不同草本植物間作對Cd污染土壤的修復(fù)效果

孟 楠,王 萌,陳 莉,鄭 涵,陳世寶* (.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所,農(nóng)業(yè)部植物營養(yǎng)與肥料重點實驗室,北京 0008；.北京市農(nóng)林科學(xué)院植物保護(hù)環(huán)境保護(hù)研究所,北京 00097)

土壤Cd污染不僅給中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟損失,同時給人體健康帶來了很大風(fēng)險,加強農(nóng)田 Cd污染防治研究具有重要的現(xiàn)實意義.目前,國內(nèi)外針對重金屬污染土壤的修復(fù)已有大量研究,但縱觀現(xiàn)有的修復(fù)技術(shù),對于中國大面積的中、輕度污染土壤而言,仍面臨經(jīng)濟效益、修復(fù)時間等諸多技術(shù)瓶頸,因此,以農(nóng)產(chǎn)品可食部位 Cd污染風(fēng)險管控為主,實行邊安全生產(chǎn)、邊修復(fù)的農(nóng)藝修復(fù)治理方式更適宜中國國情、農(nóng)情[1-2].目前,針對重金屬污染農(nóng)田土壤的農(nóng)藝修復(fù)研究中,通過利用水分管理、施肥、施用石灰調(diào)節(jié)土壤 pH值及低吸收品種的田間應(yīng)用等已有較多研究與應(yīng)用[3],而基于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)學(xué)原理,利用不同植物與作物間作進(jìn)行Cd污染農(nóng)田修復(fù)研究相對較少.在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,間作可以促進(jìn)植物對土壤中養(yǎng)分、水、光、氣的利用效率,這種方法已被應(yīng)用于多種種植類型的實踐中[4-8].在農(nóng)田污染修復(fù)研究中,利用重金屬高富集或高生物量植物與作物進(jìn)行間作,增加了植物種類的多樣性,而不同間作植物通過根系特性的不同,驅(qū)動農(nóng)田土壤生物的多樣性與生態(tài)功能的多樣性,從而影響作物對重金屬的吸收與轉(zhuǎn)運.有研究表明,印度芥菜與苜蓿間作、黑麥草和紫云英與油菜間作可以有效抑制植物體內(nèi)重金屬的累積量[6-7].目前,用于間套作修復(fù)技術(shù)的超富集植物普遍存在生長緩慢、周期長、生物量小,對重金屬的富集具有專一性等缺點,影響了間套作修復(fù)重金屬污染土壤的效率.因而,利用高生物量或者生長快速的非超富集植物進(jìn)行間作修復(fù)技術(shù)成為近年來國內(nèi)外研究的焦點[9].有研究表明,大多數(shù)的草本植物具有適應(yīng)性強、生長快速、生物量大和能同時富集多種重金屬等特點,在相同時間內(nèi)草本植物重金屬的積累量超過超富集植物[10-12],但目前針對不同草本植物與作物間作后,植物的種間作用如何影響作物根系對重金屬吸收、轉(zhuǎn)運的研究鮮見報道,因此,本研究以適應(yīng)性強、生物量大、生長迅速的10種草本植物與空心菜間作,基于空心菜可食部位Cd的消減率與土壤中Cd的移除率為指標(biāo),評價不同草本植物間作對 Cd污染土壤的修復(fù)效果,以期為Cd污染農(nóng)田邊安全生產(chǎn)、邊修復(fù)提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 供試土壤與植物

供試土壤:供試土壤采集于河北省某歷史污灌區(qū)農(nóng)田0～20cm表層土,土壤類型為褐土.將采集的土壤自然風(fēng)干后,過2mm 篩進(jìn)行土壤理化性質(zhì)測定[11].結(jié)果顯示,土壤 pH值(1:2.5,水浸提方法)為8.19,有機質(zhì)含量 1.12%,陽離子交換量(CEC)為 16.7cmol/kg.土壤中Cd含量為1.32mg/kg.

供試植物:以中葉空心菜(Ipomoea aquatic Forsk)為主栽作物,將其他 10種草本植物與其間作.草本植物包括:高丹草(Sorghum bicolor L.)、蘇丹草(Sorghum sudanense Stapf)、狼尾草(Pennisetum purpureum schum L.)、黑麥草(Lolium perenne L.)、苦荬菜(Sonchus arvensis L.)、菊苣(Cichorium intybus L.)、籽粒莧(Amaranthus hypochondriacus L.)、三葉草(Trifolium repens L.)、紫花苜蓿(Medicago sativa L.)、紫云英(Astragalus sinicus L.).種子購自北京與江蘇種子公司,經(jīng)10%H2O2溶液消毒10min后用水沖洗幾遍,用去離子水浸種 8h后轉(zhuǎn)至培養(yǎng)皿中促芽后統(tǒng)一播種.

1.2 試驗設(shè)計

試驗共包括11個處理:空心菜單作(CK)、空心菜與高丹草間作(T1)、空心菜與蘇丹草間作(T2)、空心菜與狼尾草間作(T3)、空心菜與黑麥草間作(T4)、空心菜與苦荬菜間作(T5)、空心菜與菊苣間作(T6)、空心菜與籽粒莧間作(T7)、空心菜與三葉草間作(T8)、空心菜與紫花苜蓿間作(T9)、空心菜與紫云英間作(T10),每種處理 4個重復(fù).盆栽試驗在日光溫室中進(jìn)行,溫室白天溫度為(25±2)℃,夜間溫度(20±2)℃,自然光照.試驗用PVC長槽,長、寬、高分別為60、40、30cm,每盆裝過2mm篩風(fēng)干土壤36.0kg.

作為對照的單作模式為3行空心菜,間作模式為中間1行空心菜,左右2行同種間作植物,行距為20cm.根據(jù)不同植物個體大小差異,空心菜、高丹草、蘇丹草和雜交狼尾草每行定苗4株,其他7種植物每行保留 8株.每盆分別添加尿素 0.21g/kg、KH2PO40.19 g/kg、KCl 0.055g/kg作為植物生長所需的底肥.空心菜與間作植物同時下種,生長期間不定期澆水,使土壤含水量經(jīng)常保持在田間持水量的70%左右,生長期為56d.

1.3 測定指標(biāo)與方法

收獲時,分別取空心菜和各間作植物的地上部分(距離土面約 1cm 的莖葉)與根的植株樣品,用自來水與去離子水沖洗干凈,自然晾干后于 105℃殺青30min,然后 70℃烘干至恒重,測定樣品地上部的干重.烘干的植物樣品用粉碎機粉碎、混勻,過 0.25mm篩孔備用.土壤樣品 Cd含量采用 HNO3-HClO4-HF消化,植物樣 Cd含量采用 HNO3-HClO4消化,利用ICP-MS測定土壤與植株消解液中Cd的含量[13].

作物 Cd消減率(DRCd,%):與對照(CK)相比,不同間作處理中空心菜莖葉 Cd降低的百分?jǐn)?shù)(%).DRCd=(C對照-C處理/C對照)×100% (1);式中:C對照與C處理分別為單作與不同間作處理空心菜莖葉Cd的含量,植物Cd積累量(Cd積累):植株地上部(莖葉)與根部中Cd的積累量.Cd積累=C莖葉×W莖葉+ C根×W根(2);C莖葉、C根為草本植物或空心菜莖葉與根中Cd含量;W莖葉、W根為草本植物莖葉與根的干重,土壤Cd的移除率(RCd,%):植物Cd積累量與土壤中Cd總量的比值.RCd=Cd積累/Cd土壤×100% (3).

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用新復(fù)極差法(Duncan法) 進(jìn)行均值比較和差異顯著性檢驗(P＜0.05),應(yīng)用 Excel 2007、SPSS 22.0和Origin 9.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和作圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同間作處理空心菜及間作植物的生物量

與不同植物間作處理中,主栽作物空心菜莖葉部的干重為25.02～43.21g/盆,最小的處理為T3(空心菜與雜交狼尾草間作),最大莖葉干重為 T6(空心菜與菊苣間作)處理(圖 1);空心菜根的干重為 3.52～5.82g/盆,最小與最大干重的處理與莖葉干重的結(jié)果一致,分別為T3、T6處理.從圖 1可以看出,在 T5～T6 及 T8～T10處理中,空心菜的莖葉干重顯著(P＜0.05)高于空心菜單作處理(CK),比對照增加幅度為 25.3%～ 59.4%;T3處理的空心菜干重有一定降低,但差異不顯著(P＞0.05),其他處理的空心菜莖葉干重間沒有顯著變化.

圖1 不同處理對空心菜生物量的影響(g/盆,干重)Fig.1 Effect of different treatments on biomass of water spinach (g/pot,DW)

圖2 不同處理的間作植物生物量(g/盆,干重)Fig.2 Biomass of intercropping plants of different treatments(g/pot, DW)

與空心菜間作處理對不同草本植物生物量(莖葉、根)變化的結(jié)果見圖 2.從圖 2可以看出,狼尾草的地上部生物量在 10種間作植物中最大,生物量達(dá)74.8g/盆,其次為籽粒莧、高丹草與蘇丹草;其他6種間作植物的地上部生物量為 21.7～47.1g/盆.10種間作植物中,地上部生物量間最大相差 3.45倍.不同間作處理中,10種草本植物根的生物量為4.19～10.37g/盆,最大相差 2.48倍.高丹草、蘇丹草、籽粒莧等牧草植物具有生長速度快、生物量高及抗逆性強等特點,當(dāng)前,作為重金屬污染農(nóng)田修復(fù)間作植物開始受到關(guān)注[11].

2.2 不同間作處理的空心菜及間作植物Cd含量

不同間作處理對主栽作物(空心菜)和間作植物(草本植物)莖葉與根部Cd含量變化見圖3.不同間作處理的空心菜莖葉Cd含量為1.176～2.258mg/kg,最大相差1.92倍;根中Cd濃度為1.899～2.631mg/kg,最大相差1.39倍.從圖3可看出,空心菜與高丹草、蘇丹草、狼尾草、黑麥草以及苦荬菜間作后,空心菜莖葉 Cd含量較空心菜單作都顯著降低,分別降低了 33.9%、35.8%、34.38%、17.3%和29.3%;空心菜與菊苣、美國籽粒莧、三葉草、紫花苜蓿和紫云英間作后,空心菜地上部的 Cd含量較單作都有不同程度增加,增加幅度為 3.0%～23.3%,其中與菊苣間作后空心菜地上部Cd含量較單作增加了23.3%.

圖3 不同處理對空心菜和間作植物Cd含量影響Fig.3 Effect of treatments on Cd content in water spinach and intercropping plants

10種間作植物的地上部 Cd含量范圍是1.812～12.87mg/kg,最大相差7.1倍,莖葉中Cd含量最高的是苦賣菜,最低為紫云英;根部 Cd含量為 6.308～12.498mg/kg,最大相差1.98倍.不同間作植物中,莖葉中 Cd含量按大小排序為:苦荬菜＞菊苣＞蘇丹草≈黑麥草＞高丹草≈狼尾草＞紫花苜蓿≈籽粒莧＞三葉草≈紫云英(“＞”表前者顯著大于后者;“≈”表前者雖大于后者,但兩者間無顯著差異.下同).

2.3 不同間作處理的空心菜莖葉Cd消減率

圖4 間作處理對空心菜莖葉Cd消減率的影響Fig.4 Cd decrease rate (%) of shoots of water spinach as affected by intercropping treatments

作物可食部位Cd的降低程度是評價Cd污染農(nóng)田修復(fù)的主要指標(biāo)之一.與空心菜單作(CK)相比,不同間作處理后,空心菜莖葉中 Cd的吸收變化差異顯著.從圖4可以看出,與高丹草、蘇丹草、狼尾草、黑麥草和苦賣菜間作后,空心菜莖葉中 Cd的濃度顯著降低,莖葉Cd的消減率分別為34.0%、35.8%、34.3%、17.2%和23.9%;而與菊苣、籽粒莧、三葉草、紫花苜蓿和紫云英間作后,空心菜莖葉中 Cd的濃度卻有不同程度的增加,莖葉 Cd的消減率分別為-23.3%、-3.0%、-14.2%、-14.4%和-13.8%.在T1～T5處理中,其中 T1～T3處理的空心菜莖葉 Cd消減率均超過34.0%,與其它處理間有顯著差異(P＜0.05),對降低空心菜莖葉Cd含量具有顯著效果,相反,與菊苣間作(T6)后,空心菜莖葉Cd含量增加23.3%.

2.4 不同間作處理對植物Cd積累量與土壤Cd移除率影響

表1為不同間作處理中空心菜與草本植物地上部(莖葉)、根中Cd的積累量及每盆植株總Cd積累量.從表 1可知,不同間作處理中(除 CK外),主栽作物空心菜莖葉Cd的積累量為0.030～0.098mg/盆,與高丹草(T1)、蘇丹草(T2)以及狼尾草(T3)間作后,空心菜地上部Cd積累量顯著降低,比最高處理(T6)分別降低了 67.3%、67.3%和 69.4%.不同間作處理的草本植物中,莖葉Cd的積累量為0.042～0.571mg/盆,最大相差 13.6倍,其中最小處理為三葉草間作(T8),而最大為蘇丹草間作(T2);草本植物根中Cd的積累量為 0.045～0.108mg/盆,最大相差 2.4倍.基于不同處理中主栽作物(空心菜)與間作植物(草本植物)的植株 Cd總積累量測定結(jié)果表明,不同處理植株中 Cd的積累量為 0.165～0.706mg/盆,最大相差 4.28倍,最小處理為空心菜單作(CK),而最大處理為蘇丹草間作(T2).不同間作處理中,植株 Cd積累量(mg/盆)大小順序為:T2≈T3≈T1＞T5＞T4≈T6＞T7＞T9＞T8≈T10≈CK.

表1 不同間作處理對植株Cd積累量(mg/盆)的影響Table 1 Accumulation of Cd in water spinach and intercropping plants in different treatments

在以風(fēng)險管控為主的 Cd污染農(nóng)田修復(fù)實踐中,在降低作物可食部位Cd含量的同時,降低土壤中Cd的濃度是邊安全生產(chǎn)、邊修復(fù)的核心目標(biāo).本文中以每盆植株Cd總積累量占土壤中Cd總量的比作為土壤中 Cd移除率(%)對不同間作處理的修復(fù)效果進(jìn)行評價.對不同間作處理后植株對土壤中 Cd的移除率測定結(jié)果表明,不同處理中土壤 Cd的移除率為0.35%～1.49%.與空心菜單作(CK)相比,不同草本間作均不同程度增加了土壤中 Cd的移除率,增加范圍為0.04%～1.14%.10種草本植物間作對土壤 Cd移除率順序為:蘇丹草≈高丹草≈狼尾草＞苦賣菜＞菊苣≈黑麥草＞籽粒莧＞紫花苜蓿＞三葉草≈紫云英.

圖5 不同間作處理對土壤中Cd移除率的影響Fig.5 Cd removal rate (%) from soil under different intercropping treatments

3 討論

3.1 間作處理對主栽作物生長的影響

在間作種植中,不同間作植物通過對土壤養(yǎng)分、水分、光及熱的競爭從而對主栽作物的生長產(chǎn)生影響,不同間作對植物生長的影響主要分為促進(jìn)和競爭作用,這兩個方面往往總是同時存在[4,14].本試驗中,高丹草(8.64g/盆)和狼尾草(9.73g/盆)根系發(fā)達(dá),生長快速,植株高大,在一定程度上影響了空心菜的光合作用,與其它間作植物相比,狼尾草對空心菜的生長產(chǎn)生了一定的抑制作用,但與單作(CK)相比,狼尾草間作處理(T3)中空心菜的地上部生物量沒有顯著降低.類似研究發(fā)現(xiàn),兩種生態(tài)型的重金屬富集雜草與櫻桃苗間作后,導(dǎo)致櫻桃苗的生物量顯著降低[10];另有研究表明,將6種不同的豆科植物與玉米間作后,玉米的生物量都有所降低,導(dǎo)致主栽作物生長抑制可能是由于間作植物的生長對土壤中養(yǎng)分、水等競爭的原因

[14].在間作處理土壤中,當(dāng)兩種植物的根系相互作用時,“根際交流”會導(dǎo)致促進(jìn)或者抑制植物生長的現(xiàn)象發(fā)生,間作植物除了根系由于對土壤養(yǎng)分等競爭對主栽作物的生長產(chǎn)生抑制作用外,有時也會通過根際過程的影響對主栽作物產(chǎn)生促進(jìn)作用[15-21].本試驗中,苦賣菜、菊苣、三葉草、紫花苜蓿以及紫云英與空心菜間作后對空心菜地上部的生長具有顯著的促進(jìn)效應(yīng),可能原因是間作植物在一定程度上影響了植物根系分泌物的種類與數(shù)量,改善了空心菜的根際環(huán)境和空間結(jié)構(gòu),從而對空心菜生長產(chǎn)生促進(jìn)作用.

3.2 間作處理對主栽作物Cd吸收的影響

本研究的結(jié)果表明,不同間作處理中,空心菜莖葉 Cd含量在不同草本植物間作處理間有顯著差異(圖3), 其中,高丹草、蘇丹草、狼尾草與空心菜間作后,空心菜莖葉中 Cd的濃度分別降低了 34.0%、35.8%、34.3%;而與菊苣、籽粒莧、三葉草間作后,空心菜莖葉中Cd濃度卻分別增加了23.3%、3.0%、14.2%,產(chǎn)生此結(jié)果的原因可能與不同草本植物對土壤中 Cd的有效性變化影響差異有關(guān).本實驗中,間作植物高丹草、蘇丹草、狼尾草具有較大生物量和較強的Cd富集能力,可能是降低主栽作物Cd含量的機制之一;而籽粒莧雖然具有較高生物量,相對于高丹草、蘇丹草和狼尾草,籽粒莧對 Cd的富集能力較低,這可能是影響空心菜莖葉降 Cd率的原因之一.除此外,間作植物根系分泌物和酶的類型對土壤中 Cd有效形態(tài)的影響及不同草本植物與空心菜種間/種內(nèi)競爭均會影響空心菜對 Cd的吸收轉(zhuǎn)運.合適的植物類型和間作策略不僅能有效降低作物對重金屬的吸收和積累,通過間作植物的植物提取還可以有效修復(fù)重金屬污染土壤.當(dāng)兩種類型的植物在一起生長時,重金屬的吸收主要集中在根際環(huán)境,根系分泌物是最重要的影響因素[22-24].植物根系分泌的有機酸能改變根際的 pH值, Eh,養(yǎng)分有效性以及其他環(huán)境條件,從而影響根際環(huán)境中重金屬的生物有效性[24-27],如:植物根系分泌的低分子量有機酸能與Cd結(jié)合形成低分子絡(luò)合物從而增加了土壤中 Cd的溶解,而根系分泌物促進(jìn)微生物的活動會導(dǎo)致土壤 Eh值下降,土壤中形成CdS降低Cd的活性.不同植物間作過程中,植物間的“根際交流”改變土壤中重金屬植物有效性可能的途徑包括:1)通過間作植物根系分泌物改變土壤Cd有效性[28]; 2)影響土壤微生物和土壤酶的活性;3)影響土壤pH值及Eh值;4)影響植物對養(yǎng)分的吸收和利用,如對土壤N、P、Fe的有效利用等(圖6).本試驗中,三葉草、紫花苜蓿和紫云英這 3種間作植物都為豆科植物,在與空心菜間作時,顯著增加空心菜地上部對 Cd的吸收,其中紫花苜蓿處理最為明顯,與單作相比增加了 14.4%,可能的機制是豆科植物通過根際固氮菌與根系分泌物作用下,對土壤中 Cd起到明顯活化作用.

在植物根際,有兩種因素能提高Cd有效態(tài)含量:1)根系分泌物降低了土壤 pH值:豆科植物在固氮過程中能外排大量的 H+,降低了 pH值并酸化了土壤; 2)間作植物的不同分泌物成分[28].重金屬從土壤中的解吸很大程度上取決于土壤溶液中低分子量的有機酸類型(例如:乙酸,草酸,延胡索酸,檸檬酸,酒石酸等),豆科植物的根系分泌物與Cd形成了低分子絡(luò)合物而將Cd從膠體或沉積物中釋放出來,增加了Cd的生物有效性.

就土壤中 Cd移除率而言,不同間作處理對土壤中Cd的移除率主要取決于植物對Cd的積累量,植物Cd積累量一方面取決于植物對Cd的富集系數(shù),還取決于植物的生物量大小.本試驗對空心菜與間作植物Cd積累量的相關(guān)性分析結(jié)果顯示:空心菜的地上部吸Cd量(y)與間作植物的地上部吸Cd量(x)間呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(y=-0.08x+0.079, r=0.837).此結(jié)果表明,間作植物通過對土壤中 Cd的吸收轉(zhuǎn)運可以有效降低主栽作物根際土壤 Cd的濃度,從而降低主栽作物對Cd的吸收、累積.另外,間作植物的高Cd積累量也能有效增強污染土壤中 Cd的移除效果.研究表明,植物獲取的土壤資源與它們根系尺寸和大小成比例,因此可能會通過植物空間結(jié)構(gòu)的變化和地上部生物量來增加對土壤中養(yǎng)分與水的競爭[27-28],本研究中,不同間作的草本植物中,狼尾草、高丹草及蘇丹草均具有較大的地上部與根部生物量,不僅可以有效削減空心菜莖葉Cd含量,同時對土壤中Cd具有較高的移除效果.

圖6 間作植物對土壤Cd有效性影響原理Fig.6 Diagram of Cd availability affected by intercropping plants in soil

4 結(jié)論

4.1 不同間作處理對空心菜莖葉與根中 Cd含量有顯著影響,其中,空心菜與高丹草、蘇丹草、狼尾草、黑麥草及苦荬菜間作后,空心菜莖葉 Cd含量顯著降低了 17.3%～35.8%,而與菊苣、籽粒莧、三葉草、紫花苜蓿及紫云英間作后,空心菜莖葉的 Cd含量增加了3.0%～23.3%.

4.2 不同間作的草本植物的地上部 Cd含量范圍為1.81～12.87mg/kg,最大相差7.1倍;不同間作植物莖葉中Cd含量大小為:苦荬菜＞菊苣＞蘇丹草≈黑麥草＞高丹草≈狼尾草＞紫花苜蓿≈籽粒莧＞三葉草≈紫云英.4.3 高丹草、蘇丹草、狼尾草與空心菜間作后,空心菜莖葉中 Cd的消減率均超過 34%.不同草本植物與空心菜間作對土壤Cd移除率順序為:蘇丹草≈高丹草≈狼尾草＞苦賣菜＞菊苣≈黑麥草＞籽粒莧＞紫花苜蓿＞三葉草≈紫云英;高丹草、蘇丹草、狼尾草在Cd污染農(nóng)田土壤的間作修復(fù)中具有較好的應(yīng)用價值.