不同富集植物与小麦间作对镉吸收转运的影响

游 梦，邹 茸，王 丽，王 楷，范洪黎*

（1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地保护国家工程研究中心/农业农村部植物营养与肥料重点实验室，北京 100081；2.贵州大学林学院，贵州 贵阳 550025；3.贵州省农业科学院土壤肥料研究所，贵州 贵阳 550006）

2014年环境保护部和国土资源部联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国土壤污染物总的超标率为16.1%，其中镉（Cd）的点位超标率为7.0%，是占比第一的污染物。与其他重金属相比，Cd在土壤中具有较强的化学活性和生物可利用性，不仅会引起土壤微生物与酶活性的改变，使土壤肥力发生变化，还易被生物富集，且主要存留在植物的可食用部分，导致人体90%的Cd来源于日常饮食。但是Cd并不是植物生长所必需的营养元素，且少量的Cd就会对人体产生危害，通常被认为是毒性最强的重金属元素，它一般会通过食物链在人体中累积并长期保持活性产生慢性毒性，半衰期长达20年左右，一旦在人体积累就会引发痛痛病、癌症、肾小管坏死等多种疾病，从而危害人体健康［1-2］。近年来土壤Cd污染问题日趋严重，对Cd污染土壤的治理是一个亟待解决的问题。

利用重金属超富集/富集植物来减轻土壤重金属污染一直被认为是修复被污染耕作土壤的有效方法之一，但是富集植物普遍存在植株矮小、生长期过长、生物量小、环境适应能力弱、占据土地资源等劣势，使植物修复方法面临着经济效益低、修复效率低等诸多技术瓶颈。近年来，国内外对提高超富集/富集植物修复效率的技术进行了许多的探究，尝试采取微生物、基因工程改良、螯合剂及农艺管理等措施来达到增强植物修复的效果。从技术操作和环境保护来看，农艺管理技术是适合大力推广的一项强化措施，其中间作是农业管理技术中的一种典型植物修复措施［3］。合理的重金属超富集/富集植物与经济作物间作模式具有密植效应、时空效应、补偿效应、边际效应、异质效应，提高了作物对土壤、光能、矿质营养、热能的利用效率，增强植物修复土壤污染效果，有的甚至还减少农作物中的重金属含量，做到经济效益和环境效益并举。季李伟等［4］通过玉米和续断菊间作的研究发现，间作玉米根际土壤有效态铅（Pb）含量比单作降低了13.1%，间作玉米地上部Pb含量比单作降低了21.6%，玉米Pb含量间作比单作降低了27.4%，续断菊 Pb累积量间作高出单作170%，Cd累积量间作也显著高于单作，增幅达到146%。刘晨等［3］对毛竹幼苗与伴矿景天进行间作种植时发现，间作增加了伴矿景天对重金属元素的积累能力和向上运输的能力，减少了毛竹根部对重金属的转运能力。闫秀秀等［5］用油菜和孔雀草间作研究其对植物生长和Cd累积的影响，发现在间作处理中孔雀草可能通过根际互作显著抑制油菜对Cd的吸收累积。这些研究表明间作可提高富集植物对重金属的累积，抑制重金属在农作物中的含量。周飞等［6］通过小区试验研究单间作处理下砷（As）累积量的变化，结果表现为水稻各部分As含量大小均表现为水稻与圆叶白苋菜间作＞水稻与籽粒苋间作＞水稻与红苋菜间作＞水稻单作，说明水稻与苋菜间作能在一定程度上提高水稻各部位对As的吸收。综上可知，在间作模式中，不同的作物与不同超富集/富集植物组合对二者累积重金属有不同的影响，要想在提高植物修复效率的同时减少作物对重金属的累积，选择合适的富集/超富集植物与农作物组合尤为重要。

龙葵（Solanum nigrumL.）属于茄科茄属，一年生草本植物，有生长快、繁殖能力强、抗逆性强等特点，对重金属Cd具有较强的富集作用，已成为开发应用的一种重Cd污染土壤修复植物材料［7-8］。苋菜（Amaranthus mangostanusL.）是一种分布很广的喜热耐旱农作物，因其品种资源丰富，生长快且生物量大，已被证明是土壤修复的植物资源。范洪黎等［9］研究发现，苋菜（天星米）在土壤Cd投入浓度为25 mg·kg-1条件下，其地上部Cd含量最大达到212 mg·kg-1。黑麦草（Lolium perenneL.）为一年生禾本科单子叶植物，易种植且再生能力强，对重金属有富集作用，也可以作为富集植物用于土壤Cd污染修复［10-11］。本研究在Cd污染土壤上利用3种不同的富集植物（龙葵、苋菜、黑麦草）分别与小麦进行单间作处理，比较不同种植模式下植物对Cd的吸收转运差异，以及不同富集植物与小麦间作对Cd的吸收累积特征，为Cd污染土壤的修复与安全利用提供植物材料选择依据，探究间作不同植物对小麦Cd吸收累积的影响，以期丰富种间关系的理论体系，为间作富集植物修复技术用于Cd污染农田中作物的安全生产奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

供试土壤采自河南省新乡市（26°5′9.60″ N，119°14′3.60″ E），该地区属暖温带大陆性气候，年平均气温14℃，年平均降水量573 mm。利用多点采样法采集0～20 cm的污染农田土样，去除表层腐殖质和杂物后，经自然风干、混匀、磨碎并过5 mm筛备用。测定供试土壤的重金属Cd含量及基本理化性质（表1）。

表1 土壤的基本理化性质

1.2 供试植物

供试植物为Cd富集的植物龙葵（Solanum nigrumL.）、苋 菜（Amaranthus mangostanusL.）、黑麦草（Lolium perenneL.）和河南省新乡市主栽小麦（Triticum aestivumL.，百农矮抗58），种子分别由中国农业科学院农业农村部环境保护科研监测研究所和中国农业科学院农田灌溉研究所提供。

1.3 试验设计

设置小麦单作（MW）、龙葵单作（MS）、苋菜单作（MA）、黑麦单作（ML）、龙葵-小麦间作（ISW）、苋菜-小麦间作（IAW）、黑麦草-小麦间作（ILW）共7个处理，4次重复。小麦、龙葵、苋菜单作每盆等距定植4株，间距为9 cm，黑麦草单作每盆等距定植4列（6株为一列，共24株），间距为9 cm。龙葵-小麦间作每盆等距（9 cm）定植龙葵2株、小麦2株，苋菜-小麦间作每盆等距（9 cm）定植苋菜2株、小麦2株，黑麦草-小麦间作每盆等距（9 cm）定植黑麦草2列（6株一列，共12株）、小麦2株（图1）。

图1 单间作处理的小麦和不同富集植物的种植模式

育苗方法：将大小均匀的完整种子经5%NaClO（体积比）表面消毒15 min后，用去离子水洗涤数次并浸入25℃去离子水中12 h，在营养基质中培养至龙葵5叶和小麦一叶一芯时移栽。

培养条件：每个深色PVC方盆（规格为长44 cm、宽20 cm、高11 cm）装入5 kg处理好的供试土壤，尿素（含氮量46%）、磷酸二氢钾（分析纯）及硫酸钾（分析纯）作为基肥混匀施用，一周后开始培养植物，基肥用量分别为N 200 mg/kg、P2O5150 mg/kg、K2O 150 mg/kg。植株统一于2018年9至11月，在中国农业科学院温室自然光条件下培养，温度为25/20℃（昼/夜），相对湿度为65%～75%，植物培养期间每1～2 d进行浇水，保持在田间持水量的60%～70%。

1.4 样品采集及测定

植物样品采集与处理：在移栽后的60 d采集植株样品，植物地上部和根部分开，将根浸入20 mmol·L-1Na2-EDTA中交换15 min以除去附着在根表面的Cd2+，然后用自来水和去离子水冲洗。植物样品在105℃下杀青30 min后，在80℃下干燥至恒重，然后用球磨仪磨碎并过0.25 mm筛，备用。

植物样品Cd含量测定：取植株样品，置于50 mL消煮管中，加入4 mL HNO3-HClO4混合酸（优级纯，体积比4∶1），冷消化过夜［12］。将消煮管置于消煮炉上，120℃加热60 min，在180℃下消化至溶液变为无色透明，稍冷却后，用超纯水转移并定容至50 mL，同时做试剂空白，Cd含量用电感耦合等离子体质谱仪［ICP-MS（7700 x，Agilent，US）］测定。测定过程中质量控制样品标准物质为国家标准物质GBW10020（GSB-11），质控样品测定结果在标准值范围［（0.17±0.02）mg·kg-1］内。

1.5 数据统计与分析

采用Excel 2010对试验数据进行整理和统计，利用SAS 9.4 Duncan法进行单向方差分析，比较基于方差分析得出的最小显著差异值的结果，P＜0.05被认为具有统计学意义，用GraphPad Prism 6进行作图。转运系数（TF）通常为地上部Cd含量与根部Cd含量之比［13］。生物富集量系数（BCF）表示植株对土壤Cd的富集能力。通常用TF、BCF来反映植株对Cd的吸收和累积能力。Cd累积量为Cd含量乘以相应部分的生物量所得，它可以在一定程度上反映植物对Cd的吸收情况。

其中［Cd］是特定植物部位中的Cd含量，以mg·kg-1表示。

2 结果与分析

2.1 间作对富集植物及小麦生物量的影响

由表2可知，相对于单作龙葵、苋菜和黑麦草，与小麦间作的龙葵、苋菜、黑麦草地上部和根部生物量均显著增加（P＜0.05），分别增加33.6%、71.2%、62.5%和26.3%、94.1%、38.9%。结果表明，相对于单作龙葵、苋菜和黑麦草，与小麦间作促进了龙葵、苋菜、黑麦草地上部和根部的生长。

表2 不同种植模式下富集植物的生物量变化

由图2可知，不同种植模式下小麦地上部生物量为0.511～1.01 g·株-1，各处理的生物量大小为MW＞ISW＞IAW＞ILW。相对于单作小麦，与龙葵、苋菜、黑麦草间作的小麦地上部生物量分别降 低 了16.2%、30.8%、49.4%（P＜0.05）（图2a）。不同种植模式的小麦根部生物量为0.081～0.145 g·株-1，各处理的生物量大小为MW＞ISW＞IAW≈ILW（图2b），与3种不同富集植物间作的小麦根系生物量相对单作小麦显著下降，间作龙葵、苋菜、黑麦草的小麦根部生物量分别降低了29.4%、43.9%、47.0%（P＜0.05）。结果表明，间作3种不同富集植物均抑制了小麦地上部和根部的生长。

图2 不同种植模式下小麦生物量的变化

2.2 间作对不同富集植物及小麦Cd含量的影响

由表3可知，3种富集植物对土壤Cd的吸收能力不同，3种富集植物单作时地上部和根部Cd含量大小为龙葵＞黑麦草＞苋菜，与小麦间作时地上部Cd含量大小为龙葵＞黑麦草＞苋菜，3种间作植物根部Cd含量大小为黑麦草＞龙葵＞苋菜。单、间作龙葵地上部Cd含量分别高达18.6、18.8 mg·kg-1，远大于单间作苋菜和黑麦草，单作龙葵地上部Cd含量分别是单作苋菜和黑麦草的15.4和12.3倍，间作龙葵地上部Cd含量分别是间作苋菜和黑麦草的16.1和13.8倍。与其他两种富集植物相比，龙葵具有较强的Cd吸收转运能力。

表3 不同种植模式下富集植物Cd含量变化 （mg·kg-1）

由表3可知，在单、间作模式下，3种富集植物地上部Cd含量均无显著差异，苋菜根部的Cd含量也无显著差异，而间作龙葵根部Cd含量比单作下降了16.4%（P＜0.05），间作黑麦草根部Cd含量比单作升高了34.6%（P＜0.05）。结果表明，与小麦间作对3种富集植物地上部Cd含量无显著影响，龙葵根部Cd含量下降、苋菜根部Cd含量变化不大、黑麦草根部Cd含量增加。

由图3可知，相对于小麦单作，与3种富集植物间作小麦地上部Cd含量皆增加，与龙葵、苋菜、黑麦草间作的小麦地上部Cd含量分别是单作 小 麦 的1.35、1.34、1.30倍（P＜0.05）。相 对于小麦单作，与3种富集植物间作对小麦根部Cd含量的影响存在差异，与龙葵间作的小麦根部Cd含量比小麦单作高出46.3%，且达到显著差异（P＜0.05），与苋菜间作的小麦根部Cd含量显著增加了25.9%（P＜0.05），与黑麦草间作的小麦根部Cd含量则无显著差异。结果表明，与3种富集植物间作促进了小麦地上部对Cd的吸收，与龙葵和苋菜间作也促进了小麦根部对Cd的吸收，与黑麦草间作的小麦根部Cd含量不变，其中与龙葵间作的小麦各部分的Cd含量增加幅度最大。

图3 不同种植模式下小麦Cd含量变化

2.3 间作对不同富集植物及小麦Cd累积量的影响

由表4可知，与龙葵单作相比，间作龙葵地上部Cd累积量显著增加了41.1%（P＜0.05），根部Cd累积量无明显变化；与单作苋菜、黑麦草相比，苋菜、黑麦草地上部Cd累积量分别增加了69.9%、23.4%，但都未达到显著水平；而与小麦间作的黑麦草、苋菜根部的Cd累积量则分别显著增加了79.1%、89.4%（P＜0.05）。结果表明，间作小麦提高了3种富集植物对土壤Cd的累积量。

由表4可知，单、间作模式下龙葵TF、BCF皆高于单、间作苋菜和黑麦草的TF、BCF。与小麦间作的龙葵TF和BCF相对单作龙葵皆增加，TF显著增加了29.6%（P＜0.05），但BCF未达到显著水平。与单作相比，间作苋菜TF和BCF无明显变化，间作黑麦草TF、BCF分别减少了29.5%、23.9%。结果表明，龙葵对土壤Cd的吸收转运能力显著强于苋菜和黑麦草。与小麦间作提高了龙葵根部Cd向地上部的转运能力，对苋菜的Cd富集、转运能力无显著影响，抑制了黑麦草对Cd的富集和转运。

表4 不同种植模式下富集植物的Cd转运累积特征

由图4可知，与龙葵间作导致小麦地上部的Cd累积量增加，与龙葵间作的小麦地上部Cd累积量高达1.31μg·株-1，是单作小麦的1.13（P＜0.05）倍。与苋菜间作导致小麦地上部和根部的Cd累积量显著减少，其中，小麦根部Cd累积量比单作小麦降低了30.2%（P＜0.05）。与黑麦草间作的小麦地上部和根部Cd累积量相对单作小麦分别显著降低了34.4%和47.9%（P＜0.05）。结果表明，与龙葵间作的小麦地上部Cd累积量显著增加，与苋菜、黑麦草间作的小麦各部分Cd累积量显著降低。

图4 间作富集植物对小麦Cd累积量的影响

3 讨论

在间作系统中，促进和竞争是种间相互作用的两种常见关系。间作模式中两种作用同时存在，倘若竞争作用强于促进作用，则表现为间作劣势，若促进作用强于竞争作用，则表现为间作优势［14］。研究表明，间作模式下小麦地上部和根部的生物量都小于单作模式，并且都达到显著差异，与龙葵、苋菜、黑麦草间作的小麦地上部生物量分别降低了16.2%、30.8%、49.4%（图2a），小麦根部生物量分别降低了29.4%、43.9%、47.0%（图2b），这说明在间作模式下小麦与3种富集植物可能对矿物营养、光照、热量等多个方面产生竞争作用，龙葵、苋菜和黑麦草对生长元素的强力竞争抑制了小麦的生长发育，不利于小麦的生长。与小麦间作龙葵、苋菜和黑麦草根部和地上部分的生物量都比单作高，并达到显著水平。这表明小麦-富集植物间作系统中，富集植物生长迅速，在光照、水肥获取等多个方面具有竞争优势，与小麦间作缓解了富集植物种内竞争压力，从而促进了富集植物各部分的生长。不同植物混种后可能会改善土壤的理化性质，分泌某种物质，提高土壤环境中的元素有效态含量，使植物光照利用率增大，光合作用增强，促进植物生长，改善植物生长发育状况［15］，因此处于竞争优势的富集植物生物量高于单作。该研究结果与闫秀秀［16］的结果相似，孔雀草与油菜间作后，油菜地上部和根部生物量显著减少，降低幅度分别高达68.5%、66.1%，孔雀草地上部和根部的生物量反而高于单作，通过对净光合速率、光合导度、蒸腾速率等研究发现，孔雀草通过抑制油菜的光合作用来影响其生长。也有研究发现间作系统中玉米和豆科作物对生长资源（如土壤水分和植物养分）的竞争也导致了玉米产量的下降［17］。孟楠等［18］的结果也表明，间作在一定程度上影响了植物根系分泌物的种类与数量，改善了作物的根际环境和空间结构，从而对植物生长产生促进作用。总之，本研究结果表明，间作能提高植物生长因素的利用效率，而由于竞争作用，小麦与龙葵、苋菜、黑麦草间作会抑制小麦的生长，促进富集植物的生长。

研究结果表明，在两种种植模式下，龙葵地上部的Cd含量远远大于苋菜和黑麦草。单间作模式下龙葵地上部分Cd含量分别是苋菜和黑麦草的15～16和12～14倍，其TF和BCF也远远大于苋菜和黑麦草，在单作模式下TF为26.5、BCF为9.72，间作模式下TF为34.3、BCF为10.3，同时间作地上部Cd含量大于单作，并达到显著差异，说明龙葵对Cd有很强的富集能力、转移能力以及耐Cd胁迫能力，是修复Cd污染的优良品种，同时间作模式促进了龙葵对Cd的吸收和向上的转移。间作模式下苋菜地上部和根部的Cd含量都比单作高，地上部分没有达到显著水平，根部呈显著差异；苋菜的TF为5左右，BCF则小于1，表明苋菜对Cd富集能力一般，但有一定的向上转移能力，间作一定程度上促进了苋菜对Cd的吸收转移。两种种植模式下黑麦草根系Cd元素含量与龙葵根系相近，为苋菜根系含量的2倍多，但是地上部Cd含量远小于龙葵地上部，与苋菜相近，其TF为三者中最小，只有2左右，BCF与苋菜差不多，这说明黑麦草根系对Cd有一定的吸收能力，但是其向上转运的能力很小，未体现出对Cd的富集能力，其根部比地上部积累了更多的Cd，这可能是由于土壤中Cd过量引发的应激防御机制在一定程度上抑制了Cd从地下向地上部的运输［19］。间作模式下黑麦草地上部和根系的Cd累积量都大于单作，地上部未达显著水平，根系有显著差异，这说明间作在一定程度上促进了黑麦草对Cd的吸收。本研究结果与霍文敏等［20］对龙葵Cd富集能力研究的结果一致，与其他两种富集植物相比，龙葵具有较强的Cd吸收转运能力，在Cd胁迫下，龙葵能够产生多种限制Cd吸收和转运的生理生化机制，与龙葵体内多种配体如果胶酸盐、磷酸盐和草酸盐等结合，使其以多种金属螯合物结合形态存在，既有利于Cd在细胞壁上的固持，又有利于Cd在细胞内的区隔化，因而龙葵具有较强的耐性［21］，是一种修复中轻度Cd污染土壤的理想植物材料。

本研究发现，间作不同的富集植物增加了小麦地上部的Cd含量，间作龙葵、苋菜促进了小麦根部对Cd的吸收，与黑麦草间作的小麦根部Cd含量没有明显变化。但是间作模式下，与苋菜和黑麦草间作的小麦地上部分和根部的隔累积量都显著小于单作，与龙葵间作小麦的地上部Cd累积量显著大于单作，根部Cd累积量与单作相近。间作会改变根系分泌带有羧基官能团的有机酸、氨基酸的数量和种类，改变根际环境中络合或螯合化合物的量、土壤pH和氧化还原电位［22-23］，螯合剂能使被土壤固相结合的Cd重新释放并进入土壤溶液，增加土壤中Cd的有效态，pH降低将Cd从胶体或沉积物解吸，氧化条件下难溶性的CdS会被氧化成可溶性的CdSO4，从而增加土壤中Cd的含量，使植物根系接触或吸收更多的Cd，影响根表面对Cd的吸收［24］。左元梅等［25］研究发现，间作作物通过向土壤中释放根系分泌物是两植物相互影响的关键因素；王吉秀等［26］研究发现，间作改变了植物根系分泌有机酸的种类和数量，改变了超累积植物小花南芥和玉米体内Pb的含量，促进超累积植物小花南芥累积Pb。本研究中间作模式在不同程度上促进了3种富集植物对Cd的吸收，也提高了小麦对Cd的吸收含量，原因可能是间作模式使小麦或者3种富集植物释放了某种分泌物或者刺激分泌物分泌增多，活化了土壤Cd。另外不同植物在生长过程中的分泌物可能会对土壤酶活性、微生物种群结构等方面产生影响，继而影响Cd的存在状态或调控与其混种植物体内的相关生化反应过程，从而影响植物根系的Cd吸收能力和向上转移能力［15，27］。间作对小麦生物量产生的抑制作用可能与其生化反应受到分泌物的影响所致，而与龙葵间作的小麦地上部Cd累积量增加，根部Cd累积量不变，这可能是因为可交换态Cd含量增多导致，相对来说，间作也应该在一定程度上抑制了小麦的Cd累积量；与苋菜、黑麦草间作的小麦各部分Cd累积量减少，应该是竞争抑制作用和可交换态Cd含量相对龙葵明显较少共同导致的；而间作对龙葵、苋菜和黑麦草的生物量产生促进作用可能也是其Cd累积量提高的重要原因之一。

4 结论

与小麦间作促进了富集植物龙葵、苋菜、黑麦草对Cd的吸收，但增加了主栽作物小麦地上部Cd含量，说明与龙葵、苋菜、黑麦草间作会增加小麦Cd含量超标的风险。为兼顾土壤Cd污染修复效率且降低小麦对Cd的累积，还需要进一步探索与小麦间作的优势富集植物。