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根据《全国土壤污染状况调查公报》[1]显示,全国土壤环境状况总体较为严峻。全国耕地土壤的点位超标率为19.4%,其中镉(Cd)的点位超标率为7.0%[2-3]。土壤中过量的Cd可以通过土壤转移、积累到作物的可食用部位,并通过食物链进入人体,严重威胁人群健康[4-5]。
2020—2030年是中国农田重金属污染防治的关键时期。在《土壤污染防治行动计划》[6]中,明确将农用地土壤环境质量类别分为3类:优先保护类、安全利用类和严格管控类。安全利用类有2种情况:1)土壤污染超过筛选值,未超管制值,测定种植的农产品超标;2)土壤污染超过管制值,测定农产品不超标。严格管控类也是2种情况:1)土壤污染超过筛选值,未超管制值,测定种植的农产品严重超标;2)土壤污染超过管制值,并且测定农产品超标。按照我国相关政策[7]规定,对于严格管控类耕地,原则上不可以种植可食用农产品。但是,很多受污染农田面积大、污染程度严重,关系到当地村民的生计问题;将所有受污染农田均采用富集植物修复的方式进行治理,不符合当地村民的现实利益。在严格管控类耕地上实现安全利用,具有很强的现实意义。如何将严格管控类耕地变成安全利用类耕地,最主要的突破点就是将污染超标农产品替换成不超标农产品。
目前,针对Cd污染耕地的治理,因地制宜地开展农作物低积累品种筛选可使Cd污染农用地得到安全有效的利用[8]。前人用不同评价指标筛选并研究了一系列Cd低积累型品种,得到了包括水稻[9-10]、玉米[11]、菜心[12]和油菜[13]等对Cd具有低积累特性的品种,筛选出的Cd低积累品种在一定程度上可有效应对Cd污染对农作物安全构成的威胁[14]。但是,仅种植低积累品种不能使土壤中的Cd质量分数大幅减少,土壤污染状况并未改善。为了达到边利用、边修复的效果,种植可食用部分Cd富集能力弱、非食用部分Cd富集能力强的品种是未来治理Cd污染农田土壤的重中之重。
油葵属于菊科向日葵属,为一年生草本植物。它有很强的地域适应性,抗干旱、耐贫瘠、根系发达、产量高和籽粒含油量高等特性,是一种应用前景较广泛的油料作物[15]。杨洋等[16]研究表明,油葵地上部各组织器官对Cd的富集系数(BCF)大于1,且在油葵叶中的Cd质量分数高达41.05 mg·kg−1,富集系数为3.98,表现出了对Cd的超富集能力。ZEHRA等[17]在不同类型Cd污染土壤中筛选了40个向日葵品种,其研究发现华农667在不同类型土壤中均表现出对Cd较高的积累能力。目前的大多数研究都是仅以植物修复的角度研究油葵对Cd污染土壤的修复,选择富集能力强的品种,未考虑可食用油部分的安全性。我国人均耕地面积短缺,停止耕种大面积受污染土地,进行长期的高成本修复不现实。在短时间内,如果无法从土壤中移除Cd,同时又要避免作物中的Cd危害人体,那么必须筛选出可食用油部分低积累、非食用部分(包括油枯、花盘和茎叶)高积累的油葵进行种植。本研究基于田间实验,选取15个不同品种的油葵,研究其可食用油部分与非食用部分对Cd的富集能力;筛选出可食用油部分Cd富集能力弱,非食用部分Cd富集能力强的油葵品种。本研究可为Cd严格管控类耕地的安全利用提供参考。
不同品种油葵在镉严格管控类耕地的安全利用探索
Exploration on safe utilization of different varieties of oil sunflowers in cultivated land with strict cadmium control
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摘要: 为探索油葵在镉(Cd)严格管控类耕地安全利用的可行性,采用田间实验,研究了15个品种油葵的生长效应、各部分Cd富集能力差异,并评估了该油葵所产食用油的安全性。结果表明,油葵对Cd有一定的耐性,不同品种油葵地上部生物量在1 605~5 500 kg·hm−2;油葵中Cd质量分数在非食用部分的分布为茎叶>花盘>油枯;油枯、花盘和茎叶的生物富集系数(BCF)分别在2.07~5.20、7.03~14.87和4.20~11.56,均表现出较大差异。所有品种油葵食用油部分均未超过欧盟食品限量标准中规定的限值(Cd≤0.1 mg·kg−1),并且其富集能力极低。通过对不同品种油葵Cd富集能力的聚类分析、Cd提取量与修复效率的分析,在Cd严格管控类耕地上边利用、边修复较合适的是Y13和Y4品种。所有品种油葵的茎叶、花盘和油枯的Cd质量分数均超过了国家规定的饲料标准(Cd≤1 mg·kg−1)和有机肥料标准(Cd≤3 mg·kg−1),直接还田存在较高风险,需要另外处理。本研究可为Cd严格管控类耕地的安全利用提供参考。Abstract: In order to explore the feasibility of the safe use of oil sunflowers in Cd strictly controlled cultivated land, field experiments were used to study the growth effects of 15 oil sunflower varieties and the difference in Cd accumulation capacity of each part, and to evaluate the safety of edible oil. The results showed that oil sunflowers are tolerant to Cd. The aboveground biomass of different varieties of oil sunflowers is 1605~5500 kg·hm−2, the distribution of Cd content in the non-edible parts of oil sunflowers is: stems and leaves>flower discs>oil cake. The bioconcentration coefficients (BCF) of oil cake, flower discs and stems and leaves are 2.07~5.20, 7.03~14.87 and 4.20~11.56, respectively, showing great differences. The edible oil part of all varieties of oil sunflowers did not exceed the limit specified in the European Union food limit standard (Cd≤0.1 mg·kg−1), and its enrichment capacity is extremely low. Through the cluster analysis of the Cd enrichment capacity of different varieties of oil sunflower, the Cd extraction amount and the remediation efficiency, the Y13 and Y4 varieties are more suitable for use and restoration on the strictly controlled Cd cultivated land. The Cd content of the stems and leaves, flower discs and oil cake of all oil sunflower varieties exceeds Hygienical standard for feeds (Cd≤1 mg·kg−1) and Organic fertilizers (Cd≤3 mg·kg−1), and there is a higher risk of returning directly to the field and requires additional treatment. This study can provide a reference for the safe use in cultivated land with strict cadmium control.
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表 1 不同品种油葵信息
Table 1. Information of different oil sunflower varieties
品种编号 品种名称 品种编号 品种名称 Y1 尚品GW567矮大头 Y9 矮大头667DW Y2 DR667 Y10 矮大头FY928 Y3 XC5118 Y11 矮大头668 Y4 S606 Y12 矮大头FD2918 Y5 FY997 Y13 矮大头1280 Y6 FY998 Y14 矮大头987 Y7 矮大头968 Y15 美国至尊油王 Y8 超级矮大头 表 2 不同品种油葵各部分Cd质量分数与富集系数
Table 2. Cd mass content in different parts of different oil sunflower varieties
油葵品种 Cd质量分数/(mg·kg−1) Cd富集系数 可食用油 油枯 花盘 茎叶 可食用油 油枯 花盘 茎叶 Y1 0.022±0.008b 7.91±0.39a 23.96±1.10a 26.22±1.96a 0.008 5b 2.99d 9.05bc 9.90ab Y2 0.024±0.008b 7.07±0.58ab 19.32±1.74b 21.67±6.55ab 0.010 4b 3.06d 8.36c 9.38ab Y3 0.027±0.008ab 6.26±070b 16.38±4.85bc 25.77±0.44a 0.011 8b 2.76d 7.22c 11.36ab Y4 0.026±0.019ab 5.04±0.37c 12.91±1.75c 15.44±3.01b 0.015 8ab 3.02d 7.73c 9.24ab Y5 0.019±0.004b 5.63±1.86bc 20.12±0.85ab 20.51±0.32ab 0.007 0b 2.07e 7.40c 7.54bc Y6 0.019±0.001b 6.28±1.01b 17.89±1.72bc 9.00±0.47c 0.008 9b 2.94d 8.36c 4.21c Y7 0.016±0.006b 6.09±0.62b 14.39±1.55c 17.25±3.91b 0.007 8b 2.97d 7.02c 8.41b Y8 0.019±0.004b 7.45±0.25ab 17.11±2.15bc 20.13±2.28ab 0.009 6b 3.82bc 8.77c 10.32ab Y9 0.016±0.002b 6.44±0.70b 20.22±3.00ab 23.13±0.94ab 0.007 6b 3.01d 9.45bc 10.81ab Y10 0.027±0.006ab 6.65±0.33b 14.03±1.99c 14.77±6.22b 0.016 0ab 3.89bc 8.20c 8.64ab Y11 0.034±0.008ab 6.48±0.20b 15.60±2.19bc 12.40±1.33bc 0.019 8ab 3.79bc 9.12bc 7.25bc Y12 0.032±0.004ab 6.00±0.53bc 16.21±1.95bc 15.64±3.20b 0.019 5ab 3.64c 9.82bc 9.48ab Y13 0.023±0.006b 6.03±0.54bc 17.25±2.23bc 13.29±3.63bc 0.020 1ab 5.20a 14.87a 11.45ab Y14 0.036±0.015a 6.02±0.76bc 13.98±3.77c 16.24±2.19b 0.020 5a 3.42cd 7.95c 9.23ab Y15 0.019±0.009b 6.05±0.36bc 15.84±0.93bc 16.65±2.73b 0.013 4b 4.20b 11.00b 11.56a 注:用LSD法检验不同品种间差异,同列不同小写字母表示处理间差异显著(p<0.05)。 表 3 不同品种油葵Cd去除率与达到安全水平所需种植年份
Table 3. Cd removal rate of different varieties of oil sunflowers and the planting year required to reach a safe level
油葵品种 Cd提取量/
(kg·hm−2)耕层土壤Cd
质量/(kg·hm−2)Cd去除率 达到安全水平
所需种植时间/aY1 0.071 3.180 2.23% 19.9 Y2 0.073 2.772 2.62% 16.6 Y3 0.079 2.724 2.89% 15.0 Y4 0.072 2.304 3.14% 13.5 Y5 0.061 3.132 1.94% 22.8 Y6 0.030 2.568 1.18% 36.3 Y7 0.036 2.436 1.47% 28.9 Y8 0.040 2.340 1.71% 24.8 Y9 0.066 2.568 2.57% 16.8 Y10 0.030 2.052 1.49% 27.8 Y11 0.020 2.052 1.00% 41.3 Y12 0.036 1.980 1.81% 22.6 Y13 0.035 1.392 2.54% 14.6 Y14 0.038 2.076 1.81% 22.8 Y15 0.046 1.728 2.64% 15.0 -
[1] 生态环境部, 国土资源部. 全国土壤污染调查公报[EB/OL]. [2021-05-15]. http://www.mee.gov.cn/gkml/sthjbgw/qt/201404/W020140417558995804588.pdf. [2] 李小方. 重金属污染农田安全利用: 目标、可选技术与可推广技术[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2020, 28(6): 860-866. [3] 王丽, 和淑娟. 镉污染农用地安全利用技术研究与运用[J]. 环境与可持续发展, 2019, 44(5): 134-137. [4] 欧阳燕莎, 刘爱玉, 李瑞莲. 镉对作物的影响及作物对镉毒害响应研究进展[J]. 作物研究, 2016, 30(1): 105-110. [5] 薛永, 王苑螈, 姚泉洪, 等. 植物对土壤重金属镉抗性的研究进展[J]. 生态环境学报, 2014, 23(3): 528-534. doi: 10.3969/j.issn.1674-5906.2014.03.024 [6] 国务院. 土壤污染防治行动计划[EB/OL]. [2021-05-15]. http://www.gov.cn/zhengce/content/2016-05/31/content_5078377.htm. [7] 生态环境部, 国家市场监督管理总局. 土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行): GB 15618-2018[S]. 北京: 中国环境出版社, 2018. [8] 杜俊杰, 李娜, 吴永宁, 等. 蔬菜对重金属的积累差异及低积累蔬菜的研究进展[J]. 农业环境科学学报, 2019, 38(6): 1193-1201. doi: 10.11654/jaes.2018-1064 [9] 薛涛, 廖晓勇, 王凌青, 等. 镉污染农田不同水稻品种镉积累差异研究[J]. 农业环境科学学报, 2019, 38(8): 1818-1826. doi: 10.11654/jaes.2019-0517 [10] 陈京都, 何理, 林忠成, 等. 不同生育期类型水稻对镉积累的研究[J]. 生态与农村环境学报, 2013, 29(3): 390-393. doi: 10.3969/j.issn.1673-4831.2013.03.021 [11] 郭晓方, 卫泽斌, 丘锦荣, 等. 玉米对重金属累积与转运的品种间差异[J]. 生态与农村环境学报, 2010, 26(4): 367-371. doi: 10.3969/j.issn.1673-4831.2010.04.015 [12] 吕梦婷, 陈雪, 易忠惠, 等. 镉砷低积累菜心品种的筛选[J]. 西南农业学报, 2018, 31(1): 141-148. [13] 赵丽芳, 黄鹏武, 宗玉统, 等. 适于镉铜复合污染农田安全利用的油菜品种筛选[J]. 浙江农业科学, 2019, 60(9): 1614-1616. [14] HUANG Y F, CHEN G F, XIONG L M, et al. Current situation of heavy metal pollution in farmland soil and phytoremediation application[J]. Asian Agricultural Research, 2016, 8(1): 22-24. [15] 王帅, 吕金印, 李鹰翔, 等. 几种油料作物对铬、铅的耐受性与积累研究[J]. 农业环境科学学报, 2012, 31(7): 1310-1316. [16] 杨洋, 陈志鹏, 黎红亮, 等. 两种农业种植模式对重金属土壤的修复潜力[J]. 生态学报, 2016, 36(3): 688-695. [17] ZEHRA A, SAHITO Z A, TONG W B, et al. Identifification of high cadmium-accumulating oilseed sunflower (Helianthus annuus) cultivars for phytoremediation of an Oxisol and an Inceptisol[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2020, 187: 109857. [18] 宋波, 田美玲, 庞瑞, 等. 桂北某铅锌矿影响区土壤和柑橘中重金属含量及柑橘产业再优化研究[J]. 生态与农村环境学报, 2019, 35(10): 1268-1273. [19] 马双进, 南忠仁, 臧飞, 等. 油料作物对重金属污染农田土壤修复的研究进展[J]. 中国农学通报, 2019, 35(36): 80-84. doi: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb18070105 [20] 曾希柏, 徐建明, 黄巧云, 等. 中国农田重金属问题的若干思考[J]. 土壤学报, 2013, 50(1): 186-194. doi: 10.11766/trxb201206300263 [21] 赵本行, 陈康姜, 何楚斌, 等. 大豆作物对污染土壤中重金属镉的富集研究[J]. 天津农业科学, 2013, 19(11): 15-17. doi: 10.3969/j.issn.1006-6500.2013.11.005 [22] 覃志英, 唐振柱, 梁江明, 等. 2002~2004年广西主要农产品铅镉砷汞污染调查分析[J]. 微量元素与健康研究, 2006, 32(4): 29-32. doi: 10.3969/j.issn.1005-5320.2006.04.013 [23] 蔡葵, 于秋华, 赵征宇, 等. 花生不同品种植株重金属As和Hg的富集与转运规律[J]. 中国农学通报, 2010, 26(24): 167-172. [24] 陆晓怡, 何池全. 蓖麻对重金属Cd的耐性与吸收积累研究[J]. 农业环境科学学报, 2005, 24(4): 674-677. [25] 代天飞, 王昌全, 李冰. 油菜各部位对土壤中活性态重金属的累积特征分析[J]. 农业环境科学学报, 2006, 25(增刊2): 471-475. [26] YANG Y, LI H L, PENG L, et al. Assessment of Pb and Cd in seed oils and meals and methodology of their extraction[J]. Food Chemistry, 2016, 197(Pt A): 482-488. [27] 杨学乐, 何录秋, 刘寿明. 不同品种油葵对土壤中镉的富集作用比较研究[J]. 作物研究, 2017, 31(5): 498-502. [28] 陈璘涵, 曾红远, 葛一陈, 等. 2种轮作模式对镉污染土壤修复潜力的比较[J]. 环境工程学报, 2017, 11(6): 3873-3878. [29] 涂鹏飞, 谭可夫, 陈璘涵, 等. 红叶甜菜-花生和油葵-花生轮作修复土壤Cd的能力[J]. 农业资源与环境学报, 2020, 37(4): 609-614. [30] 韩廿, 黄益宗, 魏祥东, 等. 螯合剂对油葵修复镉砷复合污染土壤的影响[J]. 农业环境科学学报, 2019, 38(8): 1891-1900. [31] 李涛, 程红艳, 王效举, 等. 不同肥料不同作物对Cd污染土壤中酶活性及Cd含量的影响[J]. 山西农业大学学报(自然科学版), 2013, 33(6): 467-470. [32] 望子龙. 富集植物体减容过程中枯草芽孢杆菌对铀及伴生重金属的固定机理[D]. 绵阳: 西南科技大学, 2018. [33] 罗琼, 何录秋, 杨文淼. 油葵修复重金属污染农田研究进展[J]. 现代农业科技, 2016(5): 225-226. doi: 10.3969/j.issn.1007-5739.2016.05.130 [34] 吴万宁, 查勇, 王强, 等. 南京地区冬夏季大气重污染个例对比分析[J]. 中国环境科学, 2014, 34(3): 581-587. [35] 丛璟, 闫大海, 李丽, 等. 水泥窑共处置过程中水泥生料对Pb与Cd的吸附/冷凝特性[J]. 环境科学研究, 2015, 28(4): 575-581. [36] 崔敬轩, 闫大海, 李丽, 等. 水泥窑协同处置过程中Pb、Cd的挥发特性[J]. 环境工程学报, 2013, 7(12): 5001-5006.