甜高粱重金属污染研究回顾

唐玉花，王皙玮，刘乃新*（．甘肃省武威市凉州区发放镇人民政府农业技术推广站，甘肃武威733000；2．黑龙江大学农作物研究院/中国农业科学院甜菜研究所，哈尔滨50080；3．农业部糖料产品质量安全风险评估实验室，哈尔滨50080；4．中国农业科学院北方糖料作物资源与利用重点开放实验室，哈尔滨50080）

甜高粱重金属污染研究回顾

唐玉花1，王皙玮2，3，4，刘乃新2，3，4*
（1．甘肃省武威市凉州区发放镇人民政府农业技术推广站，甘肃武威733000；2．黑龙江大学农作物研究院/中国农业科学院甜菜研究所，哈尔滨150080；3．农业部糖料产品质量安全风险评估实验室，哈尔滨150080；4．中国农业科学院北方糖料作物资源与利用重点开放实验室，哈尔滨150080）

综述了甜高粱与其它植物对重金属污染的反应、甜高粱重金属污染的生理特性研究进展，以期为我国甜高粱产业的快速发展和重金属污染土壤的修复提供参考。

甜高粱；重金属污染；生理特性；研究回顾

随着我国纺织、机械、化学等工业企业快速发展、矿山的过度开采，工业粉尘和汽车尾气、城市各类生活垃圾、污水、工业“三废”的处置不科学，以及在农业种植过程中过量使用农药、化肥等化学物质，导致土壤及农田镉、铅、铜、铬和锰等重金属元素污染日趋严重，这些重金属的长期蓄积不仅会破坏生态系统，而且对人类的健康造成危害，已成为威胁人民群众身体健康的主要问题。甜高粱（Sorghum bicolor L．）具有最耐干旱、高生物量、高光合作用效率和低生产成本等优势，是用于生产生物能源乙醇的优良作物原料，也是一种光合作用及生长期光合产物积累效率高的C4植物[1－2]。甜高粱对重金属污染土壤有光合修饰特性，能吸收土壤中残留的重金属，是在重金属污染土壤中种植的首选植物，通过在污染土壤上种植甜高粱，可有效修复土壤，将土壤修复与生物能源生产有机结合，可有效避免能源和粮食作物间的矛盾冲突[1]，使重金属从粮食链转入能源链，同时兼顾了生态和经济效益，具有广阔的应用前景[3]。重金属污染的耕地不适宜种植小麦、水稻、蔬菜等食物链农作物，全国有1000万hm2～2000万hm2耕地受重金属污染，占耕地总面积的10%以上，全国每年有1200万吨粮食受重金属污染，有1000多万吨粮食因污染而减产，折合人民币损失约200亿元。将这些受污染的耕地加以充分利用，开发种植能源植物不但能解决能源问题，而且还可修复受污染的耕地，对保护环境具有重要意义[4]。本文重点回顾了国内外对甜高粱重金属污染的研究情况。

1 不同植物对重金属胁迫影响的反应

植物对重金属的耐受性各不相同，不同植物间存在差异。不同品种的高粱在污染土壤中种植对重金属的吸收、运输及储存也存在较大差异，对不同重金属的吸收和转移有选择性[5]。据贺玉姣用营养液培养法以早熟一号、能饲一号、大力3个甜高粱品种与玉米（渝单八号）品种为材料，研究了不同浓度的铅（Pb）、锌（Zn）、铜（Cu）对玉米和甜高粱幼苗的影响，结果表明，重金属Pb、Zn、Cu对甜高粱和玉米的株高、根长和干重具显著的负面影响，随重金属浓度的增加，植物中重金属的含量在增加，且地下部高于地上部。玉米较甜高粱能积累较多的Cu与较少的Pb和Zn，对Pb和Zn的耐受性要高于甜高粱，而甜高粱对Cu的耐受性则要强于玉米。在处理浓度≥100μmol/L时，甜高粱由根系向地上部转运的Zn显著高于玉米。在处理浓度＜500μmol/L，甜高粱和玉米体内吸收的Zn随处理浓度加大显著递增，当≥500μmol/L，玉米根系积累的Zn不再明显增加。甜高粱和玉米对Zn胁迫的敏感性差异可能缘于它们的吸收和转运差异[4，6]。刘晓辉等采用6个不同的铝毒浓度（0、50、100、150、200、250μmol/L）浸种，测定甜玉米（佛甜2和佛甜3）、草高粱（吉草3、辽草1）和甜高粱（引4、引26）的抗逆性表现，结果表明：甜高粱种子的超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、丙二醛（MDA）、维生素C（Vc）、黄酮和脯氨酸含量均高于甜玉米，甜高粱芽中SOD、POD、VC、黄酮和脯氨酸含量较高，甜玉米芽MDA含量较高，甜玉米幼苗中SOD、MDA、VC、黄酮和脯氨酸含量均高，而甜高粱幼苗中仅POD含量较高。甜高粱种子和芽对铝毒的抗耐性强于甜玉米，幼苗则是甜玉米优于甜高粱；甜高粱不同品种间“引26”对铝毒抗逆性强于“引4”；不同时期草高粱SOD、POD、维生素C、脯氨酸含量均高于甜高粱，甜高粱的黄酮、MDA含量均高于草高粱，草高粱比甜高粱抗逆性更强[7－8]。高粱根对土壤中重金属的富集系数较高，为0．02（铅）～0．23（镉），转移系数变幅为0．21（钴）～3．42（铅），甜高粱“西蒙”根对钴（Co）、铬（Cr）、锰（Mn）、Cu、Pb和Zn具有高富集系数，粒用高粱“晋中0823”茎对汞（Hg）、镉（Cd）、Mn、Pb和Zn富集系数较高。饲用高粱与甜高粱相比对重金属的吸收未显示明显的差异，甜高粱“西蒙”根对多种重金属具有强储存能力，而粒用高粱“晋中0823”的茎秆显示了比甜高粱更强的储存能力；甜高粱“绿能1号”对多种重金属的转移能力较强，粒用高粱“晋中0823”只对Zn有较高的转移能力[5]。高粱属3种牧草对土壤重金属Cd的影响存在差异，土壤低浓度Cd能刺激高粱属牧草形态学指标增长，而较高浓度的Cd则抑制形态学指标的增长，3种牧草不同组织中Cd的富集量随着Cd处理浓度的增加而增加；苏丹草叶片中保护酶的活性高于高丹草和甜高粱[9]。

甜高粱不同品种对Cd的吸收能力存在着一定的差异，辽甜1号体内积累的Cd含量较新高粱3号高，其对土壤Cd的吸收能力较新高粱3号强[10]。据Dinh Thi Thanh Tra等[2]用100mg/kg镉处理土壤对两个甜高粱品种Keller和E－Tian的研究表明，在温室条件下高镉浓度导致净光合率（Pn）显著下降，E－Tian的Pn比Keller下降的多；Cd处理的植株气孔导度（GS）和胞间CO2浓度（Ci）比对照植株低；Cd处理与对照比叶绿素含量也表现出显著差异。在E－Tian植株，与对照比镉胁迫下叶绿素a和叶绿素b含量减少；而Keller植株，Cd胁迫下叶绿素含量显著提高了。光合活性上E－Tian比Keller对Cd胁迫更敏感。Keller具有潜在的生物燃料生产和土壤重金属修复能力[2]。4个甜高粱品种的生理指标测试结果，种子中不同品种间差异不明显，幼苗中“吉甜杂1”抗氧化性强，“引26”和“引4”抗逆境能力强[11]。6个甜高粱品种在As轻污染土壤中甜高粱生长良好，不同品种间体内不同组织器官As分布有差异，根部As的含量为：新高粱9号＞新高粱4号＞济甜11－8号＞龙杂11号＞新高粱9号，新高粱9号茎部的转运系数最高[12]。

2 重金属污染对甜高粱不同组织器官及生理的影响差异

甜高粱幼苗期和成熟期植株根中镉浓度最高，在幼茎和叶片，Cd与Fe、Zn、Mn呈负相关关系，在根中与Fe呈正相关关系，Cd可能与Fe、Zn和Mn存在运输结合竞争，阻止其向根的迁移。在农业生产中，促进Cd向茎的转运对提高植物修复能力具有重要意义[13]。不同重金属在甜高粱储存部位不同，积累量也不同，甜高粱对Hg、Cd、Mn和Zn的吸收在重金属污染与未污染两种土壤间差异显著，对Co、Cr、Pb和Cu的吸收差异不显著。Mn在甜高粱体内含量表现为未污染土壤高于污染土壤；而Zn含量在不同器官之间存在差异，未污染土壤甜高粱叶中含量远高于穗，穗中含量远高于茎和根。污染土壤中重金属Hg、Cd、Co、Cr和Zn在甜高粱根中积累含量较高，而重金属Cu、Mn和Pb在甜高粱穗中积累量较高。对重金属Zn的吸收转移顺序为：先在甜高粱叶穗中吸收储存，吸收足够量后，再储存在茎根中；对Mn的吸收与其他重金属的吸收存在竞争作用，Hg吸收后很少向地上部转移；而对Cu、Mn和Pb吸收后在穗部的储存量较大[5]。对甜高粱不同Cd胁迫（0、1、5、10、30、50和100mg/kg盆栽试验）下全生育期形态反应、生物产量和生物能源潜力进行研究，当土壤中Cd浓度≤5mg/kg，甜高粱的形态特征，即茎长、叶长和叶数没有显著变化，10mg/kg Cd处理的甜高粱地上部生物量为对照的82．71%，当Cd浓度提高到30mg/kg时减少至70．67%。Cd主要存在甜高粱根系部位，因此对地上生物量再利用不会产生严重影响。在较低浓度Cd处理能够增加高粱属牧草叶片中脯氨酸的含量，0、1、5、10、30、50和100mg/kg镉浓度下甜高粱的乙醇产量预测每年分别为3．65、3．05、3．14、2．69、1．15和0．41t/hm2。由于其高生物量和镉富集能力，甜高粱是镉污染（＜30mg/kg）土壤很好的候选生物能源作物[14]。随着土壤中Cd含量的增加及Cd处理时间的延长，甜高粱根、茎、叶中的Cd含量总体呈增加趋势，甜高粱不同部位Cd含量均表现为：根＞茎＞叶，甜高粱和玉米的株高、根长和干重受重金属Pb、Zn、Cu影响显著[10]。甜高粱在两个生育时期内的砷（As）含量表现为拔节期＞苗期,土壤重金属Cd、Pb和As元素进入甜高粱体内分布规律为根＞茎＞叶，甜高粱体内重金属含量随着土壤中重金属含量增加而增加，不同部位As含量及As在植物体内的迁移率均较低，说明其对As污染土壤的修复能力相对较弱[12，15]。随着Pb处理浓度的增加，甜高粱种子的发芽势、发芽率、根长、芽长、根芽鲜干重、发芽指数、活力指数等均呈下降趋势[16]。

据Foy,C．,T．Jr Carter等研究，铝（Al）的毒性是热带和亚热带地区粮食安全的一个重要限制因素，也是甜高粱生产的主要限制因素。在酸性土壤中，铝溶解成离子形式（Al3+），尤其是当土壤pH值低于5，Al的离子形式对植物是非常有毒的，通过抑制细胞分裂或细胞伸长（或二者同时作用）限制了根的生长[17]。ACPA Primavesi对4个甜高粱品种（CMSxS603、Br500、Sart和Br602）生长在Hoagland溶液中以供应不同水平的Al、磷（P）和镁（Mg）处理，收获后测定根和地上部的干物质，并分析P、K、Ca、Mg和Al含量，由根中干物质表示品种的耐受性，减少的顺序是：Sart、CMSxS 603、Br 500、Br 602；当Mg的浓度提高时，假设P水平比较高，那么对Al毒的耐性增加了；4个品种地上部最大和最小干物质产量与P、K、Ca、Mg和Al含量有关；当营养液中Al的水平低时，对植株的生长取决于品种和供应的其他养分（P和Mg）[18]。据Zhang H等[19]在71个甜高粱品种通过测量相对根系生长（RRG）进行筛选耐Al品种研究，对照品种：ROMA（耐Al）和POTCHETSTRM（Al敏感）。Al处理下，与ROMA品种相比，POTCHETSTRM品种有较高的胼胝质合成酶活性和低的1,3－葡聚糖酶活性，根尖胼胝质沉积。在12个参与胼胝质的合成和降解的基因表达中，发现其中的一个基因编码1,3-葡聚糖酶。这可以解释在Al处理下，胼胝质在ROMA和POTCHETSTRM沉积的原因。由花叶病毒（CaMV）35S启动子表达测定ROMA和POTCHETSTRM的cDNA全长。独立的转基因株系表现明显比野生型和感染对照植物更耐Al。这种表型与更多的总1,3葡聚糖酶的活性相关，可减少根中Al的积累和胼胝质沉积。胼胝质的生产不仅是植物中Al胁迫的早期指标，而且可能是抑制根系生长的毒性通道[19]。4个甜高粱品种经Al不同浓度处理，在种子、幼芽、幼苗3个生长阶段，随着Al毒浓度的增加，抗氧化物质波动，抗逆性物质增高，营养物质缓降，幼苗总变化趋势是SOD与POD波浪式变化，MDA与脯氨酸逐步上升，Vc与黄酮直线下降，高Al毒浓度下甜高粱幼苗仍有40%以上的成活率[11，20]。

3 甜高粱对重金属污染土壤的修复

3.1 植物修复法

植物修复（Phytoremediation）是利用绿色植物来转移、容纳或转化土壤或水体中的污染物使其对环境无害，是一种清除环境污染很有发展潜力的绿色污染处理技术，具有投入成本低、操作简便、太阳能驱动、大规模修复、不破坏土壤生态环境、不需要添加化学试剂、不引起二次污染等优点。重金属污染植物修复技术是利用植物将土壤中的重金属通过吸收、转运、转移、转化、络合等达到修复土壤的目的。形态生理特性分析表明，甜高粱能吸收Cd等重金属，生长不受其轻度胁迫的负面影响，利用甜高粱对土壤中重金属富集和转移的能力，能有效修复污染土壤，在修复重金属污染土壤种植作物选择和经济效益方面，甜高粱是首选的优秀植物资源，因此，它是Cd污染土壤植物修复很有前途的作物[5，13，21]。如果每公斤甜高粱秆可吸收80.04mg铯、44.66mg砷、19.84mg铜、11.24mg镉，若每公顷单产75t，可吸收1200.6g铯、669.9g砷、297.6g铜、168.6g镉，生产乙醇后的甜高粱秆不作饲料用，而是燃烧发电并将重金属浓缩到灰中，得以回收，使重金属污染土地得到充分利用。如果每年种植两季甜高粱改造267万hm2重金属（如Cd）污染农田，可生产乙醇0.2亿吨、发电0.1亿千瓦，回收重金属（Cd）3800t，既从经济上解决了重金属污染土地治理的问题，又可生产清洁燃料并发电，回收重金属，确保食品安全生产，一举多得[22]。

3.2 与生物联合修复

微生物可影响环境中的重金属活性，通过微生物的化学反应可改变重金属离子的价态，从而降低土壤中重金属的毒性。将菌种侵植到植物，利用植物配合微生物相互促生、小生态系统自净作用，可达到土壤重金属转化、蓄积、最终清除的效果。植物促生菌PGPB（plantgrowth promoting bacteria）是一种可为污染部位植物提高营养，直接刺激植物新陈代谢，促进宿主生长的细菌，间接提高植物修复污染的微生物。在重金属污染的土壤和植物中筛选对重金属具有抗性并能促进植物生长的细菌菌株，能有效提高植物生长，修复污染土壤。据张帅[23]通过试验观察PGPB喷施处理调控植物生长的效果研究，在土培条件下，经不同浓度Cd处理，施用WJl和FWJl菌对50mg/kg Cd胁迫处理的甜高粱幼苗的生长有良好改善与促进作用，其地上部分及地下部分鲜干重、水分含量和Cd吸收量较Cd处理组增加。经PGPB处理，重金属污染土壤或未污染土壤中，甜高粱幼苗生长和光合特性指标都较对照有显著提高，PGPB调控甜高粱的生长具有潜力[23]。通过对甜高粱修复土壤的技术研究还发现，在重金属污染的边际土壤上内生菌（PGPE）Bacillus sp.SLS18与甜高粱的共生体能够促进甜高粱在重金属污染边际土壤上的生物质产量和重金属总吸收量[1]。接入假单胞菌属产铁载体细菌（Pseudomonas sp.T07）能提高甜高粱生物量和重金属吸收量，结果，接种处理的甜高粱地上部和地下部生物量比对照分别增加22.6%和33.3%，地上部Cd、Zn和Cu的含量提高了49.5%～55.6%。T07可利用根际与植物的相互吸收、转运、转移、转化作用，使土壤中重金属的可溶出性发生改变，从而改善能源作物甜高粱的重金属修复效率，具有潜在的实际应用价值[24]。蚯蚓-甜高粱复合系统对土壤Cd污染也具有修复作用，杜拉蚓能显著增加甜高粱地上地下部生物量，可使土壤有效Cd提高9.8%，提高甜高粱对土壤中Cd的吸收量[25]。

3.3 与改良剂联合修复

如果重金属污染过重，须配施改良剂，以减轻对修复作物的伤害。不同改良剂对重金属污染土壤的原位修复效果及对牧草生长、重金属累积情况各不相同，向重金属污染土壤中添加有机肥、氮磷钾肥、污水厂污泥和石灰等改良剂均能一定程度提高土壤pH值和土壤肥力，并降低土壤Cu、Zn、Cd、Pb和As的有效态含量，在添加有机肥的重金属土壤，饲用甜高粱可协同改良剂作为稳定修复植物应用于重金属污染土壤的治理中。土壤pH值和土壤肥力均与有机肥的添加量存在正比关系，改良剂能提高牧草对重金属的固定效果。改良剂与铅锌尾矿砂混合可降低重金属的生物可利用率和迁移能力，同时提高铅锌尾矿砂的肥力[26]。石灰和磷矿粉改良剂在重金属污染农田施加后可种植甘蔗、甜高粱、香根草等能源植物。利用石灰、磷矿粉、膨润土、沸石等作为改良剂进行场地基质性质改良，可以实现植物稳定修复、植被恢复、控制污染、美化环境等多种目的，能显著提高土壤的pH，显著降低重金属溶解性，施加石灰1%w/w，磷矿粉0.1%w/w作为改良剂为最佳。施用改良剂石灰和磷矿粉后土壤Cu、Zn有效态含量显著下降。但种植一季甜高粱等能源植物后，发现土壤有效态Cu、Zn含量有所回升，说明种植一季能源植物后仍需要施加改良剂以抑制有效态Cu、Zn的含量对未来修复植物的影响，在重金属污染农田施加适量的改良剂后可以进行甜高粱、甘蔗等能源植物的生产[27-28]。

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Research Review on Heavy M etal Pollution of Sweet Sorghum

TANG Yu-hua1,WANG Xi-wei2,3,4,LIU Nai-Xin2,3,4*
(1.Agrotechnical Service Station of Liangzhou District Fafang Town People's Government,Wuwei733000,Gansu;2.Sugarbeet Research Institute Chinese Academy of Agricultural Sciences/Crop Academy of Heilongjiang University,Harbin 150080,Heilongjiang; 3.Laboratory of Quality＆Safety Risk Assessment for Sugar Crops Products(Harbin),Ministry of Agriculture,P.R China,Harbin 150080,Heilongjiang;4.Key Laboratory of North Sugar Crop Resource and Utilization,Chinese Academy of Agricultural Sciences, Harbin 150080,Heilongjiang)

The response of sweet sorghum and other plants to heavymetal pollution,aswell as research progress of physiological characteristics of sweet sorghum by heavy metal pollution are reviewed,in order to provide references for the rapid development of China's sweet sorghum industry and the remediation of soil contaminated by heavymetal.

sweet sorghum;heavymetal pollution;physiological characteristics;research review

S566.5

B

1007－2624（2017）04－0053－04

10．13570/j．cnki．scc．2017．04．018

2017－02－20

唐玉花（1979－），男，甘肃武威人，助理农艺师，主要从事农业技术推广工作。

刘乃新（1980－），女，硕士研究生，在读博士，助理研究员。从事糖料产品风险评估研究，E－mail：13603686015@139．com