不同品种红麻在重度与轻微镉污染耕地的修复试验

尹明，唐慧娟，杨大为，邓勇，李德芳，赵立宁，黄思齐

（中国农业科学院麻类研究所/农业农村部麻类生物学与加工重点实验室，长沙410205）

据2014 年我国环境保护部和国土资源部公布的土壤污染数据，我国Cd 污染点位超标率已达到7.0%，在无机污染物中居首位，农田耕地是污染程度最大的土壤类型[1]。有研究表明，我国每年有1 417 t的Cd 进入农田耕地，主要源于大气沉降、家畜粪便、化肥以及灌水，而每年耕地自然条件下减少的Cd 只占其总量的13.00%，剩余Cd 还会残留在土壤中[2]。如果不进行人为的耕地Cd 污染修复，我国耕地Cd 含量将会在2040 年全面超过现设的土壤Cd 污染标准[3]。我国湖南、广东、广西等南方省份Cd 污染尤为严重，污染耕地已达全国总耕地的1/6[4]，这严重影响到我国农业的可持续发展。Cd 不是人体必需的元素，具有较强的致癌、致畸形及致突变作用，联合国环境规划署（UNEP）将其列为全球性的危险化学物质[5]。当前针对Cd 污染耕地的治理主要有物理、化学、生物等方法[6]，通过物理或化学的方法降低或活化Cd 的活性，使其更容易被固定在耕地中或移除出耕地，通过生物的方法筛选出对Cd 低富集或高富集的植物品种，低富集的植物可以减少植物中的Cd 含量，高富集的植物可以有效移除耕地中的Cd，其本质都是减少Cd对人体的影响[7]。在这些方法中，植物修复利用高富集植物移除耕地中的Cd，因不对环境产生二次污染而被重点研究和推广[8-9]。但植物修复中多数高富集植物经济价值较低，难以大规模应用[10]。

红麻（Hibiscus cannabinus）是锦葵科木槿属一年生韧皮纤维作物，生物量大、生长周期短、经济价值较高，且不易将Cd带入人类食物体系[11-12]。红麻近年来也开始被用于修复Cd 污染耕地，王路为等[13]发现重金属污染区的红麻Cd 富集系数大于1；王玉富等[10]发现种植红麻可使土壤Cd含量每年降低347 g·hm-2；李文略等[12]发现红麻可使土壤Cd 含量每年降低25.7 g·hm-2。虽然近几年已有红麻修复重金属污染土壤的相关研究，但多数只于单个环境下试验，无不同环境的对比试验；多数试验只检测红麻收获时各部位Cd含量，计算其富集与转移系数，未有不同时间点红麻各部位Cd 含量的变化趋势；这些试验虽肯定了红麻对重金属的修复效果，但结论中红麻所能提取的Cd含量却相差巨大。故本试验将7 种红麻作为试验材料，测定其在重度与轻微Cd 污染耕地下不同时间点各器官的Cd含量，计算其富集系数与转移系数，研究不同环境下不同时间点不同红麻品种对Cd的移除能力及其生长特性，为不同污染程度的耕地推荐适宜的红麻品种，确定红麻各部位合理收获时间提供数据基础，为红麻修复Cd污染耕地提供更多的理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料由中国农业科学院麻类研究所提供，见表1。

表1 试验材料编号与品种Table 1 Test material number and varieties

1.2 试验设计

1.2.1 重度污染耕地修复试验

试验基地选取湖南省浏阳市Cd 污染基地，土壤Cd含量为1.72～2.18 mg·kg-1。将7种红麻于2018年5月16 日播种，9 月27 日收获。每个红麻品种播种一个独立小区，小区面积7.5 m2，小区间行列间距20 cm，红麻播种量25 g，7 个红麻品种小区为一个区组，共设3 个区组为试验重复，区组内随机种植红麻小区，于3 个区组周围设保护行。种植期间，于6 月22日、7 月23 日、8 月23 日、9 月27 日进行红麻取样，测定相应根、茎、叶的Cd含量；于5月16日（播种期）与9月27 日（收获期）取土样，测定土壤Cd 含量、测定各小区红麻最终的株高、茎粗、样方干质量、样方有效株数、单位面积干生物量，计算各红麻品种的富集系数、转移系数、Cd移除量。

1.2.2 轻微污染耕地修复试验

试验基地选取湖南省湘潭市Cd 污染基地，土壤Cd含量为0.38～0.50 mg·kg-1。7种红麻于2018年5月10日播种，9月30日收获。样方面积和种植方式与重度污染修复试验相同。种植期间，于6 月20 日、7 月20 日、9 月22 日进行红麻取样，测定相应根、茎、叶的Cd 含量；于5 月14 日（播种期）与9 月22 日（收获期）取土样，测定土壤Cd含量；测定各小区红麻最终的株高、茎粗、样方干质量、样方有效株数、单位面积干生物量，计算各品种红麻的富集系数、转移系数、Cd 移除量、两个环境试验结果的总变异、各品种红麻的回归系数。

1.3 样品采集与分析方法

取样时，每种红麻在2 个环境下3 个小区里共取6 株样本进行测定，同时取6 个相应土样。植株取样时，确保其完整性与整洁性，用自来水与去离子水清洗，先105 ℃杀青1 h，后80 ℃烘干至恒质量，每个小区的样研磨后混匀。土壤取样时，取小区表层下3～5 cm 处土壤，80 ℃烘干，研磨混匀，送至湖南省分析测试中心检测其Cd 含量。植株和土壤检测方法分别参照《食品安全国家标准食品中多元素的测定》（GB 5009.268—2016）和《土壤和沉积物12 种金属元素的测定王水提取-电感耦合等离子体质谱法》（HJ 803—2016）执行。

1.4 指标计算

富集系数=植株各部位Cd 含量（mg·kg-1）/土壤Cd含量（mg·kg-1）[14]

转运系数=植株地上各部Cd含量（mg·kg-1）/植株地下部Cd含量（mg·kg-1）[15]

植株Cd 富集系数或转移系数越大，则表示植株的Cd富集或转移能力越强[16-17]

单位面积植物提取总量（g·hm-2）=叶片生物量（kg·hm-2）×叶片重金属含量（g·kg-1）+茎秆生物量（kg·hm-2）×茎秆重金属含量（g·kg-1）

试验总变异数学模型为：xijk=μ+ti+Lj+（tv）ij+rjk+eijk，μ 为群体的平均值，ti为品种i 的效应值，Lj为地点j 的效应，（tv）ij为品种与地点互作效应，rjk为地点内的区组效应，eijk为随机误差，利用一年多点试验方差分析中的F 检验判定其变异效果是否对试验产生显著差异[18]。

利用Finlay 和Wilkinsom 模型对各红麻品种进行回归分析，回归系数bi的计算方法[19]为：

1.5 数据统计与分析

数据采用SPSS 21 与Microsoft Office 2019 进行统计分析，差异性分析采用Duncan分析。

2 结果与分析

2.1 重度Cd污染土壤修复试验

2.1.1 不同品种红麻Cd累积情况

由图1～图3 可知，重度Cd 污染下不同品种红麻各部位各时期的Cd 累积差异明显，但变化趋势近似一致。根的Cd 含量，6 月最高，平均值9.17 mg·kg-1；7月大幅下降；8 月小幅下降，含量最低，平均值4.27 mg·kg-1；9 月小幅度上涨。茎的Cd 含量，6 月最高，平均值11.30 mg·kg-1；7 月大幅下降；8 月与9 月小幅下降，9月最低，平均值1.95 mg·kg-1。叶的Cd含量，6月最高，平均值14.38 mg·kg-1；7月与8月小幅下降，8月最低，平均值6.56 mg·kg-1；9月部分提升。7种红麻各部位Cd 含量，6 月时叶＞茎＞根；7 月时叶＞茎≈根；8 月时叶＞根＞茎；9月时叶＞根＞茎。

2.1.2 不同品种红麻Cd富集系数

由表2 可得，重度Cd 污染下不同品种红麻各部位各时期的Cd富集系数差异明显。6月，各品种红麻根的富集系数范围为3.51～6.82，平均值5.08；茎的范围为4.79～7.73，平均值6.22；叶的范围为6.25～9.91，平均值7.89；富集系数排列为叶＞茎＞根。9 月，根的范围为1.58～4.38，平均值3.33；茎的范围为1.11～1.76，平 均 值1.44；叶 的 范 围 为6.49～8.83，平 均 值7.45；富集系数排列为叶＞根＞茎。从6月到9月，根富集系数下降了34.45%、茎下降了76.85%、叶下降了5.58%，下降幅度茎＞根＞叶。

图1 重度Cd污染下不同品种红麻中根的Cd含量Figure 1 Cadmium content in different varieties of kenaf roots under heavily cadmium pollution

图2 重度Cd污染下不同品种红麻中茎的Cd含量Figure 2 Cadmium content in different varieties of kenaf stems under heavily cadmium pollution

2.1.3 不同品种红麻Cd转移系数

由表3 可得，重度Cd 污染下不同品种红麻各部位各时期的Cd转移系数差异较明显。6月，各品种红麻茎的转移系数范围为0.94～1.49，平均值为1.26；叶的范围为1.16～1.94，平均数为1.61。7 月，茎的范围为0.63～1.78，平均值为1.20；叶的范围为1.10～2.91，平均数为2.16。8 月，茎的范围为0.61～0.80，平均值为0.72；叶的范围为0.72～2.53，平均数为1.61。9 月，茎的范围为0.32～0.70，平均值为0.46；叶的范围为1.55～4.25，平均数为2.43。从6月到9月，茎的转移系数一直下降，最终下降63.49%；而叶的转移系数先下降，后上升，最终上升50.93%。

表2 不同品种红麻不同部位Cd富集系数Table 2 Cadmium enrichment factor in different parts of different varieties of kenafs

2.2 轻微Cd污染土壤修复试验

2.2.1 不同品种红麻Cd累积情况

由图4～图6 可知，轻微Cd 污染下不同品种红麻各部位各时期的Cd 累积有明显差异，但变化趋势近似一致。根的Cd 含量，6 月最低，平均值为1.75 mg·kg-1；7 月与9 月小幅上升，9 月最高，平均值为1.93 mg·kg-1。茎的Cd 含量，6 月最高，平均值为2.58 mg·kg-1；7月大幅下降，含量最低，平均值为0.79 mg·kg-1；9 月小幅提升。叶的Cd 含量，6 月最高，平均值为4.56 mg·kg-1；7 月小幅下降，含量最低，平均值为2.86 mg·kg-1；9月小幅提升。7种红麻各部位的Cd含量，在6月时为叶＞茎＞根；7月时叶＞茎＞根；9月时叶＞根＞茎。

表3 不同品种红麻不同部位Cd转移系数Table 3 Cadmium transfer factor in different parts of different varieties of kenafs

图4 轻微Cd污染下不同品种红麻中根的Cd含量Figure 4 Cadmium content in different varieties of kenaf roots under slightly cadmium pollution

图5 轻微Cd污染下不同品种红麻中茎的Cd含量Figure 5 Cadmium content in different varieties of kenaf stems under slightly cadmium pollution

2.2.2 不同品种红麻Cd富集系数

由表4 可知，轻微Cd 污染下不同品种红麻各部位各时期的Cd富集系数差异明显。6月时，各品种红麻根的富集系数范围3.47～4.53，平均值4.07；茎的范围4.91～7.53，平均值5.96；叶的范围7.91～13.91，平均值10.53；富集系数排列为叶＞茎＞根。9 月时，根的范围3.79～6.76，平均值4.86；茎的范围2.08～2.73，平均值2.42；叶的范围7.67～14.63，平均值11.35；富集系数排列为叶＞根＞茎。从6 月到9 月，根的富集系数上升了19.41%、茎的下降59.40%、叶的上升7.79%，下降幅度茎＞叶＞根。

2.2.3 不同品种红麻Cd转移系数

由表5 可知，在轻微Cd 污染耕地中，不同红麻中叶的Cd 转移系数差异明显，茎中无明显差异。6 月时，各红麻茎的转移系数范围1.17～1.68，平均值1.47；叶的转移系数范围1.89～3.07，平均数2.63。7月时，茎的范围0.29～0.65，平均值0.46；叶的范围1.26～2.38，平均数1.72。9 月时，茎的范围0.38～0.70，平均值0.52；叶的范围2.02～2.92，平均数2.50。从6 月到9月，茎的转移系数一直下降；而叶的转移系数先下降，后上升，最终下降4.94%。

2.3 植株Cd移除量与土壤Cd含量变化

由表6 可知，重度Cd 污染耕地中不同品种红麻移除的Cd 含量为72.49～149.17 g·hm-2，平均92.08 g·hm-2；轻微Cd 污染耕地中不同品种红麻移除的Cd 含量为25.95～49.91 g·hm-2，平均39.18 g·hm-2。从表7可得，重度Cd 污染耕地中Cd 含量下降0.16～0.90 mg·kg-1，平均值0.48 mg·kg-1，下降幅度9.30%～41.28%，平均降幅24.99%；轻微Cd 污染耕地中Cd 含量下降0.02～0.11 mg·kg-1，平均值0.05 mg·kg-1，下降幅度4.65%～22.00%，平均降幅11.39%（除XT4 外）。将两个环境的数据进行对比，重度污染耕地Cd 含量为轻微污染的4.30 倍，红麻Cd 移除量为轻微污染下的2.35 倍，土壤下降Cd 含量是轻微污染环境的16.00倍，下降幅度是轻微污染环境下的2.19倍。

图6 轻微Cd污染下不同品种红麻中叶的Cd含量Figure 6 Cadmium content in different varieties of kenaf leaves under slightly cadmium pollution

表4 不同品种红麻不同部位Cd富集系数Table 4 Cadmium enrichment factor in different parts of different varieties of kenafs

表5 不同品种红麻不同部位Cd转运系数Table 5 Cadmium transfer factor in different parts of different varieties of kenafs

2.4 Cd污染下不同品种红麻生长指标

由表8 可知，重度Cd 污染环境下，不同品种红麻各项生长指标具明显差异。7 种红麻中，X1、X2、XT4的株高超过5 m；X1、X2、XT5、16C 的茎粗超过26 mm；X1 与XT5 的单位面积干生物量超过2.70 kg·m-2，其中X1 与XT5 的生长指标与产量较其他品种红麻表现更优良。由表9 可知，轻微Cd 污染环境下，不同品种红麻各项生长指标也具明显差异。7 种红麻中，X1 与X2 的株高超过5 m，茎粗超过24 mm，单位面积干生物量超过3.00 kg·m-2，其生长指标与产量较其他品种红麻表现更优良。

2.5 试验总变异来源及各品种回归系数分析

从表10 可知，地点间、品种间、地点与品种互作的变异显著性均小于0.05，可与F检验临界表进行对比，而地点内区组的变异显著性为0.534，为不显著变异。从F检验临界值表中，可得F0.05（1，24）=4.260，小于地点间的F值；F0.05（6，24）=2.508，小于品种间、地点与品种互作间的F值。表明试验的总变异主要来源于地点间、品种间、地点与品种互作，而地点内区组的变异对试验总变异未产生显著影响。从表11 可知，各品种的回归系数均小于1，表明各品种的稳定性都较高，在重度Cd 污染耕地中，X1 与XT5 各方面指标较其他品种更优，但X1 回归系数更低，表现更稳定；轻微Cd 污染耕地中，X1 与X2 各方面指标较其他品种更优，但X2回归系数更低，表现更稳定。

3 讨论

3.1 不同品种红麻各部位Cd含量变化趋势

在两种污染耕地中，红麻根与茎的Cd 含量都呈下降趋势，而叶Cd含量在下降后，9月明显上升，各部位Cd 含量的前期排序为叶＞茎＞根，后期为叶＞根＞茎。根Cd在两个耕地中分别下降53.44%与-10.29%，茎中分别下降82.74% 与69.38%，叶中下降了54.38%与37.28%。茎的Cd 含量下降幅度最大，表明茎中有良好的Cd 运输机制，可将茎中的Cd 运输到叶中[20]。而叶中的Cd 在6 月到8 月有明显下降，9 月后明显上升，可能是叶片中一些抗Cd 或抗氧化的防御系统在发育过程中进行了响应[21]，如叶片中的POD[22]或SOD[23]等。红麻叶片富含蛋白，可用作饲料原料，而饲料含Cd 量需低于1 mg·kg-1[24]，因此可选择在红麻叶片Cd 含量较低的时间段进行收割，即8 月中下旬，在添加时需注意控制其比例不超过10%；如要预防重金属污染食物链，则可于9 月底收割叶片来制作复合板材。红麻韧皮可作纤维生产纺织品，茎秆作复合材料制造家具，纺织品含Cd 量需低于40 mg·kg-1，家具含Cd 量需低于75 mg·kg-1[25-26]，红麻韧皮部与茎秆中Cd 含量远远低于相应标准，故可以在红麻生长成熟后进行收割。

表6 不同品种红麻Cd移除量（g·hm-2）Table 6 Cadmium removal capacity of different varieties of kenafs（g·hm-2）

表7 不同品种红麻对应土壤Cd含量Table 7 Cadmium content in soils corresponding to different varieties of kenafs

表8 重度Cd污染下不同品种红麻生长指标Table 8 Physiological indexes of different varieties of kenafs under severe cadmium pollution

表9 轻微Cd污染下不同品种红麻生长指标Table 9 Physiological indexes of different varieties of kenats under severe cadmium pollution

表10 试验总变异及F检验Table 10 Total test variation and F test

3.2 不同品种红麻Cd富集与转移系数的对比

各品种红麻9 月份在重度Cd 污染环境中根的富集系数平均值为3.33、茎为1.44、叶为7.45；在轻微Cd污染环境中根富集系数平均值为4.86、茎为2.42、叶为11.35。对比符慧琴等[27]研究中，0.41 mg·kg-1（轻微污染）Cd 浓度土壤中20 种苎麻的富集系数0.97～1.58，谷雨等[28]研究中0.42 mg·kg-1Cd 浓度环境下的甜高粱富集系数1.29～1.47、玉米富集系数0.76、油葵富集系数2.30，邓婷等[29]研究中2.00 mg·kg-1（重度污染）Cd 浓度土壤中玉米茎与叶的富集系数为7.45 与6.20，红麻表现出了较好的Cd 富集能力。各品种红麻9 月份在重度Cd 污染环境中茎转移系数平均值为0.46，叶为2.43；轻微Cd 污染环境中茎转移系数平均值0.52，叶为2.50。对比符慧琴等[27]研究中0.41 mg·kg-1的Cd 浓度土壤中的20 种苎麻转移系数0.66～1.41，与邓婷等[29]研究中在2.00 mg·kg-1的Cd 浓度土壤中的玉米茎与叶转移系数1.88和3.02，红麻表现出较好的Cd转移能力。

表11 各品种回归系数Table 11 Regression coefficient of each variety

3.3 不同品种红麻生长指标与相应土壤Cd含量

将7 种红麻种植在Cd 污染的耕地中，重度污染耕地中红麻Cd移除量为72.49～149.17 g·hm-2，轻微污染耕地中红麻Cd移除量为25.95～49.91 g·hm-2。其中重度污染耕地中红麻Cd 移除量大，而轻微污染耕地中红麻Cd 移除量小，可能在土壤中Cd 浓度较低时，植物移除Cd 的速度会随土壤Cd 含量的增加而加快[30]。经过红麻种植的土壤，重度污染耕地下降0.48 mg·kg-1，降幅为24.99%；轻微污染耕地下降0.03 mg·kg-1，降幅为8.26%，虽然红麻的Cd 移除量相对于整个耕地较低，且无法精确检测，但地下3～5 cm 的取土样处是红麻根部集中处，其Cd 下降含量与幅度从侧面证实了红麻能对Cd污染耕地进行有效的修复。而土壤中出现的个别Cd 含量增加情况，可能是因为施肥、农药或污染的水源而致[31]。

4 结论

（1）7 种红麻在Cd 污染耕地中均可以正常生长，表明均可用于土壤的Cd 污染治理。中红麻13 号与红麻H1701 在重度污染耕地中各生长指标与产量均较优异，其中中红麻13 号表现更稳定且Cd 移除量更高，推荐用于重度Cd 污染耕地种植修复；中红麻13号与中红麻16 号在轻微污染耕地中各生长指标与产量都较优异，且移除量与稳定性都较高，推荐用于轻微Cd污染耕地种植修复。

（2）红麻成熟后，各部位Cd积累量排序为叶＞根＞茎，可在叶片完全成熟前进行收割，以防止叶片成熟后脱落而二次污染耕地，红麻韧皮与茎秆可待红麻成熟后进行收割，以提高耕地种植红麻的整体经济效益。