低镉铅甜玉米品种筛选及在间套种修复污染土壤中的应用

陈铭孙， 李择桂， 林贤柯， 刘 朋， 卫泽斌， 吴启堂

(华南农业大学资源环境学院/土壤环境与废物资源农业利用广东高校重点实验室，广东广州 510642

我国农田土壤重金属污染问题严重[1]，对农产品的安全生产构成了严重威胁[2]，广东省是我国农田土壤重金属污染较严重的区域。张金莲等调查了广东省清远市农田土壤重金属污染情况，结果表明，与广东省土壤背景值相比，农田表层0～20 cm土壤中铅(Pb)、铜(Cu)、镉(Cd)、锌(Zn)、镍(Ni)和铬(Cr)元素含量表现出不同程度的富集。从单项污染指数来看，72.7%的表层土壤样品存在1种或几种重金属超标，以Cd、Cu、Pb和Zn污染为主，其中Cd污染比例最高，其次是Cu，最后是污染比例相当的Pb和Zn[3]。李结雯等对广东省广州市番禺区农田土壤中砷(As)、汞(Hg)、Cu、Zn、Ni、Pb、Cr、Cd等8种重金属的含量进行分析，结果表明，Cd的污染最普遍，其次是Hg[4]。林荣誉等对广东省珠海市基本农田规划区的土壤样品进行测定分析，研究发现有7%的土壤处于中污染状态，53%的土壤处于轻污染状态[5]。

目前，土壤重金属污染的修复途径主要有2种：(1)改变重金属在土壤中的存在形态，使其固定，降低其在环境中的迁移性和生物可利用性，即稳定化；(2)从土壤中去除重金属，使其存留浓度接近或达到背景值，即去( 除) 污化。方法包括客土、固定化、化学淋洗、电动修复、植物修复、微生物修复和动物修复，单独使用1种方法很难获得高效、低耗、低扰动的理想效果，对重金属污染土壤的治理应根据污染场地的实际情况采用最合理的方案[6]。另外，采用抗污染低累积作物品种[7]来减轻农作物可食部分重金属污染，这样能保持农业生产，对人体的危害降至最低，提高农民耕作的积极性，并且具有成本低的优点。目前，国内外正在兴起研究热潮，联合修复技术是目前的研究热点之一。其中，Wu等研究施加配制混合淋洗剂(mix chelant，MC)[柠檬酸 ∶味精废液 ∶乙二胺四乙酸(ethylenediaminetetraacetic acid，EDTA) ∶氯化钾(KCl)浓度比=10 ∶1 ∶2 ∶3.5]对东南景天与玉米套种两者吸收重金属的影响，结果表明，该方法能够提高东南景天对重金属的富集，而且低累积作物茎叶也可用作饲料[8]。卫泽斌等在植物套种和螯合剂施用对重金属污染土壤的长期修复效果以及对地下水可能的环境风险试验中发现，东南景天与玉米的套种适合于春夏季进行，施加螯合剂可以促进重金属向下层土迁移，渗滤液重金属含量会提高，但未明显超过地下水Ⅲ级标准[9]。本试验针对7个甜玉米品种，并和1个低Cd饲料玉米品种进行对比，开展试验研究，探讨其对Cd和Pb元素积累能力的差异，筛选出低Cd、Pb甜玉米品种，从而降低玉米重金属含量超标的风险，在饲料玉米的基础上提高玉米种植效益，并将筛选出的甜玉米品种应用于与东南景天的间套种修复污染土壤中，验证筛选出的品种应用效果。

1 材料与方法

1.1 供试土壤和植物

玉米品种筛选田间试验选址为广东省韶关市某地，属中亚热带季风气候，平均气温20.4 ℃，年降水量1 778 mm，无霜期312 d。试验田污染来源为多金属矿矿山废水污染河流，多年灌溉污染河水污染农田。8种玉米种子和东南景天苗均采自浙江衢州某古老铅锌矿渗滤池，试验土壤来自乐昌某铅锌矿污染的农田，土壤基本理化性质详见表1。

表1 2种试验土壤的基本理化性质

1.2 供试试剂与仪器

试剂：硝酸、氢氟酸、高氯酸、盐酸(优级纯，购于广州化学试剂厂)、KOH(购于广东省广州市东圃化工园)，Ca(OH)2(购于湖南省翁源县某石灰石厂)。

主要仪器：火焰原子吸收光谱仪(日本日立Z-2300型)，石墨炉原子光谱仪(日本日立Z-2700型)，自动定氮仪(上海纤检仪器有限公司KDN-103F)，消化炉(上海精宏实验设备有限公司HYP-1040)，pH计(上海精科仪器有限公司雷磁PHS-3C)。

1.3 试验设计

品种筛选试验地总面积110 m2，试验时间为2015年4—7月。设置3个区组(3个重复)、8个处理(品种)，共24个小区，每个小区面积2 m2，8个处理(品种)在区组内随机排列。玉米种子共8个品种，其中甜玉米品种7个，SMP1260、SMHTN、CN6号、SSXM、JZY、FM、HZ，笔者所在课题组已筛选出的低累积饲料玉米品种1个，云石-5号。玉米4月底播种，每个小区定植10株，7月初收获。

渗滤池试验时间为2015年11月至2016年6月，由于CN6品种春夏季种植产量低，渗滤池试验玉米品种采用JZY，均与东南景天套种，再分3个处理：处理1，FeCl3淋洗，处理2，混合螯合剂(MC)淋洗以及对照组(不作淋洗处理)，每一块面积是0.9 m×0.9 m，每个处理设3个重复，随机排列。11月先种植超富集植物东南景天，每个小区均匀种植100株大小相近的东南景天苗，3月每个小区种植6株玉米，5月收获东南景天，6月收获玉米，灌溉水为自然降水和自来水。

每个月施复合肥1次，每小区10 g，玉米成熟前1个月喷洒杀虫剂除虫。

1.4 样品收集与处理方法

样品采集：种植玉米前采集起始土壤样品，玉米收获前1个月收获东南景天，玉米收获时采集土壤样品及玉米籽粒、茎叶植物样品，东南景天。土壤样品用土钻分别采集0～20、20～40 cm 2个土层。

样品处理：土壤样品采集后置于通风阴凉处风干，过20、100目尼龙筛，储存于封口袋中待测。玉米茎叶采集后用自来水清洗泥土，再用双蒸水润洗，晾干，玉米棒脱粒，放入大信封中置于烘箱内105 ℃杀青30 min，65 ℃烘干至恒质量，用高速粉碎机粉碎，储存于封口袋中待测。收获的东南景天用自来水冲洗干净，再用双蒸水漂洗3次，晾干，置于信封中烘干，粉碎贮存于封口袋中备测。

1.5 测定方法

土壤理化性质指标的分析方法参照鲁如坤的方法[10]进行，土壤和植物重金属分析方法采用国家标准方法[11]。

1.6 数据处理

数据处理用Excel软件，显著性分析SAS 8.0。

2 结果与分析

2.1 玉米产量

如表2所示，玉米的品种不同，其产量存在较大差异，玉米籽粒产量由大到小顺序为CN6号>HZ>云石-5号>JZY>HTN>FM>SMP1260>SSXM。JZY、CN6号、HZ籽粒产量超过或者接近饲料玉米云石-5号籽粒产量，可将上述3个品种定为高产品种，其中CN6号产量达到0.299 kg/m2。茎叶产量由大到小顺序为SMP1260>JZY>FM>HZ>HTN>CN6号>云石-5号>SSXM。SSXM由于气候等原因，其籽粒、茎叶产量最低，不适于在广东地区种植。

表2 玉米籽粒和茎叶产量

注：同列数据后不同小写字母表示品种间差异显著(P<0.05)，下同。

2.2 品种筛选试验玉米重金属含量

分析各玉米品种籽粒Cd、Pb、Cu和Zn含量，结果如表3所示，玉米籽粒重金属含量品种间差异较大，其中SMP1260、HTN、JZY、CN6号、HZ、云石-5号籽粒Cd含量低于食品卫生标准(0.1 mg/kg)，SSXM、FM籽粒Cd含量略高于食品卫生标准，分别是食品卫生标准的1.11、1.23倍，籽粒Cd含量由小到大顺序为CN6号<云石-5号

如表4所示，8个品种玉米茎叶Cd、Pb含量符合有机肥重金属卫生标准，生产出的玉米茎叶均可用于制作有机肥。茎叶Cd含量由小到大顺序为CN6号<云石-5号

表3 不同玉米品种籽粒重金属含量

表4 不同玉米品种茎叶重金属含量

2.3 各品种玉米富集系数

表5显示，玉米种植前后土壤重金属浓度变化不大。根据生物富集系数公式：BCF=Cp/Cs，结合表3、表4、表5中玉米籽粒、茎叶重金属含量计算得出各品种玉米富集系数，结果如表6所示。从籽粒富集系数看，8个品种籽粒Cd富集系数均<1，尤其是籽粒Pb富集系数远小于1，茎叶Pb富集系数也<1，茎叶Cd富集系数除SSXM、FM 2个品种>1，其余品种均<1，说明籽粒对重金属不富集，茎叶只有SSXM、FM 2个品种对Cd体现出富集。

2.4 套种试验玉米产量和重金属含量

选定JZY为应用品种，其因为重金属含量符合食品卫生标准，而且产量较好。分析各处理之下玉米籽粒Cd、Pb、Cu和Zn含量，结果如下表7所示，其中籽粒Cd含量均低于食品卫生标准(0.1 mg/kg)，三个处理籽粒Cd含量非常接近，并没显著差异。籽粒Pb含量检测浓度低于食品卫生标准(0.2 mg/kg)。

各处理之下玉米茎叶Cd、Pb、Cu和Zn含量，结果如下表8所示，生产出的玉米茎叶均可用于制作有机肥。各处理重金属含量并没有明显差异。茎叶重金属Cd含量符合饲料卫生标准(1 mg/kg)，茎叶重金属Pb含量符合饲料卫生标准(5 mg/kg)，可以用于动物饲料生产。

各处理之下玉米籽粒和茎叶产量如表9所示，未淋洗+套种处理的籽粒产量最高，FeCl3淋洗+套种处理的籽粒产量最低与其他处理产量有明显差异。MC淋洗+套种的茎叶产量最高，达1.256 kg/m2，且各处理没有显著性差异。

2.5 东南景天产量和重金属提取量

各处理东南景天重金属含量和产量如表10所示，Cd和Pb含量没有显著性差异，东南景天对Cu和Pb基本不富集，对Cd和Zn具有富集作用，只有套种处理的东南景天Zn含量高达6 154 mg/kg，是MC淋洗+套种处理东南景天Zn含量的22.3倍。东南景天的产量有显著性差异，其中只有套种处理的东南景天产量最高，是MC淋洗+套种处理产量的 4.98 倍。

东南景天提取量如表11所示，由于产量的关系，各处理东南景天对每种重金属的提取量都有显著性差异，未淋洗+套种处理东南景天对Cd提取量为14.65 mg/m2，提取率为2.74%，分别是FeCl3+套种处理、MC+套种处理的1.95、6.85倍。未淋洗+套种处理东南景天对Zn提取量高达 2 719 mg/m2，分别是FeCl3+套种处理，MC+套种处理的2.22、9.22倍。

表5 玉米种植前后表层土壤重金属含量

表6 各品种玉米富集系数

2.6 套种试验土壤重金属变化

渗滤池各处理土壤重金属含量如表12所示。各处理过后土壤4种重金属含量都有不同程度下降，其中Cd含量下降最明显，未淋洗+套种处理和FeCl3淋洗+套种处理Cd含量分别下降10.4%、15.1%，MC淋洗+套种Cd、Pb含量下降最多，分别下降23.6%、22.5%。

表7 套种试验的玉米籽粒重金属含量

表8 套种试验玉米茎叶重金属含量

表9 套种试验玉米产量

3 讨论与结论

不同品种的Cd、Pb含量存在差异，说明筛选低Cd、Pb甜玉米品种是可行的， 由于气候不同， 玉米产量之间也存在差异，有些品种不适合于当地的气候水土条件，淋洗剂对土壤中Cd、Pb的淋洗效果比较明显，对东南景天的产量和玉米的产量也有一定的影响，对于施加螯合剂可能产生的地下水污染风险，可以通过在深层土壤添加固定剂有效固定表层淋滤下来的重金属。MC淋洗过后的土壤抑制植物生长，导致生物量偏低，土壤有些板结。MC淋洗效果对土壤重金属效果较好，主要是因为MC的施加促进了土壤重金属的淋滤，导致表层土壤Zn和Cd含量最低，表层淋滤出的重金属向下层迁移，套种+MC处理的下层土壤的重金属明显增加。东南景天不是Pb超富集植物，植物对土壤Pb提取量贡献较小，主要依赖MC淋洗剂对Pb的淋滤，因此未施加MC处理的土壤Pb

表10 东南景天的重金属含量和产量

表11 东南景天的提取量

表12 渗滤池各处理土壤重金属含量

含量没有明显降低。

许多研究表明，只要选择合适的重金属低积累玉米品种，受重金属污染的田地也能生产出安全的产品[12-13]。甜玉米的经济价值较高， 能够带动农民生产的积极性。本研究通过对8个玉米品种的试验研究再一次表明，通过品种筛选，也能找到合适的符合食用卫生标准且产量较好的重金属低累积甜玉米品种。

在品种筛选结果中，SMP1260、HTN、JZY、CN6号、HZ、云石-5号籽粒Cd含量低于食品卫生标准(0.1 mg/kg)，SSXM、FM Cd含量略高于食品卫生标准，分别是食品卫生标准的1.11、1.23倍，籽粒Pb含量检测结果均不超过食品卫生标准(0.2 mg/kg)，SSXM、FM 2个品种茎叶Cd含量超过饲料卫生标准(1 mg/kg)，分别是饲料卫生标准的1.56、1.98倍，其余品种Cd含量符合饲料卫生标准。茎叶Pb含量由小到大顺序为云石-5号