高中超,孙 磊,王丽华,杜春影,张利国,张久明,王 伟,谷 维
(1黑龙江省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所,哈尔滨 150086;2黑龙江省农业科学院,哈尔滨 150086;3黑龙江省大庆市萨尔图区农业局,黑龙江 大庆 163000)
由于受到工业排放三废、农田施肥、农药使用、生活污水、养殖业排污等影响,环境土壤中重金属含量逐渐增加。中国农田土壤遭受重金属污染的面积达90.72万hm2,被重金属污染的粮食每年达到1200万t[1]。耕地土壤受到重金属污染日益严重,重金属污染物在土壤中移动性差、滞留时间长、不能被微生物降解,对土壤的危害是长期的、紧迫的,急需修复,其修复难度非常大[2-4]。遏制土壤污染、维护土壤健康已成为当前社会所关注的焦点[5]。重金属污染的土壤,不但影响作物的生长发育,而且影响粮食的品质,如土壤中镉浓度越高,稻米中粗蛋白、粗淀粉和赖氨酸含量越低[6],镉降低了稻米的食味品质[7],消减重金属的污染是保证今后农业可持续发展的关键。土壤重金属污染的修复通常采用物理、化学方法,如土壤置换法、稀释法、淋洗法及电化学法等[8-10],修复效果虽好,但成本高,代价大,易造成二次污染,更不适于农业大面积生产。美国科学家Chaney提出了利用能够富集重金属的植物来清除土壤重金属污染,重点在于找到合适的超富集植物,超积累重金属植物与其他作物相比生长速度缓慢且生物量小,实际吸收的重金属绝对量少[11],对重金属具有强抗逆性、生物量又高且效益又好,而大麻恰恰被证实是能够高效修复土壤重金属污染的能源植物[12-15],多数用于矿区重金属污染土壤的治理,成本低,效果佳,但种植大麻修复污染土壤中Cd2+含量阈值上限在相关的文献未见报道。笔者研究不同含量的Cd2+对大麻、大豆幼苗的生育影响,了解大麻在重金属胁迫条件下的生长极限值,明确黑土中镉含量对大麻生长的安全阈值,以期为修复重金属污染土壤的环境治理和生态恢复提供科学参考。
供试土壤为黑土,采自黑龙江省科技园区麦茬田土壤,取耕层0~20 cm的表层土,经自然风干后,混合均匀,过4 mm筛,室温保存备用。供试土壤全氮2.35 g/kg、全磷 1.69 g/kg、全钾 19.34 g/kg、速效氮135.8 mg/kg、速效磷119.8 mg/kg、速效钾236.9 mg/kg、有机质34.5 g/kg、pH 6.5、镉含量0.17 mg/kg。
大麻‘龙大麻5号’、大豆‘黑农84’。
设置盆栽试验,所用重金属为氯化镉,在土壤中按重金属的含量共设定5个梯度:T0,原始含量,对照;T1,镉含量为土壤风险筛选值;T2,镉含量为土壤风险管控值;T3,镉含量为土壤风险管控值的10倍;T4,镉含量为土壤风险管控值的50倍(表1)。
表1 农用地土壤风险管控标准
称取根尖样品0.2 g,放入含有5 mL磷酸缓冲液的试管中,加入0.4%TTC溶液5 mL,把根充分浸泡在溶液内,在37℃下暗保温1~3 h,然后加入1 mol/L硫酸2 mL以停止反应(与此同时做一空白试验,先加硫酸,再加根样品,其他操作同上)。把根取出,吸干水分后与乙酸乙酯3~4 mL和少量石英砂一起在研钵内磨碎,以提取甲月替。红色提取液移入试管,并用少量乙酸乙酯把残渣洗涤2~3次,皆移入试管,最后加乙酸乙酯使总量为10 mL,用分光光度计在波长485 nm下比色,以空白试验作参比测出吸光度,查标准曲线,即可求出四氮唑还原量[16]。
采用Excel 2017作图、DPS进行数据分析。
发芽率是指作物拱出土后,2片子叶完全展开时种子出土数量。差异系数代表2种作物耐重金属的能力,其值越大,差异越明显。土壤中不同含量的Cd2+对大麻、大豆出苗率影响如图1所示,低含量Cd2+对作物的出苗率略有促进,但差异不显著(表2);随着重金属Cd2+的含量加大,作物生长受到不同程度的抑制,当土壤中Cd2+的浓度≥2.0 mg/kg,出苗率降低明显,差异显著;T2处理的大麻出苗率为83.3%,比T0(对照)降低5.6个百分点,差异显著;T3处理的大麻出苗率为35.6%,与其他各处理差异达到极显著;T4处理出苗率为零,此时土壤中Cd2+的含量完全抑制大麻生长。土壤中的Cd2+对大豆出苗抑制比大麻更为明显,T2处理大豆出苗率为66.7%,与T0对照相比,出苗率降低18.3个百分点,差异达到极显著水平。相同条件下,出苗差异系数反映2种作物对重金属Cd2+耐受能力,当Cd2+≤0.6 mg/kg大豆与大麻出苗率比值接近于1,差异不明显;当Cd2+≥20 mg/kg时差异系数接接于1.3,表明大麻幼苗耐重金属的能力强于大豆。从出苗率差异角度,土壤中重金属的浓度低于2.0 mg/kg为大麻和大豆出苗的安全临界值。
图1 不同含量Cd2+对大麻和大豆出苗率的影响
表2 不同含量Cd2+对作物出苗率的影响差异显著分析(LSD法)
土壤中重金属不但影响作物的出苗率,还影响大麻、大豆的生长,对株高的影响如表3所示。株高抑制指数越小,说明对作物的株高抑制率越大,受抑制越明显。T1处理土壤中的Cd2+对大麻有轻微促进作用,随着浓度的增加,株高生长愈加缓慢,大豆表现更为明显;T3处理的Cd2+含量已影响到作物的株高生长,与对照相比,差异达到极显著;T4处理株高抑制指数为零,此时土壤中Cd2+的含量超过种子的耐受极限,不能种植大麻或大豆。
表3 不同Cd2+含量的处理对作物株高影响
根系是作物吸收水分和矿质营养的主要器官,促进地上部分干物质的积累,对植株的生长发育有极其重要的作用[11]。土壤中不同含量的氯化镉对作物根系活力的影响如图2所示,作物的根系活力随着土壤中Cd2+含量增加而减弱,当土壤中Cd2+含量超过农业土壤风险管控值时,根系活力急剧下降,其中大豆根系活力较大麻根系活力下降更为剧烈。T2处理大麻、大豆的根系活力分别为 31.8、30.75 mg/(g·h),比 T0降低5.8%、8.9%;T4处理时Cd2+含量为100 mg/kg,此时的大豆根系活力为0,随着时间的延长而导致种子发霉,而大麻根系具有微弱的活力,其值为7.5 mg/(g·h),比T0(大麻)降低77.8%,其动力不足以支持大麻子叶拱出土层(图3)。
图2 土壤中不同含量Cd2+对作物根系的影响
土壤中不同含量的氯化镉对作物生长发育产生的影响,最终影响到大麻、大豆干物质的积累。从表4得出,随着重金属含量的增加,大麻干物质积累量表现为先升高后降低,T3处理的镉含量为20 mg/kg,土壤中的Cd2+抑制大麻的生育,不利于干物质的积累,与T0相比差异显著。大豆随着Cd2+浓度的增加,干物质积累受到抑制更为明显,T2处理的Cd2+含量对大豆生长抑制与T0相比差异显著;当镉含量达到10倍管控值时,与T0相比差异达到极显著;T4处理下2种作物的地上干物质的积累为零,地下部分有一定的生命力,大麻蜷缩在土壤里,有部分根系,但其供给能量达不到拱出土层的能力(图3),而大豆未能发芽,根系接近于零,不出苗。
图3 土壤中不同含量的氯化镉对大麻生长的影响
表4 不同浓度的氯化镉对作物苗期干物质积累的影响
耕地土壤中重金属含量超过GB 15618—2018,对农产品质量安全、农作物生长或土壤生态环境产生风险,为了更精准撑握大麻、大豆对污染土壤中重金属Cd2+的耐受能力,通过盆栽试验,设置不同含量的氯化镉,研究土壤中镉离子不同浓度对作物幼苗生长的影响,明确大麻在黑土上种植,土壤中Cd2+的安全阈值。土壤中Cd2+浓度≤0.6 mg/kg,对大麻生长有利,其株高、根系活力及干物质积累都有所增加,但差异不显著;当土壤中Cd2+含量达到土壤风险管控值即2 mg/kg时,对大麻出苗率、株高及干物质的积累影响较小,差异不明显,但对大豆影响较大,各项指标差异达显著;Cd2+≥2 mg/kg大麻根系活力下降明显,相同含量的Cd2+对大豆的影响更大;当土壤中重金属浓度达到20 mg/kg,对大麻、大豆影响较大,生育指标变劣,差异显著,而对大豆各项指标影响差异达到极显著;土壤中Cd2+浓度达到100 mg/kg不能种植大麻、大豆。
本研究主要从作物苗期表观形态特征上进行浅显的判断,要想真正了解重金属对大麻的影响,还要从植株的生育、生理及品质等指标上差异分析。虽然低含量的重金属对大麻长势或产量无影响,但是否影响到作物品质,还要通过定量分析进一步求证。大麻修复重金属污染的治理过程具有原位性,治理成本低廉,但缺乏对富集金属植物的回收利用技术。大麻是药材、食品加工和化妆品原料等,具有较好的效益,种植者眼前更注重大麻的市场价值,忽视它对生态环境的影响,特别是大麻光合呼吸产物对环境的影响,今后应更加深入的研究。大麻对重金属有较强的抗性和富集能力,一定要注意植株体内重金属安全阈值,考虑会不会因为富集重金属过多影响到动植物健康。重金属对大麻影响机理、机制的研究仍需进一步深入。