黄麻、红麻在重金属污染耕地修复中的应用研究进展

王玉富

（中国农业科学院麻类研究所，湖南 长沙 410205）

黄麻、红麻在重金属污染耕地修复中的应用研究进展

王玉富

（中国农业科学院麻类研究所，湖南 长沙 410205）

黄麻（Corchorus capsularis L.）、红麻（Hibiscus cannabinus）是非常适宜南方种植的一年生麻类作物。综述了黄麻、红麻的生长习性和应用前景，并从植物对重金属的吸收能力、重金属在植株体内的分布、重金属胁迫下植株的生理变化、外界环境对重金属污染修复植物的影响等方面总结了黄麻、红麻在土壤重金属污染修复利用中的研究进展。结果表明，黄麻、红麻是比较理想的重金属污染耕地修复植物。

黄麻；红麻；重金属；污染；植物修复；综述

我国首次全国土壤污染状况调查从2005年开始至2013年结束，历时9 a。环境保护部和国土资源部于2014年4月17日联合发布《全国土壤污染状况调查公报》，公报指出，我国耕地土壤污染点位超标率为19.4%，主要污染物为镉、镍、铜、砷、汞、铅、滴滴涕和多环芳烃。国土资源部中国地质调查局于2015年6月发布《中国耕地地球化学报告》，报告称，1999～2014年共调查土地面积150.7万km2，其中耕地面积为0.924亿hm2；重金属中、重度污染或超标的点位占2.5%，覆盖面积232.5万hm2；轻微、轻度污染或超标的点位占5.7%，覆盖面积526.6万hm2；污染或超标耕地主要分布在湘鄂皖赣区、闽粤琼区和西南区；污染或超标耕地面积总计759.1万hm2，占调查耕地面积的8.22%。

耕地污染严重威胁着农产品安全。以“镉米”为代表的污染食品给人体健康、区域经济发展和社会稳定带来巨大冲击。目前，污染水稻的重金属有铅、镉、汞和铜等，其中铅和镉是最主要的重金属污染物。随着多个地区土壤重金属污染情况日趋恶化[1]，各级政府对耕地污染问题越来越重视，开始投入大量资金进行治理。然而，如何解决土壤重金属污染，尤其是大面积的农田土壤重金属污染，是一个十分严峻且棘手的问题。

1 植物修复

发达国家如美国、澳大利亚和加拿大等的耕地资源丰富，对重金属污染超标的耕地一般采取休耕方式，使其自然恢复后再进行农业利用。然而，我国耕地资源虽然总量很大，但人口基数大，人均耕地资源十分紧张，只有世界人均耕地平均水平的三分之一左右，因此对重金属污染耕地必须采用安全利用或边利用边修复的方法。

植物修复是利用绿色植物来转移、容纳或转化土壤中的重金属、有机物或放射性元素等，降低土壤中污染物的含量，使其不影响农产品安全。根据修复的机理和过程，可以将该技术分为植物提取、植物转化、植物挥发和植物稳定4种类型[2]。其中，研究较多的是植物提取，即利用植物对重金属进行富集。与物理及化学修复技术相比，植物修复具有成本低、来源广等特点，尤其适用于低浓度重金属污染土壤的修复。植物提取修复技术是目前应用最多、最有发展前景的植物修复技术。

近年来，国内的专家学者对重金属超富集植物进行了大量研究。李双玉等[3]的研究表明，当土壤中镉添加浓度为20 mg/kg时, 叶用红菾菜地上部镉含量为159.79 mg/kg，富集系数和转移系数分别达到了7.99和2.83，富集效果显著；魏树和等[4]的研究表明，当土壤中镉添加浓度为25 mg/kg时, 龙葵茎和叶中镉含量分别为103.8和124.6 mg/kg，地上部镉富集系数为2.68；刘周莉等[5]指出，在土培条件下，随着土壤中镉处理浓度的增加，忍冬的富集系数均在8.00左右；刘威等[6]的研究表明，宝山堇菜（Viola baoshanensis）生物富集系数变化范围为0.7～5.2，平均富集系数为2.38。

截至2010 年，国内外共发现超富集植物500种以上，多数为温带草本植物[7]。这些超富集植物对重金属污染土壤具有很好的修复效果，但大多数为野生植物，生物量较低、生长缓慢、经济价值也不高或无经济价值，推广应用的难度比较大。而利用非食用及非饲用作物的种植对重金属污染耕地边利用边修复是一种比较理想的方法。黄麻、红麻适宜在我国南方种植，生物产量高，其纤维具有较高的经济价值，是一种比较理想的重金属污染耕地边利用边修复作物。

2 黄麻、红麻的生长习性及应用前景

黄、红麻都是短日照喜温作物，喜温暖湿润气候，主要种植在我国南方，具有生物产量高、耐渍水能力强等特点。

2.1 红麻的生长习性

红麻（Hibiscus cannabinus）为锦葵科木槿属一年生草本韧皮纤维作物，茎直立，高3～5 m、粗1.5～3.0 cm，呈绿、紫、红或浅红色，生育期150 d以上，是低洼易涝地区以及盐碱地区的稳产作物。福建省曾对来自世界5大洲23个国家的51个红麻种质资源进行了耐旱性试验，鉴定出7个红麻耐旱种质[8]。当红麻长至2 m高时，淹水20 d以上，仍可保有一定产量。只要水淹不没顶，麻株可以在水中生长1～2月之久。在0～5 cm土壤层中含盐量低于0.25%时，红麻均能正常生长；当土壤含盐量在0.25%～0.42%时，植株将表现出不同程度的受害症状；当含盐量在0.48%～0.52%时，植株受到严重盐害，将逐渐枯萎死亡。研究表明，红麻的耐盐碱能力随着根系的发育以及麻株的增高而增强[9]。此外，红麻不仅具有较好的抗逆性，而且生物产量高，据报道红麻最高生物质产量可达20.3 t/hm2[10]。

2.2 黄麻的生长习性

黄麻（Corchorus capsularis L.）为椴树科黄麻属一年生草纤维作物，茎直立，株高2～4 m、粗1.0～2.0 cm，全株无毛。黄麻耐淹性较强，当麻苗长至40 cm以上时，长果种黄麻淹水没尖8～12 d，圆果种黄麻淹水没尖5～7d，植株均不死亡；淹水不没尖，在水中浸渍15～20 d，麻株还能继续生长。其中，旺长期是黄麻一生中抗涝抗淹能力最强的时期，在淹水不没尖的情况下，水中浸渍16～27 d后，植株还能继续生长。

研究显示，土壤中含盐量在0.2%～0.25%范围内，均可种植黄麻，尤其是圆果种黄麻，当土壤中氯化钠含量达0.4%时仍能发芽。王利民等[11]在海滨盐土种植2个黄麻品种，黄麻收割后，土壤盐分别减少43%和52%。这表明黄麻是改良滨海盐土的一种理想植物。

黄麻干物质产量较高，最高产量可达25.17 t/hm2[12]。福黄麻3号是新培育黄麻品种，在2009～2010年的区域试验中，其原麻产量为6 861.1 kg/hm2。2011年，在福建农林大学莆田市白沙镇基地进行的5个黄麻新品种高产栽培试验中，福黄麻3号收获原麻10.122 t/hm2[13]。

由于黄麻、红麻等麻类纤维植物的适应性强，而且纤维产量高、纤维品质各具特色，可以适应多种用途的要求。例如，黄麻纤维白而有光泽、吸湿性好、散水快，是运动服装的优质原材料。因此，黄麻、红麻的全球需求量每年正以8%的速度递增，发展潜力巨大，市场前景广阔[14]。

3 黄麻、红麻对重金属修复的研究进展

国外对红麻在重金属污染土壤修复方面的应用研究得较早，研究内容与范围也相对较广。目前，国内也相继开展了黄麻、红麻的相关研究。作为重金属污染修复植物，首先该植物对重金属的耐受能力要强，其次重金属在植株体内的分布以及重金属和外界环境对植物的影响等也是必须考虑的因素。因此，国内外的相关研究主要集中在以下几个方面。

3.1 植物对重金属的吸收能力

Carlson等[15]将红麻种植在含112～224 t/hm2下水道污泥的土壤中，发现红麻茎中积累了可观的重金属（有Fe、Zn、Mn、Cu、Pb、Cr、Cd、Hg），故而认为红麻可以用于重金属污染的治理。栗原宏幸等[16]认为植物修复比其他方法更安全，他们将红麻连续3年种植在日本西南地区镉污染的农田中，结果发现土壤中的镉含量以347 g/(hm2·a)的速度下降，证明红麻对镉污染土壤具有明显的修复作用。Babatunde等[17]的研究表明，在质地和铅浓度不同的土壤中种植红麻，收获后土壤中残留的铅含量明显低于所加入的铅含量，说明红麻对消除污染土壤中的铅非常有效。

Sarra等[18]在镉、锌有效含量分别为1.83和451 mg/kg的淤泥中进行红麻和玉米的修复能力试验，结果显示，红麻茎中镉和锌的含量分别为2.49和82.5mg/kg，玉米茎中镉和锌的含量分别为2.1和10.19 mg/kg。

红麻不仅对重金属具有一定的耐受性，在一定量重金属污染的刺激下，红麻的产量还有所提高。Salim等[19]研究发现，将铅浓度控制在100 mg/kg水平，能显著提高沙壤土栽培红麻的茎和根的干物质产量。

3.2 重金属在植株体内的分布

不同的重金属在黄麻、红麻体内的分布是不同的，不同品种其体内的重金属分布也不尽相同。栗原宏幸等[16]的研究表明，红麻叶中镉含量最高，达到了52.3 mg/kg，其次是茎、根、果实，植株整体的平均水平为9.6～14.4 mg/kg。陈军等[20]研究了不同黄麻、红麻品种植株各器官对重金属锌、镉、砷、铅 的积累和分布特性，结果表明，黄麻、红麻各器官中锌的积累分布较均匀；砷和镉的积累特性为根＞叶（籽粒）＞茎秆；铅的积累特性为根＞茎秆＞叶（籽粒）；在土壤重金属胁迫下耐受性较好的黄麻、红麻品种有黄麻09-2、09-3、09-5和红麻09-1、09-3、09-5。Ho等[21]将红麻应用于尾矿沙中铅的植物提取，结果显示，铅存在红麻的根、茎、蒴果等部位，但是叶中没有。有机肥料可以极大地提高红麻的生物质产量，并促进植株对铅的积累，85%的铅积累在红麻的根部。进一步研究发现，铅主要积累在植物细胞的细胞壁中。

3.3 重金属胁迫下植株的生理变化

Li等[22]的研究显示，不同红麻品种对镉的耐受性不同，Fuhong 991对镉的耐性高于ZM412。在镉胁迫下，红麻叶片中的超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）的活性与对照相比有波动， Fuhong 991中的谷胱甘肽还原酶（GR）活性明显增强，根中的SOD、CAT和POD活性都高于对照，但是Fuhong 991的POD活性在不同镉水平的处理中几乎保持不变。

李正文等[23]以红麻不育系、恢复系和杂交种为材料进行试验，结果表明，在镉、铅胁迫下3种红麻材料的丙二醛（MDA）、脯氨酸（Pro）、过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）等都发生了变化；所有生理指标变化趋势中以不育系P3A 变化最明显；杂交F1变化最不明显，表现出明显的杂种优势。

3.4 外界环境对重金属污染修复植物的影响

Babatunde等[17]研究了在不同质地和镉浓度的土壤中，红麻在pH值5.3的情况下更易吸收镉；施加的镉浓度越高，红麻在两种质地土壤中吸收的镉越多。Ho等[21]在以红麻为材料修复尾矿土壤的研究中发现，根部吸收的铅占整个植株铅吸收量的80%。

韦兰洁等[24]研究表明，单一的铅污染处理会抑制红麻的生长发育，使其产量下降，但是铅、锌复合污染时，锌可抑制茎对铅的吸收，而铅可促进茎对锌的吸收。

陈燕玫等[25]研究发现接种植物根际促生菌DBM1，可有效促进铅胁迫下红麻的生长，辅助红麻对高铅污染土壤进行植物稳定修复。

[S, S]-乙二胺二琥珀酸（EDDS）是一种重金属活化剂。Kos等[26]发现在大麻生长过程中施用EDDS后，地上部干物质中铅、锌和镉含量分别为未施EDDS的1 926倍、7.5倍和11倍。研究表明，318 μmol/L EDDS对红麻生长无显著生长毒性[27]，但施用EDDS是否会促进红麻对重金属吸收还有待验证。

此外，还有学者在红麻对镉、铅的修复过程中添加N、P、K肥料或调整土壤pH值、添加EDTA等螯合剂，以期通过这些措施来促进红麻对镉、铅的吸收积累，增强其对污染土壤的修复效果。

4 黄麻、红麻在重金属污染耕地修复中的应用前景

黄麻、红麻是我国南方传统的经济作物，种植历史悠久。与其他植物相比，黄麻、红麻在重金属污染耕地修复中具有以下优势。第一，农民种植黄麻、红麻的经验丰富，为实现重金属污染耕地边利用边修复的战略打下良好的技术基础。第二，长期种植以及品种选育，黄麻、红麻对南方的高温、多雨天气和渍水稻田环境已基本适应。第三，黄麻、红麻对重金属有较强的耐受性，在一定程度的污染环境下，植株可以正常生长；同时，黄麻、红麻的生物产量很高，麻茎年产量可达20 t/hm2以上，是针叶木材的3～4倍，其CO2吸收率是森林的4倍[28]。

虽然黄麻、红麻对重金属的富集系数一般研究认为达不到超富集植物的标准，但是相对其他农作物还是比较高的。Sarra等[18]的试验结果显示，红麻茎部的重金属富集系数为0.704，比玉米重金属富集系数高0.093。Ho等[21]的研究表明，当土壤中铅浓度为100～400 mg/kg时，红麻对重金属的富集系数可达1～3。

王国庆等[27]的研究显示，红麻各组织中铜的富集浓度从高到低依次为根＞叶＞茎（皮），红麻纤维皮层内铜含量低于其他组织内的铜含量，并低于纺织产品铜含量标准 （HJBZ 30-2000）。由此推测，在铜污染土壤中种植红麻，有望实现红麻纤维的安全生产，并对轻度铜污染土壤有一定的修复作用。

黄麻、红麻具有一定的经济价值，比较容易推广种植。虽然黄麻、红麻编织麻袋的传统用途大部分被化纤取得，但是由于纤维处理技术和纺织技术的发展，黄麻、红麻已经逐步应用于服饰面料、床上用品、家居用品等领域，其副产品还被广泛用于碳粉、复合材料、纸张等生产中，用途广泛。国家统计局数据显示，1999年中国纸张及纸板的总产量为2 900万t，到2009年纸张及纸板的产量增长到9 383万t，10 a间增长近2.3倍，年均增长13.9%。在中国宏观经济持续向好背景的带动下，目前中国造纸企业特别是大企业扩张步伐继续加快，产能增长势头迅猛[29]。与毛竹相比，用红麻全杆原料制浆造纸不仅采购成本低，而且煤、电、气等的消耗也较少[30]。红麻高得率浆可用于配抄新闻纸、文化用纸、箱纸板等。红麻特殊的化学组成及细胞结构使得其在高得率浆及生物制浆方面更具有优势[31]。

综上所述，在重金属污染农田中种植黄麻、红麻，一般不会造成产品的重金属超标，符合安全产品标准，同时黄麻、红麻生物产量高、适应性好、用途广、对重金属的富集能力强、种植技术成熟，其主要产品是纤维，不进入食物链。因此，黄麻、红麻是比较理想的重金属污染耕地修复植物，发展前景广阔。

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（责任编辑：成 平）

Review of Jute and Kenaf Application in Remediation of Arable Lands Contaminated by Heavy Metals

WANG Yu-fu

（Institute of Bast Fiber Crops, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Changsha 410205, PRC）

Jute（Corchorus capsularis L.）and kenaf（Hibiscus cannabinus）are annual herbaceous plants adaptable to south China. This paper reviews growth characteristics and application of jute and kenaf in the phytoremediation of soils contaminated by heavy metals from several aspects, including their capacity of absorbing heavy metals, the distribution of heavy metals in plants, their physiological changes under heavy metal stress and the impact of external environment on plants restoring soils; and prospects that jute and kenaf are ideal plants for the phytoremediation of arable lands contaminated by heavy metals.

jute; kenaf; heavy metals; contamination; phytoremediation; review

X53

A

1006-060X（2015）08-0049-04

10.16498/j.cnki.hnnykx.2015.08.016

2015-07-13

科技创新工程资助项目（ASTIP-IBFC06）；国家麻类产业技术体系资助项目（CARS-19-E14）

王玉富（1962-），男，山东泰安市人，研究员，主要从事麻类作物栽培及育种研究。