不同苎麻品种对土壤中镉、铅富集的差异

朱守晶， 史文娟， 揭雨成

(1.湖南农业大学苎麻研究所，湖南 长沙 410128； 2.宜春学院生命科学与资源环境学院，江西 宜春 336000)

铅锌矿的长期开采和原料运输常导致矿区周边大面积的土壤和水体遭受镉、铅等多种重金属的复合污染，这些重金属不仅使农产品的产量和品质下降，而且在被植物吸收以后还会通过食物链危害人畜健康[1-4]。因此如何有效地修复并利用大面积的重金属污染土壤是当前急需解决的一个重要问题。植物修复相比传统的治理手段，具有成本低、环境友好和利于改善土壤等优势，成为目前研究的热点。一直以来重金属植物修复的研究多集中于超富集植物的寻找，但这些植物大多为草本，虽然体内重金属含量高，但限于其自身固有的一些特性，如生物量小、生长缓慢、地域性较强、难以机械化作业等，真正能够应用到植物修复的种类并不多。目前，人们已经开始将目光转向一些生长迅速、生物量大、对重金属有较强耐性且易于田间管理的经济作物，如向日葵、玉米、烟草、亚麻、苎麻等[5-9]。

苎麻又名“中国草”，为多年生宿根性草本植物，长江流域一般每年可收获3次，是中国传统的经济作物和重要的纺织原料，具有分布范围广、适应能力强、生长迅速、生物量大、经济附加值高等特点，在水土保持、环境治理等方面具有较大利用价值[10-14]。近年来，对湖南、广东、广西等多个有色金属矿区的野外资源调查结果表明，苎麻在镉、铅、砷等高浓度重金属污染土壤中生长良好，能够成为当地优势植物[15-16]。进一步的盆栽和大田试验也表明，苎麻对重金属有较强的耐受和富集能力，但不同品种对重金属的耐受和富集特性存在较大差异[17-22]。本研究以7个苎麻主栽品种为供试材料，研究不同苎麻品种对镉、铅复合污染的适应性及富集性差异，为苎麻用于镉、铅污染土壤修复提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试苎麻品种见表1，来自湖南农业大学苎麻研究所。

1.2 试验设计

试验区位于湖南省临湘市桃林铅锌矿，年平均温度为16.4 ℃，年平均降雨量为1 340 mm。土壤背景值为：镉总量5.54 mg/kg，铅总量156.64 mg/kg，有机质含量1.31 %，全氮含量0.11 %，有效磷含量27.20 mg/kg，有效钾含量135.20 mg/kg，pH值6.5。土壤中镉含量超过了国家土壤环境质量二级标准(0.30 mg/kg)，铅含量虽然没有超过土壤环境质量二级标准(300.00 mg/kg)，但远高于湖南土壤背景值(35.00 mg/kg)。2011年8月将苎麻扦插苗移栽于试验田中，小区面积 5 m×2 m，每小区36 穴，7个苎麻品种随机区组排列，每个品种设3个重复，常规大田管理。2012年二麻至2013年三麻于苎麻工艺成熟期，进行株高、茎粗、皮厚等农艺性状和产量的测定，并取植物样和根际土样，其中植物样每小区取5穴，土样按五点取样法取 0～20 cm土层剖面，所用数据均为5季麻平均值。

表1供试苎麻品种

Table1Testedvarietiesoframie

品种名称产地根型石阡竹根麻贵州浅根串生富顺青麻四川浅根串生川苎一号四川深根丛生湘苎三号湖南深根丛生中苎一号湖南深根丛生多倍体一号湖南深根丛生湘苎七号湖南深根丛生

1.3 试验方法

将苎麻按根、麻骨、麻壳、叶片、原麻分开，用自来水冲洗干净，EDTA浸泡根部30 min，再用蒸馏水冲洗，于烘箱中105 ℃杀青，65 ℃烘干至恒重并称质量，粉碎后过60目尼龙筛，备用。土壤样品经自然风干后，过100目尼龙筛，备用。植物样品采用硝酸-高氯酸消化[23]，土壤样品采用王水-高氯酸消煮[24]。消化液采用Z-2310火焰原子吸收分光光度计测定镉、铅含量。

1.4 数据处理

试验数据用Excel2007和SPSS统计软件进行处理，采用LSD法进行差异显著性分析，差异显著水平为P<0.05。

2 结果与分析

2.1 重金属污染农田中苎麻的生长情况

从农艺性状和经济性状来看，在镉、铅复合污染土壤中，7个苎麻品种的株高为 111.90～157.51 cm，单季苎麻生物量为 4 952.55～6 903.45 kg/hm2，单季原麻产量为 400.20～820.43 kg/hm2，这些指标与非污染土壤中种植的苎麻[18,20,25-27]相比未显著降低，表明只要栽培管理措施到位，苎麻对轻度镉、铅污染可以表现出较强的适应性。不同品种间比较，中苎一号单季生物量和单季原麻产量分别为6 903.45 kg/hm2和820.43 kg/hm2，均显著高于其他品种(表2)。

表2苎麻主要农艺性状和生物量

Table2AgronomictraitsandbiomassoframiegrownonCd-Pbcontaminatedcropland

品种 株高(cm)茎粗(cm)皮厚(mm)有效株(穴)单季苎麻生物量(kg/hm2)单季原麻产量(kg/hm2)石阡竹根麻138．27ab9．27bc0．60ab6．47ab5241．45a400．20b富顺青麻128．57ab8．67c0．54b8．58a5364．75a416．22b川苎一号131．26ab9．93ab0．74a5．76b5650．80a550．31b湘苎三号137．43ab9．88ab0．60ab6．62ab5129．70a448．24b中苎一号137．93ab10．93a0．69ab6．67ab6903．45a820．43a多倍体一号157．51a10．34ab0．59ab6．47ab6287．10a500．25b湘苎七号111．90b10．12ab0．68ab7．04ab4952．55a430．21b

同一列数据后不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

2.2 镉、铅在苎麻各器官的分布

镉在7个苎麻品种不同器官的分布规律表现为麻壳、麻骨和根中的镉含量较高，作为纺织原料的原麻中的镉含量较低(图1)。铅在苎麻各个器官的分配与镉有所不同，麻壳、根和叶中的铅含量较高，麻骨和原麻当中的铅含量较低(图2)。

a:石阡竹根麻；b：富顺青麻；c：川苎一号；d：湘苎三号；e：中苎一号；f：多倍体一号；g：湘苎七号。图1 苎麻不同器官镉含量Fig.1 Cd content in different organs of ramie

a:石阡竹根麻；b：富顺青麻；c：川苎一号；d：湘苎三号；e：中苎一号；f：多倍体一号；g：湘苎七号。图2 苎麻不同器官铅含量Fig.2 Pb content in different organs of ramie

2.3 不同苎麻品种对镉、铅的富集与转运差异

富集系数是评价植物吸收积累重金属能力的重要指标，通常系数越大，说明该植物富集效率越高[28]。从表3可以看出，7个苎麻品种的地上部镉含量为 9.07～19.89 mg/kg，平均为13.82 mg/kg；根部镉含量为 11.65～28.63 mg/kg，平均为18.64 mg/kg，地上部和根部对镉的富集系数均大于1。不同品种对镉的富集能力存在差异，中苎一号和湘苎三号地上部对镉的富集系数分别为3.44和3.40，高于其他品种；多倍体一号根部对镉的富集系数最高，达到了5.25，表明中苎一号和湘苎三号的地上部以及多倍体一号的根部对土壤中的镉吸收能力最强。植物地上部重金属含量与根部重金属含量之比即转运系数，表示植物对重金属的向上转运能力，它能反映出重金属在植物体内的运输和分配情况。本试验中，不同苎麻品种对镉的转运系数平均为0.76，其中湘苎三号对镉的转运系数大于1.00，为1.11，说明湘苎三号根系向上运输重金属镉的能力较强。

不同苎麻品种地上部对铅的富集系数为 0.04～0.06，平均为0.05，根部对铅的富集系数为 0.05～0.10，平均为0.08，表明苎麻对土壤中铅的吸收能力较弱。从植株体内铅的转运情况来看，7个苎麻品种地上部的铅含量均低于地下根茎，各品种体内铅的转运系数为 0.39～0.93，平均为0.62，表明铅在苎麻植株体内的转移能力尚可，但鉴于苎麻对铅的累积能力较少，因而总体上限制了苎麻对重金属铅的富集修复效率。

表3苎麻各部位镉、铅含量及富集转运系数

Table3CdandPbconcentrationsofdifferentorgansandenrichment,translocationcoefficient

品种 根部镉含量mg/kg铅含量mg/kg镉富集系数铅富集系数地上部镉含量mg/kg铅含量mg/kg镉富集系数铅富集系数转运系数镉铅石阡竹根麻14．60ab10．09bc2．80ab0．05b9．07d9．41a1．74b0．05ab0．62a0．93a富顺青麻11．65b12．33b2．20b0．08a10．69cd8．33ab2．02b0．06a0．92a0．68bc川苎一号21．55ab17．81a4．21ab0．10a13．68cd7．79b2．67ab0．04bc0．63a0．44d湘苎三号16．63ab9．01c3．06ab0．07b18．47ab7．21bc3．40a0．05ab1．11a0．80ab中苎一号21．96ab16．15a3．79ab0．10a19．89a6．26cd3．44a0．04c0．91a0．39d多倍体一号28．63a12．57b5．25a0．08a14．99bc7．36bc2．75ab0．05ab0．52a0．59cd湘苎七号15．47ab11．18bc3．33ab0．08a9．96cd5．82d2．15b0．04bc0．64a0．52cd

同一列数据后不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。富集系数=植株体内重金属含量/根际土壤重金属含量；转运系数=植株地上部重金属含量/根部重金属含量。

2.4 不同苎麻品种对镉、铅的提取能力

从积累量来看，7个苎麻品种的根部对镉的积累量均高于地上部，地上部镉平均积累量为1穴2.19 mg，根部镉平均积累量为1穴3.37 mg(表4)。不同品种间镉积累量存在显著差异，多倍体一号根部镉积累量最高，为1穴5.39 mg，中苎一号地上部和根部镉积累量较高，分别为1穴3.79 mg和1穴5.04 mg。苎麻是多年生宿根性草本植物，宿根年限可达10～30年，每年可收获地上部3次，且苎麻根系庞大，根群深度可达200 cm左右，若采用收获地下麻蔸的方式修复土壤既不经济也不现实，因此这里主要考虑地上部的提取效果。按照修复范围为20 cm耕层来计算，各品种地上部对镉的提取效率平均为1.84%，其中中苎一号最高，为2.95%。若要将0～20cm耕层土壤中的镉降低到中国土壤环境质量二级标准(0.60 mg/kg)，理论上种植中苎一号所需的修复年限最短，为31年左右，而种植石阡竹根麻所需时间最长，为80年左右。

同镉积累特征相似，7个苎麻品种地上部铅积累量均低于根部，地上部平均铅积累量为1穴1.16 mg，根部平均铅积累量为1穴2.33 mg，其中石阡竹根麻地上部铅积累量最高，为1穴1.37 mg。按照修复范围为20 cm耕层来计算，各品种地上部对铅的平均提取效率仅为0.03 %，且品种间差异不显著。由于试验地土壤中的铅含量未超过国家土壤环境质量二级标准，因此这里未对土壤铅的修复年限进行计算。

表4苎麻镉、铅积累量及提取效率

Table4CdandPbaccumulationandextractionefficiencyoframie

品种 根部积累量(mg，1穴)镉铅地上部积累量(mg，1穴)镉铅地上部年提取效率(%)镉铅土壤镉相对修复年限石阡竹根麻2．32b1．63c1．33c1．37a1．15c0．03a80a富顺青麻2．09b2．315bc1．59c1．24ab1．35c0．04a67abc川苎一号3．53b3．02ab2．11bc1．21ab1．86bc0．03a49bcd湘苎三号3．21b1．75c2．60b1．03ab2．16b0．03a41cd中苎一号5．04a3．67a3．79a1．19ab2．95a0．03a31d多倍体一号5．39a2．38bc2．62b1．28ab2．16b0．04a41cd湘苎七号1．98b1．52c1．32c0．81b1．28c0．03a71ab

同一列数据后不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。植株体内重金属积累量=植株体内重金属含量×植物干物质量；提取效率=植株重金属积累量/(土壤重金属含量×土壤质量)×100%；相对修复年限=(土壤重金属含量-国家土壤环境质量二级标准)×土壤质量/植物体内重金属积累量。

3 讨 论

植物从根部吸收的重金属离子经过木质部运输到茎、叶、果实等器官,在同一植物体的不同组织、器官之间，镉的分布一般存在显著差异，镉优先积累到薄壁组织和芽胞胚中[29-30]。根部的镉积累一般大于茎叶等其他组织，多数植物大约 65%～90%的镉存在于根部[31]。许英等[18]对12份苎麻品种的研究结果表明，苎麻体内镉累积量分布趋势为根>茎>叶，且90%以上的镉都滞留在根部，与本研究结论一致。对于镉在苎麻不同器官的分布，不同试验结论略有差异，代剑平等[17]研究发现，苎麻植株各部分平均镉含量的总趋势为麻壳>原麻>根>骨>叶；许英等[18]研究发现，不同苎麻植株镉含量基本都表现为根>茎>叶；林匡飞等[32]通过盆栽和微区试验发现，苎麻植株各部位镉含量表现为根>茎叶>籽实，而茎叶中镉含量大小顺序为麻壳>麻骨>原麻，其中原麻和精干麻中镉含量极低。在本研究中，苎麻各器官中镉的分布为：麻壳>根>麻骨>叶>原麻，与林匡飞的研究结论相似。苎麻的麻壳主要由次生韧皮部的周皮和薄壁细胞组成，活细胞多，代谢旺盛；麻骨由已经降解的髓腔和木质部组成，主要成分是死细胞和导管构成的木纤维，细胞代谢没有麻壳活跃；苎麻叶片代谢速度快，但由于生命周期短于茎和根，且一段时间后老叶会掉落，并被新叶取代，故而通过地上部取样测得的含量较低；原麻纤维由已经死亡的细胞构成，其液泡、原生质、膜结构已被降解，因此镉含量最低[17]。

大多数重金属通过植物的根系吸收作用得到，还有一部分来自空气，有些元素如铅、汞和锌等，主要是通过植物叶片的吸收作用得到。郑路等[33]研究生长在污染空气中的蔬菜时发现，叶面积大且粗糙的蔬菜体内铅含量较高，反之，那些叶面较小、表面光滑的含量较低，因此他们认为50%以上的铅是通过叶片从大气中吸收得到的。李晓明等[34]研究发现，铅在水稻中的迁移性较弱，在叶面喷施和土壤添加铅以后，铅主要集中在水稻的叶和根部，茎部在水稻叶部和根部的运输中起到屏障作用，铅含量最低。本研究中，铅在苎麻各个器官的分配与镉有所不同，麻壳、根和叶中的铅含量较高，而麻骨和原麻中的铅含量较低。苎麻叶片和根部铅含量较高，其中叶片铅含量高的原因可能是因为在污染农田旁100 m范围内有选矿厂，在生产过程排放的含铅粉尘落在苎麻叶片上，进而被叶片吸收，由于苎麻体内铅的移动性较弱，因而导致叶片铅含量较高。

许英等[18]研究发现，苎麻地上部镉含量总体高于根际土，在10.00 mg/kg左右的镉污染土壤中地上部富集系数最高可达5.8。雷梅等[15]的研究结果表明，苎麻具有很强的镉富集能力，在含镉 10 .00 mg/kg的污染农田土壤中，其地上部含量即可达到15.00 mg/kg，但不同苎麻品种富集镉的能力存在差异。本研究中，在5.00 mg/kg左右的镉污染土壤中，7个苎麻品种地上部的平均镉含量为13.82 mg/kg，苎麻地上部对镉的富集系数最高可达3.44，且农艺性状和经济性状未受显著影响，结果表明苎麻能够耐受低浓度的镉胁迫。7个苎麻品种对铅的富集系数仅为0.05左右，转运系数均小于1，结果表明铅吸收进入苎麻植株后大部分积累在根系，这与黄闺、孟桂元等[35-36]的研究结果一致。其原因可能与土壤中铅的植物可利用性较低有关[37]。有研究结果表明，铅在根系中主要以磷酸盐、碳酸盐等沉淀形式存在，由于吸附、钝化或沉淀作用，根系中的铅很难向地上部转运[38-39]。另一方面，镉、铅之间还存在着交互作用。王宁等[40]研究发现，在镉、铅复合污染条件下，油菜对镉的吸收和转运能力高于铅。王新等[41]研究发现，在复合污染土壤中，镉抑制了水稻对铅的吸收。

根据Brooks提出的超富集植物参考标准[42]，在污染土壤中生长的植物，对重金属的富集系数和转运系数均应大于1，且植株体内镉含量要大于100 mg/kg，铅含量大于1 000 mg/kg。本研究中，7个苎麻品种对镉的富集系数均大于1，但地上部镉含量没有达到这个标准，说明苎麻不是镉的超富集植物，然而苎麻生物量大，生长迅速，单位面积地上部积累量可观。本研究中苎麻地上部对镉的年均提取效率最大可达2.95 %，高于同等污染程度下的镉超富集植物遏蓝菜(0.60 %)和印度芥菜(0.50 %)的提取效率[43]，如试验中苎一号对镉的修复效果最好，预计修复年限为31年，同时可获得一定经济收入，这一结果表明，超富集植物并不是重金属污染土壤植物修复的唯一选择，选择生物量大且具有一定重金属富集能力的植物同样可以达到很好的土壤治理效果，苎麻作为中国传统的纤维用经济作物，只要选择适宜的栽培品种，合理种植，合理处理除原麻之外的叶、麻壳等废弃物，在一定的年限内，既可以修复污染土壤又可以获得较高的经济回报。

但苎麻植株对铅的富集能力较弱，远不及苎麻对镉的吸收富集能力[36,44]，这在一定程度上反映其作为重金属铅污染土壤修复植物具有明显限制因素，虽其相对富集能力而言具有较好的转运效率，但总体上仍然影响了其修复效果，因此苎麻是否适用于铅污染土壤，还需通过进一步的试验来论证。从本研究结果来看，中苎1号无论从产量、经济效益还是镉积累量方面均表现较好，因此比较适合低浓度镉污染农田的修复。

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