2020, Vol. 37
2. 云南大学农学院, 昆明 650500
2. School of Agriculture, Yunnan University, Kunming 650500, China
近年来，金属采冶、农药化肥的施用、工业生产以及电子垃圾的拆解等活动造成十分严峻的土壤环境污染问题。尤其是矿区周边的农田，由于尾矿堆的废液、废渣等长期受风雨侵蚀和淋滤[1]，土壤积累大量的重金属[2-3]。云南省矿产资源丰富，采矿业促进经济发展的同时，对环境造成了严重的污染，引起周边农田土壤中多种重金属超标，重金属被种植的植物吸收、富集，并通过食物链进入人体，最终严重危害人类健康[4]。矿山开采过程中废弃物产生量大，加之开采过度和缺乏有效治理，导致生态破坏问题十分严峻，因此我国矿区重金属污染治理迫在眉睫。
植物修复法是目前治理土壤环境污染的一种绿色、经济、安全的方法[5]。其利用植物吸收和累积大量重金属的能力降低土壤污染物的浓度，不会引起土壤发生相关化学反应而产生副作用[6]。决定植物修复能力的关键因素是植物生物产量和吸收重金属能力[7]，目前发现的超积累植物大多数存在生物量小、生态适应性差、育苗难、富集能力单一、经济价值不高等缺点，达不到理想的修复效果[8-9]。因此，亟需寻求一种生物量大、吸收重金属能力强的植物进行土壤重金属污染修复。
工业大麻被公认是一种高生物量、生长快、富集重金属能力强且极具经济利用价值的物种[10-12]。其生长快速，3个月生长期即可快速达到很高的生物量，根系庞大，且可大量吸收多种重金属，对复合重金属污染的土壤具有很好的修复潜力[7]，满足目前植物修复技术重点转向的要求(寻找生物量较大、生长适应能力强、对重金属有较强吸收积累特性的非食用的经济能源作物等)。研究表明使用大麻类型的经济作物进行修复比利用一般超富集植物更经济、可靠、有效[13-15]。因此工业大麻作为最适宜矿区重金属污染修复的理想候选作物之一，备受研究者关注。有研究表明，同一种作物不同品种、不同器官对重金属的吸收与富集存在一定差异，如苎麻、蓖麻、小麦、水稻、玉米等[16-20]，不同基因型的工业大麻品种对重金属的吸收也有一定差异。目前，关于不同工业大麻品种在大田条件下对土壤重金属的富集特征的研究较少。因此，本研究以云南省农业科学院经济作物研究所选育的5个工业大麻品种为试验材料，种植于典型重金属污染矿区附近农田，研究不同工业大麻品种对重金属Pb、As、Cu、Cd和Zn的累积和转运差异，以期筛选具有高重金属积累潜力的工业大麻品种，为治理重金属污染农田提供可利用工业大麻种质资源，也为工业大麻修复重金属土壤提供相关数据支持。
1 材料与方法 1.1 试验地概况试验地为云南某矿区，该矿区附近农田已遭受不同程度的重金属污染，在对矿区周边几个村的农田土壤重金属污染调查和风险评估的基础上，选取代表该区域重金属污染水平的农田(103°14′ 59.45″ E，23° 24′8.66″ N，海拔1321 m)开展试验，该农田为严重重金属污染地区，其土壤基本理化性质见表 1。
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表 1 农田土壤的基本理化性质 Table 1 Physical-chemical properties of field soil |
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1号、云麻2号、云麻3号、云麻4号、云麻5号为供试品种，分别编号为ym1、ym2、ym3、ym4、ym5，其中ym2为早熟型品种，ym3和ym4为中熟型品种，ym1和ym5为晚熟型品种。试验采用完全随机区组设计，分为3个区组，每个区组5个小区，小区面积为30 m2，各大麻品种完全随机排列，采用纤维型植物种植模式，行距为30 cm，小区之间留80 cm的道路。以复合肥600 kg·hm-2(N:P:K=15:15:15)作为基肥；在3~4对真叶期，以90 kg · hm-2尿素(含N 46%)为提苗肥。田间管理按常规管理方式进行。
1.3 样品采集和处理方法采用5点取样法，采集土壤和工业大麻样品。土壤样品采自耕作层0~20 cm，将每个小区采集的5点的土样混合装入塑料袋，每个样点的土样为1 kg，每个小区土壤样品为1个。在工业大麻成熟期采集工业大麻样品，每个小区采样10株，晾干后分不同器官(根、茎、叶和籽粒)制备样品，105 ℃下杀青0.5 h，70 ℃烘箱烘干至恒质量，用电子天平称取各部分干质量，烘干样品粉碎后备测。用VHNO3 :VHClO4=5:1的混合液进行微波消解、定容。样品中的重金属含量检测方法：Pb、Cd采用火焰原子吸收分光光度法(GB/T 17141—1997)测定；As采用原子荧光法(GB / T 22105.2—2008)测定；Cu、Zn含量采用火焰原子吸收分光光度法(GB/T 17138—1997)测定。
1.4 数据统计分析各工业大麻品种重金属富集系数(BCF)和转运系数(TF)的计算公式如下：
BCF=工业大麻各部位重金属含量(mg·kg-1) /土壤中重金属含量(mg·kg-1)
TF=工业大麻地上各部位重金属含量(mg·kg-1) /根部重金属含量(mg·kg-1)
采用Excel 2007进行数据作图，SPSS 19.0对实验数据进行方差分析。
2 结果与分析 2.1 工业大麻成熟期根系重金属含量差异5个工业大麻品种在Pb、As、Cu、Cd、Zn复合污染下，整个生育期植株正常生长，未呈现任何中毒的症状，如植株矮小、叶片黄化卷曲或生育期推迟等现象，植株表现出很强的耐性和抗性，且生物量也未受影响。
由图 1~图 5可以看出，5个工业大麻品种根系对5种重金属的吸收量不同，品种间呈现不同差异。从图 1中可见，工业大麻根对Pb的吸收量为16.32~ 29.55 mg·kg-1，ym1对Pb吸收量最大，表现出较强Pb吸收特性。从图 2可知，工业大麻根对As的吸收量为14.98~39.89 mg·kg-1，ym3吸收量最大，并显著高于其余4个品种，但ym1、ym2和ym5三个品种间差异不显著。从图 3中可知，根对Cu的吸收量为15.70~ 27.29 mg·kg-1，其吸收量差异与As类似，其中ym3吸收量最大。从图 4中可知，种子成熟期工业大麻根对Cd的吸收量为1.01~1.45 mg·kg-1，成熟期吸收量最大的为ym1，品种间差异不显著。由图 5可知，成熟期工业大麻根对Zn的吸收量为16.24~28.09 mg·kg-1，其中ym3的吸收量最大，且显著高于其他4个品种；ym5吸收量最小，显著低于其他4个品种；ym1与ym4差异显著，但ym1与ym2、ym4与ym2之间的差异不显著。
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不同小写字母表示处理间差异显著(P < 0.05)。下同 The different lowercase letters indicate significant differences among treatments (P < 0.05). The same below 图 1 不同大麻品种成熟期根系Pb含量 Figure 1 Pb contents in roots of different hemp varieties at mature stage |
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图 2 不同大麻品种成熟期根系As含量 Figure 2 As contents in roots of different hemp varieties at mature stage |
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图 3 不同大麻品种成熟期根系Cu含量 Figure 3 Cu contents in roots of different hemp varieties at mature stage |
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图 4 不同大麻品种成熟期根系Cd含量 Figure 4 Cd contents in roots of different hemp varieties at mature stage |
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图 5 不同大麻品种成熟期根系Zn含量 Figure 5 Zn contents in roots of different hemp varieties at mature stage |
综上所述，5个工业大麻品种中，成熟期的根系对Pb和Cd吸收量最大的为ym1，对As、Cu和Zn吸收量最大的均为ym3，而ym5对Pb、Cu、Cd和Zn皆表现为吸收量最小。
2.2 工业大麻成熟期茎叶重金属含量差异由图 6~图 10可以看出，工业大麻茎叶对5种重金属的吸收量不同，5个品种间有明显的差异，且茎叶的重金属含量普遍高于根系。从图 6中可见，工业大麻茎叶对Pb的吸收量为38.60~48.82 mg·kg-1，其中ym1吸收量最大，但品种间差异不显著。从图 7~图 9中可见，成熟期大麻茎叶对As、Cu和Cd的吸收量分别为35.00~39.68、17.04~23.38 mg · kg-1和1.61~2.27 mg·kg-1，吸收量最大的皆为ym3，但品种间差异不显著。从图 10可见，成熟期大麻茎叶对Zn的吸收量为32.48~52.96 mg·kg-1，吸收量最大的品种是ym2，且显著高于ym4，其他品种间差异不显著。
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图 6 不同大麻品种成熟期茎叶Pb含量 Figure 6 Pb contents in stem and leaf of different hemp varieties at mature stage |
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图 7 不同大麻品种成熟期茎叶As含量 Figure 7 As contents in stem and leaf of different hemp varieties at mature stage |
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图 8 不同大麻品种成熟期茎叶Cu含量 Figure 8 Cu contents in stem and leaf of different hemp varieties at mature stage |
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图 9 不同大麻品种成熟期茎叶Cd含量 Figure 9 Cd contents in stem and leaf of different hemp varieties at mature stage |
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图 10 不同大麻品种成熟期茎叶Zn含量 Figure 10 Zn contents in stem and leaf of different hemp varieties at mature stage |
综上所述，5个工业大麻品种中，在种子成熟期茎叶对As、Cu和Cd吸收量最大的为ym3，对Pb和Zn吸收量最大的分别为ym1和ym2。5个品种的茎叶对Pb、As、Cu、Cd的吸收表现为品种间差异不显著，仅Zn表现为差异显著，且ym4显著低于ym2。
2.3 工业大麻籽粒中重金属含量差异从图 11~图 15可以看出，不同品种籽粒对5种重金属的吸收量不同，5个品种间存在一定的差异。从图 11中可见，工业大麻籽粒对Pb的吸收量为3.68~ 10.15 mg·kg-1，吸收量最大的是ym2，最小的是ym1，且显著低于ym2和ym3。从图 12可知，籽粒对As的吸收量为2.51~6.15 mg·kg-1，吸收量最大的是ym5，最小的是ym1，且显著低于ym2、ym4和ym5。从图 13中可见，籽粒对Cu的吸收量为14.62~21.41 mg·kg-1，吸收量最大的是ym5，最小的是ym1，其中ym5显著高于其他4个品种。从图 14中可见，大麻籽粒对Cd的吸收量为0.11~0.30 mg·kg-1，吸收量最大的是ym2，最小的是ym4，但品种间差异不显著。从图 15中可见，大麻籽粒对Zn的吸收量为45.86~55.26 mg·kg-1，吸收量最大的是ym3，最小的是ym2，品种间差异不显著。
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图 11 不同大麻品种籽粒中Pb含量 Figure 11 Pb contents in seeds of different hemp varieties |
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图 12 不同大麻品种籽粒中As含量 Figure 12 As contents in seeds of different hemp varieties |
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图 13 不同大麻品种籽粒中Cu含量 Figure 13 Cu contents in seeds of different hemp varieties |
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图 14 不同大麻品种籽粒中Cd含量 Figure 14 Cd contents in seeds of different hemp varieties |
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图 15 不同大麻品种籽粒中Zn含量 Figure 15 Zn contents in seeds of different hemp varieties |
综上所述，籽粒对Pb和Cd吸收量最大的为ym2，对As和Cu吸收量最大的为ym5，对Zn则为ym3。同时籽粒对Pb、As和Cu皆表现为ym1吸收量最小，对Cd、Zn吸收量最小品种分别为ym4和ym2。
2.4 工业大麻对不同重金属富集、转运的品种差异 2.4.1 工业大麻成熟期重金属富集的品种差异由表 2可知，在成熟期，5个工业大麻品种对土壤中5种重金属的吸收能力存在差异。其中ym1根对Pb富集能力最强，ym5最低，显著低于ym1，其他品种间皆差异不显著；ym1茎叶对Pb富集能力最强，5个品种间差异不显著；ym1籽粒富集Pb能力最弱，与ym4、ym5差异不显著，但显著低于ym2、ym3。ym3根系对As的富集能力最强，显著高于其他4个品种，ym2和ym5根系富集能力最差；但各品种茎叶对As的富集系数差异不显著；籽粒对As富集能力最弱的为ym1和ym3，显著低于其他三个品种。ym3根系对Cu富集能力最强，显著高于ym4和ym5；不同品种茎叶富集Cu能力差异不显著；籽粒对Cu富集能力最低的为ym1，最高的是ym5，显著高于其他4个品种，其他4个品种间差异不显著。5个品种的不同器官对Cd富集能力差异均不显著，根系和茎叶对Cd富集系数最大的品种分别是ym1和ym3，而ym3和ym4籽粒的Cd富集能力低于其他品种。ym3根系对Zn富集能力最强，显著高于其他4个品种，其中ym5富集能力最低，且显著低于其他4个品种；ym2茎叶对Zn富集能力最强，显著高于ym4和ym5，其中ym4富集能力最低。不同品种籽粒对Zn富集能力差异不显著。
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表 2 成熟期重金属在不同器官的富集系数(BCF) Table 2 Bio concentration factors(BCF)of heavy metals in different hemp organs at mature stage |
从转运系数(表 3)看，5个工业大麻品种Pb的茎叶转运系数都大于1，籽粒转运系数均小于1，说明这5个品种Pb由根向茎叶的转运能力较强，根向籽粒的转运能力较弱。其中ym5由根向茎叶转运Pb的能力最强，显著高于其他品种；根向籽粒的转运能力以ym5为最高，显著高于ym1和ym3，ym1最低。5个工业大麻品种中As在茎叶转运系数都大于1，籽粒转运系数均小于1，说明这5个品种由根向茎叶转运As的能力较强，根向籽粒的转运能力较弱。其中ym2由根向茎叶转运As的能力最强，显著高于ym1、ym3和ym4，ym3最低；根向籽粒转运As的能力则以ym5为最高，显著高于ym1、ym3和ym4，ym3最低。ym4、ym5中Cu的茎叶转运系数大于1，说明其从根向茎叶转运Cu的能力较强，ym5籽粒的转运系数大于1，表明其从根向籽粒转运Cu的能力较强，但与其他品种间差异不显著。根向籽粒转运Cu的能力以ym5为最高，显著高于其他4个品种，ym3则最低。5个工业大麻品种中Cd的茎叶转运系数都大于1，籽粒转运系数均小于1，说明这5个品种由根向茎叶转运Cd的能力较强，根向籽粒转运Cd的能力较弱。其中ym5由根向茎叶转运Cd的能力最强，显著高于ym1和ym2；根向籽粒转运Cd的能力以ym5为最高，显著高于ym3和ym4。5个工业大麻品种中Zn在茎叶和籽粒中的转运系数都大于1，说明5个品种由根向茎叶转运Zn的能力较强，且籽粒转运系数大于1。其中ym2由根向茎叶转运Zn的能力最强，显著高于ym3和ym4；根向籽粒的转运能力在各品种间差异不显著。
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表 3 成熟期重金属在不同器官的转运系数(TF) Table 3 Transfer factors (TF)of heavy mentals in different hemp organs at mature stage |
近年来，由于工业污染加剧、灌溉用水质量下降和化肥使用不当等，土壤重金属污染严重，给有限的耕地资源造成严重的损失[21]，如何选择适合重金属污染土壤的经济、安全的绿色修复植物是当今研究的热点。本研究发现工业大麻品种ym1根茎叶对Pb吸收量最大；ym3根茎叶对As、Zn、Cu和Cd吸收量最大；工业大麻籽粒作为食品开发主要器官，其重金属含量直接影响食品开发，本研究发现ym1的成熟籽粒对Pb、As和Cu的吸收量最小，ym4对Cd的吸收量最小，ym2对Zn的吸收量最小，由此可知ym1最适合作为Pb的修复品种，ym3最适宜作为As、Zn、Cu和Cd的修复植物(籽粒重金属含量与含量最小品种均差异不显著)。5个品种不同器官对不同重金属的富集系数也表明，在根系中，ym1对Pb富集能力最强，ym3对As、Cu和Zn的富集能力最强；而5个品种不同器官对Cd富集能力差异不显著，且除Cu外，5个品种茎叶富集系数皆大于根，即地上部分富集重金属能力较强。由以上结果可以看出不同品种对不同重金属的积累方式不同，这与玉米、蔬菜等作物相似[22-24]。除Cu外，其余4种重金属在5个品种中的根系向茎叶的转运系数均大于1。
3.2 不同工业大麻品种对重金属富集系数和转移系数差异分析除Cu外5个品种茎叶对5种重金属的富集系数均大于根；5个大麻品种的籽粒对Pb富集系数均小于0.05，对As的富集系数小于0.1，但对Cu、Cd、Zn的富集系数都较大，这说明大麻吸收的Pb、As在可食部位籽粒的富集量少，从而可以降低进入食物链比例。这说明大麻可以通过抑制秸秆中Pb、As向籽粒转运来降低籽粒中Pb、As含量，但对Cu、Cd、Zn的抑制作用不明显，这与前人的研究结果相似[25-28]。同时本研究发现除Cu外大麻由根向茎叶转运系数皆大于1，表明工业大麻茎叶可以实现重金属由根部向茎叶大量转运，从而实现生物修复的目的。研究发现根系和茎叶重金属富集能力最强的为ym3，富集能力最小的皆为ym5，然而转运能力则表现相反，表现为ym5转运能力较强，而ym3转运能力较差。
3.3 不同工业大麻品种对重金属污染土壤的修复分析研究表明同种大麻对不同重金属的富集能力不同，不同大麻品种对同一重金属的富集能力也不同，推测这可能是由大麻本身的生理特性、生长环境以及重金属在土壤-大麻中的迁移方式共同决定的。目前，筛选重金属生物修复的最适宜植物尚无明确的标准，本研究认为筛选重金属超富集大麻的标准是：根茎叶重金属含量高，纤维及籽粒重金属含量较低，且生物量大(>1.2 t·667 m-2)。本研究结果表明：大麻对5种重金属的吸附能力均较强，但由于大麻籽粒中Cu、Cd、Zn含量较高，远远超出了食品中重金属限量标准(GB 2762─2017)，而大麻籽粒中Pb、As含量较低，基本符合使用标准，其中ym1对Pb的富集能力最强，ym3最适宜作为As、Zn、Cu和Cd重金属修复植物，ym1和ym3在云南矿区具有Pb、As高积累潜力，适宜在云南Pb、As污染的地区推广种植。
4 结论(1) 对5个工业大麻品种吸收重金属的差异研究发现，重金属在工业大麻不同器官的含量分布表现为：Pb、As、Cd为茎叶>根>籽粒，Zn为籽粒>茎叶>根，Cu为根>茎叶>籽粒。且Pb、As在籽粒中的含量相当低，而在根和茎叶中的含量比较高；Cu、Zn在籽粒中的含量较高，其中Cu大量分布在工业大麻植株的根、茎叶和籽粒中，Zn在籽粒中的含量明显高于其他器官。
(2) 5个工业大麻品种中，在成熟期的根系中，ym1对Pb和Cd吸收量最大，ym3对As、Cu和Zn吸收量最大；在茎叶中，ym3对As、Cu和Cd吸收量最大，ym1和ym2对Pb、Zn吸收量最大；籽粒中，ym2对Pb和Cd吸收量最大，ym5对As和Cu吸收量最大，ym3对Zn吸收量最大，同时籽粒对Pb、As和Cu皆表现为ym1吸收量最小。
(3) ym1对Pb的富集能力最强，ym3最适宜作为As、Zn、Cu和Cd重金属修复植物，ym1和ym3在云南矿区具有Pb、As高积累潜力，适宜在云南Pb、As污染的地区推广种植。
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