3種花卉單種或混種對后茬顯齒蛇葡萄生長及其重金屬含量的影響

向 陽，向言詞，任 海，簡曙光，王瑞江，向建華，胡 偉

（1.永順縣農(nóng)業(yè)局，湖南 永順 416700；2.湖南科技大學(xué)建筑與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院風(fēng)景園林系，湖南 湘潭 411201；3.中國科學(xué)院華南植物園，廣東 廣州 510650）

2014年《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示，全國耕地重金屬污染物超標(biāo)率達(dá)19.4%，受重金屬污染的耕地面積已達(dá)2000萬hm2[1-2]。作物從污染土壤中吸收重金屬，導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品重金屬超標(biāo)，進(jìn)而威脅人體健康[3-4]。為保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全和國民身體健康，研發(fā)阻控作物從污染土壤中吸收重金屬的技術(shù)具有重要的現(xiàn)實意義。

植物修復(fù)是一種利用植物及其根際微生物協(xié)同作用清除環(huán)境污染物的綠色修復(fù)技術(shù)[5]。研究表明，許多花卉具有富集重金屬的能力。利用花卉修復(fù)污染土壤既能凈化與美化環(huán)境，又可獲得經(jīng)濟(jì)效益；而且觀賞花卉與人類食物鏈無關(guān)聯(lián)，不會影響人類健康。因此，花卉植物為重金屬污染土壤的修復(fù)開辟了一條切實可行的新途徑[6-7]。

污染耕地的重金屬類型復(fù)雜多樣，而且重金屬在土壤中分布深度不同。單種植物修復(fù)能力有限，難以有效解決作物從污染耕地吸收多種重金屬的問題。采用多種植物聯(lián)合修復(fù)能提高修復(fù)效率，節(jié)省時間與費用?；诖?，綜合前人的研究成果，筆者選擇豬屎豆（Crotalaria mucronata）、紫茉莉（Mirabilis jalapa）及青葙（Celosia argentea）這3種花卉作為研究對象，將這3種觀賞植物單獨種植、兩兩間作、三者混種后再與顯齒蛇葡萄（Ampelopsis grossedentata）輪作，研究花卉單種或混種阻控后茬作物顯齒蛇葡萄（Ampelopsis grossedentata）從污染耕地吸收重金屬的效果，為顯齒蛇葡萄在中輕度污染耕地中的安全生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地點及供試材料

試驗于2018年在湖南省永順縣萬坪鎮(zhèn)撂荒農(nóng)田進(jìn)行。試驗田土壤pH值6.2，土壤中鉛、鎘、銅和鎳含量分別為768.8、1.2、255.0和139.0 mg/kg。按GB15618—1995要求，試驗田土壤重金屬含量達(dá)到中度污染水平。

供試植物材料有顯齒蛇葡萄（Ampelopsis grossedentata）和3種花卉植物豬屎豆（Crotalaria mucronata）、紫茉莉（Mirabilis jalapa）及青葙（Celosia argentea）。

1.2 試驗方法

在試驗地分建8個小區(qū)，小區(qū)寬8.0 m、長12.0 m。其中7個小區(qū)輪種3種花卉與顯齒蛇葡萄，設(shè)計如下處理：（1）單種花卉與顯齒蛇葡萄輪種，豬屎豆（CM—AG）、紫茉莉（MJ—AG）、青葙（CA—AG）；（2）花卉兩兩間種（圖1）后，再與顯齒蛇葡萄輪種，豬屎豆/紫茉莉（CM/MJ—AG）、豬屎豆/青葙（CM/CA—AG）、青葙/紫茉莉（CA/MJ—AG）；（3）3種花卉混種再與顯齒蛇葡萄輪種，豬屎豆/紫茉莉/青葙（CM/MJ/CA—AG）。余下1個小區(qū)作為對照小區(qū)（CK），只單種顯齒蛇葡萄。

圖1 3種花卉兩兩間種示意圖

2018年3月，每個小區(qū)造3條耕作帶，耕作帶間距60.0 cm，耕作帶寬2.0 m、長12.0 m。每條耕作帶中栽種6行植物，行間距30.0 cm，同一行中株間距30.0 cm，同行中只移栽一種植物，每個種植點栽3株幼苗。花卉幼苗移栽前施尿素、過磷酸鈣、硫酸鉀和硼砂作基肥，N、P2O5、K2O施用量分別為180、100、120 kg/hm2，硼砂施用量7.5 kg/hm2。用犁將基肥與土壤混勻，犁耕土壤深度為30 cm。4月按試驗設(shè)計在耕作帶中移栽花卉幼苗。9月挖除花卉植株，采集土壤樣品，在小區(qū)中造耕作帶，輪種顯齒蛇葡萄幼苗，耕作帶處理及栽培顯齒蛇葡萄規(guī)格與栽培花卉相同。2019年4月采挖顯齒蛇葡萄植株。

1.3 樣品采集與測定

每種栽培方式隨機(jī)采挖8株顯齒蛇葡萄植株，將植株用自來水沖洗，再用去離子水沖洗，晾干；105℃條件下烘干1 h，80℃條件下烘8 h到恒重，將顯齒蛇葡萄植株分成莖、根和葉3部分，測定干重。挖除花卉時收集相應(yīng)土壤樣品，測定土壤重金屬DTPA（二乙三胺五乙酸）提取態(tài)含量，采用pH值=5.1（用HCl調(diào)節(jié)）的0.005 mol/L DTPA+0.1 mol/L TEA（三乙醇胺）+ 0.01 mol/L的CaCl2溶液，按1∶5土液比浸提，室溫下以120 r/min振蕩浸提2 h，再以3 500 r/min離心10 min，取樣測定[8]。采用濃硝酸+氫氟酸+高氯酸法消解土壤，采用濃硝酸+高氯酸法消解植株，然后用電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）測定樣品中的重金屬含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2003和SPSS13.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 花卉栽培對土壤重金屬DTPA提取態(tài)含量的影響

從表1可知，與對照相比，單獨種植1種花卉，土壤中鉛、鎘、銅和鎳的DTPA提取態(tài)含量均有所下降；其中，單種豬屎豆（CM）的處理土壤中鎘和銅的DTPA提取態(tài)含量下降達(dá)到顯著水平，降幅分別為47.1%和53.3%；單種紫茉莉（MJ）的處理土壤中鉛和鎘的DTPA提取態(tài)含量下降達(dá)到顯著水平，降幅分別為49.5%和51.5%；單種青葙（CA）的處理土壤中鎘和鎳的DTPA提取態(tài)含量顯著下降，降幅分別為58.8%和45.2%。與對照相比，花卉兩兩間種均可顯著降低土壤中鉛、鎘、銅和鎳的DTPA提取態(tài)含量；其中，豬屎豆與紫茉莉間種（CM/MJ）的處理土壤中鉛、鎘、銅和鎳的DTPA提取態(tài)含量分別降低了58.4%、55.9%、51.1%和54.8%，豬屎豆與青葙間種（CM/CA）的處理土壤中鉛、鎘、銅和鎳的DTPA提取態(tài)含量分別降低了64.4%、61.8%、53.3%和64.8%，青葙與紫茉莉間種（CA/MJ）的處理土壤中鉛、鎘、銅和鎳的DTPA提取態(tài)含量分別降低了60.4%、52.9%、61.1%和60.3%。而豬屎豆、紫茉莉和青葙三者混種（CM/MJ/CA）對土壤中鉛、鎘、銅和鎳的DTPA提取態(tài)含量的降幅最大，分別為71.3%、67.6%、56.7%和76.7%。

表1 栽培花卉后土壤重金屬DTPA提取態(tài)含量的變化（mg/kg）

2.2 花卉栽培對后茬作物顯齒蛇葡萄各部位生物量的影響

由表2可知，與對照相比，單一花卉與顯齒蛇葡萄輪作以及兩種花卉混種后再與顯齒蛇葡萄輪作，后茬作物顯齒蛇葡萄根、莖和葉的生物量均有所增加，但差異均未達(dá)顯著水平；但3種花卉混種之后再與顯齒蛇葡萄輪作（CM/MJ/CA—AG），后茬作物顯齒蛇葡萄根、莖和葉的生物量均顯著增加，增幅分別為26.3%、23.7%和54.5%。

表2 各處理顯齒蛇葡萄不同部位的生物量 （g/株）

2.3 花卉栽培對后茬作物顯齒蛇葡萄各部位重金屬含量的影響

從表3可以看出，與對照相比，青葙與顯齒蛇葡萄輪作，后茬作物顯齒蛇葡萄根、莖和葉中的銅含量變化顯著；而豬屎豆、紫茉莉分別與顯齒蛇葡萄輪作，后茬作物顯齒蛇葡萄莖中的銅含量不降反升，但差異未達(dá)顯著水平；3種花卉單種后再與顯齒蛇葡萄輪作，后茬作物顯齒蛇葡萄根、莖和葉中鉛、鎘和鎳含量都有所下降，但差異均未達(dá)顯著水平。花卉兩兩間種或三者混種后再與顯齒蛇葡萄輪作的處理中，除CM/CA—AG處理下后茬作物中鉛含量降幅不顯著、CM/MJ/CA—AG處理下后茬作物中銅含量降幅不顯著外，其他處理后茬作物顯齒蛇葡萄中4種重金屬的含量均顯著下降；尤其是CM/MJ—AG、CA/MJ—AG和CM/MJ/CA—AG處理顯齒蛇葡萄葉中鉛含量≤0.3 mg/kg，達(dá)到GB 2762—2012食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量要求；CM/MJ—AG、CM/CA—AG、CA/MJ—AG和CM/MJ/CA—AG處理顯齒蛇葡萄葉中鎘含量低于0.2 mg/kg，達(dá)到食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)的污染物限量要求。

表3 各處理顯齒蛇葡萄不同部位重金屬的含量 （mg/kg）

3 討論與結(jié)論

DTPA提取法是測定土壤重金屬生物有效性的常用方法，由于DTPA提取態(tài)重金屬和植物生長最為密切，最能代表重金屬的生物有效性[9]。栽種植物對土壤重金屬的生物有效性會產(chǎn)生影響。單種豬屎豆使土壤中鎘和銅的DTPA提取態(tài)含量顯著下降，單種紫茉莉使土壤中鉛和鎘的DTPA提取態(tài)含量顯著下降，單種青葙使土壤中鎘和鎳的DTPA提取態(tài)含量顯著下降。豬屎豆、紫茉莉與青葙兩兩間種或三者混種都使土壤鉛、鎘、銅和鎳的DTPA提取態(tài)含量顯著下降。有些研究報道了類似研究結(jié)果。例如：金絲垂柳通過根系吸收和固定土壤有效態(tài)鎘而降低土壤中鎘的生物有效性[10]，香根草可以顯著降低土壤中生物有效態(tài)鎘和總鎘含量[11]，栽培伴礦景天降低了土壤中鎘的生物有效性以及后續(xù)輪種作物水稻的鎘含量[12]。

輪種栽培模式中，前茬作物會對后茬作物生長產(chǎn)生影響。試驗結(jié)果顯示，豬屎豆、紫茉莉與青葙三者混種使后茬作物顯齒蛇葡萄根、莖和葉的生物量顯著增加。Sainju等[13]的研究表明，與豆類作物輪作可顯著增加作物產(chǎn)量。Zhou等[14]的研究表明，在西紅柿—芹菜—黃瓜—大白菜輪作體系中，黃瓜產(chǎn)量增加顯著。Sharma等[15]的研究顯示，豇豆與玉米間作提高了后續(xù)輪作的小麥產(chǎn)量。王勁松等[16]的研究表明，與紫花苜蓿及蔥輪作可顯著促進(jìn)高粱地上部分與根系的生長。

輪種栽培模式中，前茬作物還可以影響后茬作物對重金屬的吸收轉(zhuǎn)運。在重金屬中度污染耕地中，將紫茉莉分別與豬屎豆、青葙間種或?qū)⑷呋旆N，使后茬作物顯齒蛇葡萄的根、莖和葉中鉛和鎘含量都顯著下降，其葉中鉛和鎘含量都低于國家限量標(biāo)準(zhǔn)；將豬屎豆、紫茉莉和青葙兩兩間種或?qū)⑷呋旆N，后茬作物顯齒蛇葡萄的根、莖和葉的鎳含量都顯著下降。Khoshgoftarmanesh等[17]的研究表明，與向日葵輪種可顯著降低小麥籽粒的鎘含量。居述云等[18]研究表明，麥季間作伴礦景天既能降低土壤中重金屬濃度，又能減少小麥及后茬茄子對重金屬的吸收積累。Murakami等[19-20]的研究表明，在鎘中度污染的稻田中栽培鎘富集水稻品種可減少后茬大豆和水稻對鎘的吸收。Su等[21]的研究表明，栽培鎘富集油菜品種可減少后續(xù)輪種作物大白菜對鎘的吸收積累。Wu等[22]的研究表明，栽培油菜顯著減少了后續(xù)輪種作物水稻對鎘鉛的吸收，水稻秸稈與籽粒中鎘鉛含量顯著降低。向言詞等[23]的研究顯示，采用美洲商陸修復(fù)錳尾渣污染土壤后，后茬作物大豆和綠豆的鎘、鉛、鋅和錳含量均有降低。

綜上所述，豬屎豆、紫茉莉與青葙兩兩間種和三者混種使土壤鉛、鎘、銅和鎳的DTPA提取態(tài)含量顯著下降；豬屎豆、紫茉莉與青葙三者混種使后茬作物顯齒蛇葡萄的根、莖和葉的生物量顯著增加；紫茉莉分別與豬屎豆、青葙間種和三者混種使后茬顯齒蛇葡萄的鉛和鎘含量顯著下降，其葉中鉛和鎘含量均低于國家限量標(biāo)準(zhǔn)；豬屎豆、紫茉莉和青葙兩兩間種和三者混種使后茬顯齒蛇葡萄的鎳含量顯著下降。鑒于輪種對顯齒蛇葡萄的生物量與吸收重金屬的影響，建議將豬屎豆、紫茉莉和青葙三者混種模式作為阻控后茬顯齒蛇葡萄從污染耕地吸收重金屬的優(yōu)勢組合模式。