不同紅麻品種的土壤重金屬污染修復潛力對比研究

李文略，金關榮，駱霞虹，安 霞，李蘋芳，朱關林，陳常理

（浙江省蕭山棉麻研究所，杭州 311202）

隨著經濟社會的發展，環境問題日益凸顯，已成為全面建成小康社會的突出短板之一[1]。重金屬在環境中產生的污染效應具有隱蔽性、長期性以及不可逆性，針對重金屬污染的治理是目前環境問題的熱點和難點[2]。土壤重金屬通過食物鏈進入人體，嚴重危害人類健康。每年糧食因重金屬污染造成的直接經濟損失超過200億元[3-4]。如何修復農田土壤重金屬污染，保障作物的安全生產，是當前土壤和環境領域研究的重點和難點。

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，而不是進入作物，降低其健康風險和環境風險（鈍化）[5]。后者從重金屬土壤安全生產的角度出發，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、無機和微生物鈍化劑，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、經濟價值不高的缺點，在實際應用中通常難以達到預期效果[11]。因而一些重金屬耐性強、生長快、生物量大、經濟價值高并有一定的重金屬富集能力的植物近年來被逐步應用到重金屬修復當中，如油菜[12]、苧麻[13]、玉米[14]。王凱榮等[15]通過對南方集中主要栽培作物耐土壤Cd污染分析，認為黃麻、紅麻、苧麻等纖維植物可作為Cd污染農區的首選對象；楊煜曦等[16]通過5年定點大田試驗表明，利用紅麻復墾重金屬污染土壤，具有潛在經濟價值。

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，具有適應性高、用途廣等特點，其用途涉及麻紡、造紙、建材、麻塑、活性炭、飼料、食用等諸多領域[17]。關于紅麻修復重金屬已有相關報道，但大多采用盆栽試驗或水培試驗，試驗污染源也多為單一重金屬，沒有針對現實中多為復合污染這一事實進行深入研究。本試驗以國內推廣面積較大的7個紅麻品種為試驗材料，在Cu、Zn、Cd、Cr、Ni復合污染土壤上種植比較，旨在研究不同紅麻品種對重金屬的修復潛能，以及紅麻在重金屬污染土壤上復墾的前景。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及地點

試驗選取的國內7個代表性紅麻品種，分別為福建農林大學提供的晚熟常規品種——福紅991和晚熟航天誘變品種——福紅航992，中國農業科學院麻類研究所提供的晚熟雜交組合——H368和晚熟常規品種——湘紅1號，浙江省蕭山棉麻研究所提供的中熟航天誘變品種——航優1號和晚熟常規品種——浙8310，以及廣西大學提供的晚熟雜交組合——紅優2號。試驗地點位于杭州市富陽區常安鎮，周邊有電鍍廠和電池廠，試驗土壤為農田水稻土（有機質9.52%、全氮0.93 g·kg-1、全磷1.16 g·kg-1、全鉀13.75 g·kg-1），土壤重金屬超標嚴重。

1.2 試驗設計

試驗采用7個品種，3次重復，隨機區組試驗，各小區面積為5.5 m×1.4 m。于2015—2016年重復種植，2015年紅麻種植時間為5月27日至10月22日，2016年紅麻種植時間為6月6日至10月10日。按常規紅麻栽培方式管理，并對2016年7個紅麻品種的葉片、莖稈、根系的重金屬含量進行測定分析。

1.3 樣品采集和分析方法

土壤樣品：采集各處理小區0～20 cm表層土壤樣品共21個，剔除植物殘體和石塊，混勻后自然風干，研磨后過80目篩。委托浙江省農業科學院農產品質量標準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2016年各處理紅麻，隨機取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，隨后調至80℃條件下烘干至恒質量，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（試驗樣品委托湖南農業大學檢測）。

植株收獲期產量性狀考查：先記錄各小區有效莖數，再隨機選取20株考查株高、莖粗、鮮皮厚、干麻葉質量、干麻骨質量、干麻皮質量，計算出相應產量。

1.4 各指標計算

土壤中污染物i的環境質量指數

Pi=污染物i的實際測量濃度/土壤環境標準中i的臨界值

環境綜合污染指數[18]

重金屬富集系數=植物各部位重金屬含量/土壤重金屬含量

轉運系數=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 數據處理

使用Excel 2010對數據進行分析和制圖，利用SPSS 23.0軟件進行單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 試驗地土壤污染情況

試驗地21個小區土壤重金屬檢測結果見表1，供試土壤呈弱堿性，多種重金屬超過《土壤環境質量標準》（GB 15618—1995）[20]。其中重金屬Zn檢測總量達1325 mg·kg-1，超過土壤環境質量Ⅲ級標準165%；重金屬Cd達到4.9 mg·kg-1，是土壤環境質量Ⅲ級標準的4.9倍；重金屬Ni檢測值超過土壤環境質量Ⅱ級標準，但未達Ⅲ級標準；重金屬Cu檢測值為97.9 mg·kg-1，接近土壤環境質量Ⅱ級標準；重金屬Cr檢測量為136.4 mg·kg-1，未超過土壤環境質量Ⅱ級標準。

各重金屬環境質量指數計算結果見表2。參考重金屬污染評價標準，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。試驗土壤PCd為8.2，達到重度污染，PZn為4.4，為中度污染，PNi為2.5，為輕度污染，試驗區P綜合為6.2，達到重度污染水平。

2.2 不同紅麻品種產量及農藝性狀

2015年各紅麻品種產量和農藝性狀結果見表3，各指標存在一定差異。干生物量平均值為8.3 t·hm-2，7個品種表現為：紅優2號＞湘紅1號＞航優1號＞H368＞福紅航992＞浙8310＞福紅 991，以紅優2號最高，達到10.1 t·hm-2，較其他品種高出17.8%～36.1%。農藝性狀方面，紅優2號株高（340.9 cm）優勢明顯，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2號表現最優，超過1 mm；有效株數以H368最高，達到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2號均達到16.0 t·hm-2，以H368（17.1 t·hm-2）最高，較最低值航優1號（12.4 t·hm-2）高出37.9%，各品種干生物量表現為：H368＞紅優2號＞福紅991＞浙8310＞湘紅1號＞福紅航992＞航優1號。株高、莖粗和皮厚各品種間差異較小：株高以紅優2號和H368表現最佳，超過355.0 cm；莖粗以浙8310最佳，達到14.7 mm；皮厚以紅優2號最優，為0.98 mm；有效株數仍以H368表現最佳，達到21.50萬株·hm-2。綜合兩年表現，紅優2號在重金屬土壤中的表現要優于其他品種。

2.3 紅麻重金屬含量、富集系數、轉運系數和提取總量

植株樣品重金屬檢測結果（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為葉片＞根系＞莖稈，重金屬Cr和Ni則表現為根系＞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、紅優2號、浙8310的累積量表現為：葉片＞根系＞莖稈，福紅991、福紅航992、航優1號、H368則表現為根系＞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個紅麻品種產量及農藝性狀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

根據計算得出各品種重金屬富集系數見表4。可以看出，紅麻植株各部位對重金屬的富集系數較小，其中Ni、Cr和Zn富集系數大部分不足0.1；不同紅麻器官重金屬Cu富集系數在0.057～0.279之間；重金屬Cd富集系數顯著高于其他重金屬，其中各品種葉片富集系數均超過0.5，以湘紅1號、紅優2號、浙8310表現最佳，超過0.8。

根據計算得出不同品種重金屬轉移系數如表5所示。不同重金屬轉移系數間存在一定差異，其中紅麻重金屬Cd平均轉移系數為1.12，以湘紅1號和浙8310轉移系數最高，達到1.39，超出平均值24.1%；重金屬Cu平均轉運系數為0.64，僅湘紅1號和浙8310超過平均值；重金屬Zn轉運系數平均值為0.60，其中湘紅1號、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轉運系數前兩位均分別浙8310和湘紅1號。

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

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

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Table 4 Bioconcentration factors of different kenaf varieties

紅麻生長周期短、抗逆性強、耐粗放，在一定逆境條件下仍能正常生長[11]。王凱榮等[15]發現當土壤Cd含量超過62 mg·kg-1時，紅麻經濟產量顯著下降。本研究中7種紅麻兩年平均干生物量為11.88 t·hm-2，達到一般農田生產水平，反映了紅麻對重金屬具有一定耐受性。且根據前人報道，紅麻在重金屬污染土壤上種植，其纖維可達到紡織標準[15-16]，保證了紅麻修復重金屬的同時，還能有一定經濟產值。

植物修復重金屬潛能主要取決于植物的生物量及其對重金屬的富集能力[19]。已有研究表明，當土壤中Pb濃度在100～400 mg·kg-1范圍內時，紅麻富集系數最高可達3[11]；李豐濤等[21]發現在閩中南重金屬污染區，紅麻對Cd的富集系數大于1。本試驗中，將紅麻種植于多種重金屬復合污染土壤上，各品種紅麻對Cd富集系數最高，但不超過0.8，未達到前人報道水

表5 不同紅麻重金屬轉移系數Table 5 Transfer factors of different kenaf varieties

表6 不同紅麻累計重金屬吸收量（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。轉移系數也以Cd最高，其中湘紅1號和浙8310轉移系數高達1.39。各紅麻品種對重金屬Cd的富集系數和轉運系數均高于其他重金屬，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的協同作用有關[24]。

紅麻重金屬富集能力較一般高富集作物低，但是生物量遠遠高于一些常規報道的高富集作物[19]。本研究中，2016年紅麻平均干生物量達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了紅麻富集能力低的缺點，本試驗中紅麻種植一季最高能轉移重金屬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。而據報道，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，作為重金屬修復效果不如苧麻等作物。

4 結論

在重金屬重度污染土壤上，不同紅麻品種生物量表現各異，其中晚熟雜交組合紅優2號最高，中熟航天誘變品種航優1號最低；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移能力，但達不到高富集作物標準，品種間也存在一定差異，以湘紅1號能力最強；不同重金屬富集系數和轉運系數存在顯著差異，均以重金屬Cd最高；單季種植可轉移的重金屬量小，作為修復作物，修復耗時較長，可作為重金屬污染土壤復墾作物。