红麻与黄麻在改良铅锌矿渣下的筛选与评价

龚紫薇，陈永华，陈基权 ，李建彬，何 蔚，汤春芳 ，柳 俊

（1.中南林业科技大学 环境科学与工程学院，湖南 长沙 410004；2.中国农业科学院 麻类研究所，湖南 长沙 410205）

铅锌尾矿是一类 Pb 和 Zn 含量极高且对植物生长产生胁迫的生境，其污染已引起国内外广泛关注[1-3]。随着人们对环境保护的日益重视，迫切需要找到一条在不破坏土壤物理化学性质的情况下来治理重金属污染土壤的新途径[4]。植物修复技术不仅具有成本低廉和环境友好的特点[5]，还具有重建植被、修复景观、改良土壤性质、改善土壤生态环境等功能，可大面积应用于矿山的复垦、重金属污染场地的植被与景观修复[6-7]。目前在植物重金属修复领域主要是进行超富集植物的筛选与机理研究，但是发现超富集植物如东南景天[8]、遏蓝菜[9]，这些超富集植物通常生物量低，生长缓慢，一般经济价值低，且部分超富集植物具有元素专一性的特点，在多重金属元素共存的复合污染中，超积累植物的应用受到一定的限制[10-11]。也有研究发现：有些植物虽然富集的重金属含量未达到超富集植物的标准，但它们生长速度快，生物量高，即使植物体内重金属含量没有达到临界含量标准，因植物生物量及生长速度都远远大于超积累植物，同样时间内所积累的重金属绝对量反而比超富集植物积累的绝对量大，用这类植物种植于重金属污染地，使其富集重金属，经收割后，土壤中的重金属水平显著减少[12]，从而达到修复土壤的目的。从实用性角度来看，生长周期短、生物量大、重金属吸收效率高并有经济价值的植物具有相当大的筛选价值。

黄麻Hibiscus cannabinus、红麻Corchorus capsularis由于具有生长迅速、较强的耐干旱、耐涝、较强抗逆性以及巨大的生物产量等特性[13]，对多种重金属也具有较强的耐性[14-15]，且红麻和黄麻作为非食用纤维经济作物，可避免重金属通过食物链对人体造成伤害，又可以获得较理想的经济效益，有望成为植物修复尾矿库重金属污染的一类有价值的经济作物。考虑到铅锌矿土壤结构差，水分缺乏，营养物质不足，缺乏必要的营养元素[16-17]，本研究以30个红麻和黄麻品种为筛选对象，用不同质量分数配比泥炭土改良矿渣基质进行盆栽实验，以期筛选出能综合应用于矿山废弃地修复的植物品种。

1 材料与方法

1.1 试验材料

30个红麻和黄麻品种（见表1）由中国农科院麻类研究所提供，铅锌矿渣来自湖南省郴州市某铅锌尾矿库（Pb、Zn的分别为6267.98、2877.31 mg·kg-1），泥炭土购买于长沙红星花卉市场（pH值约为6.45，有机质约为90 g·kg-1）。

表1 30个红麻和黄麻品种编号及其名称Table 1 Codes of 30 cultivars of kenaf or jute and their names

1.2 试验设计

实验设计见表2。盆栽花盆口径为30 cm，储量为8 kg，处理设置3个梯度，3个平行，4月将红麻和黄麻种子先播种于非污染土壤中，待幼苗长至10～15 cm时将其移栽到已配置好的矿渣改良基质中，10月成熟后收获。

表2 铅锌矿渣改良处理Table 2 Lead - Zinc slag improvement

1.3 样品分析

样品收获后，将其分为地上部和地下部。所有植物样品用去离子水洗净，先在105 ℃下杀青30 min，80℃下烘至恒质量，称其干质量后粉碎成粉末，硝酸-高氯酸体系湿法消解，原子吸收光谱仪分别测定重金属 Pb、Zn的 含量。

1.4 分析指标

选用生物量变化率（Rate of biomass change，RBC）作为评价改良剂对植物影响效果的指标：

式中：Bi和Bc分别代表改良和对照组植物的生物量。

选用植物重金属积累量（Heavy metal accumulation，Anm）评估植物对Pb、Zn的提取能力：

式中：Ca、Cu分别代表植物地上部和地下部重金属质量分数；Ba、Bu分别代表植物地上部和地下部生物量。

1.5 数据分析

数据分析采用 SPSS 22.0 软件。

2 结果与分析

2.1 重金属胁迫下红麻和黄麻存活情况及生物量的变化

从植物的生物量及变化率（见表3）可以看出：除2、4、6号全部死亡及7、25号存活率低于50%外，其余品种均100%存活；在对照处理下，25个红麻和黄麻品种的地上部、地下部生物量平均值为3.453 g和1.243 g；在改良一处理下，其地上部、地下部生物量平均值为5.702 g和2.297 g；在改良二处理下，其地上部、地下部生物量平均值为9.271 g和3.210 g。

25个品种红麻和黄麻生物量变化率均大于0，说明改良剂的施入，提高了植物生物量，但对各个品种的影响存在一定的差异。根据双因素方差分析，红麻和黄麻的地上部生物量受其品种（P＜0.01）、 泥炭土添加量（P＜0.01）及两者交互作用（P＜0.01）的显著影响（见表4）。

表3 不同红麻和黄麻品种收获后各部分生物量及其变化率†Table 3 Biomass and its change rate of different kenaf and jute cultivars after harvest

表4 不同品种红麻和黄麻各指标双因素方差分析†Table 4 Double factor variance analysis among different kenaf and jute cultivars of different indexes

2.2 植物体内重金属的含量

从植物体内重金属含量（见表5）来看：25个红麻和黄麻品种对Pb、Zn都具有一定的吸附能力，且地下部含量均大于地上部含量， 由此可见Pb、Zn主要积累在植物根部。除部分地上部Zn含量外，25个品种红麻和黄麻重金属含量大致呈现出对照组＞改良组的趋势。品种间地上部与地下部位重金属含量差异明显，其中CK组地上部Pb、Zn含量最高与最低相差4倍和2倍，地下部Pb、Zn含量最高与最低相差3倍和2倍；改良一地上部Pb、Zn含量最高与最低均相差3倍，地下部Pb、Zn含量最高与最低相差3倍和1倍；改良二地上部Pb、Zn含量最高与最低相差5倍和6倍，地下部Pb、Zn含量最高与最低相差3倍和5倍。

表5 25个红麻和黄麻品种体内Pb、Zn含量与分布Table 5 Contents and distributions of Pb and Zn in 25 kenaf and jute cultivars

续表 5Continuation of table 5

不同品种植物对不同重金属元素的吸收和积累存在较大差异，同一种植物不同组织对不同的元素也存在一定差异。根据双因素方差分析，红麻和黄麻的地上部及地下部Pb、Zn含量受其品种（P＜0.01）、泥炭土添加量（P＜0.01）及两者交互作用（P＜0.01）的显著影响（见表6）。

表6 25个品种红麻和黄麻对照组与改良组各部位Pb、Zn含量间的相关性系数†Table 6 Correlation coefficients between control group and improved group of Pb&Zn contents in 25 kenaf and jute cultivars’ each part

除对照组地下部Zn含量与改良二地下部Zn无相关性外，对照组地上部、地下部的Pb、Zn含量分别和改良组地上部、地下部的Pb、Zn含量呈极显著或显著正相关关系（P＜0.01或P＜0.05）（见表6），表明地上部及地下部Pb、Zn含量主要由品种决定，受基质中泥炭土施入量的影响较小。

2.3 植物重金属的积累量

植物重金属累积总量见图1。从图1中可看出：植物各品种间Pb、Zn积累量存在显著差异，除5号和14外，其它品种均呈现改良组＞对照的规律，因此，改良剂的施入促进了生物量的提高，从而使每株植物能积累更多的重金属。25个品种红麻和黄麻Pb平均积累总量分别为对照组3.18 mg、改良一4.06 mg、改良二4.75 mg。Zn平均积累总量分别为对照组2.43 mg、改良一3.80 mg、改良二5.80 mg。双因素方差分析表明，红麻和黄麻的重金属积累总量受其品种（P＜0.01）、泥炭土添加量（P＜0.01）及两者交互作用（P＜0.01）的显著影响（见表4）。

2.4 红麻和黄麻Pb、Zn积累型聚类分析

筛选适用于矿区修复的植物品种最关键的在于植物收获部分所能带走的重金属总量[18]。红黄麻在收获时可连根拔起，因此，将植物在各基质条件下Pb、Zn积累总量作为聚类指标，根据聚类分析，25个红麻和黄麻品种分为高Pb、Zn积累型（13、15、17、19、23、27号）和低 Pb、Zn积累型两类（见图2）。方差分析表明，两种Pb、Zn积累型的Pb、Zn积累总量达到显著差异（P＜0.01）（见表7）。所以，将 25个红麻和黄麻品种划分为低Pb、Zn积累型和高Pb、Zn积累型是合理的。

图1 30个红麻和黄麻品种Pb（a）、Zn（b）积累总量Fig. 1 Total accumulation of Pb (a) and Zn(b) in 30 kenaf and jute cultivars

3 讨 论

植物对重金属的耐性是植物修复重金属污染土壤的前提，耐性是指植物能生存于某一特定的含量较高的重金属环境中，而不会出现生长率下降或死亡等毒害症状[19]，一般土壤中或植物体内Pb、Zn含量达到一定值即对植物产生毒性效应，导致植物生长抑制、枯萎甚至死亡。本实验所供筛选的30个品种有25个品种能在高含量铅锌矿渣介质下生存并完成生命周期，表明其对高含量复合重金属污染具有较高的耐性。这与张富运等人[20-21]的研究结果一致。试验中，存活的25个品种红麻和黄麻间生物量及各部位Pb、Zn含量均呈现显著差异，以往对大白菜、菠菜、小麦的研究也出现相似的结果[22-24]。

同一植物不同组织对重金属的积累能力也不尽相同。本实验存活的25个品种在各处理下地下部Pb、Zn含量均远高于地上部，说明红麻和黄麻对重金属的耐性机制主要是排除机制[25]，此结果与陈永华等人[26-27]的报道一致。可能是因为根直接与土壤接触和吸收，从而在根部积累了较多的重金属[28]。另外，土壤中的Pb不易被植物吸收，其可溶性、生物可利用性较差，移动性也差，且常以磷酸盐形式存在[29]，重金属元素Zn虽然是植物所必需的微量元素之一，但该实验生长基质中Zn含量远超过植物所需，植物吸收Pb、Zn后将其保留在根部，限制有害或多余的Pb、Zn离子由根部向地上部转移，保持地上部较低的Pb、Zn含量，减少其对植物体的毒害[30]，同时也解释了为何在该试验中地上部 Zn含量未呈现对照组＞改良组的趋势，这与龙新宪等人[31]关于东南景天的研究相似。

图2 25个品种红麻和黄麻Pb、Zn积累型聚类分析Fig. 2 Cluster analysis chart of Pb and Zn accumulation in 25 kenaf and jute cultivars

表7 聚类分析的方差分析†Table 7 Analysis of variance in cluster analysis

植物Pb、Zn的富集与分布也和植物的生长条件有关[32-33]，改良剂泥炭土的施入降低了植物各部位Pb、Zn含量，可能是因为泥炭土中高量的腐殖酸能有效地降低土壤重金属的活性[34]，从而降低了植物各部位重金属含量，同时减少了重金属对植物的危害，这也解释了该试验存活的25个品种红麻和黄麻生物量变化率均大于0。泥炭土中不仅含高量的腐殖酸，还含有N、P、K等营养元素，尾矿库土壤重金属含量极高，营养贫瘠，保水性差，夏季地表高温干旱，泥炭土的施入提高了土壤营养元素含量及保水性，同时缓解了干旱和高温对植物的胁迫，促进了植物逐步适应铅锌污染土壤的理化环境[35]。本研究发现，Pb、 Zn在红麻和黄麻各部位的富集及分布受其品种及泥炭土添加量的显著影响；而且红麻和黄麻各部位的Pb、Zn富集主要受品种的影响，受基质中泥炭土添加量的影响次之。以往的研究表明，重金属在水稻中[36]的富集也出现类似的结果。

4 结 论

本研究中30个红麻和黄麻品种除2、4、6、7、25号外均能在铅锌矿高铅锌复合污染环境里存活，表明红麻和黄麻对高铅锌复合胁迫具有一定的耐性。红麻和黄麻的生物量变化率均大于零，最高达720%，说明改良剂泥炭土的施入提高了植株生物量。基于各基质条件下不同品种植物对Pb、Zn积累总量的不同，将30个红麻和黄麻品种分为Pb、Zn高积累型和Pb、Zn低积累型两类。虽然该试验的红麻和黄麻地上部Pb、Zn含量远小于地下部，不具有超累积植物的特征，但其生物量较大，重金属积累总量可观，并且能在修复的同时带来一定的经济效益，在铅锌尾矿的植物修复中有较大的应用前景。

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