不同紅麻品種的土壤重金屬污染修復(fù)潛力對(duì)比研究

李文略，金關(guān)榮，駱霞虹，安 霞，李蘋芳，朱關(guān)林，陳常理

（浙江省蕭山棉麻研究所，杭州 311202）

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，環(huán)境問題日益凸顯，已成為全面建成小康社會(huì)的突出短板之一[1]。重金屬在環(huán)境中產(chǎn)生的污染效應(yīng)具有隱蔽性、長期性以及不可逆性，針對(duì)重金屬污染的治理是目前環(huán)境問題的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[2]。土壤重金屬通過食物鏈進(jìn)入人體，嚴(yán)重危害人類健康。每年糧食因重金屬污染造成的直接經(jīng)濟(jì)損失超過200億元[3-4]。如何修復(fù)農(nóng)田土壤重金屬污染，保障作物的安全生產(chǎn)，是當(dāng)前土壤和環(huán)境領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

重金屬污染治理，目前可分為兩種思路：（1）采取一定方法將土壤中重金屬移出土體（活化）；（2）降低重金屬遷移性和生物有效性，使之固定在土壤中，而不是進(jìn)入作物，降低其健康風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)（鈍化）[5]。后者從重金屬土壤安全生產(chǎn)的角度出發(fā)，主要措施有篩選低積累作物品種，如水稻[6]、油菜[7]、玉米[8]、小麥[9]等，或向土壤中添加一些有機(jī)、無機(jī)和微生物鈍化劑，降低土壤重金屬有效性[10]。前者主要依托一些高富集的植物，將重金屬從土壤中移除，但目前用于研究的大部分高富集植物皆存在生物量小、經(jīng)濟(jì)價(jià)值不高的缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中通常難以達(dá)到預(yù)期效果[11]。因而一些重金屬耐性強(qiáng)、生長快、生物量大、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高并有一定的重金屬富集能力的植物近年來被逐步應(yīng)用到重金屬修復(fù)當(dāng)中，如油菜[12]、苧麻[13]、玉米[14]。王凱榮等[15]通過對(duì)南方集中主要栽培作物耐土壤Cd污染分析，認(rèn)為黃麻、紅麻、苧麻等纖維植物可作為Cd污染農(nóng)區(qū)的首選對(duì)象；楊煜曦等[16]通過5年定點(diǎn)大田試驗(yàn)表明，利用紅麻復(fù)墾重金屬污染土壤，具有潛在經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

紅麻（Hibiscus cannabinus）亦稱洋麻、槿麻，為錦葵科木槿屬一年生韌皮纖維作物。生物量是針葉木材的3～4倍，具有適應(yīng)性高、用途廣等特點(diǎn)，其用途涉及麻紡、造紙、建材、麻塑、活性炭、飼料、食用等諸多領(lǐng)域[17]。關(guān)于紅麻修復(fù)重金屬已有相關(guān)報(bào)道，但大多采用盆栽試驗(yàn)或水培試驗(yàn)，試驗(yàn)污染源也多為單一重金屬，沒有針對(duì)現(xiàn)實(shí)中多為復(fù)合污染這一事實(shí)進(jìn)行深入研究。本試驗(yàn)以國內(nèi)推廣面積較大的7個(gè)紅麻品種為試驗(yàn)材料，在Cu、Zn、Cd、Cr、Ni復(fù)合污染土壤上種植比較，旨在研究不同紅麻品種對(duì)重金屬的修復(fù)潛能，以及紅麻在重金屬污染土壤上復(fù)墾的前景。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及地點(diǎn)

試驗(yàn)選取的國內(nèi)7個(gè)代表性紅麻品種，分別為福建農(nóng)林大學(xué)提供的晚熟常規(guī)品種——福紅991和晚熟航天誘變品種——福紅航992，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所提供的晚熟雜交組合——H368和晚熟常規(guī)品種——湘紅1號(hào)，浙江省蕭山棉麻研究所提供的中熟航天誘變品種——航優(yōu)1號(hào)和晚熟常規(guī)品種——浙8310，以及廣西大學(xué)提供的晚熟雜交組合——紅優(yōu)2號(hào)。試驗(yàn)地點(diǎn)位于杭州市富陽區(qū)常安鎮(zhèn)，周邊有電鍍廠和電池廠，試驗(yàn)土壤為農(nóng)田水稻土（有機(jī)質(zhì)9.52%、全氮0.93 g·kg-1、全磷1.16 g·kg-1、全鉀13.75 g·kg-1），土壤重金屬超標(biāo)嚴(yán)重。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用7個(gè)品種，3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)，各小區(qū)面積為5.5 m×1.4 m。于2015—2016年重復(fù)種植，2015年紅麻種植時(shí)間為5月27日至10月22日，2016年紅麻種植時(shí)間為6月6日至10月10日。按常規(guī)紅麻栽培方式管理，并對(duì)2016年7個(gè)紅麻品種的葉片、莖稈、根系的重金屬含量進(jìn)行測定分析。

1.3 樣品采集和分析方法

土壤樣品：采集各處理小區(qū)0～20 cm表層土壤樣品共21個(gè)，剔除植物殘?bào)w和石塊，混勻后自然風(fēng)干，研磨后過80目篩。委托浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所測定土壤樣品中Zn、Cr、Cd、Cu、Ni 5種重金屬含量和pH值。土壤樣品采用王水-高氯酸法消化，具體各重金屬指標(biāo)測定方法：Zn（GB/T 17138—1997）、Cr（HJ 491—2009）、Cd（GB/T 17141—1997）、Cu（GB/T 17138—1997）、Ni（GB/T 17139—1997）。

植株樣品：對(duì)2016年各處理紅麻，隨機(jī)取5株，分葉片、莖稈、根系收獲，用自來水和去離子水將各部位清洗干凈，先于105℃殺青1 h，隨后調(diào)至80℃條件下烘干至恒質(zhì)量，粉碎后過80目篩。植株樣品采用硝酸-高氯酸法消化，SOLAAR M6型原子吸光光譜儀分別測定重金屬Zn、Cu、Cd、Cr、Ni含量（試驗(yàn)樣品委托湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)檢測）。

植株收獲期產(chǎn)量性狀考查：先記錄各小區(qū)有效莖數(shù)，再隨機(jī)選取20株考查株高、莖粗、鮮皮厚、干麻葉質(zhì)量、干麻骨質(zhì)量、干麻皮質(zhì)量，計(jì)算出相應(yīng)產(chǎn)量。

1.4 各指標(biāo)計(jì)算

土壤中污染物i的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)

Pi=污染物i的實(shí)際測量濃度/土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)中i的臨界值

環(huán)境綜合污染指數(shù)[18]

重金屬富集系數(shù)=植物各部位重金屬含量/土壤重金屬含量

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)=植株地上部分重金屬含量/植株地下部分重金屬含量[19]。

每年植物提取總量（g·hm-2）=葉片生物量（kg·hm-2）×葉片重金屬含量（g·kg-1）+莖稈生物量（kg·hm-2）×莖稈重金屬含量（g·kg-1）+根系生物量（kg·hm-2）×根系重金屬含量（g·kg-1）[19]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和制圖，利用SPSS 23.0軟件進(jìn)行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)地土壤污染情況

試驗(yàn)地21個(gè)小區(qū)土壤重金屬檢測結(jié)果見表1，供試土壤呈弱堿性，多種重金屬超過《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—1995）[20]。其中重金屬Zn檢測總量達(dá)1325 mg·kg-1，超過土壤環(huán)境質(zhì)量Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)165%；重金屬Cd達(dá)到4.9 mg·kg-1，是土壤環(huán)境質(zhì)量Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的4.9倍；重金屬Ni檢測值超過土壤環(huán)境質(zhì)量Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，但未達(dá)Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；重金屬Cu檢測值為97.9 mg·kg-1，接近土壤環(huán)境質(zhì)量Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；重金屬Cr檢測量為136.4 mg·kg-1，未超過土壤環(huán)境質(zhì)量Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

各重金屬環(huán)境質(zhì)量指數(shù)計(jì)算結(jié)果見表2。參考重金屬污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，Pi≤1表示無污染，1＜Pi≤2表示輕微污染，2＜Pi≤3 表示輕度污染，3＜Pi≤5表示中度污染，Pi＞5表示重度污染；P綜合＞3表示重度污染。試驗(yàn)土壤PCd為8.2，達(dá)到重度污染，PZn為4.4，為中度污染，PNi為2.5，為輕度污染，試驗(yàn)區(qū)P綜合為6.2，達(dá)到重度污染水平。

2.2 不同紅麻品種產(chǎn)量及農(nóng)藝性狀

2015年各紅麻品種產(chǎn)量和農(nóng)藝性狀結(jié)果見表3，各指標(biāo)存在一定差異。干生物量平均值為8.3 t·hm-2，7個(gè)品種表現(xiàn)為：紅優(yōu)2號(hào)＞湘紅1號(hào)＞航優(yōu)1號(hào)＞H368＞福紅航992＞浙8310＞福紅 991，以紅優(yōu)2號(hào)最高，達(dá)到10.1 t·hm-2，較其他品種高出17.8%～36.1%。農(nóng)藝性狀方面，紅優(yōu)2號(hào)株高（340.9 cm）優(yōu)勢明顯，較其他品種高出25.6～50.8 cm，莖粗約14.8 mm，超出其他品種5.7%～34.5%；皮厚以福紅991和紅優(yōu)2號(hào)表現(xiàn)最優(yōu)，超過1 mm；有效株數(shù)以H368最高，達(dá)到20.75萬株·hm-2，是最低值福紅991的1.96倍。

2016年各品種生物量及產(chǎn)量性狀較2015年均有一定增長（表3），品種間差異較2015年小。干生物量方面，福紅991、浙8310、H368和紅優(yōu)2號(hào)均達(dá)到16.0 t·hm-2，以H368（17.1 t·hm-2）最高，較最低值航優(yōu)1號(hào)（12.4 t·hm-2）高出37.9%，各品種干生物量表現(xiàn)為：H368＞紅優(yōu)2號(hào)＞福紅991＞浙8310＞湘紅1號(hào)＞福紅航992＞航優(yōu)1號(hào)。株高、莖粗和皮厚各品種間差異較小：株高以紅優(yōu)2號(hào)和H368表現(xiàn)最佳，超過355.0 cm；莖粗以浙8310最佳，達(dá)到14.7 mm；皮厚以紅優(yōu)2號(hào)最優(yōu)，為0.98 mm；有效株數(shù)仍以H368表現(xiàn)最佳，達(dá)到21.50萬株·hm-2。綜合兩年表現(xiàn)，紅優(yōu)2號(hào)在重金屬土壤中的表現(xiàn)要優(yōu)于其他品種。

2.3 紅麻重金屬含量、富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和提取總量

植株樣品重金屬檢測結(jié)果（圖1～圖5）表明，紅麻不同品種、不同部位重金屬積累量存在差異。總體來看，重金屬積累量表現(xiàn)為Zn＞Cu＞Cr＞Ni＞Cd；5種重金屬在莖稈中累積量均為最少。重金屬Cu的累積整體趨勢表現(xiàn)為葉片＞根系＞莖稈，重金屬Cr和Ni則表現(xiàn)為根系＞葉片＞莖稈，重金屬Cd在不同部位累積量大小隨品種間差異較大，但葉片累積量顯著高于莖稈和根系。重金屬Zn在湘紅1號(hào)、紅優(yōu)2號(hào)、浙8310的累積量表現(xiàn)為：葉片＞根系＞莖稈，福紅991、福紅航992、航優(yōu)1號(hào)、H368則表現(xiàn)為根系＞葉片＞莖稈。

表1 土壤重金屬含量Table 1 The concentration of heavy metals in soils

表2 土壤重金屬污染情況Table 2 The heavy metals pollution in soils

表3 7個(gè)紅麻品種產(chǎn)量及農(nóng)藝性狀Table 3 Results of biomass and agronomic traits of 7 kenaf varieties

圖1 紅麻不同部位Cu含量Figure 1 The concentration of Cu in different part of kenaf

根據(jù)計(jì)算得出各品種重金屬富集系數(shù)見表4。可以看出，紅麻植株各部位對(duì)重金屬的富集系數(shù)較小，其中Ni、Cr和Zn富集系數(shù)大部分不足0.1；不同紅麻器官重金屬Cu富集系數(shù)在0.057～0.279之間；重金屬Cd富集系數(shù)顯著高于其他重金屬，其中各品種葉片富集系數(shù)均超過0.5，以湘紅1號(hào)、紅優(yōu)2號(hào)、浙8310表現(xiàn)最佳，超過0.8。

根據(jù)計(jì)算得出不同品種重金屬轉(zhuǎn)移系數(shù)如表5所示。不同重金屬轉(zhuǎn)移系數(shù)間存在一定差異，其中紅麻重金屬Cd平均轉(zhuǎn)移系數(shù)為1.12，以湘紅1號(hào)和浙8310轉(zhuǎn)移系數(shù)最高，達(dá)到1.39，超出平均值24.1%；重金屬Cu平均轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為0.64，僅湘紅1號(hào)和浙8310超過平均值；重金屬Zn轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)平均值為0.60，其中湘紅1號(hào)、福紅航992和浙8310分別超過平均值45.0%、10.0%和13.3%；重金屬Cr和Ni轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)前兩位均分別浙8310和湘紅1號(hào)。

圖2 紅麻不同部位Zn含量Figure 2 The concentration of Zn in different part of kenaf

圖3 紅麻不同部位Cd含量Figure 3 The concentration of Cd in different part of kenaf

圖4 紅麻不同部位Cr含量Figure 4 The concentration of Cr in different part of kenaf

結(jié)合紅麻生物量及重金屬在各部位積累量，計(jì)算得出種植一季紅麻可轉(zhuǎn)移重金屬量見表6。紅麻累計(jì)每公頃每年最高可轉(zhuǎn)移重金屬Cu 185.3 g、Zn 1 012.9 g、Cd 25.7 g、Cr 40.8 g和Ni 34.8 g。不同品種紅麻轉(zhuǎn)移量不同，其中重金屬Cu以福紅991和湘紅1號(hào)最佳，重金屬Zn以湘紅1號(hào)和福紅991最佳，重金屬Cd轉(zhuǎn)移量最高為浙8310和湘紅1號(hào)，重金屬Cr轉(zhuǎn)移量最高為H368和湘紅1號(hào)，重金屬Ni轉(zhuǎn)移量則以H368和福紅991表現(xiàn)最佳。

3 討論

圖5 紅麻不同部位Ni含量Figure 5 The concentration of Ni in different part of kenaf

表4 不同紅麻重金屬富集系數(shù)Table 4 Bioconcentration factors of different kenaf varieties

紅麻生長周期短、抗逆性強(qiáng)、耐粗放，在一定逆境條件下仍能正常生長[11]。王凱榮等[15]發(fā)現(xiàn)當(dāng)土壤Cd含量超過62 mg·kg-1時(shí)，紅麻經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量顯著下降。本研究中7種紅麻兩年平均干生物量為11.88 t·hm-2，達(dá)到一般農(nóng)田生產(chǎn)水平，反映了紅麻對(duì)重金屬具有一定耐受性。且根據(jù)前人報(bào)道，紅麻在重金屬污染土壤上種植，其纖維可達(dá)到紡織標(biāo)準(zhǔn)[15-16]，保證了紅麻修復(fù)重金屬的同時(shí)，還能有一定經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值。

植物修復(fù)重金屬潛能主要取決于植物的生物量及其對(duì)重金屬的富集能力[19]。已有研究表明，當(dāng)土壤中Pb濃度在100～400 mg·kg-1范圍內(nèi)時(shí)，紅麻富集系數(shù)最高可達(dá)3[11]；李豐濤等[21]發(fā)現(xiàn)在閩中南重金屬污染區(qū)，紅麻對(duì)Cd的富集系數(shù)大于1。本試驗(yàn)中，將紅麻種植于多種重金屬復(fù)合污染土壤上，各品種紅麻對(duì)Cd富集系數(shù)最高，但不超過0.8，未達(dá)到前人報(bào)道水

表5 不同紅麻重金屬轉(zhuǎn)移系數(shù)Table 5 Transfer factors of different kenaf varieties

表6 不同紅麻累計(jì)重金屬吸收量（g·hm-2·a-1）Table 6 The amount of heavy metals extracted by different kenaf varieties（g·hm-2·a-1）

平，推測可能與不同重金屬間相互作用[22]、土壤pH值[23]以及紅麻品種有關(guān)。轉(zhuǎn)移系數(shù)也以Cd最高，其中湘紅1號(hào)和浙8310轉(zhuǎn)移系數(shù)高達(dá)1.39。各紅麻品種對(duì)重金屬Cd的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均高于其他重金屬，推測可能與重金屬Cd在土壤中活性較高，以及重金屬Zn與Cd的協(xié)同作用有關(guān)[24]。

紅麻重金屬富集能力較一般高富集作物低，但是生物量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一些常規(guī)報(bào)道的高富集作物[19]。本研究中，2016年紅麻平均干生物量達(dá)15.5 t·hm-2，分別是遏蘭菜（0.38 t·hm-2）、東南景天（0.85～1.5 t·hm-2）的40.7倍和10.3～18.2倍[19]。龐大的生物量在一定程度上彌補(bǔ)了紅麻富集能力低的缺點(diǎn)，本試驗(yàn)中紅麻種植一季最高能轉(zhuǎn)移重金屬Cu約185.3 g·hm-2、Zn 1 012.9 g·hm-2、Cd 25.7 g·hm-2、Cr 40.8 g·hm-2、Ni 34.8 g·hm-2。而據(jù)報(bào)道，在大田條件種植的東南景天[25]每年可提取 Cd 184 g·hm-2、Zn 7800 g·hm-2、Cu 29 g·hm-2；礦區(qū)苧麻[13]地上部分每年可提取Cd 110 g·hm-2、Zn 6710 g·hm-2、Cu 1690 g·hm-2、As 720 g·hm-2、Pb 1170 g·hm-2。紅麻提取重金屬的總量與之還存在一定差距，作為重金屬修復(fù)效果不如苧麻等作物。

4 結(jié)論

在重金屬重度污染土壤上，不同紅麻品種生物量表現(xiàn)各異，其中晚熟雜交組合紅優(yōu)2號(hào)最高，中熟航天誘變品種航優(yōu)1號(hào)最低；紅麻不同部位重金屬含量差異顯著，葉片和根系重金屬含量均高于莖稈；各紅麻品種均有一定的重金屬富集和轉(zhuǎn)移能力，但達(dá)不到高富集作物標(biāo)準(zhǔn)，品種間也存在一定差異，以湘紅1號(hào)能力最強(qiáng)；不同重金屬富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)存在顯著差異，均以重金屬Cd最高；單季種植可轉(zhuǎn)移的重金屬量小，作為修復(fù)作物，修復(fù)耗時(shí)較長，可作為重金屬污染土壤復(fù)墾作物。