摘 要: 苧麻根系發(fā)達(dá)、生物量大、耐不良環(huán)境能力強(qiáng)，在重金屬污染土壤修復(fù)方面具有重要作用。在介紹重金屬對(duì)苧麻生長(zhǎng)影響的基礎(chǔ)上，分析了重金屬在苧麻中的富集特征及其對(duì)苧麻生理特性的影響，并提出了苧麻栽培中重金屬調(diào)控措施，包括物理調(diào)控、化學(xué)調(diào)控、生物調(diào)控和栽培調(diào)控，以期為苧麻用于重金屬污染土壤生態(tài)修復(fù)提供參考。
關(guān)鍵詞:苧麻；重金屬；生理特性；調(diào)控措施；研究進(jìn)展
土壤重金屬污染是指汞、鎘、鉛、鉻、銻及類金屬砷等的含量超過背景值。重金屬通常難以被生物降解，易被植物成倍富集，并通過食物鏈對(duì)人類健康造成嚴(yán)重影響。重金屬在人體內(nèi)累積后能與蛋白質(zhì)、酶等發(fā)生相互作用，導(dǎo)致其活性減弱或消失，也能在人體某些器官中富集造成慢性中毒[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的耕地污染比較嚴(yán)重，土壤污染造成我國(guó)糧食每年減產(chǎn)逾1000萬t，且有逾1200萬t糧食存在重金屬污染，經(jīng)濟(jì)損失約200億元。苧麻多用途研究被廣泛報(bào)道，其作為特色經(jīng)濟(jì)作物，是生產(chǎn)纖維的原材料，更是一種優(yōu)質(zhì)的飼料作物[2-4]。有研究表明，苧麻對(duì)一些重金屬有著吸附和轉(zhuǎn)移作用，因而對(duì)多種重金屬污染具有很強(qiáng)的耐受性和富集能力[5-9]，在重金屬污染土壤栽培具有一定的生態(tài)修復(fù)效果[10]。近年來，還從苧麻葉中提取了很多抗病毒和抗腫瘤物質(zhì)[11-12]。
1 重金屬對(duì)苧麻生長(zhǎng)的影響及其在苧麻中的富集特征
1.1 重金屬對(duì)苧麻生長(zhǎng)的影響
重金屬是苧麻生長(zhǎng)非必需元素，過量吸收通常會(huì)抑制植株生長(zhǎng)，進(jìn)而對(duì)產(chǎn)量和品質(zhì)造成嚴(yán)重影響。佘瑋等[13]通過盆栽試驗(yàn)探索了不同鎘濃度對(duì)9個(gè)苧麻品種吸收積累重金屬鎘的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在23~46mg/L鎘質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，隨著鎘質(zhì)量濃度的增加，富順青麻、小魯班、湘苧3號(hào)、湘苧2號(hào)、大紅皮2號(hào)和中苧1號(hào)6個(gè)苧麻品種的株高會(huì)顯著變矮，而宜春紅心麻、石阡竹根麻和川苧1號(hào)3個(gè)苧麻品種的株高較對(duì)照有所增高；在182mg/L鎘處理下，各苧麻品種株高較對(duì)照顯著下降，株高降幅達(dá)7.43%~26.92%。這說明不同苧麻品種對(duì)鎘耐受性不同，但是高濃度的鎘脅迫一定會(huì)抑制苧麻生長(zhǎng)發(fā)育。還有研究發(fā)現(xiàn)，石阡竹根麻、宜春紅心麻和川苧1號(hào)3個(gè)苧麻品種在低鎘濃度處理中生物量高于對(duì)照，但其他6個(gè)品種表現(xiàn)隨鎘濃度增加而顯著減少，且濃度越高，其減少的地上部生物量越大。另有研究指出，鎘含量低于100mg/kg會(huì)一定程度促進(jìn)苧麻株高、莖粗、有效分蘗數(shù)和生物量升高，而當(dāng)鎘含量高于100mg/kg時(shí)，則會(huì)對(duì)植株造成抑制效應(yīng)，當(dāng)鎘含量增加到500mg/kg時(shí)，植株生長(zhǎng)指標(biāo)達(dá)最低值，表現(xiàn)為隨鎘含量增加，其抑制效應(yīng)越明顯[14]。龍育堂等[15]在研究苧麻對(duì)汞污染的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，土壤中汞含量低于130mg/kg時(shí)沒有造成原麻產(chǎn)量減少，當(dāng)汞含量增加到260mg/kg時(shí)產(chǎn)量降低了23.5%，與對(duì)照的差異達(dá)到顯著水平，而苧麻的纖維支數(shù)在汞含量0~130mg/kg時(shí)沒有明顯差異，但當(dāng)汞含量增加到230mg/kg時(shí)，纖維支數(shù)較對(duì)照提高了11.65%。唐貴才等[16]研究認(rèn)為，當(dāng)汞含量低于200mg/kg時(shí)對(duì)苧麻的根、莖和葉干重沒有顯著影響，但苧麻的根、莖和葉中的汞離子都隨著汞含量的增加而增大。大量研究表明，砷和鎘對(duì)植物的吸收存在著互作效應(yīng)[17-19]。趙丹博等[20]研究指出，在重金屬鎘和砷復(fù)合污染土壤處理下，隨著砷濃度的升高，苧麻的株高、莖粗、根莖葉干重都表現(xiàn)為顯著降低，且添加一定濃度的砷還能促進(jìn)苧麻植株對(duì)鎘的吸收和積累。
黃閨等[21]在研究鉛脅迫對(duì)苧麻的影響中發(fā)現(xiàn)，苧麻的株高和莖粗在低濃度鉛（≤800mg/kg）處理下有不同程度的增加，而在高于此濃度時(shí)表現(xiàn)隨濃度的增加而減少，苧麻的有效分蘗數(shù)表現(xiàn)隨鉛濃度的增加而逐漸減少。劉金等[22]研究認(rèn)為，在鉛鎘復(fù)合污染中，施用固化劑有利于提高苧麻對(duì)鉛的吸收，施用膨潤(rùn)土和沸石粉對(duì)苧麻地上部干物重影響不明顯，但能促進(jìn)苧麻地下部干物重增加，高濃度沸石粉處理可增加根部干物重最高達(dá)27.1%。
1.2 重金屬在苧麻中的富集特征
有研究表明，在貴州銅仁某汞礦區(qū)內(nèi)，汞在苧麻根、稈、皮和葉中的含量分別為58.02~136.97?60.6~560.45?113.26~3860.51?446.1~1686.3μg/kg，鎘在苧麻根、稈、皮和葉中的含量分別為10.1~1527.8?7.17~1203.63?11.57~1838.14?77.12~842.41μg/kg，韌皮和葉中的汞含量明顯高于根部，而在苧麻根部、麻稈、麻皮及麻葉中鎘分布較均勻，苧麻地上部對(duì)汞的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)分別為0.017~4.826?0.583~22.595，苧麻地下部對(duì)鎘的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)分別為0.011~3.725?0.055~16.175[23]。在對(duì)砷污染的品種比較試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，苧麻地上部分砷含量為63.8mg/kg，對(duì)砷的吸收積累能力不及蜈蚣草和香根草，但它的生長(zhǎng)發(fā)育較好，生物量最高，表明苧麻對(duì)重金屬砷具有較強(qiáng)的耐受性[24-25]。Rehman等[26]研究重金屬銅對(duì)苧麻生長(zhǎng)的影響及苧麻植株體內(nèi)銅吸收富集效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，苧麻能耐受100mg/kg的銅脅迫而不降低其生物量，銅的累積部位根(26~53mg/kg)>葉(23~28mg/kg)>莖(14~21mg/kg)，苧麻對(duì)重金屬銅的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)都小于1，說明苧麻不是銅的超富集植物，但對(duì)于銅污染具有一定的吸收積累作用。在湖南省冷水江銻礦區(qū)的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，苧麻對(duì)鉛和銻的富集指數(shù)都小于1，但是轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)分別達(dá)3.01、4.51，可見苧麻對(duì)于重金屬鉛和銻的耐受能力和轉(zhuǎn)運(yùn)能力較強(qiáng)[27]。綜上所述，苧麻對(duì)重金屬汞、鎘、砷、銅、鉛、銻都有一定的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)作用，屬于鎘的超富集植物。
2 重金屬對(duì)苧麻生理特性的影響
2.1 對(duì)苧麻光合作用的影響
光合作用是植物制造有機(jī)物的重要途徑，而重金屬會(huì)對(duì)植物細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能造成影響，從而使其光合作用受阻[28]。大量研究表明，鎘能破壞植物葉綠體結(jié)構(gòu)，抑制葉綠素的合成[29-31]。李雪玲等[32]對(duì)3個(gè)苧麻品種(中苧1號(hào)?華苧5號(hào)和川苧8號(hào))進(jìn)行不同鎘質(zhì)量濃度下的葉綠素含量測(cè)量發(fā)現(xiàn)，低質(zhì)量濃度(5mg/L)鎘對(duì)中苧1號(hào)SPAD值有明顯的促進(jìn)作用，而高于50mg/L鎘脅迫對(duì)SPAD值有明顯的抑制效應(yīng)，且高質(zhì)量濃度的鎘脅迫會(huì)降低其氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率，間接抑制苧麻光合作用。苧麻在長(zhǎng)時(shí)間鎘脅迫下各項(xiàng)氣體交換參數(shù)也呈減少趨勢(shì)[33]。有研究認(rèn)為，銅含量從200mg/kg增長(zhǎng)到400mg/kg時(shí)，苧麻體內(nèi)的葉綠素含量會(huì)顯著降低，且銅脅迫會(huì)使苧麻的凈光合速率、蒸騰作用和氣孔導(dǎo)度下降[26]。Chai等[34]研究發(fā)現(xiàn)：苧麻的SPAD值隨銻質(zhì)量濃度的增加呈現(xiàn)出先增后降的趨勢(shì)；除了銻質(zhì)量濃度為20mg/L時(shí)外，光合速率并無顯著變化。
2.2 對(duì)苧麻抗氧化酶活性的影響
有研究表明,苧麻體內(nèi)的超氧化物歧化酶(SOD)活性會(huì)隨著鎘脅迫濃度的增加出現(xiàn)先升后降的現(xiàn)象,這可能是SOD受活性氧自由基誘導(dǎo)導(dǎo)致活性增高,但達(dá)到SOD閾值后會(huì)破壞其結(jié)構(gòu)和功能,進(jìn)而引起SOD活性下降[35]。在長(zhǎng)時(shí)間的鎘脅迫下,苧麻根系的過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)活性降低,但葉片中的POD活性和CAT活性會(huì)先升高再降低[36],這可能是因?yàn)楦俏蘸徒佑|鎘離子的部位,受到鎘離子的毒害作用而使酶的活性降低,而鎘離子要經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)輸才能到達(dá)葉片,葉片中的低濃度鎘離子反而使酶的活性增加,但長(zhǎng)時(shí)間的鎘離子積累也會(huì)造成酶結(jié)構(gòu)和功能的破壞,導(dǎo)致其活性降低。另有研究發(fā)現(xiàn),苧麻體內(nèi)的SOD?POD和CAT活性會(huì)隨著銻脅迫濃度的增加而受到抑制[26]。周建剛等[37]研究認(rèn)為,在鉛脅迫下,苧麻的SOD?POD和CAT活性先緩慢增加,隨著脅迫時(shí)間的增加開始急劇下降,表明苧麻對(duì)于鉛脅迫可以通過調(diào)節(jié)自身的酶活性來抵御不利環(huán)境,但是長(zhǎng)時(shí)間的脅迫還是會(huì)抑制其活性,產(chǎn)生重金屬的毒害作用。
3 苧麻栽培中重金屬調(diào)控措施
3.1 物理調(diào)控
物理調(diào)控是重金屬污染土壤修復(fù)的有效措施之一。土壤重金屬污染物理調(diào)控修復(fù)中較常見的方法是將干凈客土和污染土壤按一定比例混合，達(dá)到降低污染土壤中重金屬含量的目的。該方法多用于重度污染土壤修復(fù)工程，應(yīng)用于農(nóng)田則成本過大。還有一種修復(fù)調(diào)控方法是深耕翻土，即采用機(jī)械深耕的方式翻動(dòng)上下土層，從而降低上層土壤的重金屬含量，該方法一般用于污染較輕的土壤修復(fù)。
3.2 化學(xué)調(diào)控
化學(xué)處理是降低土壤中重金屬含量的主要措施。趙述華等[24]用添加不同穩(wěn)定劑組合(粉煤灰?干化污泥?粉碎花生殼?Fe2SO4?KH2PO4)處理砷污染土壤，結(jié)果表明，其能在一定程度上增加植物對(duì)砷的累積，其中同時(shí)添加粉煤灰、干化污泥、粉碎花生殼、Fe2SO4、KH2PO4的處理使蜈蚣草、香根草和苧麻地上部分對(duì)砷的累積量都達(dá)到最大值。有研究表明，茶皂素0.1~2.5mmol/L濃度處理時(shí)能促進(jìn)苧麻植株內(nèi)鎘的轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)表現(xiàn)隨濃度升高而增加的趨勢(shì)，當(dāng)處理濃度達(dá)最高(2.5mmol/L)時(shí)，苧麻各器官對(duì)鎘的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)都達(dá)最高值。龔小敏等[38]研究外源添加鈣處理對(duì)苧麻鎘脅迫的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，1mmol/L鈣濃度處理會(huì)造成苧麻莖葉中的鎘含量顯著增加，而5mmol/L鈣濃度處理則能一定程度緩解鎘對(duì)苧麻生長(zhǎng)的毒害，能促進(jìn)苧麻生物量和葉綠素含量增加，降低體內(nèi)丙二醛和過氧化氫的含量。樊揚(yáng)帆等[39]研究檸檬酸(CA)和氮三乙酸(NTA)2種生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑不同濃度處理對(duì)鉛鎘復(fù)合污染下苧麻生長(zhǎng)的影響發(fā)現(xiàn)，2種生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑對(duì)苧麻生長(zhǎng)及重金屬影響存在差異，2種調(diào)節(jié)劑都能促進(jìn)苧麻植株生長(zhǎng)，增加苧麻體內(nèi)鉛鎘累積量，CA能顯著促進(jìn)苧麻株高的增加及植株體內(nèi)鎘的吸收和轉(zhuǎn)移，NTA則對(duì)苧麻體內(nèi)鉛的吸收和轉(zhuǎn)移有顯著促進(jìn)效應(yīng)，且對(duì)重金屬鎘污染土壤有一定的修復(fù)作用。Okkenhaug等[40]研究同樣表明，檸檬酸可以有效地從土壤中萃取銻，降低土壤中銻的含量。劉金等[41]研究表明，施用螯合劑乙二胺二琥珀酸（EDDS）和乙二胺四乙酸（EDTA）雖然會(huì)減少苧麻的生物量，但能顯著增加苧麻積累鉛和鎘的能力，提升苧麻對(duì)重金屬污染的修復(fù)能力。另有研究表明，鋅和鐵的缺失會(huì)增加苧麻對(duì)鎘的吸收，鋅和鐵會(huì)抑制苧麻對(duì)鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)作用[42]。孟桂元等[43]對(duì)鎘鉛復(fù)合污染土壤施加有機(jī)肥、石灰和海泡石3種改良劑發(fā)現(xiàn)，3種改良劑及其組合都會(huì)增加苧麻的生物量，促進(jìn)其光合作用，減少苧麻對(duì)鎘和鉛的積累，增加苧麻的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)。劉云國(guó)等[44]研究表明，在葉面噴施外源精胺能夠增強(qiáng)苧麻根的抗鎘性，在營(yíng)養(yǎng)液中加入精胺和葉面噴施都能緩解葉片的鎘毒害作用，其原理是精胺能促使苧麻植株體內(nèi)的葉綠素、類胡蘿卜素和可溶性蛋白質(zhì)含量明顯增高，降低膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛的含量，從而使苧麻對(duì)重金屬鎘的耐受性顯著增強(qiáng)。
3.3 生物調(diào)控
周民等[45]研究表明，在復(fù)合重金屬(銅?鋅?砷?鎘?銻)脅迫條件下，叢枝菌根真菌能夠與苧麻形成良好共生關(guān)系，顯著提升苧麻莖葉對(duì)磷的吸收，增加苧麻生物量，提高苧麻植株體內(nèi)SOD?CAT?POD的活性，同時(shí)增強(qiáng)苧麻對(duì)重金屬吸收與分配的調(diào)控。劉釗釗等[46]研究蚯蚓活動(dòng)對(duì)苧麻修復(fù)重金屬汞污染土壤效果后發(fā)現(xiàn)，在2、10mg/kg汞污染土壤中添加蚯蚓處理，能促進(jìn)苧麻地上部對(duì)汞的吸收積累能力顯著升高，最大增幅分別為59.34%?33.69%，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，接種蚯蚓能明顯增加苧麻的富集系數(shù)，最大分別為0.340、0.160，但對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)影響較小。此外，苧麻對(duì)汞的富集速率在生長(zhǎng)前期和后期較慢，在生長(zhǎng)中期較快。
3.4 栽培調(diào)控
劉小平等[47]研究發(fā)現(xiàn)，苧麻和小白菜間作能夠明顯提高土壤中酸溶態(tài)汞的含量，降低殘?jiān)鼞B(tài)汞的含量，從而提高麻葉和麻皮中汞的含量，降低小白菜體內(nèi)汞的含量，可能是作物根際分泌物改變了根際的微環(huán)境，進(jìn)而改變了土壤中汞的賦存形態(tài)。另有研究表明，苧麻與其他農(nóng)作物間套作能夠促進(jìn)苧麻對(duì)氮元素的利用，提升土壤肥力，改善土壤營(yíng)養(yǎng)成分和控制病蟲草害[48]。衛(wèi)澤斌等[49]研究表明，間套作可以減少普通作物對(duì)重金屬的吸收富集，提高富集植物對(duì)土壤重金屬的提取能力，促進(jìn)有機(jī)污染物的降解。魯雁偉等[50]研究表明，高密度的苧麻種植會(huì)降低苧麻的生物量，減少單株苧麻地上部對(duì)鉛和砷的富集，但是小區(qū)總遷移量比正常密度的苧麻總遷移量高。
4 展望
目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)苧麻重金屬的研究大多集中在鉛、鎘對(duì)其生長(zhǎng)發(fā)育、生理生化和產(chǎn)質(zhì)量的影響方面，少有重金屬銻對(duì)苧麻生長(zhǎng)、重金屬富集的影響研究。未來需加大對(duì)重金屬銻污染和多種重金屬?gòu)?fù)合污染的研究，為苧麻有效修復(fù)重金屬土壤污染找到新的高效途徑。一是研究銻污染對(duì)苧麻的富集及轉(zhuǎn)運(yùn)能力和生理生化的影響，明確銻對(duì)苧麻的毒害作用；二是在探明苧麻品種對(duì)銻吸收差異的基礎(chǔ)上篩選出耐銻品種和富集銻的優(yōu)質(zhì)品種；三是深入挖掘苧麻抗重金屬的基因并探索其機(jī)制，以期利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)進(jìn)行重金屬污染修復(fù)；四是挖掘新的種植技術(shù)來降低土壤中重金屬含量，減輕土壤中重金屬對(duì)作物的毒害。
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文章摘自:蔣文杰,唐海鷹,孟桂元,等.重金屬對(duì)苧麻生長(zhǎng)的影響及其調(diào)控措施研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2025,(08):27-31.DOI:10.3969/j.issn.1007-5739.2025.08.008。
