許艷萍，陳璇，郭孟璧，張慶瀅，鄧劍川，楊明，郭鴻彥

(云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所，昆明650205)

工業(yè)大麻“云麻2號(hào)”對(duì)重金屬Pb、Cu和Cd富集特征的研究

許艷萍，陳璇，郭孟璧，張慶瀅，鄧劍川，楊明，郭鴻彥*

(云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所，昆明650205)

通過(guò)人工添加重金屬盆栽試驗(yàn)，研究工業(yè)大麻“云麻2號(hào)”不同器官對(duì)重金屬Pb、Cu和Cd的耐受性和累積能力。結(jié)果顯示:Pb主要富集在工業(yè)大麻根上，Pb2+濃度為600mg/kg時(shí)，不影響植株正常生長(zhǎng)，積累在根、莖、葉和纖維含量分別為109.05、44.72、34.41、31.52mg/kg，而在種子和雄花重金屬含量最低(2.66和2.55 mg/kg)，種子的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)分別為0.00、0.02;Cu主要富集在根、莖、葉、種子和雄花中，在纖維中的含量最低，當(dāng)處理濃度為300 mg/kg時(shí)，纖維中含量為10.00mg/kg以下，其余部位的含量在10.00～50.00 mg/kg之間，且纖維的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)小于0.20;工業(yè)大麻對(duì)Cd2+具有較強(qiáng)的吸收和富集能力，當(dāng)處理濃度為150mg/kg時(shí)，工業(yè)大麻的根、莖、葉、纖維的含量均超過(guò)了Cd2+超富集植物的臨界含量(100.00mg/kg)，富集系數(shù)均大于1，其中雄株根和纖維的富集系數(shù)大于2，種子和雄花中含量分別為30.52mg/kg和4.89 mg/kg。研究結(jié)果表明“云麻2號(hào)”較耐受Pb2+，對(duì)Cd2+具有較強(qiáng)的累積能力。

工業(yè)大麻;重金屬;富集;轉(zhuǎn)移

近年來(lái)，金屬礦區(qū)及其周邊土壤重金屬污染問(wèn)題日益嚴(yán)重［1］，也是世界許多國(guó)家面臨的嚴(yán)重的生態(tài)問(wèn)題之一［2］。目前我國(guó)受鎘、砷、鉻、鉛等重金屬污染的耕地面積近2000萬(wàn)公頃，約占耕地總面積的1/5，其中工業(yè)三廢污染耕地1000萬(wàn)公頃，污水灌溉的農(nóng)田面積已達(dá)330多萬(wàn)公頃。每年因重金屬污染而減產(chǎn)糧食1000多萬(wàn)噸，被重金屬污染的糧食每年也多達(dá)1200萬(wàn)噸，合計(jì)經(jīng)濟(jì)損失至少200億元。重金屬一旦進(jìn)入環(huán)境中就難以清除，并將長(zhǎng)期存在，當(dāng)土壤和濕地中的有害重金屬積累到一定程度，就會(huì)造成土壤結(jié)構(gòu)惡化，生物多樣性減少及植被覆蓋的失蹤，降低農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，而且還通過(guò)徑流和淋洗污染地表水和地下水，惡化水文環(huán)境［3］。因此，如何減輕重金屬污染已成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)之一，國(guó)內(nèi)外在土壤重金屬污染植物修復(fù)方面的研究較多［4～7］。

工業(yè)大麻(Industrial Hemp)是通過(guò)遺傳改良，四氫大麻酚(THC)含量低于0.3%的大麻品種類型，適宜山區(qū)種植、生物量大、抗逆性強(qiáng)、生長(zhǎng)速度快、周期短、根系龐大、碳匯能力強(qiáng)等特點(diǎn)，其優(yōu)良特性決定其是一種非常理想的用于修復(fù)重金屬污染土壤的候選植物。國(guó)內(nèi)外專家開展了工業(yè)大麻在重金屬污染土壤上的種植試驗(yàn)，對(duì)工業(yè)大麻吸附重金屬能力進(jìn)行了初步研究，研究發(fā)現(xiàn):當(dāng)Cd濃度小于25mg/kg時(shí)，對(duì)大麻生長(zhǎng)有一定促進(jìn)作用，促進(jìn)了大麻根系生長(zhǎng)［8］;在土壤中添加Cd濃度為82mg/kg時(shí)，對(duì)大麻根生長(zhǎng)和分枝及地上部分干重和根干重與對(duì)照差異不顯著［9］。但工業(yè)大麻對(duì)土壤重金屬不同富集部位及耐受能力系統(tǒng)研究未見報(bào)道。本文以工業(yè)大麻“云麻2號(hào)”為研究對(duì)象，通過(guò)在土壤中添加不同重金屬的盆栽試驗(yàn)，在探討工業(yè)大麻富集能力的同時(shí)，研究鉛、銅、鎘三種重金屬在工業(yè)大麻根、莖、葉、纖維、種子、花中富集程度，從而指導(dǎo)生產(chǎn)。為工業(yè)大麻修復(fù)重金屬污染土壤、改善生態(tài)環(huán)境提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以云南省農(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“云麻2號(hào)”為供試品種。試驗(yàn)土壤為云南省官渡區(qū)小哨大田耕作層(0～20cm)的土壤，其基本理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗(yàn)方法

盆栽試驗(yàn)于2013年在云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所大麻課題試驗(yàn)基地小哨溫室進(jìn)行。以分析純CuCl2·2H2O、Pb(NO3)2和CdCl2·2.5H2O為外源污染試劑，分別設(shè)4個(gè)濃度水平，即Pb2+:0(CK)、100、300、600mg/kg;Cu2+:0(CK)、100、200、300mg/kg;Cd2+:0 (CK)、50、100、150mg/kg。試驗(yàn)采用盆栽，每處理3重復(fù)，每重復(fù)為一盆，盆缽直徑50cm，高30cm，每盆裝過(guò)篩風(fēng)干土21kg。2013年5月10日將重金屬與土按規(guī)定用量充分混勻裝盆，放置靜止絡(luò)合15d，于5月25日每盆分別施尿素3.82g、過(guò)磷酸鈣6.18g、硫酸鉀2.35g作為底肥，播種20顆，出苗2對(duì)真葉時(shí)，按照拔高去弱留中間的原則每盆定苗5株。各處理在相同的環(huán)境條件下人工澆水。每周進(jìn)行一次生物性狀觀察記載，工藝成熟期收獲雄株，種子成熟期收獲雌株，分別測(cè)定雌雄株的根、莖、葉、纖維和雄株花以及雌株種子的重金屬含量。

1.3 測(cè)定方法

重金屬含量測(cè)定:植物樣品在105℃下殺青30min，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V(HNO3):V(HClO4)=5∶1的混合液進(jìn)行微波消解、定容。用原子吸收分光光度計(jì)法測(cè)定樣品中的Pb、Cu、Cd含量。

富集系數(shù)=植物地上部(或根或莖或葉等)重金屬含量/土壤中該元素含量轉(zhuǎn)移系數(shù)=植物地上部(或根或莖或葉等)重金屬含量/根部該元素含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬Pb、Cu、Cd對(duì)工業(yè)大麻生物量的影響

表2 工業(yè)大麻雌雄株不同器官生物量(g/5株)Tab.2 Biomass of different organs of male and female hemp(g/five plants)

隨著Pb2+、Cu2+、Cd2+處理濃度的升高，工業(yè)大麻雌雄株不同器官的生物量受重金屬抑制程度有差異(表2所示)。不同濃度Pb2+(100～600mg/kg)處理下，雌雄株的生物量比對(duì)照高，表明Pb2+濃度達(dá)600mg/kg時(shí)，促進(jìn)植株生長(zhǎng);低濃度的Cu2+(100 mg/kg)、Cd2+(50mg/ kg)處理下，不影響雌雄株不同部位的生物量，而隨Cu2+、Cd2+處理濃度的升高，工業(yè)大麻不同器官生物量呈降低趨勢(shì)，其中Cu2+處理濃度降幅較小，與對(duì)照相比，高濃度Cu2+(300mg/ kg)處理下生物量降低幅度不到30%，高濃度Cd2+(150mg/kg)處理下，生物量降低超過(guò)80%。

當(dāng)Pb2+、Cu2+和Cd2+處理濃度均為100mg/kg時(shí)，與對(duì)照相比，Pb2+處理下植株生物量略有增加，Cu2+對(duì)生物量的形成不產(chǎn)生影響，而Cd2+抑制植株的正常生長(zhǎng)，有降低生物量的趨勢(shì)。表明工業(yè)大麻對(duì)這3種重金屬耐受性存在差異，其中對(duì)Pb具有較強(qiáng)耐受能力。

2.2 重金屬Pb、Cu、Cd分別在工業(yè)大麻雌雄株不同器官的積累量

由表3可知，隨著Pb2+、Cu2+、Cd2+濃度的升高，工業(yè)大麻雌雄株不同部位的重金屬含量逐漸增加。3種重金屬處理下，不同器官對(duì)重金屬積累量有差異。Pb2+處理下，種子和雄花重金屬含量最低(1.20～2.66mg/kg)，Pb主要積累在根、莖、葉和纖維中，處理濃度為600mg/kg時(shí)，根的最大含量為109.05mg/kg;Cu主要積累在根、莖、葉、種子、花中，而在纖維中累積的量比較少，處理濃度為300mg/kg時(shí)，Cu在纖維含量為9.24mg/kg;對(duì)于Cd2+處理最大濃度為150mg/kg時(shí)，根、莖、葉、纖維中的重金屬含量均比較高，分別為451.01mg/kg、195.53 mg/ kg、203.39mg/kg、449.57mg/kg，均超過(guò)了Cd2+超富集植物的臨界含量的100.00mg/kg，而在種子和雄花中的Cd含量相對(duì)較少，分別為30.52mg/kg和4.01mg/kg。

表3 工業(yè)大麻中重金屬的含量(mg/kg)Tab.3 Concentration of heavy metals in hemp(mg/kg)

由上表可知，3種重金屬在工業(yè)大麻不同部位的累積量不同，當(dāng)Pb2+、Cu2+和Cd2+處理濃度均為100mg/kg時(shí)，重金屬在工業(yè)大麻植株中的累積量分別為Pb2+(40.48 mg/kg)、Cu2+(85.73mg/kg)、Cd2+(722.11 mg/kg);Pb在種子中的含量較低(1.2 mg/kg)，Cu在纖維中的累積量較少(4.29 mg/kg)，Cd在種子和纖維中的含量較高(29.67 mg/kg和218.46 mg/kg)。

2.3 工業(yè)大麻對(duì)3種重金屬的富集能力

表4 重金屬Pb、Cu、Cd在工業(yè)大麻不同器官的富集系數(shù)Tab.4 Concentration coefficients of heavy mentals in different hemp organs

Pb2+、Cu2+、Cd2+不同濃度處理下工業(yè)大麻組織中重金屬的累積量變化由表4可知。不同Pb2+濃度處理下，Pb主要累積根部，處理濃度分別為300mg/kg、600mg/kg時(shí)，最大富集系數(shù)分別為0.18和0.17，根部Pb積累量無(wú)差異，表明600mg/kg Pb2+處理下，根部仍能保持較高的Pb積累量，也說(shuō)明此濃度下對(duì)工業(yè)大麻的生長(zhǎng)無(wú)影響。隨著Cu2+濃度的升高，Cu主要集中在雌株根、葉和雄株的根和花器官里，且隨濃度的增大而有降低趨勢(shì)。對(duì)照土壤中全量Cd含量極低(1.258mg/kg)，主要富集在根部，使得根的富集系數(shù)比較大，雌雄株富集系數(shù)分別為8.32、26.09;隨著Cd2+處理濃度的升高，Cd主要集中在根、莖、葉、纖維中，且富集系數(shù)均大于1，表現(xiàn)最高的是纖維(2.97)，種子和花的Cd富集系數(shù)小于1，累積量較低。

2.4 工業(yè)大麻對(duì)3種重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)能力

表5 重金屬Pb、Cu、Cd在工業(yè)大麻不同器官的轉(zhuǎn)移系數(shù)Tab.5 Translocation coefficients of heavy mentals in different hemp organs

不同濃度Pb2+、Cu2+、Cd2+處理下工業(yè)大麻組織中重金屬的遷移由表5可知。Pb2+濃度在0～600mg/kg時(shí)，轉(zhuǎn)移系數(shù)小于1，且Pb主要轉(zhuǎn)移到莖、葉、纖維中，在雌株種子和雄株花中很少。Cu2+不同濃度處理下，對(duì)照土壤中含有較低濃度的Cu2+(43.1 mg/kg)時(shí)，雌株的葉、種子和纖維的轉(zhuǎn)移系數(shù)大于1，Cu2+處理濃度在100～300mg/kg范圍時(shí)，轉(zhuǎn)移系數(shù)均小于1，Cu主要遷移到雌株的莖、葉和雄株的花中。Cd2+在工業(yè)大麻不同器官中表現(xiàn)出很強(qiáng)的遷移特征，Cd主要轉(zhuǎn)運(yùn)到雌株的莖、葉、纖維和雄株的莖、纖維中，且在雌雄株中的纖維遷移系數(shù)均大于1，說(shuō)明Cd在從根中的遷移到纖維的能力強(qiáng)于其余器官。

3 討論

本研究中，當(dāng)Pb2+、Cu2+和Cd2+處理濃度均為100mg/kg時(shí)，重金屬在根、莖、葉、纖維和種子的累積量大小均為Cd＞Cu＞Pb。且在此濃度下，Pb2+促進(jìn)植株的生長(zhǎng)，Cu2+不影響植株的生物量，Cd2+抑制植株生物量增加。因此，工業(yè)大麻對(duì)3種重金屬的耐性由強(qiáng)到弱依次為: Pb＞Cu＞Cd，富集能力為Cd＞Cu＞Pb。

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)是表征植物將重金屬由根部轉(zhuǎn)移到地上部的能力，可間接衡量植物對(duì)重金屬的耐性［10］。從Pb、Cu、Cd在工業(yè)大麻植株體內(nèi)的分布來(lái)看，Pb主要分布在植株的根部，使地上部保持較低的重金屬含量，以減輕重金屬對(duì)地上部的毒害，這與Aksoy和Zhou等的研究結(jié)果一致［11，12］;Cd主要富集在工業(yè)大麻植株的根、莖、葉、纖維中，相應(yīng)的富集系數(shù)大于1，雄株的根、纖維的富集系數(shù)超過(guò)2，纖維的轉(zhuǎn)移系數(shù)大于1，而在種子和雄花中的富集Cd較少，說(shuō)明Cd從該植物根部向地上部有較高的遷移能力，這和Ross的研究結(jié)果一致［13］。

總的來(lái)說(shuō)，Pb的遷移性不強(qiáng)，重金屬主要富集在根里;Cu在纖維中的含量較低;Cd具有較強(qiáng)的遷移和富集能力，在纖維中含量比較高，但在種子Cd含量較少。云南為礦產(chǎn)資源之都，耕地土壤受重金屬污染非常嚴(yán)重，云南特殊的生境特別適宜種植工業(yè)大麻，所以結(jié)合工業(yè)大麻對(duì)不同重金屬的富集特性，可對(duì)礦區(qū)重金屬污染土壤進(jìn)行植物修復(fù)。如在鉛礦區(qū)可種植纖維型或籽用型工業(yè)大麻，對(duì)銅污染嚴(yán)重的地塊可采用纖維型種植模式，在鎘污染嚴(yán)重的地區(qū)可種植籽用型工業(yè)大麻進(jìn)行土壤修復(fù)。

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Tolerance and Accumulation Capabilities of Heavy Metals Pb，Cu and Cd with Industrial Hemp Yunma 2

XU Yan-ping，CHEN Xuan，GUO Meng-bi，ZHANG Qing-ying，DENG Jian-chuan，YANG Ming，GUO Hong-yan*
(Industrial Crop Research Institute，Yunnan Academy of Agricultural Sciences，Kunming 650205，China)

In order to study the tolerance and accumulation abilities of industrial hemp under heavy metal environment，“Yunma 2”was planted and treated with artificial addition of Pb，Cu and Cd in pot experiment.The results showed that Pb2+did not affect the normal growth of the plant under 600 mg/kg，and Pb2+was mainly accumulated in root with 109.05 mg/kg，only 2.55 mg/kg in seeds.And the concentration coefficient and the transfer coefficient of seed were 0 and 0.02，respectively.Cu2+was mainly concentrated in root，stem，leaf，seed and male flowers，however the least concentration was in fibers，which was from 3.74～9.24 mg/kg.Furthermore，concentration coefficient and transfer coefficient of fi-ber were less than 0.20，Cd2+could be strongly absorbed and accumulated by Yunma 2 when Cd2+concentration was 150 mg/kg.In addition，Cd2+was mainly concentrated in root，stem，leaf and fiber，the concentration coefficients were very high(＞1)，especially in the root and fiber of male plants(＞2).The results demonstrated that industrial hemp“Yunma 2”has good abilities to resist Pb2+and accumulate Cd2+.

industrial hemp;heavy metal;accumulation;translocation

S563.3

A

1671-3532(2015)01-0021-06

2014-09-15

國(guó)家麻類產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)項(xiàng)目資助(CARS-19-E05);云南省重點(diǎn)新產(chǎn)品開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2011BB011);云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所基金(YNNKYJZS2014-2)

許艷萍(1980-)，女，助理研究員，從事大麻生物技術(shù)試驗(yàn)、育種及種子檢驗(yàn)研究工作。E-mail:40317605@ qq.com。

*通訊作者:郭鴻彥(1965-)，女，研究員，從事大麻育種及栽培技術(shù)研究。E-mail:yanhongg38@hotmail.com。