纖維類(lèi)作物對(duì)農(nóng)田土壤鎘污染修復(fù)的研究進(jìn)展

李娟，閆旭宇，吳香，李玲

（延安大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，陜西 延安 716000）

隨著我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的高速發(fā)展及城市化建設(shè)進(jìn)程的不斷加快，富含重金屬的污染物通過(guò)施肥、灌溉等途徑直接進(jìn)入農(nóng)田，導(dǎo)致農(nóng)田土壤土質(zhì)遭到嚴(yán)重的重金屬污染，這不僅直接改變了土壤營(yíng)養(yǎng)成分組成、結(jié)構(gòu)和功能，還使土壤中的微生物生長(zhǎng)和功能發(fā)揮受到抑制，進(jìn)而使許多有害物質(zhì)或分解產(chǎn)物積累滯留于農(nóng)田土壤中[1]。土壤中過(guò)量累積的重金屬難以被微生物降解，且易于富集和不可逆累積，甚至轉(zhuǎn)化為毒性更高的烷基類(lèi)化合物，進(jìn)而影響土壤土質(zhì)和糧食安全[2-3]。土壤中的重金屬最終被人體通過(guò)食物鏈間接吸收，嚴(yán)重危害人類(lèi)的身體健康[4]。據(jù)調(diào)查，在我國(guó)約有1 100萬(wàn)km2的耕地受到重金屬污染，占耕地總面積的10%以上[5]，每年有1 000萬(wàn)t的糧食受到重金屬污染，造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)200億元[2]。其中，鎘（cadmium，Cd）污染造成的危害居我國(guó)農(nóng)田土壤重金屬污染首位[1,6]，原因是Cd為植物非必需金屬元素，在土壤中的生物毒性、持久性、移動(dòng)性、化學(xué)活性等均較強(qiáng)，極易被植物吸收并積累，進(jìn)而嚴(yán)重干擾植物正常生長(zhǎng)及其產(chǎn)品的食用安全性[7-8]。

纖維類(lèi)作物主要包括棉花和麻類(lèi)作物，其中麻類(lèi)作物雖然種類(lèi)繁多，但對(duì)重金屬污染的土壤有修復(fù)作用且經(jīng)濟(jì)價(jià)值高的僅有苧麻、亞麻、黃麻、紅麻、工業(yè)大麻等。棉花、麻類(lèi)等纖維類(lèi)作物是天然纖維的主要來(lái)源，具有栽培歷史悠久、分布廣泛、生物量大、抗逆性強(qiáng)、生長(zhǎng)快速、生育期短、耐密植和易于機(jī)械化操作等優(yōu)點(diǎn)，并且具有多種工業(yè)用途及廣泛的應(yīng)用前景[9]。研究發(fā)現(xiàn)，棉花和麻類(lèi)作物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)，種植在中低含量重金屬污染土壤能正常生長(zhǎng)發(fā)育，其產(chǎn)品主要用于紡織制造業(yè)等工業(yè)生產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)價(jià)值高，且不進(jìn)入食物鏈，幾乎不會(huì)對(duì)人體造成傷害[9-10]。因此，研究棉花和麻類(lèi)等纖維類(lèi)作物對(duì)土壤鎘污染的應(yīng)答反應(yīng)和其對(duì)Cd污染土壤的修復(fù)效果，以及對(duì)利用纖維類(lèi)作物修復(fù)土壤重金屬鎘污染具有重要意義。基于此，本文概述了我國(guó)農(nóng)田土壤Cd污染現(xiàn)狀，分析了鎘對(duì)纖維類(lèi)作物種子萌發(fā)、生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量品質(zhì)等的影響，探索了纖維類(lèi)作物對(duì)土壤Cd污染的應(yīng)答反應(yīng)機(jī)理以及其對(duì)鎘污染土壤的修復(fù)效果，旨在為利用纖維類(lèi)作物修復(fù)土壤鎘污染的研究提供參考。

1 農(nóng)田鎘污染對(duì)纖維類(lèi)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響

1.1 鎘對(duì)種子萌發(fā)和種子品質(zhì)的影響

種子萌發(fā)階段是植物對(duì)外界環(huán)境感知的最初生命階段和對(duì)外界環(huán)境變化最敏感的階段，此外，種子萌發(fā)階段也是植物最先與土壤接觸和受到重金屬脅迫的階段[11]，種子萌發(fā)效果直接影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量[12]。研究發(fā)現(xiàn)，棉花種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和活力指數(shù)在低水平Cd處理時(shí)升高，但隨著Cd水平的升高均逐漸降低[13]；同時(shí)，Cd處理也影響棉花種子的物理品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，其中物理品質(zhì)是反映種子充實(shí)度和成熟度的指標(biāo)，并與種子萌發(fā)指標(biāo)、幼苗的生長(zhǎng)情況和種子的儲(chǔ)藏性能等密切相關(guān)[14]；營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)主要指種子的油分、蛋白質(zhì)等，其對(duì)種子的生理特性、加工品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值等有一定影響[15]。研究表明，棉花種仁Cd含量與蛋白質(zhì)含量呈正相關(guān)，與棉酚、油分含量及籽指、仁指、種仁率和仁殼比等呈負(fù)相關(guān)，且轉(zhuǎn)基因棉花種子對(duì)Cd的耐受能力強(qiáng)于非轉(zhuǎn)基因棉花種子[15]。以上研究表明，低水平Cd會(huì)促進(jìn)種子萌發(fā)，高水平Cd則會(huì)破壞種子結(jié)構(gòu)、抑制種子萌發(fā)，即使萌發(fā)后完成整個(gè)生育期，也會(huì)最終影響種子飽滿程度、內(nèi)含物含量等與種子品質(zhì)相關(guān)的指標(biāo)。

Cd對(duì)麻類(lèi)作物種子的影響總體上也表現(xiàn)為低水平促進(jìn)種子萌發(fā)、高水平抑制種子萌發(fā)和胚根生長(zhǎng)[12]。但是對(duì)不同麻類(lèi)種子的影響有所不同，不同麻類(lèi)種子對(duì)Cd的敏感度也不同。研究表明，紅麻不育系P3A、恢復(fù)系992及其雜交一代種子的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)隨著Cd處理水平的增加總體呈下降趨勢(shì)[16]。低水平Cd脅迫均促進(jìn)兩個(gè)同核異質(zhì)紅麻雜交種C1P3A/992和C2P3A/992的種子萌發(fā)，但在相同水平Cd處理下，C2P3A/992的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)均顯著高于C1P3A/992[17]。安建平等[18]研究發(fā)現(xiàn)，亞麻種子的發(fā)芽率明顯受到鎘的脅迫，且Cd水平越高亞麻發(fā)芽率越低。郭媛等[19]研究表明，低水平Cd脅迫下，不同品種亞麻種子的萌發(fā)均受到促進(jìn)作用；但隨著Cd處理水平的升高，其相對(duì)芽長(zhǎng)、發(fā)芽指數(shù)總體均呈下降趨勢(shì)，且Cd脅迫水平越高，芽長(zhǎng)的生長(zhǎng)受抑制程度越嚴(yán)重。以上研究表明，麻類(lèi)作物種子萌發(fā)受鎘脅迫的影響類(lèi)似于棉花種子，但因其種屬不同而存在差異。

1.2 鎘對(duì)植株生長(zhǎng)和生理特性的影響

當(dāng)植物生長(zhǎng)在Cd污染土壤中，最先受到抑制的是根系，進(jìn)而降低植物吸收水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的速率，最終造成植株地上部分的生長(zhǎng)發(fā)育受到影響[17,20]。研究表明，棉花植株的根長(zhǎng)、根表面積和體積均隨著Cd水平的增加而下降，但根系直徑則呈增加的趨勢(shì)，Cd水平越高對(duì)棉花根系生長(zhǎng)的毒害越大[21]。低水平Cd在一定程度上促進(jìn)棉花生長(zhǎng)發(fā)育，而高水平Cd則抑制棉花的生長(zhǎng)發(fā)育[22]。大量研究表明，Cd脅迫造成棉花幼苗根長(zhǎng)縮短和果枝數(shù)減少、引起葉片生物量和葉綠素含量降低，且隨著Cd脅迫水平的增加，凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度逐漸降低，超氧化物歧化酶（superoxide dismutase,SOD）、過(guò) 氧 化 物 酶（peroxidase，POD）、過(guò)氧化氫酶（catalase，CAT）和抗壞血酸過(guò)氧化物酶（ascorbate peroxidase，APX）等活性呈先升高后降低的趨勢(shì)，活性氧（reactive oxygen system，ROS）和丙二醛（malondialdehyde,MDA）含量逐漸增加，氣孔數(shù)量逐漸減少[23-26]。棉花根系細(xì)胞結(jié)構(gòu)隨著Cd處理水平的增加而逐漸遭到破壞，嚴(yán)重影響根系的生長(zhǎng)發(fā)育，表現(xiàn)為根系生物量減少，吸收和運(yùn)輸養(yǎng)分、水分的能力降低，進(jìn)而降低棉花植株的株高和干物質(zhì)質(zhì)量，抑制地上部植株的生長(zhǎng)發(fā)育[27-28]。以上研究表明，低水平Cd在一定程度上可促進(jìn)棉花植株生長(zhǎng)，而高水平Cd則干擾或抑制植株生長(zhǎng)發(fā)育甚至致死，對(duì)植株造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害。

紅麻幼苗在Cd脅迫下植株生長(zhǎng)明顯減慢，根長(zhǎng)伸長(zhǎng)受到抑制、主根變短、須根數(shù)量減少，株高降低、莖粗減小，各部分的鮮重、干重降低，葉片卷曲、變黃萎焉、掉落以及葉面積減小等，且抑制程度隨著Cd水平的增加而逐漸加重[17,29]。低水平Cd在一定程度上破壞了紅麻植株的光合系統(tǒng)，降低了葉片中葉綠素含量，使紅麻葉片出現(xiàn)變黃失綠等現(xiàn)象；但在高水平Cd處理時(shí)對(duì)葉片的破壞程度有所減輕，這可能是由于大部分的Cd被紅麻根系吸收固定，限制了Cd向葉片的運(yùn)輸[17,30]。隨著Cd脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，苧麻根系和葉片中的可溶性蛋白含量均增加，POD、CAT活性在根系中降低，而在葉片中則呈先升高后降低的趨勢(shì)，且葉綠素含量增加[31]。低水平Cd對(duì)大麻生長(zhǎng)有一定促進(jìn)作用，也可在一定程度上促進(jìn)紅麻、黃麻、苧麻、亞麻等麻類(lèi)作物的生長(zhǎng)，然而高水平會(huì)對(duì)它們產(chǎn)生毒害作用[32]。由此可見(jiàn)，大部分麻類(lèi)作物應(yīng)答Cd脅迫表現(xiàn)出的植株生長(zhǎng)和生理特性的反應(yīng)類(lèi)似于棉花，但是不同麻類(lèi)作物的反應(yīng)也存在差異，這可能由于不同種屬麻類(lèi)作物之間對(duì)Cd的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)代謝機(jī)制不同，進(jìn)而導(dǎo)致表現(xiàn)出的生理反應(yīng)存在差異。

1.3 鎘對(duì)作物產(chǎn)量和產(chǎn)品品質(zhì)的影響

Cd對(duì)植物的毒害作用較強(qiáng)，當(dāng)其進(jìn)入植物體內(nèi)并積累到一定程度時(shí)，通常會(huì)使植物體內(nèi)的蛋白質(zhì)活性受到破壞，導(dǎo)致植物細(xì)胞因過(guò)氧化物大量積累而損傷，進(jìn)而抑制根系生長(zhǎng)，葉綠素的合成受到阻礙，光合系統(tǒng)受到破壞，最終導(dǎo)致植株生長(zhǎng)矮小、葉片枯黃、產(chǎn)量下降，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成植物死亡[33-34]。低水平Cd處理促進(jìn)棉花產(chǎn)量提升，而高水平Cd脅迫則導(dǎo)致棉花雌雄配子育性降低或受精困難，在棉鈴體積增大和內(nèi)部充實(shí)期影響同化產(chǎn)物和養(yǎng)分的運(yùn)輸，使棉鈴發(fā)育受阻，顯著降低了棉花籽棉、皮棉產(chǎn)量，表現(xiàn)為單株鈴數(shù)和鈴重的顯著降低，對(duì)衣分的影響不顯著[22,35]。纖維品質(zhì)隨著Cd處理濃度的增加均有所降低，但總體而言Cd處理對(duì)于棉花纖維品質(zhì)的影響較小[22,35]。低水平Cd在一定程度上有助于提高棉花產(chǎn)量，而高水平Cd影響植株的生長(zhǎng)、降低棉花產(chǎn)量，但是對(duì)部分纖維品質(zhì)，如衣分的影響較小，這可能與Cd在棉花體內(nèi)的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)累積機(jī)制有關(guān)。

纖維類(lèi)植物中大麻和黃麻對(duì)Cd脅迫具有很好的耐性，對(duì)其產(chǎn)量和纖維品質(zhì)影響較小。研究表明，高水平Cd對(duì)大麻葉片的葉綠素及光合能力產(chǎn)生影響，但對(duì)大麻產(chǎn)量和纖維品質(zhì)并無(wú)顯著影響[36]。研究表明，在土壤Cd含量為1.9 mg·kg-1的重度污染農(nóng)田中栽種的5個(gè)黃麻品種仍能正常生長(zhǎng)，具有較好的生物學(xué)產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，株高均超過(guò)4.5 m，莖稈粗度均超過(guò)25 mm，韌皮皮厚在1.43~1.73 mm之間，黃麻產(chǎn)量在54 758~81 001 kg·hm-2之間[37]。6種紅麻在中輕度Cd污染耕地中均可以正常生長(zhǎng)，且在撒播下更適宜提高產(chǎn)量，條播下更適宜提高株高、莖粗、皮厚，在中輕度Cd污染土壤上紅麻有較好的生物學(xué)產(chǎn)量以及經(jīng)濟(jì)價(jià)值[38]。以上研究表明，Cd對(duì)棉花和大麻等纖維作物的產(chǎn)量及產(chǎn)品品質(zhì)的影響較小，因此這些作物可用做Cd污染耕地土壤的修復(fù)。

2 纖維類(lèi)作物對(duì)鎘脅迫的應(yīng)答機(jī)制

2.1 細(xì)胞膜排斥限制鎘吸收

在重金屬脅迫下，植物細(xì)胞質(zhì)膜會(huì)主動(dòng)排出大量重金屬離子，使重金屬離子的跨膜吸收受到限制，從而免受毒害[23]。研究發(fā)現(xiàn)，重金屬Cd離子通過(guò)破壞細(xì)胞膜透性、引起膜脂過(guò)氧化等反應(yīng)損傷棉花細(xì)胞[23]，且可通過(guò)施加谷胱甘肽等外源解毒物質(zhì)，降低MDA和ROS含量，抑制膜脂過(guò)氧化，維持細(xì)胞膜透性，緩解Cd脅迫對(duì)陸地棉造成的傷害[21,39-40]；而且，棉花對(duì)重金屬Cd的排斥性具有明顯的基因型差異[23,28,35]。

2.2 細(xì)胞壁沉淀固定鎘

細(xì)胞壁對(duì)即將進(jìn)入植物細(xì)胞的重金屬離子有一定的吸附作用，是阻止重金屬離子進(jìn)入細(xì)胞原生質(zhì)體的第1道屏障[23]。研究發(fā)現(xiàn)，在苧麻葉和根細(xì)胞中，48.2%~61.9%的Cd與細(xì)胞壁結(jié)合，這種與細(xì)胞壁的高結(jié)合能力可能是保護(hù)苧麻細(xì)胞原生質(zhì)體免受Cd毒害的主要避逆屏障。苧麻根、莖、葉中主要存在NaCl提取態(tài)Cd和醋酸提取態(tài)Cd，二者總和分別占根、莖、葉中Cd總量的83%、80%和65%。由此可見(jiàn)，苧麻細(xì)胞中Cd的主要存在形態(tài)是與植物體內(nèi)的蛋白質(zhì)或果膠酸結(jié)合形成的磷酸鹽沉淀[41]。因此，Cd在亞細(xì)胞水平，如細(xì)胞壁的分布模式和化學(xué)形態(tài)是苧麻Cd耐受性和解毒作用機(jī)制的重要組成部分。

2.3 液泡區(qū)域固定化沉積鎘

植物細(xì)胞質(zhì)中的有機(jī)酸、氨基酸、多肽或無(wú)機(jī)物等通常會(huì)與過(guò)多的游離在植物細(xì)胞中的重金屬離子結(jié)合，再通過(guò)液泡膜上的運(yùn)載體（如定位于細(xì)胞膜上的ABC運(yùn)載體）或通道蛋白進(jìn)入液泡中[42]，而液泡中的糖類(lèi)、蛋白質(zhì)和有機(jī)酸等物質(zhì)又會(huì)與其結(jié)合，將其限制于液泡這一有限區(qū)域內(nèi)并解毒，進(jìn)而阻擋過(guò)多的重金屬進(jìn)入細(xì)胞原生質(zhì)體，降低重金屬對(duì)在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)和細(xì)胞器中生理代謝活動(dòng)的損傷[23,43]。研究發(fā)現(xiàn)，棉花葉片和棉籽仁液泡中均有重金屬沉積區(qū)域，但沉積區(qū)域大小及沉淀物質(zhì)因重金屬處理水平、基因型和組織部位而有所不同[21,40,44]。因此，在降低重金屬毒害以及植物對(duì)重金屬的耐受性中，液泡區(qū)域固定化起到重要的作用[42]。

2.4 絡(luò)合沉淀降低鎘毒性

進(jìn)入植物細(xì)胞內(nèi)的重金屬離子通過(guò)與細(xì)胞內(nèi)的螯合劑（如絡(luò)合素、金屬硫蛋白、有機(jī)酸、氨基酸等）發(fā)生螯合作用，避免或減少重金屬離子與細(xì)胞器的接觸，降低了重金屬離子在胞內(nèi)的自由離子濃度，從而減輕了植物體內(nèi)的重金屬離子對(duì)植物造成的毒害作用[45]。絡(luò)合沉淀主要是植物絡(luò)合素通過(guò)絡(luò)合作用和區(qū)室化隔離作用降低Cd等重金屬離子的活性，從而解除或降低其對(duì)細(xì)胞的毒害，通過(guò)有機(jī)酸沉淀完成對(duì)Cd等重金屬的解毒過(guò)程[46]。梅磊等[47]在陸地棉及其供體種雷蒙德氏棉和亞洲棉中分別鑒定出4、2、2個(gè)植物絡(luò)合素合酶（phytochelatin synthase,PCS）基因，認(rèn)為陸地棉、亞洲棉種的PCS蛋白的植物絡(luò)合酶活性可能比雷蒙德氏棉種更強(qiáng)。金屬硫蛋白是一種分子質(zhì)量較低、富含半胱氨酸殘基的金屬結(jié)合蛋白，其結(jié)構(gòu)高度保守，對(duì)Cd、Cu、Zn等多種重金屬有高度親和性。從陸地棉中鑒定出的Ⅲ型金屬硫蛋白GhMT3能被CuSO4和ZnSO4誘導(dǎo)表達(dá)，表現(xiàn)出具有鰲合金屬離子和清除ROS的特性，非生物脅迫下的活性氧信號(hào)調(diào)控該蛋白的表達(dá)[48]。根系分泌物中的有機(jī)酸、氨基酸、糖類(lèi)等物質(zhì)亦可與重金屬離子發(fā)生螯合，使重金屬離子發(fā)生氧化反應(yīng)，從而使其還原態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸瘧B(tài)，最終降低重金屬離子的生物活性和毒性[49]。

2.5 抗氧化酶系統(tǒng)的防御功能

鎘脅迫會(huì)誘導(dǎo)自由基大量產(chǎn)生，對(duì)植物細(xì)胞膜系統(tǒng)造成傷害，但植物體內(nèi)的SOD、CAT和POD等多種抗氧化酶組成的酶促系統(tǒng)，以及抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)等多種非酶類(lèi)物質(zhì)組成的非酶促系統(tǒng)能相互協(xié)作，可有效清除大量的活性氧自由基，從而減輕活性氧自由基積累對(duì)植物造成的傷害，提高植物抗逆性[23,50]。研究發(fā)現(xiàn)，在陸地棉葉片中，低水平的Cd處理會(huì)使SOD、CAT活性下降，可能是因?yàn)榈退紺d促使植物產(chǎn)生的H2O2超出了SOD的清除范圍，而POD和APX活性則小幅度上升，因?yàn)镻OD和APX是以H2O2為底物的酶促抗氧化劑。但隨著Cd處理水平的增大和脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，活性氧的增加就會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)抗氧化物酶的清除能力，酶活性受到抑制而下降[21]。在紅麻植株體內(nèi)，低水平Cd、Pb脅迫誘導(dǎo)產(chǎn)生大量的POD、SOD和CAT，以消除逆境下紅麻植株體內(nèi)產(chǎn)生的活性氧等有毒物質(zhì)、保護(hù)紅麻植株健康生長(zhǎng)，但當(dāng)Cd、Pb水平過(guò)高且超過(guò)了植株的最高耐受限度時(shí)，植株體內(nèi)的活性氧自由基會(huì)不斷的增多，從而對(duì)植物的抗氧化酶系統(tǒng)造成損害，使植物體內(nèi)的POD、SOD和CAT活性下降[17,51]；此外，在Cd污染脅迫下，苧麻植株產(chǎn)生的多余活性氧可通過(guò)加速抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)進(jìn)行清除，避免植株受到過(guò)氧化傷害[52]。以上研究說(shuō)明，POD、SOD、CAT等抗氧化酶的抗氧化能力是有一定限度的，一旦逆境脅迫超過(guò)植株最高耐受限度時(shí)，抗氧化酶系統(tǒng)就會(huì)受到傷害，從而導(dǎo)致POD、SOD、CAT等抗氧化酶活性降低。

3 纖維類(lèi)作物對(duì)鎘污染農(nóng)田土壤的修復(fù)效果

3.1 棉花富集鎘的特點(diǎn)及修復(fù)鎘污土壤的潛力

植物對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)能力與植物生物量大小和植物對(duì)重金屬的富集能力呈正相關(guān)關(guān)系[53]，即植物的生物量越大，且其對(duì)重金屬的富集能力越強(qiáng)，對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)效果就越好。可作為超富集植物并可用于修復(fù)Cd等重金屬污染土壤的植物需要達(dá)到以下條件：①對(duì)Cd等重金屬必需具有較強(qiáng)的耐受性，可在重金屬脅迫下正常生長(zhǎng)繁殖；②植株體內(nèi)的Cd等重金屬含量達(dá)到臨界標(biāo)準(zhǔn)值，植株根部的Cd含量小于地上部，且植株地上部富集系數(shù)大于1[53]。研究發(fā)現(xiàn)，棉花和多種麻類(lèi)作物均滿足超富集植物的條件，均可用于修復(fù)土壤重金屬污染。劉連濤等[28]研究顯示，鎘在棉花根、莖、葉中富集量表現(xiàn)為（葉片+葉柄）>根系>莖[35,54]；而李玲等[35]的研究結(jié)果為葉柄>莖稈>葉片>根，分析二者之間結(jié)果的差異可能與處理方法和采樣時(shí)間有關(guān)，且隨著Cd處理水平的增加，棉花營(yíng)養(yǎng)器官的Cd含量也隨之增加。但即使在高水平時(shí)纖維對(duì)Cd的累積量仍較低，不影響棉纖維的綜合利用效果[35]。這些研究說(shuō)明棉花體內(nèi)存在很好的Cd運(yùn)輸機(jī)制，可以作為超富集植物來(lái)治理土壤鎘污染[28,35]。Cd高積累棉花品種（系）FZ09、湘雜 棉23號(hào)、X-7及FZ06均能在Cd污染土壤正 常生長(zhǎng)發(fā)育，說(shuō)明棉花本身對(duì)鎘污染土壤具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，同時(shí)增加種植密度后棉花生物產(chǎn)量提高，棉花群體Cd積累量明顯增加，且生態(tài)修復(fù)效果及經(jīng)濟(jì)效益的提高更顯著[54]。

3.2 麻類(lèi)作物富集鎘的特點(diǎn)及修復(fù)鎘污染土壤的效果

早在1998年，烏克蘭的巴斯特作物研究所聯(lián)合種植者和加工者，開(kāi)始通過(guò)種植大麻去除切爾諾貝利核電站的污染物，其治理效果顯著，且工業(yè)大麻地上部分還具有積累放射性U和Pb的作用，因此，工業(yè)大麻被很多國(guó)內(nèi)外的學(xué)者認(rèn)為是理想的修復(fù)備選作物[9]。研究表明，Cd在大麻植株中的主要富集部位為根、莖、葉以及麻纖維中，而且在這些部位中的富集數(shù)系均大于1，尤其是在大麻雄株的根部、纖維中的富集系數(shù)甚至大于2，且纖維中的轉(zhuǎn)移系數(shù)大于1，即對(duì)Cd具有較強(qiáng)的遷移和富集能力[55-56]。在中度Cd污染土壤種植的亞麻，對(duì)Cd的富集系數(shù)大于1，且高于工業(yè)大麻，對(duì)Cd的清除能力較高，每公頃最高可清除50 g Cd[57-58]。黃麻的富集系數(shù)也大于1，且黃麻對(duì)我國(guó)南方的氣候和土壤條件的適應(yīng)能力更強(qiáng)，所以黃麻可作為南方地區(qū)重金屬污染土壤的特色修復(fù)植物[19]。在重度Cd污染農(nóng)田中栽種的5個(gè)黃麻品種，植株地上部Cd富集量最高可達(dá)3.83 mg，Cd提取量最高可達(dá)53.3 g·hm-2，各器官的Cd富集系數(shù)在1.25~5.14之間，Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)在1.04~2.60之間，說(shuō)明黃麻可作為潛在的土壤Cd污染修復(fù)材料[37]。苧麻對(duì)湖南多個(gè)礦區(qū)的多種重金屬具有高富集性[19,59]，野生苧麻對(duì)Cd的富集系數(shù)高達(dá)3.08，且苧麻纖維粗細(xì)不會(huì)影響其對(duì)Cd的富集能力[60]。隨著苧麻生長(zhǎng)期的延長(zhǎng)，苧麻根系不斷生長(zhǎng)，鎘在根系的積累量不斷增加，而由根系向地上部轉(zhuǎn)移的量卻相對(duì)減少，表明苧麻的耐鎘性較高[60]。以上研究表明，工業(yè)大麻、亞麻、黃麻、苧麻等麻類(lèi)作物均可作為超富集作物修復(fù)農(nóng)田土壤Cd等重金屬污染。

4 展望

Cd污染已經(jīng)成為全球性環(huán)境問(wèn)題，如何解決大面積的農(nóng)田重金屬Cd污染已成為一個(gè)嚴(yán)峻的問(wèn)題。近年來(lái)，全球?qū)r(nóng)田重金屬鎘污染治理修復(fù)的科學(xué)研究也在不斷的深入，并且探索出了許多預(yù)防和治理的方法，其中植物修復(fù)是最重要的修復(fù)方法之一。植物修復(fù)具有成本低、來(lái)源廣、不易導(dǎo)致二次污染等優(yōu)點(diǎn)。棉花和麻類(lèi)等纖維類(lèi)作物生物量大、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高，不僅對(duì)重金屬離子具有較強(qiáng)的吸收和富集能力，而且纖維類(lèi)作物幾乎不進(jìn)入食物鏈，不會(huì)對(duì)人體健康造成危害，利用其進(jìn)行土壤重金屬污染修復(fù)優(yōu)勢(shì)明顯。但是，棉花和麻類(lèi)等纖維類(lèi)作物尚未大范圍投入到土壤重金屬污染修復(fù)中，為加快土壤重金屬污染修復(fù)進(jìn)程，未來(lái)仍需要加強(qiáng)以下幾個(gè)方面的研究：①利用基因工程對(duì)棉花和麻類(lèi)作物進(jìn)行遺傳修改，培育出對(duì)Cd等重金屬耐性更高、富集能力更強(qiáng)的多用途品種，用于兼顧污染土壤修復(fù)和農(nóng)田生產(chǎn)；②聯(lián)合治理修復(fù)，如施加外源物質(zhì)（螯合劑與植物激素等），植物與微生物聯(lián)合、植物與有機(jī)質(zhì)聯(lián)合等，以利于植物生長(zhǎng)和吸收富集鎘等重金屬；③在栽培技術(shù)和管理方法上進(jìn)行探索改進(jìn)，并對(duì)纖維類(lèi)作物的安全有效處置等進(jìn)行研究。