环境科学  2022, Vol. 43 Issue (5): 2741-2750   PDF    
引用本文
孟晓飞, 郑国砥, 陈同斌, 杨俊兴, 郭俊娒, 刘杰. 两种油菜配施水溶性壳聚糖修复典型铅污染农田土壤[J]. 环境科学, 2022, 43(5): 2741-2750.
MENG Xiao-fei, ZHENG Guo-di, CHEN Tong-bin, YANG Jun-xing, GUO Jun-mei, LIU Jie. Phytoremediation Efficiency of Two Cultivars of Brassica napus L. Under Water-soluble Chitosan Treatment in Typical Pb-contaminated Farmland Soils[J]. Environmental Science, 2022, 43(5): 2741-2750.
两种油菜配施水溶性壳聚糖修复典型铅污染农田土壤
孟晓飞1,2, 郑国砥1,2, 陈同斌1,2, 杨俊兴1,2, 郭俊娒3, 刘杰4     
1. 中国科学院地理科学与资源研究所环境修复中心, 北京 100101;
2. 中国科学院大学, 北京 100049;
3. 太原理工大学环境科学与工程学院, 晋中 030600;
4. 北京农学院生物与资源环境学院, 北京 102206
收稿日期: 2021-06-09; 修订日期: 2021-10-22
基金项目: 国家自然科学基金项目(41771509, 41907125); 国家重点研究发展计划项目(2018YFC1802604, 2018YFD0800600); 中国博士后科学基金项目(2019M650827); 人才培养质量建设-高水平人才交叉培养计划-实培计划项目(PXM2020_014207_000009)
作者简介: 孟晓飞(1997~), 女, 硕士研究生, 主要研究方向为土壤污染修复, E-mail: xfmengcumtb@163.com
通信作者: 杨俊兴, E-mail: yangajx@126.com
摘要: 为了探讨不同品种的油菜(Brassica napus L.)配施螯合剂对铅(Pb)污染土壤的修复效果, 采用盆栽试验的方式, 研究了甘蓝型油菜品种秦油1号(QY-1)和白菜型油菜品种三月黄(SYH)在0%、2%和4%的水溶性壳聚糖(WSC)处理下对中国北方河南和南方广西两种典型Pb污染农田土壤中Pb吸收和转运的影响, 并进一步在河南某Pb污染农田通过田间小区试验比较了两个油菜品种在WSC条件下的修复效率和经济效益.结果表明, 盆栽条件下, 与对照处理相比, QY-1和SYH的生物量受WSC含量和土壤类型影响显著, 随着WSC含量增加QY-1的生物量在两种土壤条件下呈下降趋势, 而低含量WSC处理下SYH生物量显著提高, 在高含量WSC处理下生物量下降.如广西Pb污染土壤上2%WSC处理下SYH生物量上升最明显, 与对照处理相比, 生物量提高了80.96%.两个油菜品种不同部位Pb含量也受WSC含量和土壤类型的影响, QY-1地上部分和根部分在河南Pb污染土壤上随WSC含量的升高而增加, 在广西Pb污染土壤上随WSC含量的升高而降低.Pb提取量是评价植物修复效率的关键.盆栽和田间试验结果表明, SYH配施WSC处理的Pb吸收量明显高于QY-1, 地上部Pb提取量更高, 更适合用于土壤Pb污染修复.此外, 田间试验结果发现本研究两种油菜籽所制取的成品油中Pb含量均远低于食品安全国家标准(GB 2762-2017)中油脂ω(Pb)的限值(≤0.1 mg ·kg-1).因此, 种植冬油菜联合WSC的"边修复, 边利用"的模式在治理我国典型Pb污染农田土壤具有较大的应用潜力.
关键词: 铅(Pb)      农田      油菜      植物修复      水溶性壳聚糖     
Phytoremediation Efficiency of Two Cultivars of Brassica napus L. Under Water-soluble Chitosan Treatment in Typical Pb-contaminated Farmland Soils
MENG Xiao-fei1,2 , ZHENG Guo-di1,2 , CHEN Tong-bin1,2 , YANG Jun-xing1,2 , GUO Jun-mei3 , LIU Jie4     
1. Center for Environmental Remediation, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China;
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. College of Environmental Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Jinzhong 030600, China;
4. College of Bioscience and Resources Environment, Beijing University of Agriculture, Beijing 102206, China
Abstract: A pot trial was used to explore the absorption and transportation of the Pb of QY-1 and SYH (Brassica napus L.) under 0%, 2%, and 4% water-soluble chitosan (WSC) treatments in two typical Pb-contaminated farmland soils in China (north: Henan province and south: Guangxi province). Based on the results of the pot trial, a field experiment was conducted to compare the remediation efficiency of the QY-1 and SYH under WSC treatment in northern farmland soil, and the environmental risk and economic value under field conditions were analyzed. The results of the pot trial showed that the biomasses of QY-1 and SYH were significantly affected by WSC addition and soil type compared with that of the control. The biomass of QY-1 was reduced with the application of WSC, and the shoot and root biomass of SYH were significantly increased under the treatment of low concentrations of WSC; conversely, these were decreased under the treatment of high concentrations of WSC. The shoot biomass of SYH increased notably under the 2% WSC treatment in Guangxi soil, which increased by 80.96% compared with that of the control treatment. Lead concentrations in different parts of B. napus were also affected by WSC addition and soil type. Pb in the shoots and roots of QY-1 increased with increasing WSC addition in Henan soil, whereas it decreased with the increase in WSC addition in Guangxi soil. The extraction amount of Pb was the key to evaluating the efficiency of phytoremediation. Lead uptake of QY-1 showed an increasing trend in Henan soil but a decreasing trend in Guangxi soil. In Guangxi soil, although the total Pb uptake of the QY-1 and SYH-combined application of 2% WSC was not significantly different, the biomass and Pb absorption amount of the SYH-combined application of 2% WSC were significantly higher than that of QY-1, and the shoot Pb extraction amount was higher. The results of the field experiment also confirmed that the phytoremediation efficiency of SYH combined with WSC was higher than that of QY-1. Additionally, concentrations of Pb in the rapeseed oils of QY-1 and SYH were lower than the limit of the maximum level of ω(Pb)in market rapeseed oils (GB 2762-2017, ≤0.1 mg·kg-1). Therefore, the mode of B. napus combined with WSC had great application potential in the rational utilization and remediation of mildly and moderately Pb-contaminated farmland soil in China.
Key words: lead(Pb)      farmland      Brassica napus L.      phytoremediation      water-soluble chitosan     

铅(lead, Pb)是环境中污染较为严重的有毒物质之一[1, 2], 具有不可降解的特点且易在土壤中积累, 对土壤理化性质、作物产量和作物品质产生负面影响[3, 4].此外, Pb能够通过食物链进入人体, 威胁人体健康[5].大量研究表明, 植物吸收Pb的含量主要与土壤Pb形态和Pb的转运能力有关[6, 7].Pb在土壤中以水溶态、弱酸提取态、可氧化态、可还原态和残渣态的形式存在, 其中水溶态和弱酸提取态Pb可被植物吸收, 其余形态的Pb很难被植物吸收[8].

植物修复技术因具有低成本、无二次污染等特点而被认为是一种极具潜力的重金属污染土壤修复技术[9], 但在实际应用过程中往往存在环境适应性差、修复效率和生物量低等问题[10].有研究表明, 施用螯合剂能够提高土壤中重金属的生物活性[11, 12], 进而提高植物修复效率.按照螯合剂来源可将其分为两类, 合成螯合剂和天然螯合剂[8, 13, 14].合成螯合剂主要包括乙二胺四乙酸(EDTA)和二乙三胺五乙酸(DTPA)等, 由于其能够和重金属形成高溶解性和持久性的重金属螯合物而被广泛应用在土壤重金属修复领域[15].然而, 合成螯合剂能在环境中较长时间地存在, 给环境带来一定的风险[15].天然螯合剂多为苹果酸和柠檬酸等低分子量有机酸, 有相关研究称其对植物修复重金属污染土壤的作用有限, 难以实际应用[16].基于以上限制因素, 一种天然无毒的氨基多糖——壳聚糖被大量研究, 证实其可与金属发生螯合作用, 应用于重金属污染土壤的修复[17, 18].

壳聚糖是一种以虾、蟹壳为原料, 通过酸降解或复合酶降解或微生物发酵制备而成的水溶性螯合剂(water soluble chitosan, WSC), 其主要化学成分为(1-4)-2-氨基-2-脱氧-β-D-葡聚糖[8, 18, 19].有研究表明, 水溶性壳聚糖不仅具有多种生物活性, 能够抵抗真菌、细菌和病毒, 还能够促进植物的生长[20~22].Guo等[8]的研究结果显示水溶性壳聚糖能够显著提高镉富集植物(八宝景天, Hylotelephium spectabile)中Cd的提取量, 且对其生长无明显抑制作用.Yang等[23]的研究也得到了类似的结果.目前, 这方面研究主要集中在水培条件或盆栽条件下, 添加壳聚糖对植物在重金属胁迫条件下的生长等影响[18, 24, 25], 但在大田条件下, 添加外源壳聚糖对典型Pb污染农田土壤上主要经济作物的重金属吸收、产量和风险的影响还鲜有报道, 此外, 实际条件下, 施加壳聚糖在田间产生的经济成本尚不明确.

油菜(Brassica napus L.)是我国主要油料作物之一, 在南方和北方广泛种植, 对Pb具有较强的耐受程度和一定的富集能力[26].本研究选取两个不同Pb富集能力的油菜品种为试验对象, 通过盆栽和田间试验, 分析油菜-水溶性壳聚糖在典型Pb污染农田土壤中的修复能力, 并根据田间试验结果, 进一步对土壤修复效果和经济效益进行综合评价, 以期为我国Pb污染农田土壤“边修复, 边生产”提供技术支持.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

本研究分为盆栽试验和大田试验两部分, 盆栽试验土样分别采集自北方河南某市(35°08′31″N, 112°32′24″E)和南方广西某市(24°55′13″N, 110°31′29″E)的Pb冶炼厂附近的污染农田0~20 cm的土壤, 其基本理化性质如表 1所示.供试土壤中ω(Pb)均超过《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》(GB 15618-2018)(170 mg·kg-1, pH>7.5; 120 mg·kg-1 7.5>pH>6.5).大田试验点设置于北方河南某市Pb冶炼厂附近土壤重金属治理修复基地试验田, 该地属温带大陆性季风气候, 年平均气温14.6℃、降水量860 mm和日照时长1 727.6 h.其基本理化性质同盆栽试验所用土壤.

表 1 供试土壤基本理化性质 Table 1 Pb concentrations and physicochemical properties of tested soils

1.2 试验设计

本研究设计了盆栽与大田两部分试验.

盆栽试验设计三因素：设置两个不同品种的油菜：甘蓝型油菜秦油1号(QY-1)和白菜型油菜三月黄(SYH), 在两个不同程度实际Pb污染农田土壤上：北方河南典型Pb污染土壤和南方广西典型Pb污染土壤中, 配合施加3种不同质量分数的水溶性壳聚糖WSC(C0: 0%, C1: 2%, C2: 4%), 试验共设置12个处理, 每个处理3次重复.于2019年7月24日~2019年9月24日进行盆栽试验, 首先取5 kg干土置于18 cm(高)×20 cm(直径)的塑料盆中, 每盆3株植物, 在气温20~31℃条件下栽培60 d, 在第45 d添加WSC.收获前分别采集两个油菜品种地上部、根部和对应的根际土壤样品.

田间试验：在北方河南某市典型Pb污染农田土壤上种植供试植物QY-1和SYH, 并根据Guo等[8]的研究结果, 大田小区试验设计施加不同含量的WSC(0 g·m2和10 g·m2), 试验共设置4个处理, 每个处理5次重复, 每个小区面积为10 m×10 m.本试验于2019年10月开展, 田间管理按当地常规种植模式进行, WSC在油菜成熟前1个月前(2020年4月)加入, 2020年5月收获前分别采集两个油菜品种地上部、根部和土壤样品.

1.3 样品的采集与测定

油菜成熟后将其地上部和根部单独收获, 先将样品用自来水冲洗3遍, 后用超纯水清洗3遍, 于105℃条件下杀青30 min, 再于65℃条件下烘干至恒重, 记录其干重.油菜各部位采用HNO3-HClO4(5∶1, 体积比)法消解, 同时设置空白对照和标准品GBW07603 (GSV-2)进行质控分析[(90±10)%], 使用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS, Elan DRC-E, Perkin Elmer, USA)测定Pb含量.

为收集原位根际土壤, 用干净的一次性手套将油菜和其根际土壤一起拔起, 用手剧烈摇晃3分钟, 直到未粘附植物根的土壤被完全清除, 取轻摇后附着在植物根毛上的剩余土壤作为根际土壤.混合均匀, 风干过0.85 mm和0.15 mm的尼龙筛用于后续试验.土壤pH的测定方法参考ISO 10390:2005, 取2.5 g过0.85 mm的土壤样品于离心管中, 加入12.5 mL的去离子水(1∶5, 质量比), 用pH计测定其pH值.土壤全量的测定方法参考USEPA 3050(1996), 取0.25 g过0.15 mm尼龙筛的土壤样品于锥形瓶中, 加入HNO3-H2O2进行消解, 同时设置空白和标准品GBW07401a (GSS-1a).土壤Pb形态的测定根据BCR (bureau community of reference)连续提取法[8, 27], 将土壤Pb形态分为：水溶态Pb (WSO-Pb)、弱酸提取态Pb (AEX-Pb)、可还原态Pb (RED-Pb)、可氧化态Pb (OX-Pb)和残渣态Pb (RES-Pb).取0.5 g 60目待测土壤样品于50 mL离心管中, 按固液1∶40比例加蒸馏水, 振荡2 h, 3000 g离心20 min, 将上清液转移到聚乙烯瓶中, 测定水溶态Pb含量; 添加20 mL 0.11 mol·L-1 HAc提取液于固体残渣中, 重复振荡、离心和转移步骤, 测定弱酸提取态Pb含量; 清洗固体残渣后, 将20 mL 0.5 mol·L-1 NH2OH·HCl加入固体残渣中, 重复振荡、离心和转移步骤, 测定可还原态Pb含量; 再次清洗, 添加5 mL H2O2, 室温消化1 h, (85±2)℃水浴消化1 h, 加热使溶液减少至2 mL, 再次添加10 mL H2O2, 继续加热使溶液减少至1 mL, 加入25 mL NH4OAc, 重复振荡、离心和转移步骤, 测定可氧化态Pb含量; 再次清洗后按照常规消解, 测定残渣态Pb含量.土壤Pb含量和不同形态的Pb含量均使用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS, Elan DRC-E, Perkin Elmer, USA)测定.

1.4 数据统计分析

采用SPSS Statistics 19进行方差分析(ANOVA), 采用最小显著差异法(least significant difference, LSD)进行显著性检验(P < 0.05), 并使用Origin 2017绘制图表.

采用生物富集系数(BCF)评价油菜对Pb的富集能力, 公式如下：

采用转运因子(TF)评价油菜根部向地上部转运Pb的能力, 公式如下：

采用因子迁移率(MF)评价Pb元素的迁移能力, 公式如下：

式中, Cshoot和Croot分别表示油菜地上部和根部Pb含量(mg·kg-1), CWSO、CAEX、CRED、COX和CRES分别代表水溶态、弱酸提取态、可还原态、可氧化态和残渣态Pb含量(mg·kg-1).

式中, R盆栽为土壤Pb的修复率, Pbuptake为每盆油菜地上部Pb的提取量, 以每盆3株油菜计; CPbsoil为土壤Pb含量; W土壤质量, 以5 kg计.

式中, R大田为土壤Pb的修复率, Pbuptake为每公顷油菜地上部Pb的提取量, 以每300 000株·hm2计; CPbsoil为土壤Pb含量; Wg为土壤容重1.3 g·cm-3; V为每公顷0~20 cm深度范围内土壤的体积.

2 结果与分析 2.1 盆栽试验 2.1.1 WSC对油菜生物量的影响

图 1结果表明, 广西土壤上两个油菜品种的地上部生物量和根部生物量均高于河南土壤.WSC含量对两种供试油菜在两种土壤的生物量影响有不同效果.QY-1地上部和根部的生物量随着WSC含量的增加主要呈现下降趋势.而SYH地上部和根部的生物量与添加WSC的含量有关, 在C1处理下, 生物量上升, C2处理下, 生物量显著下降(P < 0.05).与C0相比, 在C1处理条件下, SYH在河南和广西土壤上的地上部生物量分别提高了22.65%和80.96%.

(a)和(b)河南, (c)和(d)广西; 河南土壤的ω(Pb)为230.1 mg·kg-1, 广西土壤的ω(Pb)为659.4 mg·kg-1; 数据为平均值±标准误, n=3, 不同小写字母表示不同含量的WSC处理油菜生物量的显著性差别(P < 0.05), 下同 图 1 盆栽条件下0% (C0)、2% (C1)和4% (C2) WSC处理对河南和广西Pb污染土壤上两个油菜品种地上部和根部生物量的影响 Fig. 1 Effects of 0%(C0), 2% (C1), and 4% (C2) WSC treatments on shoot and root biomass of two B. napus cultivars in Henan province and Guangxi province Pb-contaminated soils under pot conditions

2.1.2 WSC对油菜Pb含量的影响

WSC含量对两种供试油菜在两种土壤上积累的Pb含量有不同效果(图 2).QY-1在河南土壤地上部Pb含量随着WSC含量的升高显著增加, 而在广西土壤上则表现为随WSC含量增加显著下降(P < 0.05).SYH在河南土壤上地上部和根部积累的Pb含量随WSC含量的增加呈现先上升后下降的趋势, 如与C0相比, C1处理下SYH地上部Pb含量提高了76.52%, C2处理下SYH地上部Pb含量则没有显著提高(P>0.05).

图 2 盆栽条件下0% (C0)、2% (C1)和4% (C2) WSC处理对河南和广西Pb污染土壤上两个油菜品种地上部和根部Pb含量的影响 Fig. 2 Effects of 0%(C0), 2%(C1), and 4% (C2) WSC treatments on the concentration of Pb in shoots and roots of two B. napus cultivars in Henan province and Guangxi province Pb-contaminated soil under pot conditions

由表 2可知, WSC含量对两种土壤上生长的两种供试油菜的TF没有显著影响(P>0.05).两种供试油菜的地上部和根部BCF受WSC含量和土壤类型影响较大.如SYH在河南土壤上的地上部BCF随着WSC含量的增加呈现先增加后降低的趋势, 而在广西土壤上地上部BCF随着WSC含量的增加显著增加(P < 0.05).

表 2 盆栽条件下0% (C0)、2% (C1)和4% (C2) WSC处理对两个油菜品种Pb富集和转运能力的影响1) Table 2 Effects of 0% (C0), 2% (C1), and 4% (C2) WSC treatments on bio-concentration factors and transfer factors of Pb in shoots and roots of two B. napus cultivars in Pb-contaminated soil under pot conditions

2.1.3 WSC对油菜Pb提取量的影响

图 3结果表明, 广西土壤上两个油菜品种的地上部、根部Pb提取量均高于河南土壤.两种供试油菜Pb的提取量受不同的土壤类型和WSC含量影响显著, 如在河南土壤上, QY-1地上部和根部Pb提取量表现为随WSC含量增加而增加, 而在广西土壤上则表现为随WSC含量增加显著下降(P < 0.05).SYH在两种供试土壤上地上部和根部的Pb提取量与WSC含量有关, 低含量WSC处理下SYH的Pb提取量显著上升(P < 0.05), 高含量WSC处理SYH的Pb提取量显著下降(P < 0.05).

图 3 盆栽条件下0% (C0)、2% (C1)和4% (C2) WSC处理对河南和广西Pb污染土壤上两个油菜品种Pb提取量的影响 Fig. 3 Effects of 0% (C0), 2% (C1), and 4% (C2) WSC treatments on Pb uptake of two B. napus cultivars in Henan province and Guangxi province Pb-contaminated soil under pot conditions

2.1.4 WSC对土壤Pb形态分布的影响

由表 3可知, 随着WSC含量的增加, 两种供试土壤的pH显著降低(P < 0.05), 河南土壤pH变化范围为7.55~7.99, 广西土壤的pH变化范围为7.00~7.36.不同土壤Pb形态含量受土壤类型和WSC含量影响, 在河南种植QY-1和SYH土壤水溶态Pb含量随WSC含量的增加显著下降, 如与对照相比, 高含量WSC处理下, QY-1和SYH水溶态Pb含量分别下降了56.25%和65.22%.在广西土壤上水溶态Pb含量则没有显著变化.土壤Pb弱酸提取态与油菜的品种有关, 广西土壤上, QY-1随着WSC含量的增加显著上升, SYH随WSC含量的增加显著下降, 如与C0相比, QY-1在C2处理下, 弱酸提取态Pb含量显著提高了29.72%.

表 3 盆栽条件下0% (C0)、2% (C1)和4% (C2) WSC处理对两种土壤pH和Pb形态的影响1) Table 3 Effects of 0% (C0), 2% (C1), and 4% (C2) WSC treatments on pH and Pb fractions in two Pb-contaminated soils under pot conditions

由图 4可知, 广西土壤种植两种油菜品种土壤Pb的因子迁移率均高于河南土壤.土壤Pb因子迁移率受油菜品种和土壤类型的影响显著, 在河南土壤上QY-1和SYH的因子迁移率均没有显著变化(P>0.05), 而在广西土壤上, QY-1表现为随WSC含量的增加因子迁移率显著上升, SYH表现为随WSC含量的增加因子迁移率显著下降.

图 4 盆栽条件下0% (C0)、2% (C1)和4% (C2) WSC处理对河南和广西Pb污染土壤上Pb因子迁移率的影响 Fig. 4 Effects of 0% (C0), 2% (C1), and 4% (C2) WSC treatments on mobility factors of Pb in Henan and Guangxi Pb-contaminated soils under pot conditions

2.1.5 盆栽条件下WSC对土壤Pb修复效率的影响

对盆栽试验Pb污染土壤的修复效率进行评估(表 4).不同处理对Pb污染土壤的修复效率受WSC添加含量和油菜品种影响, 其中SYH配施2%WSC的修复效率最高, 如与QY-1配施2%WSC的修复效率相比, SYH配施2% WSC对河南和广西Pb污染土壤的修复效率分别是其4.4倍和3.3倍.

表 4 盆栽条件下0%(C0)、2%(C1)和4%(C2) WSC处理对河南和广西Pb污染土壤的修复效率1) Table 4 Effects of 0% (C0), 2% (C1), and 4% (C2) WSC treatments on the efficiency of the remediation Henan and Guangxi Pb-contaminated soils under pot conditions

2.2 田间试验

大田条件下, WSC处理显著(P < 0.05)提高了两个油菜品种对Pb的富集和对Pb污染土壤的修复效率, 且收获的油菜籽制备的菜籽油中Pb含量均远低于食品安全国家标准(GB 2762-2017)中油脂ω(Pb)的限值(≤0.1 mg·kg-1, 表 5).大田试验修复效率以表层土壤(0~20 cm), 容重1.3 g·cm-3, 每公顷300 000株计.计算可知, 与其它处理相比, SYH和WSC联合处理对Pb污染土壤的修复效率最高, 为0.115%.大田条件下, WSC的添加降低了两个油菜品种的转运能力, 与对照的TF相比, 2%WSC处理下, QY-1和SYH的TF分别降低了29.02%和62.95%.

表 5 田间试验条件下WSC对油菜Pb含量、富集系数、转运系数、提取量和修复效率的影响1) Table 5 Effects of WSC treatments on the growth, Pb concentrations, translocation factors, Pb uptake, and remediation efficiency of two B. napus cultivars grown in field trials

3 讨论 3.1 施加WSC对油菜生长和Pb吸收的影响

生物量是反映植物受到重金属胁迫的直接指标[28], 较为理想的螯合剂应对植物生长没有显著抑制作用[8].本研究中, 盆栽条件下, 2种油菜生长受WSC添加含量的影响显著, 低含量WSC(2%)提高了SYH地上部和根部的生物量, 而高含量WSC处理则使其地上部和根部的生物量显著下降, 这可能是因为适量的WSC加入土壤后, 能够提高土壤养分的含量, 增强土壤酶的活性, 将土壤中有机物质水解成易被植物吸收的小分子有机物, 从而促进油菜的生长[29, 30], 而当WSC施用超过一定范围, 可能会导致土壤中的微生物与油菜争夺养分而引起油菜生物量下降[29].此外, 油菜的生物量与种植的油菜品种有关, 大量研究表明, 不同品种的油菜应对重金属胁迫的响应机制不同[26].广西土壤上, QY-1生物量随WSC增加显著下降, 而SYH随WSC的增加先上升后下降, 这可能与油菜富集和转运Pb的能力有关.QY-1在广西土壤上拥有较高的Pb富集能力, 但其吸收的Pb多积累在根部, 受转运能力的限制, 大量的Pb积累在QY-1的根部而无法向地上部转运, 抑制其生长和Pb的进一步积累.而SYH拥有较高的向地上部转运Pb的能力, 根部积累的Pb能够高效转运到地上部, 与细胞中的金属富集颗粒、热稳定蛋白等生物解毒组分相结合, 减少进入细胞器中Pb2+的含量, 从而减轻Pb的毒害作用[26], 进一步促进SYH对Pb的积累, 但当植物体内的Pb积累超过一定范围, 就会抑制植物的生长, 引起生物量的下降.油菜对Pb的积累还与土壤Pb污染程度有关, QY-1在河南和广西土壤上对Pb的积累趋势相反, 这可能是因为广西土壤Pb污染程度高于河南, 约为河南土壤Pb含量的3倍.广西土壤上QY-1-C0根部积累的Pb远高于河南土壤, 超过了QY-1的富集能力, 抑制其进一步积累Pb, 因此呈现随WSC含量增加而下降的趋势.在河南土壤中, SYH Pb提取量显著高于QY-1; 而在广西土壤中, QY-1-C0和SYH-C1地上部和根部Pb提取量之和相差不大, 但SYH-C1地上部Pb的提取量要远高于QY-1-C0, 能够通过收割的方式带走更多的重金属, 更适合土壤重金属修复.

大田试验结果表明, 在典型Pb污染土壤中, SYH地上部和根部吸收的Pb含量显著高于QY-1, 且WSC可进一步提高油菜对Pb的富集能力.盆栽和大田条件下, 对比两个油菜品种对Pb污染土壤的修复效率发现, 盆栽条件下的修复效率远低于大田, 这可能是因为大田试验种植的油菜是一个完整的生命周期, 收获的油菜生物量要明显高于盆栽.综合分析盆栽试验和大田试验结果, 本研究认为, SYH配合施加低含量WSC更适合修复河南Pb污染土壤.此外, 将本研究两个油菜品种配施螯合剂后地上部Pb提取量和修复效率与已报道的同类研究进行比较(表 6), 发现将SYH配施WSC应用于Pb污染土壤修复有较高的修复效率和应用前景.

表 6 田间条件下富集植物/富集植物配施螯合剂对Pb污染土壤的修复效果比较 Table 6 Comparison of phytoremediation effects of accumulators or accumulators with chelating agent treatment in Pb-contaminated soils under field conditions

3.2 WSC处理对油菜根际土壤的pH、Pb形态和迁移率的影响

土壤pH与Pb生物有效性存在极显著的负相关关系[32, 33].本研究中, WSC的添加显著降低了土壤pH, 同时增加了土壤中碱解氮、速效磷、速效钾和有机质等营养元素的含量.相关研究表明, 土壤pH降低, 能够促进土壤重金属活性的增加[32].采用优化的BCR法对土壤Pb形态进行分析, 将土壤Pb划分为5个形态, 其中水溶态Pb和弱酸提取态Pb的移动性最强, 比可氧化态和可还原态Pb更容易被植物吸收[34].自然条件下, 由于老化效应, 大多数水溶性和弱酸提取态重金属会向更稳定的形式转化.WSC的主要作用是使土壤其它形态Pb转化为弱酸提取态和水溶态Pb, 从而促进植物对Pb的吸收[8, 35].在广西土壤中QY-1和SYH土壤弱酸提取态Pb含量呈现不同的变化趋势, 随着WSC施加含量的增加, QY-1表现为显著上升, SYH则表现为显著下降, 这可能是因为WSC促进了SYH根系的生长和对土壤Pb的吸收, 使得SYH根际吸收的可交换态Pb含量高于由其它形态转化成的可交换态Pb含量, 致使SYH根际弱酸提取态Pb含量显著下降, 这与油菜根部Pb含量变化的结果相呼应.通过比较强移动性组分(水溶态和弱酸提取态)与总Pb含量的比值, 可以计算出Pb的因子迁移率[36].WSC的添加导致在SYH土壤中Pb因子迁移率下降, 说明了WSC促进油菜Pb积累的机制, 除了活化土壤中Pb形态以外, 还可能存在其它如刺激油菜根系生长和Pb吸收转运的能力, 大量吸收根际有效态的Pb, 从而导致根际Pb因子迁移率下降.

3.3 SYH与WSC结合种植目标农田的环境和经济意义

田间条件下, 对每公顷SYH修复Pb污染土壤的经济成本进行评估(表 7).与对照相比, SYH配施WSC提高了河南Pb污染土壤的修复效率, 具有一定的环境效益.另外, SYH在施用WSC处理后, 收获的油菜籽制备的菜籽油中ω(Pb)=0.024 mg·kg-1, 远低于食品安全国家标准(GB 2762-2017)中油脂ω(Pb)的限值(≤0.1 mg·kg-1).因此, SYH油菜品种配合施用水溶性壳聚糖在轻中度Pb污染土壤修复上具有较强的应用潜力.

表 7 田间条件下油菜(三月黄)单季(2019~2020年)成本投入与经济产出 Table 7 Single-season (2019-2020) cost input and economic output of B. napus (SYH) growing under field conditions

收获物安全处置技术也是目前植物修复过程中面临的重要难题.收获后的油菜秸秆是一种含有较高含量重金属的生物质, 油菜秸秆中的重金属可能会被重新释放到环境中, 引起二次污染[37].目前处置的方法主要有堆肥法、液相萃取法、焚烧法、热解法、压缩填埋法和植物冶金法等[38].堆肥法虽然具有减容减量和占地面积小等优点, 但由于其设备昂贵, 处置过程时间长等[39]缺点并不适用于大规模的产后修复.液相萃取法和植物冶金法由于成本昂贵和回收率较低等[38]原因限制了其应用于农田作物产后处置.压缩填埋法的处置时间更短, 成本更低, 但未实现循环利用且其重金属含量是否满足填埋标准是另一问题[38].相比较于其它技术, 焚烧法是一种高效的减量化处置技术, 其减量化可达到99%, 且焚烧产生的热能可回收利用, 如结合当地生物质发电厂, 实现资源化.焚烧过程产生的飞灰经处理达到标准后进行填埋, 最大程度地降低油菜修复Pb污染土壤的经济成本, 实现资源化利用.

4 结论

在盆栽条件下, 两种油菜(QY-1和SYH)生长受WSC添加量影响, 表现出不同的变化趋势.在河南和广西两种Pb污染土壤上, QY-1的生物量均随WSC含量的增加而呈下降趋势, 而SYH的生物量则随WSC添加呈先升高后降低的趋势.此外, WSC对两种油菜Pb吸收的影响也随土壤类型有显著区别, 在河南土壤上, QY-1地上部和根部Pb含量均随WSC含量的升高而增加, 而在广西土壤上, 则随WSC含量的升高而降低.盆栽和大田试验的结果均表明, SYH配施低含量WSC处理下Pb含量明显高于对照处理, 同时与同样处理下的QY-1相比, 地上部Pb的提取量更高, 更适合用于Pb污染土壤修复, 能够产生更高的环境效益.此外, 田间试验表明, 本研究两种油菜籽所制取的成品油中Pb含量符合食品安全国家标准(GB 2762-2017)中油脂Pb含量的限值.因此, 种植冬油菜SYH配合低含量WSC模式在我国典型Pb污染农田土壤的原位植物修复中具有较大的应用潜力.

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