全 文 ：土壤镉污染对苎麻的生长毒害效应 3
王凯荣 3 3 　周建林　龚惠群　(中国科学院长沙农业现代化研究所农业生态试验站 ,长沙 410125 )
【摘要】　通过微区定位试验 ,研究了土壤添加 Cd 对苎麻的生长毒害效应. 结果表明 ,高浓度 Cd 能够显著影响
苎麻叶片中叶绿素总量及其组成 ,降低苎麻的光合生产力. 当土壤 Cd 浓度达到 14mg·kg - 1时 ,苎麻地上部分生
物产量降低 20 % ;Cd 浓度达到 100mg·kg - 1时 ,产量只有对照的一半. 影响苎麻经济产量的主导因子是有效分
蘖数. Cd 对苎麻纤维品质的影响程度相对较小. 因此 ,将苎麻作为 Cd 污染区的替代作物栽植时 ,必须采取综合
的土壤处理和培管技术 ,在降低土壤 Cd 的生物毒性的同时 ,提高苎麻对污染环境的耐受性 ,以实现较高的产量
水平.
关键词 　苎麻 　土壤 Cd 污染 　生物毒性
Phytotoxic effect of soil cadmium pollution on ramie. WAN G Kairong ,ZHOU Jianglin and GON G Huiqun ( Chang2
sha Institute of A gricultural Moderniz ation , Chinese Academy of Sciences , Changsha 410125) . 2Chin. J . A ppl .
Ecol . ,2000 ,11 (5) :773～776.
A microplot locating experiment was conducted to study the phytotoxic effect of adding Cd in soil on ramie plants. The
results showed that the contents of chlorophyll a and b of leaf , and the photosynthesis productivity of ramie plant were
significant reduced by the addition of Cd. As the content of soil Cd reached to 14 mg·kg - 1 , the biomass yield of the
above2ground part of ramie plants was 20 % lower than the control , and was 50 % lower when soil Cd content was at
100 mg·kg - 1 . The number of effective tillers was a main factor affecting the yield of ramie raw fibers ,and Cd addition
had a relatively small effect on the quality of raime fibers. It is suggested that a synthetical technology of soil treatment
and agronomic measures should be applied to eliminate the toxic effect of soil Cd and to enhance the resistance of plant
against soil Cd pollution when employing ramie as the alternative of food and vegetable crops in a Cd2polluted region ,
which is also important for a higher yield of ramie.
Key words 　Ramie , Soil Cd pollution , Phytotoxicity.
　　3 中国科学院“九. 五”项目 ( KZ9512B12207204) .
　　3 3 通讯联系人.
　　1999 - 06 - 15 收稿 ,1999 - 11 - 08 接受.
1 　引 　　言
自从 1968 年日本报导发生于富山县神通川流域
的“痛痛病”是由于 Cd 污染造成的公害病之后 ,污染
治理工作受到日益广泛的重视. 长期以来 ,人们在处理
土壤 Cd 污染方面 ,遵循的原则都是净化或者钝化土
壤中的 Cd ,消除食物链污染危害 ,采用的技术方法有
物理处理、化学改良和生物净化等. 但是 ,现有的土壤
改良剂大多具有作用时间短、效果不稳定、难于切断食
物链污染等缺陷 ;一些物理化学措施不仅投资大 ,而且
对土壤自然属性有强烈的破坏作用 ;生物净化则因缺
乏理想的净化植物 ( Superaccumulater) 而未能在实际
中应用[2 ,7 ] . 因此 ,如何在消除污染危害的同时保持土
壤的利用价值 ,已成为土壤 Cd 污染治理研究的一个
重要课题.
最近 ,王凯荣等[3 ,4 ]提出了一种关于 Cd 污染农田
农业生态整治与安全高效利用的策略 ,技术思想是将
污染土壤作为特殊的农业资源 ,通过利用耐污染力强、
经济价值高的作物 ,取代污染敏感的食用作物 ,在污染
农区构造新的生产经营模式 ,使污染农田土壤在农业
领域重新获得安全而高效益的利用 ,而土壤治理净化
则寓于土地利用过程之中 ,耐污染经济作物的筛选利
用无疑是成功实施该策略的技术关键.
苎麻 ( Boehmeria nivea) 是我国重要的经济作物之
一 ,它具有较强的耐干旱、贫瘠等环境不良因素的能力.
有关苎麻对 Cd 的吸收特性虽有研究 ,但是 ,有关 Cd 对
苎麻的生物毒性和苎麻对土壤 Cd 污染的耐受能力尚无
深入研究报导[5 ,6 ] .本文采用生物学指标 ,分析了苎麻对
土壤 Cd 污染的生理耐受能力 ,目的是明确在实施 Cd 污
染农田农业生态整治与安全高效利用策略时 ,利用苎麻
替代污染区粮、蔬等污染敏感作物的可能性.
2 　材料与方法
211 　供试材料
21111 试验装置与供试土壤 　试验设水泥微区. 微区内空
100cm ×100cm ×110cm ,底部有 10cm ×10cm 的排渍沟 ,池内装
1m3 供试土壤 ,其中下层 (50～100cm)用有机堆肥培肥 ;上层 (0
～50cm)用菜籽饼粕和化肥培肥. 培肥后表层土壤 (0～25cm)
的基本肥力性状见表 1.
应 用 生 态 学 报 　2000 年 10 月 　第 11 卷 　第 5 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Oct . 2000 ,11 (5)∶773～776
表 1 　供试土壤的基本肥力性状
Table 1 Fundamental fertility characteristics of experimental soil
质 地
Texture
有机质
O. M.
(g·kg - 1)
全量养分 Total
(g·kg - 1)
N P K
速效养分 Available
(mg·kg - 1)
N P K
p H
粘 Clay 8. 39 0. 68 0. 47 16. 9 77. 2 9. 0 188. 7 6. 43
21112 添加 Cd 处理 　将 CdCl2·2H2O 溶解于水后与
少量供试土壤混匀 ,再与菜籽饼一起拌入微区上层土
壤之中 ,平衡培养 2 个月. 植麻前采样测定各处理区 0
～25cm 土层 Cd 含量分别为 1. 1 (本底) 、20、32、74 和
127mg·kg - 1 .
21113 供试作物品种 　苎麻品种为“湘苎 5 号”. 每区
定植 2 穴 ,每穴 1 株 ,按常规进行中耕、施肥和病虫害
防治 ,自来水喷灌. 试验麻每年收割 3 次 ,为保持土壤
Cd 浓度的相对稳定 ,在测得各项数据之后将收获物全
部返回原处理区中.
212 　生理指标与品质性状测定
　　叶绿素 a 和 b 含量用丙酮乙醇混液法测定[8 ] ;丙
二醛含量用朱广廉等[11 ]的方法测定 ;伤流量采用脱脂
棉吸取法 ,测定 18 :30～次日 6 :30 内的伤流量 ;原麻
脱胶采用普通化学法二煮一蒸工艺流程 ;单纤维强力
用 YG2001 型单纤维电子强力仪测定 ;断裂长度按国
标 GB5881286 确定.
3 　结果与讨论
311 　Cd 对苎麻生长发育的影响
本文采用最大株高、有效分蘖数和分蘖粗壮度等
生物学指标来评价苎麻的生长发育状况 ,这些性状既
能反映环境 Cd 污染影响的综合结果 ,又与苎麻的生
产性能直接相关. 从图 1 可以看出 ,土壤 Cd 对苎麻株
高 (三季麻工艺成熟期的平均株高 ,下同) 的影响在栽
植的第一年表现得最为明显 ,株高与土壤 Cd 浓度之
间存在着极显著的负相关性 ( r = - 0. 9633 3 3 ) ,而随
着栽植年限的延长 ,其影响强度明显降低 . 到植后第3
图 1 　土壤 Cd 对成熟期苎麻株高的影响
Fig. 1 Effect of soil Cd on plant heights of ramie at the maturing stage.
Ⅰ11992 , Ⅱ11993 , Ⅲ11994 , Ⅳ11995. 下同 The same below.
年 ,土壤 Cd 浓度与苎麻株高之间的相关性已不显著 (r
= - 0. 3092) .
　　Cd 对苎麻分蘖的抑制效应十分显著而且几乎不
受栽植年限的影响 (图 2) . 以栽植第 1 年和第 3 年的
结果为例 ,苎麻分蘖数 (三季麻工艺成熟期的总有效分
蘖数 ,下同)与土壤 Cd 浓度之间的相关系数分别为 -
0. 9811 和 - 0. 9864 ,均达到了极显著的水平.
图 2 　土壤 Cd 浓度对苎麻分蘖的影响
Fig. 2 Influence of soil Cd on the number of ramie tiller.
分蘖粗壮度 (以单位长度的蘖重表示)多与有效分
蘖数同时使用来评价植株的健壮水平. 在正常情况下 ,
分蘖粗壮度会随分蘖数增加而降低 ;分蘖数一定时 ,则
随植株健壮水平提高而提高. 本实验中 ,当土壤 Cd 含
量低于一定浓度 (32～74mg·kg - 1) 时 ,苎麻分蘖数和
分蘖的粗壮度随着土壤 Cd 浓度增加而同时降低 ,反
映出 Cd 对苎麻群体和个体生长的同步抑制效应 ;当
土壤 Cd 含量超过一定浓度之后 ,分蘖数随 Cd 浓度增
加继续降低 ,而分蘖粗壮度则有随 Cd 浓度增加而增
加的趋势 (图 3) . 原因可能是 ,当分蘖数减少到一定程
度之后 ,单蘖生长环境改善 ,在某种生长调节机制的作
用下 ,光合产物和根部矿质营养向单株分蘖的供应相
对提高 ,使得茎秆增粗、叶片增厚 ,群体生物量因此得
到一定程度地补偿 ,这也是苎麻对土壤 Cd 污染有一
定生理抗性的反应.
图 3 　土壤 Cd 含量对苎麻分蘖粗壮度的影响
Fig. 3 Thickness of ramie tillers under different soil Cd levels.
312 　Cd 对苎麻地上部分生物产量的影响
各处理苎麻地上部分生物产量的年度变化见图
4. 根据对照区结果 ,除栽植的第 1 年外 ,苎麻生物总产
477 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　11 卷
量的年度变化不显著. 各季 (头麻、二麻和三麻)之间的
生物产量差异亦不显著. 但是 ,苎麻某些部分的重量比
却因栽植年限不同而存在显著差异. 在栽植的第 1 年 ,
麻壳 (包括皮层和部分次生韧皮纤维)和纤维 (原麻)占
地上部分生物总量的比重显著较低 ,而麻叶和麻骨 (木
质部)占的比重受栽植年限影响不明显.
土壤添加 Cd 之后 ,苎麻地上部分的年生物产量
(三季麻合计) 显著降低. 此外 ,当土壤 Cd 含量达到
127mg·kg - 1时 ,麻叶占地上部分总生物量的比重显著
增高 ,麻壳和纤维占的比重则显著下降 ,只有麻骨所占
比重变化不显著 (表 2) . 苎麻生物产量 (第一年除外)
与土壤 Cd 含量的关系可用函数模型 Log YB =
3. 387394 - 0. 075316 (Log Sc ) 2 ( R2 = 0. 9593 , P ≤
0. 0035)进行描述. 式中 YB 为苎麻地上部分年均总生
物量 (g·m - 2) ; Sc 为土壤 Cd 浓度 ( mg·kg - 1) ; R2 为
模型测定系数 ; P 为模型误差概率. 模型计算可知 ,当
土壤 Cd 浓度达到 14mg·kg - 1 时 ,生物产量将降低
20 %.
苎麻经济产量 (原麻) 与土壤 Cd 含量的关系可采
用类似对数函数模型加以描述 :Log Y F = 2. 614974 -
0. 089864 (Log Sc) 2 , R2 = 0. 9436 , P ≤0. 0058 , Y F 为
原麻年均产量 (g·m - 2) .
图 4 　不同土壤 Cd 水平下苎麻地上部分生物量的年度变化
Fig. 4 Annual dynamics of the biomass of aboveground parts of ramie under
different soil Cd levels.
表 2 　土壤 Cd对苎麻地上各部分生物产量的影响 3
Table 2 Effect of soil Cd on the yields of different aboveground parts of
ramie at the maturing stage
土壤 Cd
Soil Cd
(mg·kg - 1)
总生物量
Biomass
(g·m - 2)
麻叶
Leaf
(g·m - 2)
麻 骨
Xylem
(g·m - 2)
麻 壳
Cuticle
(g·m - 2)
纤维
Raw fiber
(g·m - 2)
1. 1 2138 d 898 c 766 d 151 c 323 c
20 1508 c 606 b 557 c 113 b 233 b
32 1338 bc 549 b 484 bc 102 b 204 b
74 1210 b 527 ab 410 ab 92 b 182 b
127 926 a 430 a 317 a 61 a 117 a3 列内带相同字母的数字统计上无显著性差异 (5 %水平 ,LSD 法) .
Values within columns followed by the same letter are not significantly dif2
ferent at the 5 % level (LSD) .
313 　Cd 对苎麻地下部分的影响
于试验第 3 年对苎麻地下部分生长情况进行了调
查.结果发现 ,各区苎麻的主根均穿透了 50cm 含 Cd
土层 ,但主根群 (麻蔸) 仍分布在 0～25cm 土层中. 地
下根茎的质地和颜色受 Cd 浓度影响不明显 ,地下茎
和贮藏根的粗度和重量随土壤 Cd 浓度提高而显著增
加 ,纤维根略有缩短和增粗的趋势 ,但重量变化不明显
(表 3) . 地下茎和贮藏根增粗增重的原因可能是 ,随着
土壤 Cd 含量的提高 ,苎麻分蘖功能遭受损害 ,分蘖减
少 ,营养需求水平下降 ,而其它生理功能 ,如光合作用、
物质转运等 ,虽也因土壤 Cd 的增加而受到抑制 ,但受
影响的程度不如分蘖过程 ,致使光合产物和矿质养分
在地下茎和贮藏根中的滞留和贮存增加 ,促进了地下
部分的生长膨大.
314 　Cd 对苎麻纤维品质的影响
在苎麻栽植的第 3 年 (一般从第 3 年开始苎麻进
入正常采收期)对各处理三季麻的品质性状进行了检
测 ,结果 (表 4)发现 ,凡土壤加 Cd 的处理 ,原麻的长度
均有缩短 ,纤维支数也有所降低. 但是 ,原麻长度和纤
维支数缩短与降低的幅度与土壤 Cd 浓度之间并无明
确的对应关系. Cd 对原麻含胶率、炼折率、纤维断裂和
锈脚长度等性状的影响亦不明显. 单纤维强力与纤维
支数之间有显著负相关关系 ( r = - 0. 666) . 综合各项
纤维工艺性状指标分析可知 ,即使土壤加 Cd 浓度高
达 127mg·kg - 1 ,生产的苎麻纤维仍能满足加工中档
麻织品的要求.
表 3 　Cd对苎麻地下部分生物量的影响
Table 3 Influence of soil Cd on the weights of underground parts of ramie
土壤 Cd
Soil Cd
(mg·kg - 1)
地下茎
Subterranean
stem
(g)
贮藏根
Storage root
(g)
纤维根
Fibred root
(g)
总生物量
Total biomass
(g)
1. 1 290 447 13 750
20 308 364 14 687
32 410 373 7 790
74 447 604 10 1061
127 434 646 8 1088
315 　Cd 对苎麻叶绿素的影响
光合作用是植物生产的原动力 ,任何影响生长的
因素必然影响光合过程 ,叶绿素的含量和组成则是影
响光合作用的物质基础. 从头麻 (5 月间) 的测定结果
(表 5) 可以看出 ,叶片中叶绿素 a 和 b 的含量随土壤
Cd 浓度增加而显著降低 ,相关系数分别为 - 0. 894 ( P
< 0. 05) 和 - 0. 882 ( P < 0. 05) . 叶绿素 a 和 b 的比值
则有随土壤 Cd 浓度增加而提高的趋势 ,相关系数为
0. 810. 孙宽初报道[1 ] ,凤眼莲等的叶绿素含量和叶绿
素 a 与 b 的比值均随水体中 Cd 浓度增加而降低 ,表明
Cd对水生和陆生植物叶绿素形成的影响机理可能存
5775 期 　　　　　　　　　　　　　　　王凯荣等 :土壤镉污染对苎麻的生长毒害效应 　　　　　　　　　
表 4 　Cd对苎麻品质性状的影响
Table 4 Effects of soil Cd on the quality features of ramie f iber
土壤 Cd
Soil Cd
(mg·kg - 1)
季别
Cropping
原麻长
Length of row
fiber (cm)
锈 脚
Rust base
(cm)
含胶率
Glue content
( %)
纤维支数
Fiber
No.
断裂长度
Length of break
(km)
单纤维强力
Strength of
fiber (g)
炼折率
Rate of refined
fiber ( %)
精麻 Cd
(mg·kg - 1)
1. 1 1 170 1. 0 31. 4 1818 76. 28 41. 96 66. 6 0. 125
20 145 1. 5 27. 9 1701 74. 13 43. 58 69. 4 0. 202
32 150 1. 0 28. 3 1449 69. 35 47. 86 70. 1 0. 285
74 140 2. 0 28. 4 1389 78. 67 56. 64 69. 7 0. 454
127 135 2. 0 28. 1 1316 76. 38 58. 04 70. 0 0. 605
1. 1 2 149 1. 0 26. 2 1432 76. 58 53. 48 71. 6 0. 170
20 125 1. 0 27. 6 1154 61. 83 53. 58 70. 0 0. 193
32 130 1. 5 26. 0 1355 54. 99 40. 58 72. 0 0. 203
74 138 0. 0 27. 2 1515 76. 27 50. 34 70. 2 0. 284
127 140 0. 0 26. 4 1269 74. 52 58. 72 71. 2 0. 434
1. 1 3 135 0. 0 26. 0 1392 70. 88 50. 92 72. 7 0. 127
20 120 1. 0 25. 4 1440 67. 78 47. 07 69. 0 0. 261
32 122 1. 1 25. 1 1315 59. 10 52. 55 68. 4 0. 288
74 125 1. 0 24. 6 1440 63. 59 44. 16 71. 5 0. 385
127 130 0. 0 26. 4 1170 66. 48 56. 82 70. 1 0. 447
表 5 　Cd对苎麻叶绿素 a、b含量的影响
Table 5 Effects of Cd on the contents of chlorophyll a and b of ramie
leaves
土壤 Cd Soil Cd
(mg·kg - 1)
叶绿素含量 Content of chlorophyll (mg·g - 1)
a b a/ b
1. 1 1. 503 0. 426 3. 53
20 1. 415 0. 392 3. 61
32 1. 359 0. 368 3. 69
74 1. 290 0. 353 3. 65
127 1. 275 0. 342 3. 73
在某些差异性.
316 　Cd 对苎麻伤流量和叶中丙二醛含量的影响
伤流量反映植物根系对水分的吸收能力. 张素芹
等[9 ]对 Cd、Pb、As 处理后黄瓜和玉米的伤流分析结果
表明 ,As 对伤流有显著抑制作用 ,而 Cd 和 Pb 对伤流
无明显阻滞影响. 本研究发现 ,土壤加 Cd 有降低苎麻
伤流的趋势 ,但伤流量下降幅度与土壤 Cd 浓度之间
并无明显的相关性 ,而且同一处理不同植株之间伤流
量的差异较大 ,因此 ,并不能用伤流大小来判断苎麻受
土壤 Cd 污染毒害影响的程度 (表 6) .
在某些逆境 (如冷害) 条件下 ,生物体内活性氧含
量会明显增加 ,导致膜脂过氧化作用增强 ,丙二醛
(MDA)积累[10 ] . 据对头麻生长期 (5 月间) 的测定结果
(表 6) ,苎麻叶片中 MDA 的含量同样随土壤 Cd 浓度
的增加而显著增加 ,相关系数达 0. 958 3 ,表明植物对
Cd 的毒害反应与对其它环境逆境因子的反应有某些
类似的生理基础.
表 6 　Cd对苎麻 MDA含量和伤流量的影响
Table 6 Effects of Cd on MDA content of leaves and bleeding amounts of
plants of ramie
土壤 Soil Cd (mg·kg - 1)
1. 1 20 32 74 127
丙二醛 MDA 3. 114 3. 169 3. 204 3. 891 4. 077
(mmol·g - 1. FW)
伤流量 Bleeding 7. 528 4. 981 5. 536 3. 170 5. 233
(g·plant - 1)
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作者简介 　王凯荣 ,男 ,1959 年生 ,研究员 ,主要从事农业生态
与农田污染治理研究 ,发表论文 60 余篇. E2mail : krwang @ms.
csiam. ac. cn
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