摘 要: 苎麻根系发达、生物量大、耐不良环境能力强，在重金属污染土壤修复方面具有重要作用。在介绍重金属对苎麻生长影响的基础上，分析了重金属在苎麻中的富集特征及其对苎麻生理特性的影响，并提出了苎麻栽培中重金属调控措施，包括物理调控、化学调控、生物调控和栽培调控，以期为苎麻用于重金属污染土壤生态修复提供参考。
关键词:苎麻；重金属；生理特性；调控措施；研究进展
土壤重金属污染是指汞、镉、铅、铬、锑及类金属砷等的含量超过背景值。重金属通常难以被生物降解，易被植物成倍富集，并通过食物链对人类健康造成严重影响。重金属在人体内累积后能与蛋白质、酶等发生相互作用，导致其活性减弱或消失，也能在人体某些器官中富集造成慢性中毒[1]。据统计，我国的耕地污染比较严重，土壤污染造成我国粮食每年减产逾1000万t，且有逾1200万t粮食存在重金属污染，经济损失约200亿元。苎麻多用途研究被广泛报道，其作为特色经济作物，是生产纤维的原材料，更是一种优质的饲料作物[2-4]。有研究表明，苎麻对一些重金属有着吸附和转移作用，因而对多种重金属污染具有很强的耐受性和富集能力[5-9]，在重金属污染土壤栽培具有一定的生态修复效果[10]。近年来，还从苎麻叶中提取了很多抗病毒和抗肿瘤物质[11-12]。
1 重金属对苎麻生长的影响及其在苎麻中的富集特征
1.1 重金属对苎麻生长的影响
重金属是苎麻生长非必需元素，过量吸收通常会抑制植株生长，进而对产量和品质造成严重影响。佘玮等[13]通过盆栽试验探索了不同镉浓度对9个苎麻品种吸收积累重金属镉的影响，结果发现，在23~46mg/L镉质量浓度范围内，随着镉质量浓度的增加，富顺青麻、小鲁班、湘苎3号、湘苎2号、大红皮2号和中苎1号6个苎麻品种的株高会显著变矮，而宜春红心麻、石阡竹根麻和川苎1号3个苎麻品种的株高较对照有所增高；在182mg/L镉处理下，各苎麻品种株高较对照显著下降，株高降幅达7.43%~26.92%。这说明不同苎麻品种对镉耐受性不同，但是高浓度的镉胁迫一定会抑制苎麻生长发育。还有研究发现，石阡竹根麻、宜春红心麻和川苎1号3个苎麻品种在低镉浓度处理中生物量高于对照，但其他6个品种表现随镉浓度增加而显著减少，且浓度越高，其减少的地上部生物量越大。另有研究指出，镉含量低于100mg/kg会一定程度促进苎麻株高、茎粗、有效分蘖数和生物量升高，而当镉含量高于100mg/kg时，则会对植株造成抑制效应，当镉含量增加到500mg/kg时，植株生长指标达最低值，表现为随镉含量增加，其抑制效应越明显[14]。龙育堂等[15]在研究苎麻对汞污染的影响时发现，土壤中汞含量低于130mg/kg时没有造成原麻产量减少，当汞含量增加到260mg/kg时产量降低了23.5%，与对照的差异达到显著水平，而苎麻的纤维支数在汞含量0~130mg/kg时没有明显差异，但当汞含量增加到230mg/kg时，纤维支数较对照提高了11.65%。唐贵才等[16]研究认为，当汞含量低于200mg/kg时对苎麻的根、茎和叶干重没有显著影响，但苎麻的根、茎和叶中的汞离子都随着汞含量的增加而增大。大量研究表明，砷和镉对植物的吸收存在着互作效应[17-19]。赵丹博等[20]研究指出，在重金属镉和砷复合污染土壤处理下，随着砷浓度的升高，苎麻的株高、茎粗、根茎叶干重都表现为显著降低，且添加一定浓度的砷还能促进苎麻植株对镉的吸收和积累。
黄闺等[21]在研究铅胁迫对苎麻的影响中发现，苎麻的株高和茎粗在低浓度铅（≤800mg/kg）处理下有不同程度的增加，而在高于此浓度时表现随浓度的增加而减少，苎麻的有效分蘖数表现随铅浓度的增加而逐渐减少。刘金等[22]研究认为，在铅镉复合污染中，施用固化剂有利于提高苎麻对铅的吸收，施用膨润土和沸石粉对苎麻地上部干物重影响不明显，但能促进苎麻地下部干物重增加，高浓度沸石粉处理可增加根部干物重最高达27.1%。
1.2 重金属在苎麻中的富集特征
有研究表明，在贵州铜仁某汞矿区内，汞在苎麻根、秆、皮和叶中的含量分别为58.02~136.97?60.6~560.45?113.26~3860.51?446.1~1686.3μg/kg，镉在苎麻根、秆、皮和叶中的含量分别为10.1~1527.8?7.17~1203.63?11.57~1838.14?77.12~842.41μg/kg，韧皮和叶中的汞含量明显高于根部，而在苎麻根部、麻秆、麻皮及麻叶中镉分布较均匀，苎麻地上部对汞的富集系数和转运系数分别为0.017~4.826?0.583~22.595，苎麻地下部对镉的富集系数和转运系数分别为0.011~3.725?0.055~16.175[23]。在对砷污染的品种比较试验中发现，苎麻地上部分砷含量为63.8mg/kg，对砷的吸收积累能力不及蜈蚣草和香根草，但它的生长发育较好，生物量最高，表明苎麻对重金属砷具有较强的耐受性[24-25]。Rehman等[26]研究重金属铜对苎麻生长的影响及苎麻植株体内铜吸收富集效果，结果发现，苎麻能耐受100mg/kg的铜胁迫而不降低其生物量，铜的累积部位根(26~53mg/kg)>叶(23~28mg/kg)>茎(14~21mg/kg)，苎麻对重金属铜的富集系数和转运系数都小于1，说明苎麻不是铜的超富集植物，但对于铜污染具有一定的吸收积累作用。在湖南省冷水江锑矿区的调查中发现，苎麻对铅和锑的富集指数都小于1，但是转运系数分别达3.01、4.51，可见苎麻对于重金属铅和锑的耐受能力和转运能力较强[27]。综上所述，苎麻对重金属汞、镉、砷、铜、铅、锑都有一定的富集和转运作用，属于镉的超富集植物。
2 重金属对苎麻生理特性的影响
2.1 对苎麻光合作用的影响
光合作用是植物制造有机物的重要途径，而重金属会对植物细胞膜的结构和功能造成影响，从而使其光合作用受阻[28]。大量研究表明，镉能破坏植物叶绿体结构，抑制叶绿素的合成[29-31]。李雪玲等[32]对3个苎麻品种(中苎1号?华苎5号和川苎8号)进行不同镉质量浓度下的叶绿素含量测量发现，低质量浓度(5mg/L)镉对中苎1号SPAD值有明显的促进作用，而高于50mg/L镉胁迫对SPAD值有明显的抑制效应，且高质量浓度的镉胁迫会降低其气孔导度和蒸腾速率，间接抑制苎麻光合作用。苎麻在长时间镉胁迫下各项气体交换参数也呈减少趋势[33]。有研究认为，铜含量从200mg/kg增长到400mg/kg时，苎麻体内的叶绿素含量会显著降低，且铜胁迫会使苎麻的净光合速率、蒸腾作用和气孔导度下降[26]。Chai等[34]研究发现：苎麻的SPAD值随锑质量浓度的增加呈现出先增后降的趋势；除了锑质量浓度为20mg/L时外，光合速率并无显著变化。
2.2 对苎麻抗氧化酶活性的影响
有研究表明,苎麻体内的超氧化物歧化酶(SOD)活性会随着镉胁迫浓度的增加出现先升后降的现象,这可能是SOD受活性氧自由基诱导导致活性增高,但达到SOD阈值后会破坏其结构和功能,进而引起SOD活性下降[35]。在长时间的镉胁迫下,苎麻根系的过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性降低,但叶片中的POD活性和CAT活性会先升高再降低[36],这可能是因为根是吸收和接触镉离子的部位,受到镉离子的毒害作用而使酶的活性降低,而镉离子要经过长时间的运输才能到达叶片,叶片中的低浓度镉离子反而使酶的活性增加,但长时间的镉离子积累也会造成酶结构和功能的破坏,导致其活性降低。另有研究发现,苎麻体内的SOD?POD和CAT活性会随着锑胁迫浓度的增加而受到抑制[26]。周建刚等[37]研究认为,在铅胁迫下,苎麻的SOD?POD和CAT活性先缓慢增加,随着胁迫时间的增加开始急剧下降,表明苎麻对于铅胁迫可以通过调节自身的酶活性来抵御不利环境,但是长时间的胁迫还是会抑制其活性,产生重金属的毒害作用。
3 苎麻栽培中重金属调控措施
3.1 物理调控
物理调控是重金属污染土壤修复的有效措施之一。土壤重金属污染物理调控修复中较常见的方法是将干净客土和污染土壤按一定比例混合，达到降低污染土壤中重金属含量的目的。该方法多用于重度污染土壤修复工程，应用于农田则成本过大。还有一种修复调控方法是深耕翻土，即采用机械深耕的方式翻动上下土层，从而降低上层土壤的重金属含量，该方法一般用于污染较轻的土壤修复。
3.2 化学调控
化学处理是降低土壤中重金属含量的主要措施。赵述华等[24]用添加不同稳定剂组合(粉煤灰?干化污泥?粉碎花生壳?Fe2SO4?KH2PO4)处理砷污染土壤，结果表明，其能在一定程度上增加植物对砷的累积，其中同时添加粉煤灰、干化污泥、粉碎花生壳、Fe2SO4、KH2PO4的处理使蜈蚣草、香根草和苎麻地上部分对砷的累积量都达到最大值。有研究表明，茶皂素0.1~2.5mmol/L浓度处理时能促进苎麻植株内镉的转移，转运系数表现随浓度升高而增加的趋势，当处理浓度达最高(2.5mmol/L)时，苎麻各器官对镉的富集系数和转运系数都达最高值。龚小敏等[38]研究外源添加钙处理对苎麻镉胁迫的影响时发现，1mmol/L钙浓度处理会造成苎麻茎叶中的镉含量显著增加，而5mmol/L钙浓度处理则能一定程度缓解镉对苎麻生长的毒害，能促进苎麻生物量和叶绿素含量增加，降低体内丙二醛和过氧化氢的含量。樊扬帆等[39]研究柠檬酸(CA)和氮三乙酸(NTA)2种生长调节剂不同浓度处理对铅镉复合污染下苎麻生长的影响发现，2种生长调节剂对苎麻生长及重金属影响存在差异，2种调节剂都能促进苎麻植株生长，增加苎麻体内铅镉累积量，CA能显著促进苎麻株高的增加及植株体内镉的吸收和转移，NTA则对苎麻体内铅的吸收和转移有显著促进效应，且对重金属镉污染土壤有一定的修复作用。Okkenhaug等[40]研究同样表明，柠檬酸可以有效地从土壤中萃取锑，降低土壤中锑的含量。刘金等[41]研究表明，施用螯合剂乙二胺二琥珀酸（EDDS）和乙二胺四乙酸（EDTA）虽然会减少苎麻的生物量，但能显著增加苎麻积累铅和镉的能力，提升苎麻对重金属污染的修复能力。另有研究表明，锌和铁的缺失会增加苎麻对镉的吸收，锌和铁会抑制苎麻对镉的转运作用[42]。孟桂元等[43]对镉铅复合污染土壤施加有机肥、石灰和海泡石3种改良剂发现，3种改良剂及其组合都会增加苎麻的生物量，促进其光合作用，减少苎麻对镉和铅的积累，增加苎麻的转运系数。刘云国等[44]研究表明，在叶面喷施外源精胺能够增强苎麻根的抗镉性，在营养液中加入精胺和叶面喷施都能缓解叶片的镉毒害作用，其原理是精胺能促使苎麻植株体内的叶绿素、类胡萝卜素和可溶性蛋白质含量明显增高，降低膜脂过氧化产物丙二醛的含量，从而使苎麻对重金属镉的耐受性显著增强。
3.3 生物调控
周民等[45]研究表明，在复合重金属(铜?锌?砷?镉?锑)胁迫条件下，丛枝菌根真菌能够与苎麻形成良好共生关系，显著提升苎麻茎叶对磷的吸收，增加苎麻生物量，提高苎麻植株体内SOD?CAT?POD的活性，同时增强苎麻对重金属吸收与分配的调控。刘钊钊等[46]研究蚯蚓活动对苎麻修复重金属汞污染土壤效果后发现，在2、10mg/kg汞污染土壤中添加蚯蚓处理，能促进苎麻地上部对汞的吸收积累能力显著升高，最大增幅分别为59.34%?33.69%，同时也发现，接种蚯蚓能明显增加苎麻的富集系数，最大分别为0.340、0.160，但对转运系数影响较小。此外，苎麻对汞的富集速率在生长前期和后期较慢，在生长中期较快。
3.4 栽培调控
刘小平等[47]研究发现，苎麻和小白菜间作能够明显提高土壤中酸溶态汞的含量，降低残渣态汞的含量，从而提高麻叶和麻皮中汞的含量，降低小白菜体内汞的含量，可能是作物根际分泌物改变了根际的微环境，进而改变了土壤中汞的赋存形态。另有研究表明，苎麻与其他农作物间套作能够促进苎麻对氮元素的利用，提升土壤肥力，改善土壤营养成分和控制病虫草害[48]。卫泽斌等[49]研究表明，间套作可以减少普通作物对重金属的吸收富集，提高富集植物对土壤重金属的提取能力，促进有机污染物的降解。鲁雁伟等[50]研究表明，高密度的苎麻种植会降低苎麻的生物量，减少单株苎麻地上部对铅和砷的富集，但是小区总迁移量比正常密度的苎麻总迁移量高。
4 展望
目前，国内外对苎麻重金属的研究大多集中在铅、镉对其生长发育、生理生化和产质量的影响方面，少有重金属锑对苎麻生长、重金属富集的影响研究。未来需加大对重金属锑污染和多种重金属复合污染的研究，为苎麻有效修复重金属土壤污染找到新的高效途径。一是研究锑污染对苎麻的富集及转运能力和生理生化的影响，明确锑对苎麻的毒害作用；二是在探明苎麻品种对锑吸收差异的基础上筛选出耐锑品种和富集锑的优质品种；三是深入挖掘苎麻抗重金属的基因并探索其机制，以期利用转基因技术进行重金属污染修复；四是挖掘新的种植技术来降低土壤中重金属含量，减轻土壤中重金属对作物的毒害。
参考文献
[1] 帅俊松,王琳.浅论重金属污染对人体健康的影响及对策[J].环境与开发,2001(4):62.
[2] 朱涛涛,喻春明,王延周,等“.中苎1号”和“中苎2号”苎麻营养价值的初步评价[J].中国麻业科学,2014,36(3):113-121.
[3] 魏金涛,杨雪海,严念东,等.苎麻营养成分分析及瘤胃降解特性研究[J].草业学报,2017,26(5):197-204.
[4] 杜恩存,杨雪海,郭万正,等“.中苎1号”苎麻不同茬次的营养价值分析及在山羊中的饲喂效果研究[J].饲料工业,2019,40(23):40-45.
[5] WANG Q,REHMAN M,PENG D X,et al. Antioxidant capacity and α-glucosidase inhibitory activity of leaf extracts from ten ramie cultivars[J].Industrial Crops and Products,2018,122:430-437.
[6] 贾伟涛,吕素莲,林康祺,等.高生物量经济植物修复重金属污染土壤研究进展[J].生物工程学报,2020,36(3):416-425.
[7] 蒋先军,骆永明,赵其国.土壤重金属污染的植物提取修复技术及其应用前景[J].农业环境保护,2000,19(3):179-183.
[8] 万云兵,仇荣亮,陈志良,等.重金属污染土壤中提高植物提取修复功效的探讨[J].环境污染治理技术与设备,2002,3(4):56-59.
[9] 刘星,刘晓文,吴颖欣,等.农用地重金属污染植物提取修复技术研究进展[J].环境污染与防治,2020,42(4):507-513.
[10] 郝冬梅,邱财生,龙松华,等.麻类作物在重金属污染耕地修复中的应用研究进展[J].中国麻业科学,2019,41(1):36-41.
[11] 芮莹,徐庆,韦京辰,等.苎麻叶萃取物体外抗甲型流感病毒(H1N1)和抗氧化活性测定[J].中国药房,2019,30(8):1061-1066.
[12] 张亚楠,包永睿,孟宪生,等.苎麻根石油醚部位体外抗肿瘤生物活性及其GC-MS分析[J].中国实验方剂学杂志,2019,25(2):201-205.
[13] 佘玮,崔国贤,揭雨成,等.镉胁迫对苎麻吸收积累镉的影响[J].中国麻业科学,2014,36(5):243-247.
[14] 孟桂元,蒋端生,柏连阳,等.Cd胁迫下苎麻的生长响应与富集?转运特征研究[J].生态科学,2012,31(2):192-196.
[15] 龙育堂,刘世凡,熊建平,等.苎麻对稻田土壤汞净化效果研究[J].农业环境保护,1994,13(1):30-33.
[16] 唐贵才,董伟.苎麻生长初期对重金属铅镉汞的迁移富集特征[J].贵州农业科学,2015,43(1):5-6.
[17] 韦朝阳,陈同斌.高砷区植物的生态与化学特征[J].植物生态学报,2002,26(6):695-700.
[18] 孙约兵,周启星,任丽萍.镉超富集植物球果蔊菜对镉砷复合污染的反应及其吸收积累特征[J].环境科学,2007,28(6):1355-1360.
[19] 罗春玲,沈振国.植物对重金属的吸收和分布[J].植物学通报,2003,20(1):59-66.
[20] 赵丹博,曹诣,佘玮,等.镉?砷复合污染对苎麻生长及吸收镉?砷的影响[J].中国麻业科学,2015,37(4):183-188.
[21] 黄闺,孟桂元,陈跃进,等.苎麻对重金属铅耐受性及其修复铅污染土壤潜力研究[J].中国农学通报,2013,29(20):156-160.
[22] 刘金,殷宪强,孙慧敏,等.镉铅的固化对苎麻生长和重金属吸收的效应[J].干旱地区农业研究,2016,34(4):266-273.
[23] 刘冲,赵玲,李秀华,等.苎麻对农田土壤中汞?镉的吸收累积特征研究[J].农业环境科学学报,2020,39(5):1034-1042.
[24] 赵述华,张太平,陈志良,等.稳定化处理砷污染土壤对3种修复植物的生态效应[J].中国环境科学,2019,39(9):3925-3932.
[25] 廖晓勇,陈同斌,阎秀兰,等.不同磷肥对砷超富集植物蜈蚣草修复砷污染土壤的影响[J].环境科学,2008,29(10):2906-2911.
[26] REHMANM.氮肥和生物炭对铜污染土壤苎麻生长和铜吸收及抗逆性影响[D].武汉:华中农业大学,2019.
[27] 佘玮,揭雨成,邢虎成,等.湖南冷水江锑矿区苎麻对重金属的吸收和富集特性[J].农业环境科学学报,2010,29(1):91-96.
[28] 刘婕仪,王继龙,李林林,等.苎麻对镉吸收累积特征?生理响应及土壤修复的研究进展[J].中国麻业科学,2019,41(6):276-282.
[29] GRATAO P L,POLLE A,LEA P J,et al. Making the life of heavy metal-stressed plants a little easier[J].Functional Plant Biology,2005,32(6):481-494.
[30] SIEDLECKA A,KRUPA Z.Interaction between cadmium and iron and its effects on photosynthetic capacity of primary leaves of Phaseolus vulgaris[J].Plant Physiology & Biochemistry,1996,34(6):833-841.
[31] VACULíK M,MRAZOVA A,LUX A. Antimony(Sb Ⅲ) reduces growth,declines photosynthesis, and modifies leaf tissue anatomy in sunflower(Helianthus annuus L.)[J].Environmental Science and Pollution Research,2015,22 (23):18699-18706.
[32] 李雪玲,佘玮,李林林,等.镉对3个苎麻品种生长和光合特性的影响[J].中国麻业科学,2017,39(3):130-135.
[33] 简敏菲,杨叶萍,余厚平,等.不同浓度Cd2+胁迫对苎麻叶绿素及其光合荧光特性的影响[J].植物生理学报,2015,51(8):1331-1338.
[34] CHAI L Y,MUBARAK H,YANG Z H,et al.Growth,photosynthesis,and defense mechanism of antimony(Sb)-contaminated Boehmeria nivea L[J].Environmental Science and Pollution Research,2016,23(8):7470-7481.
[35] 许英,代剑平,揭雨成,等.镉胁迫下苎麻的生理生化变化与耐镉性的关系[J].中国麻业科学,2006,28(6):301-305.
[36] 李玉兰,陈坤梅,喻春明,等.镉胁迫下苎麻生理生化变化规律及品种间差异比较[J].中国麻业科学,2017,39(3):105-110.
[37] 周建刚,陈丹丹,刘志松,等.铅离子对苎麻中SOD?POD?CAT影响的研究[J].武汉科技学院学报,2007,20(2):43-45.
[38] 龚小敏,刘云国,黄丹莲,等.外源钙对镉胁迫下苎麻生长及生理代谢的影响[J].环境工程学报,2016,10(7):3866-3870.
[39] 樊扬帆,刘云国,龚小敏,等.外源螯合剂CA和NTA对苎麻修复铅镉复合污染土壤的影响[J].环境工程学报,2016,10(8):4547-4552.
[40] OKKENHAUG G,ZHU Y G,LUO L,et al. Distribution, speciation andavailability of antimony(Sb)in soils and terrestrial plants from anactive Sb mining area[J].Environmental Pollution,2011,159(10):2427-2434.
[41] 刘金,殷宪强,孙慧敏,等.EDDS与EDTA强化苎麻修复镉铅污染土壤[J].农业环境科学学报,2015,34(7):1293-1300.
[42] 佘玮,崔国贤,赵丹博,等.锌?铁缺失对苎麻吸收及转运重金属镉的影响[J].农业环境科学学报,2014,33(2):283-287.
[43] 孟桂元,周静,邬腊梅,等.改良剂对苎麻修复镉?铅污染土壤的影响[J].中国农学通报,2012,28(2):273-277.
[44] 刘云国,王欣,曾光明,等.外源精胺对镉胁迫下苎麻生理代谢的影响[J].中国环境科学,2007,27(1):84-88.
[45] 周民,魏源,陈海燕,等.复合污染下丛枝菌根真菌对苎麻吸收重金属的影响[J].地球环境学报,2018,9(3):282-290.
[46] 刘钊钊,黄沈发,唐浩.蚯蚓活动对汞污染土壤植物修复效果的影响[J].环境污染与防治,2018,40(8):866-869.
[47] 刘小平,高润霞,吕发生,等.小白菜间作对苎麻地上部分汞吸收富集的影响[J].中国农学通报,2018,34(24):29-33.
[48] 刘楠楠,杨瑞芳,白玉超,等.苎麻间套作的应用研究进展[J].中国农学通报,2016,32(27):88-92.
[49] 卫泽斌,郭晓方,丘锦荣,等.间套作体系在污染土壤修复中的应用研究进展[J].农业环境科学学报,2010,29(增刊1):267-272.
[50] 鲁雁伟,揭雨成,佘玮,等.苎麻种植密度对重金属Pb?As富集能力影响研究[J].中国农学通报,2010,26(17):337-341.
文章摘自:蒋文杰,唐海鹰,孟桂元,等.重金属对苎麻生长的影响及其调控措施研究进展[J].现代农业科技,2025,(08):27-31.DOI:10.3969/j.issn.1007-5739.2025.08.008。
