间作黑麦草-酸模对油菜生长及镉富集的影响1

徐 年，詹林川，刘 娜，薛中俊，赵颖颖，胡宏祥，符小菲，李先藩，吴孟君

（安徽农业大学 资源与环境学院/农田生态保育与污染防控安徽省重点实验室，安徽 合肥 230036）

随着矿产资源的开发利用、工业化规模的扩大及含重金属农药化肥的大规模使用，农田重金属污染形势日益严峻［1］.目前，我国约5000 万hm2耕地受镉、汞、砷、铅等重金属污染［2］，且镉污染形势严峻.镉极易被植物吸收，对作物生长及人体健康存在极大威胁，因此对镉污染土壤的修复研究具有重要意义［3-4］.

常见的重金属修复方法有物理修复、化学修复及生物修复三种，生物修复中植物修复以其环境友好、绿色经济等特点逐渐成为土壤原位修复的首选方式［5-6］.单一植物修复存在一定局限性，搭配相关农艺措施可更好发挥其修复效果.研究表明，间混套作不仅可以综合利用光、热、水、土资源，还可影响土壤重金属生物有效性，抑制重金属对作物毒害，从而实现边修复边生产的效果［7］.

目前国内外已见报道的间作体系组合中以豆科作物参与种植为主，关于油菜间套混作的研究较少［8］.陈兴等［9］研究表明，富集植物小花南芥与蚕豆在铅锌矿区周边农田间作时对土壤具有一定的修复效率.秦丽等［10］研究表明，土荆芥和蚕豆、玉米在重金属胁迫下间作可促进土荆芥对土壤中Pb、Cd和Zn的吸收和积累，同时抑制作物对重金属的吸收.上述研究表明，间作对土壤中重金属离子的迁移及对土壤修复均具有一定影响.朱俊艳［11］等研究表明，十字花科芸薹属的油菜对土壤重金属有较强的富集、转运能力.综上，前人研究主要集中在间作体系下探讨不同豆科作物实现边生产边修复的可能性，而盆栽试验条件下油菜间作对Cd污染土壤影响研究尚少见报道.本研究以安徽某镉污染农田土壤为试验用土，选用安徽污染区优势物种黑麦草、酸模和油菜为供试植物，通过油菜-黑麦草间作和油菜-酸模间作盆栽试验，研究两种间作处理对土壤理化性质、土壤有效Cd含量、油菜生长及油菜地上部吸收Cd的影响，综合评估油菜间作种植对镉污染土壤的修复效果及安全生产的可行性，以期为重金属污染区农业安全生产提供一定数据支撑.

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试植物为油菜、黑麦草和酸模.油菜选用品种为中双9号和浙油50，购自安徽省合肥丰乐种业有限公司，于2017年9月下旬育苗，播种前用10%的H2O2对种子消毒30 min，放光照培养箱育苗，待苗长到6～7 cm高时，挑选长势良好、根系健全的幼苗进行盆栽试验；黑麦草购自安徽省合肥市农资市场，播种前用10%的H2O2对种子消毒10 min，然后播种，进行盆栽试验；酸模购自山东农业大学种苗培育站，播种前用10%的H2O2对种子消毒30 min，以蛭石与珍珠岩（1∶1）为培育基质，用霍格兰营养液进行培养，待幼苗长出6片真叶时，挑选长势良好、根系健全的幼苗进行盆栽试验.

供试土壤采自安徽某矿区镉污染农田.2017年10月初采集农田表层0～20 cm土壤，经风干后混匀磨碎，过2 mm尼龙筛.供试土壤理化性质：pH 5.71，有机质25.29 g/kg，碱解氮147.02 mg/kg，速效磷14.69 mg/kg，速效钾75.99 mg/kg，全镉5.83 mg/kg，有效镉 4.07 mg/kg.可见，供试土壤养分达二级以上，土壤全镉含量超过国家农用地土壤污染风险管制值（GB 15618-2018）.

1.2 试验设计

按照实验目的，以2种油菜分别与黑麦草、酸模进行间作试验.盆栽试验于2017年11月在安徽农业大学农萃园内正式进行.试验设单作和间作，共计6个处理，即中双9号（ZS9）单作、浙油50（ZY50）单作、中双9号-黑麦草间作（ZS9-LP）、浙油50-黑麦草间作（ZY50-LP）、中双9号-酸模间作（ZS9-RA）、浙油50-酸模间作（ZY50-RA）.试验每盆装土6.5 kg（烘干基），3次重复，共18盆.黑麦草每盆撒种子100粒，酸模每盆定苗2株，油菜每盆定苗2株.2018年5月10日，采集油菜地上部分（茎秆和籽粒）和对应的根际土样.将样品带回实验室，用于分析.

1.3 样品分析与测定

土壤样品除去石块与植物根系，自然风干后，分别过1 mm和0.149 mm筛，用于土壤重金属有效态含量及基本理化性质测定.收获后的黑麦草、酸模、油菜分别用自来水、去离子水洗涤，然后105℃杀青30 min，在70℃下烘干至恒重，记录干重，粉碎，过0.149 mm筛备用.

土壤全Cd采用硝酸—高氯酸—氢氟酸消解，土壤有效Cd采用DTPA浸提（V∶V=1∶2），植物样品用硝酸—高氯酸消解（GB5009.13-2017），之后均采用等离子体发射光谱仪（ICAP 6000 Series，Thermo scientific）测定Cd含量.植物Cd累积特征用生物富集系数和富集量表示，生物富集系数=植物体内重金属含量/土壤中重金属含量；富集量=植株重金属浓度×每盆生物量干重.土壤理化性质测定采用常规方法.

1.4 数据处理

试验数据用Excel 2003进行常规处理，统计分析用SPSS 20.0进行，差异显著性检验用Duncan法.

2 结果与分析

2.1 不同种植处理对土壤理化性质的影响

由表1可知，不同种植处理对土壤pH的影响存在差异.与土壤初始值相比，间作植物均能降低土壤pH，但差异没有达到显著水平（P>0.05），其中ZS9-LP处理使土壤pH降低最为显著，其次是ZY50-LP处理.相比初始值，栽培植物可显著提高土壤有机质含量（P<0.05）.其中，与酸模间作提高土壤有机质含量较多，较背景值提高了41.59%和38.76%；另外，栽培油菜均不同程度增加了土壤全氮含量，差异不显著（P>0.05）.

表1 不同种植处理对土壤pH、有机质和全氮的影响

2.2 不同种植处理对油菜生物量的影响

由图1可知，油菜ZS9单作处理生物量为68.40g/株，ZS9-RA和ZS9-LP处理的油菜生物量分别比ZS9单作处理增加了7.78%和4.75%；ZS9-RA和ZS9-LP处理油菜生物量之间的差异不显著（P>0.05）.油菜ZY50单作处理生物量为71.51g/株，ZY50-RA和ZY50-LP处理的油菜生物量分别比ZY50单作处理增加了4.42%和5.48%；ZY50-RA和ZY50-LP处理油菜生物量之间的差异不显著（P>0.05）.

图1 不同种植处理对油菜生物量的影响

2.3 不同种植处理对土壤中Cd含量的影响

由图2可知，不同种植体系下种植油菜均能降低土壤全Cd含量.ZS9-LP处理较对照降低幅度最大，为5.08 mg/kg，降低了12.81%；其次是ZS9-RA处理，全Cd含量降低了11.66%.不同间作处理中与植物间作的处理土壤全Cd含量降低较明显，其降低幅度约为8.05%～12.81%.由于供试土壤镉背景值较高，间作处理后土壤Cd含量仍较农用地土壤污染风险管制值存在差距.

不同种植体系下种植油菜均可改变土壤有效Cd含量.ZS9-LP处理较对照降低幅度最大，降低了32.92%；其次是ZS9单作处理，有效Cd含量降低了30.20%.不同间作模式下土壤有效Cd含量降低范围为20.39%～23.53%，与土壤初始值相比降幅明显（P<0.05），但各处理间差异不显著（P>0.05）.

图2 不同种植处理对土壤Cd含量的影响

2.4 不同种植处理对油菜地上部Cd含量的影响

2.4.1 不同种植处理对油菜茎秆Cd含量的影响

由表2可知，ZS9-RA和ZS9-LP处理油菜茎秆镉含量分别比ZS9处理降低22.51%和12.95%，但各处理间油菜茎秆Cd含量差异不显著；ZY50-RA和ZY50-LP处理油菜地上部镉含量分别比ZY50处理低18.18%和12.22%，差异不显著（P>0.05），各间作处理间酸模地上部镉含量之间的差异不显著（P>0.05）；两种油菜处理地上部镉含量之间差异不显著（P>0.05）.

2.4.2 不同种植处理对油菜籽粒Cd含量的影响

油菜ZS9单作处理籽粒Cd含量为0.62mg/kg，ZS9-RA和ZS9-LP处理下油菜籽粒Cd含量分别比ZS9单作处理降低了41.94%和32.26%，且各处理间差异达显著；油菜ZY50单作处理籽粒Cd含量为0.35mg/kg，ZY50-RA和ZY50-LP处理的油菜籽粒Cd含量分别比ZY50单作处理降低了34.62%和32.69%，低于ZY50处理，差别不显著（P<0.05）；ZY50-RA和ZY50-LP处理油菜籽粒Cd含量之间的差异不显著（P>0.05）.

表2 不同种植处理对油菜Cd含量的影响

2.5 不同种植处理对油菜Cd累积特征的影响

2.5.1 不同种植处理对生物富集系数的影响

生物富集系数是衡量植物提取重金属潜力的重要指标之一.由图3可知，ZS9-RA和ZS9-LP处理的油菜地上部镉的生物富集系数分别比ZS9单作处理低22.81%和13.39%，差异不显著（P>0.05）；ZY50-RA和ZY50-LP处理下油菜地上部镉的生物富集系数分别比ZY50单作处理低17.70%和12.22%，差异不显著（P>0.05）.综合对比，油菜ZS9种植处理（单作或间作）提取土壤中Cd潜力更高，ZY50间作处理可提高油菜生产的安全性.

图3 不同种植处理对植物生物富集系数的影响

2.5.2 不同种植处理对油菜Cd富集量的影响

由图4可看出，油菜ZS9单作处理对Cd的富集量最大，为0.64mg，其次为ZS9-LP处理.ZS9-RA及ZS9-LP处理下油菜富集量较ZS9单作处理分别降低15.80% 和 8.19%，差异显著（P<0.05）；ZS50-RA及ZS50-LP处理下油菜富集量较ZS50单作处理分别低14.04%和7.38%，差异显著（P<0.05），油菜Cd富集量降低趋势与油菜生物富集系数一致.整个间作系统中富集量由油菜富集量及植物富集量两部分组成，在不考虑黑麦草、酸模的富集量，仅考虑油菜富集量时，单作的油菜富集潜力更明显.但实际间作种植过程中，黑麦草及酸模吸收了一定量的Cd，整体修复效果较单作更突出.

图4 不同种植处理对油菜富集量的影响

3 讨论

不同种植处理对土壤pH影响差异虽不显著，但几乎均呈现降低趋势。间作处理下土壤pH降低效果突出，这主要与交互栽培有关。油菜与其他植物间作，会影响植物及其根际微生物向根际土壤分泌有机酸、质子等物质，改变土壤微生物群落结构，继而导致土壤酸化、土壤有机质含量等发生变化［12］。间作系统中油菜生物量增加，主要是由于黑麦草、酸模吸收了更多的Cd，为油菜生长提供了较为安全的环境，油菜获得了更多养分［13-14］。

本研究中栽培油菜土壤全Cd含量均有所降低，说明选用油菜与间作植物均具有一定植物修复的潜力。栽培油菜ZS9（单作或间作）土壤中全Cd含量降低幅度较ZY50降低明显，说明不同油菜品种对Cd的富集能力存在差异，ZS9油菜品种吸收Cd潜力更大，ZS9油菜品种更适合用于Cd污染土壤修复。几种间作处理中，油菜吸收Cd能力大小顺序呈现出间作＜单作的趋势。间作时，黑麦草、酸模和油菜产生交互作用，黑麦草和酸模地上部对Cd的吸收量增加，油菜地上部吸收Cd的含量减少，可能是植物间作根系分泌的低分子量有机酸或酚类物质会影响重金属离子在根-土界面上的吸附-解吸、配位-解离等，继而改变土壤中重金属的赋存形态，影响重金属离子的迁移规律，从而降低作物体内重金属的含量［15-16］。

本研究中间作使油菜Cd富集系数呈下降趋势，可能是由于间作过程中，根际环境中的根系分泌物、根际微生物的类型和数量发生不同程度的变化，最终影响了油菜对Cd2+的吸收和转运，造成油菜镉含量与累积量的减少［17］。两种间作体系均可降低油菜Cd富集量，但引起植株体内重金属含量累积分配不一致现象的具体机理，还有待进一步论证。分析两种油菜籽粒Cd含量可知，由于供试土壤镉背景值较高，间作处理未达到边生产边修复的效果，但镉低污染地区油菜间作模式安全生产具有一定可行性。

4 结论

（1）与单一栽培相比，间作处理在一定程度上能降低土壤pH，增加土壤有机质、土壤全N含量，同时增加油菜的生物量.

（2）栽培油菜可明显降低土壤Cd含量，降低土壤Cd含量能力的顺序依次为ZS9-LP>ZS9-RA>ZY50-LP>ZY50-RA>ZS9>ZY50.

（3）与单作相比，间作处理均能有效降低油菜茎秆及籽粒Cd含量.综合比较，油菜间作种植推荐用于镉低污染土壤修复与生产.