3种花卉单种或混种对后茬显齿蛇葡萄生长及其重金属含量的影响

向 阳，向言词，任 海，简曙光，王瑞江，向建华，胡 伟

（1.永顺县农业局，湖南 永顺 416700；2.湖南科技大学建筑与艺术设计学院风景园林系，湖南 湘潭 411201；3.中国科学院华南植物园，广东 广州 510650）

2014年《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国耕地重金属污染物超标率达19.4%，受重金属污染的耕地面积已达2000万hm2[1-2]。作物从污染土壤中吸收重金属，导致农产品重金属超标，进而威胁人体健康[3-4]。为保障农产品质量安全和国民身体健康，研发阻控作物从污染土壤中吸收重金属的技术具有重要的现实意义。

植物修复是一种利用植物及其根际微生物协同作用清除环境污染物的绿色修复技术[5]。研究表明，许多花卉具有富集重金属的能力。利用花卉修复污染土壤既能净化与美化环境，又可获得经济效益；而且观赏花卉与人类食物链无关联，不会影响人类健康。因此，花卉植物为重金属污染土壤的修复开辟了一条切实可行的新途径[6-7]。

污染耕地的重金属类型复杂多样，而且重金属在土壤中分布深度不同。单种植物修复能力有限，难以有效解决作物从污染耕地吸收多种重金属的问题。采用多种植物联合修复能提高修复效率，节省时间与费用。基于此，综合前人的研究成果，笔者选择猪屎豆（Crotalaria mucronata）、紫茉莉（Mirabilis jalapa）及青葙（Celosia argentea）这3种花卉作为研究对象，将这3种观赏植物单独种植、两两间作、三者混种后再与显齿蛇葡萄（Ampelopsis grossedentata）轮作，研究花卉单种或混种阻控后茬作物显齿蛇葡萄（Ampelopsis grossedentata）从污染耕地吸收重金属的效果，为显齿蛇葡萄在中轻度污染耕地中的安全生产提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验地点及供试材料

试验于2018年在湖南省永顺县万坪镇撂荒农田进行。试验田土壤pH值6.2，土壤中铅、镉、铜和镍含量分别为768.8、1.2、255.0和139.0 mg/kg。按GB15618—1995要求，试验田土壤重金属含量达到中度污染水平。

供试植物材料有显齿蛇葡萄（Ampelopsis grossedentata）和3种花卉植物猪屎豆（Crotalaria mucronata）、紫茉莉（Mirabilis jalapa）及青葙（Celosia argentea）。

1.2 试验方法

在试验地分建8个小区，小区宽8.0 m、长12.0 m。其中7个小区轮种3种花卉与显齿蛇葡萄，设计如下处理：（1）单种花卉与显齿蛇葡萄轮种，猪屎豆（CM—AG）、紫茉莉（MJ—AG）、青葙（CA—AG）；（2）花卉两两间种（图1）后，再与显齿蛇葡萄轮种，猪屎豆/紫茉莉（CM/MJ—AG）、猪屎豆/青葙（CM/CA—AG）、青葙/紫茉莉（CA/MJ—AG）；（3）3种花卉混种再与显齿蛇葡萄轮种，猪屎豆/紫茉莉/青葙（CM/MJ/CA—AG）。余下1个小区作为对照小区（CK），只单种显齿蛇葡萄。

图1 3种花卉两两间种示意图

2018年3月，每个小区造3条耕作带，耕作带间距60.0 cm，耕作带宽2.0 m、长12.0 m。每条耕作带中栽种6行植物，行间距30.0 cm，同一行中株间距30.0 cm，同行中只移栽一种植物，每个种植点栽3株幼苗。花卉幼苗移栽前施尿素、过磷酸钙、硫酸钾和硼砂作基肥，N、P2O5、K2O施用量分别为180、100、120 kg/hm2，硼砂施用量7.5 kg/hm2。用犁将基肥与土壤混匀，犁耕土壤深度为30 cm。4月按试验设计在耕作带中移栽花卉幼苗。9月挖除花卉植株，采集土壤样品，在小区中造耕作带，轮种显齿蛇葡萄幼苗，耕作带处理及栽培显齿蛇葡萄规格与栽培花卉相同。2019年4月采挖显齿蛇葡萄植株。

1.3 样品采集与测定

每种栽培方式随机采挖8株显齿蛇葡萄植株，将植株用自来水冲洗，再用去离子水冲洗，晾干；105℃条件下烘干1 h，80℃条件下烘8 h到恒重，将显齿蛇葡萄植株分成茎、根和叶3部分，测定干重。挖除花卉时收集相应土壤样品，测定土壤重金属DTPA（二乙三胺五乙酸）提取态含量，采用pH值=5.1（用HCl调节）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，室温下以120 r/min振荡浸提2 h，再以3 500 r/min离心10 min，取样测定[8]。采用浓硝酸+氢氟酸+高氯酸法消解土壤，采用浓硝酸+高氯酸法消解植株，然后用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定样品中的重金属含量。

1.4 数据分析

采用Excel 2003和SPSS13.0软件进行数据处理与分析。

2 结果与分析

2.1 花卉栽培对土壤重金属DTPA提取态含量的影响

从表1可知，与对照相比，单独种植1种花卉，土壤中铅、镉、铜和镍的DTPA提取态含量均有所下降；其中，单种猪屎豆（CM）的处理土壤中镉和铜的DTPA提取态含量下降达到显著水平，降幅分别为47.1%和53.3%；单种紫茉莉（MJ）的处理土壤中铅和镉的DTPA提取态含量下降达到显著水平，降幅分别为49.5%和51.5%；单种青葙（CA）的处理土壤中镉和镍的DTPA提取态含量显著下降，降幅分别为58.8%和45.2%。与对照相比，花卉两两间种均可显著降低土壤中铅、镉、铜和镍的DTPA提取态含量；其中，猪屎豆与紫茉莉间种（CM/MJ）的处理土壤中铅、镉、铜和镍的DTPA提取态含量分别降低了58.4%、55.9%、51.1%和54.8%，猪屎豆与青葙间种（CM/CA）的处理土壤中铅、镉、铜和镍的DTPA提取态含量分别降低了64.4%、61.8%、53.3%和64.8%，青葙与紫茉莉间种（CA/MJ）的处理土壤中铅、镉、铜和镍的DTPA提取态含量分别降低了60.4%、52.9%、61.1%和60.3%。而猪屎豆、紫茉莉和青葙三者混种（CM/MJ/CA）对土壤中铅、镉、铜和镍的DTPA提取态含量的降幅最大，分别为71.3%、67.6%、56.7%和76.7%。

表1 栽培花卉后土壤重金属DTPA提取态含量的变化（mg/kg）

2.2 花卉栽培对后茬作物显齿蛇葡萄各部位生物量的影响

由表2可知，与对照相比，单一花卉与显齿蛇葡萄轮作以及两种花卉混种后再与显齿蛇葡萄轮作，后茬作物显齿蛇葡萄根、茎和叶的生物量均有所增加，但差异均未达显著水平；但3种花卉混种之后再与显齿蛇葡萄轮作（CM/MJ/CA—AG），后茬作物显齿蛇葡萄根、茎和叶的生物量均显著增加，增幅分别为26.3%、23.7%和54.5%。

表2 各处理显齿蛇葡萄不同部位的生物量 （g/株）

2.3 花卉栽培对后茬作物显齿蛇葡萄各部位重金属含量的影响

从表3可以看出，与对照相比，青葙与显齿蛇葡萄轮作，后茬作物显齿蛇葡萄根、茎和叶中的铜含量变化显著；而猪屎豆、紫茉莉分别与显齿蛇葡萄轮作，后茬作物显齿蛇葡萄茎中的铜含量不降反升，但差异未达显著水平；3种花卉单种后再与显齿蛇葡萄轮作，后茬作物显齿蛇葡萄根、茎和叶中铅、镉和镍含量都有所下降，但差异均未达显著水平。花卉两两间种或三者混种后再与显齿蛇葡萄轮作的处理中，除CM/CA—AG处理下后茬作物中铅含量降幅不显著、CM/MJ/CA—AG处理下后茬作物中铜含量降幅不显著外，其他处理后茬作物显齿蛇葡萄中4种重金属的含量均显著下降；尤其是CM/MJ—AG、CA/MJ—AG和CM/MJ/CA—AG处理显齿蛇葡萄叶中铅含量≤0.3 mg/kg，达到GB 2762—2012食品安全国家标准食品中污染物限量要求；CM/MJ—AG、CM/CA—AG、CA/MJ—AG和CM/MJ/CA—AG处理显齿蛇葡萄叶中镉含量低于0.2 mg/kg，达到食品安全国家标准的污染物限量要求。

表3 各处理显齿蛇葡萄不同部位重金属的含量 （mg/kg）

3 讨论与结论

DTPA提取法是测定土壤重金属生物有效性的常用方法，由于DTPA提取态重金属和植物生长最为密切，最能代表重金属的生物有效性[9]。栽种植物对土壤重金属的生物有效性会产生影响。单种猪屎豆使土壤中镉和铜的DTPA提取态含量显著下降，单种紫茉莉使土壤中铅和镉的DTPA提取态含量显著下降，单种青葙使土壤中镉和镍的DTPA提取态含量显著下降。猪屎豆、紫茉莉与青葙两两间种或三者混种都使土壤铅、镉、铜和镍的DTPA提取态含量显著下降。有些研究报道了类似研究结果。例如：金丝垂柳通过根系吸收和固定土壤有效态镉而降低土壤中镉的生物有效性[10]，香根草可以显著降低土壤中生物有效态镉和总镉含量[11]，栽培伴矿景天降低了土壤中镉的生物有效性以及后续轮种作物水稻的镉含量[12]。

轮种栽培模式中，前茬作物会对后茬作物生长产生影响。试验结果显示，猪屎豆、紫茉莉与青葙三者混种使后茬作物显齿蛇葡萄根、茎和叶的生物量显著增加。Sainju等[13]的研究表明，与豆类作物轮作可显著增加作物产量。Zhou等[14]的研究表明，在西红柿—芹菜—黄瓜—大白菜轮作体系中，黄瓜产量增加显著。Sharma等[15]的研究显示，豇豆与玉米间作提高了后续轮作的小麦产量。王劲松等[16]的研究表明，与紫花苜蓿及葱轮作可显著促进高粱地上部分与根系的生长。

轮种栽培模式中，前茬作物还可以影响后茬作物对重金属的吸收转运。在重金属中度污染耕地中，将紫茉莉分别与猪屎豆、青葙间种或将三者混种，使后茬作物显齿蛇葡萄的根、茎和叶中铅和镉含量都显著下降，其叶中铅和镉含量都低于国家限量标准；将猪屎豆、紫茉莉和青葙两两间种或将三者混种，后茬作物显齿蛇葡萄的根、茎和叶的镍含量都显著下降。Khoshgoftarmanesh等[17]的研究表明，与向日葵轮种可显著降低小麦籽粒的镉含量。居述云等[18]研究表明，麦季间作伴矿景天既能降低土壤中重金属浓度，又能减少小麦及后茬茄子对重金属的吸收积累。Murakami等[19-20]的研究表明，在镉中度污染的稻田中栽培镉富集水稻品种可减少后茬大豆和水稻对镉的吸收。Su等[21]的研究表明，栽培镉富集油菜品种可减少后续轮种作物大白菜对镉的吸收积累。Wu等[22]的研究表明，栽培油菜显著减少了后续轮种作物水稻对镉铅的吸收，水稻秸秆与籽粒中镉铅含量显著降低。向言词等[23]的研究显示，采用美洲商陆修复锰尾渣污染土壤后，后茬作物大豆和绿豆的镉、铅、锌和锰含量均有降低。

综上所述，猪屎豆、紫茉莉与青葙两两间种和三者混种使土壤铅、镉、铜和镍的DTPA提取态含量显著下降；猪屎豆、紫茉莉与青葙三者混种使后茬作物显齿蛇葡萄的根、茎和叶的生物量显著增加；紫茉莉分别与猪屎豆、青葙间种和三者混种使后茬显齿蛇葡萄的铅和镉含量显著下降，其叶中铅和镉含量均低于国家限量标准；猪屎豆、紫茉莉和青葙两两间种和三者混种使后茬显齿蛇葡萄的镍含量显著下降。鉴于轮种对显齿蛇葡萄的生物量与吸收重金属的影响，建议将猪屎豆、紫茉莉和青葙三者混种模式作为阻控后茬显齿蛇葡萄从污染耕地吸收重金属的优势组合模式。