2018, Vol. 37
随着经济社会的发展，环境问题日益凸显，已成为全面建成小康社会的突出短板之一[1]。重金属在环境中产生的污染效应具有隐蔽性、长期性以及不可逆性，针对重金属污染的治理是目前环境问题的热点和难点[2]。土壤重金属通过食物链进入人体，严重危害人类健康。每年粮食因重金属污染造成的直接经济损失超过200亿元[3-4]。如何修复农田土壤重金属污染，保障作物的安全生产，是当前土壤和环境领域研究的重点和难点。
重金属污染治理，目前可分为两种思路：（1）采取一定方法将土壤中重金属移出土体（活化）；（2）降低重金属迁移性和生物有效性，使之固定在土壤中，而不是进入作物，降低其健康风险和环境风险（钝化）[5]。后者从重金属土壤安全生产的角度出发，主要措施有筛选低积累作物品种，如水稻[6]、油菜[7]、玉米[8]、小麦[9]等，或向土壤中添加一些有机、无机和微生物钝化剂，降低土壤重金属有效性[10]。前者主要依托一些高富集的植物，将重金属从土壤中移除，但目前用于研究的大部分高富集植物皆存在生物量小、经济价值不高的缺点，在实际应用中通常难以达到预期效果[11]。因而一些重金属耐性强、生长快、生物量大、经济价值高并有一定的重金属富集能力的植物近年来被逐步应用到重金属修复当中，如油菜[12]、苎麻[13]、玉米[14]。王凯荣等[15]通过对南方集中主要栽培作物耐土壤Cd污染分析，认为黄麻、红麻、苎麻等纤维植物可作为Cd污染农区的首选对象；杨煜曦等[16]通过5年定点大田试验表明，利用红麻复垦重金属污染土壤，具有潜在经济价值。
红麻（Hibiscus cannabinus）亦称洋麻、槿麻，为锦葵科木槿属一年生韧皮纤维作物。生物量是针叶木材的3~4倍，具有适应性高、用途广等特点，其用途涉及麻纺、造纸、建材、麻塑、活性炭、饲料、食用等诸多领域[17]。关于红麻修复重金属已有相关报道，但大多采用盆栽试验或水培试验，试验污染源也多为单一重金属，没有针对现实中多为复合污染这一事实进行深入研究。本试验以国内推广面积较大的7个红麻品种为试验材料，在Cu、Zn、Cd、Cr、Ni复合污染土壤上种植比较，旨在研究不同红麻品种对重金属的修复潜能，以及红麻在重金属污染土壤上复垦的前景。
1 材料与方法 1.1 试验材料及地点试验选取的国内7个代表性红麻品种，分别为福建农林大学提供的晚熟常规品种——福红991和晚熟航天诱变品种——福红航992，中国农业科学院麻类研究所提供的晚熟杂交组合——H368和晚熟常规品种——湘红1号，浙江省萧山棉麻研究所提供的中熟航天诱变品种——航优1号和晚熟常规品种——浙8310，以及广西大学提供的晚熟杂交组合——红优2号。试验地点位于杭州市富阳区常安镇，周边有电镀厂和电池厂，试验土壤为农田水稻土（有机质9.52%、全氮0.93 g·kg-1、全磷1.16 g·kg-1、全钾13.75 g·kg-1），土壤重金属超标严重。
1.2 试验设计试验采用7个品种，3次重复，随机区组试验，各小区面积为5.5 m×1.4 m。于2015—2016年重复种植，2015年红麻种植时间为5月27日至10月22日，2016年红麻种植时间为6月6日至10月10日。按常规红麻栽培方式管理，并对2016年7个红麻品种的叶片、茎秆、根系的重金属含量进行测定分析。
1.3 样品采集和分析方法土壤样品：采集各处理小区0~20 cm表层土壤样品共21个，剔除植物残体和石块，混匀后自然风干，研磨后过80目筛。委托浙江省农业科学院农产品质量标准研究所测定土壤样品中Zn、Cr、Cd、Cu、Ni 5种重金属含量和pH值。土壤样品采用王水-高氯酸法消化，具体各重金属指标测定方法：Zn（GB/T 17138— 1997）、Cr（HJ 491—2009）、Cd（GB/T 17141—1997）、Cu（GB/T 17138—1997）、Ni（GB/T 17139—1997）。
植株样品：对2016年各处理红麻，随机取5株，分叶片、茎秆、根系收获，用自来水和去离子水将各部位清洗干净，先于105 ℃杀青1 h，随后调至80 ℃条件下烘干至恒质量，粉碎后过80目筛。植株样品采用硝酸-高氯酸法消化，SOLAAR M6型原子吸光光谱仪分别测定重金属Zn、Cu、Cd、Cr、Ni含量（试验样品委托湖南农业大学检测）。
植株收获期产量性状考查：先记录各小区有效茎数，再随机选取20株考查株高、茎粗、鲜皮厚、干麻叶质量、干麻骨质量、干麻皮质量，计算出相应产量。
1.4 各指标计算土壤中污染物i的环境质量指数
Pi=污染物i的实际测量浓度/土壤环境标准中i的临界值
环境综合污染指数[18]
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重金属富集系数=植物各部位重金属含量/土壤重金属含量
转运系数=植株地上部分重金属含量/植株地下部分重金属含量[19]。
每年植物提取总量（g·hm-2）=叶片生物量（kg· hm-2）×叶片重金属含量（g·kg-1）+茎秆生物量（kg· hm-2）×茎秆重金属含量（g·kg-1）+根系生物量（kg· hm-2）×根系重金属含量（g·kg-1）[19]。
1.5 数据处理使用Excel 2010对数据进行分析和制图，利用SPSS 23.0软件进行单因素方差分析。
2 结果与分析 2.1 试验地土壤污染情况试验地21个小区土壤重金属检测结果见表 1，供试土壤呈弱碱性，多种重金属超过《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995）[20]。其中重金属Zn检测总量达1325 mg·kg-1，超过土壤环境质量Ⅲ级标准165%；重金属Cd达到4.9 mg·kg-1，是土壤环境质量Ⅲ级标准的4.9倍；重金属Ni检测值超过土壤环境质量Ⅱ级标准，但未达Ⅲ级标准；重金属Cu检测值为97.9 mg·kg-1，接近土壤环境质量Ⅱ级标准；重金属Cr检测量为136.4 mg·kg-1，未超过土壤环境质量Ⅱ级标准。
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表 1 土壤重金属含量 Table 1 The concentration of heavy metals in soils |
各重金属环境质量指数计算结果见表 2。参考重金属污染评价标准，Pi≤1表示无污染，1＜Pi≤2表示轻微污染，2＜Pi≤3表示轻度污染，3＜Pi≤5表示中度污染，Pi＞5表示重度污染；P综合 > 3表示重度污染。试验土壤PCd为8.2，达到重度污染，PZn为4.4，为中度污染，PNi为2.5，为轻度污染，试验区P综合为6.2，达到重度污染水平。
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表 2 土壤重金属污染情况 Table 2 The heavy metals pollution in soils |
2015年各红麻品种产量和农艺性状结果见表 3，各指标存在一定差异。干生物量平均值为8.3 t· hm-2，7个品种表现为：红优2号 > 湘红1号 > 航优1号 > H368 > 福红航992 > 浙8310 > 福红991，以红优2号最高，达到10.1 t·hm-2，较其他品种高出17.8%~36.1%。农艺性状方面，红优2号株高（340.9 cm）优势明显，较其他品种高出25.6~50.8 cm，茎粗约14.8 mm，超出其他品种5.7%~34.5%；皮厚以福红991和红优2号表现最优，超过1 mm；有效株数以H368最高，达到20.75万株·hm-2，是最低值福红991的1.96倍。
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表 3 7个红麻品种产量及农艺性状 Table 3 Results of biomass and agronomic traits of 7 kenaf varieties |
2016年各品种生物量及产量性状较2015年均有一定增长（表 3），品种间差异较2015年小。干生物量方面，福红991、浙8310、H368和红优2号均达到16.0 t·hm-2，以H368（17.1 t·hm-2）最高，较最低值航优1号（12.4 t·hm-2）高出37.9%，各品种干生物量表现为：H368 > 红优2号 > 福红991 > 浙8310 > 湘红1号 > 福红航992 > 航优1号。株高、茎粗和皮厚各品种间差异较小：株高以红优2号和H368表现最佳，超过355.0 cm；茎粗以浙8310最佳，达到14.7 mm；皮厚以红优2号最优，为0.98 mm；有效株数仍以H368表现最佳，达到21.50万株·hm-2。综合两年表现，红优2号在重金属土壤中的表现要优于其他品种。
2.3 红麻重金属含量、富集系数、转运系数和提取总量植株样品重金属检测结果（图 1~图 5）表明，红麻不同品种、不同部位重金属积累量存在差异。总体来看，重金属积累量表现为Zn > Cu > Cr > Ni > Cd；5种重金属在茎秆中累积量均为最少。重金属Cu的累积整体趋势表现为叶片 > 根系 > 茎秆，重金属Cr和Ni则表现为根系 > 叶片 > 茎秆，重金属Cd在不同部位累积量大小随品种间差异较大，但叶片累积量显著高于茎秆和根系。重金属Zn在湘红1号、红优2号、浙8310的累积量表现为：叶片 > 根系 > 茎秆，福红991、福红航992、航优1号、H368则表现为根系 > 叶片 > 茎秆。
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同一部位不同字母表示差异达5%显著水平。下同 The different letter indicates the significant the difference is up to 5% significant level in the same organ. The same below 图 1 红麻不同部位Cu含量 Figure 1 The concentration of Cu in different part of kenaf |
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图 2 红麻不同部位Zn含量 Figure 2 The concentration of Zn in different part of kenaf |
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图 3 红麻不同部位Cd含量 Figure 3 The concentration of Cd in different part of kenaf |
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图 4 红麻不同部位Cr含量 Figure 4 The concentration of Cr in different part of kenaf |
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图 5 红麻不同部位Ni含量 Figure 5 The concentration of Ni in different part of kenaf |
根据计算得出各品种重金属富集系数见表 4。可以看出，红麻植株各部位对重金属的富集系数较小，其中Ni、Cr和Zn富集系数大部分不足0.1；不同红麻器官重金属Cu富集系数在0.057~0.279之间；重金属Cd富集系数显著高于其他重金属，其中各品种叶片富集系数均超过0.5，以湘红1号、红优2号、浙8310表现最佳，超过0.8。
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表 4 不同红麻重金属富集系数 Table 4 Bioconcentration factors of different kenaf varieties |
根据计算得出不同品种重金属转移系数如表 5所示。不同重金属转移系数间存在一定差异，其中红麻重金属Cd平均转移系数为1.12，以湘红1号和浙8310转移系数最高，达到1.39，超出平均值24.1%；重金属Cu平均转运系数为0.64，仅湘红1号和浙8310超过平均值；重金属Zn转运系数平均值为0.60，其中湘红1号、福红航992和浙8310分别超过平均值45.0%、10.0%和13.3%；重金属Cr和Ni转运系数前两位均分别浙8310和湘红1号。
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表 5 不同红麻重金属转移系数 Table 5 Transfer factors of different kenaf varieties |
结合红麻生物量及重金属在各部位积累量，计算得出种植一季红麻可转移重金属量见表 6。红麻累计每公顷每年最高可转移重金属Cu 185.3 g、Zn 1 012.9 g、Cd 25.7 g、Cr 40.8 g和Ni 34.8 g。不同品种红麻转移量不同，其中重金属Cu以福红991和湘红1号最佳，重金属Zn以湘红1号和福红991最佳，重金属Cd转移量最高为浙8310和湘红1号，重金属Cr转移量最高为H368和湘红1号，重金属Ni转移量则以H368和福红991表现最佳。
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表 6 不同红麻累计重金属吸收量（g·hm-2·a-1） Table 6 The amount of heavy metals extracted by different kenaf varieties (g·hm-2·a-1) |
红麻生长周期短、抗逆性强、耐粗放，在一定逆境条件下仍能正常生长[11]。王凯荣等[15]发现当土壤Cd含量超过62 mg·kg-1时，红麻经济产量显著下降。本研究中7种红麻两年平均干生物量为11.88 t·hm-2，达到一般农田生产水平，反映了红麻对重金属具有一定耐受性。且根据前人报道，红麻在重金属污染土壤上种植，其纤维可达到纺织标准[15-16]，保证了红麻修复重金属的同时，还能有一定经济产值。
植物修复重金属潜能主要取决于植物的生物量及其对重金属的富集能力[19]。已有研究表明，当土壤中Pb浓度在100~400 mg·kg-1范围内时，红麻富集系数最高可达3[11]；李丰涛等[21]发现在闽中南重金属污染区，红麻对Cd的富集系数大于1。本试验中，将红麻种植于多种重金属复合污染土壤上，各品种红麻对Cd富集系数最高，但不超过0.8，未达到前人报道水平，推测可能与不同重金属间相互作用[22]、土壤pH值[23]以及红麻品种有关。转移系数也以Cd最高，其中湘红1号和浙8310转移系数高达1.39。各红麻品种对重金属Cd的富集系数和转运系数均高于其他重金属，推测可能与重金属Cd在土壤中活性较高，以及重金属Zn与Cd的协同作用有关[24]。
红麻重金属富集能力较一般高富集作物低，但是生物量远远高于一些常规报道的高富集作物[19]。本研究中，2016年红麻平均干生物量达15.5 t·hm-2，分别是遏兰菜（0.38 t·hm-2）、东南景天（0.85~1.5 t·hm-2）的40.7倍和10.3~18.2倍[19]。庞大的生物量在一定程度上弥补了红麻富集能力低的缺点，本试验中红麻种植一季最高能转移重金属Cu约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。而据报道，在大田条件种植的东南景天[25]每年可提取Cd 184 g·hm-2、Zn 7800 g·hm-2、Cu 29 g· hm-2；矿区苎麻[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。红麻提取重金属的总量与之还存在一定差距，作为重金属修复效果不如苎麻等作物。
4 结论在重金属重度污染土壤上，不同红麻品种生物量表现各异，其中晚熟杂交组合红优2号最高，中熟航天诱变品种航优1号最低；红麻不同部位重金属含量差异显著，叶片和根系重金属含量均高于茎秆；各红麻品种均有一定的重金属富集和转移能力，但达不到高富集作物标准，品种间也存在一定差异，以湘红1号能力最强；不同重金属富集系数和转运系数存在显著差异，均以重金属Cd最高；单季种植可转移的重金属量小，作为修复作物，修复耗时较长，可作为重金属污染土壤复垦作物。
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