大田镉污染条件下269份苎麻种质镉含量评价

张英，汪娅梅，马玉申，邢虎成，2*，揭雨成，2*

（1.湖南农业大学苎麻研究所，湖南 长沙 410128；2.湖南省草类作物种质创新与利用工程技术中心，湖南 长沙 410128）

重金属污染农田已经严重影响到农产品的食用安全［1-2］，据统计，中国的重金属污染农田面积已达0.1亿公顷，农田土壤受重金属镉污染现象尤为突出，约占重金属总污染面积的2/5［3］。因此，土壤重金属镉污染修复工作迫在眉睫，目前在土壤重金属镉污染修复技术中植物修复技术尤其受到关注，植物修复技术不仅具有成本低、修复效果好、不会造成二次污染等特点，还能从根本上修复污染土壤［4］。苎麻是中国重要的纤维作物之一，种质资源丰富，具有抗逆境能力强、生长迅速、繁殖能力强、根系庞大、生物产量高等特点，对重金属镉的适应能力强，是非常有前景的重金属镉污染土地修复植物。前人［5-6］研究发现苎麻具有较强的镉耐受能力和累积能力，其镉含量是一般植物的2～10倍，苎麻地下部镉含量显著高于地上部［7］。苎麻地下部的镉含量随土壤Cd浓度的升高而增加［8-9］。不同苎麻种质资源对重金属的吸收和富集能力不同，导致不同苎麻种质资源的镉含量也不同，受限于时间、技术和成本，前人对少量苎麻栽培种质进行了镉富集、镉耐受方面的探索［10-16］，也对野生苎麻种质进行了初步的镉含量分析［17］，评价方法以盆栽试验为主，大田条件下的大量苎麻种质镉含量评价研究报道较少。苎麻作为一种有前景的重金属镉污染土地修复植物，目前无相关专用品种。因此，本研究以湖南农业大学收集保存的269份苎麻资源为材料，通过大田镉污染条件进行评价和筛选，以期进一步评价和鉴定苎麻种质的镉含量特性，并筛选出优异的高或低镉含量苎麻种质，为苎麻镉修复专用品种的选育奠定基础，为苎麻修复镉污染农田提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验田土壤背景

试验地点位于湖南省长沙市永和镇镉污染农田，土壤类型是红壤土，pH 5.73，土壤镉含量平均值为3.27mg/kg，按照《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618-2018）规定，属于严格管控土壤（禁止种植食用农产品）。土壤有机质29.25 g/kg，全氮1.56 g/kg，全磷0.51 g/kg，全钾 14.71 g/kg。

1.2 试验材料

供试269份苎麻种质均来源于湖南农业大学苎麻研究所种质资源圃（表1），采用嫩梢扦插的方式无性繁殖，成活后移栽大田。

表1 供试269份苎麻种质Table 1 269 ramie germplasms for researching

续表1

1.3 试验设计

供试269份苎麻种质于2016年5月扦插，同年6月进行移栽。随机区组排列，每份种质设3次重复，共807个小区。行株距为50 cm×60 cm，每个小区种植12株（3行4株），小区面积3.6m2，小区与小区之间间隔1 m。2016年11月破秆，2017年6月上旬、8月上旬、10月下旬收获头、二、三麻作为供试材料，所用数据均为3季麻平均值。

1.4 样品采集与测定

1.4.1 生物产量和样品处理

在头麻、二麻和三麻收获期，每个小区随机选取3蔸苎麻挖出麻蔸，在根茎处将地上部和地下部分开，地上部按照麻叶（含叶柄）、麻骨（木质部和髓）、原麻（韧皮部纤维）和麻壳（皮）分开，地下部按照萝卜根和繁殖根（扁担根、龙头根和跑马根）分开，用蒸馏水冲洗表皮至完全干净，所有样品放入105℃烘箱中杀青30 min，60℃条件下烘干至恒重并称量干物质产量，最后分别粉碎过100目筛备用。

1.4.2 样品镉含量测定

分别准确称取各粉碎样品0.5 g，参考刘泽航［11］的方法进行消化，采用AS3000火焰原子吸收光谱仪测定镉含量。

1.5 数据统计与处理分析

数据处理采用Excel 2007，方差分析采用SPSS软件进行，聚类分析采用R语言数据软件进行。

地上部镉含量（mg/kg）＝（麻骨镉含量×麻骨干重＋麻叶镉含量×麻叶干重＋原麻镉含量×原麻干重＋麻壳镉含量×麻壳干重）/地上部干重；

地下部镉含量（mg/kg）＝（萝卜根镉含量×萝卜根干重＋繁殖根镉含量×繁殖根干重）/地下部干重；

单蔸镉含量（mg/kg）＝（地上部镉含量×地上部干重＋地下部镉含量×地下部干重）/（地上部干重＋地下部干重）

2 结果与分析

2.1 苎麻种质各器官镉含量差异

测定269份苎麻种质不同收获时期各器官镉含量，结果表明，在不同收获时期各器官的镉含量存在差异（表2），头麻各器官镉含量变异系数区间为20.86%～28.41%，最小值区间为1.00～2.21 mg/kg，最大值区间为5.47～9.29 mg/kg。二麻各器官镉含量变异系数区间为18.78%～25.82%，最小值区间为0.88～1.69 mg/kg，最大值区间为3.86～6.41 mg/kg。三麻各器官镉含量变异系数区间为20.58%～27.92%，最小值区间为0.93～2.01 mg/kg，最大值区间为4.90～8.30 mg/kg。不同收获时期比较，头麻镉含量最高，三麻次之，二麻最低。三季苎麻的各器官镉含量采用平均值进行统计，有70.63%种质的萝卜根镉含量极显著高于其他器官，如临澧苎麻2号萝卜根的镉含量最高为8.00mg/kg，湘潭鸡骨白（1.97mg/kg）和74-69（6.08mg/kg）的萝卜根镉含量均极显著高于其他器官；有20.82%种质的繁殖根镉含量极显著高于其他器官，如安仁黄家麻的繁殖根镉含量是萝卜根的1.66倍；有5.58%种质的麻壳镉含量极显著高于其他器官，如浏阳苎麻3号的麻壳镉含量是萝卜根的1.92倍；有0.74%种质的原麻镉含量极显著高于其他器官，分别为湘坪苎麻和马山伏毛苎；1.49%种质的麻叶镉含量极显著高于其他器官，分别为紫叶大叶炮、罗甸青麻、乐业灰绿苎和长沙苎麻；0.74%种质的麻骨镉含量极显著高于其他器官，分别为坡埝青叶苎2号和隆回本地麻。根据三季各器官镉含量平均值可得出各器官镉含量分布的基本规律为萝卜根＞繁殖根＞麻壳＞麻叶＞麻骨＞原麻，比例为1.67∶1.55∶1.32∶1.18∶1.10∶1.00。

表2 不同种质不同收获时期各器官镉含量Table 2 Cadmium content in different organs of different germplasm

表3 部分苎麻种质各器官镉含量多重比较分析Table 3 Multiple comparative analysis of cadmium content in different organs of some ramie germplasms

2.2 不同苎麻种质地上部、地下部和单蔸镉含量差异

通过对269份苎麻种质的镉含量进行研究，结果见表4。由表4可知，不同种质间单蔸镉含量存在显著的差异，变异系数为20.17%。269份苎麻种质单蔸镉含量的平均值为3.26 mg/kg，单蔸镉含量最低的是湘潭鸡骨白，镉含量为1.51 mg/kg，单蔸镉含量最高的是临澧苎麻2号，镉含量为5.88 mg/kg。269份苎麻种质地上部镉含量的平均值为2.63 mg/kg，地上部镉含量最低的是湘潭鸡骨白，镉含量为1.14mg/kg，地上部镉含量最高的是74-69，镉含量为4.82mg/kg。269份苎麻种质地下部镉含量的平均值为3.73 mg/kg，地下部镉含量最低的是湘潭鸡骨白，镉含量为1.81 mg/kg，地下部镉含量最高的是临澧苎麻2号，镉含量为7.07mg/kg。结果表明，地下部镉含量高出地上部镉含量41.83%。

表4 不同种质地上部、地下部及单蔸镉含量Table 4 Cadmium content in the up-ground part，under-ground part and total parts

2.3 269份苎麻种质镉含量的聚类分析

根据单蔸镉含量对269份苎麻种质进行聚类分析，由图1可知，269份种质分成4类，第一类有11份种质，第二类有44份种质，第三类有213份种质，第四类有1份种质。

图1 269份苎麻种质镉含量聚类图Fig.1 Cluster diagram of cadmium content in 269 ramie germplasms

从表5可以看出，第一类地上部、地下部和单蔸镉含量均高，镉含量平均值分别为3.54、6.03、5.15 mg/kg；第二类地上部、地下部和单蔸镉含量均较高，镉含量平均值分别为 3.15、4.78、4.09mg/kg；第三类地上部、地下部和单蔸镉含量中等，镉含量平均值分别为 2.48、3.40、3.00 mg/kg；第四类有1份种质，地上部、地下部和单蔸镉含量低，镉含量平均值分别为1.14、1.81、1.51 mg/kg。

表5 四个聚类类群苎麻种质镉含量平均值Table 5 The average values of the cadmium content of four groups

2.4 高（低）镉含量苎麻种质筛选

269份苎麻种质资源单蔸镉含量平均值为3.26 mg/kg，将269份苎麻种质中单蔸镉含量高于4.70 mg/kg的种质定义为镉含量较高种质（按照每公顷地种植37 500蔸苎麻，这些种质一年可吸附镉176 g以上）。由表6可知，镉含量较高种质共有11份，其单蔸镉含量平均值为5.15 mg/kg，其中高于5.00 mg/kg的种质有6份，占2.23%，分别是临澧苎麻2号、74-69、遵义串根麻、黔苎1号、桠杈序叶苎和龙滩大麻。

表6 高镉含量苎麻种质资源Table 6 High cadmium content ramie germplasm resources

将单蔸镉含量低于2.50mg/kg的种质定义为镉含量较低种质（按照每公顷地种植37 500蔸苎麻，这些种质一年可吸附镉均低于93 g）。由表7可知，镉含量较低种质共有14份，其单蔸镉含量平均值为2.27 mg/kg，单蔸镉含量在2.00～2.50 mg/kg的低镉含量种质有13份，占4.83%，分别是沅江白里子青、黄壳早、宁乡冲天炮、绥阳白麻、三塘苎麻、蒲忻日本麻、毕节园麻、广济黄尖、冷泉苎麻、临水红顶家麻、Hn C、长顺山麻和巧家苎麻2；低于2.00mg/kg的种质有1份，为湘潭鸡骨白。

表7 低镉含量苎麻种质资源Table 7 Low cadmium content ramie germplasm resources

续表7

3 讨论

苎麻种植在镉污染农田后，通过根部吸收土壤中重金属镉，转运到各器官，以修复土壤重金属镉污染。不同苎麻种质资源吸收的镉含量具有很大差异，本研究中土壤镉污染浓度为3.27 mg/kg左右，269份苎麻种质镉含量差异较大，单蔸镉含量变异系数为20.17%。李玉兰［18］采用水培法对195份苎麻种质镉含量进行研究，发现种质间差异较大，与本研究结论一致。苎麻不同的培养方法均表明种质间镉含量差异显著，这有利于筛选出优异的高（低）镉含量苎麻种质，与前人［19-22］的研究结果一致。不同收获时期，苎麻各器官镉含量为头麻＞三麻＞二麻，这与林匡飞等［23］的结论一致，可能与苎麻不同季别的生长时间有关。

植物不同器官间镉含量也不同，植物从根部吸收的重金属向上运输到茎和叶，根部是植物主要的吸收器官，因此地下部的镉含量一般大于地上部其他器官。本研究中地下部镉含量高出地上部镉含量41.83%，且萝卜根的镉含量普遍高于繁殖根，这与前人［7，24］的研究结果相符。王凯荣等［8-9］的研究结果表明，萝卜根的镉含量高于繁殖根，与本研究结论一致。对于苎麻不同器官镉含量的分布规律，不同试验结果略有差异。代剑平等［25］通过对镉污染农田种植的40份苎麻种质研究发现，苎麻各器官平均镉含量的总趋势为麻壳＞原麻＞根＞骨＞叶；林匡飞等［23］通过盆栽和微区试验发现，同一品种在不同镉浓度条件下各器官镉含量规律均为根＞茎叶＞籽实，茎叶中镉含量麻壳＞麻骨＞原麻；李玉兰［18］通过水培试验发现193份苎麻种质各器官吸附镉的浓度为根＞茎＞叶；朱守晶等［12］通过对镉污染农田种植的7份苎麻种质研究发现，苎麻各器官镉含量的趋势为麻壳＞根＞麻骨＞叶＞原麻。本研究中苎麻种质各器官镉含量平均值表现为萝卜根＞繁殖根＞麻壳＞麻叶＞麻骨＞原麻，且大部分种质的镉含量情况与前人的研究结果相似［11］，仅有8.55%的种质表现不一致，这可能与这些种质根型以及各器官间转运能力相关。麻壳主要由韧皮部、周皮和薄壁细胞组成，细胞代谢转运旺盛，可能是其镉含量较高的原因。麻叶代谢能力也较强，但随着老叶脱落，新叶生长，可能会造成叶片镉含量较低，因此，收获时不同品种间叶片老化程度也是影响镉含量的因素。

本研究根据不同苎麻种质单蔸镉含量进行聚类分析，将269份种质分成4类群，以地上部、地下部和单蔸镉含量为参考指标，筛选出11份镉含量较高种质和14份镉含量较低种质。这与李玉兰［18］将195份种质分为6个聚类组，得到37份高镉富集能力种质结果不太一致，这可能与处理方法和处理时间有关。本研究通过大田镉污染条件进行评价与筛选，研究结果可为苎麻修复镉污染农田提供参考。

4 结论

269份苎麻种质间单蔸镉含量差异较大，变异系数为20.17%。单蔸镉含量最低的是湘潭鸡骨白，最高的是临澧苎麻2号。同龄苎麻三季各器官镉含量表现为头麻＞三麻＞二麻。70.63%的苎麻种质各器官镉含量的分布规律为萝卜根＞繁殖根＞麻壳＞麻叶＞麻骨＞原麻。筛选出较高镉含量种质11份，分别为：临澧苎麻2号、74-69、遵义串根麻、黔苎1号、桠杈序叶苎、龙滩大麻、新宁家麻、宝山苎麻3号、红尖麻、咸丰鸡骨白和临澧苎麻1号，其镉含量范围为4.71～5.88 mg/kg，单蔸镉含量平均值为5.15 mg/kg；筛选出较低镉含量种质14份，分别为：沅江白里子青、黄壳早、宁乡冲天炮、绥阳白麻、三塘苎麻、蒲忻日本麻、毕节园麻、广济黄尖、冷泉苎麻、临水红顶家麻、Hn C、长顺山麻、巧家苎麻2和湘潭鸡骨白，其镉含量范围为1.51～2.46 mg/kg，单蔸镉含量平均值为2.27 mg/kg。