間作對伴礦景天與紅背桂花生長及鎘鋅吸收的影響

關(guān)元靜，劉鴻雁，孫曦，朱仁鳳，趙婕，張亞冰，吳龍華

（1.貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴陽550025；2.中國科學(xué)院南京土壤研究所土壤環(huán)境與污染修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210008；3.江蘇螢火蟲環(huán)境科技有限公司，南京210008）

因礦產(chǎn)采冶、工業(yè)“三廢”的排放及化肥不合理施用等導(dǎo)致的土壤重金屬污染日益嚴(yán)重，重金屬對生態(tài)系統(tǒng)和人體均有很大的危害，如Cd對人體具有很強(qiáng)的致癌作用[1]。植物修復(fù)技術(shù)具有成本較低、不破壞土壤結(jié)構(gòu)、修復(fù)過程中無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，是一種環(huán)境友好的修復(fù)技術(shù)[2]，現(xiàn)被廣泛應(yīng)用于土壤的重金屬污染修復(fù)，但植物吸取修復(fù)效率低、需連續(xù)多季重復(fù)種植超積累植物才能達(dá)到修復(fù)目標(biāo)，且需中斷農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，農(nóng)田的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出受到一定限制，是其不足之處。超積累植物與經(jīng)濟(jì)作物的間套作是植物修復(fù)的一種常用方式，可在修復(fù)過程中維持一定的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出。間作會使土壤中可溶性有機(jī)質(zhì)（DOM）、微生物、根系分泌物等發(fā)生變化，從而改變土壤中重金屬的形態(tài)及超積累植物對重金屬的吸收[3]。印度芥菜?油菜[4]，伴礦景天?莧菜[5]，東南景天與其他作物[6]等超積累植物?經(jīng)濟(jì)作物間作試驗(yàn)研究結(jié)果顯示，間作后修復(fù)效率較單作并未降低，可見超積累植物與經(jīng)濟(jì)作物間作在土壤修復(fù)中是可行的。觀賞植物一般具有較高環(huán)境適應(yīng)性且不進(jìn)入食物鏈，同時具有一定經(jīng)濟(jì)價值，將其用于土壤重金屬污染修復(fù)可以實(shí)現(xiàn)生態(tài)與經(jīng)濟(jì)的結(jié)合[7?9]，但目前超積累植物與觀賞植物的間作研究鮮有報(bào)道。

伴礦景天（Sedum plumbizincicola）是一種Cd、Zn超積累植物，耐陰，但在夏季高溫時生長緩慢甚至停止 生 長[10]。紅 背 桂 花（Excoecaria cochinchinensis Lour.）是一種原產(chǎn)自我國華南地區(qū)的木本園藝植物，具有一定的觀賞價值和經(jīng)濟(jì)價值，且其較高的樹形能夠?yàn)槠渌≈参锾峁┱陉帯Ｇ捌谡{(diào)研表明，紅背桂花在重金屬中度污染土壤上生長良好且其經(jīng)濟(jì)價值不受影響。兩者間作后可提高土地利用率，且紅背桂花能為伴礦景天遮陰以緩解夏季高溫的不利影響，促進(jìn)伴礦景天生長。因此，本文通過不同根系分隔方式下伴礦景天與紅背桂花盆栽間作試驗(yàn)，研究不同根系作用下二者生長及Cd、Zn吸收的變化，并同時開展田間間作試驗(yàn)比較田間條件下二者的生長和吸收差異，以期為超積累植物與觀賞植物的間作技術(shù)應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 田間試驗(yàn)區(qū)概況

田間試驗(yàn)研究區(qū)位于廣東省韶關(guān)市仁化縣，該區(qū)年平均氣溫19.6℃，年平均降雨量1 619.6 mm，無霜期305 d。區(qū)內(nèi)主要污染來源為鉛鋅礦開采和冶煉，目前已在受污染的農(nóng)田建設(shè)光伏板。在研究區(qū)域選取地勢平坦、無明顯積水、光伏板較高、易于板下操作的區(qū)域進(jìn)行小區(qū)試驗(yàn)，其土壤類型屬潛育水耕人為土，土壤中Cd的平均含量為1.54 mg·kg?1，Zn的平均含量為551 mg·kg?1，平均pH值為6.42。

1.2 供試材料

盆栽供試土壤采自廣東省北部某農(nóng)田0～20 cm耕層。土壤風(fēng)干后過2 mm篩、備用。土壤pH值為5.8，總Cd 4.12 mg·kg?1、總Zn 639 mg·kg?1，有效態(tài)Cd 0.55 mg·kg?1、有效Zn 41 mg·kg?1。

試驗(yàn)用紅背桂花扦插苗購自廣東省仁化縣粵北山茶園公司，高約30 cm，根系長度約10 cm，所用苗地上部Cd 4.71 mg·kg?1、Zn 108 mg·kg?1；試驗(yàn)所用伴礦景天枝條取自廣東省仁化縣董塘鎮(zhèn)某修復(fù)基地，枝條長5 cm，每個枝條的平均干質(zhì)量在0.15 g左右，Cd 897 mg·kg?1，Zn 6 844 mg·kg?1。紅背桂花植株高于伴礦景天，可對伴礦景天產(chǎn)生一定遮陰作用。

1.3 盆栽試驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

盆栽試驗(yàn)采用直徑25 cm、高30 cm的塑料花盆，共設(shè)5個處理，分別是：（1）伴礦景天（Sp）與紅背桂花（Ec）塑料板分隔間作（地上部作用，COP）；（2）伴礦景天與紅背桂花300目尼龍網(wǎng)分隔間作（土壤溶液作用，COM）；（3）伴礦景天與紅背桂花無分隔間作（完全相互作用，CO）；（4）紅背桂花單作（EcM）；（5）伴礦景天單作（SpM）。其中，兩種間隔處理在沿塑料花盆一縱切面分別設(shè)置塑料板和300目尼龍網(wǎng)，將花盆均分為兩部分，試驗(yàn)每盆裝土1.5 kg（烘干質(zhì)量）；無間隔間作處理和單作處理每盆裝土3 kg。間作處理每盆移栽伴礦景天和紅背桂花1株，分別種植于兩個分隔的部分（COP和COM處理）或與之對應(yīng)位置（CO處理）；單作處理每盆種植2株伴礦景天（EcM處理）或2株紅背桂花（SpM處理），種植于COP處理和COM處理對應(yīng)的位置。每處理設(shè)置5次重復(fù)，盆栽種植于廣東省仁化縣某修復(fù)基地，室外自然光照培養(yǎng)。2019年8月20日種植、12月15日收獲，時長115 d。盆栽直接承接降水，以自來水澆灌，使降水不足時土壤濕度保持在60%田間持水量。種植后將其隨機(jī)順序打亂放置，每周進(jìn)行一次位置更換。

1.4 田間間作試驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

試驗(yàn)布置為兩因素完全試驗(yàn)，分別為3個光照因素和3個植物配置因素（圖1）。光照因素即光伏板下不同位置的畦，植物配置因素分別為伴礦景天單作、紅背桂花單作、兩者間作。伴礦景天單作在每畦種植6行伴礦景天，行間距20 cm，行內(nèi)株距25 cm；紅背桂花單作在每畦種植2行紅背桂花，行間距60 cm，行內(nèi)株距50 cm；間作在每畦內(nèi)將兩種植物鑲嵌種植，每種植物行、株距與單作相同。每處理設(shè)置4個平行，共36個小區(qū)，單一小區(qū)面積為1.3 m×4 m=52 m2，試驗(yàn)布置如圖1。植物于2019年10月種植，2020年7月收獲。

1.5 樣品收集與分析

盆栽植物收獲時，測量植物株高，將植物樣品分為地上部和根系進(jìn)行收獲，根系以挖掘和抖土法與土壤分離。兩種植物根系具有明顯的形態(tài)差異，紅背桂花根直徑和木質(zhì)化程度均明顯高于伴礦景天，可以此對二者進(jìn)行區(qū)分。田間伴礦景天于7月份花期進(jìn)行收獲，測定地上部鮮質(zhì)量，洗凈烘干后測定干質(zhì)量和重金屬含量。每個小區(qū)內(nèi)取3株紅背桂花，洗滌烘干后測定干質(zhì)量和重金屬含量。

植物組織以自來水洗凈，再用去離子水沖洗2～3次，吸水紙吸干表面水分后稱取鮮質(zhì)量，75℃烘干至恒質(zhì)量。稱取干質(zhì)量，用不銹鋼粉碎機(jī)磨碎。在進(jìn)行根土分離的同時，將不進(jìn)行分隔處理（SpM、EcM）的每盆中的土壤進(jìn)行充分混勻，對進(jìn)行分隔處理（COP、COM）的盆栽中種植不同植物的每側(cè)土壤分別進(jìn)行充分混勻，然后取鮮土約200 g、風(fēng)干后過10目和100目篩，供土壤pH值與提取態(tài)和全量Cd、Zn測定。

pH值采用電位法測定，土水比為1∶2.5。樣品Cd、Zn全量測定消解：全量測定分別稱取植物和過100目的土壤樣品0.5 g和0.2 g，植物和土壤樣品分別以H2O2?HNO3（2 mL∶6 mL）和HCl?HNO3（5 mL∶5 mL）進(jìn)行消解、定容、過濾。土壤有效態(tài)Cd、Zn提?。翰捎?.01 mol·L?1CaCl2溶液提取，液土比為10∶1。火焰原子吸收分光光度計(jì)（Varian SpectrAA220FS）測定濾液中Zn、Cd濃度。測定所用試劑均為優(yōu)級純，采用國家參比物質(zhì)（GBW 10043和GBW 10014）和空白進(jìn)行Cd、Zn全量測定的質(zhì)量控制，標(biāo)準(zhǔn)樣品測定結(jié)果在允許誤差范圍內(nèi)。

1.6 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)分析在SPSS 10.0軟件中進(jìn)行，多組數(shù)據(jù)間首先進(jìn)行方差分析，隨后采用Duncan法進(jìn)行多重比較，差異顯著性水平為0.05。使用Excel 2016作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 盆栽條件下不同分隔間作對伴礦景天及紅背桂花生長狀況的影響

塑料板分隔和單作條件下，兩種植物的生物量、株高均顯著高于尼龍網(wǎng)分隔以及無分隔間作（表1），可見間作中兩種植物的根系作用對彼此的生長均有一定抑制作用。伴礦景天的地上部生物量指標(biāo)在單作和塑料板分隔條件下無顯著差異，說明紅背桂花的遮陰不影

響伴礦景天地上部的生長，但塑料板分隔處理中伴礦景天根部干質(zhì)量及鮮質(zhì)量均顯著高于其他處理。隨間作系統(tǒng)中兩種植物根系的相互作用增強(qiáng)，伴礦景天生長受到的抑制增加：4種處理中伴礦景天塑料板分隔處理中生物量最高為（71.4±6.9）g·株?1，地上部干質(zhì)量分別顯著高于尼龍網(wǎng)分隔及無分隔，達(dá)100%和149%；根干質(zhì)量顯著高于尼龍網(wǎng)分隔和無分隔處理，分別達(dá)11.6%和39.8%。相同處理中，紅背桂花生長趨勢與伴礦景天相似，其中塑料板分隔處理的地上部干質(zhì)量顯著高于尼龍網(wǎng)分隔和無分隔處理59.0%和38.4%。

表1 盆栽試驗(yàn)不同處理下植株生物量的變化Table 1 Changesof plant biomass in different treatments under pot experiment condition

2.2 盆栽條件下不同分隔間作對伴礦景天與紅背桂花Cd、Zn吸收性的影響

無分隔處理下的伴礦景天地上部Cd含量最高，為595 mg·kg?1，較塑料板分隔、尼龍網(wǎng)分隔以及伴礦景天單作3個處理分別高45.3%、44.9%、58.5%（圖2A），差異顯著；不同處理間伴礦景天地上部Zn含量無顯著差異（圖2C）。伴礦景天根系Cd含量在塑料板分隔條件下最高，顯著高于其他3個處理；而Zn含量則在尼龍網(wǎng)分隔和無分隔處理中較高。紅背桂花地上部Cd含量在無分隔處理下最高，顯著高于單作14.9%，但與其他兩個處理間差異不顯著（圖2B），在間作處理中，紅背桂花根系Cd含量隨根系相互作用增強(qiáng)而增高，表現(xiàn)為無分隔條件下其根系Cd含量顯著高于其他3個處理。與之相反，Zn濃度隨根系相互作用的增強(qiáng)而降低。4個處理間地上部Zn含量未見顯著差異（圖2D）。

伴礦景天地上部對Cd、Zn的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)大于1，富集系數(shù)分別為115和15，符合超積累植物特性。而紅背桂花對Cd、Zn的積累主要在根部，地上部轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)小于1，但對Cd具有一定的富集效應(yīng)，富集系數(shù)為2.49。以兩種植物地上部干質(zhì)量和Cd、Zn含量計(jì)算其地上部每株的吸收量（表2）。單株伴礦景天吸收Cd和Zn的量均以塑料板分隔條件下最高，分別為（1.90±0.11）mg·株?1和（29.2±2.5）mg·株?1，比伴礦景天單作處理?xiàng)l件下單株吸收量高28.3%和14.0%，且顯著高于尼龍網(wǎng)分隔和無分隔兩個處理。與此同時，紅背桂花每株吸收Cd和Zn的最高量也均以塑料板分隔條件下最高，為（0.10±0.01）mg·株?1和（1.9±0.4）mg·株?1，顯著高于其他3個處理，分別較紅背桂花單作處理高100%和46.1%（表2）。

表2 盆栽條件下植物地上部的重金屬吸收量Table 2 Heavy metals uptake in plant shoots under pot experiment condition

2.3 盆栽條件下不同分隔間作方式對土壤pH值和土壤全量與CaCl2提取態(tài)Cd、Zn濃度的影響

無分隔間作條件下盆栽內(nèi)土壤pH值最低為5.37，顯著低于紅背桂花單作處理（5.72），其他處理間及同一處理不同側(cè)間土壤pH值無顯著差異（表3）。

由表3可知，伴礦景天單作處理中土壤Cd全量較種植前下降0.41 mg·kg?1，修復(fù)效率達(dá)9.9%。在兩個單作處理（伴礦景天單作和紅背桂花單作）及塑料板分隔處理中伴礦景天側(cè)土壤Cd全量顯著低于紅背桂花側(cè)，表明伴礦景天對土壤Cd的吸收強(qiáng)于紅背桂花。土壤CaCl2提取態(tài)濃度與其全量變化趨勢相似，亦呈現(xiàn)伴礦景天對土壤有效態(tài)Cd的吸收更強(qiáng)。盆栽土壤中Zn全量并未在處理間呈現(xiàn)顯著差異。紅背桂花單作處理中土壤CaCl2提取態(tài)Zn顯著高于伴礦景天40.4%；在兩個分隔間作處理（塑料板分隔、尼龍網(wǎng)分隔）中伴礦景天側(cè)土壤CaCl2提取態(tài)Zn均顯著低于其紅背桂花側(cè)，表明伴礦景天對土壤有效態(tài)Zn也存在吸收耗竭作用。

2.4 田間間作對伴礦景天與紅背桂花的生長及Cd、Zn吸收的影響

田間間作時伴礦景天與紅背桂花的生長未受影響（表4），二者的地上部干質(zhì)量在間作和單作之間無顯著差異，不同光照因素下也未見顯著差異。地上部植物的Cd、Zn含量各處理間也未見顯著差異。由此可見，與盆栽間作不同，在實(shí)際生產(chǎn)中伴礦景天與紅背桂花間作對二者的生物量以及對重金屬的吸收無顯著影響。

3 討論

3.1 盆栽條件下不同根系分隔間作及田間間作對伴礦景天和紅背桂花生長的影響

間作是一種常見的農(nóng)藝措施，可通過物種間的互補(bǔ)優(yōu)勢充分利用土地、光照、水分等自然資源，獲得更大的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出。當(dāng)超積累植物與農(nóng)作物輪作、間套作時，利用間套作植物改善超積累植物的光、熱、水分和根際環(huán)境條件，能夠提高修復(fù)效率，實(shí)現(xiàn)邊生產(chǎn)邊修復(fù)[11?13]。部分研究認(rèn)為間作對超積累植物生長具有促進(jìn)作用，例如黑麥草促進(jìn)了與其間作的天藍(lán)遏藍(lán)菜（Noccaea caerulescens）的生長[14]；也有研究認(rèn)為超積累植物與間作植物相互抑制，如間作后毛南幼竹與伴礦景天的生物量同時出現(xiàn)了下降的情況[15]。超積累植物與作物間的養(yǎng)分競爭可能是造成二者生物量下降的主要因素之一，有學(xué)者認(rèn)為，毛南幼竹與伴礦景天間作盆栽中空間的局限造成了二者根系空間養(yǎng)分競爭過于激烈，導(dǎo)致生物量下降[15]。此外，化感物質(zhì)也可能是間作植物抑制超積累植物生長的機(jī)制。紅背桂花體內(nèi)含有多種酚酸、萜類等次生代謝產(chǎn)物[16]，這些物質(zhì)可能通過潛在的化感作用對伴礦景天的生長產(chǎn)生一定的不利影響，這有待進(jìn)一步研究證實(shí)。間作亦影響超積累植物根際微生物的群落組成、功能，這可能也是二者相互作用的機(jī)制之一[17]。研究表明，不同分隔間作改變作物根系形態(tài)，從而增加了作物水分和養(yǎng)分吸收的有效空間，影響了間作植物的生物量[18]。在不同分隔間作中發(fā)現(xiàn)，蠶豆的根系分泌物柚皮素在低氮環(huán)境下分泌量差異顯著，在無分隔及尼龍網(wǎng)分隔條件下根系分泌物增加，促進(jìn)生長的效果增強(qiáng)[19]。本試驗(yàn)中，間作處理下隨伴礦景天與紅背桂花根系相互作用增強(qiáng)（塑料板分隔、尼龍網(wǎng)分隔、無分隔），伴礦景天生物量逐漸下降，可能是根系形態(tài)發(fā)生變化以及根系分泌物量有所改變造成的，同時也說明不同間作方式對不同超積累植物生長和重金屬吸收的影響各異[20?21]。除根系相互作用外，伴礦景天和紅背桂花地上部相互作用也可對彼此生長產(chǎn)生影響。以塑料板分隔條件下（僅存在地上部相互作用）二者的生物量最大，可能是高稈的紅背桂花通過遮陰緩解了高溫對伴礦景天生長的不良影響。在盆栽間作中伴礦景天隨著二者根系相互作用的增強(qiáng)，其生長及重金屬吸收受到的抑制作用逐漸增強(qiáng)。而伴礦景天與紅背桂花在田間間作時二者的地上部干質(zhì)量及對Cd、Zn的吸收較單作均沒有顯著差異（表4）?？赡苁且?yàn)榧t背桂花為常綠灌木，根系垂直分布較深[22]，伴礦景天屬于景天科植物，根系為須狀[23]，二者具有不同的植物形態(tài)特征，地上部冠層（高和矮）及地下部根系在土壤空間上垂直生長及橫向生長，均可以緩解間作帶來的資源競爭和根系之間的相互作用[24?25]。將地下部根系生態(tài)位不同的植物進(jìn)行間作，能有效緩解地下部的競爭及化感作用，達(dá)到增產(chǎn)或不減產(chǎn)的效果[26]。本文田間試驗(yàn)時，伴礦景天與紅背桂花間作時根系之間作用不明顯，對伴礦景天的生長和Cd、Zn的吸收無顯著促進(jìn)或抑制作用，在不影響修復(fù)效率的同時紅背桂花能帶來一定經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出。這可能是因?yàn)樘镩g條件下兩種植物的間作距離較遠(yuǎn)，根系接觸概率較低，后續(xù)可以研究不同間作距離對二者間作的影響。

表3 盆栽條件下土壤pH和全量與氯化鈣提取態(tài)Cd/Zn濃度變化Table 3 Changes of soil pH and total and CaCl2 extractable Cd and Zn concentrations under pot experiment condition

表4 田間植物生物量及重金屬濃度（n=4）Table 4 Plant biomass and heavy metal concentrations under field solar panel conditions（n=4）

3.2 盆栽不同根系分隔間作對伴礦景天和紅背桂花Cd、Zn吸收及土壤Cd、Zn含量的影響

本試驗(yàn)中，間作處理下隨伴礦景天與紅背桂花根系相互作用增強(qiáng)（塑料板分隔、尼龍網(wǎng)分隔、無分隔），兩種植物Cd和Zn吸收量均顯著下降（表2），可能是因?yàn)槎吒瞪L受到抑制以及二者根系共存時可能存在Cd與Zn吸收的競爭。伴礦景天在無分隔間作時地上部Cd含量較其他處理高（圖2A），可能是該處理中二者生物量生長的稀釋作用較弱造成的，陳國皓等[27]對伴礦景天與玉米的間作研究中也出現(xiàn)了相似的狀況。有研究表明，伴礦景天降低了輪作與間作作物可食部分（小麥、茄子）的重金屬濃度，可能是超積累植物的競爭性吸收導(dǎo)致的[28]。

超積累植物與其他植物間作時可通過根系分泌物、土壤微生物、土壤酶活性、土壤pH值等影響植物對重金屬的吸收[29]。超積累植物與豆科植物間作后，根際的固氮、修復(fù)效率也有所提高，東南景天與小麥、大豆等植物間作后，土壤酶活性、土壤中氮磷等元素的有效態(tài)提高，土壤中的pH值降低、DOM含量明顯增加，使得土壤中的重金屬溶解性增加，提高了修復(fù)效率，促進(jìn)了東南景天的生長[6，30]。在本試驗(yàn)中，無分隔間作處理時土壤pH值低于其他處理，二者根系共存時根系有機(jī)酸分泌等過程可能發(fā)生變化，導(dǎo)致處理間的土壤pH值差異。在蜈蚣草與其他植物間作時發(fā)現(xiàn)，土壤中的微生物群落變化也對重金屬的吸收有顯著影響[31]。低積累品種玉米與蜈蚣草間作修復(fù)砷污染時，玉米對草酸及酒石酸兩種有機(jī)酸的分泌量影響較大，從而改變了土壤中有效態(tài)砷的含量，提高了蜈蚣草對砷的吸收[32]。本試驗(yàn)中，伴礦景天生長側(cè)土壤中有效態(tài)Cd及Zn均低于紅背桂花的生長側(cè)，是由于伴礦景天對Cd和Zn的大量吸收耗竭造成的；此外，紅背桂花單作時土壤有效態(tài)Cd及Zn含量最高，高于種植前土壤Cd及Zn的CaCl2提取態(tài)，表明紅背桂花根系對土壤Cd、Zn可能具有一定的活化效應(yīng)，但由于本試驗(yàn)未設(shè)置未種植植物處理，無法排除無根系作用時土壤培養(yǎng)過程中的Cd、Zn形態(tài)變化因素，因此還需要進(jìn)一步研究證明。

4 結(jié)論

（1）盆栽條件下，塑料板分隔下伴礦景天生物量最高，每株的Cd、Zn吸收量也最高，較伴礦景天單作顯著提高28.3%和14.0%，這是因?yàn)楦叨挼募t背桂花為伴礦景天遮陰，緩解了高溫帶來的不良生長影響，從而提高了伴礦景天生物量及Cd、Zn的吸收量。

（2）隨根系相互作用的增強(qiáng)，間作處理紅背桂花對伴礦景天生長和Cd、Zn吸收的抑制逐漸增強(qiáng)，紅背桂花的生長及重金屬吸收趨勢與伴礦景天相似。

（3）田間條件下間作時兩種植物的生長和對重金屬的吸收并無顯著的相互影響，說明在此合適間作距離下田間伴礦景天與紅背桂花間作是可行的，可兼顧污染土壤的重金屬去除修復(fù)和花卉植物的較高經(jīng)濟(jì)效益。