5个蓖麻品种对土壤中镉富集的差异

王沛琦 高 梅 刘旭云 胡学礼 代梦媛 李文昌

(云南省农业科学院经济作物研究所,云南 昆明 650205)

土壤重金属污染是世界上最严重的环境污染问题之一[1]。据统计，我国重金属污染耕地面积约2 000万 hm2，约占耕地面积的1/5，其中重金属镉(Cd)污染耕地面积约1万 hm2[2]。在云南地区，由于不同的资源分布和工业布局，矿业经济发展迅速，随着矿产资源的开采、选矿和冶炼，导致周边耕作土壤中重金属Cd污染日趋严重。检测结果表明，矿区及周边农田土壤的Cd含量达3～260 mg·kg-1[3]，已严重超过目前的土壤环境质量标准(0.3 mg·kg-1)[4]。土壤中的Cd可被种植的农作物吸收、富集，通过食物链进入人体，最终危害人类健康，如个旧矿区[5]、兰坪矿区[6]农作物中Cd含量超标率达85%以上。因此，对云南这些因采矿而被重金属Cd污染的耕作土壤进行植物修复，并恢复其生产力刻不容缓。植物修复较传统的修复手段，具有成本低、安全并能改善土壤等优势，是土壤重金属污染修复的有效手段之一。

蓖麻(RicinuscommunisL.)属于大戟科蓖麻属一年或多年生草本双子叶植物，具有枝叶繁茂、根系发达、生长迅速、耐旱、耐盐碱、耐贫瘠等特点。蓖麻种子、叶片等可做药用、工业原料、生物能源等，产品不进入食物链，在绿化荒山、治理环境等方面具有较大的利用价值[7-9]。近年来大量研究表明蓖麻植株及其庞大的根系对土壤中的重金属Cd具有较强的富集和耐受能力[10-12]，但关于在大田条件下重金属Cd在不同蓖麻品种植株中分布差异性的研究较少。因此，本研究以云南省农业科学院选育的滇蓖2号、滇蓖4号、云蓖麻5号、山西的经作蓖麻1号以及山东的稼祥2号为试验材料，研究不同品种对Cd污染土壤的适应性及富集性差异，以期为蓖麻修复Cd污染土壤提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于个旧大屯楼坊寨矿区(103°14′59.45″E，23°26′8.66″N， 海拔1 329 m)，该矿区土壤类型为红壤，年平均气温20.00℃，年降水量700 mm左右。土壤的理化性质为：pH值5.2，有机质28.0 g·kg-1，全氮0.14%，全磷0.08%，全钾3.47%，水解性氮111.8 mg·kg-1，有效磷72.0 mg·kg-1，速效钾171.0 mg·kg-1。 此外，供试土壤中Pb含量99.8 mg·kg-1，Cd含量3.2 mg·kg-1，Cu含量48.3 mg·kg-1，Zn含量134.0 mg·kg-1， 其中Cd含量远超过国家土壤环境质量标准(0.3 mg·kg-1)[4]。

1.2 试验材料

以云南省农业科学院选育的滇蓖2号、滇蓖4号、云蓖麻5号、山西经作蓖麻有限公司选育的经作蓖麻1号以及山东家祥蓖麻种业科技有限公司选育的稼祥2号为试验材料，其中滇蓖2号为晚熟品种，滇蓖4号和云蓖麻5号为中熟品种，经作蓖麻1号和稼祥2号为早熟品种。

1.3 试验设计

试验采用完全随机区组设计，分为3个区组，每个区组设置5个小区，分别安排5个蓖麻品种，每小区面积20 m2。各品种按完全随机排列，株行距为1 m×1 m，各小区之间留80 cm路道，小区四周留保护行，每小区基施450 kg·hm-1复合肥(N∶P∶K=16∶16∶16)，并于开花期追施225 kg·hm-2尿素，其他田间管理按常规种植管理。于2018年蓖麻成熟期，进行株高、茎粗、有效分枝数、百粒重等农艺性状测定；每小区随机取5株作为植物样品，连根拔起，根际土样按5点取样法取0～20 cm土层剖面，每个点的土样为2 kg。

1.4 测定项目与方法

植物样品按根、茎、叶分开，用自来水冲洗干净，于105℃杀青后，70℃烘干至恒重并称取各部分干重，样品粉碎后过筛，待测。土样自然风干后过40目筛，待测。植物样品及土样加入浓硝酸-高氯酸(v∶v=4∶1)混合液后，在ANKS-XJ40微波消解仪(青岛艾尼克斯)中进行消解，消解至液体呈无色透明或略带微黄色，放冷后定容至25 mL容量瓶中，消化液中Cd含量采用火焰原子吸收分光光度法进行测定[13]。根据公式计算重金属富集系数、转运系数、预计亩提取量、提取效率及预计相对修复年限[14]：

富集系数=蓖麻某一部位Cd含量/土壤Cd含量

(1)

茎叶转运系数=蓖麻茎叶Cd含量/根Cd含量

(2)

籽粒转运系数=蓖麻籽粒Cd含量/茎叶Cd含量

(3)

预计亩提取量=植株提取重金属量×每亩株数

(4)

提取效率=植株提取重金属量/(土壤重金属含量×土壤质量)×100%[13]

(5)

预计相对修复年限=(土壤重金属含量-国家土壤环境质量二级标准)×土壤质量/植株提取重金属量

(6)

1.5 数据处理

试验数据采用Excel 2007及SPSS 19.0统计软件进行处理，差异显著性分析采用LSD法。

2 结果与分析

2.1 重金属污染农田中蓖麻生长情况

在镉污染土壤中，5个蓖麻品种的株高在116.78～440.78 cm之间，茎粗在2.50～5.04 cm之间，有效分枝在3.78～5.78个之间，百粒重在24.56～46.98 g之间，单株产量在92.39～338.85 g之间。不同品种间比较可知，滇蓖2号的株高、茎粗及单株产量分别为440.78 cm、5.04 cm及338.85 g，均显著高于其他品种；云蓖麻5号次之，其百粒重及单株产量显著高于经作蓖麻1号、稼祥2号及滇蓖4号，有效分枝数在5个品种中最多；经作蓖麻1号的株高、茎粗、百粒重及单株产量在5个品种中最低，且显著低于其他4个品种。

表1 蓖麻主要农艺性状

2.2 镉在蓖麻各器官的分布

不同蓖麻品种各器官镉含量如图1所示，根、茎、叶和果实中镉含量的变化范围分别为0.72～1.40、0.68～1.14、1.36～2.38和0.21～0.33 mg·kg-1；其中滇蓖2号、云蓖麻5号各器官镉含量大小为叶>根>茎>果实，经作蓖麻1号为根>叶>茎>果实，稼祥2号与滇蓖4号为叶>茎>根>果实。根中镉含量最高为经作蓖麻1号(1.40 mg·kg-1)，显著高于其他4个品种，根中镉含量最低为云蓖麻5号；茎中镉含量最高为经作蓖麻1号(1.14 mg·kg-1)，显著高于滇蓖2号及云蓖麻5号，且云蓖麻5号茎中镉含量最低；除经作蓖麻1号外，其余4个品种叶中镉含量差异不显著，其中滇蓖2号最高，镉含量为2.38 mg·kg-1，经作蓖麻1号最低，镉含量为1.36 mg·kg-1；果实中镉含量最高为经作蓖麻1号(0.33 mg·kg-1)，显著高于滇蓖2号及云蓖麻5号，滇蓖2号果实中镉含量最低，为0.21 mg·kg-1。

注：不同小写字母表示同一器官不同品种间差异显著(P<0.05)。

2.3 不同蓖麻品种对镉的富集和转运差异

成熟期不同蓖麻品种对重金属镉的富集系数和转运系数如表2所示。不同蓖麻品种根的富集系数为0.23～0.44，其中经作蓖麻1号根对镉的富集能力最强，其次是滇蓖2号，云蓖麻5号根对镉的富集能力最低，且显著低于经作蓖麻1号和滇蓖2号；不同蓖麻品种茎叶对镉的富集系数为0.79～1.02，其中滇蓖4号茎叶对镉的富集能力最强，其次是滇蓖2号，显著高于经作蓖麻1号；不同蓖麻品种籽粒对镉的富集系数为0.07～0.10，滇蓖2号与云蓖麻5号籽粒对镉的富集能力最低，与稼祥2号及滇蓖4号差异不显著，但显著低于经作蓖麻1号。

由转运系数分析可知，成熟期不同蓖麻品种茎叶对镉的转运系数均大于1，籽粒的转运系数均小于1，说明这5个品种由根向茎叶转运镉的能力较强，由茎叶向籽粒的转运能力较弱。不同蓖麻品种茎叶对镉的转运系数为1.79～4.01，其中云蓖麻5号茎叶对镉的转运系数最大，为4.01，其次为滇蓖麻4号，为3.59，均显著高于经作蓖麻1号；不同蓖麻品种籽粒对镉的转运系数为0.07～0.13，其中经作蓖麻1号籽粒对镉的转运系数最大，显著高于其他4个品种，转运系数最小的是滇蓖2号。

表2 污染土壤中不同蓖麻品种的重金属富集及转运系数

2.4 不同蓖麻品种对镉污染土壤的修复能力

成熟期不同蓖麻品种的生物量及Cd积累量如表3所示。根部的干重为24.63～423.18 g/株，茎的干重为56.57～2 235.00 g/株，叶的干重为37.67～543.33 g/株。其中，滇蓖2号根的干重显著高于其他品种，云蓖麻5号次之，经作蓖麻1号最低；滇蓖2号茎的干重显著高于经作蓖麻1号、稼祥2号及滇蓖4号，与云蓖麻5号之间差异不显著；滇蓖2号与云蓖麻5号叶的干重显著高于其他品种，而经作蓖麻1号最低。

成熟期不同蓖麻品种根中Cd积累量为0.03～0.42 mg/株，茎中Cd积累量为0.06～1.60 mg/株，叶中Cd积累量为0.05～1.29 mg/株，果实中Cd积累量为0.03～0.07 mg/株。滇蓖2号根中Cd积累量显著高于其他品种，其次是云蓖麻5号与滇蓖4号，分别为0.22 mg/株和0.20 mg/株；滇蓖2号、滇蓖4号及云蓖麻5号品种间茎中Cd积累量差异不显著，但显著高于其他2个品种；滇蓖2号及云蓖麻5号品种间叶的Cd积累量差异不显著，但显著高于其他3个品种；滇蓖2号、滇蓖4号与云蓖麻5号品种间果实的Cd积累量差异不显著，但显著高于其他2个品种。

由亩提取量可知，滇蓖2号的亩提取量最高，为2 264.09 mg，其次是云蓖麻5号，为1 695.44 mg。按照修复20 cm耕层计算，各品种对Cd的提取效率平均为2.70%，其中滇蓖2号最高，为5.34%。若要将该试验地0～20 cm耕层土壤的Cd含量降低至中国土壤环境质量标准(GB 15618-2018)的二级标准(0.6 mg·kg-1)[4]， 预计种植滇蓖2号所需时间最短，其相对修复年限为15年，其次是云蓖麻5号，为21年，而种植经作蓖麻1号所需时间最长。

3 讨论

植物对重金属的吸收主要通过根系，然后经木质部运输到茎、叶等组织，还有少部分重金属可通过叶片从空气中吸收[15]。对于Cd在植物不同器官的分布，不同的研究结果略有差异，部分植物根部的重金属Cd积累量要高于地上组织，也有一些植物地上组织对Cd的积累量要高于根部[16-18]。前人对于Cd在蓖麻不同器官分布的研究结果也略有差异，史景允等[19]采用盆栽试验，研究了5个淄蓖麻品种对Cd的积累特性，结果表明，不同淄蓖麻植株各组织的Cd积累量为根>茎>叶；刘义富等[20]对长在云南矿区的蓖麻不同组织Cd含量进行研究，结果表明根>叶>茎。在本研究中，5个蓖麻品种中有4个品种叶片的Cd含量高于根和茎，与前人对蓖麻的研究结果不一致，但与李文略等[21]对红麻的研究结果相似。叶片Cd含量较高可能与重金属Cd在土壤中活性较高[22]，以及污染农田附近存在矿厂，其排放的含Cd粉尘落到蓖麻叶上被蓖麻叶吸收有关。

富集系数与转移系数可以很好地反映植物对重金属的富集和转移能力[23-24]。已有研究表明当土壤Cd浓度为5 mg·kg-1时，蓖麻对Cd的富集系数均大于1，根部可达到20[25]。本研究中，茎叶对Cd的富集系数最大，根次之，果实最小，除了滇蓖4号茎叶富集系数(1.02)大于1外，其余均小于1，未达到前人报道的水平，推测可能与蓖麻不同品种间生理特性差异及土壤pH值等有关[26]。虽然蓖麻对Cd的富集能力处于中等水平，但其茎叶对Cd的转运系数均大于1，最高可达4.01，说明蓖麻对Cd由根部向地上部转运能力较强。

一般生长在污染土壤中的植物，对重金属的富集系数和转运系数均大于1，且植株体内的Cd含量大于100 mg·kg-1， 才可称之为超富集植物[27-28]。在本研究中，5个蓖麻品种植株体内的Cd含量均未达到此标准，说明蓖麻不是Cd的超富集植物。大量研究表明，超富集植物存在生物量小、根系不深、生长慢、生态适应性差、育苗难等问题，在实际应用中存在局限性[29-30]。而蓖麻生物量大，提取能力强(本研究中5个品种的茎叶转运系数均大于1)，整株积累量可观，弥补了蓖麻富集能力较弱的缺点。前人研究表明，Cd的超富集植物印度芥菜和遏蓝菜在Cd浓度为2.87 mg·kg-1的土壤上种植，提取率分别为0.5%和0.6%[31]，在本研究中除经作蓖麻1号的提取率(0.24%)低于印度芥菜和遏蓝菜外，其他品种均较高，其中滇蓖2号对Cd的提取率最大，可达到5.22%。同时蓖麻与一些生长快、抗性好、具有富集重金属能力的植物，如油菜[32]、油葵[33]、小麦[34]、甜高粱[35]、玉米[36]等相比，不仅生物量大，且种子重金属含量低，可用于生产生物能源，不进入食物链，不会对人体产生危害。此外，蓖麻是多年生植物，可以种植在不适合粮食作物生长的贫瘠和重金属污染的土壤上，持续去除污染土壤中的重金属Cd[37]。因此，蓖麻可用于生物能源的生产和镉污染的修复，达到同步解决日益增加的能源需求和镉污染农田修复的目的。

4 结论

研究结果表明在Cd污染农田中，不同蓖麻品种农艺性状表现各异，其中滇蓖2号表现最好，生物量最大。蓖麻吸收的Cd主要集中在地上部分；不同品种均有一定的Cd富集和转移能力。在5个蓖麻品种中，滇蓖2号对Cd的亩提取量、提取率显著高于其他品种，适宜在云南个旧Cd污染的土壤上推广种植。本研究仅通过大田试验比较了5个蓖麻品种对Cd污染土壤的修复效果，对于蓖麻在重金属Cd胁迫下的积累、吸收和解毒机制还不明确，有待进一步研究。

表3 不同蓖麻品种的干重、Cd积累量及提取效率