不同黃麻品種對重金屬鎘和鉛的吸收與富集規律

侯文煥，廖小芳，唐興富，趙艷紅，李初英

(廣西農業科學院經濟作物研究所，廣西 南寧 530007)

【研究意義】黃麻(CorchoruscapsularisL.)為椴樹科黃麻屬一年生草本植物，在我國南方各省份均有種植[1-2]。近年來隨著經濟和工業的發展，土壤重金屬污染日益嚴重，其中的鎘(Cd)和鉛(Pb)含量不斷增加，不但影響植物生長，而且一旦進入食物鏈還會對人體健康造成一定危害[3]。黃麻對重金屬有一定的吸附能力，且具有生長周期短、生長速度快、生物產量高、適應性廣和纖維經濟價值高等特點，是一種理想的土壤重金屬污染治理與修復植物[4]，但目前鮮有關于黃麻在整個生育期內重金屬累積情況的報道。因此，探究黃麻不同生育期對Cd和Pb的吸收和富集規律，對重金屬污染土壤的修復治理和菜用黃麻品種的選用具有重要意義。【前人研究進展】不同植物吸收重金屬的種類和量均存在較大差異[5-8]。同一作物不同部位對重金屬的吸收量也存在差異，各部位對Cd和Pb的累積量排序為根>葉>果實>種子[9-11]。不同生育期作物對重金屬的累積也不同，Rodda等[12]研究表明，揚花期水稻對Cd的耐受能力較強且植株內Cd含量相對較高。劉昭兵等[13]研究發現，水稻各器官的Cd和Pb含量均表現為分蘗期>成熟期>抽穗期。黃麻對土壤和水體中的Pb、鋅(Zn)、Cd和鉻(Cr)等均具有一定的吸附和富集能力[14]。Ogunkunle等[15]研究顯示，菜用黃麻中重金屬含量的變化排序為Zn>Pb≈Cd。龔紫薇等[16]研究表明，黃麻地下部分吸附Pb和Zn的能力高于地上部分。陳軍等[17]開展現蕾期和收獲期黃麻重金屬含量研究，結果發現Cd在黃麻各器官中的分布排序為根>葉(籽粒)>莖稈，Pb的分布排序為根>莖稈>葉(籽粒)。李楠等[18]研究顯示，黃麻葉和嫩梢較莖桿具有更強的Cr吸附能力。賈瑞星等[19]研究認為，對Cd2+耐性較優的黃麻品種可作為母本用于配制抗Cd脅迫黃麻三系雜交種?！颈狙芯壳腥朦c】目前，關于黃麻對重金屬累積及重金屬污染修復潛力的研究主要集中在某一生育期，鮮有針對黃麻整個生育期重金屬累積情況進行研究的報道?！緮M解決的關鍵問題】將4個黃麻品種種植于重金屬重度污染的土壤上，研究其不同生育期、不同部位對Cd和Pb的吸收、累積規律及不同黃麻品種對重金屬污染土壤的修復潛能，以期為重金屬污染土壤的生物修復、菜用黃麻種植地選擇及黃麻種質選育提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試的4個菜用黃麻品種分別為圓果種黃麻桂麻菜1號和桂麻菜2號及長果種黃麻福農1號和福農4號，均由廣西農業科學院經濟作物研究所提供，其中福農1號和福農4號為從福建農林大學引進保存品種。試驗地位于廣西河池市宜州區慶遠鎮，土壤理化性質為：有機質含量62.50 g/kg，全氮含量3.37 mg/kg，全磷含量0.78 mg/kg，全鉀含量5.50 mg/kg，全鈣含量2.90 mg/kg，Cd含量8.530 mg/kg，Pb含量233.000 mg/kg，其中的Cd和Pb含量均超過GB 15618—2018土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準[20]的要求，參考GB 15618—1995重金屬污染評價標準[21]達重度污染水平。

1.2 試驗設計

4個黃麻品種小區種植面積均為4 m× 3 m，株距10 cm，行距50 cm，隨機區組設計，每個品種3次重復。于2018年5月14日播種，生長期間施行常規田間水肥管理。分別于6月21日(苗期)、8月1日(開花期)和11月22日(成熟期)對植株進行取樣，每次取樣在小區中間隨機選取5株，按地下部(根部)和地上部[葉片(種子)、麻皮和麻骨]分開沖洗干凈，于105 ℃烘箱中殺青30 min后80 ℃烘干至恒重，稱重、粉碎后放入干燥器中備用。

1.3 測定項目及方法

采用微波輔助消解—電感耦合等離子體原子發射光譜法，測定苗期和開花期根系、葉片、麻皮和麻骨的Cd和Pb含量，測定成熟期根系、種子、麻皮和麻骨的Cd和Pb含量[22]，計算重金屬富集系數[23]和轉移系數[24]。

重金屬富集系數=植物體內某部位重金屬含量/土壤中重金屬含量

轉移系數=植物地上部重金屬含量/植物地下部重金屬含量

參考郭媛等[1]的方法，以黃麻植株地上部3個器官(麻皮、麻骨、葉片或種子)的干生物量為權重分別計算植株地上部的Cd和Pb含量加權平均值，以此作為黃麻植株地上部的平均Cd和Pb含量。

1.4 統計分析

采用Excel 2010和SPSS 19.0對試驗數據進行統計和差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同黃麻品種的生物量

由表1可知，4個黃麻品種苗期的總生物量在1.67～2.05 t/hm2，各品種排序為桂麻菜2號>福農4號>桂麻菜1號>福農1號，其中桂麻菜2號與福農4號差異不顯著(P>0.05，下同)，但顯著高于桂麻菜1號和福農1號(P<0.05，下同)；開花期的總生物量在13.26～21.53 t/hm2，各品種排序為福農4號>福農1號>桂麻菜1號>桂麻菜2號，其中桂麻菜1號與桂麻菜2號差異不顯著，但二者均顯著低于福農1號和福農4號；成熟期的總生物量在13.61～26.18 t/hm2，各品種排序為福農4號>福農1號>桂麻菜1號>桂麻菜2號，其中福農4號顯著高于其他3個品種，福農1號顯著高于桂麻菜1號和桂麻菜2號。綜合比較各品種各部位的總生物量和生物量，以福農4號表現較優異。

表1 不同黃麻品種各部位的干生物量

2.2 Cd在黃麻植株體內的吸收、分配和累積情況

2.2.1 不同生育期黃麻植株各部位Cd含量的動態變化 由表2可知，4個黃麻品種在不同生育期各部位的Cd含量存在差異。其中，各生育期各部位的Cd含量排序均為根系>葉(種子)>麻皮>麻骨，且根系的Cd含量顯著高于麻骨；福農1號各生育期根部的Cd含量均顯著高于麻皮、麻骨和葉片(種子)；4個黃麻品種的葉片為食用部位，苗期和開花期為可食用時期，期間葉片的Cd含量在1.310～4.840 mg/kg。說明黃麻吸收Cd的主要部位為根部。

從表2還可看出，隨著生育期的遞進，4個黃麻品種各部位的Cd含量均呈先下降后上升的變化趨勢。其中，桂麻菜2號、福農1號和福農4號的根系、麻皮、麻骨、葉片(種子)及桂麻菜1號的麻皮和麻骨的Cd含量在各生育期的排序均為苗期>成熟期>開花期；桂麻菜1號成熟期根系和種子的Cd含量顯著高于苗期和開花期根系和葉片的Cd含量，桂麻菜2號、福農1號和福農4號苗期各部位的Cd含量均顯著高于開花期和成熟期。說明黃麻在苗期對Cd有較強的吸收能力。

表2 不同黃麻各生育期不同部位的Cd含量

表3 不同黃麻各生育期Cd的富集和轉移系數及累積量比較

2.2.2 黃麻對Cd的富集和轉移能力及累積量 由表3可知，4個黃麻品種各生育期地下部(根部)對Cd的富集系數均明顯大于對應生育期地上部各部位；各品種苗期地上部的富集系數均大于開花期和成熟期，其中桂麻菜2號在苗期的富集系數最大，為0.543。4個黃麻品種的轉移系數在0.402～0.952，其中，除福農1號苗期與開花期的轉移系數差異不顯著外，其他品種苗期的轉移系數均顯著大于開花期和成熟期；福農4號苗期的轉移系數最大，為0.952。由此可見，苗期為黃麻Cd轉移的關鍵時期。

從表3還可看出，隨著生育期的遞進，4個黃麻品種的Cd累積量逐漸升高，即成熟期>開花期>苗期。其中，各品種開花期和成熟期Cd的累積量均顯著高于苗期；桂麻菜1號、桂麻菜2號和福農4號成熟期Cd的累積量顯著高于苗期和開花期，尤其是桂麻菜1號在成熟期Cd的時累積量達50.160 g/hm2，顯著高于其他品種各生育期Cd的累積量。說明開花期對黃麻累積Cd有較大貢獻，其中桂麻菜1號可作為一種土壤Cd污染修復植物推廣應用。

2.3 Pb在黃麻植株體內的吸收、分配和累積情況

2.3.1 不同生育期黃麻植株各部位Pb含量的動態變化 由圖1可看出，隨著生育期的遞進，4個黃麻品種根系、麻骨、麻皮和葉片(種子)的Pb含量均呈不斷增加趨勢，即成熟期>開花期>苗期，其中，除福農1號成熟期根系Pb含量與開花期、福農4號成熟期麻骨Pb含量與開花期差異不顯著外，其他品種成熟期各部位的Pb含量均顯著高于苗期和開花期。由此可見，成熟期是黃麻對Pb吸收的關鍵時期。從圖1還可看出，4個黃麻品種在各生育期各部位的Pb含量排序為根系>葉片(種子)>麻皮>麻骨，其中，根部的Pb含量顯著高于其他部位；桂麻菜1號和福農4號葉片(種子)的Pb含量均顯著高于麻骨的Pb含量；苗期和開花期4個黃麻品種葉片的Pb含量在0.901～2.515 mg/kg。進一步說明根部是黃麻吸收Pb的主要部位。

2.3.2 不同黃麻品種對Pb的富集、轉移能力及累積量比較 由表4可知，4個黃麻品種對Pb的富集和轉移能力存在差異。其中，地下部(根部)對Pb的富集系數為0.020～0.082，均高于對應生育期地上部Pb的富集系數，但均小于1.000；桂麻菜1號成熟期根系、麻骨和葉片(種子)的富集系數顯著高于其他品種，尤其以成熟期根系的富集系數(0.082)最大；轉移系數在0.064～0.266，其中，桂麻菜1號和桂麻菜2號苗期的轉移系數均顯著高于開花期，尤其以桂麻菜2號苗期的轉移系數(0.266)最大。由此可見，黃麻對Pb有一定的轉運和富集能力。

從圖2可看出，隨著生育期的遞進，4個黃麻品種的Pb累積量均呈升高趨勢，即成熟期>開花期>苗期。其中，開花期的Pb累積量急劇升高并顯著高于苗期，至成熟期時累積量均顯著高于苗期和開花期，尤其以福農1號在成熟期的累積量(64.025 g/hm2)最高。由此可見，黃麻對Pb的累積主要集中在開花期和成熟期。

表4 不同黃麻品種Pb的富集和轉移系數比較

同一品種不同生育期圖柱上不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)Different lowercase letters on the bar of the same variety at different growth periods indicate significant difference(P<0.05)圖2 不同黃麻品種對Pb的累積量比較結果Fig.2 The comparison result of amount accumulation of Pb in different jute varieties

3 討 論

本研究中，4個黃麻品種在各生育期各部位Cd和Pb的含量排序均為根系>葉片(種子)>麻皮>麻骨，與陳軍等[17]的研究結果相似；根部的Pb含量均顯著高于其他部位，即地下部Pb含量高于地上部，與龔紫薇等[16]的研究結果基本一致；葉片的Cd和Pb含量始終高于麻皮和麻骨，可能與葉片中的黏性多糖物質對Cd和Pb有較強吸附能力有關[14]；各部位的Cd含量均隨著生育期的遞進呈先下降后上升的變化趨勢，與陳軍等[17]的研究結果不一致，可能是因為試驗所用品種不同引起[26-26]。

重金屬富集系數能反映重金屬在植物體內的富集情況，富集系數越大，說明植物吸收重金屬能力越強[27]。本研究結果顯示，4個黃麻品種對Cd和Pb的富集和轉移能力存在差異，其中地下部(根部)在各生育期對Cd的富集系數均小于1.000，與夏涓文等[2]研究發現在不添加EGTA和有機酸的情況下黃麻的富集系數和轉移系數均未達到1.000的結果一致；4個黃麻品種對Pb的富集系數和轉移系數均小于1.000，但其地下部(根部)的富集系數高于地上部，可能是因為黃麻的根系直接與土壤接觸并直接吸收Pb且將其保留在根部，限制有害或多余的Pb離子由根部向地上部轉移，保障了地上部較低的Pb含量[28]。本研究還發現，4個黃麻品種不同生育期不同部位對Cd的富集能力均強于對Pb的富集能力，可能是Cd在黃麻體內與蛋白質結合成有機絡合物，更有利于在黃麻體內轉運，從而導致Cd的富集能力較Pb強[29]。

本研究選用的4個黃麻品種均為菜用黃麻品種，主食嫩葉，但在苗期和花期其葉的Cd和Pb含量分別為1.310～4.840和0.901～2.515 mg/kg，遠高于《食品安全國家標準食品中污染物限量》(GB2762—2017)新鮮蔬菜的Cd和Pb限量標準(分別為0.200和0.300 mg/kg)，因此作為蔬菜種植時需調查清楚種植土壤的重金屬背景值，以保障食用安全。

4 結 論

Cd和Pb含量在4個黃麻品種各部位的排序均為根系>葉片(種子)>麻皮>麻骨；隨著生育期的遞進，4個黃麻品種各部位的Cd含量呈先下降后上升的變化規律，Pb含量呈上升趨勢；4個黃麻品種的Cd和Pb積量均為成熟期>開花期>苗期，成熟期Cd和Pb累積量最高的分別為桂麻菜1號和福農1號；4個品種在苗期和花期葉的Cd和Pb含量均遠高于限定標準，因而作為蔬菜種植時需調查清楚種植土壤的重金屬背景值，以保障其食用安全；桂麻菜1號可作為一種土壤Cd污染修復植物推廣應用。