2024, Vol. 45
《2021年中国生态环境状况公报》[1]显示, 影响农用地土壤环境质量的主要污染物是重金属, 其中镉（Cd）为首要污染物. 土壤中的Cd易被植物吸收, 并通过食物链进入人体, 对人体健康造成严重威胁[2]. 因此, 如何利用或修复Cd污染农田, 实现Cd污染农田的安全利用、可持续利用是当前亟需解决的环境问题.
植物修复技术一般利用超富集植物对重金属污染物的提取、吸收、分解、转化和固定从而降低土壤中重金属总量[3], 具有修复成本低、环境友好的优点, 是公认的最具应用潜力的绿色修复技术[4]. 已发现的超富集植物有蜈蚣草（Pteris vittata L.）、东南景天（Sedum alfredii Hance）和龙葵（Solanum nigrum L.）等. 此外, 有研究也发现具有较大生物量的纤维植物具有较强的重金属富集能力, 可用于污染土壤的植物修复. 例如, 杂交狼尾草（Pennisetum glaucum × purpureum）、高丹草（Sorghum bicolor × sudanense）和苏丹草（Sorghum sudanense）对Cd、砷（As）的吸收能力较强[5], 黑麦草（Lolium perenne L.）、高羊茅（Festuca arundinacea L.）、紫花苜宿（Medicago sativa L.）和菊苣（Cichorium intybus L.）[6]也可降低底泥中锌（Zn）、铜（Cu）、铅（Pb）和Cd含量. 与超富集植物相比, 此类纤维植物生物量大、抗逆性强、易于种植, 近年来被提出用于植物修复重金属污染土壤. 甜高粱[Sorghum bicolor（L.）Moench]是一年生禾本科高粱属草本植物, 是我国重要的经济作物之一, 用于糖和青贮饲料的生产, 同时, 甜高粱也是重要的能源植物之一, 可用于纤维乙醇的生产[7]. 有研究表明, 甜高粱具有光合效率高、生物量大、抗逆性强和适应性广等特点[8], 对土壤重金属污染也具有较好的耐受性[9], 尤其是相当一部分甜高粱品种可以在Cd污染农田正常生长, 同时富集大量Cd, 实现Cd污染土壤的植物修复[10, 11]. Xiao等[12]研究发现, 在ω（总Cd）为1.21 mg·kg-1的土壤上甜高粱产量可达76.3 t·hm-2, 对Cd的植物提取量可达51.6 g·hm-2. Feng等[13]研究了Cd胁迫条件下甜高粱细胞结构、形态生理特性和金属离子分布等的响应和变化, 从植物生理角度证明甜高粱可作为Cd污染土壤的植物修复品种. 我国部分Cd污染农田已不再适合种植水稻等粮食作物, 需要进行农业种植结构调整, 保持土壤的耕地属性和区域经济, 尝试替代种植其他经济作物, 用于饲料或生物能源生产, 具有广阔的应用前景.
在筛选、鉴定可用于植物修复的物种同时, 相关辅助、强化植物修复效率的技术也在深入研究. 例如, 使用螯合剂GLDA辅助三叶草（Trifolium repens）[14]、象草（Pennisetum purpureum Schum）[15]植物修复Cd污染土壤；EDTA增强黑麦草[16]和类芦（Neyraudia reynaudiana）[17]对重金属的吸收累积；β-环糊精（β-CD）提高菌根苋菜（Amaranthus hypochondriacus L.）幼苗中Cd含量和BDE-209在土壤中的降解量[18]. 其中低分子有机酸柠檬酸, 因可通过促进金属离子解吸作用及与金属离子形成可溶性的络合物, 增加土壤中重金属的溶解度和生物利用度, 且生物降解性强、对土壤无二次污染, 备受关注[19]. 柠檬酸施入土壤后可以为土壤提供H+, 使土壤Cd从难溶态向可溶态转化, 生物有效性提升, 从而促进重金属向植物体内的迁移[20, 21]. 例如, 施用柠檬酸（1 mmol·kg-1）可将高羊茅根际土壤中Cd含量提升11.6倍, 高羊茅植株Cd的累积量增大2.8倍[22]；柠檬酸（5 mmol·kg-1）可增大青葙（Celosia argentea L.）叶中Cd含量2.72倍[23], 柠檬酸（0.5 mmol·kg-1）可将伴矿景天（Sedum plumbizincicola）对Cd污染土壤的修复效率提升29.35%[24]. 由此可见, 柠檬酸在辅助植物修复Cd污染农田土壤方面具有较好的应用潜力.
本研究假设在甜高粱种植中柠檬酸施用能够有效提升甜高粱植物修复Cd污染土壤的效率, 并以我国南方典型成土母质（中性紫泥田和黄麻砂泥田）的Cd污染农田土壤为研究对象, 开展甜高粱种植辅以柠檬酸施用的田间试验. 通过分析甜高粱根际土壤基本理化性质, 甜高粱植株生物量、各部位Cd含量以及甜高粱对Cd的吸收与转运等, 探明甜高粱以及柠檬酸施用技术对我国南方典型母质土壤Cd的植物修复效应和作用机制, 以期为重金属污染农田植物修复提供理论依据及技术参考.
1 材料与方法 1.1 试验地点和供试材料试验地分别位于湖南湘潭（27.78° N, 112.89° E）和湖南醴陵（27.65° N, 113.5° E）, 土壤类型分别为中性紫泥田和黄麻砂泥田, 基本理化性质见表 1. 两地属亚热带季风气候, 平均气温16.7℃, 年平均降水量1 350 mm, 年平均无霜期288 d. 污染物溯源分析发现湘潭中性紫泥田是高Cd背景, 醴陵黄麻砂泥田是历史污灌. 在水稻耕种上, 前者稻米Cd含量超标, 后者则无法种植. 自2019年两地均划归种植结构调整, 尝试休耕或替代种植, 以保持用地农业化属性. 供试植物为甜高粱G98（品种登记为非主要农作物品种, 能源用途）, 由中国科学院植物研究所提供. 柠檬酸购于潍坊英轩实业有限公司.
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表 1 供试土壤基本理化性质 Table 1 Physical and chemical properties of the test soil |
1.2 试验设计
田间试验在两地同时进行. 试验田旋耕平整后, 田块按垄宽180 cm, 垄间距30 cm, 垄沟深20 cm整理. 甜高粱株距15~20 cm, 每垄控制3行, 种植密度每公顷7.5万株（7.5株·m-2）. 试验设置对照组（CK）和柠檬酸施用组（CA, 675 kg·hm-2）, 每处理样方面积667 m2, 重复3次, 两地共12个样方. 柠檬酸施用方式是, 在甜高粱苗高40~60 cm时, 结合第二次中耕除草, 撒施在根基附近, 并翻耕入土. 甜高粱播种前施用氮磷钾复合肥（N-P2O5-K2O, 总养分≥51%, 26-10-15）750 kg·hm-2作基肥. 种植期间追肥3次, 追施尿素总量按450 kg·hm-2计, 第1次在定苗后期75 kg·hm-2, 第2次在拔节前后225 kg·hm-2, 第3次在打苞抽穗时150 kg·hm-2. 2020年5月15日甜高粱穴播种植, 2020年10月14日成熟收获. 种植过程中不施用农药, 7月和8月全田灌溉各一次.
1.3 样品采集与分析分别在拔节期（8月12日）、抽穗期（9月21日）和成熟期（10月14日）, 在各处理样方按照棋盘式取样法采集9株甜高粱. 甜高粱植株分根、茎、叶和果穗称量鲜重, 并依次用自来水、超纯水洗净（根用0.005 mol·L-1的CaCl2溶液, 浸泡30 min, 去除表面重金属[25]）, 随后105℃杀青30 min, 70℃烘干至恒重, 称重、粉碎、过0.149 mm筛, 保存备用. 同期, 采集甜高粱根际土壤样品, 方法是将根取出后, 去掉表层大块土壤, 然后剧烈摇动, 收集根系上附着的土壤. 土壤样品自然风干、研磨并过0.149 mm和2.0 mm筛, 保存待测.
采用文献[26]所述方法测定土壤基本理化性质和土壤重金属总量, 修正BCR法[27]分析土壤中Cd的赋存形态. 甜高粱各部位Cd含量采用硝酸湿法消解[28]. 土壤和植物样品消解液中重金属含量使用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP 6300, Thermo Fisher, 美国）测定. 试验同时使用国家标准物质土壤[GBW（E）070009]和生物成分标准物质（GBW 10010）进行质量控制, 并做空白试验. 土壤样品Cd的回收率为98.0%~101.0%, 植物样品Cd的回收率为97.0%~103.0%.
1.4 数据统计与分析用富集系数（bioaccumulation factor, BCF）和转运系数（translation factor, TF）评价甜高粱地上部对Cd的富集能力和根系对Cd转运能力[29]. 单位面积甜高粱Cd提取量, 按照单株甜高粱Cd累积量乘以每公顷种植株数（7.5万株）计算, 计算方法如下：
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式中, Cshoot表示甜高粱地上部Cd含量（mg·kg-1）, Cs表示土壤Cd总量（mg·kg-1）, Croot表示根部Cd含量, Mi表示甜高粱各部位干重（kg）, Ci表示对应各部位Cd含量（mg·kg-1）.
采用Microsoft Excel 2019和SPSS 22.0进行数据统计分析, 文中数据为平均值±标准偏差（n = 9）. 采用独立样本T检验和one-way ANOVA with Duncan's multiple range检验（P < 0.05）分析处理间差异, 图表中不同字母表示差异具有统计学意义. 在厦门大学合作的云平台上进行Mantel测试分析, 图形采用Origin 2019软件进行绘制.
2 结果与分析 2.1 施加柠檬酸对各生育期甜高粱根际土壤pH和有机质的影响由图 1（a）可知, 在中性紫泥田, 随生育期延长, 对照CK和柠檬酸CA处理土壤pH呈现降低趋势, 降低了0.16~0.69个单位；与对照CK相比, CA处理土壤pH降低了0.24~0.72个单位, 其中抽穗期差异显著（P < 0.05）. 在黄麻砂泥田, 随生育期延长, 土壤pH的变化趋势与中性紫泥田相似, 其中对照CK拔节期土壤pH值最大, 与成熟期差异显著（P < 0.05）；此外, 与对照CK相比, CA处理有降低土壤pH值的效应, 但差异不显著. 对比两种类型土壤, 甜高粱种植会降低土壤pH值, 柠檬酸施用则有进一步降低甜高粱各生育期土壤pH值的效应, 且在中性紫泥田上效果更显著.
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不同小写字母表示相同处理下不同生育期间差异显著（P < 0.05）, *表示同一生育期下与CK差异显著（P < 0.05） 图 1 不同处理下各生育期甜高粱根际土壤基本理化性质 Fig. 1 Basic physical and chemical properties in rhizosphere soil of sweet sorghum at different growth stages under different treatments |
由图 1（b）可知, 在中性紫泥田, 随甜高粱生育期延长, 对照CK和CA处理土壤有机质含量呈现降低趋势, 降低了0.7%~15.2%, 但处理间差异不显著；与对照CK相比, CA处理抽穗期和成熟期土壤有机质降低了2.6%~14.9%, 但差异不显著. 在黄麻砂泥田, 随甜高粱生长和CA处理, 土壤有机质变化趋势与中性紫泥田一致, 且在拔节期与对照差异显著（P < 0.05）. 综上分析, 柠檬酸施用有加速土壤有机质消耗的可能.
2.2 施加柠檬酸对各生育期甜高粱根际土壤Cd总量、酸可提取态含量及赋存形态的影响如图 2（a）所示, 在中性紫泥田, 随生育期延长土壤Cd总量逐渐降低, 与拔节期相比, 对照CK和柠檬酸CA处理分别降低了13.1%~34.9%和14.1%~24.0%（P < 0.05）；CA处理有进一步加速土壤Cd总量降低的趋势, 与对照CK相比, 在各生育期CA处理的降幅为3.8%~18.5%, 但差异不显著. 在黄麻砂泥田, 随生育期延长土壤Cd总量无显著变化, 与对照CK相比, CA处理下土壤Cd总量降幅为0.3%~13.1%, 但无显著差异. 对比两种类型土壤, Cd总量并无显著差异, 但甜高粱种植后Cd总量降低, 且在中性紫泥田的降低效应更显著, 同时CA施用强化了这种降低效应, 尤其是在中性紫泥田. 分析两地土壤Cd酸可提取态含量, 在中性紫泥田, 随生育期延长呈先增大后降低趋势, 与拔节期相比, 在对照CK处理甜高粱抽穗期时土壤Cd酸可提取态含量显著增大37.5%（P < 0.05）；与对照CK相比, CA处理下拔节期和成熟期土壤Cd酸可提取态含量增大3.0%~8.1%, 但无显著差异. 在黄麻砂泥田, 随生育期延长和CA施用, 土壤Cd酸可提取态含量呈增大趋势, 但均无显著差异. 对比两种类型土壤, 种植前中性紫泥田土壤Cd酸可提取态含量低于黄麻砂泥田, 但随着甜高粱种植和柠檬酸CA处理, 两地呈现相反变化趋势, 在中性紫泥田土壤Cd酸可提取态含量增大了4.6%~43.8%, 在黄麻砂泥田则降低9.3%~16.8%.
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HOAc⁃Cd：酸可提取态, Fe/Mn⁃Cd：铁锰结合态Cd, Org⁃Cd：有机结合态Cd, O⁃Cd：残渣态Cd；不同小写字母表示相同处理下不同生育期间差异显著（P < 0.05）, *表示同一生育期下与CK差异显著（P < 0.05） 图 2 不同处理下各生育期甜高粱根际土壤Cd总量、酸可提取态含量及赋存形态 Fig. 2 Total amount, acid extractable content, and speciation of Cd in rhizosphere soil of sweet sorghum at different growth stages under different treatments |
如图 2（b）所示, 在中性紫泥田, 甜高粱根际土壤Cd的赋存形态以酸可提取态（39.7%~70.8%）为主, 其次是残渣态（15.12%~49.4%）、铁锰结合态（6.0%~9.6%）和有机结合态（4.6%~6.1%）. 随生育期延长, 对照CK和柠檬酸CA处理土壤Cd的酸可提取态占比和残渣态占比变化显著, 与拔节期相比, 酸可提取态增幅分别为57.7%~60.4%和32.1%~36.9%（P < 0.05）, 残渣态则降低52.5%~55.1%和51.4%~57.1%；与对照CK相比, CA处理后土壤Cd的酸可提取态占比进一步增大, 增大了7.5%~30.4%, 残渣态则降低了22.8%~35.5%. 在黄麻砂泥田, 甜高粱根际土壤Cd的赋存形态以酸可提取态（41.0%~48.0%）和残渣态（43.3%~51.0%）为主, 其次为铁锰结合态（4.6%~6.1%）, 有机结合态（1.7%~3.0%）最少. 随生育期延长, Cd酸可提取态和有机结合态占比呈现增大趋势, 但Cd的4种赋存形态占比变化不显著；与对照CK相比, CA处理增大了酸可提取态和铁锰结合态在各生育期的占比, 增幅分别为1.5%~13.6%和6.5%~18.1%, 土壤残渣态Cd占比降低0.1%~12.6%. 对比两地4个处理, 两种类型土壤Cd的赋存形态占比相似, 甜高粱种植后增大了土壤Cd酸可提取态占比, 柠檬酸施用则更大幅度提升了Cd酸可提取态占比.
2.3 施加柠檬酸对各生育期甜高粱生长性状及生物量的影响由表 2可知, 在中性紫泥田, 随生育期延长, 甜高粱株高可达400 cm以上, 在抽穗期基本稳定；根长不断增长, 各部位生物量均呈上升趋势, 而胸径变化不显著. 与对照CK相比, 柠檬酸CA处理中拔节期的甜高粱株高为277 cm, 高出13.9%（P < 0.05）；地上部生物量呈增大趋势, 但差异不显著；甜高粱成熟期产量（鲜重）下降8.0%, 但差异不显著. 在黄麻砂泥田, 随生育期延长, 甜高粱株高可达到370 cm左右；根长增长, 成熟期根长值最大, 达到28.38 cm；各部位生物量均呈增大趋势. 与对照CK相比, CA处理各生育期株高均有下降, 其中拔节期和抽穗期降幅显著, 降幅分别为16.4%和12.7%（P < 0.05）, 但各部位生物量并无显著差异, 地上部生物量和产量也呈增大趋势.
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表 2 不同处理下甜高粱各生育期生长性状及生物量1） Table 2 Growth characters and biomass of sweet sorghum at different growth stages under different treatments |
对比两种类型土壤种植甜高粱, 中性紫泥田成熟期收获甜高粱在根长上小于黄麻砂泥田种植的甜高粱, 但在株高和生物量上大于黄麻砂泥田. 同时, 除成熟期CA处理外, 中性紫泥田上甜高粱产量均大于黄麻砂泥田. 这表明中性紫泥田更有利于甜高粱的茂盛生长. 对比CK和CA处理, CA处理对甜高粱生物量无降低效应, 呈现出增大趋势.
2.4 施加柠檬酸对各生育期甜高粱富集、吸收和转运Cd的影响由图 3可知, 在中性紫泥田, 甜高粱根、茎和叶的ω（Cd）范围分别是1.50~2.34、0.25~1.90和0.21~0.64 mg·kg-1；随生育期延长根系Cd含量持续增大, 茎和叶Cd含量则呈现抽穗期最低的现象. 与拔节期相比, 对照CK和柠檬酸CA处理茎Cd含量降低82.6%和86.4%（P < 0.05）, 叶Cd含量降低36.45%和61.6%（P < 0.05）. CA处理增大了各生育期甜高粱根、茎和叶Cd含量, 尤以成熟期最显著, 与对照CK相比, CA处理下成熟期根、茎和叶Cd含量分别增大了21.2%、95.9%、106.5%（P < 0.05）. 在黄麻砂泥田, 甜高粱根、茎和叶的ω（Cd）范围分别是1.55~2.25、0.32~0.79和0.06~0.19 mg·kg-1；随生育期延长根和茎Cd含量呈下降趋势, 分别降低4.5%~31.3%和25.0%~46.8%（P < 0.05）；叶部Cd含量则呈现抽穗期显著低于拔节期和成熟期（P < 0.05）的现象. 与对照CK相比, CA处理均增大了各生育期根和茎Cd含量, 尤以拔节期最显著, 根、茎Cd含量分别增大了35.5%和51.9%（P < 0.05）. 对比两种类型土壤下种植的甜高粱, 中性紫泥田甜高粱茎、叶Cd含量高于黄麻砂泥田, 柠檬酸施用增加了各部位Cd含量, 且其增量在中性紫泥田更大.
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横线为《饲料卫生标准》（GB 13078-2017）中植物性饲料原料限值, ω（Cd）≤1.0 mg·kg-1；不同小写字母表示相同处理下不同生育期间差异显著（P < 0.05）, *表示同一生育期下与CK的差异显著（P < 0.05） 图 3 不同处理下甜高粱各生育期各部位Cd含量 Fig. 3 Sweet sorghum tissues Cd content in different growth stages under different treatments |
由图 4（a）可知, 在中性紫泥田, 随生育期延长, 对照CK和柠檬酸CA处理下甜高粱植株Cd富集系数（BCF）呈现抽穗期最低、成熟期最大的现象, 且成熟期BCF值显著高于拔节期和抽穗期（P < 0.05）；与对照CK相比, CA处理增大了各生育期BCF值, 在成熟期BCF值可以达到3.03. 在黄麻砂泥田, BCF则随生育期延长先降低后增大, 其中CA处理下, 拔节期BCF值为1.00, 显著大于抽穗期, 也显著大于对照CK处理的拔节期. 由图 4（b）可知, 在中性紫泥田, 对照CK和CA处理甜高粱根Cd转运系数（TF）值分别是0.10~0.62和0.14~0.70, 随生育期延长, 呈现先降低后增大的现象, 抽穗期TF值显著低于拔节期和成熟期；CA处理增大了各生育期TF值, 成熟期TF值可增大到0.70, 与对照CK差异显著（P < 0.05）. 在黄麻砂泥田, 对照CK和CA处理甜高粱TF值的范围是0.16~0.29, 随生育期延长, 变化规律与中性紫泥田相同, CA处理也增大了成熟期TF值（P < 0.05）. 对比两种类型土壤试验数据, 除抽穗期外, 中性紫泥田甜高粱BCF和TF值均高于黄麻砂泥田, 表明在中性紫泥田上甜高粱对Cd的富集、根系对Cd的转运能力均更强；CA处理能提升甜高粱BCF和TF值, 表明柠檬酸施用提升了甜高粱地上部Cd的富集能力和根系对Cd转运能力.
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不同小写字母表示相同处理下不同生育期间差异显著（P < 0.05）, *表示同一生育期下与CK的差异显著（P < 0.05） 图 4 不同处理下甜高粱各生育期植株Cd富集系数和根的Cd转运系数 Fig. 4 Cd bioaccumulation factor and Cd transport factor of sweet sorghum in different growth stages under different treatments |
由图 5可知, 在中性紫泥田, 对照CK和柠檬酸CA处理甜高粱地上部Cd提取量范围分别为3.92~23.59 g·hm-2和4.73~47.56 g·hm-2；随生育期延长, 呈现抽穗期最小、成熟期最大的现象, 与抽穗期相比, 成熟期Cd提取量增大5.0~9.0倍（P < 0.05）；CA处理均增大了各生育期Cd提取量, 其中成熟期地上部Cd总提取量达到47.56 g·hm-2, 增大了23.97 g·hm-2, 约是对照CK的2.0倍（P < 0.05）. 在黄麻砂泥田, CK和CA处理甜高粱地上部Cd提取量范围分别为3.94~8.06 g·hm-2和6.95~13.72 g·hm-2, 随生育期延长和CA处理地上部Cd提取量也呈增大趋势, 但其增大效应远小于中性紫泥田, 其中CA处理对甜高粱成熟期Cd提取量仅增大5.66 g·hm-2. 对比两种类型土壤种植甜高粱, 相同之处是甜高粱吸收的Cd主要累积在地上部（占比为38.7%~87.4%）, 且柠檬酸施用可大幅提升甜高粱地上部Cd提取量；不同之处是中性紫泥田上种植的甜高粱Cd提取量高于黄麻砂泥田. 综上, 甜高粱提取Cd能力在中性紫泥田上更大, 柠檬酸辅助更可大幅提升这一效果.
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不同小写字母表示相同处理下不同生育期间差异显著（P < 0.05）, *表示同一生育期下与CK的差异显著（P < 0.05） 图 5 不同处理下甜高粱各生育期Cd提取量 Fig. 5 Extraction amount of Cd in different growth stages of sweet sorghum under different treatments |
随着甜高粱生长发育和柠檬酸施用（CA处理）, 根际土壤pH呈下降趋势[图 1（a）], 均低于种植前土壤pH值（表 1）, 这一方面是因为甜高粱根呼吸释放出的CO2、H+以及分泌的氨基酸降低了根际土壤pH值[30], 另一方面则是因为柠檬酸施入土壤可为土壤提供H+, 进一步降低土壤pH值[20]. 土壤pH值的降低则会促进土壤胶体、黏土矿物颗粒吸附的Cd与H+交换, 活化土壤Cd, 使得土壤有效态Cd的含量增加, 增大Cd的迁移性和生物有效性[21], 本试验中对甜高粱根际Cd赋存形态的分析[图 2（b）]和植株各部位Cd含量（图 3）的分析证实了这一点. 同时, 试验结果表明随着柠檬酸的施用, 甜高粱根际土壤Cd总量降低[图 2（a）], 甜高粱植株BCF增大[图 4（a）], 地上部Cd提取量大幅增加（图 5）, 这也进一步说明施用柠檬酸提高了土壤中Cd的活性, 促进了甜高粱对Cd的积累, 从而提高了甜高粱对重金属Cd的提取效率和对污染土壤的修复效率.
本试验中, 根际土壤pH值随柠檬酸的施用而降低[图 1（a）], 酸可提取态含量及其占比随柠檬酸的施用而升高（图 2）；将试验中检测指标做相关性分析可知（图 6）, 甜高粱地上部Cd提取量与土壤中铁锰结合态Cd占比呈显著正相关（P < 0.05）, 相关系数r为0.617, 铁锰结合态Cd占比和酸可提取态Cd占比呈极显著正相关（P < 0.01）, 相关系数r为0.889, 说明柠檬酸施用带来的土壤酸性条件, 使得土壤Cd从难溶态向可溶态转化, 生物有效性提升, 从而促进重金属向植物体内的迁移, 加速了甜高粱对土壤Cd的植物提取效率, 这正是本研究中柠檬酸辅助甜高粱Cd富集的机制.
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1.CA, 2.Total-Cd, 3.HOAc-Cd, 4.Fe/Mn-Cd, 5.Org-Cd, 6.O-Cd 图 6 地上部Cd含量和提取量与柠檬酸施加量和土壤指标的相关性 Fig. 6 Correlation of above-ground Cd content and extraction with citric acid application and soil indicators |
本试验中, 甜高粱植株Cd富集系数可达3.03, 具有Cd富集特性, 这与Yuan等[31]研究的结果一致；同时甜高粱成熟期地上部Cd提取量达47.56 g·hm-2, 与超富集植物相比, 甜高粱对Cd的提取量并不低, 如遏蓝菜（Noccaea caerulescens）地上部Cd累积量为10.00~20.00 g·hm-2[土壤ω（Cd）：1.9 mg·kg-1][32], 孔雀草（Tagetes patula L.）地上部Cd累积量为50.00~85.00 g·hm-2[土壤ω（Cd）：2.59 mg·kg-1][33]. 甜高粱在我国大部分地区均可种植, 同时, 甜高粱生物量较大, 且其干物质主要集中在地上部分（82.8%~92.5%）, 其植株Cd提取量也主要集中在地上部（38.7%~87.4%）, 这对利用甜高粱开展植物修复是一个巨大优势, 即通过在适当时机收获其植株, 可以实现将土壤中Cd带走, 达到生物修复目的. 同时, 本试验中, 甜高粱根部也累积大量Cd, 其根部Cd提取量为3.18~6.86 g·hm-2, 未来技术应用, 在追求移除量最大化情况下, 建议对秸秆和根系均进行离田处理.
本试验中, 在中性紫泥田上甜高粱各部位生物量略高于黄麻砂泥田, 株高也高于黄麻砂泥田. 将柠檬酸施用（CA处理）到湖南两种典型成土母质土壤, 甜高粱植株的生长并未受抑制, 反而有促进效应, 同时, 柠檬酸施用均提高了各生育期甜高粱植株Cd提取量, 且在拔节期和成熟期, 甜高粱地上部Cd提取量显著高于对照CK处理, 增大了54.1%~101.6%（图 5）, 这表明柠檬酸施用能够提升甜高粱植物修复Cd污染土壤的效率. 与种植前土壤相比, 两地根际土壤Cd总量减少了17.1%~52.2%[图 2（a）], 从物质平衡角度, 甜高粱Cd提取量和土壤Cd降低量整体相当, 但存在土壤Cd含量损失现象. 这可能是试验处理中舍弃了凋落的老叶和枯叶, 而老叶和枯叶积累的Cd远高于其他叶片[34], 同时在试验清洗过程中叶片外泌Cd被洗掉了[35].
对比两种类型土壤的植物修复差异, 尽管土壤Cd总量相似, 但中性紫泥田甜高粱地上部Cd提取量显著高于黄麻砂泥田, 甜高粱的植物修复效率也更高. 分析原因可能在于以下3点：①在甜高粱生育期内, 中性紫泥田Cd活性更高. 虽然种植前黄麻砂泥田土壤酸可提取态Cd含量高于中性紫泥田（表 1）, 但随着甜高粱生育期延长和柠檬酸施用, 中性紫泥田pH值降低幅度更大[图 1（a）]、酸可提取态Cd含量及占比更大（图 2）, 因此中性紫泥田中Cd活性更高, 被甜高粱移除的土壤Cd总量更多[图 2（a）]. 同时, 中性紫泥田中甜高粱BCF和TF值高于黄麻砂泥田（图 4）, 这也表明中性紫泥田更利于本试验甜高粱品种G98发挥其自身对Cd的吸收富集能力, 从土壤中吸收转运更多的Cd. ②柠檬酸对中性紫泥田的酸化效应更强. pH在5~7的土壤, 主要酸缓冲体系为盐基和硅酸盐体系, 对酸化敏感[36], 黄麻砂泥田各处理根际土壤pH均小于5, 所以其受柠檬酸酸化影响效果不大, 此外, 在酸度较高的环境中, 柠檬酸并不对其土壤环境中Cd造成显著影响[37]. 中性紫泥田土壤pH在5~7之间, 酸化更显著, 增大了对土壤Cd的活化能力、甜高粱对Cd的富集能力, 从而种植在中性紫泥田的甜高粱植物修复效率高于黄麻砂泥田. ③黄麻砂泥田黏粒含量低于中性紫泥田, 基于砂土保水性差、营养含量较低等特点, 致使该地的甜高粱在拔节期生长性状及生物量不及中性紫泥田（表 2）, “错失”Cd吸收的高峰期. 不同生育期作物对重金属的累积也不同, 有研究表明, 作物生长营养期对Cd有较强的吸收能力, 比如水稻[38]、黄麻[39]和小麦[40]等. 同时, 分析各生育期甜高粱生物量和Cd含量变化, 甜高粱Cd提取量也呈现先降低后升高趋势, 因此本试验结果表明拔节期为甜高粱Cd吸收的高峰期. 后期笔者将持续开展试验, 通过不同生育期定量施加外源Cd, 并分期采样, 进一步验证这一结果的正确性. 此外, 两地土壤黏粒比例差异显著, 有研究表明, 黏土比砂土对重金属有更强的结合力, 土壤黏粒含量越大对重金属的吸附固定能力越强, 使得重金属的有效性降低[41], 黄麻砂泥田黏粒含量显著低于中性紫泥田, 这是其土壤Cd含量与中性紫泥田相当（表 1）, 但土壤Cd有效性本底值更高的原因.
3.3 富Cd甜高粱秸秆资源化利用途径甜高粱具有茎秆含糖量高、生育期短和能够充分利用边际土地等优点, 是应用前景较广的经济植物之一[42], 本试验甜高粱品种产品明确登记为能源用和非主要农作物品种. 利用甜高粱秸秆发酵生产生物质乙醇工艺研究表明, Cd处理并不会影响茎秆的糖利用率和乙醇转化率[43], 因此, 用于植物修复的富Cd甜高粱秸秆可用于生物质乙醇的生产. 其次, 通过后期对发酵液的重金属脱除, 可实现重金属集中回收；针对后续发酵渣可焚烧发电[44]或生产沼气（甲烷）等清洁能源[45], 进一步实现资源循环利用.
本试验数据表明, 在中性紫泥田种植的甜高粱单位面积产量抽穗期为117.13~120.91 t·hm-2, 成熟期为120.68~131.19 t·hm-2（表 2）, 抽穗期与成熟期鲜重并无显著差距, 但是抽穗期甜高粱茎和叶部的ω（Cd）范围为0.06~0.42 mg·kg-1（图 3）, 低于植物性饲料原料限值1.0 mg·kg-1的要求（GB 13078-2017）, 因此, 也可在甜高粱抽穗期进行刈割处理, 收获甜高粱秸秆用于饲料加工；在黄麻砂泥田, 各处理、各生育期甜高粱茎和叶中的Cd含量均未超过1.0 mg·kg-1, 更可用于饲料加工. 另有研究表明, 与其他植物蛋白饲料相比, 甜高粱的粗蛋白含量较低, 但其他主要营养成分与植物蛋白饲料接近, 因此, 甜高粱可以作为昂贵蛋白饲料的替代品, 降低饲料的经济成本[46], 具有较大的市场应用潜力.
4 结论（1）在两种成土母质土壤上甜高粱种植和柠檬酸施用均降低了土壤pH值, 在中性紫泥田施用柠檬酸降低了甜高粱各生育期土壤pH值0.24~0.72个单位；
（2）在中性紫泥田和黄麻砂泥田上甜高粱种植和柠檬酸施用均降低了土壤Cd总量, 降幅分别为23.8%~52.2%和17.1%~31.8%；甜高粱种植和柠檬酸施用均增大土壤Cd酸可提取态占比, 增幅分别为38.6%~147.7%和4.8%~22.7%；
（3）在中性紫泥田甜高粱茎和叶的ω（Cd）分别为0.25~1.90 mg·kg-1和0.21~0.64 mg·kg-1, 均高于黄麻砂泥田；柠檬酸的施用显著提高了甜高粱各部位Cd含量.
（4）在中性紫泥田施用柠檬酸, 甜高粱成熟期时植株提取Cd的效果最好, 地上部Cd提取量可达47.56 g·hm-2.
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