李 鴻，和曉敏，洪 秋，張 園，呂 品，郭孟璧，張慶瀅，陳 璇，楊 明，郭 蓉，許艷萍*

（1.麗江市古城區(qū)七河鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)綜合服務中心 農(nóng)科辦，云南 麗江 674102；2.云南省農(nóng)業(yè)科學院 經(jīng)濟作物研究所，云南 昆明 650205）

云南省是我國著名的“有色金屬”之鄉(xiāng)［1］，礦產(chǎn)資源的開發(fā)在帶來經(jīng)濟飛速發(fā)展的同時，也對周邊環(huán)境造成了嚴重污染，如個舊錫礦［2］、蘭坪鉛鋅礦［3］等。再加上農(nóng)藥、化肥的大量使用，導致農(nóng)田土壤重金屬污染越來越嚴重［4-5］。其中Pb是土壤中最普遍且危害性較強的污染元素［6］，主要以土壤Pb-Cd-Zn復合重金屬污染為主［7］。Pb可通過環(huán)境介質(zhì)進入植物，易被植物吸收并在植物體內(nèi)積累，不僅對植物生長、光合作用、酶活性造成了不可逆的損傷，其在植物體內(nèi)富集，并經(jīng)各種途徑傳遞，還會威脅人類健康［8］。

工業(yè)大麻(Industrial Hemp)是一種被公認的生物產(chǎn)量大、生長速度快、富集能力強、適應性廣、修復效果顯著且具有很高經(jīng)濟價值的新型重金屬污染修復植物材料［9］。工業(yè)大麻為直根系深耕作物，主根能深至土壤2.0～2.5 m，株高3～5 m，生物量達1.2 t/667 m2以上，生物量及生長速度均遠大于目前種植的大多數(shù)超富集植物，對礦區(qū)Pb污染的農(nóng)田具有巨大的修復潛力。目前，國內(nèi)外研究表明，工業(yè)大麻對Pb、Cd等重金屬具有較強的吸附作用，但重金屬在不同器官的分布存在品種差異［10-11］，目前的研究材料主要是偏向于不同生物量的品種材料，而關于晚熟型高生物量的不同品種對重金屬Pb富集修復能力差異的研究較少。因此，本研究選擇4個不同類型的晚熟型高生物量工業(yè)大麻品種為材料，研究其在不同濃度Pb脅迫下富集與轉(zhuǎn)移能力的差異，旨在為選擇不同富集能力的工業(yè)大麻品種治理不同程度的Pb污染土壤提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以云南省農(nóng)業(yè)科學院經(jīng)濟作物研究所選育的晚熟不同基因型4個工業(yè)大麻品種云麻6號、云麻7號、云麻雜2號、云麻雜3號為研究材料，編號分別為ym6、ym7、Z2、Z3，其中ym6和ym7為晚熟型高生物量常規(guī)品種，Z2和Z3為晚熟型高生物量雜交品種。供試土壤來源于云南省昆明市官渡區(qū)云南省農(nóng)業(yè)科學院經(jīng)濟作物研究所小哨試驗基地，經(jīng)風干、搗碎、剔除雜物后，過40目篩混合均勻（0～20 cm）的土壤，供試土壤理化性質(zhì)為：pH值6.37，有機質(zhì)含量59.90 g/kg，全氮含量0.316%，全磷含量0.108%，全鉀含量0.318%，水解性氮含量310.00 mg/kg，有效磷含量25.00 mg/kg，速效鉀含量735.00 mg/kg，全量鉛含量156.00 mg/kg。

1.2 試驗設計

盆栽試驗于2016年在云南省農(nóng)業(yè)科學院經(jīng)濟作物研究所大麻課題小哨溫室進行。以分析純Pb(NO3)2為處理劑，每個材料設3個Pb2+濃度水平：0、2000、3000 mg/kg，每處理3個重復，每個重復為1盆，4個材料共36盆，盆缽直徑50 cm，高30 cm，每盆裝土21 kg。2016年5月10日將重金屬與土按規(guī)定用量充分混勻裝盆，放置靜止絡合15 d，每盆施尿素3.82 g、過磷酸鈣6.18 g、硫酸鉀2.35 g作為底肥，于5月20日播種，每盆播種20顆種子，出苗后選擇長勢一致的幼苗，每盆定苗5株，正常水分管理。于種子成熟期收獲植株，測定其農(nóng)藝性狀、生物量并檢測不同器官的重金屬含量，所有測量皆設3次生物學重復。

1.3 測定方法

1.3.1 大麻材料農(nóng)藝性狀的測定 在收獲植株時采用卷尺測量其株高(cm)和根長(cm)，用游標卡尺測量其莖粗(mm)。

1.3.2 大麻材料生物量的測定 自然晾干收獲后的植株，分別稱量樣品的根、莖、葉、種子和纖維干重，即為植株不同器官的生物量。

1.3.3 樣品中Pb含量的測定 晾干的植物樣品在105 ℃下殺青0.5 h，70 ℃烘箱烘干至恒重，用電子天平稱取各部分干物質(zhì)質(zhì)量，烘干樣品粉碎后備測。用v(HNO3)∶v(HClO4)=5∶1的混合液進行微波消解、定容。采用火焰原子吸收分光光度法(GB/T 17141—1997)測定Pb含量。

1.3.4 工業(yè)大麻富集、轉(zhuǎn)運系數(shù)的計算 工業(yè)大麻品種重金屬富集系數(shù)(BCF)和轉(zhuǎn)運系數(shù)(TF)的計算公式為：

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007軟件進行數(shù)據(jù)處理，采用SPSS 20.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析，以及Graph Pad Prism 8軟件作圖分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 Pb脅迫對4個工業(yè)大麻品種農(nóng)藝性狀的影響

由圖1A可知，與對照相比，4個品種的株高均隨著Pb濃度的升高而逐漸下降，當Pb處理濃度為2000和3000 mg/kg時，4個品種株高的下降幅度分別為0.69%～1.39%和2.22%～4.03%，且3個處理間存在顯著差異。其中，當Pb濃度為2000 mg/kg時，ym6、ym7、Z2和Z3的株高分別下降了3.78(1.39%)、3.15 (1.02%)、2.82(0.95%) 和2.08(0.69%) cm；當Pb濃度為3000 mg/kg時，ym6、ym7、Z2和Z3的株高分別下降了10.98(4.03%)、5.53(1.79%)、4.25(1.43%)和6.70 (2.22%)cm，其中下降幅度最大的為ym6。

圖1 Pb脅迫對4個工業(yè)大麻品種農(nóng)藝性狀的影響

由圖1B可知，與對照相比，4個品種的莖粗均隨著Pb濃度的升高而逐漸降低，當Pb處理濃度為2000和3000 mg/kg時，4個品種莖粗的下降幅度分別為0.89%～4.54%和2.28%～8.87%，且3個處理間存在顯著差異。其中，當Pb濃度為2000 mg/kg時，ym6、ym7、Z2和Z3的莖粗分別下降了0.44 (4.54%)、0.10(0.89%)、0.47(4.08%)和0.37(3.25%)mm；當Pb濃度為3000 mg/kg時，ym6、ym7、Z2和Z3的莖粗分別下降了0.44(4.54%)、0.26(2.28%)、0.57(4.94%)和1.01(8.87%) mm，其中下降幅度最大的為Z3。

由圖1C可知，與對照相比，4個品種的根長均隨著Pb濃度的升高而逐漸降低，當Pb處理濃度為2000和3000 mg/kg時，4個品種根長的下降幅度分別為2.53%～5.84%和6.23%～9.58%，且3個處理間存在顯著差異。其中，當Pb濃度為2000 mg/kg時，ym6、ym7、Z2和Z3的根長分別下降了0.67(3.48%)、0.52(2.53%)、0.56(2.74%)和1.22(5.84%) cm；當Pb濃度為3000 mg/kg時，ym6、ym7、Z2和Z3的根長分別下降了1.54(8.01%)、1.28(6.23%)、1.96(9.58%)和1.87(8.95%) cm，其中下降幅度最大的為Z2。

總體來說，當Pb脅迫濃度為2000和3000 mg/kg時，4個工業(yè)大麻品種對株高、莖粗、根長均有一定程度的抑制作用，但抑制的程度均較小，植株生長良好，且在外觀性狀上無重金屬中毒癥狀，說明工業(yè)大麻能適應高Pb濃度（≥2000 mg/kg）的環(huán)境，其對Pb具有很強的耐受性。

2.2 Pb脅迫對4個工業(yè)大麻品種生物量的影響

由圖2可知，Pb脅迫對4個品種的生物量有一定程度的影響，總生物量（根+莖+葉+纖維+種子）的降幅為3.22%～40.26%，當Pb脅迫濃度為2000和3000 mg/kg時，ym6、ym7、Z2和Z3的總生物量分別下降了3.22%和10.08%、9.83%和40.26%、4.15%和20.66%、3.80%和13.91%。在4個品種中，莖的生物量均最大，占總生物量的54.56%～61.34%，其他各器官的生物量在不同品種間稍有差異。與對照相比，當Pb脅迫濃度為2000 mg/kg時，根、莖、葉、纖維、種子的生物量下降幅度分別為2.06%～16.76%、0.67%～4.09%、1.24%～32.66%、1.75%～28.57%和3.38%～8.60%；當Pb脅迫濃度為3000 mg/kg時，根、莖、葉、纖維、種子的生物量下降幅度分別為5.59%～18.34%、7.46%～41.07%、4.09%～51.95%、5.07%～50.55%和6.13%～32.93%。

總體來說，當Pb脅迫濃度為3000 mg/kg時，對4個品種生物量的影響大于Pb脅迫濃度為2000 mg/kg的，其中，當Pb脅迫濃度為3000 mg/kg時，對ym6的根生物量的影響最大，降幅為18.17%；對ym7的莖、葉、纖維生物量的影響最大，降幅分別為41.07%、51.95%和50.55%；而Z2和Z3對Pb脅迫均表現(xiàn)出了更強的耐受性。

2.3 Pb在4個品種不同器官中的分布

由圖3可知，Pb脅迫下4個品種不同器官中的Pb含量的大致排序依次為根＞莖＞葉＞纖維＞種子；當Pb脅迫濃度為2000和3000 mg/kg時，其根的Pb含量分別為350.00～1117.00和657.00～1374.00 mg/kg，莖的Pb含量分別為185.00～208.00和187.00～251.00 mg/kg，葉的Pb含量分別為49.80～153.00和63.60～122.00 mg/kg，纖維的Pb含量分別為39.10～50.20和30.90～76.80 mg/kg、種子的Pb含量分別為4.55～5.82和4.61～6.52 mg/kg。在3000 mg/kg的Pb脅迫濃度下，4個品種不同器官中的Pb含量整體高于2000 mg/kg的，但ym6和ym7品種纖維和種子的Pb含量表現(xiàn)相反，這可能是因為3000 mg/kg的Pb脅迫濃度已經(jīng)超出了這2個器官承載Pb的濃度，說明已經(jīng)對這2個品種產(chǎn)生了一定的傷害。

圖3 Pb在4個品種不同器官的分布

總體來說，在4個工業(yè)大麻品種中，Pb主要積累在植株的根部，占Pb總含量的54.57%～76.69%；地上部分的莖、葉、纖維和種子的Pb含量分別占Pb總含量的12.76%～28.01%、5.50%～17.73%、2.68%～7.60%、0.31%～0.88%。在4個品種中，Z3富集能力高于其他3個品種。

2.4 工業(yè)大麻品種對Pb的富集和轉(zhuǎn)運能力

由表1可知，Pb脅迫下，4個工業(yè)大麻品種不同器官的富集系數(shù)與轉(zhuǎn)運系數(shù)存在差異，表明不同基因型品種對Pb的吸收能力與轉(zhuǎn)運能力存在品種間差異。Pb脅迫下，4個品種對Pb富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運系數(shù)均小于1。其中，4個品種對Pb的富集能力均表現(xiàn)為根＞莖＞葉＞纖維＞種子，其中種子的富集系數(shù)最低，均為0.00。根、莖、葉、纖維及種子不同器官的Pb富集系數(shù)范圍分別為：0.18～0.56、0.06～0.10、0.02～0.08、0.01～0.03及0.00，且雜交品種高于常規(guī)品種，由高到低依次排序為Z3＞Z2＞ym6＞ym7。而地上部分不同器官從根部轉(zhuǎn)移Pb的能力依次排序為莖＞葉＞纖維＞種子，莖、葉、纖維及種子轉(zhuǎn)移系數(shù)范圍分別為：0.17～0.53、0.07～0.32、0.04～0.14及0～0.02，4個品種的轉(zhuǎn)運能力依次排序為ym7＞ym6＞Z2＞Z3。

表1 不同濃度下4個品種的富集系數(shù)

總體來說，在4個工業(yè)大麻品種中，根部的富集能力最強，整個植株末梢部位種子的富集能力最弱。4個品種的富集能力表現(xiàn)依次為Z3＞Z2＞ym6＞ym7，而轉(zhuǎn)運能力卻相反，表現(xiàn)依次為ym7＞ym6＞Z2＞Z3，這表明富集能力強的品種Z3將Pb從根部轉(zhuǎn)運到莖、葉、纖維再轉(zhuǎn)運到種子的能力較弱，反而富集能力相對低的品種ym7將Pb從根部轉(zhuǎn)運到莖、葉、纖維再轉(zhuǎn)運到種子的能力較強。

3 討論

植物對重金屬的耐受能力不僅表現(xiàn)在對重金屬的富集，還取決于重金屬脅迫下的植物能否正常生長。而生物量的變化量是衡量植物生長狀況以及適宜性的一個重要指標［12］，能夠綜合表征植物對物質(zhì)能量的積累利用能力［13］。生物量分配是植物維持營養(yǎng)生長與生殖生長的平衡，對外界環(huán)境適應策略的綜合體現(xiàn)［14］，在重金屬濃度不變的情況下，生物量越大，積累重金屬的量也越大。當重金屬在植物體內(nèi)積累超過一定閾值時，植物就會受到抑制，并進一步影響植物的生長發(fā)育。本研究中，高Pb濃度（≥2000 mg/kg）脅迫下，4個工業(yè)大麻品種植株生長良好，外觀上無重金屬中毒癥狀，但生物量較對照均有所下降，3000 mg/kg的Pb脅迫濃度對4個品種生物量的影響大于2000 mg/kg的，對ym6、ym7生物量的抑制程度大于Z2、Z3的，雜交種Z2、Z3表現(xiàn)出更強的Pb耐受性。其原因可能是Pb脅迫抑制影響了ym6、ym7光合色素的合成［15］，進而影響了光合作用［16］，最終影響到生物量的積累。

由于Pb的理化性質(zhì)是屬于惰性重金屬，在植物體內(nèi)較難轉(zhuǎn)移，所以大部分的Pb通過根系吸收后積累在Pb的主要屏障根系［17］。Pb對植物生長代謝的毒性作用隨植物種類、品種、器官組織部位的不同而呈現(xiàn)出差異性，植物種類不同、部位不同對重金屬的吸收和累積能力也不同［18］。但這也與土壤背景濃度和作物種類等有關，不同的植物種類對Pb的轉(zhuǎn)移能力不同。高紅真等［19］研究表明，苧麻、胡椒木、構(gòu)樹等植物主要通過根部對Pb的固定限制其向地上部的轉(zhuǎn)運，避免過量的Pb在地上部積累，從而提高植株的Pb耐受性。何冠華等［20-23］研究認為，小麥、水稻、玉米和白菜等作物不同部位對重金屬的積累特征也存在顯著差異。本研究表明，4個工業(yè)大麻品種吸收的Pb主要固定在根部，占Pb總含量的54.57%～76.69%；地上部分的莖、葉、纖維和種子的Pb含量分別占Pb總含量的12.76%～28.01%、5.50%～17.73%、2.68%～7.60%、0.31%～0.88%。在4個品種中均表現(xiàn)為80%的Pb留在根系，進入根系的Pb只有一部分運輸?shù)降厣细髌鞴?，從而減小了重金屬對地上部光合組織和呼吸系統(tǒng)的損傷，緩解了重金屬對植物生命活動的不良影響［23］，根系對Pb的固定和截留可能是降低Pb毒害的一種適應性機制。雖然根部的Pb富集能力最強，整個植株末梢部位種子的富集能力最弱，且不同器官的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運系數(shù)也都小于1，但品種間積累能力還是存在差異，4個品種的富集能力表現(xiàn)依次為Z3＞Z2＞ym6＞ym7，而轉(zhuǎn)運能力卻相反，表現(xiàn)依次為ym7＞ym6＞Z2＞Z3，這表明富集能力強的品種Z3將Pb從根部轉(zhuǎn)運到莖、葉、纖維再轉(zhuǎn)運到種子的能力較弱，反而富集能力相對低的品種ym7將Pb從根部轉(zhuǎn)運到莖、葉、纖維再轉(zhuǎn)運到種子的能力較強，這進一步表明Z3能夠吸收大量的Pb在體內(nèi)且能忍受高濃度的Pb脅迫。富集能力和耐受能力強的品種(Z2、Z3)，主要通過根部積累Pb，而轉(zhuǎn)移到地上部的少，進而對植株地上部的生長傷害較??；富集能力和耐受能力弱的品種(ym7、ym6)，根部轉(zhuǎn)移到地上部的能力強，對植株地上部的生長發(fā)育傷害較大，進而影響到生物量的積累。依據(jù)這一研究結(jié)果應用在工業(yè)大麻修復土壤Pb污染方面，可以根據(jù)土壤中Pb污染程度選擇對應的品種加以修復利用，同時也可以對Pb富集弱的種子加以利用，對根、莖等Pb富集能力強的部位進行集中處理，以達到快速降低土壤Pb污染的目的。