3] 黄国勤，王兴祥，钱海燕，等.施用化肥对农业生态环境的负面影响及对策[J].生态环境，2004，13（4）：656-660.

[4] 环境保护部，国土资源部.全国土壤污染状况调查公报[EB/OL].（2014-04-17）[2020-05-25].http：//www.mee.gov.cn/gkml/sthjbgw/qt/201404/t20140417_270670.htm.

[5] 杨海菊.农作物富集土壤重金属的规律及其运用[J].绿色科技，2011（4）：162-164.

[6] 周辉，张志转.中国蔬菜农业污染现状、污染来源及污染防控[J].农业灾害研究，2013，3（5）：27-38，50.

[7] 牛雪华.我国城市蔬菜重金属污染研究进展与趋势[J].山西能源学院学报，2019，32（6）：63-65.

[8] 王宏镔，束文圣，蓝崇钰.重金属污染生态学研究现状与展望[J].生态学报，2005，25（3）：596-605.

[9] 鲁如坤.土壤农业化学分析方法[M].北京：中国农业科技出版社，1999.

[10] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.土壤质量总汞、总砷、总铅的测定 原子荧光法 第2部分：土壤中总砷的测定：GB/T 22105.2—2008[S].北京：中国标准出版社，2008.

[11] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.土壤质量总汞、总砷、总铅的测定 原子荧光法 第1部分：土壤中总汞的测定：GB/T 22105.1—2008[S].北京：中国标准出版社，2008.

[12] 国家环境保护局，国家技术监督局.土壤质量 铅、镉的测定 石墨炉原子吸收分光光度法：GB/T 17141—1997[S].北京：中国环境科学出版社，1998.

[13] 国家环境保护局，国家技术监督局.土壤质量 铜、锌的测定 火焰原子吸收分光光度法：GB/T 17138—1997[S].北京：中国

环境科学出版社，1997.

[14] 国家环境保护局，国家技术监督局.土壤质量 镍的测定 火焰原子吸收分光光度法：GB/T 17139—1997[S].北京：中国环境科学出版社，1997.

[15]

国家环境保护局，国家技术监督局.土壤质量 总铬的测定 火焰原子吸收分光光度法：GB/T 17137—1997[S].北京：中国标准出版社，1997.

[16] 中华人民共和国卫生部，中国国家标准化管理委员会.食品中总汞及有机汞的测定：GB/T 5009.17—2003[S].北京：中国标准出版社，2003.

[17] 中华人民共和国卫生部，中国国家标准化管理委员会.食品中总砷及无机砷的测定：GB/T 5009.11—2003[S].北京：中国标准出版社，2004.

[18] 中华人民共和国国家卫生和计划生育委员会，国家食品药品监督管理总局.食品安全国家标准 食品中铅的测定：GB 5009.12—2017[S].北京：中国标准出版社，2017.

[19] 中华人民共和国国家卫生和计划生育委员会.食品安全国家标准 食品中镉的测定：GB 5009.15—2014[S].北京：中国标准出版社，2015.

[20] 中华人民共和国国家卫生和计划生育委员会.食品安全国家标准 食品中铬的测定：GB 5009.123—2014[S].北京：中国标准出版社，2015.

[21] 程树青，夏建东，赵宽.土壤重金属污染现状及生物修复技术综述[J].安徽農业科学，2017，45（12）：40-42，75.

[22] BROOKS R R，LEE J，REEVES R D，et al.Detection of nickeliferous rocks by analysis of herbarium specimens of indicator plants[J].Journal of geochemical exploration，1977，7：49-57.

[23] CHANEY R L.Plant uptake of inorganic waste constituents[M]//PARR J F，MARSH P B，KLA J M.Land treatment of hazardous wastes.Park Ridge，New Jersey，USA：Noyes Data Corporation，1983：50-76.

[24] 谷雨，蒋平，谭丽，等.6种植物对土壤中镉的富集特性研究[J].中国农学通报，2019，35（30）：119-123.

[25] 顾燕青，顾优丽，白倩，等.杭州市菜地蔬菜对土壤重金属的富集特性研究[J].农业资源与环境学报，2015，32（4）：401-410.

[26] 时圣刚.重金属对环境与人体健康影响浅议[J].安徽农业科学，2013，41（14）：6425-6426.

[27] 中华人民共和国卫生部.食品安全国家标准 食品中污染物限量：GB 2762—2012[S].北京：中国标准出版社，2013.

[28] 茹淑华，孙世友，王凌，等.蔬菜重金属污染现状、污染来源及防治措施[J].河北农业科学，2006，10（3）：88-91.