乙烯利与叶面肥混施对苎麻镉富集和纤维产量及细度的影响

2022-07-14何思彭文仙何也君张晓洋霍颖怡罗金凤邢虎成

中国麻业科学 2022年3期

何思，彭文仙，何也君，张晓洋，霍颖怡，罗金凤，邢虎成，2*

（1.湖南农业大学苎麻研究所，湖南长沙 410128；2.湖南省草类作物种质创新与利用工程技术研究中心，湖南长沙 410128）

全国土壤污染状况调查公报显示，全国土壤总的点位超标率为16.1%，其中镉污染物点位超标率最多，为7.0%[1]。湖南省是全国土壤镉污染最严重的省份之一[2]，占全省总耕地面积的23.70%[3]。相比其他土壤重金属污染治理技术，植物修复技术成本低、效果好、适用于各种土壤类型，还可以利用修复土壤的植物创造一定的经济效益，是一种非常有前途的土壤重金属治理技术[4]。苎麻（Boehmeria nevia L.）相比大多数植物具有更大的耐镉、吸镉潜力[1-4]，是一种较好的修复中重度镉污染土壤的纤维作物。因其地上部镉积累量较为可观[5-6]，常被用作修复镉及镉与其他重金属复合污染土壤的作物[7]。为了提高修复效率，需要提高苎麻从地下部向地上部转运镉的能力，从而提高苎麻地上部镉的富集量，进而缩短土壤修复年限。

ETH是一种重要的植物激素，可以促进果实成熟、叶片衰老、诱导产生根毛和不定根等[8]。有研究[6]发现，Cd胁迫下较低浓度的ETH能增加拟南芥幼苗体内的Cd含量，但浓度较高时则降低拟南芥幼苗体内的Cd含量，对Cd转运系数来讲，ETH降低了拟南芥幼苗的Cd转运系数[5]；外源ETH处理，可降低Cd胁迫下马齿苋叶片与根中的Cd含量。也有研究[7]表明，外源ETH可以增加籽粒苋叶片和茎的镉富集量，提高转运系数。因此，ETH对不同物种富集转运镉的影响不同。磷酸二氢钾经常被作为重金属的钝化剂直接在土壤中使用，以降低植物吸附重金属的量[9]。研究[9]表明，叶面施用磷酸二氢钾可以提高高羊茅叶片中的镉含量。盆栽土壤施用硝酸钾可以大大降低油菜、小白菜、水稻体内镉含量和积累量[10]，但未见硝酸钾做叶面肥施用对植物富集镉的影响方面的报道，也未见ETH和磷酸二氢钾及硝酸钾混合使用影响植物富集镉的报道。

本试验以苎麻171品种为材料，探讨ETH与KH2PO4、KNO3复配液对苎麻富集镉、转运镉的影响，同时探讨其对苎麻产量和纤维细度的影响，以期获得改善苎麻地上部镉富集能力的ETH与KH2PO4、KNO3复配液的施用方法，减少苎麻修复中重度镉污染土壤的年限，同时使得苎麻有较好的产量和品质，产生较高的经济效益。

1 材料与方法

1.1 植物材料

苎麻种质171，由湖南农业大学苎麻研究所提供。

1.2 试验区概况

试验区位于湖南省浏阳市永和镇，年降水约为1370 mm，年平均日照数为1610.5 h，无霜期约为270～300 d。试验田土壤镉含量在3.0～16.0 mg／kg，平均土壤镉含量为9.99 mg／kg，属于替代种植区，土壤有机质含量 1.31%，全氮含量 0.11%，有效磷含量 27.20 mg／kg，有效钾含量135.20 mg／kg，pH值 6.5左右。

1.3 处理药剂

使用的药剂溶液处理组合见下表1。

表1 处理方案Table 1 Treatments of the experiment

1.4 试验设计

2017年7 月将苎麻扦插苗移栽入替代种植区农田，2017年10月破秆（第一次砍麻）。2018年1月冬培，2018年6月、8月和10月收获3次苎麻并砍秆，2018年12月第二次冬培。2019年4月开始喷施，药品现配现用，在晴天阳光不强烈的早上，用手压式小喷壶将配制好的药品喷施在苎麻植株叶片正面与背面。每药剂处理为一个小区（2 m×6 m），每个小区6蔸麻，3次重复，共30个小区，总面积360m2，随机排列。每15 d喷施一次，共喷施5次，第一次喷施日期为4月19，第二次喷施5月5号，第三次喷施5月21号，第四次喷施6月8号，第五次喷施6月24号，于6月底7月初对苎麻171材料进行收获检测。

1.5 测定项目及方法

苎麻收获时，测定其农艺性状（株高、茎粗、皮厚、有效株、无效株、鲜皮重、干麻重），计算鲜皮出麻率（鲜皮出麻率＝干麻重／鲜皮重×100%）。每小区每蔸取2株地上部分，共收取12株混样成一个处理小区的地上部分样品；挖取每蔸地下部分的1／6混样成一个处理小区的地下部分样品；同时取每蔸苎麻的根际土混合成一个处理小区的土壤样品。共取得苎麻地上部样品30个，地下部样品30个，土壤样品30个。所有样品105℃杀青，65℃烘干，粉碎，用硝酸—高氯酸法消化，采用原子吸收分光光度法[11]（SOLAAR M6型）检测镉含量。计算方法如下：

纤维支数检测采用刘泽航[12]的方法进行。

1.6 数据分析

采用Excel整理农艺性状统计数据，采用SPSS进行方差分析。采用综合性状的隶属函数评价法，以相关分析和主成分分析获得的指标进行隶属函数评价[13]。

2 结果与分析

2.1 ETH与KH2 PO4、KNO3复配液对苎麻镉含量、镉富集和转运的影响

从ETH与KH2PO4、KNO3复配液对苎麻地上部镉含量的影响来看（图1（A）），单独施用ETH可以显著提高苎麻地上部镉含量，随着ETH浓度的提高，苎麻地上部镉含量也随之提高，当ETH浓度为200 mg／L时（T3），苎麻地上部镉含量达到最大，达9.73 mg／kg。而喷施ETH和KH2PO4、KNO3复配液会使苎麻地上部镉含量降低，不同浓度的乙烯利和不同浓度的KH2PO4、KNO3复配效果不同。随着ETH与KH2PO4复配液浓度的升高，苎麻地上部镉含量呈现出先降低，再升高的趋势，100 mg／L ETH和0.4%KH2PO4复配（T5）施用会显著降低苎麻地上部镉含量，其地上部镉含量仅约为对照的50%。苎麻地上部镉含量随着ETH与KNO3复配液浓度的升高而升高，但3个浓度组合处理的地上部镉含量与CK无显著性差异。因此就地上部镉含量来说，单独使用乙烯利可以提高苎麻地上部镉含量，且地上部镉含量随着乙烯利施用浓度的升高而升高，但是乙烯利与叶面肥KH2PO4、KNO3复配则会降低苎麻地上部镉含量。

图1 ETH与KH2 PO4、KNO3复配下苎麻各部位镉含量及富集系数和转运系数Fig.1 The cadmium content，enrichment coefficient and transport coefficient of ramie under the compound of ETH，KH2 PO4 and KNO3

从ETH与KH2PO4、KNO3复配液对苎麻地下部镉含量的影响来看（图1（B）），苎麻地下部镉含量与地上部镉含量（图1（A））规律正好相反。与对照相比，单独施用100 mg／L ETH（T2）、200 mg／LETH（T3）及复配组合 50 mg／L ETH＋0.2%KH2PO4（T4）和 100 mg／L ETH＋0.4%KH2PO4（T5）会显著降低苎麻地下部镉含量，而其他处理对苎麻地下部镉含量的影响则无显著性差异。

富集系数是评价植物吸收积累重金属能力的一个重要指标，通常系数越大，说明该植物富集效率越高。富集系数是采用苎麻地上部镉含量与地下部土壤中镉含量的比值，本试验对每一处理的植株土壤均进行了镉含量的测定。结果表明，所有处理地下部对镉的富集系数基本大于1（图1（D）），地上部单独施用乙烯利可以显著提高苎麻的富集系数，100 mg／L ETH处理（T2）地上部富集系数最高，达到2.41（图1（C）），地下部富集系数也达到了2.3（图1（D））。ETH与 KH2PO4、KNO3复配处理，苎麻地下部富集系数显著高于其地上部富集系数。地上部富集系数高有利于植物更快地吸附土壤重金属，对苎麻这种多年生宿根性作物来说，提高地上部的富集系数是修复污染土壤的关键。

植物地上部重金属含量与地下部重金属含量之比即转运系数，表示植物对重金属的向上转运能力，其能反映出重金属在植物体内的运输和分配情况。图1（E）中不同处理对镉的转运系数平均为0.66，其中T2、T3处理对镉的转运系数大于1.00，分别为1.07和1.45，显著高于对照，同时显著高于ETH与KH2PO4、KNO3复配处理组合。ETH与KH2PO4或KNO3复配处理会降低苎麻镉转运系数，或与CK无显著差异，或显著低于对照。

2.2 ETH与KH2 PO4、KNO3复配液对苎麻地上部镉积累量及提取效率的影响

苎麻是多年生宿根性草本植物，宿根年限可达10～30年，每年可收获地上部3次，且苎麻根系庞大，根群深度可达200 cm左右，若采用收获地下麻蔸的方式修复土壤既不经济也不现实，因此主要考虑地上部的提取效果。从地上部积累量来看（表2），对照的单蔸地上部镉年积累量为3.47 mg，显著低于ETH处理。单独ETH处理，地上部积累量随着浓度的升高呈现先降低后升高的趋势。地上部镉积累量与苎麻地上部生物量和植株地上部镉含量有关，生物量高可以积累更多的重金属；喷施ETH浓度越高，对生物量的抑制越强。本试验中200mg／LETH处理显著降低了地上部生物量（表2），但显著增加了地上部镉的含量（图1（A））、地上部富集系数（图1（C））和转运系数（图1（E）），从而提高了其地上部镉的积累量，最终提高了其地上部的提取效率。按照修复范围为20 cm耕层来计算，其地上部镉年提取效率以T2（100mg／L ETH）处理最高，为2.55%；而ETH与KH2PO4、KNO3复配处理则会显著降低苎麻对镉的年提取效率。从地上部年提取镉量来看，对照地上部年提取量在135.20 g／hm2，ETH处理可以显著提高地上部镉提取量，而ETH与KH2PO4、KNO3复配处理则会显著降低地上部镉提取量。

表2 苎麻地上部镉积累量及提取效率Table 2 The accumulation and extraction efficiency of cadmium in the above ground of ramie

续表2

2.3 ETH与KH2 PO4、KNO3复配液对苎麻农艺性状和纤维支数的影响

ETH及ETH与KH2PO4、KNO3复配液对苎麻171品种的农艺性状及品质有显著影响。单独使用ETH会降低植株高度、减少茎粗，降低单蔸原麻重，ETH与KH2PO4、KNO3复配处理也不能增加株高、茎粗和单蔸原麻产量。纤维支数体现纤维品质，纤维支数越高品质越好，ETH与KH2PO4、KNO3复配会增加纤维支数。

表3 ETH与KH2 PO4、KNO3复配对苎麻农艺性状和纤维细度的影响Table 3 Effects of ETH，KH2 PO4 and KNO3 on the agronomic characteristics and fiber fineness of ramie

2.4 综合隶属函数法评价

隶属函数分析法是运用模糊数学的原理，对各处理性状进行鉴定评价的一种科学方法。首先根据皮尔森相关性分析发现，16个指标中，株高（PH）、茎粗（SD）、地上部生物量（BA）之间呈显著正相关；地上部镉年积累量（ACAA）、地上部年提取效率（AEEA）、地上部年提取镉量（AECA）、地上部镉含量（CdCA）、转运系数（TFCd）、地上部富集系数（BCFA）呈显著性正相关。这些指标反映了各处理水平下苎麻的产量、镉富集转运及镉积累能力等强弱。

图2 镉富集与处理之间的相关性分析热图Fig.2 Correlation analysis heat map between cadmium enrichment and treatments

主成分分析[14-16]发现，特征值大于1的有5个主因子，累加贡献率达91.03%，所包含的信息量基本能反映出16个评价指标的绝大部分信息。由表4可知，5个主成分可以解释为株高、茎粗、皮厚、单蔸原麻重、地上部镉年积累量、地上部富集系数、镉转运系数、地上部年提取效率、纤维支数等指标，反映了ETH与KH2PO4、KNO3复配液对各指标苎麻产量、纤维细度及镉富集能力的影响。

表4 处理之间的主成分分析Table 4 Principal component analysis between cadmium enrichment and treatments

根据主成分分析结果，综合考虑株高、茎粗、皮厚、单蔸原麻重、地上部镉年积累量、地上部富集系数、镉转运系数、地上部年提取效率、纤维支数这9个指标，采用隶属函数的方法进行打分排名，结果表明：ETH单独施用效果最好，排序为T2＞T3＞T1。喷清水处理（CK）排名第四，ETH与KH2PO4、KNO3复配排名低于对照。

表5 镉富集与处理之间的隶属函数分析Table 5 Analysis of membership function between cadmium enrichment and treatments

3 讨论

Cd是植物非必需元素，Cd进入植物并积累到一定程度，就会表现出毒害症状，通常会出现生长迟缓、植株矮小、退绿、产量下降等症状[17-18]，进而影响生物产量。苎麻本身具备良好转运条件，因苎麻地上部生物量大，远超出其根量，可以将大量的地下部重金属转移至地上部[19-22]。转运系数为植物地上部重金属含量与其地下部重金属含量的比值，系数大小与转运能力呈正比，转运能力越强对重金属的修复能力就越强[23]。朱守晶等[24]对7个苎麻品种进行测定，发现地上部镉含量为 9.07～19.89 mg／kg，地上部镉富集系数为1.74～3.44，镉转运系数为0.62～1.11，土壤背景值为镉总量 5.54 mg／kg；张英等[25]对 269份苎麻种质进行研究发现，地上部镉含量为1.14～4.82 mg／kg；刘冲等[26]对某汞矿区周边的汞、镉复合污染农田土壤的苎麻样品进行研究发现，苎麻镉转运系数范围为0.055～16.175；佘玮等[27]对矿区苎麻进行调查发现，苎麻镉转运系数为0.69～3.00。本试验中土壤镉背景值为7.19 mg／kg，苎麻品种 171的地上部镉含量最高为9.73 mg／kg，地上部富集系数最高为2.41，转运系数最高为1.45，与前述研究结果存在显著差异，这可能与品种差异和土壤背景值有一定关系。

如何消除土壤中的重金属污染物已经成为国际性难题，而植物修复是一种绿色廉价、被人们广泛认可的修复治理措施[28-29]。提高植物修复效果的有效植物调节剂包括乙烯利、赤霉素、亚精胺和水杨酸等[30]。本次镉污染大田试验中，对苎麻171品种不同处理间进行比较，发现农艺性状、纤维细度和纤维产量较对照存在显著差异，这验证了不同浓度ETH与KH2PO4、KNO3复配对苎麻农艺性状与纤维细度的影响；各浓度ETH处理和ETH与KH2PO4、KNO3复配处理均可增加苎麻纤维支数，这与欧阳雁飞[31]的试验结果一致，王亮等[32]的试验结果也进一步验证了这一点，一定浓度的乙烯利可以增加苎麻纤维支数。白玉超等[33]结果表明，苎麻喷施叶面肥能提高原麻产量和生物产量，株高、茎粗、皮厚等产量因素有所提高。对比研究结果，ETH与KH2PO4、KNO3复配较对照显著提高纤维细度和纤维产量。

苎麻对重金属镉污染土壤修复具有明显的效果，其对镉的耐受力为200～900 mg／kg。镉浓度≤100 mg／kg时其转运能力较强，植株富集系数均大于1，是较好的超富集植物[34-38]。而作为超富集作物，苎麻品种171在ETH（100 ppm）处理下地上部对镉的年提取效率达到了2.55%，高于同等污染程度下的镉超富集植物烟草（1%）和遏蓝菜（0.6%）的提取效率[39]，而理论上种植苎麻品种171，通过喷施ETH（100 ppm）所需的修复年限最短，为92年左右。这说明在镉污染大田中种植苎麻种质171，通过喷施ETH（100 ppm）不仅可以获得可观的经济收益，而且土壤治理效果良好。

通过隶属函数计算，最佳处理是ETH（100 ppm），3个单独ETH处理中转运系数和纤维支数随浓度升高而提高，而株高和生物量等指标则与之成反比，其中的特征机理还有待进一步研究。