超積累東南景天與油料作物輪間作修復(fù)農(nóng)田鎘鉛污染的技術(shù)模式研究

童文彬，曹雪蕊，江建鋒，王小子，劉國(guó)群，宋建忠，AFSHEEN Zehra，楊肖娥

（1.衢州市衢江區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，浙江 衢州324000；2.浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，環(huán)境修復(fù)與生態(tài)健康教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州310058；3.衢州市柯城區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，浙江 衢州324000；4.衢州市衢江區(qū)蓮花鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)公共服務(wù)中心，浙江 衢州324000）

東南景天（Sedum alfredii）是我國(guó)一種原生的鋅（Zn）/鎘（Cd）超積累、鉛（Pb）富集植物，最早發(fā)現(xiàn)于我國(guó)東南地區(qū)的古老鉛鋅礦區(qū)[1]。通過(guò)自然進(jìn)化，東南景天莖葉中的Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)可高達(dá)9 000 mg/kg[2]，Pb 質(zhì)量分?jǐn)?shù)可高達(dá)1 167 mg/kg[3]，且其環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，是一種理想的植物修復(fù)材料，但是在實(shí)際的田間應(yīng)用過(guò)程中，仍然存在修復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)、對(duì)深層土壤修復(fù)能力較弱等問(wèn)題。為縮短修復(fù)周期，進(jìn)一步提升其修復(fù)效率，可以采取一些強(qiáng)化修復(fù)的措施?，F(xiàn)有的強(qiáng)化修復(fù)技術(shù)大致可以歸類(lèi)為物理、化學(xué)、生物和農(nóng)藝措施強(qiáng)化等，其中：農(nóng)藝措施強(qiáng)化安全性較高，成熟度較好，實(shí)際應(yīng)用前景更為廣闊，而生物強(qiáng)化也是目前植物修復(fù)的熱點(diǎn)。

已有的研究表明：通過(guò)將超積累植物與農(nóng)作物合理間套作，可以顯著提高土壤重金屬的修復(fù)效率，同時(shí)，還能降低植物可食部位的重金屬積累量[4-5]。合理的農(nóng)藝措施及微生物組合的強(qiáng)化技術(shù)模式，能夠有效提高東南景天的提取修復(fù)效率：施用混合螯合劑顯著提高了玉米套種模式下東南景天對(duì)Cd、Pb 的修復(fù)效率[6]；在盆栽條件下于東南景天-紫苜蓿間套作系統(tǒng)中接入具有促生作用的微生物RC6b，對(duì)Cd的修復(fù)效率達(dá)到了31.0%，與不接種的對(duì)照相比，其對(duì)Cd 的修復(fù)效率提高了46.3%[7]。而對(duì)于田間條件下，東南景天與油料作物輪間作的研究甚少。且前人對(duì)于重金屬修復(fù)的研究多數(shù)集中在單一重金屬領(lǐng)域，對(duì)于復(fù)合污染農(nóng)田土壤的修復(fù)研究較少。此外，在污染程度較高的農(nóng)田土壤上，單獨(dú)種植東南景天的人工成本高，且沒(méi)有經(jīng)濟(jì)效益，容易引起農(nóng)戶(hù)的不滿(mǎn)，不易于推廣。而配合農(nóng)藝措施及微生物等強(qiáng)化修復(fù)措施，不僅能夠降低修復(fù)成本，還能在保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的同時(shí)，有效提高東南景天的修復(fù)效率，顯著縮短修復(fù)年限，達(dá)到“邊生產(chǎn)邊修復(fù)（phytoremediation coupled with agro-production,PCA）”的目的。因此，本研究在田間條件下結(jié)合有機(jī)物料強(qiáng)化及特異微生物強(qiáng)化，采用東南景天與油菜、油葵等油料作物輪間作的“邊生產(chǎn)邊修復(fù)”種植模式，探索實(shí)用性較高的可推廣的農(nóng)田土壤Cd、Pb污染修復(fù)技術(shù)，旨在為用東南景天修復(fù)農(nóng)田土壤重金屬的大面積推廣提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試植物：植物材料選用超積累型東南景天，采自浙江省衢州市上方鎮(zhèn)古老鉛鋅礦區(qū)，于大棚內(nèi)采用蛭石、泥炭等混合基質(zhì)扦插培養(yǎng)繁育所得的一代種苗。供試油菜（Brassica napusL.）品種為‘浙油50’，購(gòu)自浙江農(nóng)科種業(yè)有限公司。供試油葵（Helianthus annuusL.）品種為‘華農(nóng)HN矮巨人’，購(gòu)自北京圣凱華農(nóng)科技有限公司。

供試菌劑：所用菌種為SaMR12，屬鞘氨醇單胞菌，具有產(chǎn)生吲哚乙酸（indoleacetic acid, IAA）、溶解土壤磷酸鹽、分泌纖維素酶等多種功能。將供試的內(nèi)生菌接種于無(wú)菌LB（Luria-Bertani）液體培養(yǎng)基中，于30 ℃、180 r/min條件下用搖床培養(yǎng)24 h，然后用無(wú)菌水稀釋?zhuān)瞥蓾舛葹?×108CFU/mL的懸浮液，待用。

供試有機(jī)物料：根據(jù)前期篩選結(jié)果，選擇發(fā)酵酒糟肥（浙江省紹興柯橋科農(nóng)復(fù)合肥有限公司提供）、柑橘加工下腳料（浙江省衢州市衢江區(qū)天圣植物提取有限公司提供，為柑橘落果被提取黃酮后的殘?jiān)⒔?jīng)過(guò)中和及堆肥發(fā)酵處理）、發(fā)酵腐熟菜籽粕（購(gòu)自杭州植草堂園藝店）、草木灰（購(gòu)自河南省南陽(yáng)農(nóng)家批發(fā)店，原料為小麥秸稈）等配方有機(jī)物料，按照質(zhì)量比4∶3∶2∶1混合發(fā)酵而成[8]。

供試土壤：試驗(yàn)所在地位于浙江省衢州市衢江區(qū)蓮花鎮(zhèn)（29°03′N(xiāo)，119°00′E），土壤類(lèi)型為老黃筋泥，其基本理化性質(zhì)采用常規(guī)分析方法測(cè)定[9]，結(jié)果如表1所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，設(shè)置3種種植模式，即東南景天單作（P1）、東南景天-油菜間作（P2）和東南景天/油葵輪作（P3），每種種植模式設(shè)置強(qiáng)化處理（施用配方有機(jī)物料，噴施內(nèi)生菌液）和對(duì)照（施用等量商品有機(jī)肥，噴施等量清水），共6個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，每個(gè)小區(qū)面積為1.2 m×9.0 m。

表1 供試土壤基本理化特征Table 1 Basic physicochemical characteristics of the tested soil

試驗(yàn)開(kāi)始前在強(qiáng)化處理組地塊施用配方有機(jī)物料，對(duì)照組施用當(dāng)?shù)仄胀ㄉ唐酚袡C(jī)肥，用量均為1 000 kg/667 m2，并施用30 kg/667 m2黃腐酸緩釋復(fù)合肥（15-15-15），之后進(jìn)行精細(xì)除草、翻耕、整地。于2017 年9 月28 日移栽東南景天，種植密度為30萬(wàn)株/hm2（株行距18.3 cm×18.3 cm），生長(zhǎng)至2018年5 月18 日開(kāi)花前期，將所有東南景天移出。油菜于2017 年9 月28 日通過(guò)大田播種育苗，11 月8 日移栽，每壟種植3行油菜，株行距30 cm×40 cm，與東南景天按1∶1 條帶間作種植，2018 年5 月10 日油菜進(jìn)入成熟期后收獲。油葵于2018 年5 月18 日采用穴播的方式輪作種植，每壟種3 行，株行距30 cm×40 cm，8月28日油葵成熟后移除秸稈。植物生長(zhǎng)期間控制雜草長(zhǎng)勢(shì)并做好田間水分管理。其中，強(qiáng)化處理組分別在2017 年11 月8 日、2018 年3 月3 日和4 月19 日對(duì)油菜和東南景天噴施促生內(nèi)生菌劑，在2018 年6 月25 日和7 月25 日對(duì)油葵噴施促生內(nèi)生菌劑，對(duì)照組則噴施等量清水。噴施時(shí)間選擇在下午5點(diǎn)前后，用量1 L/667 m2，兌水30 L，均勻噴施至植物葉片表面。

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 植物

植株成熟后，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選定1 m2，收獲其中所有的東南景天、油葵及油菜，稱(chēng)量并記錄，再均勻取部分樣品測(cè)定含水率，計(jì)算每公頃干物質(zhì)產(chǎn)量。

收獲的同時(shí)，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)采集長(zhǎng)勢(shì)均勻且具有代表性的6 株植株制作混合樣品，采樣時(shí)沿植株與土壤接觸面處直接剪下。首先用自來(lái)水洗去植株表面浮土和重金屬等雜質(zhì)，然后用去離子水清洗3 遍。再用吸水紙擦干表面水分，稱(chēng)量并記錄植株鮮質(zhì)量。接著裝入信封中封口，放入65 ℃烘箱中烘至恒量后取出，稱(chēng)量并記錄干物質(zhì)量。最后用高通量研磨機(jī)完全粉碎，并過(guò)60 目尼龍網(wǎng)篩，用于后續(xù)重金屬含量的測(cè)定。

植株樣品重金屬含量的測(cè)定：稱(chēng)取0.1 g樣品至聚四氟乙烯植物消煮管中，加入5 mL HNO3、1 mL H2O2后放置過(guò)夜以進(jìn)行預(yù)消解，同時(shí)，將標(biāo)準(zhǔn)芹菜樣品（GBW10048）作為參照。將其放入EH-30G石墨消解儀內(nèi)，于120 ℃條件下消煮8 h至液體澄清透明。打開(kāi)聚四氟乙烯管蓋，繼續(xù)加熱趕酸至液體剩1 mL左右，用去離子水稀釋定容。東南景天樣品用iCAP6000電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀[賽默飛世爾科技（中國(guó)）有限公司]測(cè)定Cd、Pb含量。油葵和油菜樣品中Cd、Pb含量采用7500a型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（美國(guó)Agilent公司）測(cè)定。

1.3.2 土壤

在每種模式修復(fù)前后，在每個(gè)小區(qū)分別用蛇形法采集0～20 cm耕層土壤樣品，于室內(nèi)條件下自然風(fēng)干后磨細(xì)，除去動(dòng)植物殘?bào)w及石礫等雜質(zhì)，分別過(guò)20 目及100 目尼龍網(wǎng)篩，分析土壤重金屬Cd、Pb總量及其有效態(tài)含量。

稱(chēng)取0.2 g 土壤樣品至密封的聚四氟乙烯土壤消煮罐中，加入5 mL HNO3、1 mL HF和1 mL HClO4，放入水熱合成反應(yīng)釜并擰緊，同時(shí)，將標(biāo)準(zhǔn)土壤GSS-5（GBW07405）作為參照。將其放入180 ℃高溫烘箱內(nèi)10 h至消煮完全。取出聚四氟乙烯罐，于電熱板上以120 ℃加熱趕酸，直至液體剩1 mL 左右。稀釋定容，用7500a 型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測(cè)定Cd 含量，用iCAP6000 電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測(cè)定Pb含量。

土壤有效態(tài)Cd、Pb 含量的測(cè)定采用二乙基三胺五乙酸（diethylenetriaminepentaacetic acid,DTPA）浸提法。稱(chēng)5.0 g 土壤樣品，加入25 mL DTPA 浸提液（0.005 mol/L DTPA＋0.01 mol/L CaCl2＋0.1 mol/L三乙醇胺），放置于恒溫振蕩搖床內(nèi)以20 ℃、200 r/min振蕩2 h，經(jīng)0.45 μm濾器過(guò)濾后，采用7500a型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測(cè)定有效態(tài)Cd、Pb含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2013 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，利用Origin 8.5進(jìn)行制圖；采用SPSS 20.0進(jìn)行方差分析，利用鄧肯多重比較法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，P＜0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物地上部產(chǎn)量及生長(zhǎng)情況

2.1.1 東南景天

圖1 反映了不同模式下東南景天的生長(zhǎng)情況。由于東南景天-油菜模式采用1∶1間作的方式種植，因此，東南景天實(shí)際產(chǎn)量明顯小于其他2種模式。但是在內(nèi)生菌劑強(qiáng)化處理下，單種東南景天和東南景天/油葵輪作模式下東南景天產(chǎn)量為3 815.8 和3 769.0 kg/hm2，而東南景天-油菜修復(fù)模式下東南景天產(chǎn)量也達(dá)到了2 062.3 kg/hm2，分別為其他2 種模式下的54.0%和54.7%。從單位產(chǎn)量看，東南景天-油菜間作系統(tǒng)中東南景天表現(xiàn)出了一定的增產(chǎn)效果。且與對(duì)照組相比，東南景天單種、東南景天-油菜間作和東南景天/油葵輪作強(qiáng)化修復(fù)模式下東南景天產(chǎn)量均有顯著增加（P＜0.05），分別增產(chǎn)了22.1%、20.2%和25.5%。說(shuō)明強(qiáng)化處理在田間條件下對(duì)東南景天同樣具有一定的增產(chǎn)效果。

2.1.2 油菜和油葵

對(duì)于東南景天-油菜與東南景天/油葵2 種輪間作修復(fù)模式，強(qiáng)化處理對(duì)油菜和油葵同樣表現(xiàn)出了一定的增產(chǎn)效果（圖2）。油菜與油葵的秸稈產(chǎn)量較為接近，在非強(qiáng)化處理時(shí)，兩者的產(chǎn)量分別為3 877.7 和3 365.8 kg/hm2，而在強(qiáng)化處理時(shí)，兩者產(chǎn)量達(dá)到了4 899.2和4 533.0 kg/hm2，產(chǎn)量增加幅度達(dá)26.3%和34.7%。相較于油葵籽粒產(chǎn)量，油菜籽粒產(chǎn)量較低，但強(qiáng)化處理均顯著提高了油菜和油葵的籽粒產(chǎn)量（P＜0.05）。對(duì)于油菜籽粒，對(duì)照組產(chǎn)量達(dá)1 867.9 kg/hm2，而強(qiáng)化處理組產(chǎn)量達(dá)到了2 206.1 kg/hm2，較對(duì)照組增加了18.1%。對(duì)于油葵籽粒，對(duì)照組產(chǎn)量達(dá)2 867.5 kg/hm2，而強(qiáng)化處理組產(chǎn)量達(dá)到了3 432.2 kg/hm2，增產(chǎn)了19.7%。

圖1 不同修復(fù)模式下東南景天地上部產(chǎn)量Fig.1 Shoot yield of S. alfredii under different remediation patterns

圖2 不同修復(fù)模式下油菜和油葵地上部產(chǎn)量Fig.2 Shoot yield of oilseed rape and sunflower under different remediation patterns

2.2 植物地上部重金屬Cd 和Pb 吸收積累情況

2.2.1 東南景天地上部Cd 和Pb 含量

不同修復(fù)模式下東南景天地上部Cd、Pb含量如圖3所示。在P2模式下，不論是對(duì)照組還是強(qiáng)化處理組，東南景天地上部Cd 含量均有稍微的提高，但不同處理之間東南景天地上部Cd、Pb含量并沒(méi)有達(dá)到顯著性差異水平（P＞0.05）。由此可見(jiàn)，強(qiáng)化處理使東南景天地上部生物量提高的同時(shí)，其地上部吸收和積累Cd、Pb的能力也得到了相應(yīng)的提高，從而使東南景天地上部重金屬含量仍然能夠保持相對(duì)穩(wěn)定。

圖3 不同修復(fù)模式下東南景天地上部Cd和Pb含量Fig.3 Shoot Cd and Pb contents of S. alfredii under different remediation patterns

2.2.2 油菜和油葵地上部Cd 和Pb 含量

油菜與油葵地上部各部位的Cd含量差異較為明顯（圖4）。總體而言，油菜地上部各部位的Cd含量小于油葵，并且兩者秸稈中Cd含量均顯著高于籽粒，但強(qiáng)化處理對(duì)油菜及油葵地上部Cd含量的影響并不顯著。此外，油菜秸稈含Cd量約為2.425 mg/kg，而油葵秸稈含Cd 量約為5.021 mg/kg，約為油菜秸稈含Cd 量的2.07 倍。油葵籽粒含Cd 量同樣很高，平均達(dá)1.727 mg/kg，而油菜籽粒中僅為0.097 mg/kg，兩者相差近17.8倍。由此可見(jiàn)，油葵在具有更高的Cd修復(fù)效率的同時(shí)，其籽粒對(duì)Cd 的富集量也相對(duì)較高。由于油用向日葵并不直接食用，而是用于提取葵花籽油等加工制造業(yè)中，所以其籽粒中的重金屬所帶來(lái)的健康風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低。

圖4 不同修復(fù)模式下油菜和油葵不同部位Cd含量Fig.4 Cd contents in different parts of oilseed rape and sunflower under different remediation patterns

油菜與油葵各部位Pb含量變化趨勢(shì)與Cd基本一致。秸稈中Pb含量均顯著高于籽粒，且油葵各部位Pb 含量也都高于油菜。與Cd 含量不同的是，油葵秸稈Pb 含量在強(qiáng)化處理下顯著提高（P＜0.05），由7.363 mg/kg（對(duì)照）提高到8.742 mg/kg，提升幅度達(dá)18.73%。相對(duì)于Cd 含量，油葵籽粒中的Pb 含量相對(duì)較少，平均僅為0.241 mg/kg，但仍高于油菜籽粒中的含Pb量（0.081 mg/kg）（圖5）。

2.2.3 不同修復(fù)模式對(duì)Cd 與Pb 的提取效率

不同修復(fù)模式對(duì)于土壤Cd 的提取量明顯大于Pb。由圖6可見(jiàn)：在強(qiáng)化處理?xiàng)l件下，東南景天單種、東南景天-油菜間作和東南景天/油葵輪作3種種植模式對(duì)Cd 的提取量均顯著高于對(duì)照組（P＜0.05），分別提高了19.4%、25.2%和20.9%。此外，東南景天-油菜種植模式的Cd 提取量分別為196.2 g/hm2（對(duì)照）和245.6 g/hm2（強(qiáng)化），修復(fù)效率為其他2 種模式的60%左右。在所有修復(fù)模式中，東南景天/油葵強(qiáng)化修復(fù)模式的Cd 提取量最高，達(dá)到了394.8 g/hm2，比其他模式高3.1%～101.0%。

圖5 不同修復(fù)模式下油菜和油葵不同部位Pb含量Fig.5 Pb contents in different parts of oilseed rape and sunflower under different remediation patterns

不同修復(fù)模式下Pb積累量差別較大，不同處理之間也有顯著差異（圖7）。在對(duì)照處理下，東南景天/油葵修復(fù)模式Pb 提取量達(dá)到了90.4 g/hm2，而東南景天在單種修復(fù)模式下僅為65.9 g/hm2；在強(qiáng)化種植模式下，東南景天/油葵修復(fù)模式Pb 提取量達(dá)110.2 g/hm2，比東南景天單種模式Pb提取量顯著提高30.1%。油菜對(duì)Pb也有一定的提取效果，但效果略遜于油葵。東南景天-油菜間作種植方式在對(duì)照與強(qiáng)化處理下，其地上部Pb 提取量分別為46.2 和53.7 g/hm2，強(qiáng)化處理顯著提高了東南景天-油菜種植模式下Pb的提取效果，提高率達(dá)16.2%。與對(duì)Cd的修復(fù)效果類(lèi)似，在所有模式中，東南景天/油葵輪作強(qiáng)化修復(fù)模式對(duì)Pb的提取效率同樣最高，與其他修復(fù)模式相比，提高了22.0%～139.0%。

2.2.4 不同修復(fù)模式下植物地上部Cd 和Pb 富集系數(shù)

不同修復(fù)模式下3 種植物對(duì)Cd 和Pb 的富集系數(shù)如表2所示。不同植物對(duì)Cd的富集系數(shù)均顯著高于Pb。在該土壤上種植的東南景天地上部Cd富集系數(shù)為127.5～148.9，而Pb的富集系數(shù)僅為0.137～0.167，兩者相差近1 000倍。油菜與油葵地上部Cd富集系數(shù)也同樣高于Pb富集系數(shù)，兩者差值分別約達(dá)到了200 倍和100 倍。從Cd 富集系數(shù)來(lái)看，東南景天比油菜和油葵的Cd富集系數(shù)高出約40倍和20倍，3種植物之間Cd富集系數(shù)存在極顯著差異。而從Pb富集系數(shù)來(lái)看，東南景天與油菜及油葵的富集系數(shù)差值縮小到了約11倍和2倍，差異仍顯著。但強(qiáng)化處理對(duì)各植物的富集系數(shù)影響均不顯著。由此可見(jiàn)，東南景天具有超出普通富集植物幾十倍的Cd富集系數(shù)和數(shù)倍的Pb富集系數(shù)。

圖6 不同修復(fù)模式下3種植物的Cd積累量Fig.6 Cd accumulation amounts of three plants under different remediation patterns

圖7 不同修復(fù)模式下3種植物的Pb積累量Fig.7 Pb accumulation amounts of three plants under different remediation patterns

表2 不同修復(fù)模式下植物地上部Cd和Pb富集系數(shù)Table 2 Bioaccumulation factor for Cd and Pb by S.alfredii,oilseed rape and sunflower under different remediation patterns

2.3 修復(fù)后土壤pH 及重金屬含量

pH是影響土壤中重金屬有效性的重要因素，同時(shí)，也對(duì)東南景天的生長(zhǎng)和重金屬積累有所影響。由表3可見(jiàn)：強(qiáng)化修復(fù)處理組通過(guò)施用pH較高的有機(jī)物料來(lái)調(diào)節(jié)土壤pH，使土壤pH 由修復(fù)前的4.69變?yōu)樾迯?fù)后的平均5.48，提高了0.79個(gè)單位；而修復(fù)后的對(duì)照處理組土壤pH平均為4.97，顯著低于強(qiáng)化處理組（P＜0.05）。

從不同模式修復(fù)后土壤總Cd和Pb含量的數(shù)據(jù)（表4）來(lái)看：土壤總Cd含量下降率最高的修復(fù)模式為東南景天/油葵強(qiáng)化修復(fù)，與修復(fù)前相比，土壤Cd含量下降了26.6%；東南景天-油菜非強(qiáng)化修復(fù)模式的修復(fù)效率最低，僅為12.8%。與對(duì)照處理的土壤Cd含量相比，在東南景天單種、東南景天-油菜間作、東南景天/油葵輪作的強(qiáng)化處理模式下，土壤中Cd含量分別下降了3.8%、5.1%和7.6%。由此可見(jiàn)，東南景天/油葵強(qiáng)化修復(fù)模式下土壤Cd含量下降最為顯著。而與修復(fù)前相比，各處理組的土壤總Pb含量下降率僅為1.7%～5.3%，其中東南景天/油葵強(qiáng)化修復(fù)處理組的下降率為4.3%，遠(yuǎn)低于土壤總Cd含量的下降率；且不同修復(fù)模式之間未呈現(xiàn)出明顯規(guī)律。

表3 不同模式修復(fù)后土壤pHTable 3 Soil pH after remediation of different patterns

土壤有效態(tài)Cd、Pb 是影響植物中重金屬積累量的主要因素。不同修復(fù)模式下土壤有效態(tài)Cd、Pb含量如圖8 所示。相對(duì)而言，強(qiáng)化處理組修復(fù)后土壤中有效態(tài)Cd含量低于對(duì)照組，但未達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。東南景天單種強(qiáng)化修復(fù)模式及東南景天/油葵強(qiáng)化修復(fù)模式下有效態(tài)Cd 含量下降最明顯，分別達(dá)到了32.5%和31.1%。與對(duì)照相比，強(qiáng)化處理使東南景天單種、東南景天-油菜間作、東南景天/油葵輪作3 種種植模式下有效態(tài)Cd 含量分別下降了9.3%、3.9%和9.5%?？梢?jiàn)，強(qiáng)化處理對(duì)提高東南景天/油葵輪作模式下土壤有效態(tài)Cd的修復(fù)效果最明顯。與修復(fù)前相比，3 種修復(fù)模式在強(qiáng)化與對(duì)照處理之間土壤有效態(tài)Pb 含量也有不同程度的降低。強(qiáng)化處理降低了土壤中有效態(tài)Pb的含量，在東南景天單種模式下，強(qiáng)化處理的土壤有效態(tài)Pb含量下降最為顯著，其次為東南景天/油葵輪作強(qiáng)化修復(fù)模式，土壤有效態(tài)Pb含量下降率為20.9%。與對(duì)照相比，在東南景天單種、東南景天-油菜間作、東南景天/油葵輪作3種種植模式下，強(qiáng)化處理組土壤有效態(tài)Pb 含量分別下降了10.7%、7.0%和8.8%；但不同東南景天強(qiáng)化種植模式之間，土壤有效態(tài)Pb含量變化無(wú)顯著差異。

3 討論

3.1 農(nóng)藝及生物強(qiáng)化對(duì)植物生長(zhǎng)的影響

生物量是主要的生態(tài)特征之一，被認(rèn)為是植物生長(zhǎng)的重要指標(biāo)，并提供了重要的信息來(lái)衡量植物在脅迫條件下的耐受潛力[10-11]。本研究中3種植物均表現(xiàn)為生長(zhǎng)狀況良好，且獲得了正常的產(chǎn)量。種植模式對(duì)東南景天的生物量具有一定的影響。在間作條件下，種間的相互作用包括促進(jìn)作用和競(jìng)爭(zhēng)作用，當(dāng)促進(jìn)作用大于競(jìng)爭(zhēng)作用時(shí)則表現(xiàn)為間作優(yōu)勢(shì)[12]。超積累植物東南景天與油菜作物間作時(shí)，東南景天的單株生物量有所增加，這表明東南景天與油菜間作具有間作優(yōu)勢(shì)，這與前人的研究結(jié)果[13]一致；而與油葵輪作時(shí)，東南景天的生物量則沒(méi)有明顯變化。

有機(jī)物料的添加以及促生菌強(qiáng)化處理對(duì)東南景天、油菜和油葵的生物量均有明顯的促進(jìn)作用，這可能是因?yàn)橛袡C(jī)物料能夠改善土壤理化性質(zhì)，為植物生長(zhǎng)提供所需的各種營(yíng)養(yǎng)元素，同時(shí)，植物促生菌可以產(chǎn)生IAA 等物質(zhì)，并且具有溶磷能力，對(duì)植物生長(zhǎng)起到促進(jìn)作用[14-15]。姚桂華等[16]研究了菌菇渣、沼渣和筍殼對(duì)東南景天生長(zhǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)這3種有機(jī)物料的添加均提高了東南景天的地上部生物量。而生物量和產(chǎn)量的增加也可能歸因于微生物群落大小和結(jié)構(gòu)的改變[17-18]，因?yàn)樵趪娛┚鷦┑臅r(shí)候土壤表面并沒(méi)有被屏蔽，可使滴落的懸液滲入土壤，并在植株根部定植?？傊?，種植模式和加入的菌劑都可能使微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而產(chǎn)生對(duì)植物生長(zhǎng)有促進(jìn)作用的細(xì)菌[13]。

表4 不同模式修復(fù)后土壤總Cd和Pb含量Table 4 Total Cd and Pb contents in the soil after remediation of different patterns mg/kg

圖8 不同模式修復(fù)后土壤有效態(tài)Cd和Pb含量Fig.8 DTPA-Cd and Pb contents in the soil after remediation of different patterns

3.2 農(nóng)藝及生物強(qiáng)化對(duì)植物重金屬吸收積累的影響

影響植物對(duì)重金屬吸收的因素有很多，包括內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素包括不同的根部獲取Cd的能力，不同植物對(duì)Cd的吸收和積累能力[19]，以及根系形態(tài)、根系分泌物[20]、轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬的能力和植物代謝方式[21]等，所有這些都可以歸因于遺傳變異性。外部因素包括影響土壤重金屬生物有效性和植物生理過(guò)程的環(huán)境因素等[22]，如土壤理化性質(zhì)、農(nóng)藝措施、生物添加劑、化學(xué)添加劑等。

重金屬的吸收主要集中在根際環(huán)境，根際環(huán)境的改變對(duì)重金屬固定和植物吸收有重要的作用[23]。根系分泌物、根際pH、養(yǎng)分有效性等都會(huì)直接或間接地影響根際環(huán)境中重金屬的有效性[24]。間作油菜條件下，東南景天地上部的Cd 和Pb 含量均有所提高?？赡苁且?yàn)樵陂g作條件下，植物的根系分泌物通過(guò)“根際交流”來(lái)影響分泌物的釋放，降低土壤pH，從而提高重金屬的生物有效性[25]。在強(qiáng)化處理?xiàng)l件下，各植物地上部Cd、Pb 含量并沒(méi)有顯著變化。這可能是因?yàn)椋阂环矫?，?qiáng)化有機(jī)物料的分解能夠產(chǎn)生更多的富里酸和氨基酸等小分子有機(jī)物，與土壤中的Cd、Pb結(jié)合后形成小分子質(zhì)量絡(luò)合物，從而提高了其生物有效性，促進(jìn)了植物地上部對(duì)Cd、Pb的吸收積累[26]；另一方面，植物生物量的提高對(duì)植物體內(nèi)的重金屬產(chǎn)生了稀釋效應(yīng)，降低了地上部重金屬含量[13]。2 種效應(yīng)相互抵消，使得地上部Cd、Pb含量沒(méi)有產(chǎn)生太大變化。

土壤pH對(duì)植物吸收積累重金屬有較大的影響，由于修復(fù)前土壤pH較低，并不利于植物生長(zhǎng)，而強(qiáng)化處理后的土壤pH有顯著提高，這改善了東南景天等植物的生長(zhǎng)環(huán)境，更有利于其吸收積累土壤中的重金屬。廉梅花等[27]研究表明，當(dāng)土壤pH在5.5左右時(shí)，東南景天對(duì)土壤中Cd、Zn的吸收積累效率達(dá)到最大。在本研究中，強(qiáng)化處理后土壤pH達(dá)到了平均5.48，此時(shí)東南景天吸收積累重金屬效率最佳。

3.3 不同修復(fù)模式下重金屬的去除效率

高效的植物提取和重金屬去除主要依賴(lài)于植物較強(qiáng)的積累能力[28]。在本研究中，所有的強(qiáng)化處理均顯著增加了植物中重金屬Cd 和Pb 的積累，從而提高了植物的去除效率，降低了土壤中的重金屬含量，表明農(nóng)藝及生物強(qiáng)化是提高植物提取修復(fù)效率的有效措施。與東南景天單作相比，東南景天/油葵輪作修復(fù)模式在對(duì)照和強(qiáng)化處理下的每公頃Cd提取量均有增加，但增加不顯著，主要是由于東南景天地上部Cd 積累量遠(yuǎn)大于油葵地上部Cd 積累量?？紤]到東南景天-油菜修復(fù)模式下實(shí)際東南景天種苗量（15 萬(wàn)株/hm2）僅為其他2 種修復(fù)模式的50%，所以其修復(fù)效率比其他2種模式相對(duì)較低，但這樣的修復(fù)模式實(shí)際投入產(chǎn)出比更高。在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，收獲的油菜籽粒和油葵籽粒不僅可以用于榨油，還可以廣泛地用于加工制造業(yè)中，例如制造聚酯、膠片、蠟燭、樹(shù)脂，工業(yè)中還可用作油漆的原料等，且油中的重金屬含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于籽粒中的重金屬含量，因而無(wú)重金屬超標(biāo)之憂(yōu)[29-30]。所有這些結(jié)果均證明了在Cd、Pb中重度污染土壤中，油料作物與東南景天輪間作和農(nóng)藝及生物強(qiáng)化聯(lián)合是一種植物修復(fù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合的可行方法。但在實(shí)際的田間應(yīng)用中，還要考慮各模式的修復(fù)成本以及田間管理的難易程度。相對(duì)而言，雖然單種東南景天對(duì)土壤中重金屬的移除率較高，但是沒(méi)有經(jīng)濟(jì)效益，不易推廣。東南景天-油菜間作模式田間管理不易，機(jī)械化操作困難，而且成本相對(duì)較高。對(duì)于東南景天/油葵輪作模式，目前，浙江地區(qū)油葵種植面積較少，大面積推廣需要一定的時(shí)間。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明：在強(qiáng)化處理下，3種修復(fù)模式的植物地上部生物量均有顯著提高，其地上部重金屬的積累量也顯著提高。東南景天/油葵強(qiáng)化修復(fù)模式（“邊生產(chǎn)邊修復(fù)”）下Cd、Pb提取量最高，分別達(dá)到了394.8 和110.2 g/hm2。從土壤重金屬總量來(lái)看，東南景天/油葵強(qiáng)化修復(fù)模式對(duì)土壤Cd 的修復(fù)效果最好，土壤總Cd 含量下降率達(dá)到了26.6%，且土壤中有效態(tài)Cd 含量顯著降低，達(dá)31.1%，稍低于東南景天單種強(qiáng)化修復(fù)模式。所有強(qiáng)化處理組的土壤有效態(tài)Cd含量下降率均高于對(duì)照組，且不同東南景天種植模式之間的差別并不明顯。綜合比較各修復(fù)模式發(fā)現(xiàn)，東南景天/油葵強(qiáng)化修復(fù)模式的修復(fù)時(shí)間較短、效率較高，對(duì)土壤中Cd、Pb 的提取效果更佳，具有更好的應(yīng)用前景。