麻类作物在重金属污染耕地修复中的应用研究进展

郝冬梅，邱财生，龙松华，郭媛，王慧，王玉富

（中国农业科学院麻类研究所，湖南长沙410205）

我国原环境保护部和国土资源部于2014年4月17日联合发布《全国土壤污染状况调查公报》，公告显示，全国土壤总的点位超标率为16.1&，其中耕地、林地、草地的土壤点位超标率分别为19.4&、10.0&、10.4&，无机污染物超标点位数占全部超标点位的82.8&。从不同种类的污染物情况看，重金属类镉（Cd）、汞（Hg）、砷（As）、铜（Cu）、铅（Pb）、铬（Cr）、锌（Zn）、镍（Ni）8种无机污染物点位超标率分别为7.0&、1.6&、2.7&、2.1&、1.5&、1.1&、0.9&、4.8&；六六六、滴滴涕、多环芳烃3类有机污染物点位超标率分别为0.5&、1.9&、1.4&。2015年6月发布《中国耕地地球化学报告》，报告显示，污染或超标耕地面积总计759.1万公顷，占调查耕地面积的8.22&，主要分布在湘鄂皖赣区、闽粤琼区和西南区。随着我国城市化、工业化进程的加快，重金属对农业产地环境乃至农产品安全构成了严重威胁［1］。目前国家及各省政府对耕地污染问题十分重视，投入了大量的财力、人力、物力进行修复治理工作。

目前常用的重金属污染耕地修复方法主要有生物修复、物理修复、化学修复，与物理及化学修复技术相比，生物修复技术尤其是植物修复具有简便、成本低、安全等优点，故采用该技术的研究与应用相对较多，将成为未来污染土壤修复技术的发展趋势［2］。植物修复对于重金属轻度污染耕地的修复效果较好，是我国乃至世界上应用最广泛的一种方法。国内发现的超富集植物有20多种，但真正大面积应用的并不多。本文旨在对麻类作物对重金属污染土壤的修复作用进行研究，以期对该技术的发展与应用起到一定的促进作用。

1 植物修复

植物修复是利用植物来吸收、转移、提取土壤中的重金属、有机物等污染物的方法，使土壤中的污染物含量逐步降低，并达到不影响农产品安全的水平。根据植物修复的方法与机理，可以将植物修复分为植物稳定、植物转化、植物提取和植物挥发4种类型［3］。其中，研究与应用较多的是植物提取，即通过植物对重金属的吸收达到去除的目的。在美国、新西兰等国家已经报道的超积累植物有700种。

至2010年，国内发现Cd超富集植物已达20余种，主要有东南景天、宝山瑾菜、龙葵、三叶鬼针草、龙共葵、球果蔊菜、小飞蓬、商陆、水葱、杨桃等［4］。这些超富集植物对重金属吸收能力强，富集系数高，对污染耕地具有良好的修复效果。但是，超富集植物中大多数为野生植物，未经过驯化或驯化时间较短，适应性比较差，生物质产量低、生长慢，且经济价值比较低或无经济价值，种植技术也不成熟，不容易推广。而利用非食用作物的种植进行重金属污染耕地的修复是比较理想的边利用边修复的方法。

麻类作物是我国最古老的一类作物，主要包括大麻、苎麻、黄麻、亚麻、红麻、剑麻、青麻等，同时麻类产业潜力巨大。麻类作物生物质产量高，抗逆性强，种植技术简便，其主要产品纤维不用于食品，具有一定的经济价值。

国内外重金属污染耕地的治理研究主要集中在重金属对麻类作物生长的影响、麻类作物对重金属的吸收能力、重金属在植株体内的分布、重金属胁迫下植株的生理变化等方面。

2 重金属对麻类作物生长的影响

麻类作物对重金属都具有较好的耐受性，如亚麻在低浓度重金属环境下，其生长一般不会受到影响。不同亚麻品种及种质资源对Cd的耐受性存在较大差异，中国农业科学院麻类研究所育成的中亚麻1号在Cd浓度为25 mg／kg的土壤中可以正常生长。Marie Bjelkováa等［5］利用6个纤用和4个油用类型的亚麻品种进行试验，发现在含Cd 10～1000 mg／kg的土壤中，亚麻植株均能正常生长。

大麻亦如此，当土壤中Cd浓度小于25 mg／kg时，Cd对大麻的生长有一定程度的促进作用［6］。当土壤中的Cd、Cr和Ni的浓度分别为82、139、115μg／g时，对大麻的生长以及形态没有显著影响［7］。当重金属浓度增加时，大麻吸收重金属的量也增加，但对其产量和品质无明显影响［8］。因此可以认为，大麻种植在重金属污染耕地中，其生长发育受影响很小或不受影响［9-11］。

苎麻在浓度为153mg／kg的Cd处理下，有叶片变黄、黑斑等不良症状，生长发育也会受到明显抑制，但是仍能完成其正常的生长周期，表明苎麻对Cd胁迫具有良好的耐性［12］。曹德菊等［13］对苎麻的Cd耐受性以及积累效应进行了研究，发现当土壤中Cd的含量为50～200 mg／kg时苎麻植株生长良好，并对其生长有一定的促进作用；当土壤中Cd的含量为300mg／kg时，苎麻植株则出现受害现象，表现为近根部变褐、腐烂、空心等症状；当土壤中Cd含量提高到1200 mg／kg以上时，苎麻植株死亡。

红麻对重金属耐受性比较高，低浓度的重金属对红麻的生长具有刺激作用，使其产量有一定的提高。Salim等［14］研究发现，当Pb浓度为100 mg／kg时能显著提高红麻的产量。龚紫薇等［15］将30个红麻和黄麻品种种植于取自湖南省郴州市某Pb、Zn尾矿库的Pb、Zn矿渣（Pb、Zn的含量分别为6267.98、2877.31 mg／kg）中，除其中3个品种全部死亡，2个品种存活率低于50&外，其余25个品种（7个黄麻、18个红麻品种）可以100&存活。

在剑麻营养液中加入Pb（NO3）2，当Pb的处理浓度低于1300 mg／kg时，Pb浓度的增加对剑麻生长影响较小，剑麻可在Pb浓度5100 mg／kg左右的条件下正常生长，这在实际Pb污染土壤修复中，既能满足经济需要，又能达到污染土壤修复的目的。当加入浓度达到15900 mg／kg时，其生物量仅为对照的6.7&，显著抑制剑麻的生长［16］。

从以上的研究结果可以看出，麻类作物对土壤中的重金属耐受性很强，且麻类植株本身对重金属会产生应激反应，从而降低重金属对其造成的影响。故可认为在一定程度重金属污染耕地种植麻类作物都可以正常生长。

3 麻类作物对重金属的吸收能力

Carlson等［17］在每公顷含有112～224 t下水道污泥的土壤中种植红麻，发现红麻茎中积累了大量的 Fe、Zn、Mn、Cu、Pb、Cr、Cd、Hg等重金属元素，表明红麻可以用于重金属污染的治理。栗原宏幸等［18］连续3年将红麻种植在日本西南地区的Cd污染农田中，结果发现土壤中的Cd含量以每年347 g／hm2的速度降低，说明红麻对Cd污染土壤具有明显的修复作用，并认为植物修复比其它方法更安全。Babatunde等［19］进行Pb胁迫试验，结果显示红麻对去除土壤中的Pb污染非常有效。按基质重7 g／kg的Pb（NO3）2，不同品种红麻的株高会降低20～60 cm左右［20］。

在同样Cd浓度下种植亚麻、玉米及向日葵，亚麻茎杆中的Cd含量比玉米和向日葵中的Cd高3～5倍，主要原因可能是亚麻生长较慢，同时亚麻根对Cd的吸收能力和转移能力较强［21］。Moraghan等［22］研究结果显示亚麻对Cd的富集系数大于1。Douchiche O.等［23］在沙质基质中含Cd 11.24 mg／kg的条件下种植亚麻Hermes，生长时间为4个月，然后将其分成3段茎和根，结果根和基部茎的Cd含量最高，干物质中的Cd含量分别为750、360 mg／kg，亚麻茎的Cd富集系数达到了13.3，远超过超富集植物对Cd的富集标准。

研究［24］表明，土壤中Hg含量在5～130 mg／kg范围内时，对苎麻产量和品质仍未造成显著影响，水稻田改种苎麻后，土壤Hg的年净化率高达41&，土壤的自净恢复年限比种植水稻缩短8.5倍，表明改种苎麻是Hg污染稻田合理利用的有效途径。

Cd胁迫下，黄麻地上部和地下部富集系数均大于1，各处理迁移系数在0.85～1.65之间，表明黄麻对Cd有较强的富集和转运能力［25］。Cd浓度为5～10 mg／kg时，Cd提取率超过1.9&，因此，黄麻是一种潜在的修复轻、中度土壤Cd污染的植物材料［25］。

中国农业科学院麻类研究所试验表明，在土壤中Cd含量为5 mg／kg时，大麻茎的富集系数平均在2以上，茎下部的最高富集系数达到11；根的富集系数平均在5以上，最高达到22.4。

上述试验结果表明，麻类作物对不同种类的重金属都具有很好的吸收能力，可以作为重金属污染耕地的理想作物进行利用。

4 重金属在麻类作物植株体内的分布

不同的重金属元素在麻类植株体内的分布情况不同，不同的麻类作物品种植株体内，不同的重金属分布也不尽相同。栗原宏幸等［18］的研究认为红麻叶中重金属 Cd的含量最高，达52.3 mg／kg，其次是红麻的茎、根、果实，红麻植株平均 Cd含量为9.6～14.4 mg／kg。陈军等［26］研究了不同红麻、黄麻品种植株中重金属的积累和分布，结果显示，红麻、黄麻不同器官中Zn的分布较均匀，Cd和As的分布情况为：根＞叶（籽粒）＞茎秆；Pb的分布情况为：根＞茎秆＞叶（籽粒），在土壤重金属胁迫下耐受性较好的黄麻、红麻品种有黄麻09-2、09-3、09-5和红麻09-1、09-3、09-5。Ho等［27］的研究显示，Pb在红麻的根、茎、蒴果等器官中均有分布，但是叶里没有；有机肥料可以促进红麻对Pb的吸收，85&的Pb分布在红麻的根中，且以植物细胞的细胞壁中为主。

林匡飞等［28］通过盆栽和微区试验发现，苎麻植株各部位Cd含量表现为根＞茎叶＞籽实，而茎叶中Cd含量大小顺序为麻壳＞麻骨＞原麻，其中原麻和精干麻中Cd含量极低。根据大麻不同器官的生物量分布计算，总体看重金属在大麻体内的分布是：根＞茎＞叶＞种子，其中：Zn：根＞叶 ＞茎；Cu：叶 ＞根 ＞茎；Ni：根 ＞叶 ＞茎［29］。MarieBjelkováa等［5］认为，亚麻植株对重金属的富集能力为：根＞茎＞叶＞籽。

从以上试验结果可以看出，麻类作物对重金属的吸收在体内的分布由下到上呈逐渐递减的趋势，因此，重金属污染土地上生产的麻类植株体以及种子可以分段分类利用。从原麻和精干麻中Cd含量来看，重金属污染耕地上种植的麻类作物是可以利用的。在利用麻类作物进行重金属污染耕地修复时，在收获有经济价值的地上部分的同时，最好将作物的根部移除，以提高修复效果。

5 重金属胁迫下植株的生理变化

Li等［30］研究认为不同的红麻品种对Cd的耐受能力不同，福红991对Cd的耐性高于ZM412；在Cd胁迫下，红麻叶中的过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）的活性与对照相比有波动，福红991中的谷胱甘肽还原酶活性明显增强，根中的SOD、POD和CAT活性都高于对照，但是福红991的POD活性在不同水平的Cd处理中几乎保持不变。

李正文等［31］研究认为在Cd、Pb胁迫下3个红麻品种的丙二醛、脯氨酸、POD、SOD等有变化；所有生理指标中以不育系变化最明显，杂交F1变化最不明显，表现出了明显的杂种优势。

Cd胁迫诱导“云麻1号”大麻幼根与叶片中SOD、POD活性呈现先升高后降低趋势［32］。

亚麻品种Jitka在Cd胁迫下，铁蛋白、谷氨酰胺合成酶两种蛋白质上调，认为耐Cd机制是铁蛋白和小分子的巯基肽与Cd结合后，使亚麻少受或免受了Cd的毒害［33］。Douchiche等［34］研究认为重金属引起细胞壁超微结构的变化以及细胞壁外层果胶的重新分配，形成了适应重金属胁迫的应答机制。试验显示亚麻品种Hermes的幼苗具有耐Cd性［35］。

苎麻在Cd胁迫下有较活跃的生理调控机制，随着Cd胁迫时间的延长，根系中的可溶性蛋白含量增加，POD、CAT酶活性降低，但根系活跃吸收面积几乎不受影响；叶片中的可溶性蛋白含量增加，POD、CAT酶活性则先升高后降低，叶绿素含量增加［36］。

从上述结果来看，在胁迫下各种酶的活性变化不一致，多数表现为降低或先升高再降低趋势。总之，麻类作物对重金属的耐受性机理已有一些研究，但仍不全面透彻，有待进一步加强。

6 麻类作物在重金属污染耕地修复中的应用前景

自20世纪80年代起，人们就利用植物进行重金属污染土壤修复的研究。大花月见草、蜈蚣草、李氏禾、蔗茅、鱼腥草、西芹、黑麦草、早熟禾、籽粒苋等被认为是重金属的超富集植物［37］，但这些植物的经济价值都较低，利用这些植物进行重金属污染耕地修复没有经济效益，推广起来有一定难度。

麻类作物在我国种植具有悠久的历史。在重金属污染耕地修复方面，麻类作物与其它超富集植物相比具有明显优势：首先，麻类作物都具有较好的经济价值，较一些超富集植物更容易推广种植；其次，麻类作物经过长期驯化以及品种选育，使其比超富集植物具有更好的适应性；第三，麻类作物耐重金属能力较强，在一般的重金属污染环境下能正常生长，并具有较高的生物产量，如：红麻每年的生物产量可达20 t／hm2以上，是针叶木材生物质产量的3～4倍、CO2吸收率的4倍［38］；第四，麻类产区的农民都有丰富的种麻经验，为实现重金属污染耕地边利用边修复的战略打下了良好的技术基础；第五，麻类作物种类较多，可以针对不同的生态、土壤条件选择不同的麻类作物，如：盐碱比较重的土壤可以选择亚麻、红麻；比较干旱的土壤可以选择大麻；山坡地可以选择苎麻；热带亚热带地区可以选择剑麻；南方轻度污染的土地冬季与水稻轮作可以选择亚麻，实现重金属轻度污染水稻田的边修复边利用，比较容易积水的地块可以选择耐渍性比较好的红麻等。

麻类作物是优良的纺织原料。1990年以来，麻类纤维全球年需求量高达600万吨，年产量不足470万吨，缺口100多万吨。目前我国麻类纤维消耗量为60万吨，自行生产不足20万吨，缺口高达60&以上。随着麻纤维复合材料、麻类药用、造纸、建筑材料、食用、饲用、土壤修复、水土保持、工业原料、生物能源、生物材料、可降解麻地膜、麻塑产品、麻育秧膜等麻类多功能用途的不断开发和21世纪以来人类对麻类服饰健康、环保特性的关注，全球对麻类纤维织物的需求量将迅速增加，所以麻类作物的种植具有很好的前景。同时麻类作物作为重金属污染耕地修复的候选作物，具有一般作物以及超富集植物不可比拟的优势，故利用麻类作物进行重金属污染耕地的修复是实现麻类生产发展与耕地可持续利用的双赢战略，具有广阔前景。