不同品種紅麻在重度與輕微鎘污染耕地的修復試驗

尹明，唐慧娟，楊大為，鄧勇，李德芳，趙立寧，黃思齊

（中國農業科學院麻類研究所/農業農村部麻類生物學與加工重點實驗室，長沙410205）

據2014 年我國環境保護部和國土資源部公布的土壤污染數據，我國Cd 污染點位超標率已達到7.0%，在無機污染物中居首位，農田耕地是污染程度最大的土壤類型[1]。有研究表明，我國每年有1 417 t的Cd 進入農田耕地，主要源于大氣沉降、家畜糞便、化肥以及灌水，而每年耕地自然條件下減少的Cd 只占其總量的13.00%，剩余Cd 還會殘留在土壤中[2]。如果不進行人為的耕地Cd 污染修復，我國耕地Cd 含量將會在2040 年全面超過現設的土壤Cd 污染標準[3]。我國湖南、廣東、廣西等南方省份Cd 污染尤為嚴重，污染耕地已達全國總耕地的1/6[4]，這嚴重影響到我國農業的可持續發展。Cd 不是人體必需的元素，具有較強的致癌、致畸形及致突變作用，聯合國環境規劃署（UNEP）將其列為全球性的危險化學物質[5]。當前針對Cd 污染耕地的治理主要有物理、化學、生物等方法[6]，通過物理或化學的方法降低或活化Cd 的活性，使其更容易被固定在耕地中或移除出耕地，通過生物的方法篩選出對Cd 低富集或高富集的植物品種，低富集的植物可以減少植物中的Cd 含量，高富集的植物可以有效移除耕地中的Cd，其本質都是減少Cd對人體的影響[7]。在這些方法中，植物修復利用高富集植物移除耕地中的Cd，因不對環境產生二次污染而被重點研究和推廣[8-9]。但植物修復中多數高富集植物經濟價值較低，難以大規模應用[10]。

紅麻（Hibiscus cannabinus）是錦葵科木槿屬一年生韌皮纖維作物，生物量大、生長周期短、經濟價值較高，且不易將Cd帶入人類食物體系[11-12]。紅麻近年來也開始被用于修復Cd 污染耕地，王路為等[13]發現重金屬污染區的紅麻Cd 富集系數大于1；王玉富等[10]發現種植紅麻可使土壤Cd含量每年降低347 g·hm-2；李文略等[12]發現紅麻可使土壤Cd 含量每年降低25.7 g·hm-2。雖然近幾年已有紅麻修復重金屬污染土壤的相關研究，但多數只于單個環境下試驗，無不同環境的對比試驗；多數試驗只檢測紅麻收獲時各部位Cd含量，計算其富集與轉移系數，未有不同時間點紅麻各部位Cd 含量的變化趨勢；這些試驗雖肯定了紅麻對重金屬的修復效果，但結論中紅麻所能提取的Cd含量卻相差巨大。故本試驗將7 種紅麻作為試驗材料，測定其在重度與輕微Cd 污染耕地下不同時間點各器官的Cd含量，計算其富集系數與轉移系數，研究不同環境下不同時間點不同紅麻品種對Cd的移除能力及其生長特性，為不同污染程度的耕地推薦適宜的紅麻品種，確定紅麻各部位合理收獲時間提供數據基礎，為紅麻修復Cd污染耕地提供更多的理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料由中國農業科學院麻類研究所提供，見表1。

表1 試驗材料編號與品種Table 1 Test material number and varieties

1.2 試驗設計

1.2.1 重度污染耕地修復試驗

試驗基地選取湖南省瀏陽市Cd 污染基地，土壤Cd含量為1.72～2.18 mg·kg-1。將7種紅麻于2018年5月16 日播種，9 月27 日收獲。每個紅麻品種播種一個獨立小區，小區面積7.5 m2，小區間行列間距20 cm，紅麻播種量25 g，7 個紅麻品種小區為一個區組，共設3 個區組為試驗重復，區組內隨機種植紅麻小區，于3 個區組周圍設保護行。種植期間，于6 月22日、7 月23 日、8 月23 日、9 月27 日進行紅麻取樣，測定相應根、莖、葉的Cd含量；于5月16日（播種期）與9月27 日（收獲期）取土樣，測定土壤Cd 含量、測定各小區紅麻最終的株高、莖粗、樣方干質量、樣方有效株數、單位面積干生物量，計算各紅麻品種的富集系數、轉移系數、Cd移除量。

1.2.2 輕微污染耕地修復試驗

試驗基地選取湖南省湘潭市Cd 污染基地，土壤Cd含量為0.38～0.50 mg·kg-1。7種紅麻于2018年5月10日播種，9月30日收獲。樣方面積和種植方式與重度污染修復試驗相同。種植期間，于6 月20 日、7 月20 日、9 月22 日進行紅麻取樣，測定相應根、莖、葉的Cd 含量；于5 月14 日（播種期）與9 月22 日（收獲期）取土樣，測定土壤Cd含量；測定各小區紅麻最終的株高、莖粗、樣方干質量、樣方有效株數、單位面積干生物量，計算各品種紅麻的富集系數、轉移系數、Cd 移除量、兩個環境試驗結果的總變異、各品種紅麻的回歸系數。

1.3 樣品采集與分析方法

取樣時，每種紅麻在2 個環境下3 個小區里共取6 株樣本進行測定，同時取6 個相應土樣。植株取樣時，確保其完整性與整潔性，用自來水與去離子水清洗，先105 ℃殺青1 h，后80 ℃烘干至恒質量，每個小區的樣研磨后混勻。土壤取樣時，取小區表層下3～5 cm 處土壤，80 ℃烘干，研磨混勻，送至湖南省分析測試中心檢測其Cd 含量。植株和土壤檢測方法分別參照《食品安全國家標準食品中多元素的測定》（GB 5009.268—2016）和《土壤和沉積物12 種金屬元素的測定王水提取-電感耦合等離子體質譜法》（HJ 803—2016）執行。

1.4 指標計算

富集系數=植株各部位Cd 含量（mg·kg-1）/土壤Cd含量（mg·kg-1）[14]

轉運系數=植株地上各部Cd含量（mg·kg-1）/植株地下部Cd含量（mg·kg-1）[15]

植株Cd 富集系數或轉移系數越大，則表示植株的Cd富集或轉移能力越強[16-17]

單位面積植物提取總量（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）

試驗總變異數學模型為：xijk=μ+ti+Lj+（tv）ij+rjk+eijk，μ 為群體的平均值，ti為品種i 的效應值，Lj為地點j 的效應，（tv）ij為品種與地點互作效應，rjk為地點內的區組效應，eijk為隨機誤差，利用一年多點試驗方差分析中的F 檢驗判定其變異效果是否對試驗產生顯著差異[18]。

利用Finlay 和Wilkinsom 模型對各紅麻品種進行回歸分析，回歸系數bi的計算方法[19]為：

1.5 數據統計與分析

數據采用SPSS 21 與Microsoft Office 2019 進行統計分析，差異性分析采用Duncan分析。

2 結果與分析

2.1 重度Cd污染土壤修復試驗

2.1.1 不同品種紅麻Cd累積情況

由圖1～圖3 可知，重度Cd 污染下不同品種紅麻各部位各時期的Cd 累積差異明顯，但變化趨勢近似一致。根的Cd 含量，6 月最高，平均值9.17 mg·kg-1；7月大幅下降；8 月小幅下降，含量最低，平均值4.27 mg·kg-1；9 月小幅度上漲。莖的Cd 含量，6 月最高，平均值11.30 mg·kg-1；7 月大幅下降；8 月與9 月小幅下降，9月最低，平均值1.95 mg·kg-1。葉的Cd含量，6月最高，平均值14.38 mg·kg-1；7月與8月小幅下降，8月最低，平均值6.56 mg·kg-1；9月部分提升。7種紅麻各部位Cd 含量，6 月時葉＞莖＞根；7 月時葉＞莖≈根；8 月時葉＞根＞莖；9月時葉＞根＞莖。

2.1.2 不同品種紅麻Cd富集系數

由表2 可得，重度Cd 污染下不同品種紅麻各部位各時期的Cd富集系數差異明顯。6月，各品種紅麻根的富集系數范圍為3.51～6.82，平均值5.08；莖的范圍為4.79～7.73，平均值6.22；葉的范圍為6.25～9.91，平均值7.89；富集系數排列為葉＞莖＞根。9 月，根的范圍為1.58～4.38，平均值3.33；莖的范圍為1.11～1.76，平 均 值1.44；葉 的 范 圍 為6.49～8.83，平 均 值7.45；富集系數排列為葉＞根＞莖。從6月到9月，根富集系數下降了34.45%、莖下降了76.85%、葉下降了5.58%，下降幅度莖＞根＞葉。

圖1 重度Cd污染下不同品種紅麻中根的Cd含量Figure 1 Cadmium content in different varieties of kenaf roots under heavily cadmium pollution

圖2 重度Cd污染下不同品種紅麻中莖的Cd含量Figure 2 Cadmium content in different varieties of kenaf stems under heavily cadmium pollution

2.1.3 不同品種紅麻Cd轉移系數

由表3 可得，重度Cd 污染下不同品種紅麻各部位各時期的Cd轉移系數差異較明顯。6月，各品種紅麻莖的轉移系數范圍為0.94～1.49，平均值為1.26；葉的范圍為1.16～1.94，平均數為1.61。7 月，莖的范圍為0.63～1.78，平均值為1.20；葉的范圍為1.10～2.91，平均數為2.16。8 月，莖的范圍為0.61～0.80，平均值為0.72；葉的范圍為0.72～2.53，平均數為1.61。9 月，莖的范圍為0.32～0.70，平均值為0.46；葉的范圍為1.55～4.25，平均數為2.43。從6月到9月，莖的轉移系數一直下降，最終下降63.49%；而葉的轉移系數先下降，后上升，最終上升50.93%。

表2 不同品種紅麻不同部位Cd富集系數Table 2 Cadmium enrichment factor in different parts of different varieties of kenafs

2.2 輕微Cd污染土壤修復試驗

2.2.1 不同品種紅麻Cd累積情況

由圖4～圖6 可知，輕微Cd 污染下不同品種紅麻各部位各時期的Cd 累積有明顯差異，但變化趨勢近似一致。根的Cd 含量，6 月最低，平均值為1.75 mg·kg-1；7 月與9 月小幅上升，9 月最高，平均值為1.93 mg·kg-1。莖的Cd 含量，6 月最高，平均值為2.58 mg·kg-1；7月大幅下降，含量最低，平均值為0.79 mg·kg-1；9 月小幅提升。葉的Cd 含量，6 月最高，平均值為4.56 mg·kg-1；7 月小幅下降，含量最低，平均值為2.86 mg·kg-1；9月小幅提升。7種紅麻各部位的Cd含量，在6月時為葉＞莖＞根；7月時葉＞莖＞根；9月時葉＞根＞莖。

表3 不同品種紅麻不同部位Cd轉移系數Table 3 Cadmium transfer factor in different parts of different varieties of kenafs

圖4 輕微Cd污染下不同品種紅麻中根的Cd含量Figure 4 Cadmium content in different varieties of kenaf roots under slightly cadmium pollution

圖5 輕微Cd污染下不同品種紅麻中莖的Cd含量Figure 5 Cadmium content in different varieties of kenaf stems under slightly cadmium pollution

2.2.2 不同品種紅麻Cd富集系數

由表4 可知，輕微Cd 污染下不同品種紅麻各部位各時期的Cd富集系數差異明顯。6月時，各品種紅麻根的富集系數范圍3.47～4.53，平均值4.07；莖的范圍4.91～7.53，平均值5.96；葉的范圍7.91～13.91，平均值10.53；富集系數排列為葉＞莖＞根。9 月時，根的范圍3.79～6.76，平均值4.86；莖的范圍2.08～2.73，平均值2.42；葉的范圍7.67～14.63，平均值11.35；富集系數排列為葉＞根＞莖。從6 月到9 月，根的富集系數上升了19.41%、莖的下降59.40%、葉的上升7.79%，下降幅度莖＞葉＞根。

2.2.3 不同品種紅麻Cd轉移系數

由表5 可知，在輕微Cd 污染耕地中，不同紅麻中葉的Cd 轉移系數差異明顯，莖中無明顯差異。6 月時，各紅麻莖的轉移系數范圍1.17～1.68，平均值1.47；葉的轉移系數范圍1.89～3.07，平均數2.63。7月時，莖的范圍0.29～0.65，平均值0.46；葉的范圍1.26～2.38，平均數1.72。9 月時，莖的范圍0.38～0.70，平均值0.52；葉的范圍2.02～2.92，平均數2.50。從6 月到9月，莖的轉移系數一直下降；而葉的轉移系數先下降，后上升，最終下降4.94%。

2.3 植株Cd移除量與土壤Cd含量變化

由表6 可知，重度Cd 污染耕地中不同品種紅麻移除的Cd 含量為72.49～149.17 g·hm-2，平均92.08 g·hm-2；輕微Cd 污染耕地中不同品種紅麻移除的Cd 含量為25.95～49.91 g·hm-2，平均39.18 g·hm-2。從表7可得，重度Cd 污染耕地中Cd 含量下降0.16～0.90 mg·kg-1，平均值0.48 mg·kg-1，下降幅度9.30%～41.28%，平均降幅24.99%；輕微Cd 污染耕地中Cd 含量下降0.02～0.11 mg·kg-1，平均值0.05 mg·kg-1，下降幅度4.65%～22.00%，平均降幅11.39%（除XT4 外）。將兩個環境的數據進行對比，重度污染耕地Cd 含量為輕微污染的4.30 倍，紅麻Cd 移除量為輕微污染下的2.35 倍，土壤下降Cd 含量是輕微污染環境的16.00倍，下降幅度是輕微污染環境下的2.19倍。

圖6 輕微Cd污染下不同品種紅麻中葉的Cd含量Figure 6 Cadmium content in different varieties of kenaf leaves under slightly cadmium pollution

表4 不同品種紅麻不同部位Cd富集系數Table 4 Cadmium enrichment factor in different parts of different varieties of kenafs

表5 不同品種紅麻不同部位Cd轉運系數Table 5 Cadmium transfer factor in different parts of different varieties of kenafs

2.4 Cd污染下不同品種紅麻生長指標

由表8 可知，重度Cd 污染環境下，不同品種紅麻各項生長指標具明顯差異。7 種紅麻中，X1、X2、XT4的株高超過5 m；X1、X2、XT5、16C 的莖粗超過26 mm；X1 與XT5 的單位面積干生物量超過2.70 kg·m-2，其中X1 與XT5 的生長指標與產量較其他品種紅麻表現更優良。由表9 可知，輕微Cd 污染環境下，不同品種紅麻各項生長指標也具明顯差異。7 種紅麻中，X1 與X2 的株高超過5 m，莖粗超過24 mm，單位面積干生物量超過3.00 kg·m-2，其生長指標與產量較其他品種紅麻表現更優良。

2.5 試驗總變異來源及各品種回歸系數分析

從表10 可知，地點間、品種間、地點與品種互作的變異顯著性均小于0.05，可與F檢驗臨界表進行對比，而地點內區組的變異顯著性為0.534，為不顯著變異。從F檢驗臨界值表中，可得F0.05（1，24）=4.260，小于地點間的F值；F0.05（6，24）=2.508，小于品種間、地點與品種互作間的F值。表明試驗的總變異主要來源于地點間、品種間、地點與品種互作，而地點內區組的變異對試驗總變異未產生顯著影響。從表11 可知，各品種的回歸系數均小于1，表明各品種的穩定性都較高，在重度Cd 污染耕地中，X1 與XT5 各方面指標較其他品種更優，但X1 回歸系數更低，表現更穩定；輕微Cd 污染耕地中，X1 與X2 各方面指標較其他品種更優，但X2回歸系數更低，表現更穩定。

3 討論

3.1 不同品種紅麻各部位Cd含量變化趨勢

在兩種污染耕地中，紅麻根與莖的Cd 含量都呈下降趨勢，而葉Cd含量在下降后，9月明顯上升，各部位Cd 含量的前期排序為葉＞莖＞根，后期為葉＞根＞莖。根Cd在兩個耕地中分別下降53.44%與-10.29%，莖中分別下降82.74% 與69.38%，葉中下降了54.38%與37.28%。莖的Cd 含量下降幅度最大，表明莖中有良好的Cd 運輸機制，可將莖中的Cd 運輸到葉中[20]。而葉中的Cd 在6 月到8 月有明顯下降，9 月后明顯上升，可能是葉片中一些抗Cd 或抗氧化的防御系統在發育過程中進行了響應[21]，如葉片中的POD[22]或SOD[23]等。紅麻葉片富含蛋白，可用作飼料原料，而飼料含Cd 量需低于1 mg·kg-1[24]，因此可選擇在紅麻葉片Cd 含量較低的時間段進行收割，即8 月中下旬，在添加時需注意控制其比例不超過10%；如要預防重金屬污染食物鏈，則可于9 月底收割葉片來制作復合板材。紅麻韌皮可作纖維生產紡織品，莖稈作復合材料制造家具，紡織品含Cd 量需低于40 mg·kg-1，家具含Cd 量需低于75 mg·kg-1[25-26]，紅麻韌皮部與莖稈中Cd 含量遠遠低于相應標準，故可以在紅麻生長成熟后進行收割。

表6 不同品種紅麻Cd移除量（g·hm-2）Table 6 Cadmium removal capacity of different varieties of kenafs（g·hm-2）

表7 不同品種紅麻對應土壤Cd含量Table 7 Cadmium content in soils corresponding to different varieties of kenafs

表8 重度Cd污染下不同品種紅麻生長指標Table 8 Physiological indexes of different varieties of kenafs under severe cadmium pollution

表9 輕微Cd污染下不同品種紅麻生長指標Table 9 Physiological indexes of different varieties of kenats under severe cadmium pollution

表10 試驗總變異及F檢驗Table 10 Total test variation and F test

3.2 不同品種紅麻Cd富集與轉移系數的對比

各品種紅麻9 月份在重度Cd 污染環境中根的富集系數平均值為3.33、莖為1.44、葉為7.45；在輕微Cd污染環境中根富集系數平均值為4.86、莖為2.42、葉為11.35。對比符慧琴等[27]研究中，0.41 mg·kg-1（輕微污染）Cd 濃度土壤中20 種苧麻的富集系數0.97～1.58，谷雨等[28]研究中0.42 mg·kg-1Cd 濃度環境下的甜高粱富集系數1.29～1.47、玉米富集系數0.76、油葵富集系數2.30，鄧婷等[29]研究中2.00 mg·kg-1（重度污染）Cd 濃度土壤中玉米莖與葉的富集系數為7.45 與6.20，紅麻表現出了較好的Cd 富集能力。各品種紅麻9 月份在重度Cd 污染環境中莖轉移系數平均值為0.46，葉為2.43；輕微Cd 污染環境中莖轉移系數平均值0.52，葉為2.50。對比符慧琴等[27]研究中0.41 mg·kg-1的Cd 濃度土壤中的20 種苧麻轉移系數0.66～1.41，與鄧婷等[29]研究中在2.00 mg·kg-1的Cd 濃度土壤中的玉米莖與葉轉移系數1.88和3.02，紅麻表現出較好的Cd轉移能力。

表11 各品種回歸系數Table 11 Regression coefficient of each variety

3.3 不同品種紅麻生長指標與相應土壤Cd含量

將7 種紅麻種植在Cd 污染的耕地中，重度污染耕地中紅麻Cd移除量為72.49～149.17 g·hm-2，輕微污染耕地中紅麻Cd移除量為25.95～49.91 g·hm-2。其中重度污染耕地中紅麻Cd 移除量大，而輕微污染耕地中紅麻Cd 移除量小，可能在土壤中Cd 濃度較低時，植物移除Cd 的速度會隨土壤Cd 含量的增加而加快[30]。經過紅麻種植的土壤，重度污染耕地下降0.48 mg·kg-1，降幅為24.99%；輕微污染耕地下降0.03 mg·kg-1，降幅為8.26%，雖然紅麻的Cd 移除量相對于整個耕地較低，且無法精確檢測，但地下3～5 cm 的取土樣處是紅麻根部集中處，其Cd 下降含量與幅度從側面證實了紅麻能對Cd污染耕地進行有效的修復。而土壤中出現的個別Cd 含量增加情況，可能是因為施肥、農藥或污染的水源而致[31]。

4 結論

（1）7 種紅麻在Cd 污染耕地中均可以正常生長，表明均可用于土壤的Cd 污染治理。中紅麻13 號與紅麻H1701 在重度污染耕地中各生長指標與產量均較優異，其中中紅麻13 號表現更穩定且Cd 移除量更高，推薦用于重度Cd 污染耕地種植修復；中紅麻13號與中紅麻16 號在輕微污染耕地中各生長指標與產量都較優異，且移除量與穩定性都較高，推薦用于輕微Cd污染耕地種植修復。

（2）紅麻成熟后，各部位Cd積累量排序為葉＞根＞莖，可在葉片完全成熟前進行收割，以防止葉片成熟后脫落而二次污染耕地，紅麻韌皮與莖稈可待紅麻成熟后進行收割，以提高耕地種植紅麻的整體經濟效益。