許艷萍 楊 明 郭鴻彥 楊清輝

5個(gè)工業(yè)大麻品種對(duì)5種重金屬污染土壤的修復(fù)潛力

許艷萍1,2楊 明2郭鴻彥2楊清輝1,*

1云南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院, 云南昆明 650201;2云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所, 云南昆明 650205

為探究不同工業(yè)大麻品種在苗期與工藝成熟期對(duì)鉛(Pb)、鋅(Zn)、銅(Cu)、鎘(Cd)與砷(As)的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)能力。本研究以5個(gè)主栽工業(yè)大麻品種為試驗(yàn)材料, 開展云南礦區(qū)重金屬污染農(nóng)田修復(fù)試驗(yàn)。結(jié)果表明, 5個(gè)工業(yè)大麻品種積累5種重金屬的能力均較強(qiáng)。根系對(duì)5種重金屬的富集在工藝成熟期高于苗期; 莖葉對(duì)重金屬Pb、As和Cd的富集在工藝成熟期高于苗期, 但對(duì)Cu、Zn的富集卻表現(xiàn)為苗期高于工藝成熟期。轉(zhuǎn)移系數(shù)表明, 在苗期, 莖葉對(duì)5種重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均>1, 說明其對(duì)5種重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)能力均較強(qiáng); 在工藝成熟期, 5個(gè)工業(yè)大麻品種的莖葉對(duì)Pb、As和Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)能力較強(qiáng), 對(duì)Cu、Zn的轉(zhuǎn)運(yùn)能力較弱。5個(gè)工業(yè)大麻品種在工藝成熟期對(duì)Pb、As、Cu、Cd和Zn的絕對(duì)富集量存在差異, 分別為431.65~644.29、365.14~624.25、180.65~194.06、15.13~24.40、540.07~684.27 g hm-2, 云麻1號(hào)和云麻5號(hào)對(duì)Pb、As、Cd、Zn的絕對(duì)富集量最高, 顯著高于其他品種。綜上所述, 云麻1號(hào)和云麻5號(hào)富集轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和修復(fù)效率均高于云麻2號(hào)、云麻3號(hào)和云麻4號(hào)。因此云麻1號(hào)和云麻5號(hào)為5種重金屬的富集能力最強(qiáng)潛力品種, 適宜在云南重金屬污染地區(qū)推廣種植, 為當(dāng)?shù)赝寥乐亟饘傥廴局卫硖峁┝死碚搮⒖己图夹g(shù)依據(jù)。

工業(yè)大麻; 重金屬; 修復(fù)潛力

隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展, 環(huán)境問題日顯突出。尤其在現(xiàn)代礦業(yè)發(fā)展過程中, 礦區(qū)周邊的農(nóng)田被長期尾礦堆的廢液、廢渣侵蝕和淋濾導(dǎo)致嚴(yán)重的重金屬面源污染[1]。面源污染引起周邊農(nóng)田土壤中多種重金屬嚴(yán)重超標(biāo), 隨著污染區(qū)種植的植物吸收、富集重金屬作用, 通過食物鏈而進(jìn)入人體, 最終嚴(yán)重危害人類健康[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì), 我國每年糧食因重金屬污染造成的直接經(jīng)濟(jì)損失超過200億元[3-4]。重金屬污染土壤治理已成為生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究的重要課題之一。修復(fù)農(nóng)田土壤重金屬污染, 保障作物的安全生產(chǎn), 成為土壤和環(huán)境領(lǐng)域研究的重中之重。

植物修復(fù)技術(shù)是目前治理土壤環(huán)境污染的綠色、經(jīng)濟(jì)、安全的一種新型土壤污染治理技術(shù)[5]。通過一定方法使用植物將土壤中重金屬移出土體(活化)[6], 其技術(shù)是利用植物自身的生理特性, 以及其與根際微生物的聯(lián)合作用, 對(duì)土壤中的重金屬進(jìn)行吸收、富集, 并通過代謝活動(dòng), 達(dá)到降低土壤中重金屬的目的[7]。為有效達(dá)到該目的, 利用重金屬高富集植物, 提高其植物生物產(chǎn)量和重金屬富集、吸收能力為其達(dá)到重金屬修復(fù)目的關(guān)鍵途徑[8], 而目前發(fā)現(xiàn)的超積累植物大多數(shù)存在生物量小、生態(tài)適應(yīng)性差、育苗難、富集能力單一、經(jīng)濟(jì)價(jià)值不高等缺點(diǎn), 達(dá)不到理想的修復(fù)效果[9-10]。因而, 近年來一些重金屬耐性強(qiáng)、生長快、生物量大、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高并有一定的重金屬富集能力的植物, 被逐步應(yīng)用到重金屬修復(fù)當(dāng)中, 如油菜[11]、玉米[12], 然而, 現(xiàn)今使用的該類型植物, 大多數(shù)屬于食用作物, 重金屬會(huì)通過食物鏈而危害人類健康。因此, 急需尋求一種生物量大、吸收重金屬能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高且不進(jìn)入食物鏈的植物進(jìn)行土壤重金屬污染修復(fù)。

大麻(L.)為大麻科(Cannabina ceae)大麻屬()一年生草本植物。工業(yè)大麻為通過遺傳改良、無毒品利用價(jià)值、可以合法化推廣種植的大麻, 被公認(rèn)是一種高生物量、生長快、富集重金屬能力強(qiáng)、不進(jìn)入食物鏈且極具經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值的物種[13]。其具有生長快速、根系龐大、碳匯能力強(qiáng)且對(duì)復(fù)合重金屬污染的土壤具有很好的修復(fù)潛力, 同時(shí)具備生物量大、可大量吸收多種重金屬的特點(diǎn)[8], 滿足Marchiol等[14]于2004年提出的理想土壤修復(fù)植物標(biāo)準(zhǔn): 一是能吸附和遷移土壤中的重金屬; 二是具有一定的重金屬耐性; 三是生長速度快且生物量大; 四是適應(yīng)性強(qiáng)并易于收割。大量研究表明, 利用大麻類型的經(jīng)濟(jì)作物進(jìn)行修復(fù)比利用超富集植物更加經(jīng)濟(jì)、可靠、有效[15-16]。因此使用工業(yè)大麻作為最適宜礦區(qū)重金屬污染修復(fù)的理想候選作物之一備受研究者關(guān)注, 且具有重要的實(shí)際意義。目前, 植物修復(fù)的相關(guān)研究主要見于選擇尾礦庫建立能源植物生產(chǎn)基地并開展土壤污染特征分析[17]、選擇重金屬污染礦區(qū)開展能源甘蔗規(guī)?；N植并開展耐重金屬污染甘蔗優(yōu)良品種的選育[18]等, 而關(guān)于不同工業(yè)大麻品種在大田條件下對(duì)土壤重金屬修復(fù)潛力的研究報(bào)道較少, 對(duì)該方面進(jìn)行深入系統(tǒng)研究具有重要的實(shí)踐和理論指導(dǎo)意義。因此, 本研究以云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所選育的5個(gè)工業(yè)大麻品種為修復(fù)試驗(yàn)材料, 將其種植于典型重金屬污染礦區(qū)附近農(nóng)田, 分析比較不同工業(yè)大麻品種對(duì)重金屬Pb、As、Cu、Cd、Zn的修復(fù)潛力, 以期篩選具有高重金屬積累潛力的工業(yè)大麻品種, 為治理重金屬污染農(nóng)田提供可利用工業(yè)大麻種質(zhì)資源, 也為工業(yè)大麻修復(fù)重金屬提供相關(guān)參考信息數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

云南某礦區(qū)附近農(nóng)田已遭受不同程度的重金屬污染, 在對(duì)礦區(qū)周邊幾個(gè)村的農(nóng)田土壤重金屬污染調(diào)查和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基礎(chǔ)上, 選取代表該區(qū)域重金屬污染水平的農(nóng)田開展試驗(yàn)(103o14′59.45″E, 23o24′8.66″N, 海拔1321 m), 該農(nóng)田為嚴(yán)重重金屬污染地區(qū), 土壤的pH 5.21, 含有機(jī)質(zhì)28.0 g kg-1、全氮0.136%、全磷0.075%、全鉀3.47%、水解性氮111.8 mg kg-1、有效磷72 mg kg-1、速效鉀171 mg kg-1、Pb 215.4 mg kg-1、As 92.9 mg kg-1、Cu 54.1 mg kg-1、Cd 2.31 mg kg-1、Zn 107.7 mg kg-1。

1.2 供試品種

云麻1號(hào)、云麻2號(hào)、云麻3號(hào)、云麻4號(hào)、云麻5號(hào)為云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所選育的工業(yè)大麻品種, 編號(hào)分別為ym1、ym2、ym3、ym4、ym5, 其中ym2為早熟型品種, ym3和ym4為中熟型品種, ym1和ym5為晚熟型品種。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì), 分為3個(gè)區(qū)組, 每個(gè)區(qū)組5個(gè)小區(qū), 共15個(gè)小區(qū), 每個(gè)小區(qū)面積為30 m2, 采用纖維型種植模式, 行距為30 cm, 小區(qū)之間留80 cm的道路, 密度為30,000株 hm-2。按常規(guī)田間管理種植。

1.4 樣品采集和處理方法

采用5點(diǎn)取樣法采集土壤和工業(yè)大麻樣品。采集耕作層0~20 cm土壤, 每個(gè)小區(qū)采集5點(diǎn)的土樣混合裝于塑料袋, 每個(gè)點(diǎn)的土樣為1 kg; 在工業(yè)大麻苗期、工藝成熟期采集工業(yè)大麻樣品, 每個(gè)小區(qū)采樣10株, 晾干后分不同器官(根、莖葉)制備樣品, 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質(zhì)量, 烘干樣品粉碎后備測(cè)。用HNO3∶HClO4= 5∶1 (:)的混合液進(jìn)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(cè)定Pb、Cd含量; 采用原子熒光法(GB/T 22105.2-2008)測(cè)定As含量; 采用火焰原子吸收分光光度法(GB/T 17138-1997)測(cè)定Cu、Zn含量。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

各工業(yè)大麻品種重金屬富集系數(shù)(bioconcentra tion factor, BCF)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(translocation factor, TF), 計(jì)算公式如下:

BCF = 工業(yè)大麻各部位重金屬含量(mg kg-1)/土壤中重金屬含量(mg kg-1);

TF = 工業(yè)大麻地上各部位重金屬含量(mg kg-1)/根重金屬含量(mg kg-1)。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007分析數(shù)據(jù); 使用SPSS 20.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析; 使用GraphPad Prism 8作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 工業(yè)大麻地下部分2個(gè)生育時(shí)期重金屬含量差異分析

5個(gè)工業(yè)大麻品種的根系不同時(shí)期對(duì)5種重金屬的含量存在差異(圖1)。2個(gè)時(shí)期云麻1號(hào)(ym1)根系中Pb含量皆最大, 表現(xiàn)出較強(qiáng)Pb積累能力, 尤其是工藝成熟期其根的含量顯著高于云麻2號(hào)(ym2)、云麻3號(hào)(ym3)和云麻5號(hào)(ym5) (圖1-A)。As在各品種苗期根系含量皆較低, 工藝成熟期云麻4號(hào)(ym4)和ym2根系A(chǔ)s含量最大, 顯著高于ym1和ym5 (圖1-B)。Cu在ym4根的含量在苗期和工藝成熟期表現(xiàn)為皆最大(圖1-C)。在苗期根Cd含量最大的為ym5, 且與其他4個(gè)品種間差異顯著; 工藝成熟期含最大的為ym4, 顯著高于ym1、ym3和ym5 (圖1-D)。苗期根系A(chǔ)s含量最大是ym5, 而工藝成熟期含量最大的是ym4, 且品種間差異不顯著(圖1-E)。

圖1 不同工業(yè)大麻品種不同時(shí)期根系重金屬的含量

A: 根系Pb含量; B: 根系A(chǔ)s含量; C: 根系Cu的含量; D: 根系Cd的含量; E: 根系Zn的含量。ym1: 云麻1號(hào); ym2: 云麻2號(hào); ym3: 云麻3號(hào); ym4: 云麻4號(hào); ym5: 云麻5號(hào)。圖中不同字母表示在0.05水平上的差異顯著。

A: content of Pb in roots; B: content of As in roots; C: content of Cu in roots; D: content of Cd in roots; E: content of Zn in roots. ym1: Yunma 1; ym2: Yunma 2; ym3: Yunma 3; ym4: Yunma 4; ym5: Yunma 5. Bars superscrpted by different lowercase letters indicate significant differences among treatments at the 0.05 probability level.

綜上所述, 5個(gè)工業(yè)大麻品種在2個(gè)時(shí)期根系對(duì)5種重金屬的含量有差異。整體表現(xiàn)為ym1累積Pb的量最高, 且工藝成熟期的含量高于苗期; 而累積As和Cd的量, 苗期最低, 工藝成熟期高, 且ym1積累As的量最低, 5個(gè)品種均富集重金屬Cd; 對(duì)Cu的富集則表現(xiàn)為2個(gè)時(shí)期均高; 從苗期到工藝成熟期對(duì)Zn的累積量逐漸升高, 且工藝成熟期5個(gè)品種對(duì)Zn含量差異不顯著。

2.2 工業(yè)大麻地上部分2個(gè)生育時(shí)期不同重金屬含量差異分析

從圖2可知, 地上部分在2個(gè)時(shí)期對(duì)5種重金屬的含量不同, 苗期地上部分重金屬含量普遍高于地下部分, 且5個(gè)品種間有差異。苗期中Pb在ym1莖葉的含量最大; 工藝成熟期則以ym2含量最大, 且與ym1和ym4差異不顯著(圖2-A)。苗期莖葉吸收As量最大的為ym5, 顯著高于ym4; 工藝成熟期As含量最大的為ym1, 且顯著高于ym2、ym3、ym4 (圖2-B)。苗期莖葉中Cu含量明顯高于工藝成熟期, 且苗期中含量最大的為ym4, 品種間差異不顯著; 工藝成熟期含量最大的為ym3, 顯著高于ym1 (圖2-C)。Cd在莖葉中的含量在2個(gè)時(shí)期中含量最大的皆為ym1, 工藝成熟期顯著高于ym3, 與其他品種間差異不顯著(圖2-D)。苗期莖葉對(duì)Zn含量最大的為ym5, 品種間差異不顯著; 工藝成熟期含量最大的為ym2, 顯著高于其他品種(圖2-E)。

綜上所述, 5個(gè)工業(yè)大麻品種在2個(gè)生育時(shí)期地上部分對(duì)5種重金屬的含量有差異。整體表現(xiàn)對(duì)Pb、As的含量皆高, Pb含量在38.00~60.00 mg kg-1之間, As含量在25.00~40.00 mg kg-1之間, 且ym1積累Pb的能力強(qiáng)于其他品種; 對(duì)Cu的含量則表現(xiàn)為苗期最高, 高達(dá)46.31 mg kg-1, 到工藝成熟期急劇下降, 含量不超過20.00 mg kg-1; 地上部分對(duì)Cd的含量均在1.00 mg kg-1以上, 對(duì)重金屬Cd有很強(qiáng)的富集性; 而對(duì)重金屬Zn, 苗期地上部分的含量整體表現(xiàn)均較高, 最高含量高達(dá)82.95 mg kg-1, 而除ym2外, 其他品種從苗期到工藝成熟期呈現(xiàn)急劇下降的趨勢(shì)。

圖2 不同工業(yè)大麻品種不同時(shí)期莖葉重金屬的含量

A: 莖葉Pb含量; B: 莖葉As含量; C: 莖葉Cu的含量; D: 莖葉Cd的含量; E: 莖葉Zn的含量。ym1: 云麻1號(hào); ym2: 云麻2號(hào); ym3: 云麻3號(hào); ym4: 云麻4號(hào); ym5: 云麻5號(hào)。圖中不同字母表示在0.05水平上的差異顯著。

A: content of Pb in stems and leaves; B: content of As in stems and leaves; C: content of Cu in stems and leaves; D: content of Cd in stems and leaves; E: content of Zn in stems and leaves. ym1: Yunma 1; ym2: Yunma 2; ym3: Yunma 3; ym4: Yunma 4; ym5: Yunma 5. Bars superscripted by different lowercase letters indicate significant differences among treatments at the 0.05 probability level.

2.3 工業(yè)大麻2個(gè)生育時(shí)期中不同重金屬富集、轉(zhuǎn)運(yùn)的品種差異分析

2.3.1 工業(yè)大麻苗期不同重金屬富集、轉(zhuǎn)運(yùn)的品種差異分析 土壤重金屬污染相關(guān)的研究中一般采用富集系數(shù)作為品種篩選的依據(jù)。由表1可知, 在苗期, 5個(gè)工業(yè)大麻品種對(duì)土壤中5種重金屬的吸收能力存在差異, 除了ym1和ym5的地上部分對(duì)重金屬Cd的富集系數(shù)>1, 其余的富集系數(shù)都<1, 對(duì)Pb吸收最強(qiáng)的是ym1, 對(duì)As吸收最強(qiáng)的是ym3及ym5, 對(duì)Cu吸收最強(qiáng)的是ym4, 對(duì)Cd吸收最強(qiáng)的是ym1, 對(duì)Zn吸收最強(qiáng)的是ym5。

大麻莖葉中不同重金屬含量的變化與大麻重金屬從根部向莖葉中轉(zhuǎn)運(yùn)的程度有關(guān), 數(shù)值越大, 表明重金屬越容易轉(zhuǎn)運(yùn), 數(shù)值越小表示轉(zhuǎn)運(yùn)越困難。從表2可看出, 在苗期, 5個(gè)工業(yè)大麻品種莖葉對(duì)5種重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均>1, 說明其對(duì)5種重金屬由根向莖葉的轉(zhuǎn)運(yùn)能力均較強(qiáng), 依次為Cd>As>Pb> Cu>Zn, 尤其Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)能力強(qiáng), ym1從地下部分向地上部分轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)超過24。

2.3.2 工業(yè)大麻工藝成熟期不同重金屬富集、轉(zhuǎn)運(yùn)的品種差異分析 由表3可知, 在工藝成熟期, 5個(gè)工業(yè)大麻品種對(duì)土壤中5種重金屬的吸收能力存在差異, 除ym4的根系對(duì)Cd的富集系數(shù)>1, 其余的富集系數(shù)都<1, 對(duì)Pb吸收最強(qiáng)的是ym1, 對(duì)As和Cu吸收最強(qiáng)的是ym4、ym5, 對(duì)Cd吸收最強(qiáng)的是ym2、ym4, 對(duì)Zn吸收最強(qiáng)的是ym2、ym4。

由表4可知, 在工藝成熟期, 從轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)看, 5個(gè)工業(yè)大麻品種莖葉對(duì)Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)都>1, 說明其對(duì)Pb轉(zhuǎn)運(yùn)能力均較強(qiáng); 除ym2葉對(duì)As的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)<1, 其余4個(gè)大麻品種對(duì)As的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)>1, 說明ym2對(duì)As的轉(zhuǎn)運(yùn)能力相對(duì)較弱; 5個(gè)大麻品種莖葉對(duì)Cu的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)都<1, 說明其對(duì)Cu的轉(zhuǎn)運(yùn)能力均較弱; ym1、ym2、ym5的莖葉對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)>1, ym3、ym4<1; ym1、ym2的莖葉對(duì)Zn的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)>1, ym3、ym4、ym5<1。

表1 苗期重金屬在不同器官的富集系數(shù)(BCF)

同列不同小寫字母表示處理間在0.05水平上差異顯著(0.05)。ym1: 云麻1號(hào); ym2: 云麻2號(hào); ym3: 云麻3號(hào); ym4: 云麻4號(hào); ym5: 云麻5號(hào)。

Values followed by different lowercase letters in a column indicate significant difference among treatments at the 0.05 probability level. ym1: Yunma 1; ym2: Yunma 2; ym3: Yunma 3; ym4: Yunma 4; ym5: Yunma 5.

表2 苗期重金屬在不同器官的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)

同列不同小寫字母表示處理間在0.05水平上差異顯著(0.05)。ym1: 云麻1號(hào); ym2: 云麻2號(hào); ym3: 云麻3號(hào); ym4: 云麻4號(hào); ym5: 云麻5號(hào)。

Values followed by different lowercase letters in a column indicate significant difference among treatments at the 0.05 probability level. ym1: Yunma 1; ym2: Yunma 2; ym3: Yunma 3; ym4: Yunma 4; ym5: Yunma 5.

表3 工藝成熟期重金屬在不同器官的富集系數(shù)(BCF)

同列不同小寫字母表示處理間在0.05水平上差異顯著(0.05)。ym1: 云麻1號(hào); ym2: 云麻2號(hào); ym3: 云麻3號(hào); ym4: 云麻4號(hào); ym5: 云麻5號(hào)。

Values followed by different lowercase letters in a column indicate significant difference among treatments at the 0.05 probability level. ym1: Yunma 1; ym2: Yunma 2; ym3: Yunma 3; ym4: Yunma 4; ym5: Yunma 5.

表4 工藝成熟期重金屬在不同器官的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)

同列不同小寫字母表示處理間在0.05水平上差異顯著(0.05)。ym1: 云麻1號(hào); ym2: 云麻2號(hào); ym3: 云麻3號(hào); ym4: 云麻4號(hào); ym5: 云麻5號(hào)。

Values followed by different lowercase letters in a column indicate significant difference among treatments at the 0.05 probability level. ym1: Yunma 1; ym2: Yunma 2; ym3: Yunma 3; ym4: Yunma 4; ym5: Yunma 5.

2.4 工業(yè)大麻對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)潛力

植物對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)潛力主要取決于重金屬絕對(duì)富集量, 5個(gè)工業(yè)大麻品種2個(gè)生育時(shí)期對(duì)5種重金屬都具有很強(qiáng)的富集能力, 苗期生物量低, 所以相對(duì)工藝成熟期重金屬的絕對(duì)富集量小, 不同品種對(duì)同一種重金屬的絕對(duì)富集量差異顯著(<0.05)。2個(gè)生育時(shí)期5個(gè)品種對(duì)5種重金屬的絕對(duì)富集量如表5。在苗期, 5個(gè)品種中, 對(duì)Pb、As、Cu、Cd和Zn富集能力和修復(fù)潛力最強(qiáng)的是ym1和ym5, 每公頃地塊可以吸附超過40 g Pb、近30 g As、35 g Cu、2 g Cd和95 g Zn。在工藝成熟期, 5個(gè)工業(yè)大麻品種的生物量和重金屬的富集量基本達(dá)最大或穩(wěn)定。以ym1對(duì)Pb、As的絕對(duì)富集量最高, 分別為644.29 g hm-2和624.25 g hm-2, 且顯著高于ym5, ym2、ym4和ym3依次含量下降, 且ym2和ym4差異不顯著; 對(duì)于Cu, 品種間差異不顯著; 對(duì)重金屬Cd, 以ym1和ym5的絕對(duì)富集量最高, 超過20.00 g hm-2, 與其他品種間差異達(dá)顯著, ym2、ym3和ym4富集量較低, 三者之間差異不顯著; 對(duì)于Zn, 則以ym1、ym5的絕對(duì)富集量最高, 分別為669.15 g hm-2、684.27 g hm-2, 與其他3個(gè)品種差異顯著, 且ym4最低。

3 討論

3.1 工業(yè)大麻不同部位在2個(gè)生育時(shí)期對(duì)不同重金屬具有不同的富集能力

土壤重金屬污染是世界上最嚴(yán)重的環(huán)境污染問題之一, 據(jù)《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》發(fā)布, 我國土壤重金屬的超標(biāo)約占16.1%[19], 受重金屬污染的耕地總面積接近0.1億公頃, 不僅導(dǎo)致每年糧食減產(chǎn)超過1000萬噸[20], 且通過食物鏈嚴(yán)重危害人體健康。如何選擇適合重金屬污染的備選經(jīng)濟(jì)、安全的綠色修復(fù)植物是當(dāng)今研究的熱點(diǎn), 工業(yè)大麻被公認(rèn)為是綠色生物修復(fù)理想植物。一般不同品種或同一品種對(duì)重金屬積累方式、積累量不同[21-23], 本研究在各種重金屬復(fù)合污染的農(nóng)田中5個(gè)工業(yè)大麻品種2個(gè)時(shí)期的根、莖葉對(duì)5種重金屬吸收差異的分析發(fā)現(xiàn), 品種間2個(gè)時(shí)期根系和地上部分對(duì)5種重金屬的吸收差異明顯, 工藝成熟期根系吸收量大于苗期, 尤其是Pb、As、Cd, 但Cu、Zn則差異不大, 地上部分則與之相反, Pb、As、Cd成熟期與苗期差異不大, 而Cu、Zn則表現(xiàn)為成熟期吸收小于苗期, 說明工業(yè)大麻對(duì)Pb、As、Cd的吸收隨著生長而不斷加強(qiáng), 而地上部分對(duì)Cu、Zn吸收能力不斷減弱。通過品種間比較, 種植工業(yè)大麻皆能有效吸收5種重金屬, 其中ym1對(duì)Pb吸收量最高, 積累As的量最低; 5個(gè)品種均富集重金屬Cd, 成熟期更是能達(dá)1.00 mg kg-1以上; 對(duì)Cu、Zn苗期主要表現(xiàn)為地下部分吸收, 而成熟期則為地上部分大量吸收。

表5 工業(yè)大麻對(duì)重金屬的絕對(duì)富集量

同列不同小寫字母表示處理間在0.05水平上差異顯著(0.05)。ym1: 云麻1號(hào); ym2: 云麻2號(hào); ym3: 云麻3號(hào); ym4: 云麻4號(hào); ym5: 云麻5號(hào)。

Values followed by different lowercase letters in a column indicate significant difference among treatments at the 0.05 probability level. ym1: Yunma 1; ym2: Yunma 2; ym3: Yunma 3; ym4: Yunma 4; ym5: Yunma 5.

3.2 工業(yè)大麻對(duì)重金屬富集特征

本試驗(yàn)中, 將不同工業(yè)大麻種植于重金屬復(fù)合污染土壤上, 5個(gè)品種對(duì)5種重金屬都具有很強(qiáng)的富集能力, 尤其Cd富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)最高, 這可能與重金屬Cd的理化性質(zhì)以及在土壤中活性較高, 以及重金屬Zn與Cd的協(xié)同作用有關(guān)[24]。本文發(fā)現(xiàn), 工業(yè)大麻除ym1和ym5苗期莖葉對(duì)Cd富集系數(shù)大于1外, 其他皆小于1, 說明工業(yè)大麻對(duì)5種重金屬富集能力不是太強(qiáng), 但分析發(fā)現(xiàn), 苗期莖葉對(duì)5種重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)皆大于1, 甚至達(dá)到24, 說明工業(yè)大麻苗期對(duì)重金屬由根部向地上部分轉(zhuǎn)運(yùn)能力很強(qiáng), 尤其是Cd。但至工藝成熟期發(fā)現(xiàn), 5個(gè)工業(yè)大麻品種莖葉對(duì)5種重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)能力差異明顯, 整體表現(xiàn)對(duì)Pb、As和Cd轉(zhuǎn)運(yùn)效果強(qiáng), 對(duì)Cu轉(zhuǎn)運(yùn)效果相對(duì)較弱。本研究還表明, 同品種大麻對(duì)不同重金屬的富集能力不同, 不同品種大麻對(duì)同種重金屬的富集能力也不同, 推測(cè)這可能是由大麻本身的生理特性、生長環(huán)境以及各重金屬在土壤–大麻中的遷移方式共同決定的。

3.3 工業(yè)大麻對(duì)土壤重金屬污染修復(fù)潛力

本試驗(yàn)中, 將不同工業(yè)大麻品種種植于重金屬中、重度復(fù)合污染土壤上, 5個(gè)品種對(duì)5種重金屬都具有很強(qiáng)的富集能力, 但因生物量不同富集重金屬的量差異也各異。植物修復(fù)重金屬潛能主要取決于植物的生物量及其對(duì)重金屬的富集能力[25], 總體來說苗期生物量低, 相對(duì)工藝成熟期重金屬的絕對(duì)富集量小。在苗期, 重金屬主要富集在地上部分, 5個(gè)工業(yè)大麻品種對(duì)Pb、As、Cu、Cd和Zn富集能力和修復(fù)潛力最強(qiáng)的是ym1和ym5, 每公頃地塊可以吸附將近50 g Pb、30 g As、35 g Cu、2 g Cd和94 g Zn。在工藝成熟期, 5個(gè)工業(yè)大麻品種的生物量和重金屬的富集量基本達(dá)最大, 以ym1對(duì)于Pb和As的絕對(duì)富集量最高, 分別為649.35 g hm-2和614.55 g hm-2, 與ym5差異不顯著, ym2、ym3和ym4次之, 且三者之間差異不顯著; 對(duì)于Zn, 則以ym1、ym5的絕對(duì)富集量最高, 分別為667.05 g hm-2、669.00 g hm-2。工業(yè)大麻不僅富集多種重金屬, 且生物量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一些常規(guī)報(bào)道的高富集作物[25-26]。在本研究中, 晚熟品種ym1和ym5、早熟品種ym2、早中熟型品種ym3和ym4的平均干生物量分別為22 t hm-2、18 t hm-2和19 t hm-2, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過遏蘭菜(0.38 t hm-2)、東南景天(0.85~1.50 t hm-2)的生物量[25]。本試驗(yàn)結(jié)果表明, 在輕度污染種植一季的工業(yè)大麻從土壤中可轉(zhuǎn)移的重金屬遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一些生物量大的作物, 如紅麻種植一季最高能轉(zhuǎn)移重金屬 Cu 約185.3 g hm-2、Cd 25.7 g hm-2[26]; 而對(duì)As、Cu等重金屬與一些超富集植物相當(dāng)或低于超富集植物, 如大田條件種植的東南景天每年可提取Cd 184 g hm-2、Zn 7800 g hm-2、Cu 29 g hm-2[27], 但工業(yè)大麻彌補(bǔ)了超富集植物不能同時(shí)富集多種重金屬、適應(yīng)性差、育苗難等缺點(diǎn)。

4 結(jié)論

5個(gè)工業(yè)大麻品種在苗期對(duì)5種重金屬均有較強(qiáng)的富集能力, 吸收的Cu和Zn主要分布在根系, 而重金屬Cd、As、Pb則主要富集在地上部位。工藝成熟期, 根系對(duì)5種重金屬均有較強(qiáng)的吸收能力, 但向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)Cu的能力低于Cd、As、Pb和Zn。5個(gè)工業(yè)大麻品種在工藝成熟期對(duì)5種重金屬的絕對(duì)富集量遠(yuǎn)高于苗期, 重金屬富集量最大的工業(yè)大麻品種為云麻1號(hào)和云麻5號(hào), 可在重金屬污染地進(jìn)行修復(fù)種植。

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Phytoremediation potential of five industrial hemp varieties on five heavy metal polluted soils

XU Yan-Ping1,2, YANG Ming2, GUO Hong-Yan2, and YANG Qing-Hui1,*

1College of Agronomy and Biotechnology, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, Yunnan, China;2Industrial Crop Research Institute, Yunnan Academy of Agricultural Sciences, Kunming 650205, Yunnan, China

Uptake and translocation of lead (Pb), zinc (Zn), copper (Cu), cadmium (Cd), and arsenic (As) in industrial hemp genotypes were investigated at seedling and physiological maturity, in order to provide an insight for phytoremediation of mining soils in Yunnan. The experiment was conducted using five main varieties of industrial hemp viz., Yunma (ym)1, ym2, ym3, ym4, and ym5 under mining areas of Yunnan. Results showed that uptake and translocation of Pb, Zn, Cu, Cd, and As in all hemp genotypes were high at the seedling stage. Accumulation of Pb, Zn, Cu, Cd, and As contents in hemp roots were higher at physiological maturity as compared to seedling stage. However, comparing to seedling stage, Pb, As, and Cd contents in stems and leaves were higher at physiological maturity stage. Translocation factor coefficients of hemp stem and leaf to all heavy metals were more than 1.0 at seedling stage. At physiological maturity stage, translocation of Pb, As and Cd in stems and leaves of all hemp varieties were higher compared withCu and Zn. The accumulated contents of Pb, As, Cu, Cd, and Zn in plants were 31.65–644.29, 365.14–624.25, 180.65–194.06, 15.13–24.40, and 540.07–684.27 g hm-2, respectively. However, highest contents of Pb, As, Cd, and Zn were observed in hemp variety Yunma 1 and Yunma 5, which suggested that these two varieties had significantly higher metal accumulation and translocation compared to other varieties. In conclusion, the bioconcentration ratios, translocation factor and phytoremediation ability of hemp variety Yunma 1 and Yunma 5 were higher than those of Yunma 2, Yunma 3, and Yunma 4. These results showed that both Yunma 1 and Yunma 5 were potential candidates for remediation of heavy metal polluted areas in Yunnan.

industrial hemp; heavy metals; remediation potential

本研究由國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31660351)和國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系(麻類作物)建設(shè)專項(xiàng)(CARS-19-E05)資助。

This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31660351) and the China Agriculture Research System for Bast and Leaf Fiber Crops (CARS-19-E05).

楊清輝, E-mail: yangqinghui@163.com

E-mail: cyn080328@126.com

2020-01-13;

2020-08-19;

2020-09-04.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.s.20200903.1450.002.html

10.3724/SP.J.1006.2020.04010