环境科学  2020, Vol. 41 Issue (11): 5151-5159   PDF    
叶用油菜和孔雀草间作对植物生长和镉累积的影响
闫秀秀1,2, 徐应明1,2, 王林1,2, 陶雪莹1,2, 孙约兵1,2, 梁学峰1,2     
1. 农业农村部环境保护科研监测所, 天津 300191;
2. 农业农村部产地环境污染防控重点实验室, 天津 300191
摘要: 为揭示镉(Cd)低积累作物与超富集植物间作对Cd污染土壤安全利用和提取修复的作用,通过盆栽试验,将两种Cd累积能力不同的叶用油菜(Brassica chinenesis L.,低积累油菜华骏和普通油菜寒绿)与4种孔雀草(Tagetes patula L.,矮杆红花、矮杆黄花、高杆红花和高杆黄花)间作,研究间作措施对两类植物生长、光合作用参数、Cd累积以及土壤有效态Cd和可溶性有机碳(DOC)含量的影响.结果表明,与单作相比,间作后油菜生物量显著降低,孔雀草生物量显著升高.间作处理中油菜叶片的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率较单作均显著降低.华骏与矮杆红花间作时,华骏地上部Cd含量较单作显著降低14.5%,矮秆红花地上部Cd含量显著增加36.5%;其余间作处理下油菜地上部Cd含量均显著升高或无显著变化,而孔雀草地上部Cd含量无显著变化.间作处理下,油菜地上部Cd累积量较单作处理显著降低,孔雀草地上部Cd累积量显著升高.间作处理下土壤Cd提取率与孔雀草单作处理无显著差异.油菜地上部Cd含量与土壤有效态Cd以及DOC含量分别呈极显著和显著的正相关关系.总之,Cd低积累油菜华骏与孔雀草矮杆红花间作组合表现最佳,在Cd污染菜地土壤的修复和安全利用中有较好的应用价值.
关键词: 镉(Cd)      间作      孔雀草      叶用油菜      植物提取修复     
Effects of Intercropping of Brassica chinenesis L. and Tagetes patula L. on the Growth and Cadmium Accumulation of Plants
YAN Xiu-xiu1,2 , XU Ying-ming1,2 , WANG Lin1,2 , TAO Xue-ying1,2 , SUN Yue-bing1,2 , LIANG Xue-feng1,2     
1. Agro-Environmental Protection Institute, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Tianjin 300191, China,;
2. Key Laboratory of Original Agro-Environmental Pollution Prevention and Control, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Tianjin 300191, China
Abstract: A pot experiment was conducted to reveal the effects of intercropping a low-cadmium (Cd) accumulating cultivar and a Cd hyperaccumulator on the safe utilization and phytoextraction of Cd-polluted soils. Two cultivars of Brassica chinensis L. (the low-Cd accumulating cultivar Huajun, and the common cultivar Hanlü), were intercropped with four cultivars of Tagetes patula L. (Dwarf Red, Dwarf Yellow, Tall Red, and Tall Yellow). We examined the biomass, photosynthetic characteristics, and Cd accumulation in the plants and available Cd content and dissolved organic carbon (DOC) content in the soils. The results show that under the intercropping treatments, the biomass of B. chinensis decreased significantly and those of T. patula increased significantly, compared with the monoculture treatments. When intercropped with T. patula, the net photosynthetic rate, stomatal conductance, and transpiration rate in the leaves of B. chinensis decreased significantly, compared with the monoculture treatments. When Huajun was intercropped with Dwarf Red, the shoot Cd content of Huajun significantly decreased by 14.5%, and that of Dwarf Red increased significantly by 36.5% compared with the monoculture. Under the other intercropping treatments, the shoot Cd content of B. chinensis increased significantly, or showed no significant change, and that of T. patula showed no significant change. Under the intercropping treatments, the total amount of Cd in the shoot of B. chinensis decreased significantly, and that of T. patula increased significantly, compared with the monoculture. There were no significant differences in the Cd extraction ratios between the intercropping treatments and the monoculture of T. patula. The shoot Cd content of B. chinensis was significantly correlated with soil available Cd content and DOC content (P < 0.01 and P < 0.05, respectively). In conclusion, the intercropping treatment of Huajun and Dwarf Red significantly reduced shoot Cd content in B. chinensis and increased that in T. patula, and it did not affect the Cd extraction ratio. This is suitable for the safe utilization and phytoextraction of Cd-polluted soils.
Key words: cadmium(Cd)      intercropping      Tagetes patula      Brassica chinenesis      phytoextraction     

各种人类活动引起的土壤重金属镉(Cd)污染已成为一个严重的环境问题[1, 2].据调查, 我国土壤Cd污染点位超标率高达7.0%, 其中轻微和轻度污染点位占比达6.0%[3].土壤中的镉具有迁移性强、毒性高和难以清除的特点, 易通过食物链危害动物和人体健康[4, 5].因此加强对土壤Cd污染, 特别是农田Cd污染的修复研究具有重要的现实意义.近年来, 采用植物提取修复技术, 即种植重金属超富集/富集植物来修复中低污染水平的土壤引起人们的关注.该方法具有易实施、环境友好以及可改良土壤等优点, 已成为修复农田重金属污染的有效方法之一[6].然而由于修复周期较长, 在修复过程中休耕导致收益降低, 单一开展植物提取修复无法适应我国人多地少的国情.

近年来, 通过重金属富集/超富集植物与农作物间作, 利用二者在根际和地上部的交互作用, 在提取土壤中重金属的同时降低作物重金属累积, 可以实现对重金属污染农田的边生产边修复, 已发展成为一种极具潜力的重金属污染农田修复和安全生产的方法[7~9].张佳等[10]的研究表明, 将黑麦草(Lolium perenne)与小麦(Triticum aestivum)间作, 在收获期黑麦草根部Cd含量较单作提高26%, 而小麦茎、叶及籽粒Cd含量则降低13%~36%.谭建波等[11]也发现, 续断菊(Sonchus asper)与玉米(Zea mays)间作后, 续断菊根部Cd含量增加16.88%, 玉米籽粒中的Cd含量显著降低.然而有研究表明, 在富集植物小花南芥(Arabis alpina)与蚕豆(Vicia faba )间作时, 蚕豆的地上部和根部Cd含量比单作时显著升高[12].Deng等[13]的研究发现, 酸枣(Ziziphus acidojujuba)与白花鬼针草(Bidens pilosa)间作后, 酸枣地上部Cd含量比单作时增加62.2%.综上可知, 在间作体系中, 不同的植物组合对二者累积重金属有不同的影响, 要确保植物提取修复效率不降低, 同时减少作物重金属累积, 选择合适的富集/超富集植物与农作物组合较为重要.

近年来的研究发现, 观赏植物在重金属污染土壤的植物修复方面具有较大应用潜力, 而且利用观赏植物治理土壤污染同时可美化环境, 易于被公众接受[14, 15].孔雀草(Tagetes patula)是一种菊科草本花卉, 常用作景观和道路美化, 环境适应性较强.有研究表明, 孔雀草对镉有较强的耐性和累积能力, 是一种镉超富集植物[16, 17].Sun等[18]的研究发现, 不同品种的孔雀草对镉的累积能力存在显著差异.鉴于此, 本研究选择4个不同品种的孔雀草与两种镉累积能力不同的叶用油菜(Brassica chinenesis)间作, 考察间作措施对两类植物生长、光合作用、镉累积以及土壤Cd提取效果的影响, 筛选能够兼顾植物提取修复和Cd污染土壤安全利用的最佳间作组合, 并通过分析土壤有效态Cd和可溶性有机碳(DOC)含量的变化规律, 探究间作处理影响两类植物Cd累积的作用机制, 以期为Cd污染农田的边生产边修复提供方法参考.

1 材料与方法 1.1 供试土壤与植物

供试土壤取自河南济源市某Cd污染农田, 土壤类型为潮土.其基本理化性质如下:pH值为7.53, 阳离子交换量为13.13 cmol·kg-1, 总Cd含量为2.59 mg·kg-1, 有效态Cd含量(DTPA法浸提)为1.32 mg·kg-1, 有机质含量为7.05 g·kg-1, 碱解氮含量为81.26 mg·kg-1, 有效磷含量为23.32 mg·kg-1, 速效钾含量为92.53 mg·kg-1.供试叶用油菜为前期研究筛选的镉低积累品种华骏和普通品种寒绿[19], 种子由天津市农业科学院提供.供试镉超富集植物孔雀草选择4个栽培种:矮杆红花、矮杆黄花、高杆红花和高杆黄花(分别记作:Tp1、Tp2、Tp3和Tp4), 其种子购自沈阳东亚种业有限公司.

1.2 实验设计

本实验设置叶用油菜单作处理2个(记作Mono), 孔雀草单作处理4个, 以及2种油菜与4种孔雀草间作处理8个(分别记作:B-In-1、B-In-2、B-In-3和B-In-4), 因此本实验共设有14个处理, 每个处理设置3个重复.

盆栽试验于2019年4~7月在日光玻璃温室中进行, 室内温度为20~35℃, 光照为自然光, 盆栽器皿按照随机区组排列.供试土壤风干后过5 mm筛, 然后装入塑料盆(长、宽和高分别为:40、20和15 cm)中, 每盆装土7.0 kg, 同时施入分析纯的CO(NH2)2(N 150 mg·kg-1)和K2HPO4(P2O5 206 mg·kg-1、K2O 277 mg·kg-1)作为底肥.每盆浇1 000 mL去离子水, 稳定培养7 d, 然后播种.由于孔雀草发芽和出苗较慢, 先播种孔雀草, 待其出苗后再播种油菜.待植株长出4片真叶后进行间苗定植.油菜和孔雀草单作处理为每盆2行苗, 每行4株, 行距和行内株距都为10 cm; 间作处理为油菜和孔雀草各1行苗, 每行各4株, 行距和株距与单作相同.在植物生长过程中不定期浇去离子水, 使土壤含水率保持在田间持水量的70%左右.在孔雀草播种70 d后收获全部植株.

1.3 测定指标和方法

收样前, 选取油菜顶叶以下第3片完全展开的健康叶片, 采用Li-6400XT光合仪(LI-COR Inc., USA)于晴天09:00~11:00测定叶片的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(ci)等指标.每盆取5片叶测定, 测定位置为叶片中心.

收获的植物样分为地上部和根部, 用去离子水和超纯水冲洗干净, 自然晾干后在105℃杀青30 min, 70℃烘干至恒重, 称量干重, 粉碎混匀.采用抖根法收集植物根际土样, 自然风干, 磨碎分别过20目和100目筛, 备用.

植物样加入优级纯HNO3, 土样加入优级纯HNO3和HF, 在电热消解仪(Digi-Block ED54, 北京莱伯泰科仪器股份有限公司)上消解[20].土壤有效态Cd采用DTPA法浸提[21].植物和土壤样品消解液以及土壤有效态提取液中Cd含量采用电感耦合等离子体质谱仪(ICAPQc, Thermo Fisher Scientific, Germany)测定.植物和土壤样品Cd含量分析的质量控制分别采用美国国家标准与技术研究院提供的菠菜叶标样SRM1570a和土壤标样SRM2586, 测定结果显示Cd回收率均在95%~105%范围内.土壤DOC含量测定方法为:将20 mL超纯水加入到4 g土样中, 25℃下振荡浸提2 h, 离心20 min(4 000 r·min-1), 取上清液过0.45 μm膜, 用总有机碳分析仪(multi N/C 3100, Jena, Germany)测定.土壤基本理化性质按照土壤农化常规分析方法测定[22].

1.4 数据计算与分析

为定量评价间作对油菜地上部生长的影响, 引入产量增加率(yield increase ratio, YIR), 即间作处理与单作处理油菜地上部生物量的比值, 由公式(1)计算; 为定量评价间作对油菜镉累积的影响, 引入重金属减少率(metal decrease ratio, MDR), 即间作处理与单作处理油菜地上部Cd含量的比值, 由公式(2)计算[23].另外引入镉提取率(cadmium extraction ratio, CER)来反映植物对盆中土壤镉的提取修复效果, 采用公式(3)计算.

(1)

式中, YBI为间作地上部单株生物量(g), YBM为单作地上部单株生物量(g).

(2)

式中, CBI为间作地上部Cd含量(mg·kg-1), CBM为单作地上部Cd含量(mg·kg-1).

(3)

式中, Csoil为土壤中Cd含量(mg·kg-1), Msoil为土壤质量(kg), Cshoot为植物地上部Cd含量(mg·kg-1), Mshoot为植物地上部生物量(g).

本实验数据采用SPSS20软件进行统计分析.采用单因素方差分析和新复极差法(Duncan法)分析不同处理间相关指标的差异显著性, 采用Pearson相关系数法分析不同参数间的相关性.

2 结果与分析 2.1 不同处理下孔雀草和油菜生物量

间作处理对两类植物的生长有不同影响.由图 1(a)可知, 和单作处理相比, 与孔雀草间作后Cd低积累油菜华骏的地上部和根部生物量均显著降低(P < 0.05), 降低幅度分别为41.6%~68.5%以及45.3%~66.1%, 各间作处理间没有显著差异.普通油菜寒绿在与孔雀草Tp2、Tp3以及Tp4间作后, 与单作处理相比, 地上部和根部生物量也显著降低(P < 0.05), 降幅分别为58.2%~63.0%以及55.1%~66.1%;寒绿与Tp1间作后地上部和根部生物量则没有显著变化.另外, 由表 1可知, 华骏在不同间作处理下YIR无显著性差异, 寒绿与Tp2、Tp3和Tp4间作时YIR显著低于Tp1间作处理(P < 0.05).

图中上半部分为地上部, 下部分为根部; (a)中不同小写字母表示华骏不同处理间显著差异(P < 0.05), 不同大写字母表示寒绿不同处理间显著差异(P < 0.05); (b)中不同小写字母表示同一品种孔雀草不同处理间显著差异(P < 0.05) 图 1 不同处理下叶用油菜和孔雀草的干生物量 Fig. 1 Dry biomass of Brassica chinenesis and Tagetes patula under different treatments

表 1 不同间作处理下油菜的产量增加率和重金属减少率1) Table 1 Yield increase ratio (YIR) and metal decrease ratio (MDR) for Brassica chinenesis under different intercropping treatments

图 1(b)可知, 不同品种的孔雀草与华骏间作后, 孔雀草地上部生物量与单作处理相比均显著升高(P < 0.05), 增幅为45.4%~83.2%, 其中Tp2增幅最大.而孔雀草与寒绿间作后地上部生物量同样显著增加(P < 0.05), 增幅为39.2%~57.5%, 其中Tp4增幅最大.与单作相比, Tp2与Tp3的根部生物量在与华骏间作后显著增加(P < 0.05), 增幅分别为81.5%和56.1%, 而Tp1和Tp4在与华骏间作后根部生物量虽有所增加, 但是差异并不显著. 4种孔雀草与寒绿间作后根部生物量均显著增加, 增幅为57.4%~89.9%.

总体上, 孔雀草与油菜间作显著抑制油菜生长, 同时明显促进孔雀草生长.

2.2 不同处理对油菜光合作用的影响

图 2可知, 在与孔雀草间作后, 华骏和寒绿的叶片Pn均显著低于单作处理, 降幅分别为30.0%~41.5%和34.6%~64.9%.在间作处理中华骏叶片Gs显著降低, 降幅为28.3%~39.1%;而对于寒绿, 与Tp1间作时其叶片Gs无显著变化, 其他间作处理中其Gs显著降低, 降幅为30.1%~65.1%.在间作处理中华骏叶片ci总体呈现降低趋势, 但是变化并不显著; 而寒绿在间作处理中ci却呈现升高趋势, 与Tp1、Tp2和Tp3间作后其ci显著升高, 增幅为单作处理的0.74~2.06倍.华骏与Tp1和Tp3间作后叶片Tr显著降低, 降幅分别为37.4%和35.5%, 而与Tp2与Tp4间作时虽有所降低, 但是变化并不显著; 而寒绿与4种孔雀草间作后, 其叶片Tr均显著降低, 降幅为24.6%~54.5%.

图中不同小写字母表示华骏不同处理间显著差异(P < 0.05), 不同大写字母表示寒绿不同处理间显著差异(P < 0.05) 图 2 不同处理下油菜光合作用参数 Fig. 2 Photosynthetic characteristics of Brassica chinenesis under different treatments

综上可知, 在间作处理中两种油菜的PnGs以及Tr均明显降低, 光合作用受到明显抑制.寒绿叶片的ci增加, 这说明间作处理对其光合速率影响主要是由非气孔因素导致; 而华骏在间作处理中ci有所降低, 这说明其光合速率降低主要由气孔导度降低引起[24, 25].

2.3 不同处理下油菜与孔雀草Cd含量

间作处理对两种油菜的镉累积有不同影响.由图 3(a)可知, 对于华骏, 与Tp1间作后其地上部Cd含量显著降低, 降幅为14.5%;而与Tp2和Tp3间作后其地上部Cd含量则显著升高, 增幅分别为23.3%和16.5%;与地上部相似, 在与Tp1间作后华骏根部Cd含量较单作显著降低了20.9%, 而与Tp2和Tp4间作后华骏根部Cd含量则显著提高, 增幅分别为29.5%和14.8%.对于寒绿, 与Tp3间作后其地上部Cd含量较单作显著增加了28.4%, 而在其他3个间作处理中其地上部Cd含量均无显著变化; 与地上部不同, 间作处理下寒绿的根部Cd含量较单作均显著降低, 降幅为9.7%~27.8%.另外, 由表 1可知, 华骏与Tp1和Tp4间作后, 其MDR显著低于与Tp2和Tp3间作处理, 其中与Tp1间作时MDR最小, 这与其地上部Cd含量的变化规律一致; 而间作处理下寒绿的MDR无显著差异.

图中上半部分为地上部, 下部分为根部; (a)中不同小写字母表示华骏不同处理间显著差异(P < 0.05), 不同大写字母表示寒绿
不同处理间显著差异(P < 0.05); (b)中不同小写字母表示同一品种孔雀草不同处理间显著差异(P < 0.05)
图 3 不同处理下叶用油菜和孔雀草的Cd含量 Fig. 3 Cd concentrations of Brassica chinenesis and Tagetes patula under different treatments

与油菜不同, 间作处理对孔雀草体内镉含量影响较小[图 3(b)].只有Tp1与华骏间作后, 其地上部Cd含量较单作显著增加了36.5%, 另外Tp4与华骏间作后, 其根部Cd含量较单作显著增加42.8%, 其余间作处理下孔雀草体内镉含量均无显著变化.另外, 双因素方差分析表明, 4个孔雀草品种的地上部Cd含量存在显著差异, 其大小顺序为:Tp4>Tp2>Tp1>Tp3.

2.4 不同处理下油菜和孔雀草Cd累积量及镉提取率

图 4(a)可知, 与孔雀草间作后华骏的地上部Cd累积量较单作显著降低, 降幅为47.4%~64.3%;寒绿与Tp1间作后地上部Cd累积量无显著变化, 在其他间作处理下, 其地上部镉累积量均显著降低, 降低幅度为57.8%~67.0%.

(a)中不同小写字母表示华骏不同处理间显著差异(P < 0.05), 不同大写字母表示寒绿不同处理间显著差异(P < 0.05); (b)中不同小写字母表示同一品种孔雀草不同处理间显著差异(P < 0.05) 图 4 不同处理下叶用油菜和孔雀草的地上部Cd累积量 Fig. 4 Cd accumulation in the shoots of Brassica chinenesis and Tagetes patula under different treatments

图 4(b)可知, 4种孔雀草与华骏间作后, 其地上部Cd累积量均显著升高(P < 0.05), 增幅为55.2%~106.3%.而在孔雀草与寒绿间作处理中, 除了Tp2以外, 其他3个品种地上部Cd累积量均显著升高(P < 0.05), 增幅为40.4%~61.6%.

本研究采用Cd提取率(CER)对不同处理的植物提取修复效果进行评价(见表 2).双因素方差分析结果显示, 不同孔雀草品种对CER有显著影响(P < 0.05), 其大小顺序为:Tp4>Tp2>Tp1>Tp3;而不同种植处理对CER没有显著影响, 这表明间作处理和孔雀草单作处理的提取修复效率没有显著差异.

表 2 不同处理下植物Cd提取率1)/% Table 2 Cd extraction ratio of the tested plants under different treatments/%

2.5 不同处理下土壤中有效态Cd含量及DOC含量

图 5(a)给出了单作和间作处理下土壤有效态Cd含量.对于华骏, 除与Tp3间作处理外, 其单作处理下土壤有效态Cd含量显著高于孔雀草单作和间作处理(P < 0.05), 而其余处理间均无显著差异; 对于寒绿, 与Tp3间作处理下土壤有效态Cd含量显著高于单作处理, 而其他处理间也没有显著性差异.

图中不同小写字母表示不同处理间显著差异(P < 0.05) 图 5 不同处理下土壤中有效态Cd含量和可溶性有机碳(DOC)含量 Fig. 5 Available Cd content and dissolved organic carbon content (DOC) in soils under different treatments

图 5(b)可知, 对于华骏, 单作处理下土壤DOC含量显著高于孔雀草单作和间作处理(P < 0.05);而与Tp4间作处理下DOC含量显著高于Tp4单作处理(P < 0.05), 其余间作处理和孔雀草单作处理则无显著性差异.对于寒绿, 单作处理下土壤DOC含量显著高于孔雀草单作处理(P < 0.05);与Tp1间作处理下DOC含量与Tp1单作处理没有显著差异, 而其余间作处理下DOC含量则显著高于对应孔雀草单作处理.

3 讨论 3.1 间作处理对植物生长的影响

在间作系统中, 不同植物的地上部会竞争利用光照和热量, 这种竞争作用可能影响植物生长[26].在本研究中, 绝大部分间作处理下, 两种油菜的地上部和根部生物量均比单作处理显著降低, 而4种孔雀草的生物量则显著升高.相关性分析也发现(表 3), 孔雀草的生物量和油菜的生物量以及YIR都呈极显著的负相关关系(P < 0.01), 这表明在间作处理中, 孔雀草和油菜生长有明显的竞争关系, 这种竞争显著抑制油菜生长.本研究同时发现, 在间作处理中油菜叶片光合作用受到明显抑制, PnGs以及Tr均显著降低.因此, 间作处理下, 孔雀草主要通过抑制油菜的光合作用影响其生长.在本实验中孔雀草植株比油菜高大, 而且孔雀草播种早于油菜, 这就造成在生长的中后期孔雀草对油菜有明显的遮阴作用, 而光照强度直接影响了植物光合作用的强弱, 因此间作处理下油菜的光合作用和生长受到明显抑制.Lin等[27]的研究发现, 在镉胁迫条件下, 混种少花龙葵(Solanum photeino-carpum)和牛膝菊(Galinsoga parviflora)使树番茄(Cyphomandra betacea)幼苗的生物量和光合色素含量显著降低; 黄佳璟等[28]在研究中也发现, 混种4种鬼针草属(Bidens ssp.)植物使葡萄(Vitis vinifera)幼苗生物量和光合色素含量明显降低.由此可知, 在间作系统中合理安排不同植物的种植时间和空间布局, 减少种间竞争, 是间作系统获得最佳收益的关键.

表 3 间作处理中油菜和孔雀草生长和镉累积参数的相关系数1) Table 3 Correlation coefficients for the indexes of plant growth and Cd accumulation in Brassica chinenesis and Tagetes patula under intercropping treatments

3.2 间作处理对植物Cd吸收的影响

在间作体系中, 超富集植物对普通作物Cd吸收的影响一方面表现为超富集植物活化土壤中的Cd, 利于普通作物吸收; 另一方面由于超富集植物本身吸收Cd能力强, 会对土壤特别是根际区域的活性态Cd产生耗竭作用, 或者通过根系分泌有机酸或化感作用物质, 进而抑制普通作物吸收Cd[27].这两种作用在不同间作体系中强弱不同, 最终体现的效果也有所差异.理想的间作组合不仅能有效降低普通作物对Cd的吸收累积, 同时也能提高超富集植物对Cd的吸收和提取, 从而实现Cd污染土壤上提取修复和安全生产双赢[29, 30].在本研究中, 仅在Tp1和华骏间作后, Tp1的地上部Cd含量显著升高, 而华骏Cd含量显著降低, 因此该间作处理表现最佳.另外, 相关性分析结果显示(表 3), 油菜地上部Cd含量和孔雀草地上部与根部Cd含量, 油菜地上部Cd累积量与孔雀草Cd累积量, MDR与孔雀草地上部Cd含量, 都呈现显著或极显著的负相关关系(P < 0.05或P < 0.01), 这表明, 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.

超富集植物提取修复土壤Cd污染的效率主要取决植物地上部的Cd含量、生物量以及生长速率[31].相关性分析结果显示(表 3), 间作处理下CER与孔雀草地上部干重、地上部Cd含量以及地上部Cd累积量存在极显著的正相关关系(P < 0.01), 而与油菜的生物量和Cd含量等指标无显著相关性, 这表明在间作处理中土壤Cd去除主要依靠孔雀草对Cd的吸收累积.然而, 本研究也发现, 与孔雀草单作相比, 间作处理并没有显著降低CER, 出现这一结果主要是因为在间作体系中, 孔雀草地上部生物量显著提高, 导致其Cd累积量显著增加, 从而弥补了一半植株变成油菜带来的Cd累积量降低.

3.3 间作处理对土壤有效态Cd和DOC含量的影响

在间作体系中, 植物通过根际互作改变根系分泌物的组成和数量, 特别是小分子有机酸, 会直接影响土壤重金属的有效性[32, 33]; 另外, 植物也会通过影响土壤理化性质, 诸如pH值、酶活性以及养分有效性等, 来间接影响土壤重金属的有效性[34, 35].在本研究中, Tp1与华骏间作后, 土壤有效态Cd含量显著降低, Tp3与寒绿间作处理下土壤有效态Cd显著升高, 这与油菜地上部Cd含量的变化规律吻合.相关性分析也显示(表 3), 土壤有效态Cd含量与油菜地上部Cd含量呈极显著的正相关关系(P < 0.01).由此可知, 在间作处理中, 孔雀草可能通过根际互作影响土壤Cd有效性, 进而影响油菜Cd累积.另外, 相关性分析发现, 土壤有效态Cd含量与孔雀草地上部Cd含量呈极显著的负相关关系(P < 0.01), 这表明, 孔雀草作为一种Cd超富集植物, 对土壤Cd有较强的吸收提取作用, 会造成根际区域出现“Cd耗竭”现象.Wan等[23]在研究蜈蚣草与桑树间作修复As污染土壤时也发现, 在蜈蚣草近根区域土壤总As及有效态As含量显著低于其他区域, 表现出明显的“As耗竭”现象.然而, 土壤有效态Cd与油菜地上部Cd的变化规律并不完全吻合, 例如, 华骏与Tp2和Tp3间作时地上部Cd含量显著升高, 而土壤有效态Cd则显著降低或无显著变化, 这说明除了土壤有效态Cd含量以外还有其他因素会影响油菜Cd吸收, 相关作用机制有待进一步研究.

DOC是土壤有机质的重要组成部分, 它含有大量的活性官能基团, 可以与土壤中的重金属发生络合和螯合反应, 形成重金属-有机配合物, 影响其在土壤中的有效性[36, 37].在间作体系中, 不同植物通过根际交互作用影响各自根系生长和分泌物质[38], 而根系及其分泌物是土壤DOC的重要组分[39], 因而间作处理可能会影响根际土壤DOC含量[40].在本研究中, 华骏与孔雀草间作后土壤DOC含量显著低于油菜单作处理, 也证实了这一点.另外, 间作处理中土壤DOC含量与油菜地上部Cd含量呈显著的正相关关系(P < 0.05, 见表 3), 这表明, 在间作体系中孔雀草可能通过改变根系分泌物的量, 进而改变土壤DOC含量, 最终影响油菜镉累积.就具体处理来看, 华骏与Tp1间作处理、寒绿与Tp2及Tp4间作处理下, 土壤DOC含量与油菜地上部Cd含量的变化规律是吻合的, 其他间作处理则不吻合.由此可知, 要阐明间作体系中根际互作对植物吸收Cd的影响, 单纯分析DOC含量还不够, 需要从DOC具体组分入手开展进一步深入研究.

4 结论

(1) 间作处理下孔雀草生物量显著升高, 油菜地上部生物量以及叶片的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率较单作处理均显著降低.

(2) 镉低积累油菜华骏与孔雀草矮杆红花间作后, 华骏地上部Cd含量较单作显著降低14.5%, 矮杆红花地上部Cd含量显著增加36.5%.间作处理下, 油菜地上部Cd累积量较单作处理显著降低, 孔雀草地上部Cd累积量则显著升高.间作处理和孔雀草单作处理的CER无显著差异.

(3) 油菜地上部Cd含量与土壤有效态Cd以及DOC含量分别呈极显著和显著的正相关关系.

(4) 总体上看, 孔雀草矮秆红花与镉低积累油菜华骏间作后, 油菜地上部Cd含量显著降低, 孔雀草地上部Cd含量和Cd累积量显著增加, CER与孔雀草单作相比无显著变化, 因此该组合是最佳间作组合.

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