不同黃麻品種對重金屬鎘和鉛的吸收與富集規(guī)律

侯文煥，廖小芳，唐興富，趙艷紅，李初英

(廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所，廣西 南寧 530007)

【研究意義】黃麻(CorchoruscapsularisL.)為椴樹科黃麻屬一年生草本植物，在我國南方各省份均有種植[1-2]。近年來隨著經(jīng)濟(jì)和工業(yè)的發(fā)展，土壤重金屬污染日益嚴(yán)重，其中的鎘(Cd)和鉛(Pb)含量不斷增加，不但影響植物生長，而且一旦進(jìn)入食物鏈還會對人體健康造成一定危害[3]。黃麻對重金屬有一定的吸附能力，且具有生長周期短、生長速度快、生物產(chǎn)量高、適應(yīng)性廣和纖維經(jīng)濟(jì)價值高等特點(diǎn)，是一種理想的土壤重金屬污染治理與修復(fù)植物[4]，但目前鮮有關(guān)于黃麻在整個生育期內(nèi)重金屬累積情況的報道。因此，探究黃麻不同生育期對Cd和Pb的吸收和富集規(guī)律，對重金屬污染土壤的修復(fù)治理和菜用黃麻品種的選用具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】不同植物吸收重金屬的種類和量均存在較大差異[5-8]。同一作物不同部位對重金屬的吸收量也存在差異，各部位對Cd和Pb的累積量排序?yàn)楦?葉>果實(shí)>種子[9-11]。不同生育期作物對重金屬的累積也不同，Rodda等[12]研究表明，揚(yáng)花期水稻對Cd的耐受能力較強(qiáng)且植株內(nèi)Cd含量相對較高。劉昭兵等[13]研究發(fā)現(xiàn)，水稻各器官的Cd和Pb含量均表現(xiàn)為分蘗期>成熟期>抽穗期。黃麻對土壤和水體中的Pb、鋅(Zn)、Cd和鉻(Cr)等均具有一定的吸附和富集能力[14]。Ogunkunle等[15]研究顯示，菜用黃麻中重金屬含量的變化排序?yàn)閆n>Pb≈Cd。龔紫薇等[16]研究表明，黃麻地下部分吸附Pb和Zn的能力高于地上部分。陳軍等[17]開展現(xiàn)蕾期和收獲期黃麻重金屬含量研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Cd在黃麻各器官中的分布排序?yàn)楦?葉(籽粒)>莖稈，Pb的分布排序?yàn)楦?莖稈>葉(籽粒)。李楠等[18]研究顯示，黃麻葉和嫩梢較莖桿具有更強(qiáng)的Cr吸附能力。賈瑞星等[19]研究認(rèn)為，對Cd2+耐性較優(yōu)的黃麻品種可作為母本用于配制抗Cd脅迫黃麻三系雜交種?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前，關(guān)于黃麻對重金屬累積及重金屬污染修復(fù)潛力的研究主要集中在某一生育期，鮮有針對黃麻整個生育期重金屬累積情況進(jìn)行研究的報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】將4個黃麻品種種植于重金屬重度污染的土壤上，研究其不同生育期、不同部位對Cd和Pb的吸收、累積規(guī)律及不同黃麻品種對重金屬污染土壤的修復(fù)潛能，以期為重金屬污染土壤的生物修復(fù)、菜用黃麻種植地選擇及黃麻種質(zhì)選育提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試的4個菜用黃麻品種分別為圓果種黃麻桂麻菜1號和桂麻菜2號及長果種黃麻福農(nóng)1號和福農(nóng)4號，均由廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所提供，其中福農(nóng)1號和福農(nóng)4號為從福建農(nóng)林大學(xué)引進(jìn)保存品種。試驗(yàn)地位于廣西河池市宜州區(qū)慶遠(yuǎn)鎮(zhèn)，土壤理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)含量62.50 g/kg，全氮含量3.37 mg/kg，全磷含量0.78 mg/kg，全鉀含量5.50 mg/kg，全鈣含量2.90 mg/kg，Cd含量8.530 mg/kg，Pb含量233.000 mg/kg，其中的Cd和Pb含量均超過GB 15618—2018土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)[20]的要求，參考GB 15618—1995重金屬污染評價標(biāo)準(zhǔn)[21]達(dá)重度污染水平。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

4個黃麻品種小區(qū)種植面積均為4 m× 3 m，株距10 cm，行距50 cm，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，每個品種3次重復(fù)。于2018年5月14日播種，生長期間施行常規(guī)田間水肥管理。分別于6月21日(苗期)、8月1日(開花期)和11月22日(成熟期)對植株進(jìn)行取樣，每次取樣在小區(qū)中間隨機(jī)選取5株，按地下部(根部)和地上部[葉片(種子)、麻皮和麻骨]分開沖洗干凈，于105 ℃烘箱中殺青30 min后80 ℃烘干至恒重，稱重、粉碎后放入干燥器中備用。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

采用微波輔助消解—電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法，測定苗期和開花期根系、葉片、麻皮和麻骨的Cd和Pb含量，測定成熟期根系、種子、麻皮和麻骨的Cd和Pb含量[22]，計算重金屬富集系數(shù)[23]和轉(zhuǎn)移系數(shù)[24]。

重金屬富集系數(shù)=植物體內(nèi)某部位重金屬含量/土壤中重金屬含量

轉(zhuǎn)移系數(shù)=植物地上部重金屬含量/植物地下部重金屬含量

參考郭媛等[1]的方法，以黃麻植株地上部3個器官(麻皮、麻骨、葉片或種子)的干生物量為權(quán)重分別計算植株地上部的Cd和Pb含量加權(quán)平均值，以此作為黃麻植株地上部的平均Cd和Pb含量。

1.4 統(tǒng)計分析

采用Excel 2010和SPSS 19.0對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同黃麻品種的生物量

由表1可知，4個黃麻品種苗期的總生物量在1.67～2.05 t/hm2，各品種排序?yàn)楣鹇椴?號>福農(nóng)4號>桂麻菜1號>福農(nóng)1號，其中桂麻菜2號與福農(nóng)4號差異不顯著(P>0.05，下同)，但顯著高于桂麻菜1號和福農(nóng)1號(P<0.05，下同)；開花期的總生物量在13.26～21.53 t/hm2，各品種排序?yàn)楦＾r(nóng)4號>福農(nóng)1號>桂麻菜1號>桂麻菜2號，其中桂麻菜1號與桂麻菜2號差異不顯著，但二者均顯著低于福農(nóng)1號和福農(nóng)4號；成熟期的總生物量在13.61～26.18 t/hm2，各品種排序?yàn)楦＾r(nóng)4號>福農(nóng)1號>桂麻菜1號>桂麻菜2號，其中福農(nóng)4號顯著高于其他3個品種，福農(nóng)1號顯著高于桂麻菜1號和桂麻菜2號。綜合比較各品種各部位的總生物量和生物量，以福農(nóng)4號表現(xiàn)較優(yōu)異。

表1 不同黃麻品種各部位的干生物量

2.2 Cd在黃麻植株體內(nèi)的吸收、分配和累積情況

2.2.1 不同生育期黃麻植株各部位Cd含量的動態(tài)變化 由表2可知，4個黃麻品種在不同生育期各部位的Cd含量存在差異。其中，各生育期各部位的Cd含量排序均為根系>葉(種子)>麻皮>麻骨，且根系的Cd含量顯著高于麻骨；福農(nóng)1號各生育期根部的Cd含量均顯著高于麻皮、麻骨和葉片(種子)；4個黃麻品種的葉片為食用部位，苗期和開花期為可食用時期，期間葉片的Cd含量在1.310～4.840 mg/kg。說明黃麻吸收Cd的主要部位為根部。

從表2還可看出，隨著生育期的遞進(jìn)，4個黃麻品種各部位的Cd含量均呈先下降后上升的變化趨勢。其中，桂麻菜2號、福農(nóng)1號和福農(nóng)4號的根系、麻皮、麻骨、葉片(種子)及桂麻菜1號的麻皮和麻骨的Cd含量在各生育期的排序均為苗期>成熟期>開花期；桂麻菜1號成熟期根系和種子的Cd含量顯著高于苗期和開花期根系和葉片的Cd含量，桂麻菜2號、福農(nóng)1號和福農(nóng)4號苗期各部位的Cd含量均顯著高于開花期和成熟期。說明黃麻在苗期對Cd有較強(qiáng)的吸收能力。

表2 不同黃麻各生育期不同部位的Cd含量

表3 不同黃麻各生育期Cd的富集和轉(zhuǎn)移系數(shù)及累積量比較

2.2.2 黃麻對Cd的富集和轉(zhuǎn)移能力及累積量 由表3可知，4個黃麻品種各生育期地下部(根部)對Cd的富集系數(shù)均明顯大于對應(yīng)生育期地上部各部位；各品種苗期地上部的富集系數(shù)均大于開花期和成熟期，其中桂麻菜2號在苗期的富集系數(shù)最大，為0.543。4個黃麻品種的轉(zhuǎn)移系數(shù)在0.402～0.952，其中，除福農(nóng)1號苗期與開花期的轉(zhuǎn)移系數(shù)差異不顯著外，其他品種苗期的轉(zhuǎn)移系數(shù)均顯著大于開花期和成熟期；福農(nóng)4號苗期的轉(zhuǎn)移系數(shù)最大，為0.952。由此可見，苗期為黃麻Cd轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵時期。

從表3還可看出，隨著生育期的遞進(jìn)，4個黃麻品種的Cd累積量逐漸升高，即成熟期>開花期>苗期。其中，各品種開花期和成熟期Cd的累積量均顯著高于苗期；桂麻菜1號、桂麻菜2號和福農(nóng)4號成熟期Cd的累積量顯著高于苗期和開花期，尤其是桂麻菜1號在成熟期Cd的時累積量達(dá)50.160 g/hm2，顯著高于其他品種各生育期Cd的累積量。說明開花期對黃麻累積Cd有較大貢獻(xiàn)，其中桂麻菜1號可作為一種土壤Cd污染修復(fù)植物推廣應(yīng)用。

2.3 Pb在黃麻植株體內(nèi)的吸收、分配和累積情況

2.3.1 不同生育期黃麻植株各部位Pb含量的動態(tài)變化 由圖1可看出，隨著生育期的遞進(jìn)，4個黃麻品種根系、麻骨、麻皮和葉片(種子)的Pb含量均呈不斷增加趨勢，即成熟期>開花期>苗期，其中，除福農(nóng)1號成熟期根系Pb含量與開花期、福農(nóng)4號成熟期麻骨Pb含量與開花期差異不顯著外，其他品種成熟期各部位的Pb含量均顯著高于苗期和開花期。由此可見，成熟期是黃麻對Pb吸收的關(guān)鍵時期。從圖1還可看出，4個黃麻品種在各生育期各部位的Pb含量排序?yàn)楦?葉片(種子)>麻皮>麻骨，其中，根部的Pb含量顯著高于其他部位；桂麻菜1號和福農(nóng)4號葉片(種子)的Pb含量均顯著高于麻骨的Pb含量；苗期和開花期4個黃麻品種葉片的Pb含量在0.901～2.515 mg/kg。進(jìn)一步說明根部是黃麻吸收Pb的主要部位。

2.3.2 不同黃麻品種對Pb的富集、轉(zhuǎn)移能力及累積量比較 由表4可知，4個黃麻品種對Pb的富集和轉(zhuǎn)移能力存在差異。其中，地下部(根部)對Pb的富集系數(shù)為0.020～0.082，均高于對應(yīng)生育期地上部Pb的富集系數(shù)，但均小于1.000；桂麻菜1號成熟期根系、麻骨和葉片(種子)的富集系數(shù)顯著高于其他品種，尤其以成熟期根系的富集系數(shù)(0.082)最大；轉(zhuǎn)移系數(shù)在0.064～0.266，其中，桂麻菜1號和桂麻菜2號苗期的轉(zhuǎn)移系數(shù)均顯著高于開花期，尤其以桂麻菜2號苗期的轉(zhuǎn)移系數(shù)(0.266)最大。由此可見，黃麻對Pb有一定的轉(zhuǎn)運(yùn)和富集能力。

從圖2可看出，隨著生育期的遞進(jìn)，4個黃麻品種的Pb累積量均呈升高趨勢，即成熟期>開花期>苗期。其中，開花期的Pb累積量急劇升高并顯著高于苗期，至成熟期時累積量均顯著高于苗期和開花期，尤其以福農(nóng)1號在成熟期的累積量(64.025 g/hm2)最高。由此可見，黃麻對Pb的累積主要集中在開花期和成熟期。

表4 不同黃麻品種Pb的富集和轉(zhuǎn)移系數(shù)比較

同一品種不同生育期圖柱上不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)Different lowercase letters on the bar of the same variety at different growth periods indicate significant difference(P<0.05)圖2 不同黃麻品種對Pb的累積量比較結(jié)果Fig.2 The comparison result of amount accumulation of Pb in different jute varieties

3 討 論

本研究中，4個黃麻品種在各生育期各部位Cd和Pb的含量排序均為根系>葉片(種子)>麻皮>麻骨，與陳軍等[17]的研究結(jié)果相似；根部的Pb含量均顯著高于其他部位，即地下部Pb含量高于地上部，與龔紫薇等[16]的研究結(jié)果基本一致；葉片的Cd和Pb含量始終高于麻皮和麻骨，可能與葉片中的黏性多糖物質(zhì)對Cd和Pb有較強(qiáng)吸附能力有關(guān)[14]；各部位的Cd含量均隨著生育期的遞進(jìn)呈先下降后上升的變化趨勢，與陳軍等[17]的研究結(jié)果不一致，可能是因?yàn)樵囼?yàn)所用品種不同引起[26-26]。

重金屬富集系數(shù)能反映重金屬在植物體內(nèi)的富集情況，富集系數(shù)越大，說明植物吸收重金屬能力越強(qiáng)[27]。本研究結(jié)果顯示，4個黃麻品種對Cd和Pb的富集和轉(zhuǎn)移能力存在差異，其中地下部(根部)在各生育期對Cd的富集系數(shù)均小于1.000，與夏涓文等[2]研究發(fā)現(xiàn)在不添加EGTA和有機(jī)酸的情況下黃麻的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)均未達(dá)到1.000的結(jié)果一致；4個黃麻品種對Pb的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)均小于1.000，但其地下部(根部)的富集系數(shù)高于地上部，可能是因?yàn)辄S麻的根系直接與土壤接觸并直接吸收Pb且將其保留在根部，限制有害或多余的Pb離子由根部向地上部轉(zhuǎn)移，保障了地上部較低的Pb含量[28]。本研究還發(fā)現(xiàn)，4個黃麻品種不同生育期不同部位對Cd的富集能力均強(qiáng)于對Pb的富集能力，可能是Cd在黃麻體內(nèi)與蛋白質(zhì)結(jié)合成有機(jī)絡(luò)合物，更有利于在黃麻體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)，從而導(dǎo)致Cd的富集能力較Pb強(qiáng)[29]。

本研究選用的4個黃麻品種均為菜用黃麻品種，主食嫩葉，但在苗期和花期其葉的Cd和Pb含量分別為1.310～4.840和0.901～2.515 mg/kg，遠(yuǎn)高于《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》(GB2762—2017)新鮮蔬菜的Cd和Pb限量標(biāo)準(zhǔn)(分別為0.200和0.300 mg/kg)，因此作為蔬菜種植時需調(diào)查清楚種植土壤的重金屬背景值，以保障食用安全。

4 結(jié) 論

Cd和Pb含量在4個黃麻品種各部位的排序均為根系>葉片(種子)>麻皮>麻骨；隨著生育期的遞進(jìn)，4個黃麻品種各部位的Cd含量呈先下降后上升的變化規(guī)律，Pb含量呈上升趨勢；4個黃麻品種的Cd和Pb積量均為成熟期>開花期>苗期，成熟期Cd和Pb累積量最高的分別為桂麻菜1號和福農(nóng)1號；4個品種在苗期和花期葉的Cd和Pb含量均遠(yuǎn)高于限定標(biāo)準(zhǔn)，因而作為蔬菜種植時需調(diào)查清楚種植土壤的重金屬背景值，以保障其食用安全；桂麻菜1號可作為一種土壤Cd污染修復(fù)植物推廣應(yīng)用。