間作對(duì)植物吸收積累重金屬的影響研究進(jìn)展

王平潔　龔玉蓮　湯域巍

摘 要：土壤重金屬污染已成為亟待處理的環(huán)境問題，植物修復(fù)技術(shù)是一種綠色經(jīng)濟(jì)、有效緩解土壤重金屬污染的修復(fù)方式，間作能夠有效的修復(fù)土壤重金屬污染，綜述了間作系統(tǒng)中種間相互作用對(duì)植物吸收積累重金屬的影響及其機(jī)理，并對(duì)今后的研究進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：土壤重金屬污染 植物修復(fù) 間作 吸收積累

土壤重金屬污染目前已成為全球備受關(guān)注的環(huán)境問題。我國(guó)土壤重金屬污染現(xiàn)狀也十分嚴(yán)重，我國(guó)受Cd、Hg、As、Pb等重金屬污染的耕地面積近5000萬(wàn)hm2[1]，耕地土壤重金屬污染發(fā)生的概率為16.67 %，占耕地總量的1/6左右[2]。隨著土壤重金屬污染加劇，糧食品質(zhì)也令人擔(dān)憂。據(jù)報(bào)道，全國(guó)每年受重金屬污染的糧食多達(dá) 1200 萬(wàn)t，因重金屬污染而導(dǎo)致糧食減產(chǎn)高達(dá) 1000 多萬(wàn)t，合計(jì)經(jīng)濟(jì)損失至少 200 億元[3]。我國(guó)人均耕地資源短缺，為保證糧食安全，土壤重金屬污染亟待解決。

植物修復(fù)是近年來研究修復(fù)土壤重金屬污染的熱點(diǎn)，是一種綠色經(jīng)濟(jì)的修復(fù)新途徑。研究表明，種植模式對(duì)植物吸收富集重金屬能力有顯著影響[4]。間作是我國(guó)傳統(tǒng)的精耕細(xì)作的種植方式，利用植物種間互作對(duì)重金屬吸收積累的影響、從而提高土壤重金屬污染修復(fù)的效率，是近期國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。本文綜述了間作對(duì)植物吸收積累重金屬的影響及其機(jī)理，并對(duì)今后間作的研究進(jìn)行了展望。

1 間作系統(tǒng)對(duì)植物生物量的影響

重金屬脅迫下，間作系統(tǒng)對(duì)植物生物量的影響存在多種情況。

第一，間作使一方生物量增加，而使另一方生物量減少。間作系統(tǒng)中，往往會(huì)出現(xiàn)植物對(duì)環(huán)境資源和空間的競(jìng)爭(zhēng)作用，從而對(duì)生物量產(chǎn)生一定的影響。在水稻和小麥間作系統(tǒng)中，小麥在競(jìng)爭(zhēng)中處于優(yōu)勢(shì)，間作小麥地上部生物量顯著高于單作小麥，在生長(zhǎng)前期和成熟期間作處理的小麥地上部生物量比單作分別高出63.6 %和14.3 %，而間作水稻生物量低于單作水稻[5]。在土壤Cd含量為0.37～20.37 mg/kg內(nèi)，在印度芥菜與苜蓿間作系統(tǒng)中，間作使苜蓿生物量提高了55.3 %～70.0 %，而使印度芥菜生物量降低了0.4 %～11.8 %[6]。在互作系統(tǒng)中，也表現(xiàn)出相似的促進(jìn)和抑制作用。在印度芥菜和油菜互作系統(tǒng)中，隨著土壤Cd濃度的增加，互作的印度芥菜生物量顯著高于單作，而互作的油菜地上部干重顯著低于單作[7]。

第二，間作系統(tǒng)降低了重金屬的脅迫作用，使間作雙方的生物量相比單作均提高。續(xù)斷菊與玉米間作使續(xù)斷菊生物量比單作增加了31.55 %，玉米生物量比單作增加了29.02 %[8]。當(dāng)芥菜型油菜、甘藍(lán)型油菜與黑麥草、紫云英混種時(shí)，這些植物的生物量均增加，2種油菜的生物量增加顯著，黑麥草和紫云英的生物量增加不顯著[9]。

第三，間作系統(tǒng)雖然可以降低重金屬的脅迫，但對(duì)生物量無明顯影響。莧菜與Cd超富集植物伴礦景天間作，兩者的生物量均無顯著變化[10]。鷹嘴豆、紫花苜蓿、玉米草與玉米間作對(duì)玉米的生物量影響均不顯著[11]。

2 間作系統(tǒng)對(duì)植物吸收積累重金屬的影響

間作對(duì)植物吸收積累重金屬的影響亦存在多種情況。

第一，間作能夠提高一方對(duì)重金屬的吸收積累，降低另一方的重金屬積累。當(dāng)重金屬超富集植物與低積累植物間作時(shí)，間作使超富集植物Cd積累量增加、低積累植物的Cd含量降低。Zn超積累植物Thlaspi caerulescens和非超積累植物Thlaspi arvense在添加重金屬Zn的土壤上間作，與單種相比，Thlaspi caerulescens吸Zn量顯著增加，而與之間作的Thlaspi arvense吸Zn量則明顯降低[12]。續(xù)斷菊和玉米間作提高了續(xù)斷菊各部位的Cd積累量，同時(shí)降低了玉米各部位的Cd積累量[8]。玉米與籽粒莧間作時(shí)，籽粒莧在自身大量積累Cd的同時(shí)，一定程度上抑制了與其間作的玉米的Cd累積量，間作的玉米Cd積累量相比單作減少23.3 %；玉米與油菜間作時(shí)，間作油菜地上部分吸收較多的Cd，而玉米地上部分Cd含量?jī)H為單作的58.6 %[11]。采用雞眼草間作蔬菜的研究表明，相比單作，間作雞眼草能顯著或極顯著降低番茄、白菜、卷心菜、蘿卜、玉米可食部位對(duì)Pb的積累，分別平均下降了40.4 %、17.4 %、16.5 %、64.6 %、46.7% ；顯著或極顯著降低了番茄、白菜、卷心菜可食部位對(duì)Cd的積累，分別平均下降了27.0 %、26.5 %、14.3 %；顯著或極顯著降低了番茄、白菜可食部位對(duì)Ba的積累，分別平均下降了40.8 %、43.5 %[13]。超富集植物與非超富集植物間作對(duì)重金屬吸收積累的影響因間作組合的不同而存在差異。大豆和玉米與Zn的超富集植物東南景天混作，使東南景天地上部Zn和Pb的含量顯著增加，Zn比各自單種分別增加了13 %和22 %，而Pb比單種分別增加了11.5 %和24 %，而與黑麥草的混作卻使東南景天地上部分對(duì)Pb和Zn吸收比單種分別減少了18 %和9 %。與東南景天的混作后，大豆對(duì)Pb的吸收量降低為單種的28 %左右，黑麥草、玉米2種植物地上部對(duì)Cd和Zn的吸收減少，其中Cd的吸收量減少了25 %以上，但卻顯著地提高了玉米對(duì)Pb的吸收[14]。

第二，間作系統(tǒng)中，間作植物促進(jìn)雙方對(duì)重金屬的吸收積累。玉米和馬唐間作互相促進(jìn)對(duì)Cd的吸收[15]。

第三，間作系統(tǒng)能同時(shí)降低雙方對(duì)重金屬的吸收積累。玉米和青花間作顯著降低了在玉米可食部分的Cd含量，與單作相比下降了59.9 %，青花單作與間作相比Cd含量下降了33.7 %[16]。水稻和小麥間作降低了2作物地上部對(duì)Cd的吸收和積累，在小麥生長(zhǎng)前期和成熟期，間作小麥地上部Cd濃度相比單作分別降低了58.3 %和27.1 %，小麥籽粒Cd濃度相比單作降低了40.4 %[5]。

第四，間作系統(tǒng)增加或降低一方的重金屬積累，但對(duì)另一方重金屬積累卻無顯著影響。與黑麥草、紫云英混種時(shí)，芥菜型油菜和甘藍(lán)型油菜地上部和根部的Cd、Pb含量均顯著降低，黑麥草和紫云英地上部的Cd、Pb含量變化均不顯著[9]。在印度芥菜與油菜互作中，油菜植株Cd含量顯著高于單作，而單作與互作的印度芥菜Cd含量無顯著的差異[7]。3 間作系統(tǒng)影響重金屬吸收積累的機(jī)理

間作系統(tǒng)中，不同植物處在同一土壤環(huán)境中，間作植物生長(zhǎng)過程中對(duì)土壤重金屬含量會(huì)產(chǎn)生一定的影響。杉木-茶間作茶園系統(tǒng)中，間作杉木可使茶園土壤Pb、Ni、Mn、Zn元素含量降低，與單作茶園相比，杉木-茶間作茶園土壤Pb、Ni、Mn、Zn含量降低比例分別為19.80 %、13.98 %、80.49 %、4.73 %，表明杉木對(duì)Mn有較強(qiáng)吸收能力，間作杉木使茶園茶樹葉片Pb、Ni、Mn、Zn含量均顯著低于單作茶園[17]。

間作系統(tǒng)中交叉的根系環(huán)境不同于植物單作時(shí)的環(huán)境，間作植物之間會(huì)存在養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)作用，這種競(jìng)爭(zhēng)作用對(duì)間作植物吸收積累重金屬產(chǎn)生了一定的影響。在小麥與花生的間作系統(tǒng)中，小麥Cd積累量與花生Cd積累量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明間作小麥對(duì)花生吸收Cd產(chǎn)生較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)作用，然而土壤缺鐵導(dǎo)致小麥分泌的麥根酸類植物鐵載體能夠活化土壤中的Cd，促進(jìn)花生對(duì)Cd的吸收[18]。

間作植物可通過降低土壤溶液的pH值，增加土壤溶液中DOC濃度，從而對(duì)間作植物吸收積累重金屬產(chǎn)生影響。Zn超富集植物東南景天和玉米半透膜隔開的盆栽套種試驗(yàn)顯示，混種使東南景天Zn，Cd含量升高，顯著高于單作，玉米促進(jìn)超富集東南景天吸收更多重金屬的部分原因是玉米根系降低了土壤溶液的pH值，并增加了土壤溶液中DOC濃度，從而可向超富集東南景天一側(cè)輸送更多的水溶態(tài)Zn和Cd[19]。續(xù)斷菊與玉米間作后，續(xù)斷菊在大量吸收Cd的同時(shí)，抑制了玉米對(duì)Cd的吸收，原因可能是續(xù)斷菊與玉米間作，由于養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)等原因，續(xù)斷菊和玉米分泌更多的根系分泌物降低了根系pH，從而提高Cd的生物有效性，而續(xù)斷菊對(duì)Cd有強(qiáng)吸收作用，促進(jìn)了續(xù)斷菊對(duì)Cd的吸收，抑制了玉米對(duì)Cd的吸收[20]。

根系分泌物會(huì)影響土壤重金屬有效性、從而影響植物對(duì)重金屬的吸收積累。超積累植物具有很強(qiáng)地活化土壤中難利用態(tài)重金屬的能力，當(dāng)超積累和非超積累2種生態(tài)型的東南景天套種時(shí)，間作處理使非超積累生態(tài)型東南景天的土壤中NH4COOH提取態(tài)Zn含量顯著增加，非超積累生態(tài)型東南景天根系Zn含量也顯著增加，其原因可能在于超積累生態(tài)型的根系分泌某些特殊物質(zhì)，促進(jìn)非超積累生態(tài)型根際土壤中難容態(tài)Zn的溶解，土壤中有效Zn的含量增加，從而提高了非超積累生態(tài)型的根系Zn含量[21]。植物根系分泌物中的某些低分子量有機(jī)酸也能使重金屬有效性大幅上升，玉米與馬唐間作后，玉米和馬唐互相促進(jìn)對(duì)Cd的吸收，原因可能為由于存在對(duì)養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)作用，玉米和馬唐間作后會(huì)分泌更多的根系分泌物來活化土壤中的養(yǎng)分，而低分子有機(jī)酸是根系分泌物的主要成分，有機(jī)酸與Cd形成螯合物，從而提高Cd的生物有效性，根際土壤中被活化的Cd2+被吸附到玉米根部細(xì)胞表面，擴(kuò)散進(jìn)入質(zhì)外體，使間作玉米根系質(zhì)外體中Cd含量遠(yuǎn)高于單作玉米根系中的Cd含量[15]。但也有研究表明，土壤Cd濃度較高時(shí)，間作使印度芥菜吸Cd量降低，原因可能是Cd脅迫下，間作能夠產(chǎn)生某類有機(jī)酸（如檸檬酸、果酸、草酸），這些有機(jī)酸能抑制植物根系對(duì)重金屬的吸收，降低植物體內(nèi)的Cd含量[6]。相關(guān)機(jī)理尚待進(jìn)一步研究。

4 展望

將超積累植物與作物間作，通過根系相互作用，一方面提高超積累植物對(duì)重金屬的吸收積累效率，另一方面降低作物對(duì)重金屬的吸收，同時(shí)達(dá)到充分利用和修復(fù)污染農(nóng)田的目的[22]。伴礦景天與小麥間作、茄子輪作種植模式下，Zn、Cd超積累植物伴礦景天對(duì)當(dāng)季小麥和后茬茄子生長(zhǎng)及重金屬吸收影響顯著，麥季間作伴礦景天能顯著降低小麥籽粒中的Cd濃度，與單作相比降低了52.4 %，且有效降低了后茬茄子對(duì)重金屬的吸收，茄子果實(shí)中Cd濃度較單作處理下降了35.7 %[23]。在中度Cd污染土壤上，Cd超富集植物油菜與小白菜互作，油菜通過對(duì)Cd的超富集能力，減輕了Cd對(duì)小白菜的毒害，互作使油菜相比單作Cd含量增加了27.8 %，而使小白菜體內(nèi)Cd含量?jī)H為單作時(shí)的1/3[24]。間作是我國(guó)傳統(tǒng)的精耕細(xì)作的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，選擇合適的植物種類進(jìn)行間作，有望提高修復(fù)土壤重金屬污染治理的效率，同時(shí)收獲安全的農(nóng)產(chǎn)品，是今后的研究方向。目前，間套作研究多在實(shí)驗(yàn)室階段，研發(fā)最佳間作模式、并有效應(yīng)用于土壤重金屬污染防治，尚需大量的工作。同時(shí)，對(duì)于間作影響植物吸收積累重金屬的機(jī)理亦有待深入研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 李光超.我國(guó)土壤污染現(xiàn)狀與修復(fù)技術(shù)綜述[J]. 農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2015， 35（18）：3，10.

[2] 宋偉，陳百明，劉琳. 中國(guó)耕地土壤重金屬污染概況[J]. 水土保持研究，2013，20（2）：293-

298.

[3] 駱永明，滕應(yīng). 我國(guó)土壤污染退化狀況及防治對(duì)策[J]. 土壤， 2006， 38 （5）： 505-508.

[4] 魏祥東， 鄒慧玲， 鐵柏清，等. 種植模式對(duì)南方旱地重金屬含量及其遷移規(guī)律的影響[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)， 2015，34（6）：1096-1106.

[5] 吳華杰， 李隆， 張福鎖. 水稻/小麥間作中種間相互作用對(duì)鎘吸收的影響[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)， 2003，5（5）：43-46.

[6] 李新博，謝建治，李博文，等. 印度芥菜—苜蓿間作對(duì)鎘脅迫的生態(tài)響應(yīng)[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)

報(bào)，2009，20（7）： 1711-1715.

[7] 王激清， 茹淑華， 蘇德純，等. 印度芥菜和油菜互作對(duì)各自吸收土壤中難溶態(tài)鎘的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)， 2004，24（5）：890-894.

[8] 譚建波，陳興，郭先華，等. 續(xù)斷菊與玉米間作系統(tǒng)不同植物部位 Cd、Pb 分配特征[J]. 生

態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2015，24（4）：700-707.

[9] 向言詞， 官春云， 黃璜，等. 作物間作對(duì)油菜積累鎘與鉛的影響[J].水土保持學(xué)報(bào)， 2010， 24（3）：50-55.

[10] 唐明燈，艾紹英，李盟軍，等. 輪間作對(duì)伴礦景天和莧菜生物量及 Cd 含量的影響[J]. 廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012（13）：35-37.

[11] 李凝玉，李志安，等. 不同作物與玉米間作對(duì)玉米吸收積累鎘的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，

2008，19（6）：1369-1373.

[12] Whiting S N， Leake J R， Mcgrath S P， et al. Hyperaccumulation of Zn by Thlaspi

caerulescens Can Ameliorate Zn Toxicity in the Rhizosphere of Cocropped Thlaspi arvense[J]. Environmental Science & Technology， 2001， 35（15）：3237-3241.

[13] 楊暉，梁巧玲，趙鸝，等. 7種蔬菜型作物重金屬積累效應(yīng)及間作雞眼草對(duì)其重金屬吸收的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，2012，26（6）：209-

214.

[14] 蔣成愛， 吳啟堂， 吳順輝，等. 東南景天與不同植物混作對(duì)土壤重金屬吸收的影響[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué)， 2009， 29（9）：985-990.

[15] 劉海軍， 陳源泉， 隋鵬，等. 馬唐與玉米間作對(duì)鎘的富集效果研究初探[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)， 2009， 25（15）：206-210.

[16] 王吉秀， 祖艷群， 李元，等. 玉米和不同蔬菜間套模式對(duì)重金屬Pb、Cu、Cd累積的影響研究[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，30（11）：2168-2173.

[17] 薛建輝， 費(fèi)穎新. 間作杉木對(duì)茶園土壤及茶樹葉片重金屬含量與分布的影響[J]. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)， 2006， 22（4）：71-73，87.

[18] 陳秀玲， 張磊.小麥/花生不同間作方式對(duì)花生吸收積累Cd的影響[J]. 環(huán)境化學(xué)， 2014， 33（9）：1469-1475.

[19] 黑亮， 吳啟堂， 龍新憲，等. 東南景天和玉米套種對(duì)Zn污染污泥的處理效應(yīng)[J]. 環(huán)境科學(xué)， 2007，28（4）：852-858.

[20] 秦麗， 祖艷群， 湛方棟，等. 續(xù)斷菊與玉米間作對(duì)作物吸收積累鎘的影響[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2013，32（3）：471-477.

[21] 王艷紅， 龍新憲， 劉洪彥，等. 兩種生態(tài)型東南景天套種對(duì)其生長(zhǎng)和吸收土壤中Zn的影響[J]. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2007，28（3）：6-10.

[22] 丁自立，李書謙，周旭，等. 植物修復(fù)土壤重金屬污染機(jī)制與應(yīng)用研究[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，

2014，53（23）：5617-5623.

[23] 居述云， 汪潔， 宓彥彥，等. 重金屬污染土壤的伴礦景天/小麥-茄子間作和輪作修復(fù)[J]. 生態(tài)學(xué)雜志，2015， 34（8）：2181-2186.

[24] 葉菲. 鎘的超富集植物油菜對(duì)小白菜生長(zhǎng)環(huán)境凈化效果及其機(jī)理的研究[D]. 長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2007.