2020, Vol. 39
据2014年我国环境保护部和国土资源部公布的土壤污染数据, 我国Cd污染点位超标率已达到7.0%, 在无机污染物中居首位, 农田耕地是污染程度最大的土壤类型[1]。有研究表明, 我国每年有1 417 t的Cd进入农田耕地, 主要源于大气沉降、家畜粪便、化肥以及灌水, 而每年耕地自然条件下减少的Cd只占其总量的13.00%, 剩余Cd还会残留在土壤中[2]。如果不进行人为的耕地Cd污染修复, 我国耕地Cd含量将会在2040年全面超过现设的土壤Cd污染标准[3]。我国湖南、广东、广西等南方省份Cd污染尤为严重, 污染耕地已达全国总耕地的1/6[4], 这严重影响到我国农业的可持续发展。Cd不是人体必需的元素, 具有较强的致癌、致畸形及致突变作用, 联合国环境规划署(UNEP)将其列为全球性的危险化学物质[5]。当前针对Cd污染耕地的治理主要有物理、化学、生物等方法[6], 通过物理或化学的方法降低或活化Cd的活性, 使其更容易被固定在耕地中或移除出耕地, 通过生物的方法筛选出对Cd低富集或高富集的植物品种, 低富集的植物可以减少植物中的Cd含量, 高富集的植物可以有效移除耕地中的Cd, 其本质都是减少Cd对人体的影响[7]。在这些方法中, 植物修复利用高富集植物移除耕地中的Cd, 因不对环境产生二次污染而被重点研究和推广[8-9]。但植物修复中多数高富集植物经济价值较低, 难以大规模应用[10]。
红麻(Hibiscus cannabinus)是锦葵科木槿属一年生韧皮纤维作物, 生物量大、生长周期短、经济价值较高, 且不易将Cd带入人类食物体系[11-12]。红麻近年来也开始被用于修复Cd污染耕地, 王路为等[13]发现重金属污染区的红麻Cd富集系数大于1;王玉富等[10]发现种植红麻可使土壤Cd含量每年降低347 g·hm-2; 李文略等[12]发现红麻可使土壤Cd含量每年降低25.7 g· hm-2。虽然近几年已有红麻修复重金属污染土壤的相关研究, 但多数只于单个环境下试验, 无不同环境的对比试验; 多数试验只检测红麻收获时各部位Cd含量, 计算其富集与转移系数, 未有不同时间点红麻各部位Cd含量的变化趋势; 这些试验虽肯定了红麻对重金属的修复效果, 但结论中红麻所能提取的Cd含量却相差巨大。故本试验将7种红麻作为试验材料, 测定其在重度与轻微Cd污染耕地下不同时间点各器官的Cd含量, 计算其富集系数与转移系数, 研究不同环境下不同时间点不同红麻品种对Cd的移除能力及其生长特性, 为不同污染程度的耕地推荐适宜的红麻品种, 确定红麻各部位合理收获时间提供数据基础, 为红麻修复Cd污染耕地提供更多的理论支持。
1 材料与方法 1.1 试验材料试验材料由中国农业科学院麻类研究所提供, 见表 1。
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表 1 试验材料编号与品种 Table 1 Test material number and varieties |
试验基地选取湖南省浏阳市Cd污染基地, 土壤Cd含量为1.72~2.18 mg·kg-1。将7种红麻于2018年5月16日播种, 9月27日收获。每个红麻品种播种一个独立小区, 小区面积7.5 m2, 小区间行列间距20 cm, 红麻播种量25 g, 7个红麻品种小区为一个区组, 共设3个区组为试验重复, 区组内随机种植红麻小区, 于3个区组周围设保护行。种植期间, 于6月22日、7月23日、8月23日、9月27日进行红麻取样, 测定相应根、茎、叶的Cd含量; 于5月16日(播种期)与9月27日(收获期)取土样, 测定土壤Cd含量、测定各小区红麻最终的株高、茎粗、样方干质量、样方有效株数、单位面积干生物量, 计算各红麻品种的富集系数、转移系数、Cd移除量。
1.2.2 轻微污染耕地修复试验试验基地选取湖南省湘潭市Cd污染基地, 土壤Cd含量为0.38~0.50 mg·kg-1。7种红麻于2018年5月10日播种, 9月30日收获。样方面积和种植方式与重度污染修复试验相同。种植期间, 于6月20日、7月20日、9月22日进行红麻取样, 测定相应根、茎、叶的Cd含量; 于5月14日(播种期)与9月22日(收获期)取土样, 测定土壤Cd含量; 测定各小区红麻最终的株高、茎粗、样方干质量、样方有效株数、单位面积干生物量, 计算各品种红麻的富集系数、转移系数、Cd移除量、两个环境试验结果的总变异、各品种红麻的回归系数。
1.3 样品采集与分析方法取样时, 每种红麻在2个环境下3个小区里共取6株样本进行测定, 同时取6个相应土样。植株取样时, 确保其完整性与整洁性, 用自来水与去离子水清洗, 先105℃杀青1 h, 后80℃烘干至恒质量, 每个小区的样研磨后混匀。土壤取样时, 取小区表层下3~5 cm处土壤, 80℃烘干, 研磨混匀, 送至湖南省分析测试中心检测其Cd含量。植株和土壤检测方法分别参照《食品安全国家标准食品中多元素的测定》 (GB 5009.268-2016)和《土壤和沉积物12种金属元素的测定王水提取-电感耦合等离子体质谱法》 (HJ 803-2016)执行。
1.4 指标计算
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试验总变异数学模型为:
利用Finlay和Wilkinsom模型对各红麻品种进行回归分析, 回归系数bi的计算方法[19]为:
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数据采用SPSS 21与Microsoft Office 2019进行统计分析, 差异性分析采用Duncan分析。
2 结果与分析 2.1 重度Cd污染土壤修复试验 2.1.1 不同品种红麻Cd累积情况由图 1~图 3可知, 重度Cd污染下不同品种红麻各部位各时期的Cd累积差异明显, 但变化趋势近似一致。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月小幅度上涨。茎的Cd含量, 6月最高, 平均值11.30 mg·kg-1; 7月大幅下降; 8月与9月小幅下降, 9月最低, 平均值1.95 mg·kg-1。叶的Cd含量, 6月最高, 平均值14.38 mg·kg-1; 7月与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种红麻各部位Cd含量, 6月时叶>茎>根; 7月时叶>茎≈根; 8月时叶>根>茎; 9月时叶>根>茎。
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同一时期不同字母表示差异达5%显著水平。下同 The different letters indicate the significant differences up to 5% significant level in the same month. The same below 图 1 重度Cd污染下不同品种红麻中根的Cd含量 Figure 1 Cadmium content in different varieties of kenaf roots under heavily cadmium pollution |
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图 2 重度Cd污染下不同品种红麻中茎的Cd含量 Figure 2 Cadmium content in different varieties of kenaf stems under heavily cadmium pollution |
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图 3 重度Cd污染下不同品种红麻中叶的Cd含量 Figure 3 Cadmium content in different varieties of kenaf leaves under heavily cadmium pollution |
由表 2可得, 重度Cd污染下不同品种红麻各部位各时期的Cd富集系数差异明显。6月, 各品种红麻根的富集系数范围为3.51~6.82, 平均值5.08;茎的范围为4.79~7.73, 平均值6.22;叶的范围为6.25~9.91, 平均值7.89;富集系数排列为叶>茎>根。9月, 根的范围为1.58~4.38, 平均值3.33;茎的范围为1.11~1.76, 平均值1.44;叶的范围为6.49~8.83, 平均值7.45;富集系数排列为叶>根>茎。从6月到9月, 根富集系数下降了34.45%、茎下降了76.85%、叶下降了5.58%, 下降幅度茎>根>叶。
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表 2 不同品种红麻不同部位Cd富集系数 Table 2 Cadmium enrichment factor in different parts of different varieties of kenafs |
由表 3可得, 重度Cd污染下不同品种红麻各部位各时期的Cd转移系数差异较明显。6月, 各品种红麻茎的转移系数范围为0.94~1.49, 平均值为1.26;叶的范围为1.16~1.94, 平均数为1.61。7月, 茎的范围为0.63~1.78, 平均值为1.20;叶的范围为1.10~2.91, 平均数为2.16。8月, 茎的范围为0.61~0.80, 平均值为0.72;叶的范围为0.72~2.53, 平均数为1.61。9月, 茎的范围为0.32~0.70, 平均值为0.46;叶的范围为1.55~4.25, 平均数为2.43。从6月到9月, 茎的转移系数一直下降, 最终下降63.49%;而叶的转移系数先下降, 后上升, 最终上升50.93%。
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表 3 不同品种红麻不同部位Cd转移系数 Table 3 Cadmium transfer factor in different parts of different varieties of kenafs |
由图 4~图 6可知, 轻微Cd污染下不同品种红麻各部位各时期的Cd累积有明显差异, 但变化趋势近似一致。根的Cd含量, 6月最低, 平均值为1.75 mg· kg-1; 7月与9月小幅上升, 9月最高, 平均值为1.93 mg·kg-1。茎的Cd含量, 6月最高, 平均值为2.58 mg· kg-1; 7月大幅下降, 含量最低, 平均值为0.79 mg·kg-1; 9月小幅提升。叶的Cd含量, 6月最高, 平均值为4.56 mg·kg-1; 7月小幅下降, 含量最低, 平均值为2.86 mg·kg-1; 9月小幅提升。7种红麻各部位的Cd含量, 在6月时为叶>茎>根; 7月时叶>茎>根; 9月时叶>根>茎。
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图 4 轻微Cd污染下不同品种红麻中根的Cd含量 Figure 4 Cadmium content in different varieties of kenaf roots under slightly cadmium pollution |
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图 5 轻微Cd污染下不同品种红麻中茎的Cd含量 Figure 5 Cadmium content in different varieties of kenaf stems under slightly cadmium pollution |
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图 6 轻微Cd污染下不同品种红麻中叶的Cd含量 Figure 6 Cadmium content in different varieties of kenaf leaves under slightly cadmium pollution |
由表 4可知, 轻微Cd污染下不同品种红麻各部位各时期的Cd富集系数差异明显。6月时, 各品种红麻根的富集系数范围3.47~4.53, 平均值4.07;茎的范围4.91~7.53, 平均值5.96;叶的范围7.91~13.91, 平均值10.53;富集系数排列为叶>茎>根。9月时, 根的范围3.79~6.76, 平均值4.86;茎的范围2.08~2.73, 平均值2.42;叶的范围7.67~14.63, 平均值11.35;富集系数排列为叶>根>茎。从6月到9月, 根的富集系数上升了19.41%、茎的下降59.40%、叶的上升7.79%, 下降幅度茎>叶>根。
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表 4 不同品种红麻不同部位Cd富集系数 Table 4 Cadmium enrichment factor in different parts of different varieties of kenafs |
由表 5可知, 在轻微Cd污染耕地中, 不同红麻中叶的Cd转移系数差异明显, 茎中无明显差异。6月时, 各红麻茎的转移系数范围1.17~1.68, 平均值1.47;叶的转移系数范围1.89~3.07, 平均数2.63。7月时, 茎的范围0.29~0.65, 平均值0.46;叶的范围1.26~ 2.38, 平均数1.72。9月时, 茎的范围0.38~0.70, 平均值0.52;叶的范围2.02~2.92, 平均数2.50。从6月到9月, 茎的转移系数一直下降; 而叶的转移系数先下降, 后上升, 最终下降4.94%。
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表 5 不同品种红麻不同部位Cd转运系数 Table 5 Cadmium transfer factor in different parts of different varieties of kenafs |
由表 6可知, 重度Cd污染耕地中不同品种红麻移除的Cd含量为72.49~149.17 g·hm-2, 平均92.08 g· hm-2; 轻微Cd污染耕地中不同品种红麻移除的Cd含量为25.95~49.91 g·hm-2, 平均39.18 g·hm-2。从表 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%;轻微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)。将两个环境的数据进行对比, 重度污染耕地Cd含量为轻微污染的4.30倍, 红麻Cd移除量为轻微污染下的2.35倍, 土壤下降Cd含量是轻微污染环境的16.00倍, 下降幅度是轻微污染环境下的2.19倍。
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表 6 不同品种红麻Cd移除量（g·hm-2） Table 6 Cadmium removal capacity of different varieties of kenafs(g·hm-2) |
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表 7 不同品种红麻对应土壤Cd含量 Table 7 Cadmium content in soils corresponding to different varieties of kenafs |
由表 8可知, 重度Cd污染环境下, 不同品种红麻各项生长指标具明显差异。7种红麻中, X1、X2、XT4的株高超过5 m; X1、X2、XT5、16C的茎粗超过26 mm; X1与XT5的单位面积干生物量超过2.70 kg· m-2, 其中X1与XT5的生长指标与产量较其他品种红麻表现更优良。由表 9可知, 轻微Cd污染环境下, 不同品种红麻各项生长指标也具明显差异。7种红麻中, X1与X2的株高超过5 m, 茎粗超过24 mm, 单位面积干生物量超过3.00 kg·m-2, 其生长指标与产量较其他品种红麻表现更优良。
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表 8 重度Cd污染下不同品种红麻生长指标 Table 8 Physiological indexes of different varieties of kenafs under severe cadmium pollution |
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表 9 轻微Cd污染下不同品种红麻生长指标 Table 9 Physiological indexes of different varieties of kenats under severe cadmium pollution |
从表 10可知, 地点间、品种间、地点与品种互作的变异显著性均小于0.05, 可与F检验临界表进行对比, 而地点内区组的变异显著性为0.534, 为不显著变异。从F检验临界值表中, 可得F0.05(1, 24)=4.260, 小于地点间的F值; F0.05(6, 24)=2.508, 小于品种间、地点与品种互作间的F值。表明试验的总变异主要来源于地点间、品种间、地点与品种互作, 而地点内区组的变异对试验总变异未产生显著影响。从表 11可知, 各品种的回归系数均小于1, 表明各品种的稳定性都较高, 在重度Cd污染耕地中, X1与XT5各方面指标较其他品种更优, 但X1回归系数更低, 表现更稳定; 轻微Cd污染耕地中, X1与X2各方面指标较其他品种更优, 但X2回归系数更低, 表现更稳定。
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表 10 试验总变异及F检验 Table 10 Total test variation and F test |
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表 11 各品种回归系数 Table 11 Regression coefficient of each variety |
在两种污染耕地中, 红麻根与茎的Cd含量都呈下降趋势, 而叶Cd含量在下降后, 9月明显上升, 各部位Cd含量的前期排序为叶>茎>根, 后期为叶>根>茎。根Cd在两个耕地中分别下降53.44%与-10.29%, 茎中分别下降82.74%与69.38%, 叶中下降了54.38%与37.28%。茎的Cd含量下降幅度最大, 表明茎中有良好的Cd运输机制, 可将茎中的Cd运输到叶中[20]。而叶中的Cd在6月到8月有明显下降, 9月后明显上升, 可能是叶片中一些抗Cd或抗氧化的防御系统在发育过程中进行了响应[21], 如叶片中的POD[22]或SOD[23]等。红麻叶片富含蛋白, 可用作饲料原料, 而饲料含Cd量需低于1 mg·kg-1[24], 因此可选择在红麻叶片Cd含量较低的时间段进行收割, 即8月中下旬, 在添加时需注意控制其比例不超过10%;如要预防重金属污染食物链, 则可于9月底收割叶片来制作复合板材。红麻韧皮可作纤维生产纺织品, 茎秆作复合材料制造家具, 纺织品含Cd量需低于40 mg·kg-1, 家具含Cd量需低于75 mg·kg-1[25-26], 红麻韧皮部与茎秆中Cd含量远远低于相应标准, 故可以在红麻生长成熟后进行收割。
3.2 不同品种红麻Cd富集与转移系数的对比各品种红麻9月份在重度Cd污染环境中根的富集系数平均值为3.33、茎为1.44、叶为7.45;在轻微Cd污染环境中根富集系数平均值为4.86、茎为2.42、叶为11.35。对比符慧琴等[27]研究中, 0.41 mg·kg-1(轻微污染)Cd浓度土壤中20种苎麻的富集系数0.97~ 1.58, 谷雨等[28]研究中0.42 mg·kg-1Cd浓度环境下的甜高粱富集系数1.29~1.47、玉米富集系数0.76、油葵富集系数2.30, 邓婷等[29]研究中2.00 mg·kg-1(重度污染)Cd浓度土壤中玉米茎与叶的富集系数为7.45与6.20, 红麻表现出了较好的Cd富集能力。各品种红麻9月份在重度Cd污染环境中茎转移系数平均值为0.46, 叶为2.43;轻微Cd污染环境中茎转移系数平均值0.52, 叶为2.50。对比符慧琴等[27]研究中0.41 mg· kg-1的Cd浓度土壤中的20种苎麻转移系数0.66~ 1.41, 与邓婷等[29]研究中在2.00 mg·kg-1的Cd浓度土壤中的玉米茎与叶转移系数1.88和3.02, 红麻表现出较好的Cd转移能力。
3.3 不同品种红麻生长指标与相应土壤Cd含量将7种红麻种植在Cd污染的耕地中, 重度污染耕地中红麻Cd移除量为72.49~149.17 g·hm-2, 轻微污染耕地中红麻Cd移除量为25.95~49.91 g·hm-2。其中重度污染耕地中红麻Cd移除量大, 而轻微污染耕地中红麻Cd移除量小, 可能在土壤中Cd浓度较低时, 植物移除Cd的速度会随土壤Cd含量的增加而加快[30]。经过红麻种植的土壤, 重度污染耕地下降0.48 mg·kg-1, 降幅为24.99%;轻微污染耕地下降0.03 mg· kg-1, 降幅为8.26%, 虽然红麻的Cd移除量相对于整个耕地较低, 且无法精确检测, 但地下3~5 cm的取土样处是红麻根部集中处, 其Cd下降含量与幅度从侧面证实了红麻能对Cd污染耕地进行有效的修复。而土壤中出现的个别Cd含量增加情况, 可能是因为施肥、农药或污染的水源而致[31]。
4 结论(1) 7种红麻在Cd污染耕地中均可以正常生长, 表明均可用于土壤的Cd污染治理。中红麻13号与红麻H1701在重度污染耕地中各生长指标与产量均较优异, 其中中红麻13号表现更稳定且Cd移除量更高, 推荐用于重度Cd污染耕地种植修复; 中红麻13号与中红麻16号在轻微污染耕地中各生长指标与产量都较优异, 且移除量与稳定性都较高, 推荐用于轻微Cd污染耕地种植修复。
(2) 红麻成熟后, 各部位Cd积累量排序为叶>根>茎, 可在叶片完全成熟前进行收割, 以防止叶片成熟后脱落而二次污染耕地, 红麻韧皮与茎秆可待红麻成熟后进行收割, 以提高耕地种植红麻的整体经济效益。
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