張英, 馬玉申, 汪婭梅, 劉澤航, 許岳軍, 邢虎成, 揭雨成

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)苧麻研究所, 湖南省草類作物種質(zhì)創(chuàng)新與利用工程技術(shù)中心, 長沙 410128)

土壤重金屬污染直接導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量下降，嚴(yán)重影響了農(nóng)作物的食品安全[1-2]，因此，重金屬污染引起了越來越多的關(guān)注，迫切需要有效的土壤修復(fù)方法[3]。植物修復(fù)是利用富集性強(qiáng)的植物吸收、富集和分解土壤中重金屬污染物而進(jìn)行的原位修復(fù)[4-5]，可以從根本上修復(fù)受污染的土壤[6]。迄今為止發(fā)現(xiàn)了494種超富集植物，涉及約50個科，其中Cd 的超富集植物僅6種，均屬十字花科，分別為天藍(lán)遏藍(lán)菜、圓葉南芥、遏藍(lán)菜屬、景天科東南景天、堇菜科寶山堇菜和茄科龍葵[7]。然而，由于目前發(fā)現(xiàn)的超富集植物都存在生長緩慢、生物量低的缺點(diǎn)，無法在短時間內(nèi)修復(fù)污染土壤，另外由于生物量低而導(dǎo)致植物提取技術(shù)效果不佳，從而使得其應(yīng)用前景受限[8]。

苧麻(BoehmerianiveaL.)是一種多年生植物，是我國重要的纖維作物之一，種質(zhì)資源豐富，具有抗逆境能力強(qiáng)、生長迅速、繁殖能力強(qiáng)、根系龐大、生物產(chǎn)量高，對重金屬鎘的適應(yīng)能力強(qiáng)，且不進(jìn)入食物鏈，是非常有前景的重金屬鎘污染土壤修復(fù)植物。目前研究表明，苧麻具有較強(qiáng)的鎘耐受能力和累積能力[9-10]，對鎘的富集系數(shù)最高達(dá)2.1，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最高可達(dá)3.0[11-12]。一般來說，富集系數(shù)越高，植物對這種重金屬的富集能力越強(qiáng)[13]。林欣等[14]通過盆栽試驗表明，苧麻各器官對鎘的富集系數(shù)為莖皮>麻骨>根>葉，即莖皮的富集能力最強(qiáng)，葉片的富集能力最弱。戴曉燕[15]研究了飼纖兼用苧麻鎘富集的差異，與上述研究結(jié)果基本吻合，不同的是根部的富集系數(shù)強(qiáng)于麻骨。前人對少量苧麻栽培種質(zhì)進(jìn)行了鎘富集和耐受方面的探索[13,16-21]，對野生苧麻種質(zhì)進(jìn)行了初步的鎘耐性和富集性分析[22]。不同種質(zhì)的苧麻對鎘的吸收和富集能力不一致且差異較大，苧麻作為一種有前景的重金屬鎘污染土壤修復(fù)植物，目前無相關(guān)專用苧麻品種。因此，本研究以湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)收集保存的269份苧麻資源為材料，在大田鎘污染條件進(jìn)行評價和篩選，進(jìn)一步評價和鑒定苧麻種質(zhì)的鎘富集能力，并篩選出優(yōu)異的高鎘富集能力苧麻種質(zhì)，以期為苧麻鎘修復(fù)專用品種的選育奠定基礎(chǔ)，為利用苧麻修復(fù)鎘污染農(nóng)田提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗田土壤背景

試驗地點(diǎn)位于湖南省長沙市永和鎮(zhèn)鎘污染農(nóng)田，土壤類型是紅壤土，pH 5.73，土壤鎘含量平均值為3.27 mg·kg-1，按照《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618—2018)[23]規(guī)定，屬于嚴(yán)格管控土壤(禁止種植食用農(nóng)產(chǎn)品)。土壤有機(jī)質(zhì)29.25 g·kg-1，全氮1.56 g·kg-1，全磷0.51 g·kg-1，全鉀14.71 g·kg-1。

1.2 試驗材料

供試269份苧麻種質(zhì)(表1)均由湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)苧麻研究所提供，采用嫩梢扦插的方式無性繁殖，種植在湖南省長沙市永和鎮(zhèn)鎘污染農(nóng)田。

1.3 試驗設(shè)計

苧麻種質(zhì)嫩梢于2016年5月扦插，同年6月大田移栽。在鎘污染農(nóng)田隨機(jī)區(qū)組排列269份供試種質(zhì)，每份種質(zhì)設(shè)3次重復(fù)，共807個小區(qū)，株行距為60 cm×50 cm，每個小區(qū)12株(3行4株)，小區(qū)面積為3.6 m2，小區(qū)之間間隔1 m。2016年11月破桿，2017年6月上旬、8月上旬、10月下旬收獲頭麻、二麻和三麻作為供試材料，三次收獲苧麻的各指標(biāo)均采用平均值進(jìn)行統(tǒng)計。

1.4 樣品采集與測定

1.4.1生物產(chǎn)量和樣品處理 在頭麻、二麻和三麻收獲期，每個小區(qū)隨機(jī)選取3蔸苧麻挖出麻蔸，在根莖處把地上部和地下部分開，地上部按照麻葉(含葉柄)、麻骨(木質(zhì)部和髓)、原麻(韌皮部纖維)和麻殼(皮)分開，地下部用蒸餾水完全沖洗干凈后按照蘿卜根和繁殖根分開，所有樣品放入烘箱中105 ℃殺青30 min，然后60 ℃烘干至恒重并稱量干物質(zhì)產(chǎn)量，最后分別粉碎后過100目篩備用。

1.4.2樣品鎘含量測定 準(zhǔn)確稱取0.5 g粉碎樣品，參考劉澤航[17]方法進(jìn)行消化，采用AAS-3000火焰原子吸收光譜儀(北京達(dá)豐瑞儀器有限公司)測定鎘含量。

1.4.3生物產(chǎn)量和鎘含量計算公式

地上部生物產(chǎn)量=麻骨生物產(chǎn)量+麻葉生物產(chǎn)量+原麻生物產(chǎn)量+麻殼生物產(chǎn)量

(1)

地下生物產(chǎn)量=蘿卜根生物產(chǎn)量+繁殖根生物產(chǎn)量

(2)

地上部鎘含量=(麻骨鎘含量×麻骨生物產(chǎn)量+麻葉鎘含量×麻葉生物產(chǎn)量+原麻鎘含量×原麻生物產(chǎn)量+麻殼鎘含量×麻殼生物產(chǎn)量)/地上部生物產(chǎn)量

(3)

地下部鎘含量=(蘿卜根鎘含量×蘿卜根生物產(chǎn)量+繁殖根鎘含量×繁殖根生物產(chǎn)量)/地下部生物產(chǎn)量

(4)

單蔸鎘含量=(地上部鎘含量×地上部生物產(chǎn)量+地下部鎘含量×地下部生物產(chǎn)量)/(地上部生物產(chǎn)量+地下部生物產(chǎn)量)

(5)

地上部鎘積累量=地上部生物產(chǎn)量×地上部鎘含量

(6)

地下部鎘積累量=地下部生物產(chǎn)量×地下部鎘含量

(7)

單蔸鎘積累量=地上部鎘含量×地上部生物產(chǎn)量+地下部鎘含量×地下部生物產(chǎn)量

(8)

富集系數(shù)=地上部鎘含量/土壤鎘含量

(9)

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)=地上部鎘含量/地下部鎘含量

(10)

1.4.4苧麻鎘富集能力評價 采用模糊隸屬函數(shù)法[24-25]分別計算地上部鎘積累量、地上部富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的具體隸屬函數(shù)值，并計算出苧麻鎘富集能力綜合隸屬值, 綜合評價不同苧麻種質(zhì)的鎘富集能力。

U(Xij)=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)

(11)

式中，Xij為i種質(zhì)j指標(biāo)的測定值，Xjmax為該指標(biāo)的最大值，Xjmin為該指標(biāo)的最小值。U(Xij)為i種質(zhì)j指標(biāo)的隸屬函數(shù)值。

Wi=Vi/Vn

(12)

式中，Wi為第i指標(biāo)的百分率；Vi為i指標(biāo)的變異系數(shù)；Vn為所求的n個變異系數(shù)之和。

D=∑[U(Xij)Wi]/Wn

(13)

式中，D為綜合隸屬函數(shù)值，Wn為指標(biāo)百分率總和。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與處理分析

數(shù)據(jù)處理和排名評價采用Excel 2007，方差分析采用SPSS數(shù)據(jù)軟件進(jìn)行，聚類分析采用R語言數(shù)據(jù)軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 苧麻種質(zhì)不同器官鎘積累量差異

2.1.1苧麻種質(zhì)各器官鎘積累量 鎘積累量是評價植物鎘富集能力的重要指標(biāo)之一，通過對269份苧麻種質(zhì)不同器官的鎘積累量進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，不同器官的鎘積累量(表2)存在差異，269份苧麻種質(zhì)麻骨鎘積累量的范圍是56.71～453.72 μg·株-1，平均值為150.66 μg·株-1，極值相差8.00倍；麻葉鎘積累量的范圍是62.31～386.86 μg·株-1，平均值為158.62 μg·株-1，極值相差6.21倍；原麻鎘積累量的范圍是15.30～164.55 μg·株-1，平均值為45.82 μg·株-1，極值相差10.75倍；麻殼鎘積累量的范圍是15.35～99.01 μg·株-1，平均值為36.08 μg·株1，極值相差6.45倍；蘿卜根鎘積累量的范圍是126.87～1 393.72 μg·株-1，平均值為404.67 μg·株-1，極值相差10.99倍；繁殖根鎘積累量的范圍是 74.91～1 445.11 μg·株-1，平均值為363.23 μg·株-1，極值相差19.29倍；269份苧麻種質(zhì)間各器官鎘積累量的變異系數(shù)平均值為41.71%，區(qū)間為33.81%～47.25 %。表明269份苧麻種質(zhì)間鎘積累量存在顯著差異，這有利于高鎘積累量種質(zhì)篩選。

表2 不同苧麻種質(zhì)各器官鎘積累量

2.1.2苧麻種質(zhì)各器官鎘積累量的分布規(guī)律 各種質(zhì)地下部各器官鎘積累量顯著高于地上部的(表3)。地上部各器官中，麻骨和麻葉鎘積累量顯著高于原麻和麻殼。湘潭竹根家麻、川苧1號的麻骨鎘積累量顯著高于其他器官；青苧麻的麻葉鎘積累量顯著高于其他器官，4.46%種質(zhì)的蘿卜根和繁殖根鎘積累量無顯著差異，但顯著高于其他器官，如巧家苧麻2、E和平塘大刀麻等12份苧麻種質(zhì)；37.17%種質(zhì)的繁殖根鎘積累量顯著高于其他器官，如烏龍麻、大庸黃殼麻和馬蹄麻等100份苧麻種質(zhì)；57.25%種質(zhì)的蘿卜根鎘積累量顯著高于其他器官，如S-1-6、興安貼毛苧麻和8615等154份苧麻種質(zhì)。結(jié)果表明，苧麻各器官鎘積累量分布的基本規(guī)律為蘿卜根>繁殖根>麻葉>麻骨>原麻>麻殼，部分種質(zhì)的繁殖根鎘積累量顯著高于蘿卜根。

表3 部分苧麻種質(zhì)各器官鎘積累量多重比較分析

2.2 不同苧麻種質(zhì)地上部、地下部和單蔸鎘積累量差異

不同種質(zhì)間單蔸鎘積累量(表4)存在顯著差異，變異系數(shù)為33.21%。269份苧麻種質(zhì)單蔸鎘積累量的平均值為1 158.08 μg·株-1，鎘積累量最低的是厚皮種1號，鎘積累量為512.29 μg·株-1，鎘積累量最高的是龍灘大麻，鎘積累量為3 277.06 μg·株-1。269份苧麻種質(zhì)地上部鎘積累量的平均值為391.18 μg·株-1，鎘積累量最低的是巧家苧麻2號，鎘積累量為167.32 μg·株-1，祁東苧麻2號鎘積累量最高，為942.91 μg·株-1。269份苧麻種質(zhì)地下部鎘積累量的平均值為766.90 μg·株-1，鎘積累量最低的是HnC，為246.44 μg·株-1，最高的是龍灘大麻，鎘積累量為2 838.83 μg·株-1。結(jié)果表明,苧麻地下部鎘積累量比地上部鎘積累量高48.98%，通過收獲苧麻地上部來修復(fù)土壤重金屬鎘的方式，祁東苧麻2號的修復(fù)能力最強(qiáng)，在土壤鎘濃度為3.27 mg·kg-1的污染農(nóng)田一年可吸收鎘94.34 g·hm-2，通過收獲苧麻全株來修復(fù)土壤重金屬鎘的方式，龍灘大麻修復(fù)能力最強(qiáng)。苧麻屬于多年生植物，結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益，以收獲地上部修復(fù)土壤重金屬鎘的方式最佳。

表4 不同苧麻種質(zhì)地上部、地下部及單蔸鎘積累量

2.3 269份苧麻種質(zhì)鎘積累量的聚類分析

苧麻是多年生植物，通常用苧麻的地上部鎘積累量衡量鎘富集能力。本研究通過對269份苧麻種質(zhì)的地上部鎘積累量進(jìn)行聚類分析，將269份種質(zhì)分成4大類(圖1，表5)。第Ⅰ類有7份種質(zhì)，其地上部鎘積累量的平均值為804.20 μg·株-1，地下部鎘積累量的平均值為1 204.20 μg·株-1，第Ⅱ類種質(zhì)有76份，其地上部鎘積累量的平均值為506.45 μg·株-1，地下部鎘積累量的平均值為861.17 μg·株-1，第Ⅲ類有139份種質(zhì)，地下部鎘積累量的平均值為737.33 μg·株-1，其地上部鎘積累量的平均值為358.02 μg·株-1。第Ⅳ類有47份種質(zhì)，其地上部鎘積累量的平均值為241.68 μg·株-1,地下部鎘積累量的平均值為636.58 μg·株-1。第Ⅰ類中苧麻種質(zhì)各部位鎘積累量顯著高于其他類群。

注：種質(zhì)編號同表1。

表5 四個類群資源鎘積累量的平均值

2.4 不同苧麻種質(zhì)對鎘的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)差異

評價植物吸附重金屬能力另外一個重要的指標(biāo)是富集系數(shù)，為植物重金屬含量與土壤重金屬含量之比，富集系數(shù)越大，說明植物富集能力越高。從表6可以看出，不同苧麻種質(zhì)對鎘富集能力存在顯著差異，269份苧麻種質(zhì)地上部鎘富集系數(shù)的平均值為0.83，最小值為0.42，最大值為1.89，有29份種質(zhì)地上部鎘富集系數(shù)≥1，其中長沙苧麻和坡口苧麻的地上部鎘富集系數(shù)最高，分別為1.89和1.77；說明長沙苧麻和坡口苧麻的地上部鎘富集能力最強(qiáng)。轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為植物地上部重金屬含量與植物地下部重金屬含量之比，是評價植物對重金屬的向上轉(zhuǎn)運(yùn)能力。本研究結(jié)果顯示，269份苧麻種質(zhì)對鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)存在差異，平均值為0.73，最小值為0.35，最大值為1.16。15份種質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)≥1，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最大的是楊柳壩坐蔸麻和紫葉大葉炮，分別為1.16和1.15，表明它們地下部向上運(yùn)輸重金屬鎘的能力最強(qiáng)。

表6 苧麻各器官鎘富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

2.5 高鎘富集能力苧麻種質(zhì)篩選

通過綜合隸屬函數(shù)(D)對269份苧麻種質(zhì)地上部鎘積累量、富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)進(jìn)行分析，用來評價苧麻種質(zhì)鎘富集能力。將D>0.5的種質(zhì)劃分為高鎘富集能力種質(zhì)，0.2

表7 高鎘富集能力苧麻種質(zhì)資源

3 討論

同一物種不同種質(zhì)對鎘的富集差異較大，不同苧麻種質(zhì)在不同鎘脅迫下表現(xiàn)不一致[16-18]，說明不同苧麻種質(zhì)間鎘富集能力存在顯著差異，本研究中土壤鎘污染濃度為3.27 mg·kg-1，269份苧麻種質(zhì)鎘積累量、富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均表現(xiàn)出顯著差異，變異系數(shù)分別為33.21%、20.19%和19.59%。這與李玉蘭[26]通過不同培養(yǎng)方法對苧麻鎘富集能力的研究結(jié)果一致。不同種質(zhì)間鎘積累量、富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均存在著顯著性的差異，種質(zhì)間最大差異分別為5.64、4.50和3.31倍，其中祁東苧麻2號和巧家苧麻2號表現(xiàn)出最高和最低地上部鎘積累量，長沙苧麻和宜章績麻表現(xiàn)出最高和最低富集系數(shù)，楊柳壩坐蔸麻和龍灘大麻表現(xiàn)出最高和最低轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)。這表明鎘脅迫下不同苧麻種質(zhì)間鎘富集能力差異顯著，預(yù)示著苧麻在鎘富集改良方面有較大的應(yīng)用空間。

苧麻地上部與地下部鎘積累及同一苧麻種質(zhì)不同器官鎘積累也存在差異。苧麻地下部鎘積累高于地上部，本研究中地下部鎘積累量高出地上部鎘積累量48.98%。地上部各器官中，麻骨和麻葉鎘積累量顯著高于原麻和麻殼。朱守晶等[13]對7個主栽品種苧麻的鎘富集研究結(jié)果顯示根部鎘積累量均顯著高于地上部，本研究結(jié)論與其一致。269份苧麻種質(zhì)地上部富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)平均值分別為0.83和0.73，低于佘瑋等[27]在安化種植的4個苧麻種質(zhì)的富集系數(shù)1.01～5.78，可能是與種植時間和鎘污染濃度有關(guān)。佘瑋等[27]研究材料是在背景值為10.61 mg·kg-1的鎘污染農(nóng)田，土壤鎘濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本研究的土壤鎘濃度，其種植時間也比本研究的種植時間長。孫凱等[28]通過水培試驗研究鎘脅迫苧麻30 d的富集系數(shù)為0.32～0.63，鎘脅迫的時間遠(yuǎn)比本研究的時間短。結(jié)合前人研究表明，鎘脅迫濃度和時間是影響苧麻種質(zhì)富集和轉(zhuǎn)運(yùn)的兩個因素。本研究以大田鎘污染條件為背景篩選出的高鎘富集能力苧麻種質(zhì)，對于修復(fù)農(nóng)田鎘污染更有指導(dǎo)意義。

苧麻雖然不是鎘超積累植物, 但苧麻屬多年生植物, 再生能力強(qiáng), 一年可以收獲三季，具有較大生物量, 對重金屬鎘有較強(qiáng)的耐受和富集能力，能有效地修復(fù)土壤中重金屬鎘。本研究發(fā)現(xiàn)，祁東苧麻2號的修復(fù)能力最強(qiáng)，在土壤鎘濃度為3.27 mg·kg-1的污染農(nóng)田一年可吸收鎘94.34 g·hm-2，相比一年生植物，苧麻種植成本更低，修復(fù)效率較好。苧麻是以纖維用途為主的農(nóng)作物，利用苧麻作為鎘污染土壤的凈化植物，可以切斷食物鏈，降低健康風(fēng)險，適用性廣，同時具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。