間作黑麥草-酸模對油菜生長及鎘富集的影響1

徐 年，詹林川，劉 娜，薛中俊，趙穎穎，胡宏祥，符小菲，李先藩，吳孟君

（安徽農業(yè)大學 資源與環(huán)境學院/農田生態(tài)保育與污染防控安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230036）

隨著礦產資源的開發(fā)利用、工業(yè)化規(guī)模的擴大及含重金屬農藥化肥的大規(guī)模使用，農田重金屬污染形勢日益嚴峻［1］.目前，我國約5000 萬hm2耕地受鎘、汞、砷、鉛等重金屬污染［2］，且鎘污染形勢嚴峻.鎘極易被植物吸收，對作物生長及人體健康存在極大威脅，因此對鎘污染土壤的修復研究具有重要意義［3-4］.

常見的重金屬修復方法有物理修復、化學修復及生物修復三種，生物修復中植物修復以其環(huán)境友好、綠色經濟等特點逐漸成為土壤原位修復的首選方式［5-6］.單一植物修復存在一定局限性，搭配相關農藝措施可更好發(fā)揮其修復效果.研究表明，間混套作不僅可以綜合利用光、熱、水、土資源，還可影響土壤重金屬生物有效性，抑制重金屬對作物毒害，從而實現邊修復邊生產的效果［7］.

目前國內外已見報道的間作體系組合中以豆科作物參與種植為主，關于油菜間套混作的研究較少［8］.陳興等［9］研究表明，富集植物小花南芥與蠶豆在鉛鋅礦區(qū)周邊農田間作時對土壤具有一定的修復效率.秦麗等［10］研究表明，土荊芥和蠶豆、玉米在重金屬脅迫下間作可促進土荊芥對土壤中Pb、Cd和Zn的吸收和積累，同時抑制作物對重金屬的吸收.上述研究表明，間作對土壤中重金屬離子的遷移及對土壤修復均具有一定影響.朱俊艷［11］等研究表明，十字花科蕓薹屬的油菜對土壤重金屬有較強的富集、轉運能力.綜上，前人研究主要集中在間作體系下探討不同豆科作物實現邊生產邊修復的可能性，而盆栽試驗條件下油菜間作對Cd污染土壤影響研究尚少見報道.本研究以安徽某鎘污染農田土壤為試驗用土，選用安徽污染區(qū)優(yōu)勢物種黑麥草、酸模和油菜為供試植物，通過油菜-黑麥草間作和油菜-酸模間作盆栽試驗，研究兩種間作處理對土壤理化性質、土壤有效Cd含量、油菜生長及油菜地上部吸收Cd的影響，綜合評估油菜間作種植對鎘污染土壤的修復效果及安全生產的可行性，以期為重金屬污染區(qū)農業(yè)安全生產提供一定數據支撐.

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試植物為油菜、黑麥草和酸模.油菜選用品種為中雙9號和浙油50，購自安徽省合肥豐樂種業(yè)有限公司，于2017年9月下旬育苗，播種前用10%的H2O2對種子消毒30 min，放光照培養(yǎng)箱育苗，待苗長到6～7 cm高時，挑選長勢良好、根系健全的幼苗進行盆栽試驗；黑麥草購自安徽省合肥市農資市場，播種前用10%的H2O2對種子消毒10 min，然后播種，進行盆栽試驗；酸模購自山東農業(yè)大學種苗培育站，播種前用10%的H2O2對種子消毒30 min，以蛭石與珍珠巖（1∶1）為培育基質，用霍格蘭營養(yǎng)液進行培養(yǎng)，待幼苗長出6片真葉時，挑選長勢良好、根系健全的幼苗進行盆栽試驗.

供試土壤采自安徽某礦區(qū)鎘污染農田.2017年10月初采集農田表層0～20 cm土壤，經風干后混勻磨碎，過2 mm尼龍篩.供試土壤理化性質：pH 5.71，有機質25.29 g/kg，堿解氮147.02 mg/kg，速效磷14.69 mg/kg，速效鉀75.99 mg/kg，全鎘5.83 mg/kg，有效鎘 4.07 mg/kg.可見，供試土壤養(yǎng)分達二級以上，土壤全鎘含量超過國家農用地土壤污染風險管制值（GB 15618-2018）.

1.2 試驗設計

按照實驗目的，以2種油菜分別與黑麥草、酸模進行間作試驗.盆栽試驗于2017年11月在安徽農業(yè)大學農萃園內正式進行.試驗設單作和間作，共計6個處理，即中雙9號（ZS9）單作、浙油50（ZY50）單作、中雙9號-黑麥草間作（ZS9-LP）、浙油50-黑麥草間作（ZY50-LP）、中雙9號-酸模間作（ZS9-RA）、浙油50-酸模間作（ZY50-RA）.試驗每盆裝土6.5 kg（烘干基），3次重復，共18盆.黑麥草每盆撒種子100粒，酸模每盆定苗2株，油菜每盆定苗2株.2018年5月10日，采集油菜地上部分（莖稈和籽粒）和對應的根際土樣.將樣品帶回實驗室，用于分析.

1.3 樣品分析與測定

土壤樣品除去石塊與植物根系，自然風干后，分別過1 mm和0.149 mm篩，用于土壤重金屬有效態(tài)含量及基本理化性質測定.收獲后的黑麥草、酸模、油菜分別用自來水、去離子水洗滌，然后105℃殺青30 min，在70℃下烘干至恒重，記錄干重，粉碎，過0.149 mm篩備用.

土壤全Cd采用硝酸—高氯酸—氫氟酸消解，土壤有效Cd采用DTPA浸提（V∶V=1∶2），植物樣品用硝酸—高氯酸消解（GB5009.13-2017），之后均采用等離子體發(fā)射光譜儀（ICAP 6000 Series，Thermo scientific）測定Cd含量.植物Cd累積特征用生物富集系數和富集量表示，生物富集系數=植物體內重金屬含量/土壤中重金屬含量；富集量=植株重金屬濃度×每盆生物量干重.土壤理化性質測定采用常規(guī)方法.

1.4 數據處理

試驗數據用Excel 2003進行常規(guī)處理，統(tǒng)計分析用SPSS 20.0進行，差異顯著性檢驗用Duncan法.

2 結果與分析

2.1 不同種植處理對土壤理化性質的影響

由表1可知，不同種植處理對土壤pH的影響存在差異.與土壤初始值相比，間作植物均能降低土壤pH，但差異沒有達到顯著水平（P>0.05），其中ZS9-LP處理使土壤pH降低最為顯著，其次是ZY50-LP處理.相比初始值，栽培植物可顯著提高土壤有機質含量（P<0.05）.其中，與酸模間作提高土壤有機質含量較多，較背景值提高了41.59%和38.76%；另外，栽培油菜均不同程度增加了土壤全氮含量，差異不顯著（P>0.05）.

表1 不同種植處理對土壤pH、有機質和全氮的影響

2.2 不同種植處理對油菜生物量的影響

由圖1可知，油菜ZS9單作處理生物量為68.40g/株，ZS9-RA和ZS9-LP處理的油菜生物量分別比ZS9單作處理增加了7.78%和4.75%；ZS9-RA和ZS9-LP處理油菜生物量之間的差異不顯著（P>0.05）.油菜ZY50單作處理生物量為71.51g/株，ZY50-RA和ZY50-LP處理的油菜生物量分別比ZY50單作處理增加了4.42%和5.48%；ZY50-RA和ZY50-LP處理油菜生物量之間的差異不顯著（P>0.05）.

圖1 不同種植處理對油菜生物量的影響

2.3 不同種植處理對土壤中Cd含量的影響

由圖2可知，不同種植體系下種植油菜均能降低土壤全Cd含量.ZS9-LP處理較對照降低幅度最大，為5.08 mg/kg，降低了12.81%；其次是ZS9-RA處理，全Cd含量降低了11.66%.不同間作處理中與植物間作的處理土壤全Cd含量降低較明顯，其降低幅度約為8.05%～12.81%.由于供試土壤鎘背景值較高，間作處理后土壤Cd含量仍較農用地土壤污染風險管制值存在差距.

不同種植體系下種植油菜均可改變土壤有效Cd含量.ZS9-LP處理較對照降低幅度最大，降低了32.92%；其次是ZS9單作處理，有效Cd含量降低了30.20%.不同間作模式下土壤有效Cd含量降低范圍為20.39%～23.53%，與土壤初始值相比降幅明顯（P<0.05），但各處理間差異不顯著（P>0.05）.

圖2 不同種植處理對土壤Cd含量的影響

2.4 不同種植處理對油菜地上部Cd含量的影響

2.4.1 不同種植處理對油菜莖稈Cd含量的影響

由表2可知，ZS9-RA和ZS9-LP處理油菜莖稈鎘含量分別比ZS9處理降低22.51%和12.95%，但各處理間油菜莖稈Cd含量差異不顯著；ZY50-RA和ZY50-LP處理油菜地上部鎘含量分別比ZY50處理低18.18%和12.22%，差異不顯著（P>0.05），各間作處理間酸模地上部鎘含量之間的差異不顯著（P>0.05）；兩種油菜處理地上部鎘含量之間差異不顯著（P>0.05）.

2.4.2 不同種植處理對油菜籽粒Cd含量的影響

油菜ZS9單作處理籽粒Cd含量為0.62mg/kg，ZS9-RA和ZS9-LP處理下油菜籽粒Cd含量分別比ZS9單作處理降低了41.94%和32.26%，且各處理間差異達顯著；油菜ZY50單作處理籽粒Cd含量為0.35mg/kg，ZY50-RA和ZY50-LP處理的油菜籽粒Cd含量分別比ZY50單作處理降低了34.62%和32.69%，低于ZY50處理，差別不顯著（P<0.05）；ZY50-RA和ZY50-LP處理油菜籽粒Cd含量之間的差異不顯著（P>0.05）.

表2 不同種植處理對油菜Cd含量的影響

2.5 不同種植處理對油菜Cd累積特征的影響

2.5.1 不同種植處理對生物富集系數的影響

生物富集系數是衡量植物提取重金屬潛力的重要指標之一.由圖3可知，ZS9-RA和ZS9-LP處理的油菜地上部鎘的生物富集系數分別比ZS9單作處理低22.81%和13.39%，差異不顯著（P>0.05）；ZY50-RA和ZY50-LP處理下油菜地上部鎘的生物富集系數分別比ZY50單作處理低17.70%和12.22%，差異不顯著（P>0.05）.綜合對比，油菜ZS9種植處理（單作或間作）提取土壤中Cd潛力更高，ZY50間作處理可提高油菜生產的安全性.

圖3 不同種植處理對植物生物富集系數的影響

2.5.2 不同種植處理對油菜Cd富集量的影響

由圖4可看出，油菜ZS9單作處理對Cd的富集量最大，為0.64mg，其次為ZS9-LP處理.ZS9-RA及ZS9-LP處理下油菜富集量較ZS9單作處理分別降低15.80% 和 8.19%，差異顯著（P<0.05）；ZS50-RA及ZS50-LP處理下油菜富集量較ZS50單作處理分別低14.04%和7.38%，差異顯著（P<0.05），油菜Cd富集量降低趨勢與油菜生物富集系數一致.整個間作系統(tǒng)中富集量由油菜富集量及植物富集量兩部分組成，在不考慮黑麥草、酸模的富集量，僅考慮油菜富集量時，單作的油菜富集潛力更明顯.但實際間作種植過程中，黑麥草及酸模吸收了一定量的Cd，整體修復效果較單作更突出.

圖4 不同種植處理對油菜富集量的影響

3 討論

不同種植處理對土壤pH影響差異雖不顯著，但幾乎均呈現降低趨勢。間作處理下土壤pH降低效果突出，這主要與交互栽培有關。油菜與其他植物間作，會影響植物及其根際微生物向根際土壤分泌有機酸、質子等物質，改變土壤微生物群落結構，繼而導致土壤酸化、土壤有機質含量等發(fā)生變化［12］。間作系統(tǒng)中油菜生物量增加，主要是由于黑麥草、酸模吸收了更多的Cd，為油菜生長提供了較為安全的環(huán)境，油菜獲得了更多養(yǎng)分［13-14］。

本研究中栽培油菜土壤全Cd含量均有所降低，說明選用油菜與間作植物均具有一定植物修復的潛力。栽培油菜ZS9（單作或間作）土壤中全Cd含量降低幅度較ZY50降低明顯，說明不同油菜品種對Cd的富集能力存在差異，ZS9油菜品種吸收Cd潛力更大，ZS9油菜品種更適合用于Cd污染土壤修復。幾種間作處理中，油菜吸收Cd能力大小順序呈現出間作＜單作的趨勢。間作時，黑麥草、酸模和油菜產生交互作用，黑麥草和酸模地上部對Cd的吸收量增加，油菜地上部吸收Cd的含量減少，可能是植物間作根系分泌的低分子量有機酸或酚類物質會影響重金屬離子在根-土界面上的吸附-解吸、配位-解離等，繼而改變土壤中重金屬的賦存形態(tài)，影響重金屬離子的遷移規(guī)律，從而降低作物體內重金屬的含量［15-16］。

本研究中間作使油菜Cd富集系數呈下降趨勢，可能是由于間作過程中，根際環(huán)境中的根系分泌物、根際微生物的類型和數量發(fā)生不同程度的變化，最終影響了油菜對Cd2+的吸收和轉運，造成油菜鎘含量與累積量的減少［17］。兩種間作體系均可降低油菜Cd富集量，但引起植株體內重金屬含量累積分配不一致現象的具體機理，還有待進一步論證。分析兩種油菜籽粒Cd含量可知，由于供試土壤鎘背景值較高，間作處理未達到邊生產邊修復的效果，但鎘低污染地區(qū)油菜間作模式安全生產具有一定可行性。

4 結論

（1）與單一栽培相比，間作處理在一定程度上能降低土壤pH，增加土壤有機質、土壤全N含量，同時增加油菜的生物量.

（2）栽培油菜可明顯降低土壤Cd含量，降低土壤Cd含量能力的順序依次為ZS9-LP>ZS9-RA>ZY50-LP>ZY50-RA>ZS9>ZY50.

（3）與單作相比，間作處理均能有效降低油菜莖稈及籽粒Cd含量.綜合比較，油菜間作種植推薦用于鎘低污染土壤修復與生產.