王玉富

（中國農(nóng)業(yè)科學院麻類研究所，湖南 長沙 410205）

黃麻、紅麻在重金屬污染耕地修復中的應用研究進展

王玉富

（中國農(nóng)業(yè)科學院麻類研究所，湖南 長沙 410205）

黃麻（Corchorus capsularis L.）、紅麻（Hibiscus cannabinus）是非常適宜南方種植的一年生麻類作物。綜述了黃麻、紅麻的生長習性和應用前景，并從植物對重金屬的吸收能力、重金屬在植株體內(nèi)的分布、重金屬脅迫下植株的生理變化、外界環(huán)境對重金屬污染修復植物的影響等方面總結(jié)了黃麻、紅麻在土壤重金屬污染修復利用中的研究進展。結(jié)果表明，黃麻、紅麻是比較理想的重金屬污染耕地修復植物。

黃麻；紅麻；重金屬；污染；植物修復；綜述

我國首次全國土壤污染狀況調(diào)查從2005年開始至2013年結(jié)束，歷時9 a。環(huán)境保護部和國土資源部于2014年4月17日聯(lián)合發(fā)布《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》，公報指出，我國耕地土壤污染點位超標率為19.4%，主要污染物為鎘、鎳、銅、砷、汞、鉛、滴滴涕和多環(huán)芳烴。國土資源部中國地質(zhì)調(diào)查局于2015年6月發(fā)布《中國耕地地球化學報告》，報告稱，1999～2014年共調(diào)查土地面積150.7萬km2，其中耕地面積為0.924億hm2；重金屬中、重度污染或超標的點位占2.5%，覆蓋面積232.5萬hm2；輕微、輕度污染或超標的點位占5.7%，覆蓋面積526.6萬hm2；污染或超標耕地主要分布在湘鄂皖贛區(qū)、閩粵瓊區(qū)和西南區(qū)；污染或超標耕地面積總計759.1萬hm2，占調(diào)查耕地面積的8.22%。

耕地污染嚴重威脅著農(nóng)產(chǎn)品安全。以“鎘米”為代表的污染食品給人體健康、區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定帶來巨大沖擊。目前，污染水稻的重金屬有鉛、鎘、汞和銅等，其中鉛和鎘是最主要的重金屬污染物。隨著多個地區(qū)土壤重金屬污染情況日趨惡化[1]，各級政府對耕地污染問題越來越重視，開始投入大量資金進行治理。然而，如何解決土壤重金屬污染，尤其是大面積的農(nóng)田土壤重金屬污染，是一個十分嚴峻且棘手的問題。

1 植物修復

發(fā)達國家如美國、澳大利亞和加拿大等的耕地資源豐富，對重金屬污染超標的耕地一般采取休耕方式，使其自然恢復后再進行農(nóng)業(yè)利用。然而，我國耕地資源雖然總量很大，但人口基數(shù)大，人均耕地資源十分緊張，只有世界人均耕地平均水平的三分之一左右，因此對重金屬污染耕地必須采用安全利用或邊利用邊修復的方法。

植物修復是利用綠色植物來轉(zhuǎn)移、容納或轉(zhuǎn)化土壤中的重金屬、有機物或放射性元素等，降低土壤中污染物的含量，使其不影響農(nóng)產(chǎn)品安全。根據(jù)修復的機理和過程，可以將該技術(shù)分為植物提取、植物轉(zhuǎn)化、植物揮發(fā)和植物穩(wěn)定4種類型[2]。其中，研究較多的是植物提取，即利用植物對重金屬進行富集。與物理及化學修復技術(shù)相比，植物修復具有成本低、來源廣等特點，尤其適用于低濃度重金屬污染土壤的修復。植物提取修復技術(shù)是目前應用最多、最有發(fā)展前景的植物修復技術(shù)。

近年來，國內(nèi)的專家學者對重金屬超富集植物進行了大量研究。李雙玉等[3]的研究表明，當土壤中鎘添加濃度為20 mg/kg時, 葉用紅菾菜地上部鎘含量為159.79 mg/kg，富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)分別達到了7.99和2.83，富集效果顯著；魏樹和等[4]的研究表明，當土壤中鎘添加濃度為25 mg/kg時, 龍葵莖和葉中鎘含量分別為103.8和124.6 mg/kg，地上部鎘富集系數(shù)為2.68；劉周莉等[5]指出，在土培條件下，隨著土壤中鎘處理濃度的增加，忍冬的富集系數(shù)均在8.00左右；劉威等[6]的研究表明，寶山堇菜（Viola baoshanensis）生物富集系數(shù)變化范圍為0.7～5.2，平均富集系數(shù)為2.38。

截至2010 年，國內(nèi)外共發(fā)現(xiàn)超富集植物500種以上，多數(shù)為溫帶草本植物[7]。這些超富集植物對重金屬污染土壤具有很好的修復效果，但大多數(shù)為野生植物，生物量較低、生長緩慢、經(jīng)濟價值也不高或無經(jīng)濟價值，推廣應用的難度比較大。而利用非食用及非飼用作物的種植對重金屬污染耕地邊利用邊修復是一種比較理想的方法。黃麻、紅麻適宜在我國南方種植，生物產(chǎn)量高，其纖維具有較高的經(jīng)濟價值，是一種比較理想的重金屬污染耕地邊利用邊修復作物。

2 黃麻、紅麻的生長習性及應用前景

黃、紅麻都是短日照喜溫作物，喜溫暖濕潤氣候，主要種植在我國南方，具有生物產(chǎn)量高、耐漬水能力強等特點。

2.1 紅麻的生長習性

紅麻（Hibiscus cannabinus）為錦葵科木槿屬一年生草本韌皮纖維作物，莖直立，高3～5 m、粗1.5～3.0 cm，呈綠、紫、紅或淺紅色，生育期150 d以上，是低洼易澇地區(qū)以及鹽堿地區(qū)的穩(wěn)產(chǎn)作物。福建省曾對來自世界5大洲23個國家的51個紅麻種質(zhì)資源進行了耐旱性試驗，鑒定出7個紅麻耐旱種質(zhì)[8]。當紅麻長至2 m高時，淹水20 d以上，仍可保有一定產(chǎn)量。只要水淹不沒頂，麻株可以在水中生長1～2月之久。在0～5 cm土壤層中含鹽量低于0.25%時，紅麻均能正常生長；當土壤含鹽量在0.25%～0.42%時，植株將表現(xiàn)出不同程度的受害癥狀；當含鹽量在0.48%～0.52%時，植株受到嚴重鹽害，將逐漸枯萎死亡。研究表明，紅麻的耐鹽堿能力隨著根系的發(fā)育以及麻株的增高而增強[9]。此外，紅麻不僅具有較好的抗逆性，而且生物產(chǎn)量高，據(jù)報道紅麻最高生物質(zhì)產(chǎn)量可達20.3 t/hm2[10]。

2.2 黃麻的生長習性

黃麻（Corchorus capsularis L.）為椴樹科黃麻屬一年生草纖維作物，莖直立，株高2～4 m、粗1.0～2.0 cm，全株無毛。黃麻耐淹性較強，當麻苗長至40 cm以上時，長果種黃麻淹水沒尖8～12 d，圓果種黃麻淹水沒尖5～7d，植株均不死亡；淹水不沒尖，在水中浸漬15～20 d，麻株還能繼續(xù)生長。其中，旺長期是黃麻一生中抗?jié)晨寡湍芰ψ顝姷臅r期，在淹水不沒尖的情況下，水中浸漬16～27 d后，植株還能繼續(xù)生長。

研究顯示，土壤中含鹽量在0.2%～0.25%范圍內(nèi)，均可種植黃麻，尤其是圓果種黃麻，當土壤中氯化鈉含量達0.4%時仍能發(fā)芽。王利民等[11]在海濱鹽土種植2個黃麻品種，黃麻收割后，土壤鹽分別減少43%和52%。這表明黃麻是改良濱海鹽土的一種理想植物。

黃麻干物質(zhì)產(chǎn)量較高，最高產(chǎn)量可達25.17 t/hm2[12]。福黃麻3號是新培育黃麻品種，在2009～2010年的區(qū)域試驗中，其原麻產(chǎn)量為6 861.1 kg/hm2。2011年，在福建農(nóng)林大學莆田市白沙鎮(zhèn)基地進行的5個黃麻新品種高產(chǎn)栽培試驗中，福黃麻3號收獲原麻10.122 t/hm2[13]。

由于黃麻、紅麻等麻類纖維植物的適應性強，而且纖維產(chǎn)量高、纖維品質(zhì)各具特色，可以適應多種用途的要求。例如，黃麻纖維白而有光澤、吸濕性好、散水快，是運動服裝的優(yōu)質(zhì)原材料。因此，黃麻、紅麻的全球需求量每年正以8%的速度遞增，發(fā)展?jié)摿薮?，市場前景廣闊[14]。

3 黃麻、紅麻對重金屬修復的研究進展

國外對紅麻在重金屬污染土壤修復方面的應用研究得較早，研究內(nèi)容與范圍也相對較廣。目前，國內(nèi)也相繼開展了黃麻、紅麻的相關(guān)研究。作為重金屬污染修復植物，首先該植物對重金屬的耐受能力要強，其次重金屬在植株體內(nèi)的分布以及重金屬和外界環(huán)境對植物的影響等也是必須考慮的因素。因此，國內(nèi)外的相關(guān)研究主要集中在以下幾個方面。

3.1 植物對重金屬的吸收能力

Carlson等[15]將紅麻種植在含112～224 t/hm2下水道污泥的土壤中，發(fā)現(xiàn)紅麻莖中積累了可觀的重金屬（有Fe、Zn、Mn、Cu、Pb、Cr、Cd、Hg），故而認為紅麻可以用于重金屬污染的治理。栗原宏幸等[16]認為植物修復比其他方法更安全，他們將紅麻連續(xù)3年種植在日本西南地區(qū)鎘污染的農(nóng)田中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)土壤中的鎘含量以347 g/(hm2·a)的速度下降，證明紅麻對鎘污染土壤具有明顯的修復作用。Babatunde等[17]的研究表明，在質(zhì)地和鉛濃度不同的土壤中種植紅麻，收獲后土壤中殘留的鉛含量明顯低于所加入的鉛含量，說明紅麻對消除污染土壤中的鉛非常有效。

Sarra等[18]在鎘、鋅有效含量分別為1.83和451 mg/kg的淤泥中進行紅麻和玉米的修復能力試驗，結(jié)果顯示，紅麻莖中鎘和鋅的含量分別為2.49和82.5mg/kg，玉米莖中鎘和鋅的含量分別為2.1和10.19 mg/kg。

紅麻不僅對重金屬具有一定的耐受性，在一定量重金屬污染的刺激下，紅麻的產(chǎn)量還有所提高。Salim等[19]研究發(fā)現(xiàn)，將鉛濃度控制在100 mg/kg水平，能顯著提高沙壤土栽培紅麻的莖和根的干物質(zhì)產(chǎn)量。

3.2 重金屬在植株體內(nèi)的分布

不同的重金屬在黃麻、紅麻體內(nèi)的分布是不同的，不同品種其體內(nèi)的重金屬分布也不盡相同。栗原宏幸等[16]的研究表明，紅麻葉中鎘含量最高，達到了52.3 mg/kg，其次是莖、根、果實，植株整體的平均水平為9.6～14.4 mg/kg。陳軍等[20]研究了不同黃麻、紅麻品種植株各器官對重金屬鋅、鎘、砷、鉛 的積累和分布特性，結(jié)果表明，黃麻、紅麻各器官中鋅的積累分布較均勻；砷和鎘的積累特性為根＞葉（籽粒）＞莖稈；鉛的積累特性為根＞莖稈＞葉（籽粒）；在土壤重金屬脅迫下耐受性較好的黃麻、紅麻品種有黃麻09-2、09-3、09-5和紅麻09-1、09-3、09-5。Ho等[21]將紅麻應用于尾礦沙中鉛的植物提取，結(jié)果顯示，鉛存在紅麻的根、莖、蒴果等部位，但是葉中沒有。有機肥料可以極大地提高紅麻的生物質(zhì)產(chǎn)量，并促進植株對鉛的積累，85%的鉛積累在紅麻的根部。進一步研究發(fā)現(xiàn)，鉛主要積累在植物細胞的細胞壁中。

3.3 重金屬脅迫下植株的生理變化

Li等[22]的研究顯示，不同紅麻品種對鎘的耐受性不同，F(xiàn)uhong 991對鎘的耐性高于ZM412。在鎘脅迫下，紅麻葉片中的超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）的活性與對照相比有波動， Fuhong 991中的谷胱甘肽還原酶（GR）活性明顯增強，根中的SOD、CAT和POD活性都高于對照，但是Fuhong 991的POD活性在不同鎘水平的處理中幾乎保持不變。

李正文等[23]以紅麻不育系、恢復系和雜交種為材料進行試驗，結(jié)果表明，在鎘、鉛脅迫下3種紅麻材料的丙二醛（MDA）、脯氨酸（Pro）、過氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）等都發(fā)生了變化；所有生理指標變化趨勢中以不育系P3A 變化最明顯；雜交F1變化最不明顯，表現(xiàn)出明顯的雜種優(yōu)勢。

3.4 外界環(huán)境對重金屬污染修復植物的影響

Babatunde等[17]研究了在不同質(zhì)地和鎘濃度的土壤中，紅麻在pH值5.3的情況下更易吸收鎘；施加的鎘濃度越高，紅麻在兩種質(zhì)地土壤中吸收的鎘越多。Ho等[21]在以紅麻為材料修復尾礦土壤的研究中發(fā)現(xiàn)，根部吸收的鉛占整個植株鉛吸收量的80%。

韋蘭潔等[24]研究表明，單一的鉛污染處理會抑制紅麻的生長發(fā)育，使其產(chǎn)量下降，但是鉛、鋅復合污染時，鋅可抑制莖對鉛的吸收，而鉛可促進莖對鋅的吸收。

陳燕玫等[25]研究發(fā)現(xiàn)接種植物根際促生菌DBM1，可有效促進鉛脅迫下紅麻的生長，輔助紅麻對高鉛污染土壤進行植物穩(wěn)定修復。

[S, S]-乙二胺二琥珀酸（EDDS）是一種重金屬活化劑。Kos等[26]發(fā)現(xiàn)在大麻生長過程中施用EDDS后，地上部干物質(zhì)中鉛、鋅和鎘含量分別為未施EDDS的1 926倍、7.5倍和11倍。研究表明，318 μmol/L EDDS對紅麻生長無顯著生長毒性[27]，但施用EDDS是否會促進紅麻對重金屬吸收還有待驗證。

此外，還有學者在紅麻對鎘、鉛的修復過程中添加N、P、K肥料或調(diào)整土壤pH值、添加EDTA等螯合劑，以期通過這些措施來促進紅麻對鎘、鉛的吸收積累，增強其對污染土壤的修復效果。

4 黃麻、紅麻在重金屬污染耕地修復中的應用前景

黃麻、紅麻是我國南方傳統(tǒng)的經(jīng)濟作物，種植歷史悠久。與其他植物相比，黃麻、紅麻在重金屬污染耕地修復中具有以下優(yōu)勢。第一，農(nóng)民種植黃麻、紅麻的經(jīng)驗豐富，為實現(xiàn)重金屬污染耕地邊利用邊修復的戰(zhàn)略打下良好的技術(shù)基礎。第二，長期種植以及品種選育，黃麻、紅麻對南方的高溫、多雨天氣和漬水稻田環(huán)境已基本適應。第三，黃麻、紅麻對重金屬有較強的耐受性，在一定程度的污染環(huán)境下，植株可以正常生長；同時，黃麻、紅麻的生物產(chǎn)量很高，麻莖年產(chǎn)量可達20 t/hm2以上，是針葉木材的3～4倍，其CO2吸收率是森林的4倍[28]。

雖然黃麻、紅麻對重金屬的富集系數(shù)一般研究認為達不到超富集植物的標準，但是相對其他農(nóng)作物還是比較高的。Sarra等[18]的試驗結(jié)果顯示，紅麻莖部的重金屬富集系數(shù)為0.704，比玉米重金屬富集系數(shù)高0.093。Ho等[21]的研究表明，當土壤中鉛濃度為100～400 mg/kg時，紅麻對重金屬的富集系數(shù)可達1～3。

王國慶等[27]的研究顯示，紅麻各組織中銅的富集濃度從高到低依次為根＞葉＞莖（皮），紅麻纖維皮層內(nèi)銅含量低于其他組織內(nèi)的銅含量，并低于紡織產(chǎn)品銅含量標準 （HJBZ 30-2000）。由此推測，在銅污染土壤中種植紅麻，有望實現(xiàn)紅麻纖維的安全生產(chǎn)，并對輕度銅污染土壤有一定的修復作用。

黃麻、紅麻具有一定的經(jīng)濟價值，比較容易推廣種植。雖然黃麻、紅麻編織麻袋的傳統(tǒng)用途大部分被化纖取得，但是由于纖維處理技術(shù)和紡織技術(shù)的發(fā)展，黃麻、紅麻已經(jīng)逐步應用于服飾面料、床上用品、家居用品等領域，其副產(chǎn)品還被廣泛用于碳粉、復合材料、紙張等生產(chǎn)中，用途廣泛。國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，1999年中國紙張及紙板的總產(chǎn)量為2 900萬t，到2009年紙張及紙板的產(chǎn)量增長到9 383萬t，10 a間增長近2.3倍，年均增長13.9%。在中國宏觀經(jīng)濟持續(xù)向好背景的帶動下，目前中國造紙企業(yè)特別是大企業(yè)擴張步伐繼續(xù)加快，產(chǎn)能增長勢頭迅猛[29]。與毛竹相比，用紅麻全桿原料制漿造紙不僅采購成本低，而且煤、電、氣等的消耗也較少[30]。紅麻高得率漿可用于配抄新聞紙、文化用紙、箱紙板等。紅麻特殊的化學組成及細胞結(jié)構(gòu)使得其在高得率漿及生物制漿方面更具有優(yōu)勢[31]。

綜上所述，在重金屬污染農(nóng)田中種植黃麻、紅麻，一般不會造成產(chǎn)品的重金屬超標，符合安全產(chǎn)品標準，同時黃麻、紅麻生物產(chǎn)量高、適應性好、用途廣、對重金屬的富集能力強、種植技術(shù)成熟，其主要產(chǎn)品是纖維，不進入食物鏈。因此，黃麻、紅麻是比較理想的重金屬污染耕地修復植物，發(fā)展前景廣闊。

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（責任編輯：成 平）

Review of Jute and Kenaf Application in Remediation of Arable Lands Contaminated by Heavy Metals

WANG Yu-fu

（Institute of Bast Fiber Crops, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Changsha 410205, PRC）

Jute（Corchorus capsularis L.）and kenaf（Hibiscus cannabinus）are annual herbaceous plants adaptable to south China. This paper reviews growth characteristics and application of jute and kenaf in the phytoremediation of soils contaminated by heavy metals from several aspects, including their capacity of absorbing heavy metals, the distribution of heavy metals in plants, their physiological changes under heavy metal stress and the impact of external environment on plants restoring soils; and prospects that jute and kenaf are ideal plants for the phytoremediation of arable lands contaminated by heavy metals.

jute; kenaf; heavy metals; contamination; phytoremediation; review

X53

A

1006-060X（2015）08-0049-04

10.16498/j.cnki.hnnykx.2015.08.016

2015-07-13

科技創(chuàng)新工程資助項目（ASTIP-IBFC06）；國家麻類產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系資助項目（CARS-19-E14）

王玉富（1962-），男，山東泰安市人，研究員，主要從事麻類作物栽培及育種研究。