土壤中不同含量Cd2+对大麻、大豆幼苗生育的影响

高中超，孙 磊，王丽华，杜春影，张利国，张久明，王 伟，谷 维

（1黑龙江省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所，哈尔滨 150086；2黑龙江省农业科学院，哈尔滨 150086；3黑龙江省大庆市萨尔图区农业局，黑龙江 大庆 163000）

0 引言

由于受到工业排放三废、农田施肥、农药使用、生活污水、养殖业排污等影响，环境土壤中重金属含量逐渐增加。中国农田土壤遭受重金属污染的面积达90.72万hm2，被重金属污染的粮食每年达到1200万t[1]。耕地土壤受到重金属污染日益严重，重金属污染物在土壤中移动性差、滞留时间长、不能被微生物降解，对土壤的危害是长期的、紧迫的，急需修复，其修复难度非常大[2-4]。遏制土壤污染、维护土壤健康已成为当前社会所关注的焦点[5]。重金属污染的土壤，不但影响作物的生长发育，而且影响粮食的品质，如土壤中镉浓度越高，稻米中粗蛋白、粗淀粉和赖氨酸含量越低[6]，镉降低了稻米的食味品质[7]，消减重金属的污染是保证今后农业可持续发展的关键。土壤重金属污染的修复通常采用物理、化学方法，如土壤置换法、稀释法、淋洗法及电化学法等[8-10]，修复效果虽好，但成本高，代价大，易造成二次污染，更不适于农业大面积生产。美国科学家Chaney提出了利用能够富集重金属的植物来清除土壤重金属污染，重点在于找到合适的超富集植物，超积累重金属植物与其他作物相比生长速度缓慢且生物量小，实际吸收的重金属绝对量少[11]，对重金属具有强抗逆性、生物量又高且效益又好，而大麻恰恰被证实是能够高效修复土壤重金属污染的能源植物[12-15]，多数用于矿区重金属污染土壤的治理，成本低，效果佳，但种植大麻修复污染土壤中Cd2+含量阈值上限在相关的文献未见报道。笔者研究不同含量的Cd2+对大麻、大豆幼苗的生育影响，了解大麻在重金属胁迫条件下的生长极限值，明确黑土中镉含量对大麻生长的安全阈值，以期为修复重金属污染土壤的环境治理和生态恢复提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

供试土壤为黑土，采自黑龙江省科技园区麦茬田土壤，取耕层0～20 cm的表层土，经自然风干后，混合均匀，过4 mm筛，室温保存备用。供试土壤全氮2.35 g/kg、全磷 1.69 g/kg、全钾 19.34 g/kg、速效氮135.8 mg/kg、速效磷119.8 mg/kg、速效钾236.9 mg/kg、有机质34.5 g/kg、pH 6.5、镉含量0.17 mg/kg。

1.2 试验材料

大麻‘龙大麻5号’、大豆‘黑农84’。

1.3 试验方法

设置盆栽试验，所用重金属为氯化镉，在土壤中按重金属的含量共设定5个梯度：T0，原始含量，对照；T1，镉含量为土壤风险筛选值；T2，镉含量为土壤风险管控值；T3，镉含量为土壤风险管控值的10倍；T4，镉含量为土壤风险管控值的50倍（表1）。

表1 农用地土壤风险管控标准

称取根尖样品0.2 g，放入含有5 mL磷酸缓冲液的试管中，加入0.4%TTC溶液5 mL，把根充分浸泡在溶液内，在37℃下暗保温1～3 h，然后加入1 mol/L硫酸2 mL以停止反应（与此同时做一空白试验，先加硫酸，再加根样品，其他操作同上）。把根取出，吸干水分后与乙酸乙酯3～4 mL和少量石英砂一起在研钵内磨碎，以提取甲月替。红色提取液移入试管，并用少量乙酸乙酯把残渣洗涤2～3次，皆移入试管，最后加乙酸乙酯使总量为10 mL，用分光光度计在波长485 nm下比色，以空白试验作参比测出吸光度，查标准曲线，即可求出四氮唑还原量[16]。

1.4 数据分析

采用Excel 2017作图、DPS进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 土壤中不同含量Cd2+对作物出苗率的影响

发芽率是指作物拱出土后，2片子叶完全展开时种子出土数量。差异系数代表2种作物耐重金属的能力，其值越大，差异越明显。土壤中不同含量的Cd2+对大麻、大豆出苗率影响如图1所示，低含量Cd2+对作物的出苗率略有促进，但差异不显著（表2）；随着重金属Cd2+的含量加大，作物生长受到不同程度的抑制，当土壤中Cd2+的浓度≥2.0 mg/kg，出苗率降低明显，差异显著；T2处理的大麻出苗率为83.3%，比T0（对照）降低5.6个百分点，差异显著；T3处理的大麻出苗率为35.6%，与其他各处理差异达到极显著；T4处理出苗率为零，此时土壤中Cd2+的含量完全抑制大麻生长。土壤中的Cd2+对大豆出苗抑制比大麻更为明显，T2处理大豆出苗率为66.7%，与T0对照相比，出苗率降低18.3个百分点，差异达到极显著水平。相同条件下，出苗差异系数反映2种作物对重金属Cd2+耐受能力，当Cd2+≤0.6 mg/kg大豆与大麻出苗率比值接近于1，差异不明显；当Cd2+≥20 mg/kg时差异系数接接于1.3，表明大麻幼苗耐重金属的能力强于大豆。从出苗率差异角度，土壤中重金属的浓度低于2.0 mg/kg为大麻和大豆出苗的安全临界值。

图1 不同含量Cd2+对大麻和大豆出苗率的影响

表2 不同含量Cd2+对作物出苗率的影响差异显著分析（LSD法）

2.2 土壤中不同含量Cd2+对作物株高的影响

土壤中重金属不但影响作物的出苗率，还影响大麻、大豆的生长，对株高的影响如表3所示。株高抑制指数越小，说明对作物的株高抑制率越大，受抑制越明显。T1处理土壤中的Cd2+对大麻有轻微促进作用，随着浓度的增加，株高生长愈加缓慢，大豆表现更为明显；T3处理的Cd2+含量已影响到作物的株高生长，与对照相比，差异达到极显著；T4处理株高抑制指数为零，此时土壤中Cd2+的含量超过种子的耐受极限，不能种植大麻或大豆。

表3 不同Cd2+含量的处理对作物株高影响

2.3 土壤中不同含量Cd2+对作物根系活力的影响

根系是作物吸收水分和矿质营养的主要器官，促进地上部分干物质的积累，对植株的生长发育有极其重要的作用[11]。土壤中不同含量的氯化镉对作物根系活力的影响如图2所示，作物的根系活力随着土壤中Cd2+含量增加而减弱，当土壤中Cd2+含量超过农业土壤风险管控值时，根系活力急剧下降，其中大豆根系活力较大麻根系活力下降更为剧烈。T2处理大麻、大豆的根系活力分别为 31.8、30.75 mg/(g·h)，比 T0降低5.8%、8.9%；T4处理时Cd2+含量为100 mg/kg，此时的大豆根系活力为0，随着时间的延长而导致种子发霉，而大麻根系具有微弱的活力，其值为7.5 mg/(g·h)，比T0（大麻）降低77.8%，其动力不足以支持大麻子叶拱出土层（图3）。

图2 土壤中不同含量Cd2+对作物根系的影响

2.4 土壤中不同含量Cd2+对作物干物质积累的影响

土壤中不同含量的氯化镉对作物生长发育产生的影响，最终影响到大麻、大豆干物质的积累。从表4得出，随着重金属含量的增加，大麻干物质积累量表现为先升高后降低，T3处理的镉含量为20 mg/kg，土壤中的Cd2+抑制大麻的生育，不利于干物质的积累，与T0相比差异显著。大豆随着Cd2+浓度的增加，干物质积累受到抑制更为明显，T2处理的Cd2+含量对大豆生长抑制与T0相比差异显著；当镉含量达到10倍管控值时，与T0相比差异达到极显著；T4处理下2种作物的地上干物质的积累为零，地下部分有一定的生命力，大麻蜷缩在土壤里，有部分根系，但其供给能量达不到拱出土层的能力（图3），而大豆未能发芽，根系接近于零，不出苗。

图3 土壤中不同含量的氯化镉对大麻生长的影响

表4 不同浓度的氯化镉对作物苗期干物质积累的影响

3 结论

耕地土壤中重金属含量超过GB 15618—2018，对农产品质量安全、农作物生长或土壤生态环境产生风险，为了更精准撑握大麻、大豆对污染土壤中重金属Cd2+的耐受能力，通过盆栽试验，设置不同含量的氯化镉，研究土壤中镉离子不同浓度对作物幼苗生长的影响，明确大麻在黑土上种植，土壤中Cd2+的安全阈值。土壤中Cd2+浓度≤0.6 mg/kg，对大麻生长有利，其株高、根系活力及干物质积累都有所增加，但差异不显著；当土壤中Cd2+含量达到土壤风险管控值即2 mg/kg时，对大麻出苗率、株高及干物质的积累影响较小，差异不明显，但对大豆影响较大，各项指标差异达显著；Cd2+≥2 mg/kg大麻根系活力下降明显，相同含量的Cd2+对大豆的影响更大；当土壤中重金属浓度达到20 mg/kg，对大麻、大豆影响较大，生育指标变劣，差异显著，而对大豆各项指标影响差异达到极显著；土壤中Cd2+浓度达到100 mg/kg不能种植大麻、大豆。

4 讨论

本研究主要从作物苗期表观形态特征上进行浅显的判断，要想真正了解重金属对大麻的影响，还要从植株的生育、生理及品质等指标上差异分析。虽然低含量的重金属对大麻长势或产量无影响，但是否影响到作物品质，还要通过定量分析进一步求证。大麻修复重金属污染的治理过程具有原位性，治理成本低廉，但缺乏对富集金属植物的回收利用技术。大麻是药材、食品加工和化妆品原料等，具有较好的效益，种植者眼前更注重大麻的市场价值，忽视它对生态环境的影响，特别是大麻光合呼吸产物对环境的影响，今后应更加深入的研究。大麻对重金属有较强的抗性和富集能力，一定要注意植株体内重金属安全阈值，考虑会不会因为富集重金属过多影响到动植物健康。重金属对大麻影响机理、机制的研究仍需进一步深入。