許艷萍,郭 蓉,郭鴻彥,張慶瀅,陳 璇,郭孟璧,呂 品,鄧 綱,楊 明*

(1.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；2.云南大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,云南 昆明 650500)

土壤是人類、動(dòng)植物和微生物賴以生存的主要自然資源。但隨著我國工業(yè)和農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展,土壤重金屬污染日趨嚴(yán)重[1]。Pb是土壤中常見的一種重金屬污染物,具有污染面積大、移動(dòng)性差、殘留時(shí)間長、不易被微生物降解等特點(diǎn),其治理和修復(fù)難度大,不僅影響農(nóng)作物的生長,還通過食物鏈威脅人類健康[2]。因此,尋求經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效的重金屬Pb污染土壤的修復(fù)技術(shù)迫在眉睫。目前,重金屬Pb污染土壤的修復(fù)技術(shù)可以分為兩類:物理化學(xué)修復(fù)和植物技術(shù)修復(fù)[3]。物理化學(xué)修復(fù)包括客土深耕法、隔離法、淋濾法等。物理化學(xué)修復(fù)方法具有成本高、難以大范圍使用、難以管理等局限性。植物修復(fù)技術(shù)包括植物降解、植物揮發(fā)、植物萃取及超富集植物[4]。植物修復(fù)是一項(xiàng)新興的、高效的修復(fù)技術(shù),因其具有成本低、實(shí)施簡單、效果永久、對(duì)環(huán)境無二次污染、美化環(huán)境等優(yōu)良特性而受到廣泛關(guān)注。

植物修復(fù)技術(shù)關(guān)鍵在于找到超富集植物,但是目前人們找到的超富集植物存在生長緩慢、植株矮小、生物量小、生態(tài)適應(yīng)性差等特點(diǎn)。如Pb超富集植物密毛白蓮蒿(Artemisiasacrorum)、圓錐南芥(Arabispaniculata)等[5],這些植物實(shí)際應(yīng)用難,修復(fù)效果極其有限,不易在生產(chǎn)中大規(guī)模推廣應(yīng)用,難以應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)重的土壤重金屬污染問題。因此當(dāng)前的研究者不再局限于尋找超富集植物,轉(zhuǎn)而尋找對(duì)重金屬Pb具有耐性且生物量高的植物,如大麻(CannabissativaL.)、大麥(HordeumvulgareL.)、芥菜(Linnaeus)、玉米(ZeamaysL.)、黑麥草(Loliumperenne)等主要農(nóng)作物。這些作物雖然富集重金屬Pb的量低于超富集植物,但其生物量及生長速度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于超富集植物,因此它們?cè)谛迯?fù)重金屬Pb污染土壤方面更有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[6]。而植物修復(fù)主要針對(duì)中、輕度污染的土壤進(jìn)行,修復(fù)效果非立竿見影且周期長。因此,配合使用改良劑能促進(jìn)植物吸收重金屬Pb,提高修復(fù)效果。在采用植物修復(fù)重金屬Pb污染土壤的研究中,乙二胺四乙酸二鈉(EDTA-2Na,簡稱EDTA)是一種常見的人工螯合劑,能活化土壤中的Pb,提高植物對(duì)Pb的吸收。潘新星等[7]研究發(fā)現(xiàn),施用2.5 mmol/kg EDTA顯著提高了黑麥草的Pb含量和積累量。檸檬酸(CIT)是天然小分子有機(jī)酸,能降低土壤pH值,有利于植株對(duì)重金屬Pb的吸收[8]。蚯蚓液是含腐殖酸的水溶性肥料[9]。蚯蚓液能促進(jìn)植物生長,但利用蚯蚓液的特性減輕污染物脅迫效應(yīng)的研究鮮見報(bào)道。有機(jī)肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的常用肥料,含有大量有機(jī)質(zhì)等還原物質(zhì),能改變土壤的氧化還原狀態(tài),使重金屬Pb生成硫化物沉淀,減少植物對(duì)Pb的吸收,從而促進(jìn)植株生長[10]。

大麻(CannabissativaL.)是大麻科大麻屬一年生草本植物,是我國傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)作物,原產(chǎn)于中國、印度、不丹等地,現(xiàn)在亞洲、歐洲及南美等國家和地區(qū)廣泛種植。而工業(yè)大麻(Industrial hemp)是通過遺傳改良后四氫大麻酚(THC)含量低于0.3%、經(jīng)公安部門批準(zhǔn)可合法推廣種植的品種類型。工業(yè)大麻具有栽培歷史悠久、分布廣泛、生物量大、抗逆性強(qiáng)、碳匯能力強(qiáng)、易種植管理、耐密植、耐旱、耐瘠,根系發(fā)達(dá),生長速度快等優(yōu)良特性[11],是一種比較理想的修復(fù)重金屬Pb污染土壤的植物。目前,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)工業(yè)大麻吸收、富集以及轉(zhuǎn)移重金屬的相關(guān)研究報(bào)道不多,不同改良劑的施用對(duì)工業(yè)大麻吸收和抵抗重金屬有什么影響也不清楚。因此我們采用模擬自然環(huán)境土壤高Pb脅迫的盆栽方法,研究了不同類型的3個(gè)工業(yè)大麻品種配施不同改良劑對(duì)重金屬Pb的吸收積累以及生長發(fā)育特性的影響，旨在為利用工業(yè)大麻修復(fù)高Pb污染土壤提供科學(xué)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)大麻晚熟常規(guī)品種云麻1號(hào)(ym1)、工業(yè)大麻早熟常規(guī)品種云麻2號(hào)(ym2)、工業(yè)大麻雜交早熟品種云麻3號(hào)(ym3)作為試驗(yàn)材料。

以EDTA、檸檬酸、蚯蚓液、有機(jī)肥作為土壤改良劑。其中EDTA和檸檬酸由試劑公司提供；蚯蚓液體肥料和有機(jī)肥料來自北京清大元農(nóng)肥業(yè)有限公司。

供試土壤為耕作層的干凈土壤,經(jīng)風(fēng)干、搗碎、剔除雜物后,過40目篩，混合均勻;供試土壤的理化性質(zhì)如下:有機(jī)質(zhì)含量19.3 g/kg,全氮含量0.122%,全磷含量991 mg/kg,全鉀含量0.107%,水解性氮含量111.2 mg/kg,速效磷含量13.2 mg/kg,速效鉀含量275 mg/kg, Pb含量57 mg/kg, pH值6.02。

1.2 試驗(yàn)方法

于2017年在云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所進(jìn)行盆栽試驗(yàn),盆缽直徑80 cm,高60 cm,每盆裝過篩風(fēng)干土20 kg。分析純硝酸Pb[Pb(NO3)2]作為外源污染試劑,土壤重金屬背景Pb含量為1500 mg/kg。不同改良劑及其用量為: EDTA 2.0 mmol/L、檸檬酸2.0 mmol/L、有機(jī)肥1050 kg/hm2、蚯蚓液45 kg/hm2。試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),設(shè)4個(gè)改良劑處理，以不加改良劑的污染土壤為對(duì)照；每個(gè)處理或?qū)φ?個(gè)重復(fù),每個(gè)重復(fù)為1盆,共45盆。

2017年6月1日將Pb(NO3)2與土按規(guī)定用量充分混勻裝盆,放置靜止絡(luò)合15 d,于6月15日每盆施尿素5.0 g作為底肥，然后進(jìn)行3個(gè)品種播種,每盆播種20顆。出苗后選擇長勢(shì)一致的幼苗,每盆定苗5株,待2～3對(duì)真葉期時(shí),按照3個(gè)品種的處理設(shè)置分別施加不同濃度的改良劑,即每盆施加EDTA 11.7 g、檸檬酸7.7 mL、有機(jī)肥11.5 g或蚯蚓液0.5 mL。栽培管理采用常規(guī)方式。在種子成熟期收獲雌株,同時(shí)測定植株不同器官中的Pb含量。

1.3 測定方法

1.3.1 工業(yè)大麻農(nóng)藝性狀的測定 在收獲工業(yè)大麻時(shí)測量其株高(cm)和莖粗(cm)。

1.3.2 工業(yè)大麻生物量的測定 自然陰干在種子成熟期收獲后的工業(yè)大麻樣品,分別測量樣品的根、莖、葉、種子干重(g),即為植株不同器官的生物量。

1.3.3 工業(yè)大麻Pb富集量的測定 在105 ℃下將植物樣品殺青30 min,在70 ℃烘箱烘干至恒重,用電子天平稱取各部分干質(zhì)量,烘干樣品粉碎過0.2 mm篩,備測。對(duì)粉碎后的樣品用HNO3∶HClO4=5∶1(體積比)的混合液進(jìn)行微波消解、定容。用原子吸收分光光度計(jì)法測定樣品中的Pb含量。

1.3.4 工業(yè)大麻富集能力的計(jì)算 計(jì)算公式為：富集系數(shù)(BCF)=植株體內(nèi)重金屬含量/土壤中重金屬含量；轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)=植物地上部分重金屬含量/地下部分重金屬含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用EXCEL和SPSS 20.0軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同改良劑對(duì)工業(yè)大麻農(nóng)藝性狀的影響

由圖1、圖2可知,不同改良劑對(duì)不同品種工業(yè)大麻的株高和莖粗有不同程度的影響，總體表現(xiàn)為：施加EDTA抑制工業(yè)大麻的株高和莖粗生長；而添加檸檬酸、蚯蚓液及有機(jī)肥3種改良劑對(duì)工業(yè)大麻的株高和莖粗具有一定的促進(jìn)作用。具體來說, EDTA顯著抑制了ym1 和ym2的株高,而對(duì)ym3株高的影響不顯著; EDTA對(duì)3個(gè)品種莖粗的影響較小,與對(duì)照差異不顯著;EDTA對(duì)3個(gè)品種株高和莖粗的抑制率分別為22.3%、26.9%、16.5%和15.4%、5.6%、15.3%；施用其余3種改良劑對(duì)工業(yè)大麻株高和莖粗的影響較小,與對(duì)照相比差異不顯著。

不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著,下同。

2.2 不同改良劑對(duì)工業(yè)大麻生物量的影響

4種改良劑對(duì)3個(gè)工業(yè)大麻品種不同器官生物量的影響如圖3～圖6所示。與對(duì)照相比, EDTA顯著降低了工業(yè)大麻根、莖、葉和種子的生物量,對(duì)其植株的生長發(fā)育表現(xiàn)出很強(qiáng)的抑制作用；檸檬酸、蚯蚓液也顯著降低了3個(gè)品種植株的根、莖和葉生物量,但對(duì)植株生長發(fā)育的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于EDTA;有機(jī)肥對(duì)工業(yè)大麻根、莖生物量的影響不顯著,略促進(jìn)了ym1、ym2的根生物量,增加了ym1葉和種子的生物量?？傊?EDTA處理顯著降低了3個(gè)品種不同器官的生物量；其余3種改良劑處理對(duì)工業(yè)大麻各部分生物量的降低程度不大,依次為蚯蚓液>檸檬酸>有機(jī)肥。

圖2 不同改良劑對(duì)工業(yè)大麻莖粗的影響

圖3 不同改良劑對(duì)工業(yè)大麻根干重的影響

圖4 不同改良劑對(duì)工業(yè)大麻莖干重的影響

2.3 不同改良劑對(duì)工業(yè)大麻富集Pb的影響

從表1中可看出,土壤中添加不同改良劑明顯影響3個(gè)工業(yè)大麻品種對(duì)重金屬Pb的吸收,其中EDTA總體上增強(qiáng)了植株不同器官對(duì)Pb的吸收,且根的吸收量最大,通過根吸收后再由莖通過導(dǎo)管輸送到其它末端器官,顯然地上部不同器官對(duì)Pb的吸收量明顯低于根部,吸收量依次為莖≥葉>纖維>種子；其它3種處理劑不同程度地促進(jìn)了植株對(duì)Pb的吸收。

圖5 不同改良劑對(duì)工業(yè)大麻葉干重的影響

4種改良劑促進(jìn)了工業(yè)大麻根、莖、葉、纖維及種子對(duì)Pb的吸收,作用最顯著的是EDTA,其導(dǎo)致ym1、ym2和ym3根系Pb含量分別提高了20.0%、15.95%和 27.1%(與對(duì)照相比)。除了EDTA顯著提高莖對(duì)Pb的吸收外,其余3個(gè)處理對(duì)ym1吸收Pb的影響不顯著;同時(shí)EDTA、檸檬酸和蚯蚓液3種處理劑的施入有利于品種ym2的莖器官對(duì)Pb的吸收,與對(duì)照相比差異顯著;品種ym3的莖器官在4種處理劑的作用下,累積鉛的能力雖與對(duì)照存在顯著差異,但增加量不高,影響不是很大。

注:表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差(n=9)；同一列數(shù)據(jù)后附不同字母表示各處理之間差異顯著(P<0.05)。

4種處理劑的添加都不同程度地提高了3個(gè)工業(yè)大麻品種植株葉片對(duì)重金屬Pb的吸收,但EDTA促進(jìn)葉器官累積Pb的效果更突出,使ym1、ym2和ym3葉片中Pb含量分別比對(duì)照提高了144.4%、155.1%和 342.0%,這說明EDTA可以強(qiáng)有力地促進(jìn)Pb從根部運(yùn)輸?shù)角o再轉(zhuǎn)運(yùn)到葉片,使得地上部分葉片中的Pb含量保持最高而不影響植株的生長發(fā)育。

此外，在地上部分纖維中的Pb累積量遠(yuǎn)大于種子中的,種子中的Pb含量是最低的,除了經(jīng)EDTA處理后的ym2和ym3種子Pb含量接近15 mg/kg外,其余處理的種子Pb含量均未超過10 mg/kg。

總之,不同改良劑對(duì)3個(gè)工業(yè)大麻品種不同器官吸收Pb的影響有差異,其中根部的Pb含量最高;在不同改良劑中,作用最顯著的是EDTA,促進(jìn)植株根部快速吸收Pb后轉(zhuǎn)運(yùn)到不同器官。

2.4 不同改良劑對(duì)工業(yè)大麻不同部位Pb富集和轉(zhuǎn)移的影響

由表2可知,Pb主要富集在大麻的根部；其余各部位對(duì)Pb的富集能力依次為莖>葉>纖維>種子。不同改良劑處理對(duì)工業(yè)大麻Pb富集系數(shù)有不同的影響,EDTA處理下的3個(gè)工業(yè)大麻不同部位的Pb富集系數(shù)最大,其中富集系數(shù)最大的是ym3中的根器官。蚯蚓液處理下工業(yè)大麻不同部位Pb的富集系數(shù)也有所增大,但增加幅度較EDTA的小。

表2 不同改良劑對(duì)3個(gè)工業(yè)大麻品種不同器官中Pb的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的影響

工業(yè)大麻不同部位中Pb含量的變化特征與植物不同部位重金屬的遷移能力有關(guān)。通過轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)可知不同改良劑處理是否影響工業(yè)大麻的轉(zhuǎn)運(yùn)能力。從轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(表2)看,不同改良劑處理間及不同品種間轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)存在差異, Pb主要由根轉(zhuǎn)移到莖、葉和纖維中,只有少部分轉(zhuǎn)移到種子中。在EDTA處理下3種工業(yè)大麻的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)較CK都大,并且在根-葉、根-纖維中增長最大,說明EDTA能有效提高Pb從根向葉和纖維中的轉(zhuǎn)移。蚯蚓液處理下的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)較EDTA處理低,但與CK相比顯著增高,并且在根-莖、根-纖維中增長最大,說明蚯蚓液可以提高Pb從根向莖和纖維轉(zhuǎn)移。

3 結(jié)論與討論

本試驗(yàn)的土壤背景的Pb含量為1500 mg/kg,未對(duì)工業(yè)大麻的生長發(fā)育造成影響,3種不同品種類型的工業(yè)大麻生長正常。表明工業(yè)大麻對(duì)Pb具有很強(qiáng)的耐性和富集能力,且3個(gè)工業(yè)大麻品種的富集能力有差異,表現(xiàn)為ym3>ym2>ym1,這與曾民等[12]的研究結(jié)果一致；工業(yè)大麻不同器官對(duì)Pb的富集能力表現(xiàn)為根>莖>葉>纖維>種子,這與Angelova等[13]的研究結(jié)果一致。

株高、莖粗作為植物農(nóng)藝性狀的基本標(biāo)志,在栽培中,常被用來衡量各種農(nóng)業(yè)措施的效果,同時(shí)植物生物量也是反映污染土壤環(huán)境中植物修復(fù)效果的一個(gè)重要指標(biāo)。本試驗(yàn)中EDTA在促進(jìn)工業(yè)大麻吸收重金屬Pb的同時(shí)抑制其生長,顯著降低了3種工業(yè)大麻的株高、莖粗及各部位的生物量。李玉雙等[14]研究發(fā)現(xiàn)向Pb污染的土壤中加入3 mol/L的EDTA能顯著降低白菜的生物量,抑制白菜的生長。EDTA抑制工業(yè)大麻株高、莖粗及各部位生物量的原因可能是土壤溶液中的重金屬離子結(jié)合形成易被植物吸收的絡(luò)合物,重金屬進(jìn)入植物體內(nèi)產(chǎn)生毒害作用。施用蚯蚓液、檸檬酸和有機(jī)肥對(duì)工業(yè)大麻的株高和莖粗無顯著影響,其中有機(jī)肥對(duì)3種工業(yè)大麻的株高、莖粗有一定的促進(jìn)作用,增加了工業(yè)大麻各部位的生物量,這與Chiu等[15]的研究結(jié)果一致,究其可能的原因:一是有機(jī)肥中含有機(jī)質(zhì)，能使重金屬形成硫化物沉淀,減少Pb對(duì)工業(yè)大麻的毒害作用;二是有機(jī)肥中含有促進(jìn)植物生長的物質(zhì),能促進(jìn)工業(yè)大麻生長。

富集系數(shù)(BCF)是植物體內(nèi)重金屬含量與土壤中重金屬含量的比值,是衡量植物對(duì)重金屬積累能力的重要指標(biāo),其值越大,表明植株從土壤中吸收該重金屬的能力越強(qiáng)[16]。轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)是表征植物從地下部轉(zhuǎn)移重金屬到地上部的能力,可間接反映植物對(duì)重金屬的耐受性。在本研究中，EDTA處理顯著提高了工業(yè)大麻各個(gè)器官對(duì)Pb的吸收能力,表現(xiàn)為富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)顯著提高,這與張玉芬等[17]的研究結(jié)果一致,可能是由于EDTA活化了土壤中重金屬離子，使得工業(yè)大麻能更容易吸收土壤中的Pb,同時(shí)使Pb從該植物根部向地上部有較高的遷移能力。蚯蚓液處理可以提高工業(yè)大麻吸收Pb的能力,但程度較EDTA低,這可能是由于蚯蚓液中含有腐殖酸,能降低土壤pH,活化土壤中的重金屬,同時(shí)蚯蚓液含有GA3，能促進(jìn)植物的生長[18]。在檸檬酸處理下植株吸收Pb的能力與對(duì)照相比略有增強(qiáng),這可能是由于檸檬酸能降低土壤pH,對(duì)土壤中Pb具有活化作用，能促進(jìn)植物對(duì)Pb的吸收。施用有機(jī)肥提高了工業(yè)大麻的生物量,降低了工業(yè)大麻各部位對(duì)Pb的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù),減少了重金屬對(duì)作物根系的毒害作用,這可能是由于有機(jī)肥中含有機(jī)質(zhì),與土壤中重金屬發(fā)生還原作用,使重金屬生成硫化物沉淀,降低了植物對(duì)Pb的吸收,這與孫健等[19]的研究結(jié)果一致。

目前國內(nèi)外發(fā)現(xiàn)Pb超富集植物很少,而國內(nèi)報(bào)道的Pb超富集植物密毛白蓮蒿(Artemisiasacrorum)、圓錐南芥(Arabispaniculata)等[5]多為野生型植株,存在生物量小、生長慢等缺點(diǎn),生物修復(fù)效果有限,而其它生物量大、生長快的低富集植物,如玉米(ZeamayL.)、大麥(HordeumvulgareL.)等[20-21],則存在重金屬進(jìn)入食物鏈的風(fēng)險(xiǎn)。本試驗(yàn)所用的工業(yè)大麻主要收獲纖維,不進(jìn)入食物鏈,且生育期短、生物量高、富集重金屬能力強(qiáng),干物質(zhì)量可達(dá)18.0 t/hm2,使其在重金屬污染土壤修復(fù)方面具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。本試驗(yàn)在施用不同的改良劑下，3個(gè)不同類型的工業(yè)大麻吸收Pb的能力大大提高,從而在提取污染土壤中的Pb方面具有很好的利用價(jià)值。從表2可以看出,雖然3個(gè)工業(yè)大麻品種對(duì)重金屬Pb都有較好的富集能力和抗性,且在不同改良劑下表現(xiàn)出一定的富集能力差異,為ym3>ym2>ym1,但3個(gè)品種的生物量有明顯的不同,ym3和ym2為早熟型品種,其干生物量為12.0～13.5 t/hm2,而ym1為晚熟品種，其干生物量遠(yuǎn)大于18.0 t/hm2。所以在實(shí)際修復(fù)應(yīng)用中可以采用ym1作為Pb礦區(qū)修復(fù)的理想植物,若工業(yè)大麻不被作為目標(biāo)植物，則可配合施用EDTA來顯著增強(qiáng)工業(yè)大麻對(duì)土壤中Pb的富集；若工業(yè)大麻作為目標(biāo)植物收獲，則施用EDTA會(huì)對(duì)工業(yè)大麻產(chǎn)生較強(qiáng)的毒害作用,并且EDTA為人工螯合劑，在自然界中不易分解,難以收集處理,因此可以改用蚯蚓液達(dá)到改良修復(fù)土壤的效果。