不同草本植物间作对Cd污染土壤的修复效果

孟 楠,王 萌,陈 莉,郑 涵,陈世宝* (.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,农业部植物营养与肥料重点实验室,北京 0008；.北京市农林科学院植物保护环境保护研究所,北京 00097)

土壤Cd污染不仅给中国农业生产造成了严重的经济损失,同时给人体健康带来了很大风险,加强农田 Cd污染防治研究具有重要的现实意义.目前,国内外针对重金属污染土壤的修复已有大量研究,但纵观现有的修复技术,对于中国大面积的中、轻度污染土壤而言,仍面临经济效益、修复时间等诸多技术瓶颈,因此,以农产品可食部位 Cd污染风险管控为主,实行边安全生产、边修复的农艺修复治理方式更适宜中国国情、农情[1-2].目前,针对重金属污染农田土壤的农艺修复研究中,通过利用水分管理、施肥、施用石灰调节土壤 pH值及低吸收品种的田间应用等已有较多研究与应用[3],而基于农田生态系统的生态学原理,利用不同植物与作物间作进行Cd污染农田修复研究相对较少.在农业生产中,间作可以促进植物对土壤中养分、水、光、气的利用效率,这种方法已被应用于多种种植类型的实践中[4-8].在农田污染修复研究中,利用重金属高富集或高生物量植物与作物进行间作,增加了植物种类的多样性,而不同间作植物通过根系特性的不同,驱动农田土壤生物的多样性与生态功能的多样性,从而影响作物对重金属的吸收与转运.有研究表明,印度芥菜与苜蓿间作、黑麦草和紫云英与油菜间作可以有效抑制植物体内重金属的累积量[6-7].目前,用于间套作修复技术的超富集植物普遍存在生长缓慢、周期长、生物量小,对重金属的富集具有专一性等缺点,影响了间套作修复重金属污染土壤的效率.因而,利用高生物量或者生长快速的非超富集植物进行间作修复技术成为近年来国内外研究的焦点[9].有研究表明,大多数的草本植物具有适应性强、生长快速、生物量大和能同时富集多种重金属等特点,在相同时间内草本植物重金属的积累量超过超富集植物[10-12],但目前针对不同草本植物与作物间作后,植物的种间作用如何影响作物根系对重金属吸收、转运的研究鲜见报道,因此,本研究以适应性强、生物量大、生长迅速的10种草本植物与空心菜间作,基于空心菜可食部位Cd的消减率与土壤中Cd的移除率为指标,评价不同草本植物间作对 Cd污染土壤的修复效果,以期为Cd污染农田边安全生产、边修复提供依据.

1 材料与方法

1.1 供试土壤与植物

供试土壤:供试土壤采集于河北省某历史污灌区农田0～20cm表层土,土壤类型为褐土.将采集的土壤自然风干后,过2mm 筛进行土壤理化性质测定[11].结果显示,土壤 pH值(1:2.5,水浸提方法)为8.19,有机质含量 1.12%,阳离子交换量(CEC)为 16.7cmol/kg.土壤中Cd含量为1.32mg/kg.

供试植物:以中叶空心菜(Ipomoea aquatic Forsk)为主栽作物,将其他 10种草本植物与其间作.草本植物包括:高丹草(Sorghum bicolor L.)、苏丹草(Sorghum sudanense Stapf)、狼尾草(Pennisetum purpureum schum L.)、黑麦草(Lolium perenne L.)、苦荬菜(Sonchus arvensis L.)、菊苣(Cichorium intybus L.)、籽粒苋(Amaranthus hypochondriacus L.)、三叶草(Trifolium repens L.)、紫花苜蓿(Medicago sativa L.)、紫云英(Astragalus sinicus L.).种子购自北京与江苏种子公司,经10%H2O2溶液消毒10min后用水冲洗几遍,用去离子水浸种 8h后转至培养皿中促芽后统一播种.

1.2 试验设计

试验共包括11个处理:空心菜单作(CK)、空心菜与高丹草间作(T1)、空心菜与苏丹草间作(T2)、空心菜与狼尾草间作(T3)、空心菜与黑麦草间作(T4)、空心菜与苦荬菜间作(T5)、空心菜与菊苣间作(T6)、空心菜与籽粒苋间作(T7)、空心菜与三叶草间作(T8)、空心菜与紫花苜蓿间作(T9)、空心菜与紫云英间作(T10),每种处理 4个重复.盆栽试验在日光温室中进行,温室白天温度为(25±2)℃,夜间温度(20±2)℃,自然光照.试验用PVC长槽,长、宽、高分别为60、40、30cm,每盆装过2mm筛风干土壤36.0kg.

作为对照的单作模式为3行空心菜,间作模式为中间1行空心菜,左右2行同种间作植物,行距为20cm.根据不同植物个体大小差异,空心菜、高丹草、苏丹草和杂交狼尾草每行定苗4株,其他7种植物每行保留 8株.每盆分别添加尿素 0.21g/kg、KH2PO40.19 g/kg、KCl 0.055g/kg作为植物生长所需的底肥.空心菜与间作植物同时下种,生长期间不定期浇水,使土壤含水量经常保持在田间持水量的70%左右,生长期为56d.

1.3 测定指标与方法

收获时,分别取空心菜和各间作植物的地上部分(距离土面约 1cm 的茎叶)与根的植株样品,用自来水与去离子水冲洗干净,自然晾干后于 105℃杀青30min,然后 70℃烘干至恒重,测定样品地上部的干重.烘干的植物样品用粉碎机粉碎、混匀,过 0.25mm筛孔备用.土壤样品 Cd含量采用 HNO3-HClO4-HF消化,植物样 Cd含量采用 HNO3-HClO4消化,利用ICP-MS测定土壤与植株消解液中Cd的含量[13].

作物 Cd消减率(DRCd,%):与对照(CK)相比,不同间作处理中空心菜茎叶 Cd降低的百分数(%).DRCd=(C对照-C处理/C对照)×100% (1);式中:C对照与C处理分别为单作与不同间作处理空心菜茎叶Cd的含量,植物Cd积累量(Cd积累):植株地上部(茎叶)与根部中Cd的积累量.Cd积累=C茎叶×W茎叶+ C根×W根(2);C茎叶、C根为草本植物或空心菜茎叶与根中Cd含量;W茎叶、W根为草本植物茎叶与根的干重,土壤Cd的移除率(RCd,%):植物Cd积累量与土壤中Cd总量的比值.RCd=Cd积累/Cd土壤×100% (3).

1.4 数据处理

试验数据采用新复极差法(Duncan法) 进行均值比较和差异显著性检验(P＜0.05),应用 Excel 2007、SPSS 22.0和Origin 9.0进行数据分析和作图.

2 结果与分析

2.1 不同间作处理空心菜及间作植物的生物量

与不同植物间作处理中,主栽作物空心菜茎叶部的干重为25.02～43.21g/盆,最小的处理为T3(空心菜与杂交狼尾草间作),最大茎叶干重为 T6(空心菜与菊苣间作)处理(图 1);空心菜根的干重为 3.52～5.82g/盆,最小与最大干重的处理与茎叶干重的结果一致,分别为T3、T6处理.从图 1可以看出,在 T5～T6 及 T8～T10处理中,空心菜的茎叶干重显著(P＜0.05)高于空心菜单作处理(CK),比对照增加幅度为 25.3%～ 59.4%;T3处理的空心菜干重有一定降低,但差异不显著(P＞0.05),其他处理的空心菜茎叶干重间没有显著变化.

图1 不同处理对空心菜生物量的影响(g/盆,干重)Fig.1 Effect of different treatments on biomass of water spinach (g/pot,DW)

图2 不同处理的间作植物生物量(g/盆,干重)Fig.2 Biomass of intercropping plants of different treatments(g/pot, DW)

与空心菜间作处理对不同草本植物生物量(茎叶、根)变化的结果见图 2.从图 2可以看出,狼尾草的地上部生物量在 10种间作植物中最大,生物量达74.8g/盆,其次为籽粒苋、高丹草与苏丹草;其他6种间作植物的地上部生物量为 21.7～47.1g/盆.10种间作植物中,地上部生物量间最大相差 3.45倍.不同间作处理中,10种草本植物根的生物量为4.19～10.37g/盆,最大相差 2.48倍.高丹草、苏丹草、籽粒苋等牧草植物具有生长速度快、生物量高及抗逆性强等特点,当前,作为重金属污染农田修复间作植物开始受到关注[11].

2.2 不同间作处理的空心菜及间作植物Cd含量

不同间作处理对主栽作物(空心菜)和间作植物(草本植物)茎叶与根部Cd含量变化见图3.不同间作处理的空心菜茎叶Cd含量为1.176～2.258mg/kg,最大相差1.92倍;根中Cd浓度为1.899～2.631mg/kg,最大相差1.39倍.从图3可看出,空心菜与高丹草、苏丹草、狼尾草、黑麦草以及苦荬菜间作后,空心菜茎叶 Cd含量较空心菜单作都显著降低,分别降低了 33.9%、35.8%、34.38%、17.3%和29.3%;空心菜与菊苣、美国籽粒苋、三叶草、紫花苜蓿和紫云英间作后,空心菜地上部的 Cd含量较单作都有不同程度增加,增加幅度为 3.0%～23.3%,其中与菊苣间作后空心菜地上部Cd含量较单作增加了23.3%.

图3 不同处理对空心菜和间作植物Cd含量影响Fig.3 Effect of treatments on Cd content in water spinach and intercropping plants

10种间作植物的地上部 Cd含量范围是1.812～12.87mg/kg,最大相差7.1倍,茎叶中Cd含量最高的是苦卖菜,最低为紫云英;根部 Cd含量为 6.308～12.498mg/kg,最大相差1.98倍.不同间作植物中,茎叶中 Cd含量按大小排序为:苦荬菜＞菊苣＞苏丹草≈黑麦草＞高丹草≈狼尾草＞紫花苜蓿≈籽粒苋＞三叶草≈紫云英(“＞”表前者显著大于后者;“≈”表前者虽大于后者,但两者间无显著差异.下同).

2.3 不同间作处理的空心菜茎叶Cd消减率

图4 间作处理对空心菜茎叶Cd消减率的影响Fig.4 Cd decrease rate (%) of shoots of water spinach as affected by intercropping treatments

作物可食部位Cd的降低程度是评价Cd污染农田修复的主要指标之一.与空心菜单作(CK)相比,不同间作处理后,空心菜茎叶中 Cd的吸收变化差异显著.从图4可以看出,与高丹草、苏丹草、狼尾草、黑麦草和苦卖菜间作后,空心菜茎叶中 Cd的浓度显著降低,茎叶Cd的消减率分别为34.0%、35.8%、34.3%、17.2%和23.9%;而与菊苣、籽粒苋、三叶草、紫花苜蓿和紫云英间作后,空心菜茎叶中 Cd的浓度却有不同程度的增加,茎叶 Cd的消减率分别为-23.3%、-3.0%、-14.2%、-14.4%和-13.8%.在T1～T5处理中,其中 T1～T3处理的空心菜茎叶 Cd消减率均超过34.0%,与其它处理间有显著差异(P＜0.05),对降低空心菜茎叶Cd含量具有显著效果,相反,与菊苣间作(T6)后,空心菜茎叶Cd含量增加23.3%.

2.4 不同间作处理对植物Cd积累量与土壤Cd移除率影响

表1为不同间作处理中空心菜与草本植物地上部(茎叶)、根中Cd的积累量及每盆植株总Cd积累量.从表 1可知,不同间作处理中(除 CK外),主栽作物空心菜茎叶Cd的积累量为0.030～0.098mg/盆,与高丹草(T1)、苏丹草(T2)以及狼尾草(T3)间作后,空心菜地上部Cd积累量显著降低,比最高处理(T6)分别降低了 67.3%、67.3%和 69.4%.不同间作处理的草本植物中,茎叶Cd的积累量为0.042～0.571mg/盆,最大相差 13.6倍,其中最小处理为三叶草间作(T8),而最大为苏丹草间作(T2);草本植物根中Cd的积累量为 0.045～0.108mg/盆,最大相差 2.4倍.基于不同处理中主栽作物(空心菜)与间作植物(草本植物)的植株 Cd总积累量测定结果表明,不同处理植株中 Cd的积累量为 0.165～0.706mg/盆,最大相差 4.28倍,最小处理为空心菜单作(CK),而最大处理为苏丹草间作(T2).不同间作处理中,植株 Cd积累量(mg/盆)大小顺序为:T2≈T3≈T1＞T5＞T4≈T6＞T7＞T9＞T8≈T10≈CK.

表1 不同间作处理对植株Cd积累量(mg/盆)的影响Table 1 Accumulation of Cd in water spinach and intercropping plants in different treatments

在以风险管控为主的 Cd污染农田修复实践中,在降低作物可食部位Cd含量的同时,降低土壤中Cd的浓度是边安全生产、边修复的核心目标.本文中以每盆植株Cd总积累量占土壤中Cd总量的比作为土壤中 Cd移除率(%)对不同间作处理的修复效果进行评价.对不同间作处理后植株对土壤中 Cd的移除率测定结果表明,不同处理中土壤 Cd的移除率为0.35%～1.49%.与空心菜单作(CK)相比,不同草本间作均不同程度增加了土壤中 Cd的移除率,增加范围为0.04%～1.14%.10种草本植物间作对土壤 Cd移除率顺序为:苏丹草≈高丹草≈狼尾草＞苦卖菜＞菊苣≈黑麦草＞籽粒苋＞紫花苜蓿＞三叶草≈紫云英.

图5 不同间作处理对土壤中Cd移除率的影响Fig.5 Cd removal rate (%) from soil under different intercropping treatments

3 讨论

3.1 间作处理对主栽作物生长的影响

在间作种植中,不同间作植物通过对土壤养分、水分、光及热的竞争从而对主栽作物的生长产生影响,不同间作对植物生长的影响主要分为促进和竞争作用,这两个方面往往总是同时存在[4,14].本试验中,高丹草(8.64g/盆)和狼尾草(9.73g/盆)根系发达,生长快速,植株高大,在一定程度上影响了空心菜的光合作用,与其它间作植物相比,狼尾草对空心菜的生长产生了一定的抑制作用,但与单作(CK)相比,狼尾草间作处理(T3)中空心菜的地上部生物量没有显著降低.类似研究发现,两种生态型的重金属富集杂草与樱桃苗间作后,导致樱桃苗的生物量显著降低[10];另有研究表明,将6种不同的豆科植物与玉米间作后,玉米的生物量都有所降低,导致主栽作物生长抑制可能是由于间作植物的生长对土壤中养分、水等竞争的原因

[14].在间作处理土壤中,当两种植物的根系相互作用时,“根际交流”会导致促进或者抑制植物生长的现象发生,间作植物除了根系由于对土壤养分等竞争对主栽作物的生长产生抑制作用外,有时也会通过根际过程的影响对主栽作物产生促进作用[15-21].本试验中,苦卖菜、菊苣、三叶草、紫花苜蓿以及紫云英与空心菜间作后对空心菜地上部的生长具有显著的促进效应,可能原因是间作植物在一定程度上影响了植物根系分泌物的种类与数量,改善了空心菜的根际环境和空间结构,从而对空心菜生长产生促进作用.

3.2 间作处理对主栽作物Cd吸收的影响

本研究的结果表明,不同间作处理中,空心菜茎叶 Cd含量在不同草本植物间作处理间有显著差异(图3), 其中,高丹草、苏丹草、狼尾草与空心菜间作后,空心菜茎叶中 Cd的浓度分别降低了 34.0%、35.8%、34.3%;而与菊苣、籽粒苋、三叶草间作后,空心菜茎叶中Cd浓度却分别增加了23.3%、3.0%、14.2%,产生此结果的原因可能与不同草本植物对土壤中 Cd的有效性变化影响差异有关.本实验中,间作植物高丹草、苏丹草、狼尾草具有较大生物量和较强的Cd富集能力,可能是降低主栽作物Cd含量的机制之一;而籽粒苋虽然具有较高生物量,相对于高丹草、苏丹草和狼尾草,籽粒苋对 Cd的富集能力较低,这可能是影响空心菜茎叶降 Cd率的原因之一.除此外,间作植物根系分泌物和酶的类型对土壤中 Cd有效形态的影响及不同草本植物与空心菜种间/种内竞争均会影响空心菜对 Cd的吸收转运.合适的植物类型和间作策略不仅能有效降低作物对重金属的吸收和积累,通过间作植物的植物提取还可以有效修复重金属污染土壤.当两种类型的植物在一起生长时,重金属的吸收主要集中在根际环境,根系分泌物是最重要的影响因素[22-24].植物根系分泌的有机酸能改变根际的 pH值, Eh,养分有效性以及其他环境条件,从而影响根际环境中重金属的生物有效性[24-27],如:植物根系分泌的低分子量有机酸能与Cd结合形成低分子络合物从而增加了土壤中 Cd的溶解,而根系分泌物促进微生物的活动会导致土壤 Eh值下降,土壤中形成CdS降低Cd的活性.不同植物间作过程中,植物间的“根际交流”改变土壤中重金属植物有效性可能的途径包括:1)通过间作植物根系分泌物改变土壤Cd有效性[28]; 2)影响土壤微生物和土壤酶的活性;3)影响土壤pH值及Eh值;4)影响植物对养分的吸收和利用,如对土壤N、P、Fe的有效利用等(图6).本试验中,三叶草、紫花苜蓿和紫云英这 3种间作植物都为豆科植物,在与空心菜间作时,显著增加空心菜地上部对 Cd的吸收,其中紫花苜蓿处理最为明显,与单作相比增加了 14.4%,可能的机制是豆科植物通过根际固氮菌与根系分泌物作用下,对土壤中 Cd起到明显活化作用.

在植物根际,有两种因素能提高Cd有效态含量:1)根系分泌物降低了土壤 pH值:豆科植物在固氮过程中能外排大量的 H+,降低了 pH值并酸化了土壤; 2)间作植物的不同分泌物成分[28].重金属从土壤中的解吸很大程度上取决于土壤溶液中低分子量的有机酸类型(例如:乙酸,草酸,延胡索酸,柠檬酸,酒石酸等),豆科植物的根系分泌物与Cd形成了低分子络合物而将Cd从胶体或沉积物中释放出来,增加了Cd的生物有效性.

就土壤中 Cd移除率而言,不同间作处理对土壤中Cd的移除率主要取决于植物对Cd的积累量,植物Cd积累量一方面取决于植物对Cd的富集系数,还取决于植物的生物量大小.本试验对空心菜与间作植物Cd积累量的相关性分析结果显示:空心菜的地上部吸Cd量(y)与间作植物的地上部吸Cd量(x)间呈极显著的负相关关系(y=-0.08x+0.079, r=0.837).此结果表明,间作植物通过对土壤中 Cd的吸收转运可以有效降低主栽作物根际土壤 Cd的浓度,从而降低主栽作物对Cd的吸收、累积.另外,间作植物的高Cd积累量也能有效增强污染土壤中 Cd的移除效果.研究表明,植物获取的土壤资源与它们根系尺寸和大小成比例,因此可能会通过植物空间结构的变化和地上部生物量来增加对土壤中养分与水的竞争[27-28],本研究中,不同间作的草本植物中,狼尾草、高丹草及苏丹草均具有较大的地上部与根部生物量,不仅可以有效削减空心菜茎叶Cd含量,同时对土壤中Cd具有较高的移除效果.

图6 间作植物对土壤Cd有效性影响原理Fig.6 Diagram of Cd availability affected by intercropping plants in soil

4 结论

4.1 不同间作处理对空心菜茎叶与根中 Cd含量有显著影响,其中,空心菜与高丹草、苏丹草、狼尾草、黑麦草及苦荬菜间作后,空心菜茎叶 Cd含量显著降低了 17.3%～35.8%,而与菊苣、籽粒苋、三叶草、紫花苜蓿及紫云英间作后,空心菜茎叶的 Cd含量增加了3.0%～23.3%.

4.2 不同间作的草本植物的地上部 Cd含量范围为1.81～12.87mg/kg,最大相差7.1倍;不同间作植物茎叶中Cd含量大小为:苦荬菜＞菊苣＞苏丹草≈黑麦草＞高丹草≈狼尾草＞紫花苜蓿≈籽粒苋＞三叶草≈紫云英.4.3 高丹草、苏丹草、狼尾草与空心菜间作后,空心菜茎叶中 Cd的消减率均超过 34%.不同草本植物与空心菜间作对土壤Cd移除率顺序为:苏丹草≈高丹草≈狼尾草＞苦卖菜＞菊苣≈黑麦草＞籽粒苋＞紫花苜蓿＞三叶草≈紫云英;高丹草、苏丹草、狼尾草在Cd污染农田土壤的间作修复中具有较好的应用价值.