黃麻修復(fù)重度鎘污染農(nóng)田的品種篩選

尹明，楊大為，唐慧娟，潘根，常麗，李建軍，鄧勇，張翠萍，李德芳，趙立寧，黃思齊

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類(lèi)研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部麻類(lèi)生物學(xué)與加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙410205）

當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，同時(shí)也逐漸暴露出不同程度的環(huán)境問(wèn)題，隨著重金屬產(chǎn)量與使用量的增多，重金屬污染問(wèn)題對(duì)人類(lèi)生活造成了越來(lái)越嚴(yán)重的影響。鎘（Cd）是一種具有極強(qiáng)毒性，且容易被植物吸收的重金屬，其會(huì)通過(guò)根系進(jìn)入植物體內(nèi)，干擾植物光合酶活性，改變細(xì)胞膜通透性等[1]。鎘元素常與其他重金屬元素共同造成復(fù)合污染，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生嚴(yán)重影響，每年糧食產(chǎn)業(yè)都會(huì)因重金屬污染造成極大的經(jīng)濟(jì)損失[2]。重金屬鎘進(jìn)入糧食蔬菜后，會(huì)經(jīng)由農(nóng)產(chǎn)品再進(jìn)入人體，從而威脅人類(lèi)健康[3]。人們?nèi)绻L(zhǎng)期在重金屬污染的地區(qū)居住并且食用該地區(qū)的糧食蔬菜，將會(huì)增大食道癌和肝癌的患病風(fēng)險(xiǎn)[4]。因此，治理土壤鎘污染已經(jīng)成為一項(xiàng)緊迫任務(wù)。

針對(duì)受到重金屬污染的土壤，傳統(tǒng)的修復(fù)方法有物理、化學(xué)等方法，但物理和化學(xué)方法成本較高，并且容易對(duì)土壤結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重?fù)p害，化學(xué)方法還容易導(dǎo)致二次污染[5]。近年來(lái)我國(guó)常用的修復(fù)方法有電修復(fù)和生物修復(fù)[6-8]，在生物修復(fù)方面，植物修復(fù)方法是一種公認(rèn)的修復(fù)鎘污染的綠色途徑[9]，是一項(xiàng)利用特定植物提取、揮發(fā)、穩(wěn)定和降解土壤中的重金屬，從而減輕土壤重金屬污染的有價(jià)值的生物技術(shù)[10-11]。植物修復(fù)還具有無(wú)二次污染、操作簡(jiǎn)單、成本低、可大面積推廣等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)隨著我國(guó)耕地面積的不斷減少，非食用型作物向受到重金屬污染的耕地進(jìn)行轉(zhuǎn)移已是大勢(shì)所趨[12]。而順勢(shì)利用非食用型經(jīng)濟(jì)作物來(lái)治理土壤重金屬污染問(wèn)題，將有利于社會(huì)環(huán)境的改善和推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

經(jīng)濟(jì)作物黃麻（Corchorus capsularis L.）由于其生長(zhǎng)速度快、抗逆性強(qiáng)、生物量大而具有巨大的重金屬污染修復(fù)潛力[13]。黃麻是韌皮纖維作物，椴樹(shù)科黃麻屬一年生草本植物，在長(zhǎng)江以南地區(qū)廣為栽培，其用途甚廣，可用于紡織、食用、環(huán)保人造板及建材，且具有良好的藥用價(jià)值。有研究[14]發(fā)現(xiàn)黃麻有較強(qiáng)的鎘富集能力，具有作為土壤鎘污染修復(fù)材料的潛力。并有研究[15]指出有機(jī)酸和EGTA配合施用能夠增大黃麻抗氧化酶活性，促進(jìn)合成光合色素，提高生物產(chǎn)量，從而顯著提升黃麻的鎘污染修復(fù)能力。針對(duì)鎘污染的植物修復(fù)途徑，目前較多是針對(duì)東南景天、龍葵、油菜、棉花、苧麻等植物進(jìn)行研究，對(duì)黃麻的鎘污染修復(fù)研究相對(duì)較少，在重度鎘污染農(nóng)田下的試驗(yàn)研究更為少見(jiàn)[16-20]。本試驗(yàn)選用5個(gè)黃麻品種，擬探究其在重度鎘污染自然環(huán)境下的鎘含量、農(nóng)藝性狀和生物量，并分析其富集和轉(zhuǎn)運(yùn)能力，從而篩選出具有較強(qiáng)鎘污染修復(fù)能力的黃麻品種，旨在為利用黃麻進(jìn)行農(nóng)田鎘污染修復(fù)提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料和地點(diǎn)

試驗(yàn)選用的黃麻品種由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類(lèi)研究所一年生麻類(lèi)作物遺傳改良創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)提供，分別為：中黃麻11號(hào)（371）、菜用黃麻3號(hào)（445）、菜用黃麻4號(hào)（446）、桂菜黃麻2號(hào)（447）和福黃5號(hào)（ZM-5）。試驗(yàn)地點(diǎn)位于湖南省瀏陽(yáng)市，試驗(yàn)農(nóng)田的土壤鎘濃度在1.9 mg/kg左右，為重度鎘污染試驗(yàn)地。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將5個(gè)黃麻品種分別種植于5個(gè)小區(qū)內(nèi)，各小區(qū)均為寬2 m，長(zhǎng)12 m，每個(gè)小區(qū)內(nèi)播種黃麻60 g，每行均分15個(gè)小穴，行距0.5 m，每個(gè)品種設(shè)立3個(gè)重復(fù)。5月初進(jìn)行播種，于6月22日（封行期）、7月23日（快速生長(zhǎng)期）、8月23日（生長(zhǎng)減緩期）、9月27日（成熟期）對(duì)黃麻不同部位進(jìn)行取樣，并對(duì)試驗(yàn)地播種前和收獲后的根際土壤進(jìn)行取樣，對(duì)其鎘含量進(jìn)行測(cè)定分析。

1.3 樣品采集和分析方法

植株取樣：定期對(duì)各小區(qū)的黃麻植株進(jìn)行隨機(jī)取樣，將取回的完整植株先用自來(lái)水沖洗干凈，再用去離子水清洗，然后將黃麻樣品分為根、莖、葉，分別進(jìn)行稱(chēng)重、殺青、烘干和研磨。

土壤取樣：在各小區(qū)內(nèi)0～20 cm土層處采集適量的土壤樣品，剔掉石塊和植物殘?bào)w，自然風(fēng)干后進(jìn)行研磨，過(guò)80目篩。

土壤樣品和植株樣品一同送至湖南省分析測(cè)試中心檢測(cè)重金屬鎘含量，檢測(cè)方法參照《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中多元素的測(cè)定》（GB 5009.268—2016）（植株）和《土壤和沉積物12種金屬元素的測(cè)定 王水提取-電感耦合等離子體質(zhì)譜法》（HJ 803—2016）（土樣）執(zhí)行。

植株在到達(dá)收獲期后，記錄樣方內(nèi)有效株數(shù)，然后在小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取15株黃麻測(cè)量株高、莖粗、皮厚、鮮重，并計(jì)算其相應(yīng)產(chǎn)量。

1.4 指標(biāo)計(jì)算與數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Excel 2019對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和制圖，運(yùn)用數(shù)據(jù)處理軟件SPSS 23.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)地內(nèi)黃麻農(nóng)藝性狀和生物量分析

黃麻成熟后（9月份），對(duì)其農(nóng)藝性狀和生物量進(jìn)行測(cè)定。由表1可知，黃麻可以在重度鎘污染農(nóng)田中正常生長(zhǎng)，個(gè)別品種的株高之間、莖粗之間和產(chǎn)量之間均存在顯著差異。農(nóng)藝性狀方面，371和445的株高明顯高于其他3個(gè)品種，均超過(guò)4.5 m；莖稈粗度又以446和447為最優(yōu)，均超過(guò)25 mm；不同黃麻品種韌皮皮厚在1.43～1.73 mm之間，差異不顯著。生物量方面，黃麻產(chǎn)量以445為最優(yōu)，較其他品種高出5.96%～47.93%。

表1 5個(gè)黃麻品種的農(nóng)藝性狀和生物量Table 1 Agronomic characters and biomass of the jute varieties planted in cadmium contaminated paddy soil

2.2 不同黃麻品種各器官鎘含量

纖維成熟后（9月份），對(duì)黃麻不同部位鎘含量進(jìn)行測(cè)定。由表2可知，重金屬鎘在葉片中的累積量明顯高于在莖稈中的含量，371、445和ZM-5的鎘含量均表現(xiàn)為葉＞根＞莖。黃麻根的鎘含量范圍在2.81～7.61 mg/kg之間，其中446根的鎘含量最大；黃麻莖的鎘含量范圍在 2.21～4.40 mg/kg之間，其中447莖的鎘含量最大；黃麻葉的鎘含量范圍在4.30～6.29 mg/kg之間，其中371和447葉的鎘含量最大。根據(jù)上述分析及鎘含量平均值可知，446和447的鎘含量最多，371次之，445和ZM-5最少。

表2 5個(gè)黃麻品種各器官鎘含量Table 2 Cadmium content in each organ of 5 jute varieties mg/kg

2.3 試驗(yàn)地土壤鎘含量變化

黃麻播種前（5月16日）和收獲后（9月27日）測(cè)得的試驗(yàn)地土壤鎘含量如表3所示，播種前試驗(yàn)地土壤鎘含量差異不顯著，收獲后個(gè)別品種間存在顯著差異。5個(gè)黃麻品種中，371和446栽種后的土壤鎘含量降幅最大，分別降低了26.70%和22.51%；447栽種后的土壤鎘含量降幅較小；而445和ZM-5栽種后的土壤鎘含量甚至有所增加，這可能是由于試驗(yàn)地并非封閉環(huán)境，受到了灌溉水、土壤條件、品種特性、大氣環(huán)境等因素的影響。并且由于試驗(yàn)地面積較大，各品種黃麻所栽種地塊的水肥條件、土壤條件等存在差異，因此無(wú)法設(shè)置一個(gè)有效的對(duì)照組來(lái)觀察鎘含量變化。

表3 鎘污染農(nóng)田土壤鎘含量變化Table 3 Changes in cadmium content in cadmium-contaminated paddy soils

2.4 不同黃麻品種各器官鎘富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)特征

根據(jù)黃麻播種前和收獲后的土壤鎘含量，計(jì)算黃麻不同器官在封行期（6月22日）和收獲期（9月27日）的鎘富集系數(shù)。由表4可知，相比于封行期，各器官鎘富集系數(shù)在收獲期均大幅度降低，其中莖稈和葉片的降幅最大，莖稈鎘富集系數(shù)降幅范圍為6.88～8.37，葉片的降幅范圍為3.62～7.74。在收獲期，除446外，其他黃麻品種各器官中葉片的鎘富集能力最大。不同器官的鎘富集能力在品種間也存在差異，在封行期，各黃麻品種的鎘富集能力以445、446、447表現(xiàn)最佳，在收獲期又以371、446表現(xiàn)最佳。綜合不同黃麻品種鎘富集能力的時(shí)空特征可知：446的鎘富集能力最強(qiáng)，371、447次之，445、ZM-5最弱。

表4 5個(gè)黃麻品種各器官鎘富集系數(shù)Table 4 Cadmium enrichment factor in each organ of 5 jute varieties

不同黃麻品種地上部鎘轉(zhuǎn)移系數(shù)如圖1所示，總體來(lái)看，鎘轉(zhuǎn)移系數(shù)隨植株生長(zhǎng)最終均有不同程度的降低，其中446的鎘轉(zhuǎn)移系數(shù)降幅最大，降低了65.68%；447的鎘轉(zhuǎn)移系數(shù)降幅最小，降低了14.71%。從每月各品種的轉(zhuǎn)移系數(shù)來(lái)看，446和ZM-5的鎘轉(zhuǎn)移系數(shù)一直處在較低水平，說(shuō)明446和ZM-5的鎘轉(zhuǎn)運(yùn)能力相對(duì)較弱。在收獲期測(cè)得的黃麻地上部轉(zhuǎn)移系數(shù)范圍為1.04～2.60，表明這5個(gè)黃麻品種都具有較強(qiáng)的鎘轉(zhuǎn)運(yùn)能力。

如圖2所示，比較不同黃麻品種莖的鎘轉(zhuǎn)移系數(shù)，可知447最大，445次之，ZM-5、371和446最??；比較不同黃麻品種葉的鎘轉(zhuǎn)移系數(shù)，可知371、445和447最大，ZM-5次之，446最小，綜上可得，446和ZM-5的鎘轉(zhuǎn)運(yùn)能力相對(duì)較弱。并且從圖中可以看出，5個(gè)黃麻品種葉的鎘轉(zhuǎn)移系數(shù)明顯大于莖的鎘轉(zhuǎn)移系數(shù)，其中，371葉和莖的鎘金屬轉(zhuǎn)移系數(shù)相差最大，差值為0.97。

圖2 不同黃麻品種收獲期莖和葉的鎘轉(zhuǎn)移系數(shù)Fig.2 Cadmium transportation factor of stems and leaves of different jute varieties at harvest

3 討論

植物修復(fù)作為一種有效治理鎘污染的綠色途徑，越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外科研工作者的關(guān)注。有研究[21]指出植物對(duì)土壤中重金屬的修復(fù)能力主要由地上部的重金屬含量和生物量?jī)蓚€(gè)因素決定。而目前國(guó)內(nèi)外對(duì)農(nóng)田鎘污染修復(fù)能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)涉及多方面，主要包括植物對(duì)重金屬鎘的吸收能力、富集能力、轉(zhuǎn)運(yùn)特征以及植株生物量[22]。為了提高植物修復(fù)重金屬污染的能力，利用化學(xué)改良劑協(xié)助植物修復(fù)重金屬污染的相關(guān)研究越來(lái)越多，化學(xué)改良劑可以改善植物不同部位的重金屬富集能力，而不會(huì)真正影響植物的生長(zhǎng)?，F(xiàn)階段研究的側(cè)重點(diǎn)是優(yōu)化化學(xué)改良劑的數(shù)量和機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)良好的植物生長(zhǎng)和重金屬修復(fù)[23]。因此，后續(xù)可以通過(guò)研究篩選出與鎘結(jié)合的最佳化學(xué)改良劑與超富集植物配合施用，以提高植物對(duì)鎘污染的修復(fù)能力，達(dá)到更好的鎘污染修復(fù)效果。

植物的重金屬富集系數(shù)即植物將重金屬?gòu)牡叵虏哭D(zhuǎn)移到地上部的能力，是描述重金屬在植物體內(nèi)累積趨勢(shì)的重要指標(biāo)。本試驗(yàn)得出，在收獲期，不同黃麻品種各器官的鎘富集系數(shù)在1.25～5.14之間，說(shuō)明黃麻具有較強(qiáng)的鎘富集能力。植物的重金屬轉(zhuǎn)移系數(shù)是衡量植物將重金屬?gòu)母哭D(zhuǎn)移到地上部的能力的標(biāo)準(zhǔn)，也是衡量植物修復(fù)重金屬污染的又一重要指標(biāo)。本試驗(yàn)中黃麻在收獲期的鎘轉(zhuǎn)移系數(shù)在1.04～2.60之間，說(shuō)明黃麻具有較強(qiáng)的鎘污染修復(fù)能力。有研究[24]表明由于植物地上部對(duì)重金屬鎘更加敏感，鎘富集能力較強(qiáng)的植物吸收的鎘主要分布在地下部，地上部的鎘含量較少，這是為了減緩鎘對(duì)植物地上部光合作用以及生長(zhǎng)發(fā)育的影響。而試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)黃麻地上部的鎘含量高于地下部，并且仍能正常生長(zhǎng)，由此可知黃麻還具有較強(qiáng)的耐鎘性。而且根據(jù)前人報(bào)道，在重金屬污染農(nóng)田種植的黃麻，其纖維制品一般不會(huì)存在重金屬超標(biāo)的問(wèn)題，符合安全產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，因此黃麻在修復(fù)重金屬污染的同時(shí)，還具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，如麻骨可以制成污水吸附劑，麻皮制成建筑板材等[25]。

綜合分析重度鎘污染下5個(gè)黃麻品種的生物量、鎘含量、富集能力和轉(zhuǎn)運(yùn)特征等指標(biāo)，可知在生物量方面，371和445的產(chǎn)量相對(duì)較高且二者相差不大；在植株鎘含量方面，446和447的鎘含量最多，371次之，分別為5.16、4.93、4.23 mg/kg；在土壤鎘含量方面，種植371的土壤鎘含量降幅最大，446次之，分別為26.70%和22.51%；在富集能力方面，446成熟期的鎘富集能力最強(qiáng)，371次之；在轉(zhuǎn)運(yùn)特征方面，371、445和447成熟期的鎘轉(zhuǎn)移系數(shù)都較大。綜上所述，發(fā)現(xiàn)371在各方面均表現(xiàn)較佳，因此，371為5個(gè)黃麻品種中鎘污染修復(fù)能力最強(qiáng)的品種。

本試驗(yàn)中值得注意的是，在5個(gè)黃麻品種中446的鎘含量最多，富集系數(shù)最大，但植株較低，產(chǎn)量較少，尤其是轉(zhuǎn)移系數(shù)明顯小于其他品種。造成這種情況的原因可能是446對(duì)鎘具有出色的吸收和富集能力，但大部分鎘累積在根系，使得根系成為受鎘毒害的主要部位，毒害程度超過(guò)其自身對(duì)鎘的消減能力，從而影響地上部的生長(zhǎng)。并且由于植株對(duì)鎘的轉(zhuǎn)移系數(shù)是根據(jù)地上部/地下部計(jì)算得來(lái)，而446在這5個(gè)黃麻品種中地下部的鎘累積量最大，使得其轉(zhuǎn)移系數(shù)偏小。雖然446的生物量和轉(zhuǎn)移能力較低，但綜合其他指標(biāo)，446仍可以考慮用作農(nóng)田鎘污染修復(fù)的植物材料。如能對(duì)446根系吸收鎘的能力做進(jìn)一步研究，挖掘出其根系對(duì)重金屬鎘強(qiáng)大的吸收和累積能力的機(jī)制，將有機(jī)會(huì)通過(guò)雜交、分子育種等方法培育出更具鎘污染修復(fù)潛力的品種。

4 結(jié)論

在土壤鎘含量為1.9 mg/kg左右的重度鎘污染農(nóng)田中栽種的5個(gè)黃麻品種仍能正常生長(zhǎng)，具有較好的生物學(xué)產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，并有較強(qiáng)的富集和轉(zhuǎn)移能力。不同品種的黃麻對(duì)鎘的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)均大于1，但在對(duì)鎘污染的修復(fù)潛力方面存在較大差別。重金屬鎘從根系到葉片的轉(zhuǎn)移能力強(qiáng)于從根系到莖稈的轉(zhuǎn)移能力。綜合鎘含量、富集能力、轉(zhuǎn)運(yùn)特征、農(nóng)藝性狀、生物量等各項(xiàng)指標(biāo)，具有較好農(nóng)田鎘污染修復(fù)能力的黃麻品種是中黃麻11號(hào)、菜用黃麻3號(hào)和桂菜黃麻2號(hào)，其中又以中黃麻11號(hào)為最佳鎘污染修復(fù)品種。