不同工業大麻品種對鉛的富集與轉運特性

李 鴻，和曉敏，洪 秋，張 園，呂 品，郭孟璧，張慶瀅，陳 璇，楊 明，郭 蓉，許艷萍*

（1.麗江市古城區七河鎮農業綜合服務中心 農科辦，云南 麗江 674102；2.云南省農業科學院 經濟作物研究所，云南 昆明 650205）

云南省是我國著名的“有色金屬”之鄉［1］，礦產資源的開發在帶來經濟飛速發展的同時，也對周邊環境造成了嚴重污染，如個舊錫礦［2］、蘭坪鉛鋅礦［3］等。再加上農藥、化肥的大量使用，導致農田土壤重金屬污染越來越嚴重［4-5］。其中Pb是土壤中最普遍且危害性較強的污染元素［6］，主要以土壤Pb-Cd-Zn復合重金屬污染為主［7］。Pb可通過環境介質進入植物，易被植物吸收并在植物體內積累，不僅對植物生長、光合作用、酶活性造成了不可逆的損傷，其在植物體內富集，并經各種途徑傳遞，還會威脅人類健康［8］。

工業大麻(Industrial Hemp)是一種被公認的生物產量大、生長速度快、富集能力強、適應性廣、修復效果顯著且具有很高經濟價值的新型重金屬污染修復植物材料［9］。工業大麻為直根系深耕作物，主根能深至土壤2.0～2.5 m，株高3～5 m，生物量達1.2 t/667 m2以上，生物量及生長速度均遠大于目前種植的大多數超富集植物，對礦區Pb污染的農田具有巨大的修復潛力。目前，國內外研究表明，工業大麻對Pb、Cd等重金屬具有較強的吸附作用，但重金屬在不同器官的分布存在品種差異［10-11］，目前的研究材料主要是偏向于不同生物量的品種材料，而關于晚熟型高生物量的不同品種對重金屬Pb富集修復能力差異的研究較少。因此，本研究選擇4個不同類型的晚熟型高生物量工業大麻品種為材料，研究其在不同濃度Pb脅迫下富集與轉移能力的差異，旨在為選擇不同富集能力的工業大麻品種治理不同程度的Pb污染土壤提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以云南省農業科學院經濟作物研究所選育的晚熟不同基因型4個工業大麻品種云麻6號、云麻7號、云麻雜2號、云麻雜3號為研究材料，編號分別為ym6、ym7、Z2、Z3，其中ym6和ym7為晚熟型高生物量常規品種，Z2和Z3為晚熟型高生物量雜交品種。供試土壤來源于云南省昆明市官渡區云南省農業科學院經濟作物研究所小哨試驗基地，經風干、搗碎、剔除雜物后，過40目篩混合均勻（0～20 cm）的土壤，供試土壤理化性質為：pH值6.37，有機質含量59.90 g/kg，全氮含量0.316%，全磷含量0.108%，全鉀含量0.318%，水解性氮含量310.00 mg/kg，有效磷含量25.00 mg/kg，速效鉀含量735.00 mg/kg，全量鉛含量156.00 mg/kg。

1.2 試驗設計

盆栽試驗于2016年在云南省農業科學院經濟作物研究所大麻課題小哨溫室進行。以分析純Pb(NO3)2為處理劑，每個材料設3個Pb2+濃度水平：0、2000、3000 mg/kg，每處理3個重復，每個重復為1盆，4個材料共36盆，盆缽直徑50 cm，高30 cm，每盆裝土21 kg。2016年5月10日將重金屬與土按規定用量充分混勻裝盆，放置靜止絡合15 d，每盆施尿素3.82 g、過磷酸鈣6.18 g、硫酸鉀2.35 g作為底肥，于5月20日播種，每盆播種20顆種子，出苗后選擇長勢一致的幼苗，每盆定苗5株，正常水分管理。于種子成熟期收獲植株，測定其農藝性狀、生物量并檢測不同器官的重金屬含量，所有測量皆設3次生物學重復。

1.3 測定方法

1.3.1 大麻材料農藝性狀的測定 在收獲植株時采用卷尺測量其株高(cm)和根長(cm)，用游標卡尺測量其莖粗(mm)。

1.3.2 大麻材料生物量的測定 自然晾干收獲后的植株，分別稱量樣品的根、莖、葉、種子和纖維干重，即為植株不同器官的生物量。

1.3.3 樣品中Pb含量的測定 晾干的植物樣品在105 ℃下殺青0.5 h，70 ℃烘箱烘干至恒重，用電子天平稱取各部分干物質質量，烘干樣品粉碎后備測。用v(HNO3)∶v(HClO4)=5∶1的混合液進行微波消解、定容。采用火焰原子吸收分光光度法(GB/T 17141—1997)測定Pb含量。

1.3.4 工業大麻富集、轉運系數的計算 工業大麻品種重金屬富集系數(BCF)和轉運系數(TF)的計算公式為：

1.4 數據處理

采用Excel 2007軟件進行數據處理，采用SPSS 20.0軟件對試驗數據進行方差分析，以及Graph Pad Prism 8軟件作圖分析。

2 結果與分析

2.1 Pb脅迫對4個工業大麻品種農藝性狀的影響

由圖1A可知，與對照相比，4個品種的株高均隨著Pb濃度的升高而逐漸下降，當Pb處理濃度為2000和3000 mg/kg時，4個品種株高的下降幅度分別為0.69%～1.39%和2.22%～4.03%，且3個處理間存在顯著差異。其中，當Pb濃度為2000 mg/kg時，ym6、ym7、Z2和Z3的株高分別下降了3.78(1.39%)、3.15 (1.02%)、2.82(0.95%) 和2.08(0.69%) cm；當Pb濃度為3000 mg/kg時，ym6、ym7、Z2和Z3的株高分別下降了10.98(4.03%)、5.53(1.79%)、4.25(1.43%)和6.70 (2.22%)cm，其中下降幅度最大的為ym6。

圖1 Pb脅迫對4個工業大麻品種農藝性狀的影響

由圖1B可知，與對照相比，4個品種的莖粗均隨著Pb濃度的升高而逐漸降低，當Pb處理濃度為2000和3000 mg/kg時，4個品種莖粗的下降幅度分別為0.89%～4.54%和2.28%～8.87%，且3個處理間存在顯著差異。其中，當Pb濃度為2000 mg/kg時，ym6、ym7、Z2和Z3的莖粗分別下降了0.44 (4.54%)、0.10(0.89%)、0.47(4.08%)和0.37(3.25%)mm；當Pb濃度為3000 mg/kg時，ym6、ym7、Z2和Z3的莖粗分別下降了0.44(4.54%)、0.26(2.28%)、0.57(4.94%)和1.01(8.87%) mm，其中下降幅度最大的為Z3。

由圖1C可知，與對照相比，4個品種的根長均隨著Pb濃度的升高而逐漸降低，當Pb處理濃度為2000和3000 mg/kg時，4個品種根長的下降幅度分別為2.53%～5.84%和6.23%～9.58%，且3個處理間存在顯著差異。其中，當Pb濃度為2000 mg/kg時，ym6、ym7、Z2和Z3的根長分別下降了0.67(3.48%)、0.52(2.53%)、0.56(2.74%)和1.22(5.84%) cm；當Pb濃度為3000 mg/kg時，ym6、ym7、Z2和Z3的根長分別下降了1.54(8.01%)、1.28(6.23%)、1.96(9.58%)和1.87(8.95%) cm，其中下降幅度最大的為Z2。

總體來說，當Pb脅迫濃度為2000和3000 mg/kg時，4個工業大麻品種對株高、莖粗、根長均有一定程度的抑制作用，但抑制的程度均較小，植株生長良好，且在外觀性狀上無重金屬中毒癥狀，說明工業大麻能適應高Pb濃度（≥2000 mg/kg）的環境，其對Pb具有很強的耐受性。

2.2 Pb脅迫對4個工業大麻品種生物量的影響

由圖2可知，Pb脅迫對4個品種的生物量有一定程度的影響，總生物量（根+莖+葉+纖維+種子）的降幅為3.22%～40.26%，當Pb脅迫濃度為2000和3000 mg/kg時，ym6、ym7、Z2和Z3的總生物量分別下降了3.22%和10.08%、9.83%和40.26%、4.15%和20.66%、3.80%和13.91%。在4個品種中，莖的生物量均最大，占總生物量的54.56%～61.34%，其他各器官的生物量在不同品種間稍有差異。與對照相比，當Pb脅迫濃度為2000 mg/kg時，根、莖、葉、纖維、種子的生物量下降幅度分別為2.06%～16.76%、0.67%～4.09%、1.24%～32.66%、1.75%～28.57%和3.38%～8.60%；當Pb脅迫濃度為3000 mg/kg時，根、莖、葉、纖維、種子的生物量下降幅度分別為5.59%～18.34%、7.46%～41.07%、4.09%～51.95%、5.07%～50.55%和6.13%～32.93%。

總體來說，當Pb脅迫濃度為3000 mg/kg時，對4個品種生物量的影響大于Pb脅迫濃度為2000 mg/kg的，其中，當Pb脅迫濃度為3000 mg/kg時，對ym6的根生物量的影響最大，降幅為18.17%；對ym7的莖、葉、纖維生物量的影響最大，降幅分別為41.07%、51.95%和50.55%；而Z2和Z3對Pb脅迫均表現出了更強的耐受性。

2.3 Pb在4個品種不同器官中的分布

由圖3可知，Pb脅迫下4個品種不同器官中的Pb含量的大致排序依次為根＞莖＞葉＞纖維＞種子；當Pb脅迫濃度為2000和3000 mg/kg時，其根的Pb含量分別為350.00～1117.00和657.00～1374.00 mg/kg，莖的Pb含量分別為185.00～208.00和187.00～251.00 mg/kg，葉的Pb含量分別為49.80～153.00和63.60～122.00 mg/kg，纖維的Pb含量分別為39.10～50.20和30.90～76.80 mg/kg、種子的Pb含量分別為4.55～5.82和4.61～6.52 mg/kg。在3000 mg/kg的Pb脅迫濃度下，4個品種不同器官中的Pb含量整體高于2000 mg/kg的，但ym6和ym7品種纖維和種子的Pb含量表現相反，這可能是因為3000 mg/kg的Pb脅迫濃度已經超出了這2個器官承載Pb的濃度，說明已經對這2個品種產生了一定的傷害。

圖3 Pb在4個品種不同器官的分布

總體來說，在4個工業大麻品種中，Pb主要積累在植株的根部，占Pb總含量的54.57%～76.69%；地上部分的莖、葉、纖維和種子的Pb含量分別占Pb總含量的12.76%～28.01%、5.50%～17.73%、2.68%～7.60%、0.31%～0.88%。在4個品種中，Z3富集能力高于其他3個品種。

2.4 工業大麻品種對Pb的富集和轉運能力

由表1可知，Pb脅迫下，4個工業大麻品種不同器官的富集系數與轉運系數存在差異，表明不同基因型品種對Pb的吸收能力與轉運能力存在品種間差異。Pb脅迫下，4個品種對Pb富集系數和轉運系數均小于1。其中，4個品種對Pb的富集能力均表現為根＞莖＞葉＞纖維＞種子，其中種子的富集系數最低，均為0.00。根、莖、葉、纖維及種子不同器官的Pb富集系數范圍分別為：0.18～0.56、0.06～0.10、0.02～0.08、0.01～0.03及0.00，且雜交品種高于常規品種，由高到低依次排序為Z3＞Z2＞ym6＞ym7。而地上部分不同器官從根部轉移Pb的能力依次排序為莖＞葉＞纖維＞種子，莖、葉、纖維及種子轉移系數范圍分別為：0.17～0.53、0.07～0.32、0.04～0.14及0～0.02，4個品種的轉運能力依次排序為ym7＞ym6＞Z2＞Z3。

表1 不同濃度下4個品種的富集系數

總體來說，在4個工業大麻品種中，根部的富集能力最強，整個植株末梢部位種子的富集能力最弱。4個品種的富集能力表現依次為Z3＞Z2＞ym6＞ym7，而轉運能力卻相反，表現依次為ym7＞ym6＞Z2＞Z3，這表明富集能力強的品種Z3將Pb從根部轉運到莖、葉、纖維再轉運到種子的能力較弱，反而富集能力相對低的品種ym7將Pb從根部轉運到莖、葉、纖維再轉運到種子的能力較強。

3 討論

植物對重金屬的耐受能力不僅表現在對重金屬的富集，還取決于重金屬脅迫下的植物能否正常生長。而生物量的變化量是衡量植物生長狀況以及適宜性的一個重要指標［12］，能夠綜合表征植物對物質能量的積累利用能力［13］。生物量分配是植物維持營養生長與生殖生長的平衡，對外界環境適應策略的綜合體現［14］，在重金屬濃度不變的情況下，生物量越大，積累重金屬的量也越大。當重金屬在植物體內積累超過一定閾值時，植物就會受到抑制，并進一步影響植物的生長發育。本研究中，高Pb濃度（≥2000 mg/kg）脅迫下，4個工業大麻品種植株生長良好，外觀上無重金屬中毒癥狀，但生物量較對照均有所下降，3000 mg/kg的Pb脅迫濃度對4個品種生物量的影響大于2000 mg/kg的，對ym6、ym7生物量的抑制程度大于Z2、Z3的，雜交種Z2、Z3表現出更強的Pb耐受性。其原因可能是Pb脅迫抑制影響了ym6、ym7光合色素的合成［15］，進而影響了光合作用［16］，最終影響到生物量的積累。

由于Pb的理化性質是屬于惰性重金屬，在植物體內較難轉移，所以大部分的Pb通過根系吸收后積累在Pb的主要屏障根系［17］。Pb對植物生長代謝的毒性作用隨植物種類、品種、器官組織部位的不同而呈現出差異性，植物種類不同、部位不同對重金屬的吸收和累積能力也不同［18］。但這也與土壤背景濃度和作物種類等有關，不同的植物種類對Pb的轉移能力不同。高紅真等［19］研究表明，苧麻、胡椒木、構樹等植物主要通過根部對Pb的固定限制其向地上部的轉運，避免過量的Pb在地上部積累，從而提高植株的Pb耐受性。何冠華等［20-23］研究認為，小麥、水稻、玉米和白菜等作物不同部位對重金屬的積累特征也存在顯著差異。本研究表明，4個工業大麻品種吸收的Pb主要固定在根部，占Pb總含量的54.57%～76.69%；地上部分的莖、葉、纖維和種子的Pb含量分別占Pb總含量的12.76%～28.01%、5.50%～17.73%、2.68%～7.60%、0.31%～0.88%。在4個品種中均表現為80%的Pb留在根系，進入根系的Pb只有一部分運輸到地上各器官，從而減小了重金屬對地上部光合組織和呼吸系統的損傷，緩解了重金屬對植物生命活動的不良影響［23］，根系對Pb的固定和截留可能是降低Pb毒害的一種適應性機制。雖然根部的Pb富集能力最強，整個植株末梢部位種子的富集能力最弱，且不同器官的富集系數和轉運系數也都小于1，但品種間積累能力還是存在差異，4個品種的富集能力表現依次為Z3＞Z2＞ym6＞ym7，而轉運能力卻相反，表現依次為ym7＞ym6＞Z2＞Z3，這表明富集能力強的品種Z3將Pb從根部轉運到莖、葉、纖維再轉運到種子的能力較弱，反而富集能力相對低的品種ym7將Pb從根部轉運到莖、葉、纖維再轉運到種子的能力較強，這進一步表明Z3能夠吸收大量的Pb在體內且能忍受高濃度的Pb脅迫。富集能力和耐受能力強的品種(Z2、Z3)，主要通過根部積累Pb，而轉移到地上部的少，進而對植株地上部的生長傷害較小；富集能力和耐受能力弱的品種(ym7、ym6)，根部轉移到地上部的能力強，對植株地上部的生長發育傷害較大，進而影響到生物量的積累。依據這一研究結果應用在工業大麻修復土壤Pb污染方面，可以根據土壤中Pb污染程度選擇對應的品種加以修復利用，同時也可以對Pb富集弱的種子加以利用，對根、莖等Pb富集能力強的部位進行集中處理，以達到快速降低土壤Pb污染的目的。