冬季亚麻在南方重金属污染农田的利用前景

守合热提·牙地卡尔，张正，郭媛，阿布都那比，哈尼帕，王玉富*

（1.伊犁州农业科学研究所，新疆维吾尔自治区伊宁市835000；2.中国农业科学院麻类研究所，长沙410205）

冬季亚麻在南方重金属污染农田的利用前景

守合热提·牙地卡尔1，张正1，郭媛2，阿布都那比1，哈尼帕1，王玉富2*

（1.伊犁州农业科学研究所，新疆维吾尔自治区伊宁市835000；2.中国农业科学院麻类研究所，长沙410205）

日趋严重的土壤重金属污染问题已经引起世界各国的高度重视。在我国，尤其是长江中下游地区、珠江三角洲地区和东北老工业区的土壤重金属污染令人担忧，而长江中下游地区冬闲耕地总面积约为2000万hm2，占耕地总面积的45%左右。冬闲耕地的分布和重金属污染区域有高度重叠性。利用种植重金属富集能力强的农作物进行植物修复是治理农田重金属污染的主要方法。国内外大量研究表明，亚麻对重金属污染具有较强的耐受性，并且其主要功用是纤维，不进入食物链，在南方冬闲耕地种植可以创造可观的经济效益，是一种在重金属污染耕地边修复边利用的理想农作物。

亚麻，冬闲田，重金属污染，污染治理

随着社会经济和工业的发展，日趋严重的土壤重金属污染问题已经引起世界各国的高度重视。2014年发布的全国土壤污染调查报告显示，我国的大部分国土，尤其是长江中下游地区，珠江三角洲地区和东北老工业区的土壤重金属污染令人担忧。这些区域不仅是我国的工业生产基地，又是农业生产主产区。研究发现，2007～2008年，我国长江中下游农业区冬闲田总面积为2000万hm2，占耕地总面积的45%左右。冬闲田集中分布于江苏、安徽、河南、湖北、湖南和江西的西北部地区［1］。可见，冬闲田分布和重金属污染区域有高度重叠性。选择一种既能治理重金属污染，又能有效利用冬闲耕地并从中获得经济效益的非食用非饲用经济作物来修复农田重金属污染迫在眉睫。

亚麻（Linum usitatissimum）是当今世界三大纤维作物和五大油料作物之一。亚麻的主要产品为纤维和种子。由于其种子富含α－亚麻酸、木酚素、膳食纤维、维生素等，可作为保健品和医药，其纤维除了用于纺织、服装、室内装饰用品外，还可以用于生产复合材料［2］。国内外学者在亚麻对重金属胁迫耐受性方面的研究表明，亚麻对重金属具有较强的耐受性［3］。1995年冬季亚麻在湖南试种成功之后，很快成功推广至云南、浙江等地。南方亚麻的快速推广并与之带来的客观经济效益［4］以及亚麻纤维不进入食物链的特性，使其成为治理土壤重金属污染的理想农作物。

1 南方冬季亚麻在农田重金属污染治理中应用的可行性

1.1 冬季亚麻在南方种植的可行性

南方红壤区全年≧5℃的有效积温达2500℃左右，月平均气温5～20℃。冬季亚麻生产期间的降雨量高达650～700mm。光照、气温、水分条件能满足亚麻生长发育的需要［5］。南方冬季亚麻全生育期160 d以上，较北方麻区长70 d左右，有助于营养生长；冬季低温集中在苗期和丛形期，有利于根系和纤维的形成；亚麻适宜生长在微酸性土壤，南方土壤的酸性符合亚麻生长发育特点。

1995年中国农科院麻类研究所从黑龙江引进纤维亚麻在湖南冬闲田的成功种植，开辟了南方冬季亚麻种植的可行性的研究先例［6］。随后，在云南、浙江等地也先后报道冬季亚麻种植的可行性研究成果［7－8］。2004～2005年云南纤维亚麻的种植面积达到3.24万hm2，亚麻原茎产量18.4万t。分布在保山、大理、楚雄、德宏、西双版纳和临沧等11个州市的31个县［8］。湖南亚麻原茎产量高达6000 kg／hm2，纯收入在6000元／hm2左右，明显高于北方亚麻和湖南同期收获的油菜、小麦等［9］。

南方种植的亚麻其长麻率为17%～19%、纤维均长为60～80 cm、断裂强力为25～33 kg、梳成率达到了45%以上，其纤维性能较北方麻区的亚麻纤维具有优势［5］。

1.2 亚麻对重金属胁迫的耐受性及其影响因素

1.2.1 亚麻对重金属胁迫的耐受性机理

植物在长期的进化发展过程中，进化出多种抵抗重金属毒害的防御机制。主要表现为避性：阻止和控制重金属的吸收或限制向地上部的转运。耐性：植物体内具有某些特定的生理机制（如：体内螯合解毒；区室化分隔等），使植物生存于高含量重金属环境中而不受伤害等两种方式。它们并不完全排斥，能统一于同一种植物中［10］。避性表现在根系细胞壁对重金属离子的结合和束缚。JitkaNajmanova等［11］研究认为，亚麻体内67%～74%的镉积累在根部，主要是根系细胞壁的结合和束缚的结果，这是亚麻缓解重金属毒害的重要机制之一。

植物在细胞内通过高亲和力的配体螯合重金属离子，降低其生物毒性来实现对重金属的耐性［10］。植物中潜在的配体有植物螯合肽（PCs），金属硫蛋白（MTs），有机酸及氨基酸等。Hradilova等［12］研究表明，亚麻品种Jikta在镉诱导下，铁蛋白、谷氨酰胺合成酶两种蛋白质上调。谷氨酰胺合成酶是谷胱甘肽（GSH）生物合成的关键酶。GSH参与大多数细胞过程，包括重金属离子的富集，对ROS（活性氧）的防御，外源化学物（Xenobiotics）解毒等，并且90%的GSH在细胞质内发挥作用［13］。植物通过GSH为底物，在谷胱甘肽合成酶（PCS）的催化作用下，合成螯合肽（PCs）。根系细胞壁对重金属离子的结合和束缚、在胞内螯合肽（PCs）与重金属离子的结合以及GSH和抗氧化酶类（SOD，POD，CAT，APX等）对ROS（活性氧）的解除，是亚麻耐受重金属胁迫的主要机制。

1.2.2 亚麻对重金属胁迫耐受性的影响因素

国内外大量研究表明，影响亚麻对重金属耐受性的因素较多。主要是，重金属的种类、浓度、品种以及外源物的加入等。此外，pH、水分、肥力等也有较明显作用。不同类型和浓度的重金属对亚麻产生的毒性有差异的。Soudek等［14］利用23个亚麻品种研究重金属对亚麻种子发芽的毒性试验，已发现不同亚麻品种对特定重金属元素的反应。结果证实，品种与金属元素具有明显的互作性，一般情况下重金属的毒性顺序是：As3＋＞As5＋＞Cu2＋＞Cd2＋＞Co2＋＞Cr6＋＞Ni2＋＞Pb2＋＞Cr3＋＞Zn2＋。刘岩等［15］研究证实，较低浓度Cr处理对亚麻的分枝数影响不显著，高浓度Cr（≥125 mg／kg）胁迫显著降低了亚麻的分枝数。随着重金属浓度的逐渐增加，亚麻的生长受不同程度的影响，当浓度达500 mg／kg时，3个品种的亚麻均胁迫致死。

亚麻对重金属的耐受性受其品种类型的影响较大。Marie Bjelkováa等［16］利用4个油用和6个纤维用的亚麻品种在含镉10～1000 mg／kg的土壤中试验，结果表明，亚麻植株在1000 mg／kg浓度的镉污染土壤中仍可正常生长，但亚麻品种与金属元素具有明显的互作性、纤用亚麻较油用亚麻耐性强、同一品种对不同重金属的吸收能力有明显差异。Hradilova等［12］研究表明，高积累耐镉品种Jikta和低积累镉敏感品种Tabor在镉胁迫下，其体内有关耐受性的蛋白质表达量不同，耐受品种Jikta中表达量上调，而敏感品种Tabor则无明显变化。

外源物的加入可明显提高亚麻对重金属的耐受性。研究表明，外源NO可提高亚麻抗氧化酶类的活性，保护重金属胁迫下的亚麻幼苗效果明显［17］。乙酰水杨酸处理，可提高脂质膜的稳定性，保护细胞器官，促进亚麻光合作用，使其更好的适应重金属污染环境［18］。此外，土壤环境以及肥料对亚麻的耐受性也有影响。研究发现，在黑钙土培养条件下，亚麻种子的镉含量高于在灰色淋溶土培养［19］。在土壤含镉较高的情况下，氮肥可以提高亚麻组织及种子中镉的含量［20］。土壤的酸性有助于亚麻对重金属的耐性和富集。研究显示，土壤的pH至6.1、6.0、5.9、5.5、5.0和4.8时，亚麻对铜、镉、铅的吸收及积累能力逐渐增强［21］。

总结上述，在种植耐受品种的基础上，适当进行调节剂、水分、肥料、微生物、pH等外界因素使用或调节可以提高亚麻对重金属的吸收、转移及积累能力。

2 冬季亚麻在南方重金属污染农田的利用前景

2014年发布的全国土壤污染调查报告中，耕地的点位超标率为19.4%，其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为13.7%、2.8%、1.8%和1.1%，主要污染物为镉、镍、铜、砷、汞、铅、滴滴涕和多环芳烃。重金属在土壤中的存在对生物有机体产生严重影响，并且其在食物链中的生物富集极具危险性［22］。

2.1 南方重金属污染治理的紧迫性

南方农田遭受的重金属污染导致农作物重金属含量超过国家标准。2007年，南京农业大学潘根兴教授和他的研究团队，在全国6个地区（华东、东北、华中、西南、华南和华北）县级以上市场随机采购大米样品91个，结果表明：10%左右的市售大米镉超标，主要以南方籼米为主，尤以湖南、江西等省份为烈。农产品尤其是水稻重金属含量的严重超标，直接危害着人们的健康。南方受重金属污染的土壤面积非常大，但治理技术尚不成熟。每年因重金属污染而减产粮食超过万t，另外被重金属污染的粮食每年也多达万t，合计经济损失上亿［23］。选择一种安全有效的修复手段来治理南方农田重金属污染农田是当务之急。

2.2 冬季亚麻治理农田重金属污染的优势

土壤重金属污染修复可分为工程修复、物理修复、化学修复和生物修复四大类。生物修复包括植物修复和微生物修复两类。利用农作物治理土壤重金属污染属于植物修复的范畴。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的去除。植物修复根据修复的机理和过程，可分为植物提取、植物转化、植物挥发和植物稳定4种类型［24］。其中植物提取即利用植物对重金属进行富集。超富集植物对重金属污染土壤具有很好的修复效果，但大多数为野生型植物，存在生物量低、生长缓慢、植株矮小及难以进行引种等问题［25］。利用非食用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。

相较于野生型超富集植物亚麻具有生育期段、生物量大、适应性广等优势。在南方冬季种植亚麻可有效利用冬闲田并可保证修复过程不中断。亚麻纤维不进入食物链，保证了食品安全。亚麻从土壤中吸收并在其体内积累较高浓度的重金属，主要积累器官是根和茎叶，并且根＞茎叶。郭媛［26－27］等在7个浓度梯度（0、100、300、500、700、900、1100μm）处理10个亚麻品种进行发芽试验。结果证实，低浓度镉（100μm）对亚麻种子萌发没有显著影响，甚至对3个品种有促进作用，随着浓度的升高影响程度逐渐增加，并受品种的影响较大。在该研究结果的基础上，它们又在800μM镉条件下对来自36个国家的412份亚麻材料进行耐镉性鉴定，初步筛选出15个强耐镉性亚麻品种，以备在镉污染农田进行种植试验。OlfaDouchiche等［28］的研究显示，在沙质基质11.24 mg／kg镉的条件下，亚麻品种Hermes生长4个月后，分成3段：茎和根，根和基部茎镉含量最高，分别为750和360 mg／kg，茎的富集系数为13.3，远超过目前对超富集植物的界定值。亚麻收获时，重金属含量最高的部分根与茎也一起被收获，可以提高亚麻对重金属污染土壤的修复能力。此外，亚麻的适应性较强，南在云南，北在黑龙江，东在浙江，西在新疆都可以种植，其栽培管理简单易推广，对重金属的耐受性强，尤其在低浓度污染土壤中完全可以正常生长发育，是一种比较理想的边利用边修复经济作物。许英等［29］在湖南安化县镉污染农田种植亚麻试验结果表明，品种“阿里安”的原茎产量达4342.5 kg／hm2，对镉的年降幅率为24.17%。这是在没有采取任何调控手段的试验结果，如果对品种、栽培管理措施以及调控手段进行优化，有望大幅提高产量和治理效果。在冬闲田利用亚麻治理土壤重金属污染是治理南方土壤重金属污染的首选治理方式之一。

2.3 亚麻产业在南方的优势

据中国纺织业联合会统计，2016年前8个月，月均进口亚麻纤维和短纤等2万t左右，金额超过5000万美元，国内亚麻原料的需求量供不应求。随着科技的发展，亚麻纤维的用途跨过传统纺织业领域，在保健品，复合材料制作等领域也正在兴起［2，30］，德国等发达国家，在汽车行业亚麻纤维已替代玻璃纤维［31］，亚麻产品市场还有广阔的开发前景。

在南方利用冬闲田种植亚麻不仅具有土地资源优势，而且能充分利用冬季温光资源，成本低、效益好，有利农民增加收入。南方地区具有交通运输和深加工的便利条件，原料加工以及运输等环节可节约不少成本。此外，中国农业科学院麻类研究所、华中农业大学、湖南农业大学等科研机构和区域性重点高校储备有丰富的关于冬季亚麻的研究成果并具备高水平科研能力。在南方冬季亚麻的产业化、重金属污染治理中的应用以及相关研究领域可提供强大的技术支撑。

综合上述，利用冬季亚麻治理农田重金属污染，可以为南方亚麻产业化提供很好的发展途经。

3 研究方向

作为新兴种植模式，冬季亚麻在南方种植已有20余年，在各级科研单位的协同努力下，已培育出一些优良品种和初步建立起适用于南方冬季亚麻的一整套栽培管理体系。但要想冬季亚麻在农田重金属污染治理中应用，要求在今后的工作目标上要有所调整。

3.1 育种目标

在高产、优质、高抗和适应性强的育种目标基础上，进一步培育出高重金属吸收的品种。目前，国内没有符合大规模推广的优良品种。应该以国外相关研究为基础，引进重金属富集作用好的品种或种质资源，大力开发国内种质资源，筛选出适用于在重金属污染农田种植的亚麻品种及种质资源，并结合基因工程手段进行重金属高富集或超富集品种的选育［3］。同时，实验室研究和大田试验有机结合，实现科研成果“走出实验室，面向农田”。

3.2 栽培管理

在现有冬季亚麻栽培管理体系的基础上进一步优化，筛选出适用于重金属污染农田的亚麻种植栽培管理模式。开展影响亚麻对重金属耐受性的调控因素研究，开发出高效调控手段，争取快速解决农田重金属污染。由于冬季亚麻在南方属新兴产业，普及率不高、农民的认可度低。符合亚麻生产的机械器具很少，很多田间作业靠人工完成，导致生产成本的增加。种植面积分散，大型规模化生产面积少，无法实现机械化。所以实行政策性支持和宣传，促进规模化和吸引大型生产加工企业来调动南方亚麻产业。

4 结论

日趋严重的农田重金属污染问题与随之带来的食品安全问题，已引起人们的高度关注。在我国南方地区重金属污染农田中，利用冬季亚麻治理重金属污染，既可以提高冬闲田利用率，又能治理重金属污染，是安全有效的双赢战略。虽然利用冬季亚麻修复重金属污染农田的研究，已取得阶段性进展，但由于科研基础薄弱、研发力度的不够以及产业结构的封闭性等原因限制着冬季亚麻产业的进一步发展。建议在以下几方面加强工作力度：（一）加强高重金属吸收耐受品种的培育、种质资源的筛选以及结合基因工程手段选育高富集亚麻品种；（二）现有冬季亚麻栽培技术体系进行优化，建立适用于重金属污染农田种植亚麻的栽培管理技术体系；（三）深入研究亚麻在重金属胁迫下生长发育特性、抗性机理及与之相关调控手段的研究，开发出安全高效的调控手段；（四）加大政策性支持和宣传，激起农户的热情和认可度，实现规模化。重视机械农具的开发，提高机械化水平；（五）提高亚麻产品的综合开发利用，扩大市场需求。亚麻纤维不进入食物链的安全性、对重金属胁迫的耐受性以及治理作用，作为重金属污染农田进行植物修复的候选作物，有着不可比拟的优势。

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Utilization Prospect of W inter Flax Cultivation on Heavy M etal Polluted Farm land in South China

Yadikaer Shouhereti1，ZHANG Zheng1，GUO Yuan2，Abudunabi1，Hanipa1，WANG Yufu2*
（1.Yili Agricultural Science Institute，Yining，835000，Xinjiang，China；2.Institute of Bast Fiber Crops，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Changsha，410205，China）

Heavymetal pollution of soil has been more and more serious and attractsmuch attention nowadays.The problem is very severe in China，especially in themiddle and lower reaches of the Yangtze River，the Pearl River Delta region and the northeastold industrial areas.However，the area ofwinter agricultural fallow is up to 20 million hm2in themiddle and lower reaches of the Yangtze River，accounting for 45%in the total area of farmland.Thewinter fallow distribution has a high degree of overlap with heavymetal polluted areas.Up to now，phytoremediation is themainmethod to control heavymetal pollution in farm land.Flax is one of the world＇s three important fiber crops and one of the top five oil crops.Many studies have shown that flax has strong tolerance to heavy metal pollution，and flax is also an ideal crop for the remediation of heavymetal pollution as it could create considerable economic benefits through cultivating on heavymetal polluted winter fallow farmland in South China.

flax，winter fallow farmland，heavymetal pollution，pollution management

S563.2

A

1671－3532（2017）02－0075－06

2016－12－27

国家麻类产业技术体系（CARS－19）；中国农业科学院科技创新工程（ASTIPIBC06）；中国农业科学院科技创新工程协同创新行动：我国南方地区稻米重金属污染综合防控工程（CAAS－XTCX2016018）

守合热提·牙地卡尔（1981－），男，助理研究员，油料作物育种与栽培。E－mail：1372909399＠qq.com

*通讯作者：王玉富（1962－），男，研究员，主要从事麻类作物栽培育种研究。E－mail：chinaflax＠126.com