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八宝景天-柑橘间作显著去除柑橘根际土壤Cd降低柑橘的Cd吸收

李丹丹 杨军 杨武年 郭俊娒 杨俊兴 郑国砥 万小铭 陈同斌

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八宝景天-柑橘间作显著去除柑橘根际土壤Cd降低柑橘的Cd吸收

    作者简介: 李丹丹 Email:lidandss@163.com;
    通讯作者: 杨军, E-mail:yangj@igsnrr.ac.cn
  • 基金项目: 国家重点研发计划项目(2018YFC1802604,2018YFD0800601);国家自然科学基金项目(41771509,41771510,30570345)。

Intercropping of citrus with H. spectabile could reduce Cd uptake by removing Cd in citrus rhizosphere soil

    Corresponding author: YANG jun, E-mail:yangj@igsnrr.ac.cn ;
  • 摘要:   【目的】  超富集植物与经济作物间作是实现重金属污染农田边生产边修复的有效措施。为此,我们研究了富集植物与乔灌木类经济作物间作过程中Cd在土壤-植物体内的迁移机制和富集植物对经济作物重金属吸收累积的影响。  【方法】  以早熟和晚熟柑橘、八宝景天为试验材料进行了盆栽试验,供试土壤全Cd含量为0.92 mg/kg的污染土壤和0.06 mg/kg的清洁土壤。分别设置早熟和晚熟柑橘单作、八宝景天单作、早熟和晚熟柑橘-八宝景天间作和柑橘-八宝景天限制性间作,共7个处理,限制性间作采用半透膜根际袋将八宝景天和柑橘根系分开。在植株生长74天 (7月) 和218天 (12月),取植株和土样,调查植株生物量和Cd含量,土壤分别测定根际全Cd和有效态Cd含量。  【结果】  与八宝景天间作柑橘叶片Cd含量相较于柑橘单作降低了26.7%,显著低于柑橘单作、柑橘-八宝景天限制性间作柑橘叶片Cd含量 (0.015 mg/kg、0.014 mg/kg),与清洁土壤种植的柑橘叶片Cd含量 (0.011 mg/kg) 结果相似。间作条件下,柑橘根系土壤全Cd含量由0.92 mg/kg降低至0.75 mg/kg,有效态Cd含量由0.82 mg/kg降低至0.78 mg/kg,显著低于柑橘单作 (P < 0.05);柑橘-八宝景天间作柑橘根系土壤全Cd减少量是柑橘-八宝景天限制性间作柑橘根系土壤全Cd减少量 (6.52%) 的2.83倍。柑橘-八宝景天间作中八宝景天对土壤Cd的年提取量、年去除率分别达1.40 mg/pot、3.34%,与其单作 (1.50 mg/pot、3.73%) 相比,去除效率降低了10.6%,主要原因是间作降低了八宝景天的生物量。  【结论】  尽管柑橘-八宝景天间作对八宝景天去除效率有一定的影响,但显著降低了柑橘根际全量和有效态Cd含量,进而将柑橘叶片Cd含量降低到与清洁土壤近似的水平,实现了边修复边安全生产的目标,因此,可作为中低度Cd污染农田土壤修复的重要生物措施。
  • 图 1  不同处理柑橘叶片Cd含量

    Figure 1.  Cd content in different treatments of citrus leaves

    图 2  不同处理八宝景天7月和12月植株体内Cd含量

    Figure 2.  Cd content in H. spectabile plants under different treatments in July and December

    图 3  7月和12月份不同处理八宝景天地上部生物量

    Figure 3.  Shoot biomass of H. spectabile in different treatment in July and December

    图 4  不同处理土壤全Cd总量

    Figure 4.  Total Cd content in soil under different treatments

    图 5  不同处理土壤有效态Cd含量

    Figure 5.  Available Cd content in soils under different treatments

    图 6  不同处理八宝景天Cd富集系数

    Figure 6.  Cd bio-concentration factor of H. spectabile in different treatments

    表 1  供试土壤基本化学性质

    Table 1.  Basic chemical properties of test soil

    土壤
    Soil
    pHCEC
    (mmol/kg)
    全量 (mg/kg)
    CdTotal Cd
    有效 (mg/kg)
    CdAvail. Cd
    有机质 (g/kg)
    OM
    全氮 (g/kg)
    Total N
    全磷 (g/kg)
    Total P
    全钾 (g/kg)
    Total K
    污染土Contaminated5.19 8.90.920.7211.21.430.52 8.76
    清洁土Uncontaminated5.1713.70.060.01 9.180.4 0.1212.6
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    表 2  盆栽试验设计

    Table 2.  Pot experiment design

    土壤
    Soil
    种植方式
    Culture method
    处理
    Treatment
    处理代码
    Treat code
    Cd污染土壤
    Cd contaminated
    单作
    Monoculture
    早熟柑橘单作Early-Citrus monocultureE-M
    晚熟柑橘单作Late-Citrus monocultureL-M
    八宝景天单作H.spectabile monocultureH-M
    间作
    Intercropping
    开放性间作
    Open intercropping
    景天-早熟柑橘间作H.spectabile-Early citrus intercroppingH-E-O
    景天-晚熟柑橘间作H.spectabile-Late citrus intercroppingH-L-O
    限制性间作*Restrictive intercropping*景天-早熟柑橘限制性间作H.spectabile-Early citrus restrictive intercroppingH-E-R
    景天-晚熟柑橘限制性间作H.spectabile-Late citrus restrictive intercroppingH-L-R
    清洁土壤
    Uncontaminated
    单作
    Monoculture
    早熟柑橘单作Early-Citrus monocultureE-MCK
    晚熟柑橘单作Late-Citrus monocultureL-MCK
    注(Note):限制性间作指植物根系采用根际袋隔离,两根系不交叉,但水分和养分及重金属可以自由流通,即重金属、养分移动的竞争作用仍然存在,同时种间促进作用也可能发生 In restrictive intercropping, the plants are isolated by rhizosphere bags, then the roots of intercropping plants cannot intersect, but water and ions can circulate freely, so the competitive effects of heavy metal and nutrient movement still exist, and interspecific promotion may also occur.
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    表 3  不同处理八宝景天地上部Cd富集效率

    Table 3.  The Cd concentration efficiency of H. spectabile shoot in different treatment

    种植模式
    Planting method
    Cd提取量Cd Extraction (mg/pot)Cd去除率Cd Removal* (%)
    7月July12月Dec全年Whole yr7月July12月Dec全年Whole yr
    景天–早熟柑橘间作H. spectabile–Early citrus0.760.621.371.831.383.21
    景天–晚熟柑橘间作H. spectabile–Late citrus0.800.631.431.941.523.46
    景天单作H. spectabile monoculture0.560.941.501.462.273.73
    景天–早熟柑橘限制性间作
    H. spectabile–Early citrus restrictive intercropping
    0.680.621.301.631.533.16
    景天–晚熟柑橘限制性间作
    H. spectabile–Late citrus restrictive intercropping
    0.630.621.241.521.613.12
    注(Note):*去除率以每盆土壤重量 45 kg、每盆 Cd 总量 41.4 mg 计算 Calculation of removal rate is based on soil weight of 45 kg/pot and the total Cd amount of 41.4 mg/pot.
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-09-12

八宝景天-柑橘间作显著去除柑橘根际土壤Cd降低柑橘的Cd吸收

    作者简介:李丹丹 Email:lidandss@163.com
    通讯作者: 杨军, yangj@igsnrr.ac.cn
  • 1. 成都理工大学地球科学学院,四川成都 610059
  • 2. 中国科学院地理科学与资源研究所环境修复中心,北京 100101
  • 基金项目: 国家重点研发计划项目(2018YFC1802604,2018YFD0800601);国家自然科学基金项目(41771509,41771510,30570345)。
  • 摘要:   【目的】  超富集植物与经济作物间作是实现重金属污染农田边生产边修复的有效措施。为此,我们研究了富集植物与乔灌木类经济作物间作过程中Cd在土壤-植物体内的迁移机制和富集植物对经济作物重金属吸收累积的影响。  【方法】  以早熟和晚熟柑橘、八宝景天为试验材料进行了盆栽试验,供试土壤全Cd含量为0.92 mg/kg的污染土壤和0.06 mg/kg的清洁土壤。分别设置早熟和晚熟柑橘单作、八宝景天单作、早熟和晚熟柑橘-八宝景天间作和柑橘-八宝景天限制性间作,共7个处理,限制性间作采用半透膜根际袋将八宝景天和柑橘根系分开。在植株生长74天 (7月) 和218天 (12月),取植株和土样,调查植株生物量和Cd含量,土壤分别测定根际全Cd和有效态Cd含量。  【结果】  与八宝景天间作柑橘叶片Cd含量相较于柑橘单作降低了26.7%,显著低于柑橘单作、柑橘-八宝景天限制性间作柑橘叶片Cd含量 (0.015 mg/kg、0.014 mg/kg),与清洁土壤种植的柑橘叶片Cd含量 (0.011 mg/kg) 结果相似。间作条件下,柑橘根系土壤全Cd含量由0.92 mg/kg降低至0.75 mg/kg,有效态Cd含量由0.82 mg/kg降低至0.78 mg/kg,显著低于柑橘单作 (P < 0.05);柑橘-八宝景天间作柑橘根系土壤全Cd减少量是柑橘-八宝景天限制性间作柑橘根系土壤全Cd减少量 (6.52%) 的2.83倍。柑橘-八宝景天间作中八宝景天对土壤Cd的年提取量、年去除率分别达1.40 mg/pot、3.34%,与其单作 (1.50 mg/pot、3.73%) 相比,去除效率降低了10.6%,主要原因是间作降低了八宝景天的生物量。  【结论】  尽管柑橘-八宝景天间作对八宝景天去除效率有一定的影响,但显著降低了柑橘根际全量和有效态Cd含量,进而将柑橘叶片Cd含量降低到与清洁土壤近似的水平,实现了边修复边安全生产的目标,因此,可作为中低度Cd污染农田土壤修复的重要生物措施。

    English Abstract

    • 据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,我国Cd的点位超标率为7.0%。重金属Cd不是植物生命生长所必须的金属元素,且少量的Cd就易对人体产生毒害,研究表明人体内的Cd约90%来源于日常饮食,设施菜地中约42.8%的样本Cd含量超过温室蔬菜产地环境质量评价标准[1]。Cd在人体的半衰期长达15~20 a,因而长期食用轻微Cd超标的食品会导致人体Cd累积并产生慢性毒性,引发如癌症、关节炎、肺气肿、肾小管坏死、痛痛病等疾病[2, 3]

      近年来涌现了很多土壤重金属污染修复的方法[4, 5],其中植物修复具有的环境友好,不产生二次污染的特征使其成为土壤重金属污染修复的首选。目前以植物萃取为核心的修复技术得到广泛应用[6],先后发现了Cd超富集植物有遏蓝菜 (Thlaspi arvense L)[7]、龙葵 (Solanumnigrum L)[8]、印度芥菜 (Brassica juncea)、东南景天 (Sedum alfredii Hance)[9]等。八宝景天是近年来新发现的Cd富集植物,为景天科多年生草本植物,具有较强的镉富集能力,地上部Cd含量可达35.7 mg/kg[10]。同时,具有植株强健、不择土壤、耐瘠薄和干旱等特性,与传统的修复植物相比,大大提升了它的修复效率和田间应用价值。

      修复过程中持续投入而难以产生经济效益是限制植物修复大面积应用的主要因素。近年来通过富集植物与经济作物间作修复土壤重金属的研究得到广泛关注[11-13]。蒋成爱,吴启堂等将超富集植物东南景天 (Sedum alfredii) 与具有不同根系的玉米、黑麦草、大豆分别间作在Zn、Cd、Pb混合污染的土壤上,结果表明,间作降低了玉米和黑麦草对Cd、Zn的吸收,景天对3种重金属的吸收量为单作的1.68~1.87倍[14];Wang等大田试验结果也表明玉米与东南景天间作模式下景天对土壤Cd、Zn的累积量相较于单作分别提高了11.5%、26.2%,玉米谷物、秸秆Cd含量均低于中国动物饲料卫生标准、有机肥标准[15];Qin等通过盆栽试验研究表明间作使续断菊Cd累积量提高了31.4%~77.9%,玉米体内Cd含量下降了18.9%~49.6%[16];黑亮,吴启堂等利用半透膜隔开间作玉米与超富集东南景天,结果表明间作条件下东南景天吸收重金属的含量显著高于景天单作[17];Ni等将Cu超累积植物海州香薷 (Elsholtzia splendens Nakai) 与豆科作物紫云英 (Astragalus sinicus L) 混作,显著增加了超累积植物对Cu的吸收累积[18]。由于在种植空间上以及刈割时间上相互制约,部分间作模式影响土壤修复效率。本研究利用乔灌木类经济作物-柑橘与八宝景天间作,缓解两种植物在同一层面上光能竞争的现象,且刈割时间上不存在冲突,缓解因间作经济作物降低富集植物修复效率的现象。柑橘作为一种常见的水果,市场经济价值高,在我国南方地区广泛种植,具有广阔的种植前景。八宝景天与乔灌木类经济作物-柑橘间作过程中,Cd在两种植物根系土壤以及植物体内的迁移机制尚不清晰,八宝景天对柑橘根系Cd吸收累积的影响机制尚不明确。本研究在前期筛选柑橘品种的基础上,通过与Cd富集植物八宝景天间作,探究乔灌木类经济作物 (柑橘) + 八宝景天间作模式对柑橘品质、八宝景天Cd吸收累积的影响,阐明间作对柑橘根系土壤Cd的作用机制,为柑橘-八宝景天间作修复农田Cd污染土壤提供理论依据。

      • 供试Cd污染土壤为棕壤,取自湖南某地Cd污染区;清洁土壤为红壤,取自湖南某地。采集0—20 cm耕层土壤作为盆栽用土,取土后自然风干、磨碎、混匀后过2 mm筛、装盆。供试土壤基本理化性质如表1所示。

        表 1  供试土壤基本化学性质

        Table 1.  Basic chemical properties of test soil

        土壤
        Soil
        pHCEC
        (mmol/kg)
        全量 (mg/kg)
        CdTotal Cd
        有效 (mg/kg)
        CdAvail. Cd
        有机质 (g/kg)
        OM
        全氮 (g/kg)
        Total N
        全磷 (g/kg)
        Total P
        全钾 (g/kg)
        Total K
        污染土Contaminated5.19 8.90.920.7211.21.430.52 8.76
        清洁土Uncontaminated5.1713.70.060.01 9.180.4 0.1212.6
      • 试验共设置7个处理,每个处理5次重复。具体试验处理如表2所示。试验所用塑料桶高46.0 cm、直径60.0 cm,每盆装土60 kg。各处理肥料施用量相同,于2018年5月1日将土壤混匀装盆,浇水至田间最大持水量,每盆种植12株八宝景天,平衡一周后于2018年5月7日,将2年生柑橘苗根系土抖落后,移栽到盆中心位置。试验开展前采集污染土壤测定理化性质。

        表 2  盆栽试验设计

        Table 2.  Pot experiment design

        土壤
        Soil
        种植方式
        Culture method
        处理
        Treatment
        处理代码
        Treat code
        Cd污染土壤
        Cd contaminated
        单作
        Monoculture
        早熟柑橘单作Early-Citrus monocultureE-M
        晚熟柑橘单作Late-Citrus monocultureL-M
        八宝景天单作H.spectabile monocultureH-M
        间作
        Intercropping
        开放性间作
        Open intercropping
        景天-早熟柑橘间作H.spectabile-Early citrus intercroppingH-E-O
        景天-晚熟柑橘间作H.spectabile-Late citrus intercroppingH-L-O
        限制性间作*Restrictive intercropping*景天-早熟柑橘限制性间作H.spectabile-Early citrus restrictive intercroppingH-E-R
        景天-晚熟柑橘限制性间作H.spectabile-Late citrus restrictive intercroppingH-L-R
        清洁土壤
        Uncontaminated
        单作
        Monoculture
        早熟柑橘单作Early-Citrus monocultureE-MCK
        晚熟柑橘单作Late-Citrus monocultureL-MCK
        注(Note):限制性间作指植物根系采用根际袋隔离,两根系不交叉,但水分和养分及重金属可以自由流通,即重金属、养分移动的竞争作用仍然存在,同时种间促进作用也可能发生 In restrictive intercropping, the plants are isolated by rhizosphere bags, then the roots of intercropping plants cannot intersect, but water and ions can circulate freely, so the competitive effects of heavy metal and nutrient movement still exist, and interspecific promotion may also occur.

        结合八宝景天大田生长特性,分别于2018年7月20日和12月11日采集土壤和植物样品。植物样品用自来水洗净,再用去离子水冲洗,在105℃下杀青30 min,然后在65℃下烘至恒重,记录植物样品干重。烘干后植物样品按照茎、叶分开,用不锈钢研磨机分别磨碎,样品保存待测。土壤样品的采集:单作处理取植物根系四周0—5 cm范围内、0—20 cm深土壤,每盆取一个土样;间作处理分别取柑橘、景天根系土壤,每盆取两个土样;限制性间作分别取柑橘根系、景天根系、根际袋外围土壤,每盆取三个土样。将各个样品风干后分别过0.85mm、0.15mm筛备用。

        限制性间作处理采用试验孔径为30 μm的半透膜圆柱形尼龙筛网,其中装入试验土壤,将柑橘和八宝景天移栽到装有土壤的尼龙筛网中。将盆栽容器底部装上一定高度的土壤,再将装有土壤的尼龙筛网置于盆中,尼龙筛网口的高度正好与盆口持平,将种有柑橘的尼龙筛网放盆正中间,四周放置12个种有景天的尼龙筛网。种植柑橘的圆柱形尼龙筛网直径25 cm、高35 cm,种植八宝景天的圆柱形尼龙筛网直径为10 cm、高35 cm,在种有柑橘和景天的尼龙筛网外围间隙处填充土壤 (即根际袋外围土)。限制性间作处理使2种植物根系分开,土壤溶液和根系分泌物可正常交流,重金属、养分移动的竞争作用仍然存在,同时种间促进作用也可能发生,采用尼龙筛网隔开后以便研究植物根际交互作用对柑橘Cd吸收累积的影响,并收集各自的根区土壤。

      • 土壤样品消解采用EPA 3050B方法,先用1∶1的HNO3∶H2O2 (V/V) 进行预消解,然后用H2O2进一步消解。植物采用EPA3010A方法消解,即用HNO3∶HClO4 = 5∶1 (V/V) 对样品进行消解。消化液定容过滤后用电感耦合等离子质谱仪 (ICP-MS,Elan DRC-e,Perkin Elmer,USA) 测定重金属含量。采用国家标准参比物质 (土壤为GBW-07402,植物为GBW-07603) 进行分析质量控制。标样测定结果均在允许误差范围内。土壤pH测定方法参考ISO 10390:2005 (土水比1∶5,w/v)。土壤有效态镉含量采DTPA浸提法 (HJ804-2016),以1∶2的水浸提液比,用电感耦合等离子体发射光谱仪 (ICP-OES) 测定。

      • 用Excel软件进行数据计算,试验结果采用SPSS Statistics 19统计分析软件统计分析,不同处理间采用最小显著差数法 (LSD法) 进行差异显著性检验 (P < 0.05),用OriginPro 2018软件作图。

        利用地上部Cd提取量来评估八宝景天地上部分Cd的提取能力:

        地上部Cd提取量 = Wstem × Cstem + Wleaf × Cleaf

        式中,Wstem和Wleaf分别表示植株茎和叶的生物量;Cstem和Cleaf分别表示茎和叶中重金属Cd含量。

        利用生物富集系数 (Bioconcentration factor,BCF) 评价八宝景天对Cd的富集效率,BCF表示为植物地上部分的镉浓度与土壤中镉浓度的比值。公式如下:

        $ {\rm{BCF }} = {{\rm{C}}_{{\rm{shoot}}}}/{\rm{ }}{{\rm{C}}_{{\rm{soil}}}} $

        式中,Cshoot和Csoil分别表示植物地上部Cd浓度和土壤中Cd浓度。

      • 图1所示,随着种植时间的延长,间作处理柑橘叶片Cd含量显著下降。12月间作处理柑橘叶片Cd含量为0.011 mg/kg,显著低于柑橘单作叶片的Cd含量 (0.015 mg/kg) (P < 0.05),与清洁土壤种植的柑橘叶片Cd含量 (0.011 mg/kg) 结果相似,限制性间作柑橘叶片Cd含量为0.014 mg/kg,显著高于间作处理柑橘叶片Cd含量 (P < 0.05)。7月不同处理柑橘叶片Cd含量不存在显著差异 (P < 0.05),均在0.015 mg/kg左右。

        图  1  不同处理柑橘叶片Cd含量

        Figure 1.  Cd content in different treatments of citrus leaves

      • 图2显示,初期,间作处理对八宝景天地上部Cd浓度有促进作用;后期,间作降低了八宝景天对土壤Cd的吸收。7月份间作处理八宝景天茎、叶Cd累积量分别为25.72 mg/kg、36.69 mg/kg,显著高于八宝景天单作处理 (16.11 mg/kg、25.07 mg/kg) (P < 0.05)。12月份柑橘-八宝景天间作处理景天茎、叶中Cd含量分别为39.45 mg/kg、54.38 mg/kg,显著低于八宝景天单作处理 (46.78 mg/kg、80.36 mg/kg) (P < 0.05),限制性间作与间作处理八宝景天Cd累积量差异不显著 (P < 0.05)。从7月到12月,各处理八宝景天茎、叶Cd含量均呈逐渐升高的趋势,提高了1.45~2.75倍,其中景天单作Cd累积量最多,达到2.75倍。

        图  2  不同处理八宝景天7月和12月植株体内Cd含量

        Figure 2.  Cd content in H. spectabile plants under different treatments in July and December

        对间作处理柑橘叶片Cd含量、八宝景天地上部Cd含量进行相关分析,柑橘叶片中的Cd含量与景天地上部Cd含量呈显著负相关,相关系数达0.634。从7月到12月,八宝景天体内Cd含量不断累积,柑橘叶片Cd含量不断下降,柑橘叶片Cd含量不断下降的原因可能与八宝景天竞争性吸收了柑橘根系土壤Cd有关。

      • 图3显示,各处理7月份地上部生物量均高于12月份,12月份间作处理对八宝景天的地上部生物量有一定的影响,即间作降低了八宝景天地上部生物量,12月份收获样品单作处理景天地上部生物量最高,达到17.74 g/pot,是柑橘-八宝景天间作处理景天地上部生物量的1.76倍,不同柑橘品种与八宝景天间作对景天地上部生物量的影响不显著 (P < 0.05)。

        图  3  7月和12月份不同处理八宝景天地上部生物量

        Figure 3.  Shoot biomass of H. spectabile in different treatment in July and December

      • 不同处理土壤Cd含量如下图4所示,单作、间作均有效降低了土壤Cd含量,柑橘-八宝景天间作处理柑橘根系土壤Cd减少量显著高于限制性间作柑橘根系土壤Cd减少量 (P < 0.05)。间作条件下柑橘根系土壤Cd含量由0.92 mg/kg降低至0.75 mg/kg,减少了18.48%,八宝景天单作土壤Cd含量也由最初的0.92 mg/kg降至0.75 mg/kg,限制性间作柑橘根系土壤Cd含量由0.92 mg/kg降至0.86 mg/kg,减少了6.52%。间作处理柑橘根系土壤Cd减少量是限制性间作的2.83倍,与八宝景天单作土壤Cd减少量相同。

        图  4  不同处理土壤全Cd总量

        Figure 4.  Total Cd content in soil under different treatments

        不同处理土壤Cd有效态含量如图5所示,通过与八宝景天间作,显著降低了柑橘根系土壤Cd有效态含量 (P < 0.05)。间作处理柑橘根系Cd有效态含量为0.78 mg/kg,显著低于柑橘单作、柑橘-八宝景天限制性间作处理柑橘根系Cd有效态含量 (0.82、0.84 mg/kg) (P < 0.05)。柑橘根系具有活化土壤Cd的作用,12月间作处理柑橘根系土壤Cd有效态含量为0.78 mg/kg,较7月份 (0.74 mg/kg) 有所上升,但间作条件下柑橘根系土壤Cd有效态含量仍然显著低于单作、限制性间作处理 (P < 0.05)。不同处理景天根系Cd有效态含量差异不大,均在0.67 mg/kg左右。限制性间作条件下,由于根际袋的阻挡,缩小了景天根系的延伸范围,导致限制性间作条件下根际袋外围土壤Cd有效态含量与柑橘根系土壤Cd有效态含量差异不大。

        图  5  不同处理土壤有效态Cd含量

        Figure 5.  Available Cd content in soils under different treatments

      • 图6显示,单作处理八宝景天富集系数显著高于间作 (P < 0.05)。从7月到12月,八宝景天地上部富集系数提高了0.44~1.45倍。7月份八宝景天单作处理地上部富集系数为23.01,显著低于间作 (33.25) 和限制性间作 (33.08) (P < 0.05),12月份八宝景天单作地上部富集系数最高,达63.19,显著高于间作 (49.03)、限制性间作 (50.39) (P < 0.05)。

        图  6  不同处理八宝景天Cd富集系数

        Figure 6.  Cd bio-concentration factor of H. spectabile in different treatments

        表4所示,间作处理八宝景天Cd年提取量较八宝景天单作有所下降,八宝景天单作、柑橘-八宝景天间作、柑橘-八宝景天限制性间作处理八宝景天Cd年提取量分别为1.50、1.40、1.27 mg/pot。7月份间作处理八宝景天Cd提取量最高,12月份八宝景天单作Cd提取量最高。

        从Cd年去除效率来看,间作降低了八宝景天Cd去除效率。相较于八宝景天单作,柑橘-八宝景天间作处理八宝景天Cd去除率下降了10.59%,柑橘-八宝景天限制性间作处理八宝景天Cd去除率下降了18.79%。7月份景天单作Cd去除率显著低于柑橘-八宝景天间作处理 (P < 0.05),12月份八宝景天单作处理景天Cd去除率显著高于间作、限制性间作 (P < 0.05)。

        表 3  不同处理八宝景天地上部Cd富集效率

        Table 3.  The Cd concentration efficiency of H. spectabile shoot in different treatment

        种植模式
        Planting method
        Cd提取量Cd Extraction (mg/pot)Cd去除率Cd Removal* (%)
        7月July12月Dec全年Whole yr7月July12月Dec全年Whole yr
        景天–早熟柑橘间作H. spectabile–Early citrus0.760.621.371.831.383.21
        景天–晚熟柑橘间作H. spectabile–Late citrus0.800.631.431.941.523.46
        景天单作H. spectabile monoculture0.560.941.501.462.273.73
        景天–早熟柑橘限制性间作
        H. spectabile–Early citrus restrictive intercropping
        0.680.621.301.631.533.16
        景天–晚熟柑橘限制性间作
        H. spectabile–Late citrus restrictive intercropping
        0.630.621.241.521.613.12
        注(Note):*去除率以每盆土壤重量 45 kg、每盆 Cd 总量 41.4 mg 计算 Calculation of removal rate is based on soil weight of 45 kg/pot and the total Cd amount of 41.4 mg/pot.
      • 本研究结果表明通过与富集植物八宝景天间作,柑橘叶片Cd含量显著下降,降低了柑橘Cd污染的风险。目前已有诸多研究表明富集植物与经济作物间作降低了经济作物体内重金属含量[19-22],Ju等[19]研究表明,相较于小麦单作,间作模式下 (伴矿景天-小麦) 小麦籽粒中的Cd浓度降低了52.4%;Zhan等[20]的研究结果也表明,间作条件下,蚕豆根、茎、叶、荚、谷物中的Cd含量相较于单作分别减少了0.89、0.46、0.53、0.64、0.36mg/kg;Qin等通过续断菊-玉米间作,发现玉米中Cd含量下降了18.9%~49.6%[16],间作条件下经济作物体内重金属浓度降低的部分原因可能在于富集植物根系的延伸竞争性地吸收了经济作物根系土壤重金属[23],经济作物根系土壤重金属含量降低,从而植物吸收更少。而Zhan等[20]的研究认为间作降低了蚕豆植株和籽粒中的Cd含量,与植物根系分泌的低分子有机酸有关。也有研究表明富集植物与经济作物间作对经济作物体内重金属含量没有影响[13],可能与间作经济作物的类型有关。不同作物的生长机制、生存空间、根系分泌物不同[24-25],研究表明,草酸、苹果酸等小分子物质以及植物络合素 (PCs) 和金属硫蛋白 (MTs) 等都能与重金属螯合形成稳定的螯合物[26-28],降低游离重金属离子浓度或者由转运蛋白转运至代谢不活跃的部位进行区室化,以减少重金属对植物的毒害作用。另外,很多植物通过降低或阻碍Cd向地上部分运输来降低在细胞内的浓度。有研究发现白羽扇豆 (Lupinusalbus L.) 的根细胞能够将吸收的Cd排出体外[29],从而达到解毒的作用,但是目前还有待进一步去探索植物的这种Cd阻碍和外排的机制。

      • 间作降低了八宝景天对土壤Cd的吸收。初期 (7月),间作对八宝景天地上部Cd累积有促进作用,可能是柑橘根系分泌有机酸提高土壤Cd活性进而促进景天对Cd的吸收。后期 (12月),间作降低了八宝景天对土壤Cd的吸收。李新博等[30]通过间作苜蓿与印度芥菜发现间作条件下富集植物印度芥菜地上部Cd含量较单作减少了1.1%~48.6%;Zhan等的研究结果也表明间作降低了续断菊茎、叶Cd的吸收;东南景天与蓖麻间作,降低了东南景天地上部Cd浓度含量[15]。间作系统中植物根系分泌的低分子有机酸对土壤中重金属的生物有效性和植物的吸收有着重要影响,陈英旭等[31]认为间作模式下印度芥菜和苜蓿Cd吸收累积量下降的原因可能在于Cd胁迫下印度芥菜和苜蓿间作能够产生某类有机酸,抑制了植物根系对Cd的吸收。另外,间作系统中植物之间的种间根系交互作用也对植物重金属吸收累积发挥重要作用,包括由根的识别行为和根形态引起的根系空间分布异质性[32],如在两种植物间作、多种植物混作的系统中,在非自身邻域土壤中根系延伸广的植物倾向于比局限于自身邻域土壤中的植物生长更好、根系产量也会增加[33-34],进而促进植物对土壤Cd的吸收。

        柑橘-八宝景天间作降低了景天地上部生物量,可能与间作条件下景天与柑橘根系养分竞争或生存空间竞争有关。Liu等[35]的室内盆栽试验结果表明,毛竹-伴矿景天间作降低了伴矿景天地上部生物量。Wang等[15]发现东南景天与蓖麻间作条件下东南景天地上部生物量下降了25%左右。间作条件下八宝景天生物量下降的原因可能在于:1) 生长过程中八宝景天根系与柑橘根系之间存在养分竞争[36],进而影响了八宝景天的生物量;2) 受八宝景天生育期影响,前期八宝景天植株较小,光照充足,后期植株较高,而柑橘由于是第一年移栽,株高较低,导致了接受光照的部分有重合,从而影响生长;3) Dam等[24]研究发现根系在“根-根共生-根”系统中的生物学行为是由根共生体引起的,如菌根和根瘤菌共生体可能会影响植物地上部和根系的防御机制,进而促进或阻碍植物生长。

      • 本研究通过盆栽试验发现柑橘-八宝景天间作显著降低了柑橘叶片Cd含量,相较于柑橘单作,间作处理柑橘叶片Cd含量下降了26.7%,降低了柑橘果实Cd污染的风险;限制性间作由于根际袋阻挡了景天根系的延伸范围,柑橘叶片Cd含量显著高于间作处理。柑橘-八宝景天间作显著降低了柑橘根系全Cd含量和有效态Cd含量,相较于柑橘单作,全Cd含量和有效态Cd含量分别降低了10.0%、4.8%;相较于限制性间作,全Cd含量和有效态Cd含量分别降低了11.1%、7.1%。与八宝景天单作相比,柑橘-八宝景天间作八宝景天对土壤Cd的年提取量、年去除率分别降低了6.7%、10.5%。柑橘-八宝景天间作虽然对土壤Cd的去除效率有一定影响,但从土壤生产活动以及污染修复两方面考虑,柑橘-八宝景天间作模式对修复中低度Cd污染农田土壤具有重要应用潜力。

    参考文献 (36)
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