中輕度鎘污染耕地中不同品種紅麻生長(zhǎng)特性和栽培方式研究

尹明，唐慧娟＃，黃玉敏，鄧勇，張翠萍，李德芳，趙立寧，李建軍，黃思齊*

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類(lèi)研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2.空軍軍醫(yī)大學(xué)DNA分型中心，陜西 西安 710032）

截止2014年，我國(guó)土壤污染總超標(biāo)率為16.10%，其中耕地污染點(diǎn)位超標(biāo)率為19.40%，重金屬元素鎘（Cd）為首位污染物［1－2］。Cd污染在中國(guó)南方各省尤為嚴(yán)重，如湖南、江西、廣東和廣西等省份，污染的耕地面積占全國(guó)總耕地面積的1／6［3］。耕地中的Cd不會(huì)自行消失，而會(huì)隨著種植作物進(jìn)入食物鏈，進(jìn)一步危害人們的身體健康［4］。因此，耕地修復(fù)成為污染耕地繼續(xù)耕種的首要目標(biāo)。在眾多的修復(fù)方式中，植物修復(fù)由于其經(jīng)濟(jì)成本低、來(lái)源廣泛、不會(huì)二次污染等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于污染耕地的修復(fù)［5－6］。

紅麻（Hibiscus cannabinus）又稱(chēng)洋麻、槿麻、鐘麻，原產(chǎn)地位于印度和非洲某些地區(qū)，屬于錦葵科木槿屬的短日照、C3型、一年生韌皮纖維植物［7－8］。紅麻生長(zhǎng)較快、抗逆性與適應(yīng)性較強(qiáng)、產(chǎn)量高，其纖維具有吸水強(qiáng)、散水快、抑菌的功效［9－10］，在我國(guó)安徽、廣西、河南、湖南等地都有大量種植，主要用于紡織、造紙、榨油、飼料等，也可作為生物質(zhì)新能源［11］。除此以外，紅麻由于具有生物量大、Cd富集與轉(zhuǎn)移能力以及抗逆性強(qiáng)等特點(diǎn)而被認(rèn)為是Cd污染土壤修復(fù)的優(yōu)良作物［12－13］。但紅麻在Cd污染耕地中的生長(zhǎng)特性與不同栽培方式對(duì)其影響的研究較少，本研究旨在通過(guò)監(jiān)測(cè)不同品種紅麻生長(zhǎng)過(guò)程中植株各部位的鮮重與干重及不同栽培方式下各紅麻品種的最終產(chǎn)量、株高、莖粗與皮厚等指標(biāo)，為紅麻修復(fù)Cd污染耕地的栽培方式提供理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

6個(gè)紅麻品種均由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類(lèi)研究所一年生麻類(lèi)作物遺傳改良創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)提供。中紅麻13號(hào)，原名“LC0301”，紅莖、裂葉型；中紅麻16號(hào)，原名“YA1”，紅莖、掌狀深裂葉、花冠黃白、晚熟品種；中雜紅328號(hào)，莖綠色，葉片窄小、裂葉型；紅麻K1703A、紅麻H1701、紅麻H1704均為普通裂葉型品種。

表1 6個(gè)紅麻品種的名稱(chēng)和編號(hào)Table 1 Numbers and materials of 6 kenaf varieties

1.2 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)基地位于湖南省中部偏東的湘潭市，土壤Cd含量為0.68～0.93 mg／kg，為中輕度鎘污染土壤［14］。地跨東經(jīng) 111°58′～113°05′，北緯 27°21′～28°05′［15］。湘潭市為典型的亞熱帶溫濕氣候區(qū)，具有明顯的季節(jié)氣候特征：四季分明、降水充沛、盛夏高溫、冬季寒冷［16］。年均降水量1425 mm，4～7月降水較集中，盛夏炎熱少雨，冬季嚴(yán)寒濕潤(rùn)，年均氣溫17.5℃。夏旱平均30 d，秋旱平均40 d，平均相對(duì)濕度80%，無(wú)霜期平均300 d［17］。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 栽培方式

試驗(yàn)設(shè)計(jì)兩種播種方式，即條播與撒播［18－19］。在條播中，以寬2 m、長(zhǎng)12 m為一個(gè)小區(qū)，在每個(gè)小區(qū)中進(jìn)行1個(gè)紅麻品種的獨(dú)立播種，每個(gè)品種設(shè)3個(gè)重復(fù)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)播種紅麻種子90 g，每隔0.5 m種一行，每行平分15穴，開(kāi)溝深5～8 cm，播種完畢后其上覆土0.8～1.0 cm。在撒播中，種植面積、種子播種數(shù)量、耕地開(kāi)墾深度與條播一致，種植方式則是將種子均勻的播撒到耕地中，播種完畢后其上覆土0.8～1.0 cm。

1.3.2 田間管控

種子播種入土后，每公頃基肥需要施氮肥（以尿素記）300 kg、磷肥（以五氧化二磷計(jì)）450 kg、鉀肥（以氧化鉀記）300 kg［20－21］。當(dāng)植株長(zhǎng)出3～5片真葉、高8～9 cm時(shí)開(kāi)始間苗、第一次中耕、除草和追肥，耕深2～3 cm，每公頃需氮肥18～21kg、鉀肥30～33 kg。當(dāng)出現(xiàn)10～13片真葉、高18～20 cm時(shí)正式定苗、二次中耕、除草和追肥，耕深4～5 cm，每公頃需氮肥27～30 kg、鉀肥30～33 kg。當(dāng)紅麻長(zhǎng)到25～28 cm時(shí)，進(jìn)行第三次中耕、除草和追肥，耕深6～7 cm，每公頃施用氮肥67～75 kg、鉀肥51～60 kg，磷肥21～27 kg。在8月末進(jìn)行最后一次追肥，肥料種類(lèi)和用量均與第二次追肥一致。

1.3.3 數(shù)據(jù)測(cè)定

于2018年5月5日進(jìn)行播種，在5月20日（幼苗期）、6月20日（快速生長(zhǎng)期）、7月25日（穩(wěn)定期）、9月5日（成熟期）4個(gè)時(shí)間點(diǎn)，每個(gè)品種隨機(jī)選取6株紅麻，測(cè)定6個(gè)紅麻品種根、莖、葉的鮮重與干重。于10月25日（收獲期）每個(gè)品種隨機(jī)選取30株紅麻，測(cè)定6個(gè)紅麻品種在條播與撒播下的株高、莖粗與皮厚。最后將各小區(qū)所有紅麻進(jìn)行測(cè)產(chǎn)，估算每種紅麻的產(chǎn)量。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2019和SPSS 21處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，差異顯著分析采用Duncan算法。

2 結(jié)果與分析

2.1 6個(gè)紅麻品種根、莖、葉生物量測(cè)定

2.1.1 6個(gè)紅麻品種不同時(shí)期根的生物量

5月初將6個(gè)紅麻品種的種子播種到污染耕地中，進(jìn)行5個(gè)月的數(shù)據(jù)跟蹤監(jiān)測(cè)。由圖1可知，X1與X2最終根的生物量高于其他品種，X4與X6則輕于其他品種，X3與X5介于兩者之間。6個(gè)紅麻品種中，多數(shù)紅麻根的鮮重在5月20日至6月20日（快速生長(zhǎng)期）增長(zhǎng)幅度最大（平均占比48.78%），其次則是7月25日至9月5日（成熟期，平均占比40.08%）。干重增長(zhǎng)幅度最大的時(shí)期為成熟期（平均占比54.85%），其次則是快速生長(zhǎng)期（平均占比38.55%）。而從5月5日至5月20日（幼苗期）、6月20日至7月25日（穩(wěn)定期）兩個(gè)時(shí)期各品種紅麻增長(zhǎng)都較緩慢，干重與鮮重增長(zhǎng)均未超過(guò)8%。

2.1.2 6個(gè)紅麻品種不同時(shí)期莖的生物量

由圖2可知，X1與X2最終莖的生物量高于其他品種，X5與X6則輕于其他品種，X3與X4介于兩者之間。6個(gè)紅麻品種中，多數(shù)紅麻莖的鮮重在成熟期增長(zhǎng)幅度最大（平均占比58.00%），其次則是快速生長(zhǎng)期（平均占比32.46%）。干重增長(zhǎng)幅度最大的時(shí)期為成熟期（平均占比68.71%），快速生長(zhǎng)期與穩(wěn)定期的增長(zhǎng)幅度都約為15%。5月5日至5月20日增長(zhǎng)最緩慢，只占0.58%。

2.1.3 6個(gè)紅麻品種不同時(shí)期葉的生物量

由圖3可知，X1與X4最終葉的生物量高于其他品種，X5與X6則輕于其他品種，X2與X3介于兩者之間。6個(gè)紅麻品種中，多數(shù)紅麻葉的鮮重在成熟期增長(zhǎng)幅度最大（平均占比51.03%），其次則是快速生長(zhǎng)期（平均占比29.93%）。干重增長(zhǎng)幅度最大的時(shí)期為快速生長(zhǎng)期（平均占比38.11%），其次則是成熟期（平均占比37.81%）。而幼苗期增長(zhǎng)最緩慢，僅占4.10%。

圖1 6個(gè)紅麻品種根的鮮重與干重Fig.1 Fresh and dry weight of roots of 6 kenaf varieties

圖2 6個(gè)紅麻品種莖的鮮重與干重Fig.2 Fresh and dry weight of stems of 6 kenaf varieties

圖3 6個(gè)紅麻品種葉的鮮重與干重Fig.3 Fresh and dry weight of leaves of 6 kenaf varieties

2.2 不同紅麻品種最終生理指標(biāo)與產(chǎn)量測(cè)定

從表2可以看出，在條播方式中，X1、X2與X3的莖粗大于平均值（2.39 cm）；X1與X3的皮厚大于平均值（1.50 mm）；X1與X2的株高大于平均值（5.05 m）；X1與X2兩個(gè)品種的產(chǎn)量大于平均值（5066.22 kg）。從表3可以看出，在撒播中，X1、X2與X3的莖粗大于平均值（2.26 cm）；X1、X2與X3的皮厚大于平均值（1.42 mm）；X1、X2、X5與X6 4個(gè)品種的株高大于平均值（5.02 m）；X1與X2的產(chǎn)量大于平均值（5175.18 kg）。將撒播與條播下6個(gè)品種紅麻的生理指標(biāo)平均值進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)條播下各品種紅麻的平均莖粗、皮厚與株高略?xún)?yōu)于撒播，但產(chǎn)量卻較撒播低108.96 kg／667 m2。

表2 6種紅麻在條播下的生理指標(biāo)與產(chǎn)量Table 2 Physiological indexes and yield of 6 types of kenaf under drilling seeding

表3 6種紅麻在撒播下的生理指標(biāo)與產(chǎn)量Table 3 Physiological indexes and yield of six types of kenaf under broadcast sowing

3 討論

3.1 6個(gè)品種紅麻的生長(zhǎng)特性

根據(jù)6個(gè)品種紅麻不同時(shí)期根、莖、葉的鮮重與干重增長(zhǎng)比例，發(fā)現(xiàn)紅麻在兩個(gè)時(shí)期生長(zhǎng)最快，即5月20日至6月20日、7月25日至9月5日，平均增長(zhǎng)占比70%～85%。其中5月20日至6月20日，根的鮮重增長(zhǎng)最多，葉的干重增加最多，說(shuō)明根吸收了大量水分以增加鮮重，而營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被輸送到葉，合成蛋白等干物質(zhì)而提升了葉的干重。7月25日到9月5日，根的干重增長(zhǎng)最多，葉的鮮重增長(zhǎng)最多。莖的最快生長(zhǎng)階段是7月25日至9月5日，鮮重與干重都得到了很大的增長(zhǎng)。6月20日至7月25日，紅麻根與莖的重量增長(zhǎng)幅度緩慢，只占7.91%～12.11%，說(shuō)明5月20日至6月20日、7月25日至9月5日這兩個(gè)時(shí)間段是紅麻生長(zhǎng)的重要時(shí)期。而Cd從植物根部被吸收，主要富集在植物莖與葉的液泡中［22］，而紅麻莖與葉的鮮重在7月25日至9月5日增長(zhǎng)比例最大，預(yù)估這一時(shí)期為紅麻吸附Cd的關(guān)鍵時(shí)期，可提高供水與供肥的比例以促進(jìn)紅麻的生長(zhǎng)發(fā)育，也可通過(guò)施加H2O2、H2S等外源物質(zhì)來(lái)改變紅麻對(duì)耕地中Cd的富集量［23－24］。

3.2 不同播種方式對(duì)6個(gè)品種紅麻的影響

根據(jù)撒播與條播兩種方式下不同紅麻的生理特性與產(chǎn)量，本文發(fā)現(xiàn)在3.75 g／m2種子的播種條件下，撒播下的紅麻平均產(chǎn)量高于條播，但皮厚、莖粗與株高不及后者，可能是由于撒播下的紅麻群體獲得的光能量更多，適宜其生物量的增加［25］，而條播下的紅麻群體獲得的光能量雖然總量較少，但對(duì)于單株紅麻更充足與均勻，使得單株紅麻的皮厚、莖粗、株高等指標(biāo)更優(yōu)良［26］。6種紅麻中，中紅麻13號(hào)與中紅麻16號(hào)更適于撒播種植，每667 m2產(chǎn)量較條播約多600 kg；而中雜紅328號(hào)與紅麻H1701則更適于條播，每667 m2產(chǎn)量較撒播約多400 kg；紅麻K1703A與紅麻H1704在兩種播種方式下產(chǎn)量無(wú)顯著差異。有研究［12］表明，該6種紅麻在含Cd含量約0.4～0.5 mg／kg的土壤中種植，中紅麻13號(hào)的地上部Cd含量為5.33mg／kg，高于其余5個(gè)品種紅麻，中紅麻13號(hào)與中紅麻16號(hào)的產(chǎn)量、莖粗、株高與皮厚都優(yōu)于其他紅麻，但中紅麻13號(hào)地下部產(chǎn)量低于中紅麻16號(hào)，故中紅麻13號(hào)更適宜于Cd污染耕地的修復(fù)。

4 結(jié)論

綜上所述，這6種紅麻在中輕度Cd污染耕地中均可以正常生長(zhǎng)，有較好的生物學(xué)產(chǎn)量以及經(jīng)濟(jì)價(jià)值，可用于Cd污染耕地修復(fù)。其中5月20日至6月20日、7月25日至9月5日可能是6種紅麻在中輕度Cd污染耕地中的生長(zhǎng)關(guān)鍵期與Cd吸附關(guān)鍵期，可作為后期的研究點(diǎn)之一。而中紅麻13號(hào)在6種紅麻中各方面生理指標(biāo)均表現(xiàn)較優(yōu)良，推薦用撒播在降低經(jīng)濟(jì)成本的同時(shí)提高產(chǎn)量，以更好地修復(fù)Cd污染耕地。