工业大麻“云麻2号”对重金属Pb、Cu和Cd富集特征的研究

许艳萍，陈璇，郭孟璧，张庆滢，邓剑川，杨明，郭鸿彦

(云南省农业科学院经济作物研究所，昆明650205)

工业大麻“云麻2号”对重金属Pb、Cu和Cd富集特征的研究

许艳萍，陈璇，郭孟璧，张庆滢，邓剑川，杨明，郭鸿彦*

(云南省农业科学院经济作物研究所，昆明650205)

通过人工添加重金属盆栽试验，研究工业大麻“云麻2号”不同器官对重金属Pb、Cu和Cd的耐受性和累积能力。结果显示:Pb主要富集在工业大麻根上，Pb2+浓度为600mg/kg时，不影响植株正常生长，积累在根、茎、叶和纤维含量分别为109.05、44.72、34.41、31.52mg/kg，而在种子和雄花重金属含量最低(2.66和2.55 mg/kg)，种子的富集系数和转移系数分别为0.00、0.02;Cu主要富集在根、茎、叶、种子和雄花中，在纤维中的含量最低，当处理浓度为300 mg/kg时，纤维中含量为10.00mg/kg以下，其余部位的含量在10.00～50.00 mg/kg之间，且纤维的富集系数和转移系数小于0.20;工业大麻对Cd2+具有较强的吸收和富集能力，当处理浓度为150mg/kg时，工业大麻的根、茎、叶、纤维的含量均超过了Cd2+超富集植物的临界含量(100.00mg/kg)，富集系数均大于1，其中雄株根和纤维的富集系数大于2，种子和雄花中含量分别为30.52mg/kg和4.89 mg/kg。研究结果表明“云麻2号”较耐受Pb2+，对Cd2+具有较强的累积能力。

工业大麻;重金属;富集;转移

近年来，金属矿区及其周边土壤重金属污染问题日益严重［1］，也是世界许多国家面临的严重的生态问题之一［2］。目前我国受镉、砷、铬、铅等重金属污染的耕地面积近2000万公顷，约占耕地总面积的1/5，其中工业三废污染耕地1000万公顷，污水灌溉的农田面积已达330多万公顷。每年因重金属污染而减产粮食1000多万吨，被重金属污染的粮食每年也多达1200万吨，合计经济损失至少200亿元。重金属一旦进入环境中就难以清除，并将长期存在，当土壤和湿地中的有害重金属积累到一定程度，就会造成土壤结构恶化，生物多样性减少及植被覆盖的失踪，降低农产品质量和产量，而且还通过径流和淋洗污染地表水和地下水，恶化水文环境［3］。因此，如何减轻重金属污染已成为国内外研究热点之一，国内外在土壤重金属污染植物修复方面的研究较多［4～7］。

工业大麻(Industrial Hemp)是通过遗传改良，四氢大麻酚(THC)含量低于0.3%的大麻品种类型，适宜山区种植、生物量大、抗逆性强、生长速度快、周期短、根系庞大、碳汇能力强等特点，其优良特性决定其是一种非常理想的用于修复重金属污染土壤的候选植物。国内外专家开展了工业大麻在重金属污染土壤上的种植试验，对工业大麻吸附重金属能力进行了初步研究，研究发现:当Cd浓度小于25mg/kg时，对大麻生长有一定促进作用，促进了大麻根系生长［8］;在土壤中添加Cd浓度为82mg/kg时，对大麻根生长和分枝及地上部分干重和根干重与对照差异不显著［9］。但工业大麻对土壤重金属不同富集部位及耐受能力系统研究未见报道。本文以工业大麻“云麻2号”为研究对象，通过在土壤中添加不同重金属的盆栽试验，在探讨工业大麻富集能力的同时，研究铅、铜、镉三种重金属在工业大麻根、茎、叶、纤维、种子、花中富集程度，从而指导生产。为工业大麻修复重金属污染土壤、改善生态环境提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以云南省农业科学院经济作物研究所选育的工业大麻品种“云麻2号”为供试品种。试验土壤为云南省官渡区小哨大田耕作层(0～20cm)的土壤，其基本理化性质见表1。

1.2 试验方法

盆栽试验于2013年在云南省农业科学院经济作物研究所大麻课题试验基地小哨温室进行。以分析纯CuCl2·2H2O、Pb(NO3)2和CdCl2·2.5H2O为外源污染试剂，分别设4个浓度水平，即Pb2+:0(CK)、100、300、600mg/kg;Cu2+:0(CK)、100、200、300mg/kg;Cd2+:0 (CK)、50、100、150mg/kg。试验采用盆栽，每处理3重复，每重复为一盆，盆钵直径50cm，高30cm，每盆装过筛风干土21kg。2013年5月10日将重金属与土按规定用量充分混匀装盆，放置静止络合15d，于5月25日每盆分别施尿素3.82g、过磷酸钙6.18g、硫酸钾2.35g作为底肥，播种20颗，出苗2对真叶时，按照拔高去弱留中间的原则每盆定苗5株。各处理在相同的环境条件下人工浇水。每周进行一次生物性状观察记载，工艺成熟期收获雄株，种子成熟期收获雌株，分别测定雌雄株的根、茎、叶、纤维和雄株花以及雌株种子的重金属含量。

1.3 测定方法

重金属含量测定:植物样品在105℃下杀青30min，70℃烘箱烘干至恒重，用电子天平称取各部分干质量，烘干样品粉碎后备测，用V(HNO3):V(HClO4)=5∶1的混合液进行微波消解、定容。用原子吸收分光光度计法测定样品中的Pb、Cu、Cd含量。

富集系数=植物地上部(或根或茎或叶等)重金属含量/土壤中该元素含量转移系数=植物地上部(或根或茎或叶等)重金属含量/根部该元素含量。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel软件进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 重金属Pb、Cu、Cd对工业大麻生物量的影响

表2 工业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)

随着Pb2+、Cu2+、Cd2+处理浓度的升高，工业大麻雌雄株不同器官的生物量受重金属抑制程度有差异(表2所示)。不同浓度Pb2+(100～600mg/kg)处理下，雌雄株的生物量比对照高，表明Pb2+浓度达600mg/kg时，促进植株生长;低浓度的Cu2+(100 mg/kg)、Cd2+(50mg/ kg)处理下，不影响雌雄株不同部位的生物量，而随Cu2+、Cd2+处理浓度的升高，工业大麻不同器官生物量呈降低趋势，其中Cu2+处理浓度降幅较小，与对照相比，高浓度Cu2+(300mg/ kg)处理下生物量降低幅度不到30%，高浓度Cd2+(150mg/kg)处理下，生物量降低超过80%。

当Pb2+、Cu2+和Cd2+处理浓度均为100mg/kg时，与对照相比，Pb2+处理下植株生物量略有增加，Cu2+对生物量的形成不产生影响，而Cd2+抑制植株的正常生长，有降低生物量的趋势。表明工业大麻对这3种重金属耐受性存在差异，其中对Pb具有较强耐受能力。

2.2 重金属Pb、Cu、Cd分别在工业大麻雌雄株不同器官的积累量

由表3可知，随着Pb2+、Cu2+、Cd2+浓度的升高，工业大麻雌雄株不同部位的重金属含量逐渐增加。3种重金属处理下，不同器官对重金属积累量有差异。Pb2+处理下，种子和雄花重金属含量最低(1.20～2.66mg/kg)，Pb主要积累在根、茎、叶和纤维中，处理浓度为600mg/kg时，根的最大含量为109.05mg/kg;Cu主要积累在根、茎、叶、种子、花中，而在纤维中累积的量比较少，处理浓度为300mg/kg时，Cu在纤维含量为9.24mg/kg;对于Cd2+处理最大浓度为150mg/kg时，根、茎、叶、纤维中的重金属含量均比较高，分别为451.01mg/kg、195.53 mg/ kg、203.39mg/kg、449.57mg/kg，均超过了Cd2+超富集植物的临界含量的100.00mg/kg，而在种子和雄花中的Cd含量相对较少，分别为30.52mg/kg和4.01mg/kg。

表3 工业大麻中重金属的含量(mg/kg)Tab.3 Concentration of heavy metals in hemp(mg/kg)

由上表可知，3种重金属在工业大麻不同部位的累积量不同，当Pb2+、Cu2+和Cd2+处理浓度均为100mg/kg时，重金属在工业大麻植株中的累积量分别为Pb2+(40.48 mg/kg)、Cu2+(85.73mg/kg)、Cd2+(722.11 mg/kg);Pb在种子中的含量较低(1.2 mg/kg)，Cu在纤维中的累积量较少(4.29 mg/kg)，Cd在种子和纤维中的含量较高(29.67 mg/kg和218.46 mg/kg)。

2.3 工业大麻对3种重金属的富集能力

表4 重金属Pb、Cu、Cd在工业大麻不同器官的富集系数Tab.4 Concentration coefficients of heavy mentals in different hemp organs

Pb2+、Cu2+、Cd2+不同浓度处理下工业大麻组织中重金属的累积量变化由表4可知。不同Pb2+浓度处理下，Pb主要累积根部，处理浓度分别为300mg/kg、600mg/kg时，最大富集系数分别为0.18和0.17，根部Pb积累量无差异，表明600mg/kg Pb2+处理下，根部仍能保持较高的Pb积累量，也说明此浓度下对工业大麻的生长无影响。随着Cu2+浓度的升高，Cu主要集中在雌株根、叶和雄株的根和花器官里，且随浓度的增大而有降低趋势。对照土壤中全量Cd含量极低(1.258mg/kg)，主要富集在根部，使得根的富集系数比较大，雌雄株富集系数分别为8.32、26.09;随着Cd2+处理浓度的升高，Cd主要集中在根、茎、叶、纤维中，且富集系数均大于1，表现最高的是纤维(2.97)，种子和花的Cd富集系数小于1，累积量较低。

2.4 工业大麻对3种重金属的转运能力

表5 重金属Pb、Cu、Cd在工业大麻不同器官的转移系数Tab.5 Translocation coefficients of heavy mentals in different hemp organs

不同浓度Pb2+、Cu2+、Cd2+处理下工业大麻组织中重金属的迁移由表5可知。Pb2+浓度在0～600mg/kg时，转移系数小于1，且Pb主要转移到茎、叶、纤维中，在雌株种子和雄株花中很少。Cu2+不同浓度处理下，对照土壤中含有较低浓度的Cu2+(43.1 mg/kg)时，雌株的叶、种子和纤维的转移系数大于1，Cu2+处理浓度在100～300mg/kg范围时，转移系数均小于1，Cu主要迁移到雌株的茎、叶和雄株的花中。Cd2+在工业大麻不同器官中表现出很强的迁移特征，Cd主要转运到雌株的茎、叶、纤维和雄株的茎、纤维中，且在雌雄株中的纤维迁移系数均大于1，说明Cd在从根中的迁移到纤维的能力强于其余器官。

3 讨论

本研究中，当Pb2+、Cu2+和Cd2+处理浓度均为100mg/kg时，重金属在根、茎、叶、纤维和种子的累积量大小均为Cd＞Cu＞Pb。且在此浓度下，Pb2+促进植株的生长，Cu2+不影响植株的生物量，Cd2+抑制植株生物量增加。因此，工业大麻对3种重金属的耐性由强到弱依次为: Pb＞Cu＞Cd，富集能力为Cd＞Cu＞Pb。

转运系数(TF)是表征植物将重金属由根部转移到地上部的能力，可间接衡量植物对重金属的耐性［10］。从Pb、Cu、Cd在工业大麻植株体内的分布来看，Pb主要分布在植株的根部，使地上部保持较低的重金属含量，以减轻重金属对地上部的毒害，这与Aksoy和Zhou等的研究结果一致［11，12］;Cd主要富集在工业大麻植株的根、茎、叶、纤维中，相应的富集系数大于1，雄株的根、纤维的富集系数超过2，纤维的转移系数大于1，而在种子和雄花中的富集Cd较少，说明Cd从该植物根部向地上部有较高的迁移能力，这和Ross的研究结果一致［13］。

总的来说，Pb的迁移性不强，重金属主要富集在根里;Cu在纤维中的含量较低;Cd具有较强的迁移和富集能力，在纤维中含量比较高，但在种子Cd含量较少。云南为矿产资源之都，耕地土壤受重金属污染非常严重，云南特殊的生境特别适宜种植工业大麻，所以结合工业大麻对不同重金属的富集特性，可对矿区重金属污染土壤进行植物修复。如在铅矿区可种植纤维型或籽用型工业大麻，对铜污染严重的地块可采用纤维型种植模式，在镉污染严重的地区可种植籽用型工业大麻进行土壤修复。

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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

国家麻类产业技术体系建设项目资助(CARS-19-E05);云南省重点新产品开发计划项目(2011BB011);云南省农业科学院经济作物研究所基金(YNNKYJZS2014-2)

许艳萍(1980-)，女，助理研究员，从事大麻生物技术试验、育种及种子检验研究工作。E-mail:40317605@ qq.com。

*通讯作者:郭鸿彦(1965-)，女，研究员，从事大麻育种及栽培技术研究。E-mail:yanhongg38@hotmail.com。