何思，彭文仙，何也君，張曉洋，霍穎怡，羅金鳳，邢虎成，2*

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)苧麻研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2.湖南省草類(lèi)作物種質(zhì)創(chuàng)新與利用工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410128）

全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)顯示，全國(guó)土壤總的點(diǎn)位超標(biāo)率為16.1%，其中鎘污染物點(diǎn)位超標(biāo)率最多，為7.0%[1]。湖南省是全國(guó)土壤鎘污染最嚴(yán)重的省份之一[2]，占全省總耕地面積的23.70%[3]。相比其他土壤重金屬污染治理技術(shù)，植物修復(fù)技術(shù)成本低、效果好、適用于各種土壤類(lèi)型，還可以利用修復(fù)土壤的植物創(chuàng)造一定的經(jīng)濟(jì)效益，是一種非常有前途的土壤重金屬治理技術(shù)[4]。苧麻（Boehmeria nevia L.）相比大多數(shù)植物具有更大的耐鎘、吸鎘潛力[1-4]，是一種較好的修復(fù)中重度鎘污染土壤的纖維作物。因其地上部鎘積累量較為可觀[5-6]，常被用作修復(fù)鎘及鎘與其他重金屬?gòu)?fù)合污染土壤的作物[7]。為了提高修復(fù)效率，需要提高苧麻從地下部向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)鎘的能力，從而提高苧麻地上部鎘的富集量，進(jìn)而縮短土壤修復(fù)年限。

ETH是一種重要的植物激素，可以促進(jìn)果實(shí)成熟、葉片衰老、誘導(dǎo)產(chǎn)生根毛和不定根等[8]。有研究[6]發(fā)現(xiàn)，Cd脅迫下較低濃度的ETH能增加擬南芥幼苗體內(nèi)的Cd含量，但濃度較高時(shí)則降低擬南芥幼苗體內(nèi)的Cd含量，對(duì)Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)來(lái)講，ETH降低了擬南芥幼苗的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)[5]；外源ETH處理，可降低Cd脅迫下馬齒莧葉片與根中的Cd含量。也有研究[7]表明，外源ETH可以增加籽粒莧葉片和莖的鎘富集量，提高轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)。因此，ETH對(duì)不同物種富集轉(zhuǎn)運(yùn)鎘的影響不同。磷酸二氫鉀經(jīng)常被作為重金屬的鈍化劑直接在土壤中使用，以降低植物吸附重金屬的量[9]。研究[9]表明，葉面施用磷酸二氫鉀可以提高高羊茅葉片中的鎘含量。盆栽土壤施用硝酸鉀可以大大降低油菜、小白菜、水稻體內(nèi)鎘含量和積累量[10]，但未見(jiàn)硝酸鉀做葉面肥施用對(duì)植物富集鎘的影響方面的報(bào)道，也未見(jiàn)ETH和磷酸二氫鉀及硝酸鉀混合使用影響植物富集鎘的報(bào)道。

本試驗(yàn)以苧麻171品種為材料，探討ETH與KH2PO4、KNO3復(fù)配液對(duì)苧麻富集鎘、轉(zhuǎn)運(yùn)鎘的影響，同時(shí)探討其對(duì)苧麻產(chǎn)量和纖維細(xì)度的影響，以期獲得改善苧麻地上部鎘富集能力的ETH與KH2PO4、KNO3復(fù)配液的施用方法，減少苧麻修復(fù)中重度鎘污染土壤的年限，同時(shí)使得苧麻有較好的產(chǎn)量和品質(zhì)，產(chǎn)生較高的經(jīng)濟(jì)效益。

1 材料與方法

1.1 植物材料

苧麻種質(zhì)171，由湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)苧麻研究所提供。

1.2 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于湖南省瀏陽(yáng)市永和鎮(zhèn)，年降水約為1370 mm，年平均日照數(shù)為1610.5 h，無(wú)霜期約為270～300 d。試驗(yàn)田土壤鎘含量在3.0～16.0 mg／kg，平均土壤鎘含量為9.99 mg／kg，屬于替代種植區(qū)，土壤有機(jī)質(zhì)含量 1.31%，全氮含量 0.11%，有效磷含量 27.20 mg／kg，有效鉀含量135.20 mg／kg，pH值 6.5左右。

1.3 處理藥劑

使用的藥劑溶液處理組合見(jiàn)下表1。

表1 處理方案Table 1 Treatments of the experiment

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2017年7 月將苧麻扦插苗移栽入替代種植區(qū)農(nóng)田，2017年10月破稈（第一次砍麻）。2018年1月冬培，2018年6月、8月和10月收獲3次苧麻并砍稈，2018年12月第二次冬培。2019年4月開(kāi)始噴施，藥品現(xiàn)配現(xiàn)用，在晴天陽(yáng)光不強(qiáng)烈的早上，用手壓式小噴壺將配制好的藥品噴施在苧麻植株葉片正面與背面。每藥劑處理為一個(gè)小區(qū)（2 m×6 m），每個(gè)小區(qū)6蔸麻，3次重復(fù)，共30個(gè)小區(qū)，總面積360m2，隨機(jī)排列。每15 d噴施一次，共噴施5次，第一次噴施日期為4月19，第二次噴施5月5號(hào)，第三次噴施5月21號(hào)，第四次噴施6月8號(hào)，第五次噴施6月24號(hào)，于6月底7月初對(duì)苧麻171材料進(jìn)行收獲檢測(cè)。

1.5 測(cè)定項(xiàng)目及方法

苧麻收獲時(shí)，測(cè)定其農(nóng)藝性狀（株高、莖粗、皮厚、有效株、無(wú)效株、鮮皮重、干麻重），計(jì)算鮮皮出麻率（鮮皮出麻率＝干麻重／鮮皮重×100%）。每小區(qū)每蔸取2株地上部分，共收取12株混樣成一個(gè)處理小區(qū)的地上部分樣品；挖取每蔸地下部分的1／6混樣成一個(gè)處理小區(qū)的地下部分樣品；同時(shí)取每蔸苧麻的根際土混合成一個(gè)處理小區(qū)的土壤樣品。共取得苧麻地上部樣品30個(gè)，地下部樣品30個(gè)，土壤樣品30個(gè)。所有樣品105℃殺青，65℃烘干，粉碎，用硝酸—高氯酸法消化，采用原子吸收分光光度法[11]（SOLAAR M6型）檢測(cè)鎘含量。計(jì)算方法如下：

纖維支數(shù)檢測(cè)采用劉澤航[12]的方法進(jìn)行。

1.6 數(shù)據(jù)分析

采用Excel整理農(nóng)藝性狀統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，采用SPSS進(jìn)行方差分析。采用綜合性狀的隸屬函數(shù)評(píng)價(jià)法，以相關(guān)分析和主成分分析獲得的指標(biāo)進(jìn)行隸屬函數(shù)評(píng)價(jià)[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 ETH與KH2 PO4、KNO3復(fù)配液對(duì)苧麻鎘含量、鎘富集和轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

從ETH與KH2PO4、KNO3復(fù)配液對(duì)苧麻地上部鎘含量的影響來(lái)看（圖1（A）），單獨(dú)施用ETH可以顯著提高苧麻地上部鎘含量，隨著ETH濃度的提高，苧麻地上部鎘含量也隨之提高，當(dāng)ETH濃度為200 mg／L時(shí)（T3），苧麻地上部鎘含量達(dá)到最大，達(dá)9.73 mg／kg。而噴施ETH和KH2PO4、KNO3復(fù)配液會(huì)使苧麻地上部鎘含量降低，不同濃度的乙烯利和不同濃度的KH2PO4、KNO3復(fù)配效果不同。隨著ETH與KH2PO4復(fù)配液濃度的升高，苧麻地上部鎘含量呈現(xiàn)出先降低，再升高的趨勢(shì)，100 mg／L ETH和0.4%KH2PO4復(fù)配（T5）施用會(huì)顯著降低苧麻地上部鎘含量，其地上部鎘含量?jī)H約為對(duì)照的50%。苧麻地上部鎘含量隨著ETH與KNO3復(fù)配液濃度的升高而升高，但3個(gè)濃度組合處理的地上部鎘含量與CK無(wú)顯著性差異。因此就地上部鎘含量來(lái)說(shuō)，單獨(dú)使用乙烯利可以提高苧麻地上部鎘含量，且地上部鎘含量隨著乙烯利施用濃度的升高而升高，但是乙烯利與葉面肥KH2PO4、KNO3復(fù)配則會(huì)降低苧麻地上部鎘含量。

圖1 ETH與KH2 PO4、KNO3復(fù)配下苧麻各部位鎘含量及富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)Fig.1 The cadmium content，enrichment coefficient and transport coefficient of ramie under the compound of ETH，KH2 PO4 and KNO3

從ETH與KH2PO4、KNO3復(fù)配液對(duì)苧麻地下部鎘含量的影響來(lái)看（圖1（B）），苧麻地下部鎘含量與地上部鎘含量（圖1（A））規(guī)律正好相反。與對(duì)照相比，單獨(dú)施用100 mg／L ETH（T2）、200 mg／LETH（T3）及復(fù)配組合 50 mg／L ETH＋0.2%KH2PO4（T4）和 100 mg／L ETH＋0.4%KH2PO4（T5）會(huì)顯著降低苧麻地下部鎘含量，而其他處理對(duì)苧麻地下部鎘含量的影響則無(wú)顯著性差異。

富集系數(shù)是評(píng)價(jià)植物吸收積累重金屬能力的一個(gè)重要指標(biāo)，通常系數(shù)越大，說(shuō)明該植物富集效率越高。富集系數(shù)是采用苧麻地上部鎘含量與地下部土壤中鎘含量的比值，本試驗(yàn)對(duì)每一處理的植株土壤均進(jìn)行了鎘含量的測(cè)定。結(jié)果表明，所有處理地下部對(duì)鎘的富集系數(shù)基本大于1（圖1（D）），地上部單獨(dú)施用乙烯利可以顯著提高苧麻的富集系數(shù)，100 mg／L ETH處理（T2）地上部富集系數(shù)最高，達(dá)到2.41（圖1（C）），地下部富集系數(shù)也達(dá)到了2.3（圖1（D））。ETH與 KH2PO4、KNO3復(fù)配處理，苧麻地下部富集系數(shù)顯著高于其地上部富集系數(shù)。地上部富集系數(shù)高有利于植物更快地吸附土壤重金屬，對(duì)苧麻這種多年生宿根性作物來(lái)說(shuō)，提高地上部的富集系數(shù)是修復(fù)污染土壤的關(guān)鍵。

植物地上部重金屬含量與地下部重金屬含量之比即轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，表示植物對(duì)重金屬的向上轉(zhuǎn)運(yùn)能力，其能反映出重金屬在植物體內(nèi)的運(yùn)輸和分配情況。圖1（E）中不同處理對(duì)鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)平均為0.66，其中T2、T3處理對(duì)鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)大于1.00，分別為1.07和1.45，顯著高于對(duì)照，同時(shí)顯著高于ETH與KH2PO4、KNO3復(fù)配處理組合。ETH與KH2PO4或KNO3復(fù)配處理會(huì)降低苧麻鎘轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，或與CK無(wú)顯著差異，或顯著低于對(duì)照。

2.2 ETH與KH2 PO4、KNO3復(fù)配液對(duì)苧麻地上部鎘積累量及提取效率的影響

苧麻是多年生宿根性草本植物，宿根年限可達(dá)10～30年，每年可收獲地上部3次，且苧麻根系龐大，根群深度可達(dá)200 cm左右，若采用收獲地下麻蔸的方式修復(fù)土壤既不經(jīng)濟(jì)也不現(xiàn)實(shí)，因此主要考慮地上部的提取效果。從地上部積累量來(lái)看（表2），對(duì)照的單蔸地上部鎘年積累量為3.47 mg，顯著低于ETH處理。單獨(dú)ETH處理，地上部積累量隨著濃度的升高呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。地上部鎘積累量與苧麻地上部生物量和植株地上部鎘含量有關(guān)，生物量高可以積累更多的重金屬；噴施ETH濃度越高，對(duì)生物量的抑制越強(qiáng)。本試驗(yàn)中200mg／LETH處理顯著降低了地上部生物量（表2），但顯著增加了地上部鎘的含量（圖1（A））、地上部富集系數(shù)（圖1（C））和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（圖1（E）），從而提高了其地上部鎘的積累量，最終提高了其地上部的提取效率。按照修復(fù)范圍為20 cm耕層來(lái)計(jì)算，其地上部鎘年提取效率以T2（100mg／L ETH）處理最高，為2.55%；而ETH與KH2PO4、KNO3復(fù)配處理則會(huì)顯著降低苧麻對(duì)鎘的年提取效率。從地上部年提取鎘量來(lái)看，對(duì)照地上部年提取量在135.20 g／hm2，ETH處理可以顯著提高地上部鎘提取量，而ETH與KH2PO4、KNO3復(fù)配處理則會(huì)顯著降低地上部鎘提取量。

表2 苧麻地上部鎘積累量及提取效率Table 2 The accumulation and extraction efficiency of cadmium in the above ground of ramie

續(xù)表2

2.3 ETH與KH2 PO4、KNO3復(fù)配液對(duì)苧麻農(nóng)藝性狀和纖維支數(shù)的影響

ETH及ETH與KH2PO4、KNO3復(fù)配液對(duì)苧麻171品種的農(nóng)藝性狀及品質(zhì)有顯著影響。單獨(dú)使用ETH會(huì)降低植株高度、減少莖粗，降低單蔸原麻重，ETH與KH2PO4、KNO3復(fù)配處理也不能增加株高、莖粗和單蔸原麻產(chǎn)量。纖維支數(shù)體現(xiàn)纖維品質(zhì)，纖維支數(shù)越高品質(zhì)越好，ETH與KH2PO4、KNO3復(fù)配會(huì)增加纖維支數(shù)。

表3 ETH與KH2 PO4、KNO3復(fù)配對(duì)苧麻農(nóng)藝性狀和纖維細(xì)度的影響Table 3 Effects of ETH，KH2 PO4 and KNO3 on the agronomic characteristics and fiber fineness of ramie

2.4 綜合隸屬函數(shù)法評(píng)價(jià)

隸屬函數(shù)分析法是運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的原理，對(duì)各處理性狀進(jìn)行鑒定評(píng)價(jià)的一種科學(xué)方法。首先根據(jù)皮爾森相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，16個(gè)指標(biāo)中，株高（PH）、莖粗（SD）、地上部生物量（BA）之間呈顯著正相關(guān)；地上部鎘年積累量（ACAA）、地上部年提取效率（AEEA）、地上部年提取鎘量（AECA）、地上部鎘含量（CdCA）、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TFCd）、地上部富集系數(shù)（BCFA）呈顯著性正相關(guān)。這些指標(biāo)反映了各處理水平下苧麻的產(chǎn)量、鎘富集轉(zhuǎn)運(yùn)及鎘積累能力等強(qiáng)弱。

圖2 鎘富集與處理之間的相關(guān)性分析熱圖Fig.2 Correlation analysis heat map between cadmium enrichment and treatments

主成分分析[14-16]發(fā)現(xiàn)，特征值大于1的有5個(gè)主因子，累加貢獻(xiàn)率達(dá)91.03%，所包含的信息量基本能反映出16個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的絕大部分信息。由表4可知，5個(gè)主成分可以解釋為株高、莖粗、皮厚、單蔸原麻重、地上部鎘年積累量、地上部富集系數(shù)、鎘轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)、地上部年提取效率、纖維支數(shù)等指標(biāo)，反映了ETH與KH2PO4、KNO3復(fù)配液對(duì)各指標(biāo)苧麻產(chǎn)量、纖維細(xì)度及鎘富集能力的影響。

表4 處理之間的主成分分析Table 4 Principal component analysis between cadmium enrichment and treatments

根據(jù)主成分分析結(jié)果，綜合考慮株高、莖粗、皮厚、單蔸原麻重、地上部鎘年積累量、地上部富集系數(shù)、鎘轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)、地上部年提取效率、纖維支數(shù)這9個(gè)指標(biāo)，采用隸屬函數(shù)的方法進(jìn)行打分排名，結(jié)果表明：ETH單獨(dú)施用效果最好，排序?yàn)門(mén)2＞T3＞T1。噴清水處理（CK）排名第四，ETH與KH2PO4、KNO3復(fù)配排名低于對(duì)照。

表5 鎘富集與處理之間的隸屬函數(shù)分析Table 5 Analysis of membership function between cadmium enrichment and treatments

3 討論

Cd是植物非必需元素，Cd進(jìn)入植物并積累到一定程度，就會(huì)表現(xiàn)出毒害癥狀，通常會(huì)出現(xiàn)生長(zhǎng)遲緩、植株矮小、退綠、產(chǎn)量下降等癥狀[17-18]，進(jìn)而影響生物產(chǎn)量。苧麻本身具備良好轉(zhuǎn)運(yùn)條件，因苧麻地上部生物量大，遠(yuǎn)超出其根量，可以將大量的地下部重金屬轉(zhuǎn)移至地上部[19-22]。轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為植物地上部重金屬含量與其地下部重金屬含量的比值，系數(shù)大小與轉(zhuǎn)運(yùn)能力呈正比，轉(zhuǎn)運(yùn)能力越強(qiáng)對(duì)重金屬的修復(fù)能力就越強(qiáng)[23]。朱守晶等[24]對(duì)7個(gè)苧麻品種進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)地上部鎘含量為 9.07～19.89 mg／kg，地上部鎘富集系數(shù)為1.74～3.44，鎘轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為0.62～1.11，土壤背景值為鎘總量 5.54 mg／kg；張英等[25]對(duì) 269份苧麻種質(zhì)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，地上部鎘含量為1.14～4.82 mg／kg；劉沖等[26]對(duì)某汞礦區(qū)周邊的汞、鎘復(fù)合污染農(nóng)田土壤的苧麻樣品進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，苧麻鎘轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)范圍為0.055～16.175；佘瑋等[27]對(duì)礦區(qū)苧麻進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，苧麻鎘轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為0.69～3.00。本試驗(yàn)中土壤鎘背景值為7.19 mg／kg，苧麻品種 171的地上部鎘含量最高為9.73 mg／kg，地上部富集系數(shù)最高為2.41，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最高為1.45，與前述研究結(jié)果存在顯著差異，這可能與品種差異和土壤背景值有一定關(guān)系。

如何消除土壤中的重金屬污染物已經(jīng)成為國(guó)際性難題，而植物修復(fù)是一種綠色廉價(jià)、被人們廣泛認(rèn)可的修復(fù)治理措施[28-29]。提高植物修復(fù)效果的有效植物調(diào)節(jié)劑包括乙烯利、赤霉素、亞精胺和水楊酸等[30]。本次鎘污染大田試驗(yàn)中，對(duì)苧麻171品種不同處理間進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)農(nóng)藝性狀、纖維細(xì)度和纖維產(chǎn)量較對(duì)照存在顯著差異，這驗(yàn)證了不同濃度ETH與KH2PO4、KNO3復(fù)配對(duì)苧麻農(nóng)藝性狀與纖維細(xì)度的影響；各濃度ETH處理和ETH與KH2PO4、KNO3復(fù)配處理均可增加苧麻纖維支數(shù)，這與歐陽(yáng)雁飛[31]的試驗(yàn)結(jié)果一致，王亮等[32]的試驗(yàn)結(jié)果也進(jìn)一步驗(yàn)證了這一點(diǎn)，一定濃度的乙烯利可以增加苧麻纖維支數(shù)。白玉超等[33]結(jié)果表明，苧麻噴施葉面肥能提高原麻產(chǎn)量和生物產(chǎn)量，株高、莖粗、皮厚等產(chǎn)量因素有所提高。對(duì)比研究結(jié)果，ETH與KH2PO4、KNO3復(fù)配較對(duì)照顯著提高纖維細(xì)度和纖維產(chǎn)量。

苧麻對(duì)重金屬鎘污染土壤修復(fù)具有明顯的效果，其對(duì)鎘的耐受力為200～900 mg／kg。鎘濃度≤100 mg／kg時(shí)其轉(zhuǎn)運(yùn)能力較強(qiáng)，植株富集系數(shù)均大于1，是較好的超富集植物[34-38]。而作為超富集作物，苧麻品種171在ETH（100 ppm）處理下地上部對(duì)鎘的年提取效率達(dá)到了2.55%，高于同等污染程度下的鎘超富集植物煙草（1%）和遏藍(lán)菜（0.6%）的提取效率[39]，而理論上種植苧麻品種171，通過(guò)噴施ETH（100 ppm）所需的修復(fù)年限最短，為92年左右。這說(shuō)明在鎘污染大田中種植苧麻種質(zhì)171，通過(guò)噴施ETH（100 ppm）不僅可以獲得可觀的經(jīng)濟(jì)收益，而且土壤治理效果良好。

通過(guò)隸屬函數(shù)計(jì)算，最佳處理是ETH（100 ppm），3個(gè)單獨(dú)ETH處理中轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和纖維支數(shù)隨濃度升高而提高，而株高和生物量等指標(biāo)則與之成反比，其中的特征機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

（1）3個(gè)單獨(dú)ETH處理中，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)隨濃度升高而提升，其中ETH（200 ppm）處理的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為1.45，顯著高于對(duì)照，也顯著高于ETH與KH2PO4、KNO3復(fù)配處理組合。

（2）苧麻品種171在ETH（100 ppm）處理下的地上部對(duì)鎘的年提取效率達(dá)到了2.55%，ETH與KH2PO4、KNO3復(fù)配對(duì)纖維細(xì)度和纖維產(chǎn)量有顯著增強(qiáng)作用。

（3）通過(guò)隸屬函數(shù)計(jì)算，最佳處理是ETH（100 ppm），可提升苧麻鎘富集能力和纖維細(xì)度。