不同黄麻品种对重金属镉和铅的吸收与富集规律

侯文焕，廖小芳，唐兴富，赵艳红，李初英

(广西农业科学院经济作物研究所，广西 南宁 530007)

【研究意义】黄麻(CorchoruscapsularisL.)为椴树科黄麻属一年生草本植物，在我国南方各省份均有种植[1-2]。近年来随着经济和工业的发展，土壤重金属污染日益严重，其中的镉(Cd)和铅(Pb)含量不断增加，不但影响植物生长，而且一旦进入食物链还会对人体健康造成一定危害[3]。黄麻对重金属有一定的吸附能力，且具有生长周期短、生长速度快、生物产量高、适应性广和纤维经济价值高等特点，是一种理想的土壤重金属污染治理与修复植物[4]，但目前鲜有关于黄麻在整个生育期内重金属累积情况的报道。因此，探究黄麻不同生育期对Cd和Pb的吸收和富集规律，对重金属污染土壤的修复治理和菜用黄麻品种的选用具有重要意义。【前人研究进展】不同植物吸收重金属的种类和量均存在较大差异[5-8]。同一作物不同部位对重金属的吸收量也存在差异，各部位对Cd和Pb的累积量排序为根>叶>果实>种子[9-11]。不同生育期作物对重金属的累积也不同，Rodda等[12]研究表明，扬花期水稻对Cd的耐受能力较强且植株内Cd含量相对较高。刘昭兵等[13]研究发现，水稻各器官的Cd和Pb含量均表现为分蘖期>成熟期>抽穗期。黄麻对土壤和水体中的Pb、锌(Zn)、Cd和铬(Cr)等均具有一定的吸附和富集能力[14]。Ogunkunle等[15]研究显示，菜用黄麻中重金属含量的变化排序为Zn>Pb≈Cd。龚紫薇等[16]研究表明，黄麻地下部分吸附Pb和Zn的能力高于地上部分。陈军等[17]开展现蕾期和收获期黄麻重金属含量研究，结果发现Cd在黄麻各器官中的分布排序为根>叶(籽粒)>茎秆，Pb的分布排序为根>茎秆>叶(籽粒)。李楠等[18]研究显示，黄麻叶和嫩梢较茎杆具有更强的Cr吸附能力。贾瑞星等[19]研究认为，对Cd2+耐性较优的黄麻品种可作为母本用于配制抗Cd胁迫黄麻三系杂交种。【本研究切入点】目前，关于黄麻对重金属累积及重金属污染修复潜力的研究主要集中在某一生育期，鲜有针对黄麻整个生育期重金属累积情况进行研究的报道。【拟解决的关键问题】将4个黄麻品种种植于重金属重度污染的土壤上，研究其不同生育期、不同部位对Cd和Pb的吸收、累积规律及不同黄麻品种对重金属污染土壤的修复潜能，以期为重金属污染土壤的生物修复、菜用黄麻种植地选择及黄麻种质选育提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试的4个菜用黄麻品种分别为圆果种黄麻桂麻菜1号和桂麻菜2号及长果种黄麻福农1号和福农4号，均由广西农业科学院经济作物研究所提供，其中福农1号和福农4号为从福建农林大学引进保存品种。试验地位于广西河池市宜州区庆远镇，土壤理化性质为：有机质含量62.50 g/kg，全氮含量3.37 mg/kg，全磷含量0.78 mg/kg，全钾含量5.50 mg/kg，全钙含量2.90 mg/kg，Cd含量8.530 mg/kg，Pb含量233.000 mg/kg，其中的Cd和Pb含量均超过GB 15618—2018土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准[20]的要求，参考GB 15618—1995重金属污染评价标准[21]达重度污染水平。

1.2 试验设计

4个黄麻品种小区种植面积均为4 m× 3 m，株距10 cm，行距50 cm，随机区组设计，每个品种3次重复。于2018年5月14日播种，生长期间施行常规田间水肥管理。分别于6月21日(苗期)、8月1日(开花期)和11月22日(成熟期)对植株进行取样，每次取样在小区中间随机选取5株，按地下部(根部)和地上部[叶片(种子)、麻皮和麻骨]分开冲洗干净，于105 ℃烘箱中杀青30 min后80 ℃烘干至恒重，称重、粉碎后放入干燥器中备用。

1.3 测定项目及方法

采用微波辅助消解—电感耦合等离子体原子发射光谱法，测定苗期和开花期根系、叶片、麻皮和麻骨的Cd和Pb含量，测定成熟期根系、种子、麻皮和麻骨的Cd和Pb含量[22]，计算重金属富集系数[23]和转移系数[24]。

重金属富集系数=植物体内某部位重金属含量/土壤中重金属含量

转移系数=植物地上部重金属含量/植物地下部重金属含量

参考郭媛等[1]的方法，以黄麻植株地上部3个器官(麻皮、麻骨、叶片或种子)的干生物量为权重分别计算植株地上部的Cd和Pb含量加权平均值，以此作为黄麻植株地上部的平均Cd和Pb含量。

1.4 统计分析

采用Excel 2010和SPSS 19.0对试验数据进行统计和差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同黄麻品种的生物量

由表1可知，4个黄麻品种苗期的总生物量在1.67～2.05 t/hm2，各品种排序为桂麻菜2号>福农4号>桂麻菜1号>福农1号，其中桂麻菜2号与福农4号差异不显著(P>0.05，下同)，但显著高于桂麻菜1号和福农1号(P<0.05，下同)；开花期的总生物量在13.26～21.53 t/hm2，各品种排序为福农4号>福农1号>桂麻菜1号>桂麻菜2号，其中桂麻菜1号与桂麻菜2号差异不显著，但二者均显著低于福农1号和福农4号；成熟期的总生物量在13.61～26.18 t/hm2，各品种排序为福农4号>福农1号>桂麻菜1号>桂麻菜2号，其中福农4号显著高于其他3个品种，福农1号显著高于桂麻菜1号和桂麻菜2号。综合比较各品种各部位的总生物量和生物量，以福农4号表现较优异。

表1 不同黄麻品种各部位的干生物量

2.2 Cd在黄麻植株体内的吸收、分配和累积情况

2.2.1 不同生育期黄麻植株各部位Cd含量的动态变化 由表2可知，4个黄麻品种在不同生育期各部位的Cd含量存在差异。其中，各生育期各部位的Cd含量排序均为根系>叶(种子)>麻皮>麻骨，且根系的Cd含量显著高于麻骨；福农1号各生育期根部的Cd含量均显著高于麻皮、麻骨和叶片(种子)；4个黄麻品种的叶片为食用部位，苗期和开花期为可食用时期，期间叶片的Cd含量在1.310～4.840 mg/kg。说明黄麻吸收Cd的主要部位为根部。

从表2还可看出，随着生育期的递进，4个黄麻品种各部位的Cd含量均呈先下降后上升的变化趋势。其中，桂麻菜2号、福农1号和福农4号的根系、麻皮、麻骨、叶片(种子)及桂麻菜1号的麻皮和麻骨的Cd含量在各生育期的排序均为苗期>成熟期>开花期；桂麻菜1号成熟期根系和种子的Cd含量显著高于苗期和开花期根系和叶片的Cd含量，桂麻菜2号、福农1号和福农4号苗期各部位的Cd含量均显著高于开花期和成熟期。说明黄麻在苗期对Cd有较强的吸收能力。

表2 不同黄麻各生育期不同部位的Cd含量

表3 不同黄麻各生育期Cd的富集和转移系数及累积量比较

2.2.2 黄麻对Cd的富集和转移能力及累积量 由表3可知，4个黄麻品种各生育期地下部(根部)对Cd的富集系数均明显大于对应生育期地上部各部位；各品种苗期地上部的富集系数均大于开花期和成熟期，其中桂麻菜2号在苗期的富集系数最大，为0.543。4个黄麻品种的转移系数在0.402～0.952，其中，除福农1号苗期与开花期的转移系数差异不显著外，其他品种苗期的转移系数均显著大于开花期和成熟期；福农4号苗期的转移系数最大，为0.952。由此可见，苗期为黄麻Cd转移的关键时期。

从表3还可看出，随着生育期的递进，4个黄麻品种的Cd累积量逐渐升高，即成熟期>开花期>苗期。其中，各品种开花期和成熟期Cd的累积量均显著高于苗期；桂麻菜1号、桂麻菜2号和福农4号成熟期Cd的累积量显著高于苗期和开花期，尤其是桂麻菜1号在成熟期Cd的时累积量达50.160 g/hm2，显著高于其他品种各生育期Cd的累积量。说明开花期对黄麻累积Cd有较大贡献，其中桂麻菜1号可作为一种土壤Cd污染修复植物推广应用。

2.3 Pb在黄麻植株体内的吸收、分配和累积情况

2.3.1 不同生育期黄麻植株各部位Pb含量的动态变化 由图1可看出，随着生育期的递进，4个黄麻品种根系、麻骨、麻皮和叶片(种子)的Pb含量均呈不断增加趋势，即成熟期>开花期>苗期，其中，除福农1号成熟期根系Pb含量与开花期、福农4号成熟期麻骨Pb含量与开花期差异不显著外，其他品种成熟期各部位的Pb含量均显著高于苗期和开花期。由此可见，成熟期是黄麻对Pb吸收的关键时期。从图1还可看出，4个黄麻品种在各生育期各部位的Pb含量排序为根系>叶片(种子)>麻皮>麻骨，其中，根部的Pb含量显著高于其他部位；桂麻菜1号和福农4号叶片(种子)的Pb含量均显著高于麻骨的Pb含量；苗期和开花期4个黄麻品种叶片的Pb含量在0.901～2.515 mg/kg。进一步说明根部是黄麻吸收Pb的主要部位。

2.3.2 不同黄麻品种对Pb的富集、转移能力及累积量比较 由表4可知，4个黄麻品种对Pb的富集和转移能力存在差异。其中，地下部(根部)对Pb的富集系数为0.020～0.082，均高于对应生育期地上部Pb的富集系数，但均小于1.000；桂麻菜1号成熟期根系、麻骨和叶片(种子)的富集系数显著高于其他品种，尤其以成熟期根系的富集系数(0.082)最大；转移系数在0.064～0.266，其中，桂麻菜1号和桂麻菜2号苗期的转移系数均显著高于开花期，尤其以桂麻菜2号苗期的转移系数(0.266)最大。由此可见，黄麻对Pb有一定的转运和富集能力。

从图2可看出，随着生育期的递进，4个黄麻品种的Pb累积量均呈升高趋势，即成熟期>开花期>苗期。其中，开花期的Pb累积量急剧升高并显著高于苗期，至成熟期时累积量均显著高于苗期和开花期，尤其以福农1号在成熟期的累积量(64.025 g/hm2)最高。由此可见，黄麻对Pb的累积主要集中在开花期和成熟期。

表4 不同黄麻品种Pb的富集和转移系数比较

同一品种不同生育期图柱上不同小写字母表示差异显著(P<0.05)Different lowercase letters on the bar of the same variety at different growth periods indicate significant difference(P<0.05)图2 不同黄麻品种对Pb的累积量比较结果Fig.2 The comparison result of amount accumulation of Pb in different jute varieties

3 讨 论

本研究中，4个黄麻品种在各生育期各部位Cd和Pb的含量排序均为根系>叶片(种子)>麻皮>麻骨，与陈军等[17]的研究结果相似；根部的Pb含量均显著高于其他部位，即地下部Pb含量高于地上部，与龚紫薇等[16]的研究结果基本一致；叶片的Cd和Pb含量始终高于麻皮和麻骨，可能与叶片中的黏性多糖物质对Cd和Pb有较强吸附能力有关[14]；各部位的Cd含量均随着生育期的递进呈先下降后上升的变化趋势，与陈军等[17]的研究结果不一致，可能是因为试验所用品种不同引起[26-26]。

重金属富集系数能反映重金属在植物体内的富集情况，富集系数越大，说明植物吸收重金属能力越强[27]。本研究结果显示，4个黄麻品种对Cd和Pb的富集和转移能力存在差异，其中地下部(根部)在各生育期对Cd的富集系数均小于1.000，与夏涓文等[2]研究发现在不添加EGTA和有机酸的情况下黄麻的富集系数和转移系数均未达到1.000的结果一致；4个黄麻品种对Pb的富集系数和转移系数均小于1.000，但其地下部(根部)的富集系数高于地上部，可能是因为黄麻的根系直接与土壤接触并直接吸收Pb且将其保留在根部，限制有害或多余的Pb离子由根部向地上部转移，保障了地上部较低的Pb含量[28]。本研究还发现，4个黄麻品种不同生育期不同部位对Cd的富集能力均强于对Pb的富集能力，可能是Cd在黄麻体内与蛋白质结合成有机络合物，更有利于在黄麻体内转运，从而导致Cd的富集能力较Pb强[29]。

本研究选用的4个黄麻品种均为菜用黄麻品种，主食嫩叶，但在苗期和花期其叶的Cd和Pb含量分别为1.310～4.840和0.901～2.515 mg/kg，远高于《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB2762—2017)新鲜蔬菜的Cd和Pb限量标准(分别为0.200和0.300 mg/kg)，因此作为蔬菜种植时需调查清楚种植土壤的重金属背景值，以保障食用安全。

4 结 论

Cd和Pb含量在4个黄麻品种各部位的排序均为根系>叶片(种子)>麻皮>麻骨；随着生育期的递进，4个黄麻品种各部位的Cd含量呈先下降后上升的变化规律，Pb含量呈上升趋势；4个黄麻品种的Cd和Pb积量均为成熟期>开花期>苗期，成熟期Cd和Pb累积量最高的分别为桂麻菜1号和福农1号；4个品种在苗期和花期叶的Cd和Pb含量均远高于限定标准，因而作为蔬菜种植时需调查清楚种植土壤的重金属背景值，以保障其食用安全；桂麻菜1号可作为一种土壤Cd污染修复植物推广应用。