不同土壤类型中水稻间作红蛋对镉累积的影响

张静静，黄 河，吴海霞，容 群，李 雪，覃 霞，张超兰

(广西大学环境学院，广西 南宁 530005)

不同土壤类型中水稻间作红蛋对镉累积的影响

张静静，黄 河，吴海霞，容 群，李 雪，覃 霞，张超兰*

(广西大学环境学院，广西 南宁 530005)

开展根箱实验，比较水稻土和石灰岩土上镉(Cd)低累积常规水稻(玉丝占)间作红蛋(Echinodorusosiris)对Cd累积的影响。通过分析水稻和红蛋根区土壤pH、阳离子交换量(CEC)、有效硫(S)、有效钙(Ca)、有效镁(Mg)和不同形态Cd的变化，研究不同土壤类型中2种植物间作对Cd累积的影响。结果表明：与单种相比，间作可使水稻土上水稻地上部、地下部和籽粒中的Cd含量增加1.97 %、3.91 %和1.43 %；使石灰岩土上水稻地上部、地下部和籽粒中的Cd含量降低11.17 %、34.95 %和15.38 %。在水稻土上，间作对水稻根区土壤pH无显著影响，但增加了有效S、CEC和弱酸提取态Cd百分含量，分别增加84.05 %、22.27 %和16.13 %。在石灰岩土上，间作使水稻根区土壤有效Mg含量显著增加，增加9.16 %，使有效Ca含量降低5.25 %，对pH、CEC和弱酸提取态Cd的百分含量影响不显著。

水稻；红蛋；间作；镉；累积性

水稻是我国主要的粮食作物之一[1]，水稻吸收镉(Cd)的能力很强，且易在籽粒中积累，造成稻米中Cd超标的问题日益严重[2]。人体摄入Cd含量超标时，会引发高血压、肾损害等疾病[3]。因此，采取措施阻隔水田镉通过食物链向人体中转移对食品安全及国民健康均具有重要意义。目前，阻隔土壤重金属进入食物链的方法主要有：种植Cd低累积的品种、施用土壤改良剂或钝化剂、Cd低累积品种和Cd富集植物间套种等。其中，间作可以充分利用空间和土地资源[4]，其作为生物修复技术的一种，可有效地应用于重金属污染土壤的修复。吴华杰等[5]在Cd污染的土壤上对小麦和水稻进行间作研究，结果表明，水稻和小麦地上部Cd的积累量有所降低。薛建辉等[6]在重金属污染的土壤上间作杉木和茶树，发现间作不仅可以降低土壤重金属的含量，而且可以降低茶叶中重金属的含量。红蛋(Echinodorusosiris)是一种常见的多年生湿地植物，主要生长在热带地区，属泽泻科纤维草本植物，具有生物量大、生长快等特点。采用前期研究筛选出来的对Cd耐性较高、转移能力较差、累积能力较低的水稻品种(玉丝占)以及Cd耐性强[7]、转移和富集能力高的红蛋(Echinodorusosiris)[8]，以广西典型的水稻土和石灰岩土开展根箱实验，研究低累积的水稻间作红蛋对两种植物累积Cd的影响，并从间作对根区土壤pH、CEC、有效Ca、有效Mg、有效S和镉化学形态的变化等角度探讨相关的机理，为稻米安全生产提供一定的理论依据和技术支撑。

表1 土壤基本理化性质

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试水稻品种为常规稻玉丝占，选购于广西南宁市农资市场，红蛋为本研究团队通过筛选Cd耐受性和累积性强的红蛋植株繁殖后获得。

供试水稻土和石灰岩土分别采自广西南宁市广西大学农学院试验田和广西桂林市丫吉试验场。其基本的理化性质如表1所示。

1.2 试验方法

土壤样品经研磨后过18目筛，加入分析纯固体CdCl2·2.5H2O，使2种土壤的镉含量均达到4 mg·kg-1。选用100 cm×45 cm×25 cm规格的塑料箱，用尼龙网(80 μm，约200目)沿塑料箱的长边将其内部空间均匀分为4个部分。分别装入15 kg上述两种Cd污染土壤，加水至最大田间持水量的60.00 %，平衡1周，然后施入一定量的氮磷钾肥，混匀，浇水保持1 cm水层，平衡1周，待用。

试验设置单种水稻、单种红蛋、水稻红蛋间作处理，将长出3叶1心长势一致的水稻苗和在木村B营养液培养一周后的红蛋苗移栽至根箱，单种水稻根箱和单种红蛋根箱，水稻和红蛋幼苗各10株，间作根箱水稻、红蛋幼苗各六株，各处理重复3次。试验期间水肥管理按照常规方法进行。在水稻完熟期(105 d)分别采集0～20 cm的根区土壤和植株样品，分析土壤pH、阳离子交换量(CEC)、有效Ca、有效Mg、有效S和不同化学形态Cd含量以及植物体内的总Cd含量。

1.3 测定项目及方法

土壤样品采集后，经自然风干，去除根系等杂质，过100目筛，备用。植株样品采集后，先用自来水冲洗后再用去离子水漂洗。根部先用自来水冲洗，再用去离子水洗净后，用20 mmol·L-1EDTA-Na2交换 20 min，最后用去离子水洗净，吸水纸吸干。将水稻植株分为地上部、地下部和籽粒；红蛋植株分为地上部和地下部。105 ℃下杀青30 min，65 ℃烘干至恒重，粉碎后过100目筛，待用。

土壤pH、阳离子交换量(CEC)、有效Ca、Mg、S含量参照《土壤农化分析》[9]测定，不同化学形态Cd 采用欧共体连续提取法(BCR法)[10]测定。

植物样品和糙米样品都采用HNO3-HClO4湿消化法进行预处理，消煮液中的Cd含量通过ICP-OES测定。

不同形态Cd含量( %)=Fi/(F1+F2+F3+F4)×100

其中，Fi为土壤中某种形态Cd含量，F1为弱酸提取态Cd含量，F2为可还原态Cd含量，F3为可氧化态Cd含量，F4为残渣态Cd含量。

转移系数(S/R)=地上部Cd含量/地下部Cd含量。

1.4 数据统计与分析

试验数据采用Excel 2007、SPSS 20.0 软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 间作对水稻和红蛋吸收积累Cd的影响

2.1.1 间作对植株地上部累积Cd的影响 从图1可以看出，间作对水稻和红蛋植株地上部Cd含量并无显著的影响，但是不同土壤中间作对两种植物地上部Cd含量的影响趋势不完全一致。在水稻土上，间种使水稻地上部Cd含量增加了1.97 %，而红蛋地上部Cd含量却降低了3.56 %；在石灰岩土中，间作则使水稻地上部Cd含量降低了11.17 %，红蛋地上部Cd含量却增加了2.93 %。从图1还可以看出，无论是单种还是间作，在水稻土中种植的2种植物地上部Cd的含量均高于石灰岩土的，尤其是红蛋地上部Cd的含量远高于石灰岩土中，其中水稻土中单种水稻、间种水稻、单种红蛋和间种红蛋地上部Cd含量分别是石灰岩土中的1.4、1.6、2.8和2.6倍。

A：水稻土；B：石灰岩土;植株1：单种水稻；2：单种红蛋；3：间作水稻；4：间作红蛋;不同小写字母表示不同处理间的差异显著(P<0.05)，下同A:Paddy soil；B:Limestone soil.;Plants 1:Monocropping rice;2:Monocropping Echinodorus osiris；3:Rice after intercropping; 4:Echinodorus Osiris after intercropping;The different lowercase letters show significant difference (P < 0.05)，the same as below图1 不同处理植株地上部Cd含量Fig.1 The Cd content in shoots of plants under different treatments

2.1.2 间作对植株地下部累积Cd的影响 从不同处理下植株地下部Cd含量(图2)可以看出，在水稻土上，间作对水稻和红蛋地下部的Cd含量与单种相比分别增加了3.91 %和2.93 %，但差异均不显著。在石灰土上，间作显著降低了水稻地下部Cd含量，比单种水稻降低34.95 %，而间作后红蛋地下部Cd含量则显著增加，比单种红蛋增加了15.93 %。与地上部一样，无论是单种还是间作，在水稻土上水稻和红蛋植物地下部Cd的含量均高于石灰岩土，其中水稻土中单种水稻、间种水稻、单种红蛋和间种红蛋地上部Cd含量分别是石灰岩土中的1.7、2.4、2.7和2.1倍。

2.1.3 间作对稻米中Cd含量的影响 间作对稻米Cd含量的影响如图3所示。相对于单种，间作对稻米中Cd含量并无显著的影响，但是，从数值上来看，2种土壤的影响趋势并不一致。水稻土上，间作增加了稻米Cd的含量，比单种水稻稻米Cd含量增加了1.43 %；而在石灰岩土上，间作则降低了稻米Cd的含量，比单种稻米降低15.38 %。无论单种还是间种，水稻土中稻米Cd的含量明显高于石灰岩土，水稻土中单种和间种稻米Cd的含量分别是石灰岩土中的5.4和6.4倍。结合图1～2可知，在水稻土上，间作水稻地上部、地下部和稻米的Cd含量均略高于单种，说明在水稻土上，水稻更容易吸收、累积Cd，间作促进了水稻对Cd的吸收、运转和累积。在石灰土上，间作均降低了水稻地上部、地下部和稻米的Cd含量，可见，间作对稻米中Cd的累积产生了阻碍作用。

图2 不同处理植株地下部Cd含量Fig.2 The Cd content in roots of plants under different treatments

图3 不同处理稻米Cd含量Fig.3 The Cd content in rice under different treatments

2.2 间作对土壤Cd化学形态的影响

从图4可以看出，间作对根区土壤不同形态Cd的百分含量也产生明显的影响。就2种土壤而言，水稻土中Cd以弱酸提取态形式存在占总量50.00 %以上，而石灰岩土中Cd以残渣态形式存在占总量70.00 %左右。间作对不同类型土壤中Cd形态的影响不一致。在水稻土上，间作提高了水稻和红蛋根区土壤弱酸提取态Cd的百分含量，分别比单种水稻和单种红蛋提高了16.13 %和4.71 %，降低了残渣态Cd含量，分别降低了12.97 %和8.69 %，这可能是由于植物根系分泌的有机酸活化了土壤中的生物可利用性Cd。在石灰岩土上，间作降低了水稻和红蛋根区土壤弱酸提取态Cd百分含量，分别比单种水稻和单种红蛋降低0.98 %和4.79 %，增加了残渣态的百分含量，分别增加了5.24 %和4.60 %。说明在水稻土上，间作在一定程度上增加了植物根区土壤有效Cd的百分含量，而在石灰岩土上，间作降低了植物根区土壤有效Cd的百分含量。

2.3 间作对植物累积Cd的机理探析

2.3.1 间作对根区土壤的pH值和CEC的影响 从不同处理对根区土壤pH值的影响(表2)可以看出，无论是水稻土还是石灰岩土，间作和单种对土壤pH值影响不大。在水稻土上，间作使水稻根区土壤pH降低了2.11 %，使红蛋根区土壤pH升高了0.15 %，但差异均不显著。在石灰岩土上，间作使水稻根区土壤pH降低了1.21 %，使红蛋根区土壤pH升高了1.93 %。从表2中还可以看出，除单种水稻根区土壤pH水稻土与石灰岩土差异不大外，其余处理根区土壤pH值石灰岩土均大于水稻土，并且间作使两种土壤上水稻根区土壤pH值降低，使红蛋根区土壤的pH值升高。水稻间作红蛋对2种土壤根区CEC的影响明显不同(表2)。水稻土中，2种植物间作显著增加水稻根区土壤CEC，间作水稻比单种水稻根区土壤CEC增加17.03 %，间作使红蛋根区土壤CEC比单种红蛋降低了2.04 %，但影响不显著。石灰岩土中，与单种相比，间作降低水稻和红蛋根区土壤的CEC，分别比单种水稻和单种红蛋根区土壤CEC降低1.01 %和5.26 %，但差异未达显著水平。

2.3.2 间作对根区土壤有效硫(S)、有效钙(Ca)和有效镁(Mg)的影响 石灰岩土壤上，间作对2种植物根区土壤有效Ca和有效Mg的含量见表3。与单种相比，间作显著提高了水稻根区土壤有效S含量(表3)，比单种提高84.05 %；而红蛋根区有效S含量则有显著的降低，比单种降低11.86 %。从总体来看，根区土壤有效S呈现出单种红蛋>间作红蛋>间作水稻>单种水稻的规律。

表2 不同处理植物根区土壤的pH和CEC

注：不同小写字母表示不同处理间的差异显著性(P<0.05)，下同。

Note:The different lowercase letters show significant difference (P< 0.05).The same as below.

表3 不同处理植物根区土壤的有效S、有效Ca、有效Mg

注：水稻土上测定有效S含量，石灰岩土上测定有效Ca、Mg含量。

Note:Determination of the content of effective S in paddy soil, and effective Ca and Mg in limestone soil.

间作使水稻和红蛋根区土壤有效Ca含量比单种水稻和红蛋分别降低了5.25 %和0.51 %(表3)，但差异不显著。从表3可以看出，间作均显著提高了水稻和红蛋根区有效Mg的含量，分别比单种提高9.16 %和12.11 %。从黎健龙等[11]的研究可知，有效Ca和有效Mg对土壤中有效态Cd的影响主要表现在：Ca2+、Mg2+与Cd2+竞争土壤胶体表面的阳离子吸附点位，Ca2+、Mg2+含量升高，则土壤胶体对Cd2+的吸附降低，从而影响有效态Cd在土壤中含量。

3 讨论与结论

超耐受型植物与农作物间作时，种间的相互作用会对农作物累积重金属产生一定的影响[12]。本研究结果表明，在水稻土上，间作使水稻的地上部、地下部以及籽粒中的Cd含量分别增加了1.97 %、3.91 %和1.43 %，但影响均不显著，使红蛋地上部Cd含量降低了3.56 %，地下部Cd含量升高了2.93 %，并且红蛋地上部和地下部的Cd含量均高于水稻，说明红蛋确有较高的累积Cd的能力。在石灰岩土上，相对于单种，间作可降低水稻地上部、地下部和籽粒中的Cd含量，分别降低了11.17 %、34.95 %和15.38 %，并使红蛋地上部和地下部的Cd含量增加2.93 %和15.93 %，说明红蛋在大量吸收Cd的同时，可抑制水稻对Cd的吸收。

土壤pH值是影响土壤重金属有效性的重要因素之一，张德闪等[13]研究发现，两种或者两种以上的农作物进行间作之后，由于根系之间的相互作用，根系OH-和H+的分泌会发生变化，从而导致间作与单种根区土壤pH值的差异。同时也有相关研究结果表明，间作会使土壤的pH值降低，从而导致土壤中重金属的生物有效性显著增加[14]。pH值可以显著影响Cd生物有效性，Cd的存在又会抑制植物根部对H+的分泌[15]，土壤中的生物可利用性Cd易被植物根系分泌的小分子有机酸(柠檬酸、苹果酸等)活化和释放，分泌的有机酸使土壤根区pH值降低[16]。本研究中水稻土上间作使水稻根区土壤的弱酸提取态Cd百分含量与单种相比增加了16.13 %，残渣态Cd百分含量降低12.97 %，与前人的研究结果[17]一致，由于间作使水稻根区土壤pH值降低，使得土壤中生物有效性Cd的百分含量升高，水稻植株的Cd含量也有相对的增加。在石灰岩土上，间作降低了水稻和红蛋根区土壤弱酸提取态Cd的百分含量，分别比单种水稻和单种红蛋降低0.98 %和4.79 %，残渣态的百分含量分别增加了5.24 %和4.60 %。说明在石灰岩土上，间作降低了Cd的生物有效性，从而使水稻植株中的Cd含量与单种相比降低。CEC的高低可以反映土壤对周围溶液中的阳离子吸附或代换的能力。土壤CEC与土壤溶液pH值有一定的关系，因为土壤胶体微粒表面羟基的解离受介质pH的影响，当介质pH降低时，土壤胶体微粒表面所负电荷也减少，其阳离子交换量也降低，反之就增大[18]。与单种相比，间作降低了石灰岩土中土壤CEC，可能是由于间作后，植株根际的土壤菌落数量变多，酶的活性增强，将含氮磷化合物转化为可结合的无机化合物，CEC降低说明阳离子更多地转移到了植物根系，可以从侧面反映间作的优势[19]。土壤有效S可以通过还原后形成的S2-与Cd2+生成难溶的化合物，从而达到降低土壤有效态Cd的效果[20]，有效Ca、Mg则通过Ca2+、Mg2+与Cd竞争土壤胶体表面吸附位点，来改变有效态Cd的百分含量。本研究中间作使水稻土上水稻根区土壤有效S的含量显著升高了84.05 %，土壤弱酸提取态Cd的百分含量增加了16.13 %，使石灰岩土上水稻根区土壤有效Ca降低了5.25 %，有效Mg含量升高了9.16 %，土壤弱酸提取态Cd百分含量降低了0.98 %。故可以通过调节土壤pH，改变CEC，从而使有效S、Ca、Mg的含量发生变化，最终达到降低土壤有效态Cd百分含量的目的。

本研究结果表明，与单种相比，在水稻土上，间作使水稻地上部、地下部和籽粒中的Cd含量分别增加了1.97 %、3.91 %和1.43 %，但差异均不显著；在石灰岩土上，相对于单种，间作红蛋降低了根区土壤中弱酸提取态Cd的含量，从而降低水稻地上部、地下部和籽粒中的Cd含量，分别降低了11.17 %、34.95 %和15.38 %。说明在石灰岩土上，间作红蛋可以降低水稻植株和籽粒中的Cd含量。同时，间作可明显改变植物根区土壤的理化性质。在水稻土上，间作降低了水稻根区土壤pH，升高了CEC、有效S和弱酸提取态Cd的百分含量；在石灰岩土上，间作降低了水稻根区土壤pH、CEC、有效Ca含量，升高了有效Mg的含量。

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(责任编辑 汪羽宁)

Accumulation of Cd in Rice andEchinodorusosirisunder Intercropping Conditions in Different Soil Types

ZHANG Jing-jing, HUANG He, WU Hai-xia, RONG Qun, LI Xue, QIN Xia, ZHANG Chao-lan*

(School of Environment，Guangxi University，Guangxi Nanning 530005，China)

Rhizobox was carried out to investigate the effects of accumulation of Cd in plants under rice (Yusizhan) andEchinodorusosirisintercropping system in paddy soil and limestone soil. In addition, the changes of rice andEchinodorusosirisroot zone soil pH, cation exchange capacity (CEC), effective S, effective Ca, Mg and different forms of cadmium (Cd) content were analyzed to investigate the effects of accumulation of Cd in plants under intercropping conditions in different soil types. The results showed that in the paddy soil, compared with monocropping rice, intercropping ofEchinodorusosirisincreased the content of Cd in rice shoots, roots and grain by 1.97 %, 3.91 % and 1.43 %, and in limestone soil, the intercropping condition made the Cd content in rice shoots, roots and grain reduced by 11.17 %, 34.95 % and 15.38 %. In paddy soil, intercropping ofEchinodorusosirishad no significant effect on the pH of root zone soil of rice, but the effective S, CEC and percentage of acid extractable Cd increased by 84.05 %, 22.27 % and 16.13 % respectively. In the limestone soil, under intercropping condition, the effective Mg content of the soil in the root zone of rice increased by 9.16 %, but the effective Ca content decreased by 5.25 %, besides the pH, CEC and percentage of acid extractable Cd had no significant changes.

Rice；Echinodorusosiris；Intercropping；Cd；Accumulation

1001-4829(2016)12-2871-06

10.16213/j.cnki.scjas.2016.12.019

2016-07-07

国家自然科学基金项目(41461091)；广西科学研究与技术开发计划项目(桂科合14125008-2-30)；广西自然科学基金项目(2014GXNSFAA118039，2015GXNSFEA139001)

张静静(1989-)，女，河北衡水人，硕士研究生，研究方向为土壤环境重金属污染修复，E-mail：932396380@qq.com，*为通讯作者，张超兰(1971-)，E-mail：zhangcl@gxu.edu.cn。

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