不同改良剂对铅(Pb)污染土壤中工业大麻生长及Pb积累的影响

许艳萍,郭 蓉,郭鸿彦,张庆滢,陈 璇,郭孟璧,吕 品,邓 纲,杨 明*

(1.云南省农业科学院 经济作物研究所,云南 昆明 650205；2.云南大学 农学院,云南 昆明 650500)

土壤是人类、动植物和微生物赖以生存的主要自然资源。但随着我国工业和农业的迅速发展,土壤重金属污染日趋严重[1]。Pb是土壤中常见的一种重金属污染物,具有污染面积大、移动性差、残留时间长、不易被微生物降解等特点,其治理和修复难度大,不仅影响农作物的生长,还通过食物链威胁人类健康[2]。因此,寻求经济、环保、高效的重金属Pb污染土壤的修复技术迫在眉睫。目前,重金属Pb污染土壤的修复技术可以分为两类:物理化学修复和植物技术修复[3]。物理化学修复包括客土深耕法、隔离法、淋滤法等。物理化学修复方法具有成本高、难以大范围使用、难以管理等局限性。植物修复技术包括植物降解、植物挥发、植物萃取及超富集植物[4]。植物修复是一项新兴的、高效的修复技术,因其具有成本低、实施简单、效果永久、对环境无二次污染、美化环境等优良特性而受到广泛关注。

植物修复技术关键在于找到超富集植物,但是目前人们找到的超富集植物存在生长缓慢、植株矮小、生物量小、生态适应性差等特点。如Pb超富集植物密毛白莲蒿(Artemisiasacrorum)、圆锥南芥(Arabispaniculata)等[5],这些植物实际应用难,修复效果极其有限,不易在生产中大规模推广应用,难以应对日益严重的土壤重金属污染问题。因此当前的研究者不再局限于寻找超富集植物,转而寻找对重金属Pb具有耐性且生物量高的植物,如大麻(CannabissativaL.)、大麦(HordeumvulgareL.)、芥菜(Linnaeus)、玉米(ZeamaysL.)、黑麦草(Loliumperenne)等主要农作物。这些作物虽然富集重金属Pb的量低于超富集植物,但其生物量及生长速度都远远大于超富集植物,因此它们在修复重金属Pb污染土壤方面更有实际应用价值[6]。而植物修复主要针对中、轻度污染的土壤进行,修复效果非立竿见影且周期长。因此,配合使用改良剂能促进植物吸收重金属Pb,提高修复效果。在采用植物修复重金属Pb污染土壤的研究中,乙二胺四乙酸二钠(EDTA-2Na,简称EDTA)是一种常见的人工螯合剂,能活化土壤中的Pb,提高植物对Pb的吸收。潘新星等[7]研究发现,施用2.5 mmol/kg EDTA显著提高了黑麦草的Pb含量和积累量。柠檬酸(CIT)是天然小分子有机酸,能降低土壤pH值,有利于植株对重金属Pb的吸收[8]。蚯蚓液是含腐殖酸的水溶性肥料[9]。蚯蚓液能促进植物生长,但利用蚯蚓液的特性减轻污染物胁迫效应的研究鲜见报道。有机肥是农业生产中的常用肥料,含有大量有机质等还原物质,能改变土壤的氧化还原状态,使重金属Pb生成硫化物沉淀,减少植物对Pb的吸收,从而促进植株生长[10]。

大麻(CannabissativaL.)是大麻科大麻属一年生草本植物,是我国传统的经济作物,原产于中国、印度、不丹等地,现在亚洲、欧洲及南美等国家和地区广泛种植。而工业大麻(Industrial hemp)是通过遗传改良后四氢大麻酚(THC)含量低于0.3%、经公安部门批准可合法推广种植的品种类型。工业大麻具有栽培历史悠久、分布广泛、生物量大、抗逆性强、碳汇能力强、易种植管理、耐密植、耐旱、耐瘠,根系发达,生长速度快等优良特性[11],是一种比较理想的修复重金属Pb污染土壤的植物。目前,国内外学者对工业大麻吸收、富集以及转移重金属的相关研究报道不多,不同改良剂的施用对工业大麻吸收和抵抗重金属有什么影响也不清楚。因此我们采用模拟自然环境土壤高Pb胁迫的盆栽方法,研究了不同类型的3个工业大麻品种配施不同改良剂对重金属Pb的吸收积累以及生长发育特性的影响，旨在为利用工业大麻修复高Pb污染土壤提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以云南省农业科学院经济作物研究所选育的工业大麻晚熟常规品种云麻1号(ym1)、工业大麻早熟常规品种云麻2号(ym2)、工业大麻杂交早熟品种云麻3号(ym3)作为试验材料。

以EDTA、柠檬酸、蚯蚓液、有机肥作为土壤改良剂。其中EDTA和柠檬酸由试剂公司提供；蚯蚓液体肥料和有机肥料来自北京清大元农肥业有限公司。

供试土壤为耕作层的干净土壤,经风干、捣碎、剔除杂物后,过40目筛，混合均匀;供试土壤的理化性质如下:有机质含量19.3 g/kg,全氮含量0.122%,全磷含量991 mg/kg,全钾含量0.107%,水解性氮含量111.2 mg/kg,速效磷含量13.2 mg/kg,速效钾含量275 mg/kg, Pb含量57 mg/kg, pH值6.02。

1.2 试验方法

于2017年在云南省农业科学院经济作物研究所进行盆栽试验,盆钵直径80 cm,高60 cm,每盆装过筛风干土20 kg。分析纯硝酸Pb[Pb(NO3)2]作为外源污染试剂,土壤重金属背景Pb含量为1500 mg/kg。不同改良剂及其用量为: EDTA 2.0 mmol/L、柠檬酸2.0 mmol/L、有机肥1050 kg/hm2、蚯蚓液45 kg/hm2。试验采用完全随机区组设计,设4个改良剂处理，以不加改良剂的污染土壤为对照；每个处理或对照3个重复,每个重复为1盆,共45盆。

2017年6月1日将Pb(NO3)2与土按规定用量充分混匀装盆,放置静止络合15 d,于6月15日每盆施尿素5.0 g作为底肥，然后进行3个品种播种,每盆播种20颗。出苗后选择长势一致的幼苗,每盆定苗5株,待2～3对真叶期时,按照3个品种的处理设置分别施加不同浓度的改良剂,即每盆施加EDTA 11.7 g、柠檬酸7.7 mL、有机肥11.5 g或蚯蚓液0.5 mL。栽培管理采用常规方式。在种子成熟期收获雌株,同时测定植株不同器官中的Pb含量。

1.3 测定方法

1.3.1 工业大麻农艺性状的测定 在收获工业大麻时测量其株高(cm)和茎粗(cm)。

1.3.2 工业大麻生物量的测定 自然阴干在种子成熟期收获后的工业大麻样品,分别测量样品的根、茎、叶、种子干重(g),即为植株不同器官的生物量。

1.3.3 工业大麻Pb富集量的测定 在105 ℃下将植物样品杀青30 min,在70 ℃烘箱烘干至恒重,用电子天平称取各部分干质量,烘干样品粉碎过0.2 mm筛,备测。对粉碎后的样品用HNO3∶HClO4=5∶1(体积比)的混合液进行微波消解、定容。用原子吸收分光光度计法测定样品中的Pb含量。

1.3.4 工业大麻富集能力的计算 计算公式为：富集系数(BCF)=植株体内重金属含量/土壤中重金属含量；转运系数(TF)=植物地上部分重金属含量/地下部分重金属含量。

1.4 数据分析

采用EXCEL和SPSS 20.0软件进行试验数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同改良剂对工业大麻农艺性状的影响

由图1、图2可知,不同改良剂对不同品种工业大麻的株高和茎粗有不同程度的影响，总体表现为：施加EDTA抑制工业大麻的株高和茎粗生长；而添加柠檬酸、蚯蚓液及有机肥3种改良剂对工业大麻的株高和茎粗具有一定的促进作用。具体来说, EDTA显著抑制了ym1 和ym2的株高,而对ym3株高的影响不显著; EDTA对3个品种茎粗的影响较小,与对照差异不显著;EDTA对3个品种株高和茎粗的抑制率分别为22.3%、26.9%、16.5%和15.4%、5.6%、15.3%；施用其余3种改良剂对工业大麻株高和茎粗的影响较小,与对照相比差异不显著。

不同小写字母表示在0.05水平上差异显著,下同。

2.2 不同改良剂对工业大麻生物量的影响

4种改良剂对3个工业大麻品种不同器官生物量的影响如图3～图6所示。与对照相比, EDTA显著降低了工业大麻根、茎、叶和种子的生物量,对其植株的生长发育表现出很强的抑制作用；柠檬酸、蚯蚓液也显著降低了3个品种植株的根、茎和叶生物量,但对植株生长发育的影响远远小于EDTA;有机肥对工业大麻根、茎生物量的影响不显著,略促进了ym1、ym2的根生物量,增加了ym1叶和种子的生物量。总之,EDTA处理显著降低了3个品种不同器官的生物量；其余3种改良剂处理对工业大麻各部分生物量的降低程度不大,依次为蚯蚓液>柠檬酸>有机肥。

图2 不同改良剂对工业大麻茎粗的影响

图3 不同改良剂对工业大麻根干重的影响

图4 不同改良剂对工业大麻茎干重的影响

2.3 不同改良剂对工业大麻富集Pb的影响

从表1中可看出,土壤中添加不同改良剂明显影响3个工业大麻品种对重金属Pb的吸收,其中EDTA总体上增强了植株不同器官对Pb的吸收,且根的吸收量最大,通过根吸收后再由茎通过导管输送到其它末端器官,显然地上部不同器官对Pb的吸收量明显低于根部,吸收量依次为茎≥叶>纤维>种子；其它3种处理剂不同程度地促进了植株对Pb的吸收。

图5 不同改良剂对工业大麻叶干重的影响

4种改良剂促进了工业大麻根、茎、叶、纤维及种子对Pb的吸收,作用最显著的是EDTA,其导致ym1、ym2和ym3根系Pb含量分别提高了20.0%、15.95%和 27.1%(与对照相比)。除了EDTA显著提高茎对Pb的吸收外,其余3个处理对ym1吸收Pb的影响不显著;同时EDTA、柠檬酸和蚯蚓液3种处理剂的施入有利于品种ym2的茎器官对Pb的吸收,与对照相比差异显著;品种ym3的茎器官在4种处理剂的作用下,累积铅的能力虽与对照存在显著差异,但增加量不高,影响不是很大。

注:表中数据为平均值±标准误差(n=9)；同一列数据后附不同字母表示各处理之间差异显著(P<0.05)。

4种处理剂的添加都不同程度地提高了3个工业大麻品种植株叶片对重金属Pb的吸收,但EDTA促进叶器官累积Pb的效果更突出,使ym1、ym2和ym3叶片中Pb含量分别比对照提高了144.4%、155.1%和 342.0%,这说明EDTA可以强有力地促进Pb从根部运输到茎再转运到叶片,使得地上部分叶片中的Pb含量保持最高而不影响植株的生长发育。

此外，在地上部分纤维中的Pb累积量远大于种子中的,种子中的Pb含量是最低的,除了经EDTA处理后的ym2和ym3种子Pb含量接近15 mg/kg外,其余处理的种子Pb含量均未超过10 mg/kg。

总之,不同改良剂对3个工业大麻品种不同器官吸收Pb的影响有差异,其中根部的Pb含量最高;在不同改良剂中,作用最显著的是EDTA,促进植株根部快速吸收Pb后转运到不同器官。

2.4 不同改良剂对工业大麻不同部位Pb富集和转移的影响

由表2可知,Pb主要富集在大麻的根部；其余各部位对Pb的富集能力依次为茎>叶>纤维>种子。不同改良剂处理对工业大麻Pb富集系数有不同的影响,EDTA处理下的3个工业大麻不同部位的Pb富集系数最大,其中富集系数最大的是ym3中的根器官。蚯蚓液处理下工业大麻不同部位Pb的富集系数也有所增大,但增加幅度较EDTA的小。

表2 不同改良剂对3个工业大麻品种不同器官中Pb的富集系数和转运系数的影响

工业大麻不同部位中Pb含量的变化特征与植物不同部位重金属的迁移能力有关。通过转运系数可知不同改良剂处理是否影响工业大麻的转运能力。从转运系数(表2)看,不同改良剂处理间及不同品种间转运系数存在差异, Pb主要由根转移到茎、叶和纤维中,只有少部分转移到种子中。在EDTA处理下3种工业大麻的转运系数较CK都大,并且在根-叶、根-纤维中增长最大,说明EDTA能有效提高Pb从根向叶和纤维中的转移。蚯蚓液处理下的转运系数较EDTA处理低,但与CK相比显著增高,并且在根-茎、根-纤维中增长最大,说明蚯蚓液可以提高Pb从根向茎和纤维转移。

3 结论与讨论

本试验的土壤背景的Pb含量为1500 mg/kg,未对工业大麻的生长发育造成影响,3种不同品种类型的工业大麻生长正常。表明工业大麻对Pb具有很强的耐性和富集能力,且3个工业大麻品种的富集能力有差异,表现为ym3>ym2>ym1,这与曾民等[12]的研究结果一致；工业大麻不同器官对Pb的富集能力表现为根>茎>叶>纤维>种子,这与Angelova等[13]的研究结果一致。

株高、茎粗作为植物农艺性状的基本标志,在栽培中,常被用来衡量各种农业措施的效果,同时植物生物量也是反映污染土壤环境中植物修复效果的一个重要指标。本试验中EDTA在促进工业大麻吸收重金属Pb的同时抑制其生长,显著降低了3种工业大麻的株高、茎粗及各部位的生物量。李玉双等[14]研究发现向Pb污染的土壤中加入3 mol/L的EDTA能显著降低白菜的生物量,抑制白菜的生长。EDTA抑制工业大麻株高、茎粗及各部位生物量的原因可能是土壤溶液中的重金属离子结合形成易被植物吸收的络合物,重金属进入植物体内产生毒害作用。施用蚯蚓液、柠檬酸和有机肥对工业大麻的株高和茎粗无显著影响,其中有机肥对3种工业大麻的株高、茎粗有一定的促进作用,增加了工业大麻各部位的生物量,这与Chiu等[15]的研究结果一致,究其可能的原因:一是有机肥中含有机质，能使重金属形成硫化物沉淀,减少Pb对工业大麻的毒害作用;二是有机肥中含有促进植物生长的物质,能促进工业大麻生长。

富集系数(BCF)是植物体内重金属含量与土壤中重金属含量的比值,是衡量植物对重金属积累能力的重要指标,其值越大,表明植株从土壤中吸收该重金属的能力越强[16]。转运系数(TF)是表征植物从地下部转移重金属到地上部的能力,可间接反映植物对重金属的耐受性。在本研究中，EDTA处理显著提高了工业大麻各个器官对Pb的吸收能力,表现为富集系数和转运系数显著提高,这与张玉芬等[17]的研究结果一致,可能是由于EDTA活化了土壤中重金属离子，使得工业大麻能更容易吸收土壤中的Pb,同时使Pb从该植物根部向地上部有较高的迁移能力。蚯蚓液处理可以提高工业大麻吸收Pb的能力,但程度较EDTA低,这可能是由于蚯蚓液中含有腐殖酸,能降低土壤pH,活化土壤中的重金属,同时蚯蚓液含有GA3，能促进植物的生长[18]。在柠檬酸处理下植株吸收Pb的能力与对照相比略有增强,这可能是由于柠檬酸能降低土壤pH,对土壤中Pb具有活化作用，能促进植物对Pb的吸收。施用有机肥提高了工业大麻的生物量,降低了工业大麻各部位对Pb的富集系数和转运系数,减少了重金属对作物根系的毒害作用,这可能是由于有机肥中含有机质,与土壤中重金属发生还原作用,使重金属生成硫化物沉淀,降低了植物对Pb的吸收,这与孙健等[19]的研究结果一致。

目前国内外发现Pb超富集植物很少,而国内报道的Pb超富集植物密毛白莲蒿(Artemisiasacrorum)、圆锥南芥(Arabispaniculata)等[5]多为野生型植株,存在生物量小、生长慢等缺点,生物修复效果有限,而其它生物量大、生长快的低富集植物,如玉米(ZeamayL.)、大麦(HordeumvulgareL.)等[20-21],则存在重金属进入食物链的风险。本试验所用的工业大麻主要收获纤维,不进入食物链,且生育期短、生物量高、富集重金属能力强,干物质量可达18.0 t/hm2,使其在重金属污染土壤修复方面具有无可比拟的优势。本试验在施用不同的改良剂下，3个不同类型的工业大麻吸收Pb的能力大大提高,从而在提取污染土壤中的Pb方面具有很好的利用价值。从表2可以看出,虽然3个工业大麻品种对重金属Pb都有较好的富集能力和抗性,且在不同改良剂下表现出一定的富集能力差异,为ym3>ym2>ym1,但3个品种的生物量有明显的不同,ym3和ym2为早熟型品种,其干生物量为12.0～13.5 t/hm2,而ym1为晚熟品种，其干生物量远大于18.0 t/hm2。所以在实际修复应用中可以采用ym1作为Pb矿区修复的理想植物,若工业大麻不被作为目标植物，则可配合施用EDTA来显著增强工业大麻对土壤中Pb的富集；若工业大麻作为目标植物收获，则施用EDTA会对工业大麻产生较强的毒害作用,并且EDTA为人工螯合剂，在自然界中不易分解,难以收集处理,因此可以改用蚯蚓液达到改良修复土壤的效果。