苎麻品种筛选方法及苎麻修复镉污染土壤的方法

摘要

本发明公开了一种苎麻品种筛选方法及苎麻修复镉污染土壤的方法，其中苎麻品种筛选方法，是以苎麻地上部干重、株高、叶片叶绿素相对数量值和地下部干重4个性状作为营养液培养条件下苎麻品种耐镉性评价的主要指标，以耐性隶属函数平均值和苎麻地上部Cd含量为指标将苎麻品种聚类为4个不同类型，高耐低吸收型、高耐高吸收型、低耐低吸收型和低耐高吸收型。苎麻修复镉污染土壤的方法，是种植高耐低吸收型品种修复轻度镉污染土壤，种植高耐高吸收型品种修复中高度镉污染土壤。本发明利用多个指标综合评价苎麻的耐镉能力和吸收镉的能力强弱，并以此对各种苎麻品种进行分类，以指导麻农对不同镉污染程度的土壤种植不同的品种，从而有效修复镉污染土壤，同时保证苎麻产量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种苎麻品种筛选方法及苎麻修复镉污染土壤的方法。

背景技术

随着城市化进程的加快和工业的迅猛发展，农田土壤受到了多种重金属污染。1983 年，美国科学家Chaney首次提出了利用某些能够积累重金属的植物清除土壤重金属污染的设想。这一设想的提出引起了科研人员的极大兴趣，并且发现了一些植物对重金属元素具有特殊积累和降解能力，比如苎麻可能是Cd和Pb的超积累植物等，通过种植这些植物来减轻甚至除去土壤中的重金属污染，达到治理污染与修复土壤的目的。然而由于土壤受重金属污染的程度不同，而目前植物品种分类尚不能指导人们根据土壤受污染程度的不同来选择适合的品种种植，比如对于受Cd污染的土壤由于污染程度不同，人们不知道应当种植什么品种的苎麻才能适应不同程度重金属污染土壤，因此目前盲种现象比较普遍。

发明内容

本发明的目的在于提供一种苎麻品种筛选方法及苎麻修复镉污染土壤的方法，以使麻农通过有目的的种植到达有效治理土壤中的镉污染。

本发明苎麻品种筛选方法，是以苎麻地上部干重、株高、叶片叶绿素相对数量值和地下部干重4个性状作为营养液培养条件下苎麻品种耐镉性评价的主要指标，按照

分别计算地上部干重、株高、叶片叶绿素相对数量值和地下部干重耐性指数的隶属函数值，式中表示i基因型j指标的抗逆隶属函数值，X_ij表示i基因型j指标的测定值，X_jmax和X_jmin分别表示各基因型中指标的最大和最小的测定值，再根据

计算耐性隶属函数平均值，式中Xi为基因型的抗逆隶属函数均值，n为指标数；以所述耐性隶属函数平均值和苎麻地上部Cd含量为指标将苎麻品种聚类为4个不同类型，高耐低吸收型、高耐高吸收型、低耐低吸收型和低耐高吸收型。

本发明用上述方法筛选的苎麻品种进行苎麻修复镉污染土壤的方法，是种植高耐低吸收型品种修复轻度镉污染土壤，种植高耐高吸收型品种修复中高度镉污染土壤。

由于本发明利用多个指标综合评价苎麻的耐镉能力和吸收镉的能力强弱，并以此对各种苎麻品种进行分类，根据这种分类，指导麻农对不同镉污染程度的土壤种植不同的品种，从而有效对土壤中的重金属镉进行迁移，修复镉污染土壤，同时保证苎麻产量。

附图说明

图1是盆栽1-9号不同苎麻品种聚类图。

图2图3.3是大田微区1-9号不同苎麻品种聚类图。

图3-图11依次是盆栽1-9号苎麻品种不同Cd处理苎麻各器官Cd含量图。

图12是大田微区试验苎麻不同器官Cd含量图。

图13 是大田微区试验不同Cd处理下苎麻地上部Cd含量图。

具体实施方式

1.苎麻栽培品种镉耐性差异

1.1 盆栽试验

1.1.1 耐性指数

植物在逆境胁迫下的耐性强弱通常用耐性指数(TI)表示，一般耐性指数基于植物的根长或地上部高度。耐性指数越大，植物耐性就越强。耐性强弱受多种因素的影响，选择多个指标进行综合评价更为准确。因此，以株高、叶片叶绿素相对数量值、地下部干重与地上部干重相应的耐性系数综合研究苎麻品种耐性并分别按大小排名，结果见表1。

表1 不同Cd处理苎麻耐性指数(盆栽)

1.1.2 隶属函数值

植物耐性是由综合因素决定的，因此利用隶属函数对苎麻耐性指标进行综合评价，结果见表2，苎麻品种耐性强弱依次为No.9＞No.1＞No.7＞No.2＞No.8＞No.4＞No.6＞No.3＞No.5。

表2苎麻耐性指标隶属函数值(盆栽)

如图1，对隶属函数值进行聚类分析后可将9个品种分为3类：No.1和No.9为一类，可划分为高耐型；No.2、4、6、7、8为一类，可划分为中耐型；No.3、5为一类，可划分为低耐型。

1.2 大田微区

1.2.1 耐性指数

分别计算株高、茎粗、皮厚、地上部干重和原麻干重耐性指数然后按大小排名，结果见表3。

表3 不同Cd处理苎麻耐性指数(大田微区)

1.2.2 隶属函数值

表4为大田微区试验苎麻品种耐性指标的隶属函数值，各品种耐性强弱依次为

No.9＞No.1＞No.2＞No.7＞No.8＞No.6＞No.4＞No.5＞No.3。

表4 苎麻耐性指标隶属函数值(大田微区)

对5个性状的隶属函数值均值进行聚类分析，同样可将9个品种分为3类：No.1和No.9为高耐型，No.2、4、6、7、8为中耐型，No.3、5为低耐型。由此可见，营养液盆栽以株高、叶片叶绿素相对数量值、地上部和地下部生物量作为苎麻耐镉指标筛选的结果与大田结果基本一致，虽然排列不完全一样，但没有出现质的差异(如图2)。

2 苎麻各器官镉的分配

2.1盆栽试验

图3到图11反映了1-9号苎麻品种不同Cd处理苎麻各器官Cd含量，试验结果显示在0～91 mg/L Cd范围内，苎麻品种各器官Cd含量表现为增加趋势，各器官Cd含量按大小排序依次为茎皮＞根＞麻骨＞叶；当Cd处理水平上升到182 mg/L时， No.1、7、8的茎皮、叶、麻骨Cd含量反而降低，根Cd含量持续升高。其它品种各器官Cd含量继续增加。

2.2 大田微区

地上部各器官Cd含量大小顺序依次为：茎皮＞麻骨＞叶。Cd25 mg/kg处理时茎皮、麻骨和叶中Cd平均含量分别为54.55，27.37和16.57mg/kg，Cd100 mg/kg处理时茎皮、麻骨和叶中Cd平均含量分别为76.39，48.43和26.84 mg/kg，均显著高于对照茎皮、麻骨和叶中Cd平均含量12.15，6.96，6.38 mg/kg，各器官Cd含量与土壤中Cd含量呈极显著正相关，茎皮、麻骨和叶中Cd含量与土壤Cd含量的相关系数分别为0.885，0.828和0.956。方差分析表明CK和Cd25 mg/kg处理时，茎皮中Cd含量与麻骨和叶中Cd含量呈显著差异（p＜0.05），麻骨和叶中Cd含量无显著差异（p＞0.05）；Cd100mg/kg 处理时，茎皮、麻骨和叶中Cd含量呈显著差异（p＜0.05），见图12。

3 苎麻地上部镉含量与积累量

3.1 盆栽试验

为比较不同Cd处理下苎麻栽培品种对Cd吸收能力的差异，测定了各品种地上部含量及积累量，结果见表5和表6（对照未加Cd，植株中检测不到Cd，故数据未列出）。将苎麻地上部Cd含量平均值与Cd处理水平进行相关分析，结果表明两者呈显著的正相关关系，相关系数达到0.963。

四种Cd处理下苎麻地上部Cd平均含量分别为22.93，37.22，71.27和88.08mg/kg。

在23～91 mg/L Cd范围内，品种地上部Cd含量随Cd处理水平上升而增加，Cd处理水平为182 mg/L时，No.1、7、8地上部Cd含量下降，其余品种地上部Cd含量继续增加。

品种间地上部Cd含量存在显著差异，23～91mg/LCd处理下，地上部Cd含量最高的品种分别No.6、4、8，其含量分别为 29.20、46.57和95.06 mg/kg；182mg/LCd处理下，No.4、9地上部Cd含量超过100mg/kg，其中No.9地上部Cd含量高达113.71mg/kg。

表5   Cd处理苎麻地上部Cd含量(盆栽)

注：同列数值后不同字母表示在p＜0.05水平显著差异，“*”和“**”分别表示0.05水平和0.01水平显著性。

盆栽试验各处理间地上部Cd积累量存在显著差异，苎麻地上部Cd积累量随Cd处理浓度上升而增加。No.1、7、8四个品种在91mg/LCd处理下地上部Cd含量最大，从而使91mg/LCd处理下地上部Cd积累量达最大值，No.2在182mg/LCd处理下生物量显著下降，使182mg/L Cd处理下地上部Cd积累量低于91mg/LCd处理。品种间地上部Cd积累量也存在显著差异， 23～182mg/L Cd处理范围内，地上部Cd积累量最高的品种依次为No.8、No.3、 No.8和No.2，显著高于同处理下其它品种。No.8地上部平均Cd积累量显著高于其它品种。

表6 Cd处理苎麻地上部Cd积累量(盆栽)

注：同列数值后不同字母表示在p＜0.05水平显著差异，“*”和“**”分别表示0.05水平和0.01水平显著性。

3.2 大田微区

苎麻地上部Cd含量随着土壤Cd升高显著增加（p＜0.05），对照和两个Cd水平处理下苎麻地上部Cd平均含量分别为7.75，28.19和45.11 mg/kg。CK、Cd25 mg/kg和Cd100 mg/kg处理下最大品种间差异分别达到1.65、2.04和1.62倍。CK地上部Cd含量最高的品种是No.8，显著高于其他品种（p＜0.05），Cd25 mg/kg处理下地上部Cd含量最高的品种是No.5，显著高于其他品种（p＜0.05）；Cd100 mg/kg处理下地上部Cd含量最高的品种是No.4，显著高于其他品种（p＜0.05）。

苎麻地上部Cd积累量见表7。苎麻一年可收获3次，对照和两个Cd水平处理下地上部Cd积累量平均值分别为0.18，0.50，0.56kg/hm²·a。CK地上部Cd积累量最高的为No.8；Cd25mg/kg和Cd 100mg/kg时，No.2地上部Cd积累量最高。苎麻地上部Cd积累量随土壤Cd升高呈增加趋势，但No.1、8在Cd100mg/kg处理时的积累量反而低于Cd25mg/kg处理。积累量高的品种需具备较强的吸收能力，干物质量大。结果表明，中苎1号在轻微Cd污染土壤上积累能力强，富顺青麻在中高度Cd污染土壤上的积累能力强。根据修复年限公式t=-(ln M/M_初始)/K计算^[109]，假设清洁标准为0.6 mg/kg，在Cd浓度1.65 mg/kg的土壤上种植中苎1号，需8年可以使土壤恢复到清洁标准，在Cd浓度25 mg/kg和100mg/kg的土壤上种植富顺青麻，分别需92年和395年可以使土壤恢复到清洁标准。如果考虑到自然因素和耕作过程导致Cd向下迁移，实际清洁时间还会减少。

表7 不同Cd处理下苎麻地上部Cd年积累量(大田微区)

注：同列数值后不同字母表示在p＜0.05水平显著差异

4. 苎麻对镉的富集和迁移特性

4.1 盆栽试验

富集系数和转运系数分别反映植物吸收重金属能力和植物将重金属从地下部运往地上部分的能力，富集系数越大说明植物吸收重金属能力越强，转运系数越大说明植物根系运送重金属能力越强。随着Cd处理水平上升，苎麻富集系数呈下降趋势(表8)，23mg/LCd处理时，除No.1、7、9外其余品种的富集系数均大于1，46mg/LCd处理时，只有No.4、8富集系数大于1；91mg/LCd处理时，只有No.8富集系数大于1；当Cd处理水平上升到182 mg/L时，所有品种富集系数小于1，最低至0.37。

表8 Cd处理苎麻富集系数(盆栽)

从表9中看出，23～91mg/LCd范围时，转运系数均大于1，说明该范围内根系转运Cd能力较强，Cd处理水平上升到182mg/L时，转运系数有不同程度下降，说明182mg/LCd对根系生长有抑制作用，使得根系吸收的Cd不能主动向地上部转运，Cd被大量滞留在根部。转运系数表现出两种特性，第一种特性是Cd浓度23mg/L时，转运系数达最大值，之后再下降；第二种特性是Cd浓度46～91mg/LCd时，转运系数达最大值，之后再下降。

表9  Cd处理苎麻转运系数(盆栽)

4.2 大田微区

富集系数即反映了植物吸收重金属的能力大小，也反映了土壤-植物系统中元素迁移的难易程度。由表10可知，富集系数随Cd处理浓度升高而降低。同种Cd处理下，苎麻富集能力存在品种间差异。对照时9个品种地上部富集系数均大于1，最大值为No.8的6.12；Cd25mg/kg处理时，苎麻富集系数小于对照，但除No.9外其余8个品种的富集系数都大于1，最大值为No.5的1.83；Cd处理浓度上升到100mg/kg时，各品种富集系数均降至1以下。

表 10  Cd处理苎麻富集系数(大田微区)

5. 苎麻镉耐性与地上部镉含量的聚类分析

以苎麻在不同Cd处理下的地上部Cd含量均值和耐性隶属函数值为指标，应用聚类法将9个品种可以分为4个不同类型，第一类为高耐低吸收型，No.1、7属于这一类，耐性很强，但Cd富集能力较弱；第二类为高耐高吸收型，No.2、4、6、8、9属于这一类，同时具有较强的耐性和富集能力；第三类为低耐低吸收型， No.3属于这一类，耐性较弱，富集能力弱于其它品种；第四类为低耐高吸收型，即No.5，耐性较弱，但具有较强的Cd富集能力。见表11

表 11  苎麻地上部Cd含量与Cd耐性聚类分析

苎麻镉吸收特征

重金属富集植物中茎叶部重金属含量通常高于根部, 苎麻的转运系数较高，说明苎麻不仅是一种Cd耐性植物，还是一种Cd富集植物，可以通过不断收获地上部从土壤中带走Cd。根吸收的Cd²⁺主要是由于植物的蒸腾作用和呼吸作用通过木质部向地上部移动，在一些Cd富集植物如印度芥菜，大部分Cd与植物螯合态结合，以有机结合态的形式存在。苎麻体内Cd的存在形式有待进一步研究。

正常植物 Cd 含量一般在0.2～0.8 mg/kg(干重)，因植物种类而异，超过100mg/kg被定义为Cd超富集植物。本试验中苎麻地上部Cd含量超过一般植物体内的Cd含量，在低浓度Cd处理时的地上部Cd富集系数基本都大于1。盆栽试验中Cd182mg/L处理下，No.4、9地上部含量达到Cd超富集植物的标准。苎麻地上部Cd含量随Cd处理水平上升而增加，但No.1、7、8地上部Cd含量在91mg/L达最大值，原因可能是这三个品种在Cd处理水平91 mg/L 以下，苎麻根系的呼吸作用和叶片的蒸腾作用有所上升，根系吸收的Cd 主动向地上部转运，从而导致叶片和茎皮Cd 含量增加；当Cd处理水平上升到182mg/L 时，根系的呼吸作用和叶片的蒸腾作用受Cd胁迫抑制，转运能力减弱，从而使叶片和茎皮Cd含量减少。生长在自然状态下的植物体内重金属含量取决于植物本身的积累能力和土壤中重金属的有效性。营养液栽培与土壤中植物体内重金属含量会存在差异，其原因可能有以下几方面：营养液和土壤中pH值存在差异；土壤中和营养液中有效态重金属含量不同；土壤中存在其他重金属，对植物吸收起抑制或促进作用。

7. 苎麻镉积累特征

苎麻生物量大，对Cd有较强的吸收能力，因此地上部的积累量比较可观。盆栽试验和大田微区试验表明苎麻地上部Cd积累量随Cd处理浓度上升而增加，但在高浓度Cd处理下No.1、8等品种地上部Cd含量达到饱和开始下降，同时生物量下降幅度大，使得此时地上部Cd积累量下降。适合修复利用的苎麻品种需兼具高含量和高生物量，综合比较发现在轻微Cd污染土壤上种植No.8，中高度Cd污染土壤上种植No.2具有较高的经济价值和生态效益。土壤Cd浓度为1.65mg/kg时，种植No.8全年每公顷可产原麻2300kg的同时能从土壤中带走Cd 0.25kg/hm²，土壤Cd浓度为100mg/kg时，种植No.2全年每公顷可产原麻1900kg以上，纤维品质较好，同时可以吸附Cd0.97kg/hm²。

8. 苎麻镉耐性与富集能力的关系

从上述实验结果发现苎麻耐性和富集能力并不是一一对应的，因此根据苎麻Cd耐性和富集能力的关系将苎麻品种分为四中类型：高耐低吸收型、高耐高吸收型、低耐低吸收型和低耐高吸收型。在生产实际中，种植高耐低吸收型品种主要是利用重金属污染土壤，种植高耐高吸收型品种用作重金属污染土壤生态修复，具有重要的实际应用价值。