黃麻、紅麻在重金屬污染耕地修復(fù)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

王玉富

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類(lèi)研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410205）

黃麻、紅麻在重金屬污染耕地修復(fù)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

王玉富

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類(lèi)研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410205）

黃麻（Corchorus capsularis L.）、紅麻（Hibiscus cannabinus）是非常適宜南方種植的一年生麻類(lèi)作物。綜述了黃麻、紅麻的生長(zhǎng)習(xí)性和應(yīng)用前景，并從植物對(duì)重金屬的吸收能力、重金屬在植株體內(nèi)的分布、重金屬脅迫下植株的生理變化、外界環(huán)境對(duì)重金屬污染修復(fù)植物的影響等方面總結(jié)了黃麻、紅麻在土壤重金屬污染修復(fù)利用中的研究進(jìn)展。結(jié)果表明，黃麻、紅麻是比較理想的重金屬污染耕地修復(fù)植物。

黃麻；紅麻；重金屬；污染；植物修復(fù)；綜述

我國(guó)首次全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查從2005年開(kāi)始至2013年結(jié)束，歷時(shí)9 a。環(huán)境保護(hù)部和國(guó)土資源部于2014年4月17日聯(lián)合發(fā)布《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》，公報(bào)指出，我國(guó)耕地土壤污染點(diǎn)位超標(biāo)率為19.4%，主要污染物為鎘、鎳、銅、砷、汞、鉛、滴滴涕和多環(huán)芳烴。國(guó)土資源部中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局于2015年6月發(fā)布《中國(guó)耕地地球化學(xué)報(bào)告》，報(bào)告稱(chēng)，1999～2014年共調(diào)查土地面積150.7萬(wàn)km2，其中耕地面積為0.924億hm2；重金屬中、重度污染或超標(biāo)的點(diǎn)位占2.5%，覆蓋面積232.5萬(wàn)hm2；輕微、輕度污染或超標(biāo)的點(diǎn)位占5.7%，覆蓋面積526.6萬(wàn)hm2；污染或超標(biāo)耕地主要分布在湘鄂皖贛區(qū)、閩粵瓊區(qū)和西南區(qū)；污染或超標(biāo)耕地面積總計(jì)759.1萬(wàn)hm2，占調(diào)查耕地面積的8.22%。

耕地污染嚴(yán)重威脅著農(nóng)產(chǎn)品安全。以“鎘米”為代表的污染食品給人體健康、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定帶來(lái)巨大沖擊。目前，污染水稻的重金屬有鉛、鎘、汞和銅等，其中鉛和鎘是最主要的重金屬污染物。隨著多個(gè)地區(qū)土壤重金屬污染情況日趨惡化[1]，各級(jí)政府對(duì)耕地污染問(wèn)題越來(lái)越重視，開(kāi)始投入大量資金進(jìn)行治理。然而，如何解決土壤重金屬污染，尤其是大面積的農(nóng)田土壤重金屬污染，是一個(gè)十分嚴(yán)峻且棘手的問(wèn)題。

1 植物修復(fù)

發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)、澳大利亞和加拿大等的耕地資源豐富，對(duì)重金屬污染超標(biāo)的耕地一般采取休耕方式，使其自然恢復(fù)后再進(jìn)行農(nóng)業(yè)利用。然而，我國(guó)耕地資源雖然總量很大，但人口基數(shù)大，人均耕地資源十分緊張，只有世界人均耕地平均水平的三分之一左右，因此對(duì)重金屬污染耕地必須采用安全利用或邊利用邊修復(fù)的方法。

植物修復(fù)是利用綠色植物來(lái)轉(zhuǎn)移、容納或轉(zhuǎn)化土壤中的重金屬、有機(jī)物或放射性元素等，降低土壤中污染物的含量，使其不影響農(nóng)產(chǎn)品安全。根據(jù)修復(fù)的機(jī)理和過(guò)程，可以將該技術(shù)分為植物提取、植物轉(zhuǎn)化、植物揮發(fā)和植物穩(wěn)定4種類(lèi)型[2]。其中，研究較多的是植物提取，即利用植物對(duì)重金屬進(jìn)行富集。與物理及化學(xué)修復(fù)技術(shù)相比，植物修復(fù)具有成本低、來(lái)源廣等特點(diǎn)，尤其適用于低濃度重金屬污染土壤的修復(fù)。植物提取修復(fù)技術(shù)是目前應(yīng)用最多、最有發(fā)展前景的植物修復(fù)技術(shù)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的專(zhuān)家學(xué)者對(duì)重金屬超富集植物進(jìn)行了大量研究。李雙玉等[3]的研究表明，當(dāng)土壤中鎘添加濃度為20 mg/kg時(shí), 葉用紅菾菜地上部鎘含量為159.79 mg/kg，富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)分別達(dá)到了7.99和2.83，富集效果顯著；魏樹(shù)和等[4]的研究表明，當(dāng)土壤中鎘添加濃度為25 mg/kg時(shí), 龍葵莖和葉中鎘含量分別為103.8和124.6 mg/kg，地上部鎘富集系數(shù)為2.68；劉周莉等[5]指出，在土培條件下，隨著土壤中鎘處理濃度的增加，忍冬的富集系數(shù)均在8.00左右；劉威等[6]的研究表明，寶山堇菜（Viola baoshanensis）生物富集系數(shù)變化范圍為0.7～5.2，平均富集系數(shù)為2.38。

截至2010 年，國(guó)內(nèi)外共發(fā)現(xiàn)超富集植物500種以上，多數(shù)為溫帶草本植物[7]。這些超富集植物對(duì)重金屬污染土壤具有很好的修復(fù)效果，但大多數(shù)為野生植物，生物量較低、生長(zhǎng)緩慢、經(jīng)濟(jì)價(jià)值也不高或無(wú)經(jīng)濟(jì)價(jià)值，推廣應(yīng)用的難度比較大。而利用非食用及非飼用作物的種植對(duì)重金屬污染耕地邊利用邊修復(fù)是一種比較理想的方法。黃麻、紅麻適宜在我國(guó)南方種植，生物產(chǎn)量高，其纖維具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，是一種比較理想的重金屬污染耕地邊利用邊修復(fù)作物。

2 黃麻、紅麻的生長(zhǎng)習(xí)性及應(yīng)用前景

黃、紅麻都是短日照喜溫作物，喜溫暖濕潤(rùn)氣候，主要種植在我國(guó)南方，具有生物產(chǎn)量高、耐漬水能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

2.1 紅麻的生長(zhǎng)習(xí)性

紅麻（Hibiscus cannabinus）為錦葵科木槿屬一年生草本韌皮纖維作物，莖直立，高3～5 m、粗1.5～3.0 cm，呈綠、紫、紅或淺紅色，生育期150 d以上，是低洼易澇地區(qū)以及鹽堿地區(qū)的穩(wěn)產(chǎn)作物。福建省曾對(duì)來(lái)自世界5大洲23個(gè)國(guó)家的51個(gè)紅麻種質(zhì)資源進(jìn)行了耐旱性試驗(yàn)，鑒定出7個(gè)紅麻耐旱種質(zhì)[8]。當(dāng)紅麻長(zhǎng)至2 m高時(shí)，淹水20 d以上，仍可保有一定產(chǎn)量。只要水淹不沒(méi)頂，麻株可以在水中生長(zhǎng)1～2月之久。在0～5 cm土壤層中含鹽量低于0.25%時(shí)，紅麻均能正常生長(zhǎng)；當(dāng)土壤含鹽量在0.25%～0.42%時(shí)，植株將表現(xiàn)出不同程度的受害癥狀；當(dāng)含鹽量在0.48%～0.52%時(shí)，植株受到嚴(yán)重鹽害，將逐漸枯萎死亡。研究表明，紅麻的耐鹽堿能力隨著根系的發(fā)育以及麻株的增高而增強(qiáng)[9]。此外，紅麻不僅具有較好的抗逆性，而且生物產(chǎn)量高，據(jù)報(bào)道紅麻最高生物質(zhì)產(chǎn)量可達(dá)20.3 t/hm2[10]。

2.2 黃麻的生長(zhǎng)習(xí)性

黃麻（Corchorus capsularis L.）為椴樹(shù)科黃麻屬一年生草纖維作物，莖直立，株高2～4 m、粗1.0～2.0 cm，全株無(wú)毛。黃麻耐淹性較強(qiáng)，當(dāng)麻苗長(zhǎng)至40 cm以上時(shí)，長(zhǎng)果種黃麻淹水沒(méi)尖8～12 d，圓果種黃麻淹水沒(méi)尖5～7d，植株均不死亡；淹水不沒(méi)尖，在水中浸漬15～20 d，麻株還能繼續(xù)生長(zhǎng)。其中，旺長(zhǎng)期是黃麻一生中抗?jié)晨寡湍芰ψ顝?qiáng)的時(shí)期，在淹水不沒(méi)尖的情況下，水中浸漬16～27 d后，植株還能繼續(xù)生長(zhǎng)。

研究顯示，土壤中含鹽量在0.2%～0.25%范圍內(nèi)，均可種植黃麻，尤其是圓果種黃麻，當(dāng)土壤中氯化鈉含量達(dá)0.4%時(shí)仍能發(fā)芽。王利民等[11]在海濱鹽土種植2個(gè)黃麻品種，黃麻收割后，土壤鹽分別減少43%和52%。這表明黃麻是改良濱海鹽土的一種理想植物。

黃麻干物質(zhì)產(chǎn)量較高，最高產(chǎn)量可達(dá)25.17 t/hm2[12]。福黃麻3號(hào)是新培育黃麻品種，在2009～2010年的區(qū)域試驗(yàn)中，其原麻產(chǎn)量為6 861.1 kg/hm2。2011年，在福建農(nóng)林大學(xué)莆田市白沙鎮(zhèn)基地進(jìn)行的5個(gè)黃麻新品種高產(chǎn)栽培試驗(yàn)中，福黃麻3號(hào)收獲原麻10.122 t/hm2[13]。

由于黃麻、紅麻等麻類(lèi)纖維植物的適應(yīng)性強(qiáng)，而且纖維產(chǎn)量高、纖維品質(zhì)各具特色，可以適應(yīng)多種用途的要求。例如，黃麻纖維白而有光澤、吸濕性好、散水快，是運(yùn)動(dòng)服裝的優(yōu)質(zhì)原材料。因此，黃麻、紅麻的全球需求量每年正以8%的速度遞增，發(fā)展?jié)摿薮螅袌?chǎng)前景廣闊[14]。

3 黃麻、紅麻對(duì)重金屬修復(fù)的研究進(jìn)展

國(guó)外對(duì)紅麻在重金屬污染土壤修復(fù)方面的應(yīng)用研究得較早，研究?jī)?nèi)容與范圍也相對(duì)較廣。目前，國(guó)內(nèi)也相繼開(kāi)展了黃麻、紅麻的相關(guān)研究。作為重金屬污染修復(fù)植物，首先該植物對(duì)重金屬的耐受能力要強(qiáng)，其次重金屬在植株體內(nèi)的分布以及重金屬和外界環(huán)境對(duì)植物的影響等也是必須考慮的因素。因此，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究主要集中在以下幾個(gè)方面。

3.1 植物對(duì)重金屬的吸收能力

Carlson等[15]將紅麻種植在含112～224 t/hm2下水道污泥的土壤中，發(fā)現(xiàn)紅麻莖中積累了可觀(guān)的重金屬（有Fe、Zn、Mn、Cu、Pb、Cr、Cd、Hg），故而認(rèn)為紅麻可以用于重金屬污染的治理。栗原宏幸等[16]認(rèn)為植物修復(fù)比其他方法更安全，他們將紅麻連續(xù)3年種植在日本西南地區(qū)鎘污染的農(nóng)田中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)土壤中的鎘含量以347 g/(hm2·a)的速度下降，證明紅麻對(duì)鎘污染土壤具有明顯的修復(fù)作用。Babatunde等[17]的研究表明，在質(zhì)地和鉛濃度不同的土壤中種植紅麻，收獲后土壤中殘留的鉛含量明顯低于所加入的鉛含量，說(shuō)明紅麻對(duì)消除污染土壤中的鉛非常有效。

Sarra等[18]在鎘、鋅有效含量分別為1.83和451 mg/kg的淤泥中進(jìn)行紅麻和玉米的修復(fù)能力試驗(yàn)，結(jié)果顯示，紅麻莖中鎘和鋅的含量分別為2.49和82.5mg/kg，玉米莖中鎘和鋅的含量分別為2.1和10.19 mg/kg。

紅麻不僅對(duì)重金屬具有一定的耐受性，在一定量重金屬污染的刺激下，紅麻的產(chǎn)量還有所提高。Salim等[19]研究發(fā)現(xiàn)，將鉛濃度控制在100 mg/kg水平，能顯著提高沙壤土栽培紅麻的莖和根的干物質(zhì)產(chǎn)量。

3.2 重金屬在植株體內(nèi)的分布

不同的重金屬在黃麻、紅麻體內(nèi)的分布是不同的，不同品種其體內(nèi)的重金屬分布也不盡相同。栗原宏幸等[16]的研究表明，紅麻葉中鎘含量最高，達(dá)到了52.3 mg/kg，其次是莖、根、果實(shí)，植株整體的平均水平為9.6～14.4 mg/kg。陳軍等[20]研究了不同黃麻、紅麻品種植株各器官對(duì)重金屬鋅、鎘、砷、鉛 的積累和分布特性，結(jié)果表明，黃麻、紅麻各器官中鋅的積累分布較均勻；砷和鎘的積累特性為根＞葉（籽粒）＞莖稈；鉛的積累特性為根＞莖稈＞葉（籽粒）；在土壤重金屬脅迫下耐受性較好的黃麻、紅麻品種有黃麻09-2、09-3、09-5和紅麻09-1、09-3、09-5。Ho等[21]將紅麻應(yīng)用于尾礦沙中鉛的植物提取，結(jié)果顯示，鉛存在紅麻的根、莖、蒴果等部位，但是葉中沒(méi)有。有機(jī)肥料可以極大地提高紅麻的生物質(zhì)產(chǎn)量，并促進(jìn)植株對(duì)鉛的積累，85%的鉛積累在紅麻的根部。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，鉛主要積累在植物細(xì)胞的細(xì)胞壁中。

3.3 重金屬脅迫下植株的生理變化

Li等[22]的研究顯示，不同紅麻品種對(duì)鎘的耐受性不同，F(xiàn)uhong 991對(duì)鎘的耐性高于ZM412。在鎘脅迫下，紅麻葉片中的超氧化物歧化酶（SOD）、過(guò)氧化氫酶（CAT）、過(guò)氧化物酶（POD）的活性與對(duì)照相比有波動(dòng)， Fuhong 991中的谷胱甘肽還原酶（GR）活性明顯增強(qiáng)，根中的SOD、CAT和POD活性都高于對(duì)照，但是Fuhong 991的POD活性在不同鎘水平的處理中幾乎保持不變。

李正文等[23]以紅麻不育系、恢復(fù)系和雜交種為材料進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，在鎘、鉛脅迫下3種紅麻材料的丙二醛（MDA）、脯氨酸（Pro）、過(guò)氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）等都發(fā)生了變化；所有生理指標(biāo)變化趨勢(shì)中以不育系P3A 變化最明顯；雜交F1變化最不明顯，表現(xiàn)出明顯的雜種優(yōu)勢(shì)。

3.4 外界環(huán)境對(duì)重金屬污染修復(fù)植物的影響

Babatunde等[17]研究了在不同質(zhì)地和鎘濃度的土壤中，紅麻在pH值5.3的情況下更易吸收鎘；施加的鎘濃度越高，紅麻在兩種質(zhì)地土壤中吸收的鎘越多。Ho等[21]在以紅麻為材料修復(fù)尾礦土壤的研究中發(fā)現(xiàn)，根部吸收的鉛占整個(gè)植株鉛吸收量的80%。

韋蘭潔等[24]研究表明，單一的鉛污染處理會(huì)抑制紅麻的生長(zhǎng)發(fā)育，使其產(chǎn)量下降，但是鉛、鋅復(fù)合污染時(shí)，鋅可抑制莖對(duì)鉛的吸收，而鉛可促進(jìn)莖對(duì)鋅的吸收。

陳燕玫等[25]研究發(fā)現(xiàn)接種植物根際促生菌DBM1，可有效促進(jìn)鉛脅迫下紅麻的生長(zhǎng)，輔助紅麻對(duì)高鉛污染土壤進(jìn)行植物穩(wěn)定修復(fù)。

[S, S]-乙二胺二琥珀酸（EDDS）是一種重金屬活化劑。Kos等[26]發(fā)現(xiàn)在大麻生長(zhǎng)過(guò)程中施用EDDS后，地上部干物質(zhì)中鉛、鋅和鎘含量分別為未施EDDS的1 926倍、7.5倍和11倍。研究表明，318 μmol/L EDDS對(duì)紅麻生長(zhǎng)無(wú)顯著生長(zhǎng)毒性[27]，但施用EDDS是否會(huì)促進(jìn)紅麻對(duì)重金屬吸收還有待驗(yàn)證。

此外，還有學(xué)者在紅麻對(duì)鎘、鉛的修復(fù)過(guò)程中添加N、P、K肥料或調(diào)整土壤pH值、添加EDTA等螯合劑，以期通過(guò)這些措施來(lái)促進(jìn)紅麻對(duì)鎘、鉛的吸收積累，增強(qiáng)其對(duì)污染土壤的修復(fù)效果。

4 黃麻、紅麻在重金屬污染耕地修復(fù)中的應(yīng)用前景

黃麻、紅麻是我國(guó)南方傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)作物，種植歷史悠久。與其他植物相比，黃麻、紅麻在重金屬污染耕地修復(fù)中具有以下優(yōu)勢(shì)。第一，農(nóng)民種植黃麻、紅麻的經(jīng)驗(yàn)豐富，為實(shí)現(xiàn)重金屬污染耕地邊利用邊修復(fù)的戰(zhàn)略打下良好的技術(shù)基礎(chǔ)。第二，長(zhǎng)期種植以及品種選育，黃麻、紅麻對(duì)南方的高溫、多雨天氣和漬水稻田環(huán)境已基本適應(yīng)。第三，黃麻、紅麻對(duì)重金屬有較強(qiáng)的耐受性，在一定程度的污染環(huán)境下，植株可以正常生長(zhǎng)；同時(shí)，黃麻、紅麻的生物產(chǎn)量很高，麻莖年產(chǎn)量可達(dá)20 t/hm2以上，是針葉木材的3～4倍，其CO2吸收率是森林的4倍[28]。

雖然黃麻、紅麻對(duì)重金屬的富集系數(shù)一般研究認(rèn)為達(dá)不到超富集植物的標(biāo)準(zhǔn)，但是相對(duì)其他農(nóng)作物還是比較高的。Sarra等[18]的試驗(yàn)結(jié)果顯示，紅麻莖部的重金屬富集系數(shù)為0.704，比玉米重金屬富集系數(shù)高0.093。Ho等[21]的研究表明，當(dāng)土壤中鉛濃度為100～400 mg/kg時(shí)，紅麻對(duì)重金屬的富集系數(shù)可達(dá)1～3。

王國(guó)慶等[27]的研究顯示，紅麻各組織中銅的富集濃度從高到低依次為根＞葉＞莖（皮），紅麻纖維皮層內(nèi)銅含量低于其他組織內(nèi)的銅含量，并低于紡織產(chǎn)品銅含量標(biāo)準(zhǔn) （HJBZ 30-2000）。由此推測(cè)，在銅污染土壤中種植紅麻，有望實(shí)現(xiàn)紅麻纖維的安全生產(chǎn)，并對(duì)輕度銅污染土壤有一定的修復(fù)作用。

黃麻、紅麻具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，比較容易推廣種植。雖然黃麻、紅麻編織麻袋的傳統(tǒng)用途大部分被化纖取得，但是由于纖維處理技術(shù)和紡織技術(shù)的發(fā)展，黃麻、紅麻已經(jīng)逐步應(yīng)用于服飾面料、床上用品、家居用品等領(lǐng)域，其副產(chǎn)品還被廣泛用于碳粉、復(fù)合材料、紙張等生產(chǎn)中，用途廣泛。國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，1999年中國(guó)紙張及紙板的總產(chǎn)量為2 900萬(wàn)t，到2009年紙張及紙板的產(chǎn)量增長(zhǎng)到9 383萬(wàn)t，10 a間增長(zhǎng)近2.3倍，年均增長(zhǎng)13.9%。在中國(guó)宏觀(guān)經(jīng)濟(jì)持續(xù)向好背景的帶動(dòng)下，目前中國(guó)造紙企業(yè)特別是大企業(yè)擴(kuò)張步伐繼續(xù)加快，產(chǎn)能增長(zhǎng)勢(shì)頭迅猛[29]。與毛竹相比，用紅麻全桿原料制漿造紙不僅采購(gòu)成本低，而且煤、電、氣等的消耗也較少[30]。紅麻高得率漿可用于配抄新聞紙、文化用紙、箱紙板等。紅麻特殊的化學(xué)組成及細(xì)胞結(jié)構(gòu)使得其在高得率漿及生物制漿方面更具有優(yōu)勢(shì)[31]。

綜上所述，在重金屬污染農(nóng)田中種植黃麻、紅麻，一般不會(huì)造成產(chǎn)品的重金屬超標(biāo)，符合安全產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)黃麻、紅麻生物產(chǎn)量高、適應(yīng)性好、用途廣、對(duì)重金屬的富集能力強(qiáng)、種植技術(shù)成熟，其主要產(chǎn)品是纖維，不進(jìn)入食物鏈。因此，黃麻、紅麻是比較理想的重金屬污染耕地修復(fù)植物，發(fā)展前景廣闊。

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（責(zé)任編輯：成 平）

Review of Jute and Kenaf Application in Remediation of Arable Lands Contaminated by Heavy Metals

WANG Yu-fu

（Institute of Bast Fiber Crops, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Changsha 410205, PRC）

Jute（Corchorus capsularis L.）and kenaf（Hibiscus cannabinus）are annual herbaceous plants adaptable to south China. This paper reviews growth characteristics and application of jute and kenaf in the phytoremediation of soils contaminated by heavy metals from several aspects, including their capacity of absorbing heavy metals, the distribution of heavy metals in plants, their physiological changes under heavy metal stress and the impact of external environment on plants restoring soils; and prospects that jute and kenaf are ideal plants for the phytoremediation of arable lands contaminated by heavy metals.

jute; kenaf; heavy metals; contamination; phytoremediation; review

X53

A

1006-060X（2015）08-0049-04

10.16498/j.cnki.hnnykx.2015.08.016

2015-07-13

科技創(chuàng)新工程資助項(xiàng)目（ASTIP-IBFC06）；國(guó)家麻類(lèi)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系資助項(xiàng)目（CARS-19-E14）

王玉富（1962-），男，山東泰安市人，研究員，主要從事麻類(lèi)作物栽培及育種研究。