黄麻修复重度镉污染农田的品种筛选

尹明，杨大为，唐慧娟，潘根，常丽，李建军，邓勇，张翠萍，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，湖南长沙410205）

当今社会经济发展迅速，同时也逐渐暴露出不同程度的环境问题，随着重金属产量与使用量的增多，重金属污染问题对人类生活造成了越来越严重的影响。镉（Cd）是一种具有极强毒性，且容易被植物吸收的重金属，其会通过根系进入植物体内，干扰植物光合酶活性，改变细胞膜通透性等[1]。镉元素常与其他重金属元素共同造成复合污染，对植物的生长发育产生严重影响，每年粮食产业都会因重金属污染造成极大的经济损失[2]。重金属镉进入粮食蔬菜后，会经由农产品再进入人体，从而威胁人类健康[3]。人们如果长期在重金属污染的地区居住并且食用该地区的粮食蔬菜，将会增大食道癌和肝癌的患病风险[4]。因此，治理土壤镉污染已经成为一项紧迫任务。

针对受到重金属污染的土壤，传统的修复方法有物理、化学等方法，但物理和化学方法成本较高，并且容易对土壤结构造成严重损害，化学方法还容易导致二次污染[5]。近年来我国常用的修复方法有电修复和生物修复[6-8]，在生物修复方面，植物修复方法是一种公认的修复镉污染的绿色途径[9]，是一项利用特定植物提取、挥发、稳定和降解土壤中的重金属，从而减轻土壤重金属污染的有价值的生物技术[10-11]。植物修复还具有无二次污染、操作简单、成本低、可大面积推广等优点。近年来随着我国耕地面积的不断减少，非食用型作物向受到重金属污染的耕地进行转移已是大势所趋[12]。而顺势利用非食用型经济作物来治理土壤重金属污染问题，将有利于社会环境的改善和推动经济发展。

经济作物黄麻（Corchorus capsularis L.）由于其生长速度快、抗逆性强、生物量大而具有巨大的重金属污染修复潜力[13]。黄麻是韧皮纤维作物，椴树科黄麻属一年生草本植物，在长江以南地区广为栽培，其用途甚广，可用于纺织、食用、环保人造板及建材，且具有良好的药用价值。有研究[14]发现黄麻有较强的镉富集能力，具有作为土壤镉污染修复材料的潜力。并有研究[15]指出有机酸和EGTA配合施用能够增大黄麻抗氧化酶活性，促进合成光合色素，提高生物产量，从而显著提升黄麻的镉污染修复能力。针对镉污染的植物修复途径，目前较多是针对东南景天、龙葵、油菜、棉花、苎麻等植物进行研究，对黄麻的镉污染修复研究相对较少，在重度镉污染农田下的试验研究更为少见[16-20]。本试验选用5个黄麻品种，拟探究其在重度镉污染自然环境下的镉含量、农艺性状和生物量，并分析其富集和转运能力，从而筛选出具有较强镉污染修复能力的黄麻品种，旨在为利用黄麻进行农田镉污染修复提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料和地点

试验选用的黄麻品种由中国农业科学院麻类研究所一年生麻类作物遗传改良创新团队提供，分别为：中黄麻11号（371）、菜用黄麻3号（445）、菜用黄麻4号（446）、桂菜黄麻2号（447）和福黄5号（ZM-5）。试验地点位于湖南省浏阳市，试验农田的土壤镉浓度在1.9 mg/kg左右，为重度镉污染试验地。

1.2 试验设计

将5个黄麻品种分别种植于5个小区内，各小区均为宽2 m，长12 m，每个小区内播种黄麻60 g，每行均分15个小穴，行距0.5 m，每个品种设立3个重复。5月初进行播种，于6月22日（封行期）、7月23日（快速生长期）、8月23日（生长减缓期）、9月27日（成熟期）对黄麻不同部位进行取样，并对试验地播种前和收获后的根际土壤进行取样，对其镉含量进行测定分析。

1.3 样品采集和分析方法

植株取样：定期对各小区的黄麻植株进行随机取样，将取回的完整植株先用自来水冲洗干净，再用去离子水清洗，然后将黄麻样品分为根、茎、叶，分别进行称重、杀青、烘干和研磨。

土壤取样：在各小区内0～20 cm土层处采集适量的土壤样品，剔掉石块和植物残体，自然风干后进行研磨，过80目筛。

土壤样品和植株样品一同送至湖南省分析测试中心检测重金属镉含量，检测方法参照《食品安全国家标准食品中多元素的测定》（GB 5009.268—2016）（植株）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）（土样）执行。

植株在到达收获期后，记录样方内有效株数，然后在小区内随机选取15株黄麻测量株高、茎粗、皮厚、鲜重，并计算其相应产量。

1.4 指标计算与数据处理

运用Excel 2019对数据进行分析和制图，运用数据处理软件SPSS 23.0对数据进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 试验地内黄麻农艺性状和生物量分析

黄麻成熟后（9月份），对其农艺性状和生物量进行测定。由表1可知，黄麻可以在重度镉污染农田中正常生长，个别品种的株高之间、茎粗之间和产量之间均存在显著差异。农艺性状方面，371和445的株高明显高于其他3个品种，均超过4.5 m；茎秆粗度又以446和447为最优，均超过25 mm；不同黄麻品种韧皮皮厚在1.43～1.73 mm之间，差异不显著。生物量方面，黄麻产量以445为最优，较其他品种高出5.96%～47.93%。

表1 5个黄麻品种的农艺性状和生物量Table 1 Agronomic characters and biomass of the jute varieties planted in cadmium contaminated paddy soil

2.2 不同黄麻品种各器官镉含量

纤维成熟后（9月份），对黄麻不同部位镉含量进行测定。由表2可知，重金属镉在叶片中的累积量明显高于在茎秆中的含量，371、445和ZM-5的镉含量均表现为叶＞根＞茎。黄麻根的镉含量范围在2.81～7.61 mg/kg之间，其中446根的镉含量最大；黄麻茎的镉含量范围在 2.21～4.40 mg/kg之间，其中447茎的镉含量最大；黄麻叶的镉含量范围在4.30～6.29 mg/kg之间，其中371和447叶的镉含量最大。根据上述分析及镉含量平均值可知，446和447的镉含量最多，371次之，445和ZM-5最少。

表2 5个黄麻品种各器官镉含量Table 2 Cadmium content in each organ of 5 jute varieties mg/kg

2.3 试验地土壤镉含量变化

黄麻播种前（5月16日）和收获后（9月27日）测得的试验地土壤镉含量如表3所示，播种前试验地土壤镉含量差异不显著，收获后个别品种间存在显著差异。5个黄麻品种中，371和446栽种后的土壤镉含量降幅最大，分别降低了26.70%和22.51%；447栽种后的土壤镉含量降幅较小；而445和ZM-5栽种后的土壤镉含量甚至有所增加，这可能是由于试验地并非封闭环境，受到了灌溉水、土壤条件、品种特性、大气环境等因素的影响。并且由于试验地面积较大，各品种黄麻所栽种地块的水肥条件、土壤条件等存在差异，因此无法设置一个有效的对照组来观察镉含量变化。

表3 镉污染农田土壤镉含量变化Table 3 Changes in cadmium content in cadmium-contaminated paddy soils

2.4 不同黄麻品种各器官镉富集系数和转运特征

根据黄麻播种前和收获后的土壤镉含量，计算黄麻不同器官在封行期（6月22日）和收获期（9月27日）的镉富集系数。由表4可知，相比于封行期，各器官镉富集系数在收获期均大幅度降低，其中茎秆和叶片的降幅最大，茎秆镉富集系数降幅范围为6.88～8.37，叶片的降幅范围为3.62～7.74。在收获期，除446外，其他黄麻品种各器官中叶片的镉富集能力最大。不同器官的镉富集能力在品种间也存在差异，在封行期，各黄麻品种的镉富集能力以445、446、447表现最佳，在收获期又以371、446表现最佳。综合不同黄麻品种镉富集能力的时空特征可知：446的镉富集能力最强，371、447次之，445、ZM-5最弱。

表4 5个黄麻品种各器官镉富集系数Table 4 Cadmium enrichment factor in each organ of 5 jute varieties

不同黄麻品种地上部镉转移系数如图1所示，总体来看，镉转移系数随植株生长最终均有不同程度的降低，其中446的镉转移系数降幅最大，降低了65.68%；447的镉转移系数降幅最小，降低了14.71%。从每月各品种的转移系数来看，446和ZM-5的镉转移系数一直处在较低水平，说明446和ZM-5的镉转运能力相对较弱。在收获期测得的黄麻地上部转移系数范围为1.04～2.60，表明这5个黄麻品种都具有较强的镉转运能力。

如图2所示，比较不同黄麻品种茎的镉转移系数，可知447最大，445次之，ZM-5、371和446最小；比较不同黄麻品种叶的镉转移系数，可知371、445和447最大，ZM-5次之，446最小，综上可得，446和ZM-5的镉转运能力相对较弱。并且从图中可以看出，5个黄麻品种叶的镉转移系数明显大于茎的镉转移系数，其中，371叶和茎的镉金属转移系数相差最大，差值为0.97。

图2 不同黄麻品种收获期茎和叶的镉转移系数Fig.2 Cadmium transportation factor of stems and leaves of different jute varieties at harvest

3 讨论

植物修复作为一种有效治理镉污染的绿色途径，越来越受到国内外科研工作者的关注。有研究[21]指出植物对土壤中重金属的修复能力主要由地上部的重金属含量和生物量两个因素决定。而目前国内外对农田镉污染修复能力的评价指标涉及多方面，主要包括植物对重金属镉的吸收能力、富集能力、转运特征以及植株生物量[22]。为了提高植物修复重金属污染的能力，利用化学改良剂协助植物修复重金属污染的相关研究越来越多，化学改良剂可以改善植物不同部位的重金属富集能力，而不会真正影响植物的生长。现阶段研究的侧重点是优化化学改良剂的数量和机制，以实现良好的植物生长和重金属修复[23]。因此，后续可以通过研究筛选出与镉结合的最佳化学改良剂与超富集植物配合施用，以提高植物对镉污染的修复能力，达到更好的镉污染修复效果。

植物的重金属富集系数即植物将重金属从地下部转移到地上部的能力，是描述重金属在植物体内累积趋势的重要指标。本试验得出，在收获期，不同黄麻品种各器官的镉富集系数在1.25～5.14之间，说明黄麻具有较强的镉富集能力。植物的重金属转移系数是衡量植物将重金属从根部转移到地上部的能力的标准，也是衡量植物修复重金属污染的又一重要指标。本试验中黄麻在收获期的镉转移系数在1.04～2.60之间，说明黄麻具有较强的镉污染修复能力。有研究[24]表明由于植物地上部对重金属镉更加敏感，镉富集能力较强的植物吸收的镉主要分布在地下部，地上部的镉含量较少，这是为了减缓镉对植物地上部光合作用以及生长发育的影响。而试验中发现黄麻地上部的镉含量高于地下部，并且仍能正常生长，由此可知黄麻还具有较强的耐镉性。而且根据前人报道，在重金属污染农田种植的黄麻，其纤维制品一般不会存在重金属超标的问题，符合安全产品标准，因此黄麻在修复重金属污染的同时，还具有一定的经济价值，如麻骨可以制成污水吸附剂，麻皮制成建筑板材等[25]。

综合分析重度镉污染下5个黄麻品种的生物量、镉含量、富集能力和转运特征等指标，可知在生物量方面，371和445的产量相对较高且二者相差不大；在植株镉含量方面，446和447的镉含量最多，371次之，分别为5.16、4.93、4.23 mg/kg；在土壤镉含量方面，种植371的土壤镉含量降幅最大，446次之，分别为26.70%和22.51%；在富集能力方面，446成熟期的镉富集能力最强，371次之；在转运特征方面，371、445和447成熟期的镉转移系数都较大。综上所述，发现371在各方面均表现较佳，因此，371为5个黄麻品种中镉污染修复能力最强的品种。

本试验中值得注意的是，在5个黄麻品种中446的镉含量最多，富集系数最大，但植株较低，产量较少，尤其是转移系数明显小于其他品种。造成这种情况的原因可能是446对镉具有出色的吸收和富集能力，但大部分镉累积在根系，使得根系成为受镉毒害的主要部位，毒害程度超过其自身对镉的消减能力，从而影响地上部的生长。并且由于植株对镉的转移系数是根据地上部/地下部计算得来，而446在这5个黄麻品种中地下部的镉累积量最大，使得其转移系数偏小。虽然446的生物量和转移能力较低，但综合其他指标，446仍可以考虑用作农田镉污染修复的植物材料。如能对446根系吸收镉的能力做进一步研究，挖掘出其根系对重金属镉强大的吸收和累积能力的机制，将有机会通过杂交、分子育种等方法培育出更具镉污染修复潜力的品种。

4 结论

在土壤镉含量为1.9 mg/kg左右的重度镉污染农田中栽种的5个黄麻品种仍能正常生长，具有较好的生物学产量和经济价值，并有较强的富集和转移能力。不同品种的黄麻对镉的富集系数和转移系数均大于1，但在对镉污染的修复潜力方面存在较大差别。重金属镉从根系到叶片的转移能力强于从根系到茎秆的转移能力。综合镉含量、富集能力、转运特征、农艺性状、生物量等各项指标，具有较好农田镉污染修复能力的黄麻品种是中黄麻11号、菜用黄麻3号和桂菜黄麻2号，其中又以中黄麻11号为最佳镉污染修复品种。