郝冬梅，邱財(cái)生，龍松華，郭媛，王慧，王玉富

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所，湖南長(zhǎng)沙410205）

我國(guó)原環(huán)境保護(hù)部和國(guó)土資源部于2014年4月17日聯(lián)合發(fā)布《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》，公告顯示，全國(guó)土壤總的點(diǎn)位超標(biāo)率為16.1&，其中耕地、林地、草地的土壤點(diǎn)位超標(biāo)率分別為19.4&、10.0&、10.4&，無機(jī)污染物超標(biāo)點(diǎn)位數(shù)占全部超標(biāo)點(diǎn)位的82.8&。從不同種類的污染物情況看，重金屬類鎘（Cd）、汞（Hg）、砷（As）、銅（Cu）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、鋅（Zn）、鎳（Ni）8種無機(jī)污染物點(diǎn)位超標(biāo)率分別為7.0&、1.6&、2.7&、2.1&、1.5&、1.1&、0.9&、4.8&；六六六、滴滴涕、多環(huán)芳烴3類有機(jī)污染物點(diǎn)位超標(biāo)率分別為0.5&、1.9&、1.4&。2015年6月發(fā)布《中國(guó)耕地地球化學(xué)報(bào)告》，報(bào)告顯示，污染或超標(biāo)耕地面積總計(jì)759.1萬公頃，占調(diào)查耕地面積的8.22&，主要分布在湘鄂皖贛區(qū)、閩粵瓊區(qū)和西南區(qū)。隨著我國(guó)城市化、工業(yè)化進(jìn)程的加快，重金屬對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)地環(huán)境乃至農(nóng)產(chǎn)品安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅［1］。目前國(guó)家及各省政府對(duì)耕地污染問題十分重視，投入了大量的財(cái)力、人力、物力進(jìn)行修復(fù)治理工作。

目前常用的重金屬污染耕地修復(fù)方法主要有生物修復(fù)、物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)，與物理及化學(xué)修復(fù)技術(shù)相比，生物修復(fù)技術(shù)尤其是植物修復(fù)具有簡(jiǎn)便、成本低、安全等優(yōu)點(diǎn)，故采用該技術(shù)的研究與應(yīng)用相對(duì)較多，將成為未來污染土壤修復(fù)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)［2］。植物修復(fù)對(duì)于重金屬輕度污染耕地的修復(fù)效果較好，是我國(guó)乃至世界上應(yīng)用最廣泛的一種方法。國(guó)內(nèi)發(fā)現(xiàn)的超富集植物有20多種，但真正大面積應(yīng)用的并不多。本文旨在對(duì)麻類作物對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)作用進(jìn)行研究，以期對(duì)該技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用起到一定的促進(jìn)作用。

1 植物修復(fù)

植物修復(fù)是利用植物來吸收、轉(zhuǎn)移、提取土壤中的重金屬、有機(jī)物等污染物的方法，使土壤中的污染物含量逐步降低，并達(dá)到不影響農(nóng)產(chǎn)品安全的水平。根據(jù)植物修復(fù)的方法與機(jī)理，可以將植物修復(fù)分為植物穩(wěn)定、植物轉(zhuǎn)化、植物提取和植物揮發(fā)4種類型［3］。其中，研究與應(yīng)用較多的是植物提取，即通過植物對(duì)重金屬的吸收達(dá)到去除的目的。在美國(guó)、新西蘭等國(guó)家已經(jīng)報(bào)道的超積累植物有700種。

至2010年，國(guó)內(nèi)發(fā)現(xiàn)Cd超富集植物已達(dá)20余種，主要有東南景天、寶山瑾菜、龍葵、三葉鬼針草、龍共葵、球果蔊菜、小飛蓬、商陸、水蔥、楊桃等［4］。這些超富集植物對(duì)重金屬吸收能力強(qiáng)，富集系數(shù)高，對(duì)污染耕地具有良好的修復(fù)效果。但是，超富集植物中大多數(shù)為野生植物，未經(jīng)過馴化或馴化時(shí)間較短，適應(yīng)性比較差，生物質(zhì)產(chǎn)量低、生長(zhǎng)慢，且經(jīng)濟(jì)價(jià)值比較低或無經(jīng)濟(jì)價(jià)值，種植技術(shù)也不成熟，不容易推廣。而利用非食用作物的種植進(jìn)行重金屬污染耕地的修復(fù)是比較理想的邊利用邊修復(fù)的方法。

麻類作物是我國(guó)最古老的一類作物，主要包括大麻、苧麻、黃麻、亞麻、紅麻、劍麻、青麻等，同時(shí)麻類產(chǎn)業(yè)潛力巨大。麻類作物生物質(zhì)產(chǎn)量高，抗逆性強(qiáng)，種植技術(shù)簡(jiǎn)便，其主要產(chǎn)品纖維不用于食品，具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

國(guó)內(nèi)外重金屬污染耕地的治理研究主要集中在重金屬對(duì)麻類作物生長(zhǎng)的影響、麻類作物對(duì)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等方面。

2 重金屬對(duì)麻類作物生長(zhǎng)的影響

麻類作物對(duì)重金屬都具有較好的耐受性，如亞麻在低濃度重金屬環(huán)境下，其生長(zhǎng)一般不會(huì)受到影響。不同亞麻品種及種質(zhì)資源對(duì)Cd的耐受性存在較大差異，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所育成的中亞麻1號(hào)在Cd濃度為25 mg／kg的土壤中可以正常生長(zhǎng)。Marie Bjelkováa等［5］利用6個(gè)纖用和4個(gè)油用類型的亞麻品種進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在含Cd 10～1000 mg／kg的土壤中，亞麻植株均能正常生長(zhǎng)。

大麻亦如此，當(dāng)土壤中Cd濃度小于25 mg／kg時(shí)，Cd對(duì)大麻的生長(zhǎng)有一定程度的促進(jìn)作用［6］。當(dāng)土壤中的Cd、Cr和Ni的濃度分別為82、139、115μg／g時(shí)，對(duì)大麻的生長(zhǎng)以及形態(tài)沒有顯著影響［7］。當(dāng)重金屬濃度增加時(shí)，大麻吸收重金屬的量也增加，但對(duì)其產(chǎn)量和品質(zhì)無明顯影響［8］。因此可以認(rèn)為，大麻種植在重金屬污染耕地中，其生長(zhǎng)發(fā)育受影響很小或不受影響［9-11］。

苧麻在濃度為153mg／kg的Cd處理下，有葉片變黃、黑斑等不良癥狀，生長(zhǎng)發(fā)育也會(huì)受到明顯抑制，但是仍能完成其正常的生長(zhǎng)周期，表明苧麻對(duì)Cd脅迫具有良好的耐性［12］。曹德菊等［13］對(duì)苧麻的Cd耐受性以及積累效應(yīng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)土壤中Cd的含量為50～200 mg／kg時(shí)苧麻植株生長(zhǎng)良好，并對(duì)其生長(zhǎng)有一定的促進(jìn)作用；當(dāng)土壤中Cd的含量為300mg／kg時(shí)，苧麻植株則出現(xiàn)受害現(xiàn)象，表現(xiàn)為近根部變褐、腐爛、空心等癥狀；當(dāng)土壤中Cd含量提高到1200 mg／kg以上時(shí)，苧麻植株死亡。

紅麻對(duì)重金屬耐受性比較高，低濃度的重金屬對(duì)紅麻的生長(zhǎng)具有刺激作用，使其產(chǎn)量有一定的提高。Salim等［14］研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Pb濃度為100 mg／kg時(shí)能顯著提高紅麻的產(chǎn)量。龔紫薇等［15］將30個(gè)紅麻和黃麻品種種植于取自湖南省郴州市某Pb、Zn尾礦庫(kù)的Pb、Zn礦渣（Pb、Zn的含量分別為6267.98、2877.31 mg／kg）中，除其中3個(gè)品種全部死亡，2個(gè)品種存活率低于50&外，其余25個(gè)品種（7個(gè)黃麻、18個(gè)紅麻品種）可以100&存活。

在劍麻營(yíng)養(yǎng)液中加入Pb（NO3）2，當(dāng)Pb的處理濃度低于1300 mg／kg時(shí)，Pb濃度的增加對(duì)劍麻生長(zhǎng)影響較小，劍麻可在Pb濃度5100 mg／kg左右的條件下正常生長(zhǎng)，這在實(shí)際Pb污染土壤修復(fù)中，既能滿足經(jīng)濟(jì)需要，又能達(dá)到污染土壤修復(fù)的目的。當(dāng)加入濃度達(dá)到15900 mg／kg時(shí)，其生物量?jī)H為對(duì)照的6.7&，顯著抑制劍麻的生長(zhǎng)［16］。

從以上的研究結(jié)果可以看出，麻類作物對(duì)土壤中的重金屬耐受性很強(qiáng)，且麻類植株本身對(duì)重金屬會(huì)產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)，從而降低重金屬對(duì)其造成的影響。故可認(rèn)為在一定程度重金屬污染耕地種植麻類作物都可以正常生長(zhǎng)。

3 麻類作物對(duì)重金屬的吸收能力

Carlson等［17］在每公頃含有112～224 t下水道污泥的土壤中種植紅麻，發(fā)現(xiàn)紅麻莖中積累了大量的 Fe、Zn、Mn、Cu、Pb、Cr、Cd、Hg等重金屬元素，表明紅麻可以用于重金屬污染的治理。栗原宏幸等［18］連續(xù)3年將紅麻種植在日本西南地區(qū)的Cd污染農(nóng)田中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)土壤中的Cd含量以每年347 g／hm2的速度降低，說明紅麻對(duì)Cd污染土壤具有明顯的修復(fù)作用，并認(rèn)為植物修復(fù)比其它方法更安全。Babatunde等［19］進(jìn)行Pb脅迫試驗(yàn)，結(jié)果顯示紅麻對(duì)去除土壤中的Pb污染非常有效。按基質(zhì)重7 g／kg的Pb（NO3）2，不同品種紅麻的株高會(huì)降低20～60 cm左右［20］。

在同樣Cd濃度下種植亞麻、玉米及向日葵，亞麻莖桿中的Cd含量比玉米和向日葵中的Cd高3～5倍，主要原因可能是亞麻生長(zhǎng)較慢，同時(shí)亞麻根對(duì)Cd的吸收能力和轉(zhuǎn)移能力較強(qiáng)［21］。Moraghan等［22］研究結(jié)果顯示亞麻對(duì)Cd的富集系數(shù)大于1。Douchiche O.等［23］在沙質(zhì)基質(zhì)中含Cd 11.24 mg／kg的條件下種植亞麻Hermes，生長(zhǎng)時(shí)間為4個(gè)月，然后將其分成3段莖和根，結(jié)果根和基部莖的Cd含量最高，干物質(zhì)中的Cd含量分別為750、360 mg／kg，亞麻莖的Cd富集系數(shù)達(dá)到了13.3，遠(yuǎn)超過超富集植物對(duì)Cd的富集標(biāo)準(zhǔn)。

研究［24］表明，土壤中Hg含量在5～130 mg／kg范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)苧麻產(chǎn)量和品質(zhì)仍未造成顯著影響，水稻田改種苧麻后，土壤Hg的年凈化率高達(dá)41&，土壤的自凈恢復(fù)年限比種植水稻縮短8.5倍，表明改種苧麻是Hg污染稻田合理利用的有效途徑。

Cd脅迫下，黃麻地上部和地下部富集系數(shù)均大于1，各處理遷移系數(shù)在0.85～1.65之間，表明黃麻對(duì)Cd有較強(qiáng)的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)能力［25］。Cd濃度為5～10 mg／kg時(shí)，Cd提取率超過1.9&，因此，黃麻是一種潛在的修復(fù)輕、中度土壤Cd污染的植物材料［25］。

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所試驗(yàn)表明，在土壤中Cd含量為5 mg／kg時(shí)，大麻莖的富集系數(shù)平均在2以上，莖下部的最高富集系數(shù)達(dá)到11；根的富集系數(shù)平均在5以上，最高達(dá)到22.4。

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，麻類作物對(duì)不同種類的重金屬都具有很好的吸收能力，可以作為重金屬污染耕地的理想作物進(jìn)行利用。

4 重金屬在麻類作物植株體內(nèi)的分布

不同的重金屬元素在麻類植株體內(nèi)的分布情況不同，不同的麻類作物品種植株體內(nèi)，不同的重金屬分布也不盡相同。栗原宏幸等［18］的研究認(rèn)為紅麻葉中重金屬 Cd的含量最高，達(dá)52.3 mg／kg，其次是紅麻的莖、根、果實(shí)，紅麻植株平均 Cd含量為9.6～14.4 mg／kg。陳軍等［26］研究了不同紅麻、黃麻品種植株中重金屬的積累和分布，結(jié)果顯示，紅麻、黃麻不同器官中Zn的分布較均勻，Cd和As的分布情況為：根＞葉（籽粒）＞莖稈；Pb的分布情況為：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［27］的研究顯示，Pb在紅麻的根、莖、蒴果等器官中均有分布，但是葉里沒有；有機(jī)肥料可以促進(jìn)紅麻對(duì)Pb的吸收，85&的Pb分布在紅麻的根中，且以植物細(xì)胞的細(xì)胞壁中為主。

林匡飛等［28］通過盆栽和微區(qū)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，苧麻植株各部位Cd含量表現(xiàn)為根＞莖葉＞籽實(shí)，而莖葉中Cd含量大小順序?yàn)槁闅ぃ韭楣牵驹?，其中原麻和精干麻中Cd含量極低。根據(jù)大麻不同器官的生物量分布計(jì)算，總體看重金屬在大麻體內(nèi)的分布是：根＞莖＞葉＞種子，其中：Zn：根＞葉 ＞莖；Cu：葉 ＞根 ＞莖；Ni：根 ＞葉 ＞莖［29］。MarieBjelkováa等［5］認(rèn)為，亞麻植株對(duì)重金屬的富集能力為：根＞莖＞葉＞籽。

從以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，麻類作物對(duì)重金屬的吸收在體內(nèi)的分布由下到上呈逐漸遞減的趨勢(shì)，因此，重金屬污染土地上生產(chǎn)的麻類植株體以及種子可以分段分類利用。從原麻和精干麻中Cd含量來看，重金屬污染耕地上種植的麻類作物是可以利用的。在利用麻類作物進(jìn)行重金屬污染耕地修復(fù)時(shí)，在收獲有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的地上部分的同時(shí)，最好將作物的根部移除，以提高修復(fù)效果。

5 重金屬脅迫下植株的生理變化

Li等［30］研究認(rèn)為不同的紅麻品種對(duì)Cd的耐受能力不同，福紅991對(duì)Cd的耐性高于ZM412；在Cd脅迫下，紅麻葉中的過氧化氫酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）的活性與對(duì)照相比有波動(dòng)，福紅991中的谷胱甘肽還原酶活性明顯增強(qiáng)，根中的SOD、POD和CAT活性都高于對(duì)照，但是福紅991的POD活性在不同水平的Cd處理中幾乎保持不變。

李正文等［31］研究認(rèn)為在Cd、Pb脅迫下3個(gè)紅麻品種的丙二醛、脯氨酸、POD、SOD等有變化；所有生理指標(biāo)中以不育系變化最明顯，雜交F1變化最不明顯，表現(xiàn)出了明顯的雜種優(yōu)勢(shì)。

Cd脅迫誘導(dǎo)“云麻1號(hào)”大麻幼根與葉片中SOD、POD活性呈現(xiàn)先升高后降低趨勢(shì)［32］。

亞麻品種Jitka在Cd脅迫下，鐵蛋白、谷氨酰胺合成酶兩種蛋白質(zhì)上調(diào)，認(rèn)為耐Cd機(jī)制是鐵蛋白和小分子的巰基肽與Cd結(jié)合后，使亞麻少受或免受了Cd的毒害［33］。Douchiche等［34］研究認(rèn)為重金屬引起細(xì)胞壁超微結(jié)構(gòu)的變化以及細(xì)胞壁外層果膠的重新分配，形成了適應(yīng)重金屬脅迫的應(yīng)答機(jī)制。試驗(yàn)顯示亞麻品種Hermes的幼苗具有耐Cd性［35］。

苧麻在Cd脅迫下有較活躍的生理調(diào)控機(jī)制，隨著Cd脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，根系中的可溶性蛋白含量增加，POD、CAT酶活性降低，但根系活躍吸收面積幾乎不受影響；葉片中的可溶性蛋白含量增加，POD、CAT酶活性則先升高后降低，葉綠素含量增加［36］。

從上述結(jié)果來看，在脅迫下各種酶的活性變化不一致，多數(shù)表現(xiàn)為降低或先升高再降低趨勢(shì)?？傊轭愖魑飳?duì)重金屬的耐受性機(jī)理已有一些研究，但仍不全面透徹，有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

6 麻類作物在重金屬污染耕地修復(fù)中的應(yīng)用前景

自20世紀(jì)80年代起，人們就利用植物進(jìn)行重金屬污染土壤修復(fù)的研究。大花月見草、蜈蚣草、李氏禾、蔗茅、魚腥草、西芹、黑麥草、早熟禾、籽粒莧等被認(rèn)為是重金屬的超富集植物［37］，但這些植物的經(jīng)濟(jì)價(jià)值都較低，利用這些植物進(jìn)行重金屬污染耕地修復(fù)沒有經(jīng)濟(jì)效益，推廣起來有一定難度。

麻類作物在我國(guó)種植具有悠久的歷史。在重金屬污染耕地修復(fù)方面，麻類作物與其它超富集植物相比具有明顯優(yōu)勢(shì)：首先，麻類作物都具有較好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，較一些超富集植物更容易推廣種植；其次，麻類作物經(jīng)過長(zhǎng)期馴化以及品種選育，使其比超富集植物具有更好的適應(yīng)性；第三，麻類作物耐重金屬能力較強(qiáng)，在一般的重金屬污染環(huán)境下能正常生長(zhǎng)，并具有較高的生物產(chǎn)量，如：紅麻每年的生物產(chǎn)量可達(dá)20 t／hm2以上，是針葉木材生物質(zhì)產(chǎn)量的3～4倍、CO2吸收率的4倍［38］；第四，麻類產(chǎn)區(qū)的農(nóng)民都有豐富的種麻經(jīng)驗(yàn)，為實(shí)現(xiàn)重金屬污染耕地邊利用邊修復(fù)的戰(zhàn)略打下了良好的技術(shù)基礎(chǔ)；第五，麻類作物種類較多，可以針對(duì)不同的生態(tài)、土壤條件選擇不同的麻類作物，如：鹽堿比較重的土壤可以選擇亞麻、紅麻；比較干旱的土壤可以選擇大麻；山坡地可以選擇苧麻；熱帶亞熱帶地區(qū)可以選擇劍麻；南方輕度污染的土地冬季與水稻輪作可以選擇亞麻，實(shí)現(xiàn)重金屬輕度污染水稻田的邊修復(fù)邊利用，比較容易積水的地塊可以選擇耐漬性比較好的紅麻等。

麻類作物是優(yōu)良的紡織原料。1990年以來，麻類纖維全球年需求量高達(dá)600萬噸，年產(chǎn)量不足470萬噸，缺口100多萬噸。目前我國(guó)麻類纖維消耗量為60萬噸，自行生產(chǎn)不足20萬噸，缺口高達(dá)60&以上。隨著麻纖維復(fù)合材料、麻類藥用、造紙、建筑材料、食用、飼用、土壤修復(fù)、水土保持、工業(yè)原料、生物能源、生物材料、可降解麻地膜、麻塑產(chǎn)品、麻育秧膜等麻類多功能用途的不斷開發(fā)和21世紀(jì)以來人類對(duì)麻類服飾健康、環(huán)保特性的關(guān)注，全球?qū)β轭惱w維織物的需求量將迅速增加，所以麻類作物的種植具有很好的前景。同時(shí)麻類作物作為重金屬污染耕地修復(fù)的候選作物，具有一般作物以及超富集植物不可比擬的優(yōu)勢(shì)，故利用麻類作物進(jìn)行重金屬污染耕地的修復(fù)是實(shí)現(xiàn)麻類生產(chǎn)發(fā)展與耕地可持續(xù)利用的雙贏戰(zhàn)略，具有廣闊前景。