黃麻修復重度鎘污染農田的品種篩選

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

（中國農業科學院麻類研究所/農業農村部麻類生物學與加工重點實驗室，湖南長沙410205）

當今社會經濟發展迅速，同時也逐漸暴露出不同程度的環境問題，隨著重金屬產量與使用量的增多，重金屬污染問題對人類生活造成了越來越嚴重的影響。鎘（Cd）是一種具有極強毒性，且容易被植物吸收的重金屬，其會通過根系進入植物體內，干擾植物光合酶活性，改變細胞膜通透性等[1]。鎘元素常與其他重金屬元素共同造成復合污染，對植物的生長發育產生嚴重影響，每年糧食產業都會因重金屬污染造成極大的經濟損失[2]。重金屬鎘進入糧食蔬菜后，會經由農產品再進入人體，從而威脅人類健康[3]。人們如果長期在重金屬污染的地區居住并且食用該地區的糧食蔬菜，將會增大食道癌和肝癌的患病風險[4]。因此，治理土壤鎘污染已經成為一項緊迫任務。

針對受到重金屬污染的土壤，傳統的修復方法有物理、化學等方法，但物理和化學方法成本較高，并且容易對土壤結構造成嚴重損害，化學方法還容易導致二次污染[5]。近年來我國常用的修復方法有電修復和生物修復[6-8]，在生物修復方面，植物修復方法是一種公認的修復鎘污染的綠色途徑[9]，是一項利用特定植物提取、揮發、穩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值的生物技術[10-11]。植物修復還具有無二次污染、操作簡單、成本低、可大面積推廣等優點。近年來隨著我國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行轉移已是大勢所趨[12]。而順勢利用非食用型經濟作物來治理土壤重金屬污染問題，將有利于社會環境的改善和推動經濟發展。

經濟作物黃麻（Corchorus capsularis L.）由于其生長速度快、抗逆性強、生物量大而具有巨大的重金屬污染修復潛力[13]。黃麻是韌皮纖維作物，椴樹科黃麻屬一年生草本植物，在長江以南地區廣為栽培，其用途甚廣，可用于紡織、食用、環保人造板及建材，且具有良好的藥用價值。有研究[14]發現黃麻有較強的鎘富集能力，具有作為土壤鎘污染修復材料的潛力。并有研究[15]指出有機酸和EGTA配合施用能夠增大黃麻抗氧化酶活性，促進合成光合色素，提高生物產量，從而顯著提升黃麻的鎘污染修復能力。針對鎘污染的植物修復途徑，目前較多是針對東南景天、龍葵、油菜、棉花、苧麻等植物進行研究，對黃麻的鎘污染修復研究相對較少，在重度鎘污染農田下的試驗研究更為少見[16-20]。本試驗選用5個黃麻品種，擬探究其在重度鎘污染自然環境下的鎘含量、農藝性狀和生物量，并分析其富集和轉運能力，從而篩選出具有較強鎘污染修復能力的黃麻品種，旨在為利用黃麻進行農田鎘污染修復提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料和地點

試驗選用的黃麻品種由中國農業科學院麻類研究所一年生麻類作物遺傳改良創新團隊提供，分別為：中黃麻11號（371）、菜用黃麻3號（445）、菜用黃麻4號（446）、桂菜黃麻2號（447）和福黃5號（ZM-5）。試驗地點位于湖南省瀏陽市，試驗農田的土壤鎘濃度在1.9 mg/kg左右，為重度鎘污染試驗地。

1.2 試驗設計

將5個黃麻品種分別種植于5個小區內，各小區均為寬2 m，長12 m，每個小區內播種黃麻60 g，每行均分15個小穴，行距0.5 m，每個品種設立3個重復。5月初進行播種，于6月22日（封行期）、7月23日（快速生長期）、8月23日（生長減緩期）、9月27日（成熟期）對黃麻不同部位進行取樣，并對試驗地播種前和收獲后的根際土壤進行取樣，對其鎘含量進行測定分析。

1.3 樣品采集和分析方法

植株取樣：定期對各小區的黃麻植株進行隨機取樣，將取回的完整植株先用自來水沖洗干凈，再用去離子水清洗，然后將黃麻樣品分為根、莖、葉，分別進行稱重、殺青、烘干和研磨。

土壤取樣：在各小區內0～20 cm土層處采集適量的土壤樣品，剔掉石塊和植物殘體，自然風干后進行研磨，過80目篩。

土壤樣品和植株樣品一同送至湖南省分析測試中心檢測重金屬鎘含量，檢測方法參照《食品安全國家標準食品中多元素的測定》（GB 5009.268—2016）（植株）和《土壤和沉積物12種金屬元素的測定 王水提取-電感耦合等離子體質譜法》（HJ 803—2016）（土樣）執行。

植株在到達收獲期后，記錄樣方內有效株數，然后在小區內隨機選取15株黃麻測量株高、莖粗、皮厚、鮮重，并計算其相應產量。

1.4 指標計算與數據處理

運用Excel 2019對數據進行分析和制圖，運用數據處理軟件SPSS 23.0對數據進行單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 試驗地內黃麻農藝性狀和生物量分析

黃麻成熟后（9月份），對其農藝性狀和生物量進行測定。由表1可知，黃麻可以在重度鎘污染農田中正常生長，個別品種的株高之間、莖粗之間和產量之間均存在顯著差異。農藝性狀方面，371和445的株高明顯高于其他3個品種，均超過4.5 m；莖稈粗度又以446和447為最優，均超過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，黃麻產量以445為最優，較其他品種高出5.96%～47.93%。

表1 5個黃麻品種的農藝性狀和生物量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），對黃麻不同部位鎘含量進行測定。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）測得的試驗地土壤鎘含量如表3所示，播種前試驗地土壤鎘含量差異不顯著，收獲后個別品種間存在顯著差異。5個黃麻品種中，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??；而445和ZM-5栽種后的土壤鎘含量甚至有所增加，這可能是由于試驗地并非封閉環境，受到了灌溉水、土壤條件、品種特性、大氣環境等因素的影響。并且由于試驗地面積較大，各品種黃麻所栽種地塊的水肥條件、土壤條件等存在差異，因此無法設置一個有效的對照組來觀察鎘含量變化。

表3 鎘污染農田土壤鎘含量變化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和轉運特征

根據黃麻播種前和收獲后的土壤鎘含量，計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。由表4可知，相比于封行期，各器官鎘富集系數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表現最佳，在收獲期又以371、446表現最佳。綜合不同黃麻品種鎘富集能力的時空特征可知：446的鎘富集能力最強，371、447次之，445、ZM-5最弱。

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

不同黃麻品種地上部鎘轉移系數如圖1所示，總體來看，鎘轉移系數隨植株生長最終均有不同程度的降低，其中446的鎘轉移系數降幅最大，降低了65.68%；447的鎘轉移系數降幅最小，降低了14.71%。從每月各品種的轉移系數來看，446和ZM-5的鎘轉移系數一直處在較低水平，說明446和ZM-5的鎘轉運能力相對較弱。在收獲期測得的黃麻地上部轉移系數范圍為1.04～2.60，表明這5個黃麻品種都具有較強的鎘轉運能力。

如圖2所示，比較不同黃麻品種莖的鎘轉移系數，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移系數，可知371、445和447最大，ZM-5次之，446最小，綜上可得，446和ZM-5的鎘轉運能力相對較弱。并且從圖中可以看出，5個黃麻品種葉的鎘轉移系數明顯大于莖的鎘轉移系數，其中，371葉和莖的鎘金屬轉移系數相差最大，差值為0.97。

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

3 討論

植物修復作為一種有效治理鎘污染的綠色途徑，越來越受到國內外科研工作者的關注。有研究[21]指出植物對土壤中重金屬的修復能力主要由地上部的重金屬含量和生物量兩個因素決定。而目前國內外對農田鎘污染修復能力的評價指標涉及多方面，主要包括植物對重金屬鎘的吸收能力、富集能力、轉運特征以及植株生物量[22]。為了提高植物修復重金屬污染的能力，利用化學改良劑協助植物修復重金屬污染的相關研究越來越多，化學改良劑可以改善植物不同部位的重金屬富集能力，而不會真正影響植物的生長?，F階段研究的側重點是優化化學改良劑的數量和機制，以實現良好的植物生長和重金屬修復[23]。因此，后續可以通過研究篩選出與鎘結合的最佳化學改良劑與超富集植物配合施用，以提高植物對鎘污染的修復能力，達到更好的鎘污染修復效果。

植物的重金屬富集系數即植物將重金屬從地下部轉移到地上部的能力，是描述重金屬在植物體內累積趨勢的重要指標。本試驗得出，在收獲期，不同黃麻品種各器官的鎘富集系數在1.25～5.14之間，說明黃麻具有較強的鎘富集能力。植物的重金屬轉移系數是衡量植物將重金屬從根部轉移到地上部的能力的標準，也是衡量植物修復重金屬污染的又一重要指標。本試驗中黃麻在收獲期的鎘轉移系數在1.04～2.60之間，說明黃麻具有較強的鎘污染修復能力。有研究[24]表明由于植物地上部對重金屬鎘更加敏感，鎘富集能力較強的植物吸收的鎘主要分布在地下部，地上部的鎘含量較少，這是為了減緩鎘對植物地上部光合作用以及生長發育的影響。而試驗中發現黃麻地上部的鎘含量高于地下部，并且仍能正常生長，由此可知黃麻還具有較強的耐鎘性。而且根據前人報道，在重金屬污染農田種植的黃麻，其纖維制品一般不會存在重金屬超標的問題，符合安全產品標準，因此黃麻在修復重金屬污染的同時，還具有一定的經濟價值，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個黃麻品種的生物量、鎘含量、富集能力和轉運特征等指標，可知在生物量方面，371和445的產量相對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，371次之；在轉運特征方面，371、445和447成熟期的鎘轉移系數都較大。綜上所述，發現371在各方面均表現較佳，因此，371為5個黃麻品種中鎘污染修復能力最強的品種。

本試驗中值得注意的是，在5個黃麻品種中446的鎘含量最多，富集系數最大，但植株較低，產量較少，尤其是轉移系數明顯小于其他品種。造成這種情況的原因可能是446對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，毒害程度超過其自身對鎘的消減能力，從而影響地上部的生長。并且由于植株對鎘的轉移系數是根據地上部/地下部計算得來，而446在這5個黃麻品種中地下部的鎘累積量最大，使得其轉移系數偏小。雖然446的生物量和轉移能力較低，但綜合其他指標，446仍可以考慮用作農田鎘污染修復的植物材料。如能對446根系吸收鎘的能力做進一步研究，挖掘出其根系對重金屬鎘強大的吸收和累積能力的機制，將有機會通過雜交、分子育種等方法培育出更具鎘污染修復潛力的品種。

4 結論

在土壤鎘含量為1.9 mg/kg左右的重度鎘污染農田中栽種的5個黃麻品種仍能正常生長，具有較好的生物學產量和經濟價值，并有較強的富集和轉移能力。不同品種的黃麻對鎘的富集系數和轉移系數均大于1，但在對鎘污染的修復潛力方面存在較大差別。重金屬鎘從根系到葉片的轉移能力強于從根系到莖稈的轉移能力。綜合鎘含量、富集能力、轉運特征、農藝性狀、生物量等各項指標，具有較好農田鎘污染修復能力的黃麻品種是中黃麻11號、菜用黃麻3號和桂菜黃麻2號，其中又以中黃麻11號為最佳鎘污染修復品種。