苧麻吸收積累鎘的季別差異研究

全芮萍，周倩文，楊瑞芳，崔國賢，佘瑋

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖南 長沙 410128)

湖南是有色金屬之鄉(xiāng)，因開采有色金屬礦山，導(dǎo)致大量土壤遭受Cd、Hg、Pb、As 等重金屬污染[1]，其中農(nóng)田重金屬污染會導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)和品質(zhì)下降，并通過食物鏈的富集作用進入人體而危害人類健康。Cd 是對植物毒性較大的重金屬元素之一[2]，植物遭受Cd 毒害后生長會受抑制，嚴重時導(dǎo)致死亡。耕地重金屬污染治理難度大，已成為世界性難題[3]。植物修復(fù)技術(shù)能在不破壞土壤生態(tài)環(huán)境，保持土壤基本結(jié)構(gòu)和微生物生態(tài)下修復(fù)土壤[4]。

苧麻又名“中國草”，其韌皮部纖維主要作為紡織原料。苧麻生物產(chǎn)量高、根系龐大，每年地上部生物量高達30 t/hm2以上，具有較強的耐干旱、貧瘠等能力[5]。有研究指出，苧麻對Cd[6-8]、Hg[9]、Pb[10]、As[11]都有較強的耐性和富集作用，在輕、中度Cd 污染農(nóng)田上種植苧麻，不僅可有效去除Cd，還能有效利用污染農(nóng)田，帶來經(jīng)濟效益的同時降低對人體的危害。苧麻每年正常收獲3 次，以往都是單季別盆栽，沒有開展年度間變化特征研究，因此不同季別苧麻對Cd 的吸收和積累對生產(chǎn)具有實際指導(dǎo)意義。為此，筆者以9 個苧麻品種為研究對象，設(shè)置盆栽試驗?zāi)M不同Cd 污染環(huán)境，分析季別間苧麻吸收積累Cd 的差異，為Cd 污染農(nóng)田上種植苧麻原位修復(fù)土壤提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試苧麻材料來自湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)苧麻種質(zhì)資源圃，具體品種及產(chǎn)地見表1。

表1 供試苧麻品種Table 1 Ramie tested varieties

1.2 試驗方法

1.2.1 盆栽試驗

試驗用白色塑料花盆(內(nèi)口徑23 cm×18 cm、高25 cm)，培養(yǎng)基質(zhì)為膨脹珍珠巖。珍珠巖經(jīng)自來水沖洗后裝于花盆中，選取長勢一致的扦插苗(約30 cm)，洗去根部土壤，移入盛滿珍珠巖的盆中，每盆3株，每周澆灌1/2 的Hoagland 營養(yǎng)液。Hoagland 營養(yǎng)液配方為(mol/L):KNO38.02×10-3、Ca(NO3)25.79×10-3、NH4H2PO41.35×10-3、MgSO44.17×10-3、MnSO48.90×10-6、CuSO40.20×10-6、ZnSO40.94×10-6、H3BO34.83×10-5、(NH4)2MoO40.015×10-6、Fe-EDTA 7.26×10-5，pH 值6.5(用NaOH 或HCl 調(diào)節(jié))。

選取頭麻(移栽當(dāng)季)預(yù)培養(yǎng)，二麻出苗10 d 后開始鎘脅迫，在營養(yǎng)液中設(shè)5 個處理濃度(CdCl2濃度分別為0、100、200、400、800 μmol/L，以0 μmol/L作為CK)，每處理重復(fù)3 盆，隨機區(qū)組試驗設(shè)計。試驗于湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)溫室進行。二麻、三麻和次年頭麻正常成熟期收獲地上部，稱鮮質(zhì)量，洗凈后105 ℃殺青30 min，65 ℃烘干至恒重、粉碎，做好標記裝袋備用。

1.2.2 鎘測定與數(shù)據(jù)處理

植物樣品用硝酸—高氯酸法消化[10]，于湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)分析測試中心采用SOLAAR M6 型原子吸收光譜儀測定Cd 含量。所有數(shù)據(jù)用Excel 記錄，SPSS軟件進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同季別生物量變化

試驗結(jié)果表明，苧麻各品種平均地上部生物量季別間和各處理間均呈顯著或極顯著差異，各品種當(dāng)年二麻平均地上部生物量最低。次年頭麻收獲時，1、2、3 號品種的平均地上部生物量顯著高于當(dāng)年二麻和三麻；當(dāng)年二麻收獲時，5、6 號品種的地上部生物量略低于當(dāng)年三麻，當(dāng)年三麻收獲的生物量顯著低于次年頭麻；當(dāng)年二麻收獲時，4、7、8、9 號4個品種的地上部生物量顯著低于后兩次，而當(dāng)年三麻的地上部生物量略低于次年頭麻，但差異不顯著(表2)。

表2 Cd 處理后不同季別苧麻平均地上部生物量變化Table 2 Changes of aboveground biomass of ramie treated with Cd in different seasons

2.2 不同季別地上部Cd 含量

如圖1 所示，各處理間地上部Cd 含量差異顯著，隨著Cd 處理水平上升，地上部Cd 含量顯著增加，而1、7、8 號品種在最高處理800 μmol/L 時的地上部Cd 含量低于400 μmol/L 處理時。9 個品種在200 μmol/L 處理時地上部Cd 含量為100 μmol/L處理時的1.46～2.01 倍，400 μmol/L 處理時的地上部Cd 含量為100 μmol/L 處理時的2.18～4.47 倍，800 μmol/L 處理時地上部Cd 含量為100 μmol/L處理時的2.81～5.70 倍。

圖1 不同處理間地上部Cd 含量比較Fig.1 Cd concentration of ramie under different Cd treatments

由表3 可知，除2、7 號外的7 個品種平均地上部Cd 含量季別間呈顯著或極顯著差異，所有品種Cd 處理間均呈極顯著差異。當(dāng)年三麻收獲時，1、2、3、9 號4 個品種平均地上部Cd 含量略高于次年頭麻，顯著低于當(dāng)年二麻；7 號品種的平均地上部Cd含量略低于當(dāng)年二麻，顯著高于次年頭麻；而其余4個品種的平均地上部Cd 含量顯著低于當(dāng)年二麻，略高于次年頭麻。

表3 不同季別苧麻平均地上部Cd 含量比較Table 3 Comparison of Cd content in shoot of ramie in different seasons

2.3 不同季別地上部Cd 積累量

苧麻地上部重金屬含量高，生物量大即地上部重金屬積累量大。相關(guān)性分析表明，季別與地上部Cd 積累量無顯著相關(guān)。如表4 所示，苧麻各品種間Cd 積累量存在一定差異，可大致分為3 類:第一類為1 號品種，當(dāng)年二麻地上部Cd 積累量顯著高于后兩次收獲時地上部Cd 積累量；第二類為2、3、6 號品種，當(dāng)年二麻和當(dāng)年三麻的地上部Cd 積累量較低，次年頭麻地上部Cd 積累量最高；第三類為4、5、7、8、9 號品種，當(dāng)年三麻地上部Cd 積累量顯著高于當(dāng)年二麻和次年頭麻地上部Cd 積累量。

表4 不同季別苧麻平均地上部Cd 積累量比較Table 4 Comparison of average aboveground Cd accumulation of ramie in different seasons 10-3mg·盆-1

3 討論

有研究表明，不同品種苧麻受鎘脅迫時生長變化不同，對鎘的敏感程度不同[12]。本試驗通過連續(xù)3 季調(diào)查發(fā)現(xiàn)，隨著盆中Cd 含量減少，苧麻的生物量提高，而地上部Cd 含量下降，苧麻地上部Cd 積累量沒有隨著收獲次數(shù)(依次為當(dāng)年二麻、當(dāng)年三麻和次年頭麻)的增加而減少，說明連續(xù)收獲苧麻地上部能有效吸收土壤中的鎘。不同植物、品種、基因型對Cd 耐性和積累能力存在很大差異[13]。在二麻收獲時，石阡竹根麻平均地上部Cd 積累量高于后兩次收獲時平均地上部Cd 積累量，大紅皮2 號、湘苧3 號、宜春紅心麻、中苧1 號和川苧1 號在三麻收獲時平均地上部Cd 積累量高于二麻和次年頭麻，富順青麻、小魯班和湘苧2 號在次年頭麻地上部Cd 積累量高于前兩次，表明這3 個品種吸收和轉(zhuǎn)運Cd 能力較強。富順青麻平均地上部Cd 積累量高于其它品種，且穩(wěn)定性好，可用于持續(xù)吸收重金屬Cd。但本實驗具有一定的局限性，如實驗是在溫室中進行，也只對地上部進行指標測定，下一步將進行田間實驗，指標的測定將擴展至整株，以更能客觀、全面地反應(yīng)苧麻吸收鎘能力。

在Cd 污染土壤上種植苧麻，能起到一定的土壤凈化作用，避免Cd 進入食物鏈對人體造成危害。原麻中的Cd 在精煉過程中有90%以上被脫除，殘留于精干麻中的Cd 非常少，因此Cd 通過原麻和精干麻途徑向外擴散的絕對量很少[14]。脫膠廢水中的Cd 可通過化學(xué)沉淀法、離子樹脂交換法、生物吸附—沉降法等多種途徑進行治理[15]。但苧麻有落葉現(xiàn)象，因此在污染土壤實際修復(fù)應(yīng)用中需注意收集處理落葉，避免二次污染。

4 結(jié)論

(1)隨收獲季別數(shù)的增加，苧麻地上部生物量逐漸提高，地上部Cd 含量下降，苧麻地上部Cd 積累量則不隨收獲次數(shù)的增加而減少，說明連續(xù)收獲苧麻地上部能有效地吸收土壤中的鎘。

(2)苧麻地上部鎘含量和鎘積累量品種間存在顯著差異。富順青麻平均地上部Cd 含量與積累量最高，湘苧3 號平均地上部Cd 含量最低，大紅皮2號平均Cd 積累量最低，富順青麻較湘苧3 號平均Cd 含量高65.09%、較大紅皮2 號平均Cd 積累量高79.06%。

(3)富順青麻、小魯班和湘苧2 號在次年頭麻的地上部Cd 積累量高于前兩次，分別較頭年二麻增加30.03%、28.28%、35.56%，表明其有較強的Cd 吸收能力。