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(guó)賢，佘瑋

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128)

湖南是有色金屬之鄉(xiāng)，因開(kāi)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(huì)導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)和品質(zhì)下降，并通過(guò)食物鏈的富集作用進(jìn)入人體而危害人類健康。Cd 是對(duì)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(zhǎng)會(huì)受抑制，嚴(yán)重時(shí)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(guó)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(dá)30 t/hm2以上，具有較強(qiáng)的耐干旱、貧瘠等能力[5]。有研究指出，苧麻對(duì)Cd[6-8]、Hg[9]、Pb[10]、As[11]都有較強(qiáng)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(lái)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)降低對(duì)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(méi)有開(kāi)展年度間變化特征研究，因此不同季別苧麻對(duì)Cd 的吸收和積累對(duì)生產(chǎn)具有實(shí)際指導(dǎo)意義。為此，筆者以9 個(gè)苧麻品種為研究對(duì)象，設(shè)置盆栽試驗(yàn)?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(yàn)材料

供試苧麻材料來(lái)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(jiàn)表1。

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

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 盆栽試驗(yàn)

試驗(yàn)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(lái)水沖洗后裝于花盆中，選取長(zhǎng)勢(shì)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(yíng)養(yǎng)液。Hoagland 營(yíng)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(kāi)始鎘脅迫，在營(yíng)養(yǎng)液中設(shè)5 個(gè)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(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)于湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)溫室進(jìn)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(biāo)記裝袋備用。

1.2.2 鎘測(cè)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(cè)試中心采用SOLAAR M6 型原子吸收光譜儀測(cè)定Cd 含量。所有數(shù)據(jù)用Excel 記錄，SPSS軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同季別生物量變化

試驗(yàn)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(shí)，1、2、3 號(hào)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(shí)，5、6 號(hào)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(shí)，4、7、8、9 號(hào)4個(gè)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(hào)品種在最高處理800 μmol/L 時(shí)的地上部Cd 含量低于400 μmol/L 處理時(shí)。9 個(gè)品種在200 μmol/L 處理時(shí)地上部Cd 含量為100 μmol/L處理時(shí)的1.46～2.01 倍，400 μmol/L 處理時(shí)的地上部Cd 含量為100 μmol/L 處理時(shí)的2.18～4.47 倍，800 μmol/L 處理時(shí)地上部Cd 含量為100 μmol/L處理時(shí)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(hào)外的7 個(gè)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(shí)，1、2、3、9 號(hào)4 個(gè)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(hào)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(gè)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(wú)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(hào)品種，當(dāng)年二麻地上部Cd 積累量顯著高于后兩次收獲時(shí)地上部Cd 積累量；第二類為2、3、6 號(hào)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(hào)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(shí)生長(zhǎng)變化不同，對(duì)鎘的敏感程度不同[12]。本試驗(yàn)通過(guò)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(méi)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(shuō)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(duì)Cd 耐性和積累能力存在很大差異[13]。在二麻收獲時(shí)，石阡竹根麻平均地上部Cd 積累量高于后兩次收獲時(shí)平均地上部Cd 積累量，大紅皮2 號(hào)、湘苧3 號(hào)、宜春紅心麻、中苧1 號(hào)和川苧1 號(hào)在三麻收獲時(shí)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(hào)在次年頭麻地上部Cd 積累量高于前兩次，表明這3 個(gè)品種吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)Cd 能力較強(qiáng)。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(shí)驗(yàn)具有一定的局限性，如實(shí)驗(yàn)是在溫室中進(jìn)行，也只對(duì)地上部進(jìn)行指標(biāo)測(cè)定，下一步將進(jìn)行田間實(shí)驗(yàn)，指標(biāo)的測(cè)定將擴(kuò)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(jìn)入食物鏈對(duì)人體造成危害。原麻中的Cd 在精煉過(guò)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(guò)原麻和精干麻途徑向外擴(kuò)散的絕對(duì)量很少[14]。脫膠廢水中的Cd 可通過(guò)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(jìn)行治理[15]。但苧麻有落葉現(xiàn)象，因此在污染土壤實(shí)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(shuō)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(hào)平均地上部Cd 含量最低，大紅皮2號(hào)平均Cd 積累量最低，富順青麻較湘苧3 號(hào)平均Cd 含量高65.09%、較大紅皮2 號(hào)平均Cd 積累量高79.06%。

(3)富順青麻、小魯班和湘苧2 號(hào)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(qiáng)的Cd 吸收能力。