能源植物甜高粱在铜污染耕地上的应用潜力研究

薛忠财，王冶，柳洁，吕芃，杜瑞恒

（1.河北民族师范学院资源与环境科学学院/冀北山区土壤与特色植物营养创新研究中心，河北 承德 067000；2.河北民族师范学院教师教育学院，河北 承德 067000；3.河北省农林科学院谷子研究所/ 国家高粱改良中心河北分中心，河北 石家庄 050035）

当前，由于铜矿开采、含铜杀虫剂使用、污水灌溉等人类活动，导致我国耕地土壤铜污染问题十分严重[1]，我国铜染物点位超标率达到2.1%[2]，在一些铜矿区附近的土壤中铜含量甚至高达2 000 mg/kg 以上[3]。虽然铜是植物生长必需的微量元素之一，在植物生理代谢中发挥着十分重要的作用[4]，但是过量的铜进入植物体后会导致其生长代谢受到严重抑制[5]，并通过食物链的富集作用对人们身体健康造成不利影响[1]。因此，铜污染耕地的安全利用和修复也是当前迫切需要解决的土壤环境问题之一。

植物修复技术具有环境友好、成本低、无二次污染等优点，在铜污染耕地的安全利用和修复中已经受到了广泛关注[6～8]。我国研究者已经筛选了一批铜耐/富集植物，如鸭跖草（Commelina communis）[9]、海州香薷（Elsholtzia splendensL）[10]等，并在植物生理学、生物化学、形态学等方面进行了大量研究[5，6]，为铜矿废弃地植被重建、铜污染土壤修复提供了优良材料。但是，将这些植物应用于铜含量相对不高且要确保生产收益的耕地改良，存在投入较大、修复周期长、种植效益低等问题。

甜高粱〔Sorghum bicolor（Linn.） Moench〕 是一种优秀的能源植物，具有多种用途，可生产能源、粮食和饲料[11]，具有生物产量高、抗逆性强等特点，在我国大部分地区可以种植[12]。我们前期对甜高粱在不同浓度镉、铅处理下的富集规律进行了研究，结果表明，甜高粱对镉和铅均具有较强的耐性与吸收能力，当土壤镉含量为18 mg/kg 时甜高粱的镉积累量最高可达0.84 mg/株，当土壤铅含量为3 102 mg/kg 时甜高粱的铅积累量最高可达12.4 mg/株，由此认为甜高粱可以作为修复大面积镉、铅污染耕地的植物材料[13，14]，与前人研究结果[15，16]一致。

虽然关于铜污染土壤的植物修复研究，特别是铜耐/富集植物的筛选、植物对铜的耐性机制等研究已经取得了显著进展[8，9，17]，但截至目前，有关甜高粱对铜的富集特征及其应用潜力研究尚未见系统报道。通过田间控制试验，研究不同铜污染条件下甜高粱对铜的吸收和积累规律，分析甜高粱在铜污染耕地上的应用潜力，旨为建立基于甜高粱的重金属污染耕地安全利用与修复技术提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

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。土壤为壤土，pH 值6.7，基础土壤养分含量为有机质2.59 g/kg、全氮1.72 g/kg（速效氮78.9 mg/kg）、全磷0.5 g/kg（速效磷11.2 mg/kg）、全钾14.8 g/kg（速效钾94.4 mg/kg），铜含量为33.3 mg/kg〔低于农用地土壤污染风险筛选值100 mg/kg（GB 15618—2018，6.5＜土壤pH 值≤7.5）〕。

1.2 试验材料

参试甜高粱品种为M64，由河北省农林科学院谷子研究所提供。

基础土壤取自河北省农林科学院谷子研究所实验站大田，自然风干，去除杂质后磨碎，过6 mm 筛，备用。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计 2013 年4 月，在基础土壤中分别添 加Cu（NO3）2·3H2O 溶 液100、150、200、300、400 mg/kg，配制成5 个不同水平的铜污染土壤，依次用Cu1、Cu2、Cu3、Cu4和Cu5表示（表1）；以未添加Cu（NO3）2·3H2O 溶液的基础土壤作为对照（Cu0）。在农田中挖深0.4 m、宽0.4 m、长3 m 的池子12 个，然后将配制好的土壤分别装入事先用厚塑料布覆盖底部和四周（为防止土壤中的铜离子因灌溉而流失或造成二次污染） 的池子中，每处理均设置2 个小区，加水平衡30 d 后用于甜高粱种植。在本试验开始前该处理小区已经连续种植3 a，因此，在试验开始前，对各小区土壤测定铜含量（表1）。2016 年5 月26 日播种甜高粱，定苗后每个小区保留12 株，分别在播种期和拔节期每个小区土施尿素50 g，生育期内通过浇水保持田间土壤水分含量，待完成生育期后于11 月8日收获。

表1 供试土壤的铜含量Table 1 Cu concentration in the tested soil （mg/kg）

1.3.2 测定项目与方法

1.3.2.1 株高和生物量。甜高粱成熟后，每小区均选择5 株长势一致的植株，测定株高；之后将植株分为子粒、茎、叶和根4 个部分，用水洗去根表面粘附的土壤，用20 mmol/L 的乙二胺四乙酸二钠溶液浸泡一段时间后，再用蒸馏水冲洗干净，随后105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒重，称量干物质重。

1.3.2.2 茎秆水分和糖含量。甜高粱成熟后，每小区均选择5 株长势一致的植株，去除根、叶、子粒后，采用称量法测定茎秆水分含量；采用高效液相色谱仪LC-20A（shimadzu，Japan）测定茎秆糖含量[14]。

1.3.2.3 铜含量。甜高粱收获后，采集小区内土壤样品，采用HNO3-HCl-HF（体积比1∶3∶1）消解体系对土壤样品进行消解，采用HNO3对已收获甜高粱植株的不同部位样品进行消解，利用电感耦合等离子体原子发射光谱仪（iCAP7400，Thermo fisher，USA）测定铜含量。根据公式，计算富集系数（BFC）和转运系数（TF）：

BFC=甜高粱植株各部分（根、茎、叶、子粒）铜含量/土壤铜含量

TF=甜高粱植株地上各部分（茎、叶、子粒）铜含量/根铜含量

BFC越大，表示甜高粱对铜的积累能力越强；TF越大，表示甜高粱由根部转运到地上部的能力越强。

1.3.3 数据统计分析 使用Microsoft Office Excel 2003 软件进行数据统计整理和作图，使用SPSS 23.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 铜对甜高粱生长的影响

试验土壤铜含量范围内，甜高粱未出现明显的毒害症状，生长正常并完成整个生育期（表2）。说明甜高粱对铜具有较强抗性，能够在铜污染水平较高的土壤中生长。

表2 不同含量铜处理对甜高粱生长的影响Table 2 Effects of different concentration of Cu on the growth of sweet sorghum

不同含量的铜处理虽然对株高无显著影响，但当土壤铜含量为348.50 mg/kg 时，甜高粱根、茎、叶、子粒的干物质量分别较CK 下降52.56%、52.72%、31.93%和54.38%，且差异均达到了显著水平（P＜0.05）。不同含量的铜处理对甜高粱茎秆的糖和水分含量影响均不显著（图1）。

图1 不同含量铜处理对甜高粱茎秆水分和糖含量的影响Fig.1 Effects of different concentration of Cu on water content and sugar content of sweet sorghum stalks

2.2 甜高粱对铜的富集特征

随着土壤铜含量的增加，甜高粱植株各部位的铜含量均显著增加；且相同铜含量条件下，甜高粱不同部位的铜含量顺序均为根＞茎＞叶＞子粒，其中土壤铜含量为348.50 mg/kg 时，甜高粱根、茎、叶、子粒的铜含量分别为48.96、44.06、20.96 和14.58 mg/kg（表3）。从甜高粱单株铜积累量（图2a）上看，随着土壤铜含量的增加，甜高粱对铜的吸收量呈先增加后降低的变化，其中土壤铜含量为291.25 mg/kg 时，甜高粱对铜的积累量最高，达到4.67 mg/株，其中地上部积累量为3.94 mg/株；当土壤铜含量为348.50 mg/kg 时，虽然甜高粱各部分的铜含量均为最高，但是由于各部分生物量的降低，致使其对铜的积累量下降。然而，从铜在甜高粱植株体内各部分的归一化分布（图2b）可以看出，由于茎部生物量较高，导致甜高粱体内的铜主要分布在茎中，占全部总量的59.2%～75.3%，平均为65.8%；其次是在叶部、根部，分布比例分别为18.6%和12.6%；在子粒中的分布比例最低，仅3.0%。综上分析可以看出，甜高粱植株中的铜含量随着土壤铜含量的增加而增加，其中茎秆中铜积累量较高。

表3 甜高粱不同器官中的铜含量Table 3 Cu concentration in different organs of sweet sorghum （mg/kg）

图2 甜高粱不同部位的铜积累量（a）及归一化分布（a）Fig.2 Cu accumulation（a）and distribution（a）in different organs of sweet sorghum

随着土壤铜含量的增加，甜高粱茎、叶和子粒对铜的TF呈先增加后降低的变化，其中，茎的TF较高，可以达到0.75～1.55，平均为0.98，而叶片、子粒对铜的TF平均值分别为0.50 和0.43（图3a）；BCF呈降低趋势，其中根和茎部的BCF显著＞叶片和子粒（图3b）。当铜被转移到地上部后，通过收获植株地上部达到降低土壤铜含量的目的。本试验条件下，单株甜高粱地上部铜的积累量最高可达3.94 mg（土壤铜含量为291.25 mg/kg 时），按照甜高粱种植密度9 万株/hm2计算，种植1 hm2甜高粱可吸收铜0.35 kg，因此认为，甜高粱具有在铜污染农田大面积推广和应用的潜力。

图3 不同含量铜处理下甜高粱对铜的TF（a）和BCF（b）Fig.3 TF（a）and BCF（b）in sweet sorghum under different Cu concentration treatments

2.3 甜高粱对铜的富集特征与土壤铜含量的关系

对甜高粱不同器官铜含量与土壤全量铜含量的关系进行分析，结果（图4）显示，根、茎、叶、子粒的铜含量均与土壤全量铜含量呈显著正相关，决定系数分别为0.94、0.92、0.85 和0.83。说明甜高粱不同器官的铜含量均随土壤铜含量的增加而显著增加。

图4 甜高粱不同器官铜含量与土壤铜含量的关系Fig.4 Correlation between total Cu concentration in the tested soil and Cu concentration in different organs of sweet sorghum

3 讨论与结论

3.1 讨论

3.1.1 甜高粱对铜的富集特征分析 研究表明，植物体内的铜含量随着介质中铜含量的增加而显著增加，并在植物体内呈现出不均匀分布的特征[7，18，19]。铜在鸭跖草体内各器官的分布顺序为根＞茎＞叶[10]。本研究土壤不同含量的铜处理下，甜高粱均可正常生长并完成生育期，说明甜高粱对铜具有较强抗性；但是，随着土壤铜含量的增加，甜高粱植株不同部位的铜含量均显著增加，相同水平铜处理下各部位的铜含量顺序均为根＞茎＞叶＞子粒。试验铜含量范围内，随着土壤铜含量的增加，甜高粱对铜的TF呈先增加后降低的变化，说明当土壤铜含量过高时，甜高粱通过限制铜离子向地上部的运输，以减少铜的毒害作用[7，20]，这与前人对海州香薷等植物的研究结果[9]一致；BCF呈降低趋势，其中根和茎部的BCF显著高于叶片和子粒。然而，综合考虑生物量后，甜高粱对铜的提取量呈现茎＞叶＞根＞子粒，当土壤铜含量为291.25 mg/kg 时，单株甜高粱铜的积累量最高达到4.67 mg/株，地上部的提取量最高为3.94 mg/株。与前期研究相比，甜高粱对于镉和铜的富集特征较为相似，但在提取量上存在较大差异[13]。

3.1.2 甜高粱对铜污染农田的应用潜力分析 甜高粱对铜具有较强抗性，可以在铜污染农田中正常生长。为进一步阐明其在铜污染耕地上的推广应用潜力，我们从生态、经济、社会3 个维度进行深入分析。

3.1.2.1 生态效益方面。

（1）种植甜高粱可吸收土壤中的铜。理论上，通过连续多年种植甜高粱，最终可以实现降低土壤铜含量的目的。前人通过筛选发现了海州香薷[9，21]、鸭跖草[10]、密毛蕨（Petridium revolutum）[3]、黄花月见草（Oenothera glaziovianaMich）[21]、高羊茅（Festuca elata）[22]等多种铜耐/富集植物（表4），其中，在矿山（土壤铜含量平均为2 432 mg/kg）上发现的铜积累植物密毛蕨体内的铜含量随着土壤铜含量的增加而显著增加，地上部生物量平均为18.33 g/株，最高可达40.05 g/株，地上部提取量平均可达3.68 mg/株[3]，这些均为矿业废弃地的植被重建、铜污染土壤的植物修复提供了优良材料，并且在富集特征、耐性机制以及田间工程应用等方面取得了显著成绩。然而，对于土壤铜含量相对不高，且要确保生产收益的耕地来说，种植这类植物存在投入较大、修复周期长、种植收益低等问题。本研究结果显示，甜高粱对铜具有较强抗性，单株地上部吸收量最高为3.94 mg，按照甜高粱种植密度9 万株/hm2计算，种植1 hm2甜高粱可提取铜0.35 kg。Lima 等[23]研究了高粱（BSR716） 叶片光合作用对铜胁迫的响应，证明高粱可以作为一种用于铜污染土壤修复的植物修复材料，并在此条件下，按照干物质产量37 t/hm2、地上部铜含量18 mg/kg对提取量进行了推算，预计种植1 hm2高粱可提取铜660 g。本研究结果与前人研究结果相比较低，可能与本研究是在田间控制条件下进行的，甜高粱生长受到了一定影响，生物量与正常条件下相比较低有关。

表4 不同植物对铜的提取量Table 4 The accumulation of Cu in different plants

（2）种植甜高粱可在固碳释氧上发挥重要作用。甜高粱对铜的提取量较高。按照正常田间下甜高粱平均干物质量（含根） 30 t/hm2、吸碳系数0.45 计算，种植1 hm2甜高粱每年可固定二氧化碳49.5 t、释放氧气36 t。另外，种植甜高粱可以为燃料乙醇的生产提供充足的原料保障，且还可以有效解决修复植物的资源化、无害化利用等问题[24]。采用我们前期研究的先进固态发酵技术可以最经济地把吸收铜后的甜高粱茎秆转化为乙醇，糖利用率达到96.69%，乙醇产率可达到91.80%，能够减少对于化石燃料的消耗，且不产生新的二氧化碳[25]。

3.1.2.2 经济效益方面。甜高粱属于典型的双库作物，茎秆含糖量和子粒产量是衡量甜高粱利用价值的重要指标[26，27]。前人研究表明，镉、铅等重金属元素均对甜高粱茎秆的含水量和含糖量无显著影响[14，28]。在本研究条件下，土壤铜含量对甜高粱茎秆的水分和糖含量均无明显影响，平均糖含量为10.17%；但是，子粒产量在土壤铜含量达到348.50 mg/kg 时较CK 降低54.38%，按照甜高粱种植密度9 万株/hm2计算，可产甜高粱茎秆20.3～40.1 t/hm2，平均茎秆产量可达32.2 t/hm2，子粒产量为510～1 140 kg/hm2。为了保证试验条件的一致，本研究采用了相同的种植密度，该方法对甜高粱的生长造成了一定影响，导致甜高粱茎秆和子粒产量较田间正常条件下的指标值明显偏低。因此，按田间正常生长条件下，甜高粱可产含糖量10%～16%的茎秆66～78 t/hm2，子粒产量33.75～56.25 t/hm2，按照收购价格茎秆200 元/t、子粒2 500 元/t 计算，可获得收益18 825～24 975 元/hm2；扣除种子、化肥、机械等费用4 500 元/hm2后，单季种植可净收益14 325～20 475 元/hm2。若在南方，可实现一年两季种植，其净收益将会更高，可以达到28 650～40 950 元/hm2。

3.1.2.3 社会效益方面。甜高粱茎秆可以作为生产燃料乙醇的优良原料。改变甜高粱的传统种植结构，在铜污染耕地上大面积种植，并通过完善后期工业化的产业链条，建立甜高粱加工及废弃物资源化、能源化利用项目[25]，有利于推动相关地区能源相关产业的发展，形成新的经济增长点，带动能源产业的发展，通过解决劳动力的就业问题从而增加农民收入[29]，因此，可以在保证农民收益不减的前提下实现对铜污染耕地的利用[30]。

3.2 结论

甜高粱对铜具有较强的吸收能力和耐性，且对铜的吸收与土壤铜含量关系密切，随着土壤铜含量的增加而显著增加，单株地上部铜的积累量最高可以达到3.94 mg，铜主要积累在甜高粱的根部，并呈现根＞茎＞叶＞子粒的分布特点，但当土壤铜含量达到348.50 mg/kg 时会对甜高粱的正常生长产生抑制。

在铜污染的农田上种植甜高粱能够带来显著的经济、社会和生态效益，有利于形成一个以污染农田利用和修复为目的的生态能源产业，既可以实现对污染耕地的安全利用，又可以对土壤进行修复，还可以生产清洁燃料，思路明确、技术可行，具有较强的实际应用潜力。但今后需要加强资源整合力度，在甜高粱种植资源的开发和利用，提高甜高粱修复效率的措施，以及修复植物处置工艺优化和设备开发、技术的集成与推广等多个方面加强研究，逐步优化和完善产业链条，促进该技术的推广应用。