麻類作物在重金屬污染耕地修復(fù)中的應(yīng)用研究進展

郝冬梅，邱財生，龍松華，郭媛，王慧，王玉富

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所，湖南長沙410205）

我國原環(huán)境保護部和國土資源部于2014年4月17日聯(lián)合發(fā)布《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》，公告顯示，全國土壤總的點位超標率為16.1&，其中耕地、林地、草地的土壤點位超標率分別為19.4&、10.0&、10.4&，無機污染物超標點位數(shù)占全部超標點位的82.8&。從不同種類的污染物情況看，重金屬類鎘（Cd）、汞（Hg）、砷（As）、銅（Cu）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、鋅（Zn）、鎳（Ni）8種無機污染物點位超標率分別為7.0&、1.6&、2.7&、2.1&、1.5&、1.1&、0.9&、4.8&；六六六、滴滴涕、多環(huán)芳烴3類有機污染物點位超標率分別為0.5&、1.9&、1.4&。2015年6月發(fā)布《中國耕地地球化學(xué)報告》，報告顯示，污染或超標耕地面積總計759.1萬公頃，占調(diào)查耕地面積的8.22&，主要分布在湘鄂皖贛區(qū)、閩粵瓊區(qū)和西南區(qū)。隨著我國城市化、工業(yè)化進程的加快，重金屬對農(nóng)業(yè)產(chǎn)地環(huán)境乃至農(nóng)產(chǎn)品安全構(gòu)成了嚴重威脅［1］。目前國家及各省政府對耕地污染問題十分重視，投入了大量的財力、人力、物力進行修復(fù)治理工作。

目前常用的重金屬污染耕地修復(fù)方法主要有生物修復(fù)、物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)，與物理及化學(xué)修復(fù)技術(shù)相比，生物修復(fù)技術(shù)尤其是植物修復(fù)具有簡便、成本低、安全等優(yōu)點，故采用該技術(shù)的研究與應(yīng)用相對較多，將成為未來污染土壤修復(fù)技術(shù)的發(fā)展趨勢［2］。植物修復(fù)對于重金屬輕度污染耕地的修復(fù)效果較好，是我國乃至世界上應(yīng)用最廣泛的一種方法。國內(nèi)發(fā)現(xiàn)的超富集植物有20多種，但真正大面積應(yīng)用的并不多。本文旨在對麻類作物對重金屬污染土壤的修復(fù)作用進行研究，以期對該技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用起到一定的促進作用。

1 植物修復(fù)

植物修復(fù)是利用植物來吸收、轉(zhuǎn)移、提取土壤中的重金屬、有機物等污染物的方法，使土壤中的污染物含量逐步降低，并達到不影響農(nóng)產(chǎn)品安全的水平。根據(jù)植物修復(fù)的方法與機理，可以將植物修復(fù)分為植物穩(wěn)定、植物轉(zhuǎn)化、植物提取和植物揮發(fā)4種類型［3］。其中，研究與應(yīng)用較多的是植物提取，即通過植物對重金屬的吸收達到去除的目的。在美國、新西蘭等國家已經(jīng)報道的超積累植物有700種。

至2010年，國內(nèi)發(fā)現(xiàn)Cd超富集植物已達20余種，主要有東南景天、寶山瑾菜、龍葵、三葉鬼針草、龍共葵、球果蔊菜、小飛蓬、商陸、水蔥、楊桃等［4］。這些超富集植物對重金屬吸收能力強，富集系數(shù)高，對污染耕地具有良好的修復(fù)效果。但是，超富集植物中大多數(shù)為野生植物，未經(jīng)過馴化或馴化時間較短，適應(yīng)性比較差，生物質(zhì)產(chǎn)量低、生長慢，且經(jīng)濟價值比較低或無經(jīng)濟價值，種植技術(shù)也不成熟，不容易推廣。而利用非食用作物的種植進行重金屬污染耕地的修復(fù)是比較理想的邊利用邊修復(fù)的方法。

麻類作物是我國最古老的一類作物，主要包括大麻、苧麻、黃麻、亞麻、紅麻、劍麻、青麻等，同時麻類產(chǎn)業(yè)潛力巨大。麻類作物生物質(zhì)產(chǎn)量高，抗逆性強，種植技術(shù)簡便，其主要產(chǎn)品纖維不用于食品，具有一定的經(jīng)濟價值。

國內(nèi)外重金屬污染耕地的治理研究主要集中在重金屬對麻類作物生長的影響、麻類作物對重金屬的吸收能力、重金屬在植株體內(nèi)的分布、重金屬脅迫下植株的生理變化等方面。

2 重金屬對麻類作物生長的影響

麻類作物對重金屬都具有較好的耐受性，如亞麻在低濃度重金屬環(huán)境下，其生長一般不會受到影響。不同亞麻品種及種質(zhì)資源對Cd的耐受性存在較大差異，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所育成的中亞麻1號在Cd濃度為25 mg／kg的土壤中可以正常生長。Marie Bjelkováa等［5］利用6個纖用和4個油用類型的亞麻品種進行試驗，發(fā)現(xiàn)在含Cd 10～1000 mg／kg的土壤中，亞麻植株均能正常生長。

大麻亦如此，當(dāng)土壤中Cd濃度小于25 mg／kg時，Cd對大麻的生長有一定程度的促進作用［6］。當(dāng)土壤中的Cd、Cr和Ni的濃度分別為82、139、115μg／g時，對大麻的生長以及形態(tài)沒有顯著影響［7］。當(dāng)重金屬濃度增加時，大麻吸收重金屬的量也增加，但對其產(chǎn)量和品質(zhì)無明顯影響［8］。因此可以認為，大麻種植在重金屬污染耕地中，其生長發(fā)育受影響很小或不受影響［9-11］。

苧麻在濃度為153mg／kg的Cd處理下，有葉片變黃、黑斑等不良癥狀，生長發(fā)育也會受到明顯抑制，但是仍能完成其正常的生長周期，表明苧麻對Cd脅迫具有良好的耐性［12］。曹德菊等［13］對苧麻的Cd耐受性以及積累效應(yīng)進行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)土壤中Cd的含量為50～200 mg／kg時苧麻植株生長良好，并對其生長有一定的促進作用；當(dāng)土壤中Cd的含量為300mg／kg時，苧麻植株則出現(xiàn)受害現(xiàn)象，表現(xiàn)為近根部變褐、腐爛、空心等癥狀；當(dāng)土壤中Cd含量提高到1200 mg／kg以上時，苧麻植株死亡。

紅麻對重金屬耐受性比較高，低濃度的重金屬對紅麻的生長具有刺激作用，使其產(chǎn)量有一定的提高。Salim等［14］研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Pb濃度為100 mg／kg時能顯著提高紅麻的產(chǎn)量。龔紫薇等［15］將30個紅麻和黃麻品種種植于取自湖南省郴州市某Pb、Zn尾礦庫的Pb、Zn礦渣（Pb、Zn的含量分別為6267.98、2877.31 mg／kg）中，除其中3個品種全部死亡，2個品種存活率低于50&外，其余25個品種（7個黃麻、18個紅麻品種）可以100&存活。

在劍麻營養(yǎng)液中加入Pb（NO3）2，當(dāng)Pb的處理濃度低于1300 mg／kg時，Pb濃度的增加對劍麻生長影響較小，劍麻可在Pb濃度5100 mg／kg左右的條件下正常生長，這在實際Pb污染土壤修復(fù)中，既能滿足經(jīng)濟需要，又能達到污染土壤修復(fù)的目的。當(dāng)加入濃度達到15900 mg／kg時，其生物量僅為對照的6.7&，顯著抑制劍麻的生長［16］。

從以上的研究結(jié)果可以看出，麻類作物對土壤中的重金屬耐受性很強，且麻類植株本身對重金屬會產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)，從而降低重金屬對其造成的影響。故可認為在一定程度重金屬污染耕地種植麻類作物都可以正常生長。

3 麻類作物對重金屬的吸收能力

Carlson等［17］在每公頃含有112～224 t下水道污泥的土壤中種植紅麻，發(fā)現(xiàn)紅麻莖中積累了大量的 Fe、Zn、Mn、Cu、Pb、Cr、Cd、Hg等重金屬元素，表明紅麻可以用于重金屬污染的治理。栗原宏幸等［18］連續(xù)3年將紅麻種植在日本西南地區(qū)的Cd污染農(nóng)田中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)土壤中的Cd含量以每年347 g／hm2的速度降低，說明紅麻對Cd污染土壤具有明顯的修復(fù)作用，并認為植物修復(fù)比其它方法更安全。Babatunde等［19］進行Pb脅迫試驗，結(jié)果顯示紅麻對去除土壤中的Pb污染非常有效。按基質(zhì)重7 g／kg的Pb（NO3）2，不同品種紅麻的株高會降低20～60 cm左右［20］。

在同樣Cd濃度下種植亞麻、玉米及向日葵，亞麻莖桿中的Cd含量比玉米和向日葵中的Cd高3～5倍，主要原因可能是亞麻生長較慢，同時亞麻根對Cd的吸收能力和轉(zhuǎn)移能力較強［21］。Moraghan等［22］研究結(jié)果顯示亞麻對Cd的富集系數(shù)大于1。Douchiche O.等［23］在沙質(zhì)基質(zhì)中含Cd 11.24 mg／kg的條件下種植亞麻Hermes，生長時間為4個月，然后將其分成3段莖和根，結(jié)果根和基部莖的Cd含量最高，干物質(zhì)中的Cd含量分別為750、360 mg／kg，亞麻莖的Cd富集系數(shù)達到了13.3，遠超過超富集植物對Cd的富集標準。

研究［24］表明，土壤中Hg含量在5～130 mg／kg范圍內(nèi)時，對苧麻產(chǎn)量和品質(zhì)仍未造成顯著影響，水稻田改種苧麻后，土壤Hg的年凈化率高達41&，土壤的自凈恢復(fù)年限比種植水稻縮短8.5倍，表明改種苧麻是Hg污染稻田合理利用的有效途徑。

Cd脅迫下，黃麻地上部和地下部富集系數(shù)均大于1，各處理遷移系數(shù)在0.85～1.65之間，表明黃麻對Cd有較強的富集和轉(zhuǎn)運能力［25］。Cd濃度為5～10 mg／kg時，Cd提取率超過1.9&，因此，黃麻是一種潛在的修復(fù)輕、中度土壤Cd污染的植物材料［25］。

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所試驗表明，在土壤中Cd含量為5 mg／kg時，大麻莖的富集系數(shù)平均在2以上，莖下部的最高富集系數(shù)達到11；根的富集系數(shù)平均在5以上，最高達到22.4。

上述試驗結(jié)果表明，麻類作物對不同種類的重金屬都具有很好的吸收能力，可以作為重金屬污染耕地的理想作物進行利用。

4 重金屬在麻類作物植株體內(nèi)的分布

不同的重金屬元素在麻類植株體內(nèi)的分布情況不同，不同的麻類作物品種植株體內(nèi)，不同的重金屬分布也不盡相同。栗原宏幸等［18］的研究認為紅麻葉中重金屬 Cd的含量最高，達52.3 mg／kg，其次是紅麻的莖、根、果實，紅麻植株平均 Cd含量為9.6～14.4 mg／kg。陳軍等［26］研究了不同紅麻、黃麻品種植株中重金屬的積累和分布，結(jié)果顯示，紅麻、黃麻不同器官中Zn的分布較均勻，Cd和As的分布情況為：根＞葉（籽粒）＞莖稈；Pb的分布情況為：根＞莖稈＞葉（籽粒），在土壤重金屬脅迫下耐受性較好的黃麻、紅麻品種有黃麻09-2、09-3、09-5和紅麻09-1、09-3、09-5。Ho等［27］的研究顯示，Pb在紅麻的根、莖、蒴果等器官中均有分布，但是葉里沒有；有機肥料可以促進紅麻對Pb的吸收，85&的Pb分布在紅麻的根中，且以植物細胞的細胞壁中為主。

林匡飛等［28］通過盆栽和微區(qū)試驗發(fā)現(xiàn)，苧麻植株各部位Cd含量表現(xiàn)為根＞莖葉＞籽實，而莖葉中Cd含量大小順序為麻殼＞麻骨＞原麻，其中原麻和精干麻中Cd含量極低。根據(jù)大麻不同器官的生物量分布計算，總體看重金屬在大麻體內(nèi)的分布是：根＞莖＞葉＞種子，其中：Zn：根＞葉 ＞莖；Cu：葉 ＞根 ＞莖；Ni：根 ＞葉 ＞莖［29］。MarieBjelkováa等［5］認為，亞麻植株對重金屬的富集能力為：根＞莖＞葉＞籽。

從以上試驗結(jié)果可以看出，麻類作物對重金屬的吸收在體內(nèi)的分布由下到上呈逐漸遞減的趨勢，因此，重金屬污染土地上生產(chǎn)的麻類植株體以及種子可以分段分類利用。從原麻和精干麻中Cd含量來看，重金屬污染耕地上種植的麻類作物是可以利用的。在利用麻類作物進行重金屬污染耕地修復(fù)時，在收獲有經(jīng)濟價值的地上部分的同時，最好將作物的根部移除，以提高修復(fù)效果。

5 重金屬脅迫下植株的生理變化

Li等［30］研究認為不同的紅麻品種對Cd的耐受能力不同，福紅991對Cd的耐性高于ZM412；在Cd脅迫下，紅麻葉中的過氧化氫酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）的活性與對照相比有波動，福紅991中的谷胱甘肽還原酶活性明顯增強，根中的SOD、POD和CAT活性都高于對照，但是福紅991的POD活性在不同水平的Cd處理中幾乎保持不變。

李正文等［31］研究認為在Cd、Pb脅迫下3個紅麻品種的丙二醛、脯氨酸、POD、SOD等有變化；所有生理指標中以不育系變化最明顯，雜交F1變化最不明顯，表現(xiàn)出了明顯的雜種優(yōu)勢。

Cd脅迫誘導(dǎo)“云麻1號”大麻幼根與葉片中SOD、POD活性呈現(xiàn)先升高后降低趨勢［32］。

亞麻品種Jitka在Cd脅迫下，鐵蛋白、谷氨酰胺合成酶兩種蛋白質(zhì)上調(diào)，認為耐Cd機制是鐵蛋白和小分子的巰基肽與Cd結(jié)合后，使亞麻少受或免受了Cd的毒害［33］。Douchiche等［34］研究認為重金屬引起細胞壁超微結(jié)構(gòu)的變化以及細胞壁外層果膠的重新分配，形成了適應(yīng)重金屬脅迫的應(yīng)答機制。試驗顯示亞麻品種Hermes的幼苗具有耐Cd性［35］。

苧麻在Cd脅迫下有較活躍的生理調(diào)控機制，隨著Cd脅迫時間的延長，根系中的可溶性蛋白含量增加，POD、CAT酶活性降低，但根系活躍吸收面積幾乎不受影響；葉片中的可溶性蛋白含量增加，POD、CAT酶活性則先升高后降低，葉綠素含量增加［36］。

從上述結(jié)果來看，在脅迫下各種酶的活性變化不一致，多數(shù)表現(xiàn)為降低或先升高再降低趨勢?？傊轭愖魑飳χ亟饘俚哪褪苄詸C理已有一些研究，但仍不全面透徹，有待進一步加強。

6 麻類作物在重金屬污染耕地修復(fù)中的應(yīng)用前景

自20世紀80年代起，人們就利用植物進行重金屬污染土壤修復(fù)的研究。大花月見草、蜈蚣草、李氏禾、蔗茅、魚腥草、西芹、黑麥草、早熟禾、籽粒莧等被認為是重金屬的超富集植物［37］，但這些植物的經(jīng)濟價值都較低，利用這些植物進行重金屬污染耕地修復(fù)沒有經(jīng)濟效益，推廣起來有一定難度。

麻類作物在我國種植具有悠久的歷史。在重金屬污染耕地修復(fù)方面，麻類作物與其它超富集植物相比具有明顯優(yōu)勢：首先，麻類作物都具有較好的經(jīng)濟價值，較一些超富集植物更容易推廣種植；其次，麻類作物經(jīng)過長期馴化以及品種選育，使其比超富集植物具有更好的適應(yīng)性；第三，麻類作物耐重金屬能力較強，在一般的重金屬污染環(huán)境下能正常生長，并具有較高的生物產(chǎn)量，如：紅麻每年的生物產(chǎn)量可達20 t／hm2以上，是針葉木材生物質(zhì)產(chǎn)量的3～4倍、CO2吸收率的4倍［38］；第四，麻類產(chǎn)區(qū)的農(nóng)民都有豐富的種麻經(jīng)驗，為實現(xiàn)重金屬污染耕地邊利用邊修復(fù)的戰(zhàn)略打下了良好的技術(shù)基礎(chǔ)；第五，麻類作物種類較多，可以針對不同的生態(tài)、土壤條件選擇不同的麻類作物，如：鹽堿比較重的土壤可以選擇亞麻、紅麻；比較干旱的土壤可以選擇大麻；山坡地可以選擇苧麻；熱帶亞熱帶地區(qū)可以選擇劍麻；南方輕度污染的土地冬季與水稻輪作可以選擇亞麻，實現(xiàn)重金屬輕度污染水稻田的邊修復(fù)邊利用，比較容易積水的地塊可以選擇耐漬性比較好的紅麻等。

麻類作物是優(yōu)良的紡織原料。1990年以來，麻類纖維全球年需求量高達600萬噸，年產(chǎn)量不足470萬噸，缺口100多萬噸。目前我國麻類纖維消耗量為60萬噸，自行生產(chǎn)不足20萬噸，缺口高達60&以上。隨著麻纖維復(fù)合材料、麻類藥用、造紙、建筑材料、食用、飼用、土壤修復(fù)、水土保持、工業(yè)原料、生物能源、生物材料、可降解麻地膜、麻塑產(chǎn)品、麻育秧膜等麻類多功能用途的不斷開發(fā)和21世紀以來人類對麻類服飾健康、環(huán)保特性的關(guān)注，全球?qū)β轭惱w維織物的需求量將迅速增加，所以麻類作物的種植具有很好的前景。同時麻類作物作為重金屬污染耕地修復(fù)的候選作物，具有一般作物以及超富集植物不可比擬的優(yōu)勢，故利用麻類作物進行重金屬污染耕地的修復(fù)是實現(xiàn)麻類生產(chǎn)發(fā)展與耕地可持續(xù)利用的雙贏戰(zhàn)略，具有廣闊前景。