大田鎘污染條件下269份苧麻種質(zhì)鎘含量評價(jià)

張英，汪婭梅，馬玉申，邢虎成，2*，揭雨成，2*

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)苧麻研究所，湖南 長沙 410128；2.湖南省草類作物種質(zhì)創(chuàng)新與利用工程技術(shù)中心，湖南 長沙 410128）

重金屬污染農(nóng)田已經(jīng)嚴(yán)重影響到農(nóng)產(chǎn)品的食用安全［1-2］，據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國的重金屬污染農(nóng)田面積已達(dá)0.1億公頃，農(nóng)田土壤受重金屬鎘污染現(xiàn)象尤為突出，約占重金屬總污染面積的2/5［3］。因此，土壤重金屬鎘污染修復(fù)工作迫在眉睫，目前在土壤重金屬鎘污染修復(fù)技術(shù)中植物修復(fù)技術(shù)尤其受到關(guān)注，植物修復(fù)技術(shù)不僅具有成本低、修復(fù)效果好、不會(huì)造成二次污染等特點(diǎn)，還能從根本上修復(fù)污染土壤［4］。苧麻是中國重要的纖維作物之一，種質(zhì)資源豐富，具有抗逆境能力強(qiáng)、生長迅速、繁殖能力強(qiáng)、根系龐大、生物產(chǎn)量高等特點(diǎn)，對重金屬鎘的適應(yīng)能力強(qiáng)，是非常有前景的重金屬鎘污染土地修復(fù)植物。前人［5-6］研究發(fā)現(xiàn)苧麻具有較強(qiáng)的鎘耐受能力和累積能力，其鎘含量是一般植物的2～10倍，苧麻地下部鎘含量顯著高于地上部［7］。苧麻地下部的鎘含量隨土壤Cd濃度的升高而增加［8-9］。不同苧麻種質(zhì)資源對重金屬的吸收和富集能力不同，導(dǎo)致不同苧麻種質(zhì)資源的鎘含量也不同，受限于時(shí)間、技術(shù)和成本，前人對少量苧麻栽培種質(zhì)進(jìn)行了鎘富集、鎘耐受方面的探索［10-16］，也對野生苧麻種質(zhì)進(jìn)行了初步的鎘含量分析［17］，評價(jià)方法以盆栽試驗(yàn)為主，大田條件下的大量苧麻種質(zhì)鎘含量評價(jià)研究報(bào)道較少。苧麻作為一種有前景的重金屬鎘污染土地修復(fù)植物，目前無相關(guān)專用品種。因此，本研究以湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)收集保存的269份苧麻資源為材料，通過大田鎘污染條件進(jìn)行評價(jià)和篩選，以期進(jìn)一步評價(jià)和鑒定苧麻種質(zhì)的鎘含量特性，并篩選出優(yōu)異的高或低鎘含量苧麻種質(zhì)，為苧麻鎘修復(fù)專用品種的選育奠定基礎(chǔ)，為苧麻修復(fù)鎘污染農(nóng)田提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)田土壤背景

試驗(yàn)地點(diǎn)位于湖南省長沙市永和鎮(zhèn)鎘污染農(nóng)田，土壤類型是紅壤土，pH 5.73，土壤鎘含量平均值為3.27mg/kg，按照《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618-2018）規(guī)定，屬于嚴(yán)格管控土壤（禁止種植食用農(nóng)產(chǎn)品）。土壤有機(jī)質(zhì)29.25 g/kg，全氮1.56 g/kg，全磷0.51 g/kg，全鉀 14.71 g/kg。

1.2 試驗(yàn)材料

供試269份苧麻種質(zhì)均來源于湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)苧麻研究所種質(zhì)資源圃（表1），采用嫩梢扦插的方式無性繁殖，成活后移栽大田。

表1 供試269份苧麻種質(zhì)Table 1 269 ramie germplasms for researching

續(xù)表1

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試269份苧麻種質(zhì)于2016年5月扦插，同年6月進(jìn)行移栽。隨機(jī)區(qū)組排列，每份種質(zhì)設(shè)3次重復(fù)，共807個(gè)小區(qū)。行株距為50 cm×60 cm，每個(gè)小區(qū)種植12株（3行4株），小區(qū)面積3.6m2，小區(qū)與小區(qū)之間間隔1 m。2016年11月破稈，2017年6月上旬、8月上旬、10月下旬收獲頭、二、三麻作為供試材料，所用數(shù)據(jù)均為3季麻平均值。

1.4 樣品采集與測定

1.4.1 生物產(chǎn)量和樣品處理

在頭麻、二麻和三麻收獲期，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取3蔸苧麻挖出麻蔸，在根莖處將地上部和地下部分開，地上部按照麻葉（含葉柄）、麻骨（木質(zhì)部和髓）、原麻（韌皮部纖維）和麻殼（皮）分開，地下部按照蘿卜根和繁殖根（扁擔(dān)根、龍頭根和跑馬根）分開，用蒸餾水沖洗表皮至完全干凈，所有樣品放入105℃烘箱中殺青30 min，60℃條件下烘干至恒重并稱量干物質(zhì)產(chǎn)量，最后分別粉碎過100目篩備用。

1.4.2 樣品鎘含量測定

分別準(zhǔn)確稱取各粉碎樣品0.5 g，參考劉澤航［11］的方法進(jìn)行消化，采用AS3000火焰原子吸收光譜儀測定鎘含量。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與處理分析

數(shù)據(jù)處理采用Excel 2007，方差分析采用SPSS軟件進(jìn)行，聚類分析采用R語言數(shù)據(jù)軟件進(jìn)行。

地上部鎘含量（mg/kg）＝（麻骨鎘含量×麻骨干重＋麻葉鎘含量×麻葉干重＋原麻鎘含量×原麻干重＋麻殼鎘含量×麻殼干重）/地上部干重；

地下部鎘含量（mg/kg）＝（蘿卜根鎘含量×蘿卜根干重＋繁殖根鎘含量×繁殖根干重）/地下部干重；

單蔸鎘含量（mg/kg）＝（地上部鎘含量×地上部干重＋地下部鎘含量×地下部干重）/（地上部干重＋地下部干重）

2 結(jié)果與分析

2.1 苧麻種質(zhì)各器官鎘含量差異

測定269份苧麻種質(zhì)不同收獲時(shí)期各器官鎘含量，結(jié)果表明，在不同收獲時(shí)期各器官的鎘含量存在差異（表2），頭麻各器官鎘含量變異系數(shù)區(qū)間為20.86%～28.41%，最小值區(qū)間為1.00～2.21 mg/kg，最大值區(qū)間為5.47～9.29 mg/kg。二麻各器官鎘含量變異系數(shù)區(qū)間為18.78%～25.82%，最小值區(qū)間為0.88～1.69 mg/kg，最大值區(qū)間為3.86～6.41 mg/kg。三麻各器官鎘含量變異系數(shù)區(qū)間為20.58%～27.92%，最小值區(qū)間為0.93～2.01 mg/kg，最大值區(qū)間為4.90～8.30 mg/kg。不同收獲時(shí)期比較，頭麻鎘含量最高，三麻次之，二麻最低。三季苧麻的各器官鎘含量采用平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，有70.63%種質(zhì)的蘿卜根鎘含量極顯著高于其他器官，如臨澧苧麻2號蘿卜根的鎘含量最高為8.00mg/kg，湘潭雞骨白（1.97mg/kg）和74-69（6.08mg/kg）的蘿卜根鎘含量均極顯著高于其他器官；有20.82%種質(zhì)的繁殖根鎘含量極顯著高于其他器官，如安仁黃家麻的繁殖根鎘含量是蘿卜根的1.66倍；有5.58%種質(zhì)的麻殼鎘含量極顯著高于其他器官，如瀏陽苧麻3號的麻殼鎘含量是蘿卜根的1.92倍；有0.74%種質(zhì)的原麻鎘含量極顯著高于其他器官，分別為湘坪苧麻和馬山伏毛苧；1.49%種質(zhì)的麻葉鎘含量極顯著高于其他器官，分別為紫葉大葉炮、羅甸青麻、樂業(yè)灰綠苧和長沙苧麻；0.74%種質(zhì)的麻骨鎘含量極顯著高于其他器官，分別為坡埝青葉苧2號和隆回本地麻。根據(jù)三季各器官鎘含量平均值可得出各器官鎘含量分布的基本規(guī)律為蘿卜根＞繁殖根＞麻殼＞麻葉＞麻骨＞原麻，比例為1.67∶1.55∶1.32∶1.18∶1.10∶1.00。

表2 不同種質(zhì)不同收獲時(shí)期各器官鎘含量Table 2 Cadmium content in different organs of different germplasm

表3 部分苧麻種質(zhì)各器官鎘含量多重比較分析Table 3 Multiple comparative analysis of cadmium content in different organs of some ramie germplasms

2.2 不同苧麻種質(zhì)地上部、地下部和單蔸鎘含量差異

通過對269份苧麻種質(zhì)的鎘含量進(jìn)行研究，結(jié)果見表4。由表4可知，不同種質(zhì)間單蔸鎘含量存在顯著的差異，變異系數(shù)為20.17%。269份苧麻種質(zhì)單蔸鎘含量的平均值為3.26 mg/kg，單蔸鎘含量最低的是湘潭雞骨白，鎘含量為1.51 mg/kg，單蔸鎘含量最高的是臨澧苧麻2號，鎘含量為5.88 mg/kg。269份苧麻種質(zhì)地上部鎘含量的平均值為2.63 mg/kg，地上部鎘含量最低的是湘潭雞骨白，鎘含量為1.14mg/kg，地上部鎘含量最高的是74-69，鎘含量為4.82mg/kg。269份苧麻種質(zhì)地下部鎘含量的平均值為3.73 mg/kg，地下部鎘含量最低的是湘潭雞骨白，鎘含量為1.81 mg/kg，地下部鎘含量最高的是臨澧苧麻2號，鎘含量為7.07mg/kg。結(jié)果表明，地下部鎘含量高出地上部鎘含量41.83%。

表4 不同種質(zhì)地上部、地下部及單蔸鎘含量Table 4 Cadmium content in the up-ground part，under-ground part and total parts

2.3 269份苧麻種質(zhì)鎘含量的聚類分析

根據(jù)單蔸鎘含量對269份苧麻種質(zhì)進(jìn)行聚類分析，由圖1可知，269份種質(zhì)分成4類，第一類有11份種質(zhì)，第二類有44份種質(zhì)，第三類有213份種質(zhì)，第四類有1份種質(zhì)。

圖1 269份苧麻種質(zhì)鎘含量聚類圖Fig.1 Cluster diagram of cadmium content in 269 ramie germplasms

從表5可以看出，第一類地上部、地下部和單蔸鎘含量均高，鎘含量平均值分別為3.54、6.03、5.15 mg/kg；第二類地上部、地下部和單蔸鎘含量均較高，鎘含量平均值分別為 3.15、4.78、4.09mg/kg；第三類地上部、地下部和單蔸鎘含量中等，鎘含量平均值分別為 2.48、3.40、3.00 mg/kg；第四類有1份種質(zhì)，地上部、地下部和單蔸鎘含量低，鎘含量平均值分別為1.14、1.81、1.51 mg/kg。

表5 四個(gè)聚類類群苧麻種質(zhì)鎘含量平均值Table 5 The average values of the cadmium content of four groups

2.4 高（低）鎘含量苧麻種質(zhì)篩選

269份苧麻種質(zhì)資源單蔸鎘含量平均值為3.26 mg/kg，將269份苧麻種質(zhì)中單蔸鎘含量高于4.70 mg/kg的種質(zhì)定義為鎘含量較高種質(zhì)（按照每公頃地種植37 500蔸苧麻，這些種質(zhì)一年可吸附鎘176 g以上）。由表6可知，鎘含量較高種質(zhì)共有11份，其單蔸鎘含量平均值為5.15 mg/kg，其中高于5.00 mg/kg的種質(zhì)有6份，占2.23%，分別是臨澧苧麻2號、74-69、遵義串根麻、黔苧1號、椏杈序葉苧和龍灘大麻。

表6 高鎘含量苧麻種質(zhì)資源Table 6 High cadmium content ramie germplasm resources

將單蔸鎘含量低于2.50mg/kg的種質(zhì)定義為鎘含量較低種質(zhì)（按照每公頃地種植37 500蔸苧麻，這些種質(zhì)一年可吸附鎘均低于93 g）。由表7可知，鎘含量較低種質(zhì)共有14份，其單蔸鎘含量平均值為2.27 mg/kg，單蔸鎘含量在2.00～2.50 mg/kg的低鎘含量種質(zhì)有13份，占4.83%，分別是沅江白里子青、黃殼早、寧鄉(xiāng)沖天炮、綏陽白麻、三塘苧麻、蒲忻日本麻、畢節(jié)園麻、廣濟(jì)黃尖、冷泉苧麻、臨水紅頂家麻、Hn C、長順山麻和巧家苧麻2；低于2.00mg/kg的種質(zhì)有1份，為湘潭雞骨白。

表7 低鎘含量苧麻種質(zhì)資源Table 7 Low cadmium content ramie germplasm resources

續(xù)表7

3 討論

苧麻種植在鎘污染農(nóng)田后，通過根部吸收土壤中重金屬鎘，轉(zhuǎn)運(yùn)到各器官，以修復(fù)土壤重金屬鎘污染。不同苧麻種質(zhì)資源吸收的鎘含量具有很大差異，本研究中土壤鎘污染濃度為3.27 mg/kg左右，269份苧麻種質(zhì)鎘含量差異較大，單蔸鎘含量變異系數(shù)為20.17%。李玉蘭［18］采用水培法對195份苧麻種質(zhì)鎘含量進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)種質(zhì)間差異較大，與本研究結(jié)論一致。苧麻不同的培養(yǎng)方法均表明種質(zhì)間鎘含量差異顯著，這有利于篩選出優(yōu)異的高（低）鎘含量苧麻種質(zhì)，與前人［19-22］的研究結(jié)果一致。不同收獲時(shí)期，苧麻各器官鎘含量為頭麻＞三麻＞二麻，這與林匡飛等［23］的結(jié)論一致，可能與苧麻不同季別的生長時(shí)間有關(guān)。

植物不同器官間鎘含量也不同，植物從根部吸收的重金屬向上運(yùn)輸?shù)角o和葉，根部是植物主要的吸收器官，因此地下部的鎘含量一般大于地上部其他器官。本研究中地下部鎘含量高出地上部鎘含量41.83%，且蘿卜根的鎘含量普遍高于繁殖根，這與前人［7，24］的研究結(jié)果相符。王凱榮等［8-9］的研究結(jié)果表明，蘿卜根的鎘含量高于繁殖根，與本研究結(jié)論一致。對于苧麻不同器官鎘含量的分布規(guī)律，不同試驗(yàn)結(jié)果略有差異。代劍平等［25］通過對鎘污染農(nóng)田種植的40份苧麻種質(zhì)研究發(fā)現(xiàn)，苧麻各器官平均鎘含量的總趨勢為麻殼＞原麻＞根＞骨＞葉；林匡飛等［23］通過盆栽和微區(qū)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，同一品種在不同鎘濃度條件下各器官鎘含量規(guī)律均為根＞莖葉＞籽實(shí)，莖葉中鎘含量麻殼＞麻骨＞原麻；李玉蘭［18］通過水培試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)193份苧麻種質(zhì)各器官吸附鎘的濃度為根＞莖＞葉；朱守晶等［12］通過對鎘污染農(nóng)田種植的7份苧麻種質(zhì)研究發(fā)現(xiàn)，苧麻各器官鎘含量的趨勢為麻殼＞根＞麻骨＞葉＞原麻。本研究中苧麻種質(zhì)各器官鎘含量平均值表現(xiàn)為蘿卜根＞繁殖根＞麻殼＞麻葉＞麻骨＞原麻，且大部分種質(zhì)的鎘含量情況與前人的研究結(jié)果相似［11］，僅有8.55%的種質(zhì)表現(xiàn)不一致，這可能與這些種質(zhì)根型以及各器官間轉(zhuǎn)運(yùn)能力相關(guān)。麻殼主要由韌皮部、周皮和薄壁細(xì)胞組成，細(xì)胞代謝轉(zhuǎn)運(yùn)旺盛，可能是其鎘含量較高的原因。麻葉代謝能力也較強(qiáng)，但隨著老葉脫落，新葉生長，可能會(huì)造成葉片鎘含量較低，因此，收獲時(shí)不同品種間葉片老化程度也是影響鎘含量的因素。

本研究根據(jù)不同苧麻種質(zhì)單蔸鎘含量進(jìn)行聚類分析，將269份種質(zhì)分成4類群，以地上部、地下部和單蔸鎘含量為參考指標(biāo)，篩選出11份鎘含量較高種質(zhì)和14份鎘含量較低種質(zhì)。這與李玉蘭［18］將195份種質(zhì)分為6個(gè)聚類組，得到37份高鎘富集能力種質(zhì)結(jié)果不太一致，這可能與處理方法和處理時(shí)間有關(guān)。本研究通過大田鎘污染條件進(jìn)行評價(jià)與篩選，研究結(jié)果可為苧麻修復(fù)鎘污染農(nóng)田提供參考。

4 結(jié)論

269份苧麻種質(zhì)間單蔸鎘含量差異較大，變異系數(shù)為20.17%。單蔸鎘含量最低的是湘潭雞骨白，最高的是臨澧苧麻2號。同齡苧麻三季各器官鎘含量表現(xiàn)為頭麻＞三麻＞二麻。70.63%的苧麻種質(zhì)各器官鎘含量的分布規(guī)律為蘿卜根＞繁殖根＞麻殼＞麻葉＞麻骨＞原麻。篩選出較高鎘含量種質(zhì)11份，分別為：臨澧苧麻2號、74-69、遵義串根麻、黔苧1號、椏杈序葉苧、龍灘大麻、新寧家麻、寶山苧麻3號、紅尖麻、咸豐雞骨白和臨澧苧麻1號，其鎘含量范圍為4.71～5.88 mg/kg，單蔸鎘含量平均值為5.15 mg/kg；篩選出較低鎘含量種質(zhì)14份，分別為：沅江白里子青、黃殼早、寧鄉(xiāng)沖天炮、綏陽白麻、三塘苧麻、蒲忻日本麻、畢節(jié)園麻、廣濟(jì)黃尖、冷泉苧麻、臨水紅頂家麻、Hn C、長順山麻、巧家苧麻2和湘潭雞骨白，其鎘含量范圍為1.51～2.46 mg/kg，單蔸鎘含量平均值為2.27 mg/kg。