間作植物根系對(duì)Pb斑塊脅迫適應(yīng)機(jī)制

王吉秀，李祖然，李 博，李 元，湛方棟，祖艷群*，何永美

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，昆明650201；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)園林園藝學(xué)院，昆明650201）

農(nóng)田土壤重金屬污染已成為大家普遍關(guān)注的重大問(wèn)題，耕作土壤中無(wú)論重金屬含量高低，都會(huì)通過(guò)食物鏈逐級(jí)不可逆富集，嚴(yán)重影響人類健康發(fā)展[1-2]。因此，重金屬污染土壤的治理已成為當(dāng)前亟待解決的研究課題。由于目前土壤重金屬污染源既有背景值，也有人為因素，因此不同重金屬遷移轉(zhuǎn)化和可給性不同，導(dǎo)致土壤中存在的重金屬多呈現(xiàn)高度異質(zhì)性斑塊狀分布[3-5]。植物對(duì)異質(zhì)性營(yíng)養(yǎng)斑塊會(huì)產(chǎn)生不同的覓食行為，如杉木（Cunninghamia lanceolata）根系對(duì)不同磷斑塊濃度與異質(zhì)分布的階段性產(chǎn)生不同的覓磷行為，土壤非均質(zhì)性氮營(yíng)養(yǎng)斑對(duì)玉米根系活力和吸收物質(zhì)產(chǎn)生影響，營(yíng)養(yǎng)斑中根密度一般是非營(yíng)養(yǎng)斑處的10～15 倍，沙生冰草（Agropyron desertorum）新生細(xì)根達(dá)2～5 倍[6]。營(yíng)養(yǎng)斑塊對(duì)植物根系產(chǎn)生響應(yīng)，脅迫斑塊在超富集植物與作物間作體系中的效應(yīng)如何，從重金屬脅迫處理后兩種植物體內(nèi)含量差異顯著可說(shuō)明他們之間存在相關(guān)性[7-8]，這種相關(guān)性是否與兩種不同植物根系生長(zhǎng)的趨向性有關(guān)有待繼續(xù)探索。前人研究發(fā)現(xiàn)牛毛草對(duì)Hg 吸收和異質(zhì)性Pb 脅迫對(duì)金絲草根長(zhǎng)、體積和表面積產(chǎn)生顯著影響[9]。本課題組前期對(duì)超富集植物小花南芥（ArabisalpinaL.var.parvifloraFranch）與 玉米（Zea maysL.）、蠶豆（Vicia fabaL.）間作修復(fù)Pb 污染土壤做了大量研究，但對(duì)于重金屬Pb 脅迫下，間作體系如何影響小花南芥與玉米根系的形態(tài)學(xué)適應(yīng)機(jī)制尚不清楚。

本團(tuán)隊(duì)前期研究發(fā)現(xiàn)，超富集植物小花南芥與玉米間作根系之間存在某種關(guān)聯(lián)。土壤Pb 含量為98.96 mg·kg-1的盆栽間作玉米與小花南芥發(fā)現(xiàn)，玉米Pb 含量減少17.93%，小花南芥Pb 含量增加9.62%[10]；400 mg·kg-1Pb 脅迫水培處理后玉米體內(nèi)Pb 含量下降44%，小花南芥體內(nèi)Pb 含量增加75%，單作與間作根系形態(tài)差異較顯著[11]；而土壤Pb 含量為600 mg·kg-1的大田間作蠶豆和小花南芥試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與單作相比，間作體系下蠶豆Pb 含量升高40.2%，小花南芥下降9.04%[12]。截至目前，本課題組研究還未能從本質(zhì)意義上解釋植物體內(nèi)Pb 含量的變化是否是根趨向行為引起。因此本研究設(shè)計(jì)垂直土壤Pb 斑塊處理為0、1000 mg·kg-1的根箱試驗(yàn)，以揭示超富集植物與作物間作體系下植物根系生長(zhǎng)的趨向性形態(tài)學(xué)特征，為闡明間作體系下超富集植物小花南芥對(duì)Pb 的富集和玉米對(duì)Pb 的排斥提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試小花南芥是本課題組2004 年在云南省會(huì)澤縣鉛鋅礦廢棄地篩選的Pb 超富集本土植物，其為十字花科南芥屬植物[13]，一年生草本，大多生長(zhǎng)在廢棄多年的礦渣上。試驗(yàn)采用野生種子育苗，挑選大小一致且籽粒飽滿的小花南芥當(dāng)年種子，種子用10%安替福民20 倍液浸種20 min，蒸餾水清洗后，用鑷子移入漂盤中，利用基質(zhì)土進(jìn)行漂浮育苗，每穴1～2 粒繁育幼苗，繁育幼苗期間進(jìn)行常規(guī)的澆水、光照等管理，培養(yǎng)的控制條件為：光（L）∶暗（D）=16 h∶8 h，20±1 ℃，70%RH，出苗長(zhǎng)至5片真葉后進(jìn)行移栽。

供試玉米（Zea maysL.）品種為會(huì)單4 號(hào)。挑選大小一致且籽粒飽滿的種子，用10%雙氧水表面消毒10 min，蒸餾水清洗后，直接播種于根箱內(nèi)。

1.2 試驗(yàn)方法

土壤Pb 脅迫處理：用分析純?cè)噭㏄b（NO3）2配制（以純Pb2+計(jì)1000 mg·kg-1）成500 mL 溶液，然后一次性均勻澆灌在土壤中，對(duì)照無(wú)Pb 處理用同樣的蒸餾水均勻澆灌在土壤中，1000 mg·kg-1Pb（NO3）2處理所有土壤，攪拌平衡1 個(gè)月待用。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的Pb 脅迫濃度參照陳建軍等[10]的文獻(xiàn)，保證Pb 脅迫不影響玉米和小花南芥的正常生長(zhǎng)發(fā)育。

2015 年2 月23 日在云南農(nóng)業(yè)大學(xué)化學(xué)樓旁溫室大棚進(jìn)行根箱試驗(yàn)，根箱為透明有機(jī)玻璃制作，高60 cm×寬40 cm×厚2 cm。土壤為同質(zhì)土壤Pb 處理0、1000 mg·kg-1及異質(zhì)性土壤Pb 處理斑塊0、1000 mg·kg-1，異質(zhì)性土壤處理時(shí)在中間用塑料片（1 mm）隔開，兩邊分別裝入0 mg·kg-1和1000 mg·kg-1Pb處理，根箱兩邊分別種植一株植物，移栽時(shí)注意保證根系自然伸展，且正好處于一側(cè)的中心位置。種植完成后抽出塑料片，為了防止異質(zhì)土壤中Pb2+遷移到另外一側(cè)，利用250 mL注射器從兩側(cè)緩慢注射水，保證水恰好浸透到根箱中間位置。試驗(yàn)設(shè)3 種種植模式，分別為玉米單作、小花南芥單作、玉米與小花南芥間作。每個(gè)處理3次重復(fù)，合計(jì)30盆。根箱試驗(yàn)具體設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

1.3 根系采樣方法

2015 年5 月23 日從根箱固定架上取下根箱，水平放置于地面上，取下固定夾子，有機(jī)玻璃板移走一面，從兩株植物中間向兩邊依次0～10、10～20 cm刀片分割，取出每個(gè)區(qū)域內(nèi)的植物根系并做好標(biāo)記后備用。

圖1 土培試驗(yàn)裝置Figure 1 Diagram for experimental unit

1.4 根系形態(tài)測(cè)定

將按不同距離采集的根系鮮樣，用自來(lái)水沖洗數(shù)次，再用蒸餾水沖洗1 次，然后用EPSON PERFECTIONV700 掃描儀掃描，用根系分析軟件WinRHIZOPro 2013（Regent Instruments Inc）對(duì)掃描圖片進(jìn)行分析。依據(jù)Costa 等[14]的方法統(tǒng)計(jì)玉米和小花南芥的根表面積、徑級(jí)根系指標(biāo)。用電子天平稱量根系鮮質(zhì)量。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

1.5.1 競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系分析

以根系生物量為基礎(chǔ)，采用相對(duì)關(guān)系指數(shù)RII（Relative interaction index）[15-16]衡量間作條件下作物的競(jìng)爭(zhēng)能力：

式中：Bi表示小花南芥與玉米間作根與根之間作用條件下的生物量；Bs表示小花南芥或玉米在單作種植條件下的生物量。當(dāng)RII＞0 時(shí)，表示玉米（小花南芥）在競(jìng)爭(zhēng)中得到的互利效應(yīng)大于受到的競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)，當(dāng)RII＜0 時(shí)，則競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)大于互利效應(yīng)，當(dāng)RII=0 時(shí)，玉米（小花南芥）在間作中沒(méi)有受到影響。RII值越大，表明相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)能力越強(qiáng)。

1.5.2 小花南芥趨Pb和玉米避Pb

超富集植物和作物間作在同一空間土壤中，各自為適應(yīng)土壤中不同元素的異質(zhì)性，其根系誘導(dǎo)出一系列的生理和表型可塑性。Pb 超富集植物小花南芥以趨Pb 為主，而Pb 為玉米的脅迫物質(zhì)，玉米主要以避Pb 為主。因此，其中增加Pb 處理斑塊內(nèi)的根系生長(zhǎng)被認(rèn)為是小花南芥對(duì)異質(zhì)性Pb 的適應(yīng)性響應(yīng)，采用Pb處理斑塊內(nèi)與無(wú)Pb處理斑塊內(nèi)根系生物量之比來(lái)衡量趨Pb 相對(duì)指數(shù)。比值越高，其趨Pb 相對(duì)指數(shù)越高；對(duì)于玉米，比值越低，其避Pb相對(duì)指數(shù)越高。

1.5.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理使用Excel Microsoft，利用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性統(tǒng)計(jì)分析。分析競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系時(shí)以作物和Pb異質(zhì)性為固定因素，分析植物系趨向性時(shí)以作物和種植模式為固定因素。

表1 間作體系對(duì)異質(zhì)土壤Pb處理玉米根系生物量的影響（mg·kg-1）Table 1 Effects of Pb heterogeneous stresses on roots biomass of intercropped maize in the intercropping system（mg·kg-1）

2 結(jié)果與分析

2.1 間作體系對(duì)Pb斑塊處理植物根系生物量的影響

2.1.1 玉米根系生物量

同質(zhì)土壤Pb處理為0 mg·kg-1和1000 mg·kg-1時(shí)，同側(cè)間作玉米根系在0～10 cm 處生物量比單作分別增加48.83%和24.73%，0～10 cm 與10～20 cm 相比，間作玉米根系生物量分別增加43.12%和31.73%，差異較顯著，同側(cè)在10～20 cm 處間作玉米與單作生物量差異不顯著。單作玉米根系生物量A 側(cè)和B 側(cè)在0～10 cm 和10～20 cm 差異均不顯著。從表1 中A 側(cè)和B側(cè)根系總生物量看，Pb 脅迫處理后單作和間作生物量均下降，說(shuō)明受Pb 污染的土壤會(huì)直接影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育。對(duì)同質(zhì)土壤0～10 cm 處兩因素比較分析可知，種植模式和Pb 處理交叉因素對(duì)玉米根系生物量產(chǎn)生極顯著影響（F=24.89，P=0.001）。

異質(zhì)土壤Pb 處理斑塊為0 mg·kg-1和1000 mg·kg-1時(shí)，玉米種植在B 側(cè)Pb 脅迫處理斑塊為1000 mg·kg-1時(shí)，間作玉米0～10 cm 處根系比單作顯著增加28.40%，10～20 cm 處差異不顯著，間作體系下，0～10 cm 處比10～20 cm 處玉米生物量顯著增加37.76%；玉米種植在B 側(cè)Pb 脅迫處理斑塊為0 mg·kg-1時(shí)，0～10 cm 處間作玉米根系比單作顯著減少11.77%，10～20 cm 處顯著增加27.01%，單作玉米生物量在0～10 cm處比10～20 cm 處顯著增加7.94%，間作玉米生物量在0～10 cm處比10～20 cm處顯著減少25.03%，說(shuō)明異質(zhì)性土壤間作改變玉米根系的生物量集中在玉米與小花南芥接觸的微區(qū)域內(nèi)。對(duì)異質(zhì)土壤0～10 cm 處兩因素比較分析可知，Pb 處理因素對(duì)玉米根系生物量產(chǎn)生極顯著影響（F=22.75，P=0.001）

2.1.2 小花南芥根系生物量

同質(zhì)土壤Pb 處理為0 mg·kg-1時(shí)，間作小花南芥與單作在同側(cè)0～10 cm 和10～20 cm 處根系生物量差異不顯著，但間作體系下小花南芥總生物量平均值比單作增加0.5倍；同質(zhì)土壤Pb處理為1000 mg·kg-1時(shí)，間作小花南芥與單作在同側(cè)0～10 cm 和10～20 cm 處根系生物量顯著增加90.12%和100.72%，間作體系下0～10 cm處小花南芥總生物量平均值比單作增加0.95倍。對(duì)同質(zhì)土壤0～10 cm 處兩因素比較分析可知，種植模式因素對(duì)小花南芥根系生物量產(chǎn)生極顯著影響（F=81.68，P＜0.001）。

異質(zhì)土壤Pb 處理斑塊為0 mg·kg-1和1000 mg·kg-1時(shí)，小花南芥種植在B 側(cè)Pb 脅迫處理斑塊為1000 mg·kg-1時(shí)，0～10 cm 和10～20 cm 處間作小花南芥根系比單作顯著增加55.39%和48.60%，間作體系下小花南芥總生物量平均值比單作增加47%。小花南芥種植在B 側(cè)Pb 脅迫處理斑塊為0 mg·kg-1時(shí)，0～10 cm 和10～20 cm 處間作小花南芥根系比單作顯著增加68.89%和83.33%。從表2 看出，超富集植物小花南芥根系生物量在Pb 脅迫和間作處理后與無(wú)Pb脅迫和單作處理差異顯著。對(duì)異質(zhì)土壤0～10 cm 處兩因素比較分析可知，種植模式因素對(duì)小花南芥根系生物量產(chǎn)生極顯著影響（F=60.15，P＜0.001）。

圖2 Pb異質(zhì)性對(duì)間作玉米根系競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的影響Figure 2 Effects of Pb heterogeneous stresses on roots competitive relation of intercropped maize

圖3 Pb異質(zhì)性對(duì)間作小花南芥根系競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的影響Figure 3 Effects of Pb heterogeneous stresses on roots competitive relation of intercropped Arbais alpine

2.2 小花南芥與玉米間作根系間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系

2.2.1 對(duì)玉米根系的影響

如圖2所示，玉米種植于同質(zhì)土壤0 mg·kg-1一側(cè)時(shí)，Pb異質(zhì)性顯著降低玉米在0～10 cm 處兩作物間的競(jìng)爭(zhēng)，而10～20 cm 處同質(zhì)和異質(zhì)土壤玉米在競(jìng)爭(zhēng)中得到的互利效應(yīng)大于受到的競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)，且異質(zhì)土壤上玉米根系的互利效應(yīng)與同質(zhì)土壤相比顯著增加4.25倍。玉米種植于同質(zhì)土壤1000 mg·kg-1一側(cè)時(shí)，玉米根系均表現(xiàn)為互利效應(yīng)，但同質(zhì)與異質(zhì)土壤在同距離處理之間變化不顯著。

2.2.2 對(duì)小花南芥根系的影響

如圖3 所示，Pb 處理為0 mg·kg-1時(shí)，小花南芥在同質(zhì)土壤0～10 cm處和異質(zhì)土壤0～10 cm和10～20 cm處相對(duì)關(guān)系指數(shù)平均為0.40，同質(zhì)土壤10～20 cm 處時(shí)相對(duì)關(guān)系指數(shù)為1.19，極顯著增加了1.98 倍。Pb處理為1000 mg·kg-1時(shí)，小花南芥相對(duì)關(guān)系指數(shù)平均為0.27，處理間差異不顯著。從圖2和圖3可以看出，Pb 處理為0 mg·kg-1時(shí)小花南芥根與玉米根間互利效應(yīng)大于1000 mg·kg-1Pb脅迫處理。

表2 間作體系對(duì)異質(zhì)土壤Pb處理小花南芥根系生物量的影響（mg·kg-1）Table 2 Effects of Pb heterogeneous stresses on roots biomass of Arbais alpine in the intercropping system（mg·kg-1）

2.3 植物根系對(duì)Pb斑塊趨向性分析

2.3.1 玉米根系避Pb相對(duì)指數(shù)分析

如圖4 所示，單作玉米根系在同質(zhì)土壤中的平均避Pb 相對(duì)指數(shù)為0.86，異質(zhì)土壤在10～20 cm 處避Pb相對(duì)指數(shù)為0.51，相比同質(zhì)土壤顯著下降41.17%；間作玉米根系在同質(zhì)土壤中的平均避Pb 相對(duì)指數(shù)為0.77，在異質(zhì)土壤0～10 cm 處避Pb 相對(duì)指數(shù)為1.31，相比同質(zhì)土壤顯著增加70.86%。同質(zhì)土壤中玉米根系在10～20 cm 處避Pb 相對(duì)指數(shù)顯著降低，異質(zhì)性土壤中玉米根系在0～10 cm處避Pb相對(duì)指數(shù)顯著增高，說(shuō)明Pb脅迫斑塊改變了玉米根系的避Pb相對(duì)指數(shù)。

圖4 根間作用對(duì)玉米根系避Pb相對(duì)指數(shù)的影響Figure 4 Effects of root interaction on roots prevent Pb precision of intercropped maize

圖5 根間作用對(duì)小花南芥根系趨Pb相對(duì)指數(shù)的影響Figure 5 Effects of root interaction on roots foraging Pb precision of intercropped Arbais alpine

2.3.2 小花南芥根系趨Pb相對(duì)指數(shù)分析

如圖5 所示，單作小花南芥在同質(zhì)土壤中的平均趨Pb 相對(duì)指數(shù)為5.81，在異質(zhì)土壤10～20 cm 處趨Pb相對(duì)指數(shù)為8.51，相比同質(zhì)土壤顯著增加46.47%；間作小花南芥在同質(zhì)土壤0～10 cm 處的趨Pb 相對(duì)指數(shù)為2.48，在異質(zhì)土壤中平均趨Pb 相對(duì)指數(shù)為7.89，相比同質(zhì)土壤0～10 cm 處顯著增加2.18 倍。單作小花南芥在異質(zhì)土壤10～20 cm 處趨Pb 相對(duì)指數(shù)顯著增高，間作小花南芥除了在同質(zhì)土壤0～10 cm處趨Pb相對(duì)指數(shù)顯著下降外，其他趨Pb相對(duì)指數(shù)差異不顯著，說(shuō)明小花南芥根系具有尋找Pb的能力。

2.4 間作體系對(duì)Pb斑塊處理植物根表面積的影響

2.4.1 對(duì)玉米根表面積的影響

如表3 所示，同質(zhì)土壤Pb 處理為0 mg·kg-1時(shí)，間作玉米根表面積在0～10 cm 處與單作相比顯著增加42.89%，單作玉米0～10 cm 較10～20 cm 處顯著降低30.19%；同側(cè)間作玉米根表面積在0～10 cm 處與10～20 cm 處差異不顯著。Pb 脅迫處理為1000 mg·kg-1時(shí)，間作玉米在0～10 cm 處與單作相比顯著增加52.63%，且0～10 cm 處比10～20 cm 處顯著增加0.75倍，間作對(duì)根系表面積影響主要集中在0～10 cm 處微區(qū)域內(nèi)。

異質(zhì)土壤Pb 處理斑塊為0 mg·kg-1和1000 mg·kg-1時(shí)，玉米種植在B 側(cè)Pb 脅迫處理斑塊為1000 mg·kg-1時(shí)，0～10 cm 處間作玉米根表面積比單作顯著增加32.90%，A 側(cè)間作玉米根表面積在0～10 cm 處比10～20 cm處顯著增加30.08%。玉米種植在B側(cè)Pb脅迫處理斑塊為0 mg·kg-1時(shí)，0～10 cm 和10～20 cm 處間作玉米根表面積與單作相比顯著增加35.01%和36.02%。異質(zhì)土壤Pb 斑塊處理后，間作體系對(duì)玉米根表面積影響較顯著。對(duì)同質(zhì)（F=15.70，P=0.004）和異質(zhì)（F=22.41，P=0.001）土壤0～10 cm 處兩因素比較分析可知，種植模式和Pb 處理因素對(duì)玉米根表面積產(chǎn)生極顯著影響。

2.4.2 對(duì)小花南芥根表面積的影響

如表4 所示，同質(zhì)土壤Pb 處理為0 mg·kg-1時(shí)，間作小花南芥根表面積在0～10 cm 處與單作相比顯著增加45.35%；同側(cè)間作小花南芥根表面積在0～10 cm處比10～20 cm 處顯著增加81.02%。Pb 脅迫處理為1000 mg·kg-1時(shí)，間作小花南芥在0～10 cm 和10～20 cm 處與單作相比顯著增加31.53%和40.09%。A 側(cè)和B 側(cè)的單作小花南芥0～10 cm 和10～20 cm 處根表面積差異均不顯著。對(duì)同質(zhì)土壤0～10 cm 處兩因素比較分析可知，種植模式和Pb 處理因素對(duì)小花南芥根表面積產(chǎn)生極顯著影響（F=17.07，P=0.003）。

異質(zhì)土壤Pb 處理斑塊為0 mg·kg-1和1000 mg·kg-1時(shí)，小花南芥種植在B 側(cè)Pb 脅迫處理斑塊為1000 mg·kg-1時(shí)，0～10 cm 處間作小花南芥根表面積比單作顯著增加44.30%，A側(cè)間作小花南芥根表面積在0～10 cm 處較10～20 cm 處顯著增加41.61%。小花南芥種植在B 側(cè)Pb 脅迫處理斑塊為0 mg·kg-1時(shí)，0～10 cm 間作小花南芥根表面積與單作相比顯著增加24.87%，且0～10 cm 處 較10～20 cm 處 顯 著 增 加77.76%。異質(zhì)土壤Pb 斑塊處理后，間作體系下小花南芥根表面積發(fā)生顯著變化區(qū)域主要在0～10 cm 交界處。對(duì)異質(zhì)（F=12.58，P=0.008）土壤0～10 cm 處兩因素比較分析可知，種植模式因素對(duì)小花南芥根表面積產(chǎn)生極顯著影響。

2.5 玉米和小花南芥間作體系對(duì)Pb 斑塊處理植物根表面積徑級(jí)的影響

根系表面積的大小影響根系吸收離子的強(qiáng)度。從表5可知，玉米間作和單作根系表面積在d4徑級(jí)區(qū)間占總根系表面積的比例最大，分別為27.01%和40.73%，并且間作下表面積比單作顯著下降了36.98%（P＜0.05）；d1 和d3 徑級(jí)玉米間作表面積比單作顯著增加了26%和32%（P＜0.05）；間作體系下玉米根系在各徑級(jí)間表面積分布范圍為11.95～25.88 cm2，平均為18.05 cm2；單作分布范圍為9.41～41.07 cm2，平均為20.94 cm2，說(shuō)明間作體系下玉米根系表面積分布較均勻，這有利于玉米根系從土壤中均衡吸收離子。

小花南芥單作在d1、d2、d3、d4、d5 5 個(gè)徑級(jí)區(qū)間占總表面積的比例分別為22.98%、12.19%、16.99%、34.38%、13.44%，間 作 分 別 為11.25%、16.18%、16.43%、41.39%、14.74%，除了d1 徑級(jí)根系表面積間作與單作差異不顯著外，其余徑級(jí)間作與對(duì)照差異均顯著，間作體系下分別增加了76%、28%、60%、45%，說(shuō)明間作體系促進(jìn)小花南芥根系的生長(zhǎng)發(fā)育。

從表5 知，間作體系下根系表面積比單作顯著增加，主要影響玉米和小花南芥根系生長(zhǎng)狀態(tài)的徑級(jí)在1.5＜d3≤2.5和2.5＜d4≤3.5區(qū)間。

2.6 玉米和小花南芥間作體系對(duì)Pb富集特征的影響

間作體系根-根之間的相互作用，不僅會(huì)改變植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)，同時(shí)也影響非營(yíng)養(yǎng)元素的吸收累積。從表6 可知，玉米間作與單作相比，地上部和地下部Pb 的累積量分別顯著降低了38.98% 和17.80%（P＜0.05），并且地上部的降幅大于地下部；玉米間作轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為0.32，單作為0.43，間作體系使轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)較單作下降了25.58%。

表3 間作體系對(duì)異質(zhì)土壤Pb處理玉米根表面積的影響Table 3 Effects of Pb heterogeneous stresses on root surface area of intercropped maize in the intercropping system

表4 間作體系對(duì)異質(zhì)土壤Pb處理小花南芥根表面積的影響Table 4 Effects of Pb heterogeneous stresses on root surface area of intercropped Arbais alpine in the intercropping system

小花南芥間作與單作相比地上部顯著增加了45.64%，相反地下部下降了18.99%；小花南芥間作轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為2.25，單作為1.25，間作體系使轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)較單作增加了80%。

從以上數(shù)據(jù)可知，間作體系下玉米轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部的Pb 量減少，而小花南芥地上部的Pb 量卻增加，說(shuō)明玉米與小花南芥間作顯著改變了Pb在兩種植物地下部和地上部的累積量。

表5 間作體系對(duì)小花南芥和玉米根表面積徑級(jí)的影響（cm2）Table 5 Effects of root surface diameter classes on intercropped Arbais alpine and maize（cm2）

表6 間作體系下玉米和小花南芥富集特征Table 6 Effects of the accumulation of lead in the upper and underground parts on intercropped Arbais alpine and maize

3 討論

3.1 小花南芥趨Pb和玉米避Pb相對(duì)指數(shù)分析

間作條件下，植物根系趨向性的改變通常是植物適應(yīng)外界異質(zhì)土壤環(huán)境的策略。土壤營(yíng)養(yǎng)斑塊中植物根趨向營(yíng)養(yǎng)一邊，有助于促進(jìn)植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)的吸收，增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[17-19]，但在土壤氮斑塊處理玉米和馬鈴薯時(shí)，玉米生物量和競(jìng)爭(zhēng)能力都增加，馬鈴薯并未獲利[15]。說(shuō)明植物根系趨向性不一定能增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[20-22]，趨向行為本身是一個(gè)消耗能量的過(guò)程，在競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中將有限的能量用于根系的趨向性生長(zhǎng)行為可能降低凈生物量的增加[23]。在本研究中，單作玉米異質(zhì)土壤趨向性指數(shù)比同質(zhì)土壤低，而間作玉米卻相反；小花南芥單作和間作異質(zhì)土壤斑塊趨向指數(shù)均比同質(zhì)土壤高；玉米和小花南芥生物量在不同處理下均顯著增加。表明吸收不同營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的植物間作可以通過(guò)根間相互作用在異質(zhì)性Pb土壤環(huán)境下提高植物的生物量，這與已有的異質(zhì)性氮環(huán)境可以提高玉米和馬鈴薯總生產(chǎn)力的結(jié)論存在一致性[15]。異質(zhì)性的營(yíng)養(yǎng)斑塊促進(jìn)植物多樣性與生產(chǎn)力的正相關(guān)性[24]，這可能與植物根系的覓養(yǎng)能力緊密相關(guān)[25]，超富集植物小花南芥以Pb 為主要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，異質(zhì)性Pb 斑塊中小花南芥根系采取主動(dòng)吸收途徑獲取營(yíng)養(yǎng)成分，而作物玉米在異質(zhì)性Pb 斑塊中會(huì)避開Pb 斑塊獲取自身需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。超富集植物與作物間作下植物不同根系在異質(zhì)性斑塊上有可能通過(guò)根系表型的可塑性改變根趨向行為[9]。

3.2 小花南芥與玉米根系競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系分析

已有研究證明間作植物根系在斑塊土壤處理下通過(guò)表型可塑性來(lái)選擇更加適合的區(qū)域生產(chǎn)而增加資源的獲取量。苦豆子根系在無(wú)競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，采用“廣布策略”，在有競(jìng)爭(zhēng)者時(shí)，根系受到抑制而分布在較小范圍內(nèi)，且土壤均質(zhì)時(shí)，未重疊區(qū)域的根系比例較高；資源斑塊出現(xiàn)時(shí)，斑塊中的重疊部分根系比例較高，由于資源豐富而不受重疊的影響；斑塊在邊緣時(shí)，原位植物更容易獲得豐富的資源，因此趨向中心一側(cè)的根系[26]。本研究小花南芥與玉米間作時(shí)，異質(zhì)性Pb 處理下間作玉米在0～10 cm 處表現(xiàn)出顯著的競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)，同質(zhì)和異質(zhì)性Pb處理小花南芥在10～20 cm處表現(xiàn)為互利效應(yīng)，這與苦豆子根系特征趨勢(shì)一致。兩因素分析顯示，交叉因素對(duì)玉米根生物量影響極顯著，種植模式對(duì)小花南芥根生物量影響極顯著。Cahill等[27]研究苘麻（A. theophrasti）根系覓養(yǎng)能力時(shí)發(fā)現(xiàn)，沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)時(shí)根系水平生長(zhǎng)幅度不受營(yíng)養(yǎng)斑塊的影響，有競(jìng)爭(zhēng)時(shí)則在土壤同質(zhì)性營(yíng)養(yǎng)環(huán)境中受到顯著抑制，而在異質(zhì)性營(yíng)養(yǎng)斑塊環(huán)境中影響不顯著。在本研究中，同質(zhì)性和異質(zhì)性Pb處理斑塊間作小花南芥和玉米生物量都表現(xiàn)出正效應(yīng)。Cahill等[27]從種群水平提出植物對(duì)異質(zhì)性元素和間作競(jìng)爭(zhēng)作出響應(yīng)的同時(shí)，也對(duì)鄰近的競(jìng)爭(zhēng)者作出非資源性介導(dǎo)的響應(yīng)。吳開賢等[15]從群落水平驗(yàn)證植物種間根-根作用，發(fā)現(xiàn)其可提高玉米和馬鈴薯對(duì)異質(zhì)性氮的覓養(yǎng)精確度，激發(fā)其覓養(yǎng)能力，但該研究還發(fā)現(xiàn)異質(zhì)性氮并未增加根間競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度。也有研究表明，間作植物根-根作用導(dǎo)致土壤有效養(yǎng)分降低，有限空間內(nèi)兩種植物為生存可能提高覓養(yǎng)能力[28-29]。本研究中異質(zhì)性玉米Pb 處理增加了玉米根系的競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度，而小花南芥在競(jìng)爭(zhēng)中獲利。說(shuō)明植物根系能夠整合異質(zhì)性養(yǎng)分和鄰近者的根間作用信息，植物將根系分泌物作為信號(hào)物質(zhì)來(lái)區(qū)分鄰近植株的遺傳身份以作出差異響應(yīng)[30]。當(dāng)植物根系界面面對(duì)遺傳信息相近或相同植株時(shí)，植株覓養(yǎng)精確度可能降低，當(dāng)面對(duì)親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的植物時(shí)，覓養(yǎng)精確度則可能提高，植物對(duì)養(yǎng)分的吸收遵循Hamilton 的親緣選擇理論（Kin selection theory）。超富集植物小花南芥與低富集作物玉米屬于親緣關(guān)系相差甚遠(yuǎn)的兩個(gè)物種，這可能是解釋富集Pb 差別的原因之一。小花南芥對(duì)Pb的需求量較大，因此吸收速率較快，斑塊內(nèi)的養(yǎng)分發(fā)出下降趨勢(shì)的信號(hào)后，玉米感知到這一信號(hào)，玉米的覓養(yǎng)可能轉(zhuǎn)向沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)對(duì)象的低養(yǎng)分斑塊。從而玉米根系表型形態(tài)發(fā)生變化，根系覓養(yǎng)行為將選擇未被“占領(lǐng)”區(qū)域[31]。這有待于進(jìn)一步從原位研究超富集植物與低富集作物感知養(yǎng)分異質(zhì)性環(huán)境和資源的瞬時(shí)性動(dòng)態(tài)行為[32]，尤其是對(duì)根系分泌物發(fā)出覓食信號(hào)做出差異響應(yīng)，這可揭示小花南芥與玉米對(duì)Pb的趨向性行為。

3.3 根系形態(tài)變化的適應(yīng)對(duì)策

植物根系形態(tài)對(duì)外界環(huán)境的變化較為敏感，通常根據(jù)表型可塑性變化判斷植物根系對(duì)異質(zhì)性環(huán)境的適應(yīng)對(duì)策，特別是在同一空間生長(zhǎng)的不同物種之間根系形態(tài)適應(yīng)對(duì)策差異較大時(shí)。有研究表明植株通過(guò)根的形態(tài)學(xué)和生理學(xué)的改變來(lái)適應(yīng)不利環(huán)境的脅迫[33-34]。通過(guò)通徑分析根系形態(tài)指標(biāo)與氮吸收效率，發(fā)現(xiàn)根長(zhǎng)和根體積對(duì)氮吸收效率有直接影響作用，其他指標(biāo)通過(guò)根長(zhǎng)和根體積產(chǎn)生間接作用[35]。金絲草在土壤Pb 斑塊中通過(guò)根長(zhǎng)、根體積和表面積增大來(lái)增加與土壤Pb 的接觸，從而提高對(duì)Pb 的富集能力[9]。磷饑餓環(huán)境下磷高效基因型杉木的根表面積和根體積顯著大于正常供磷的斑塊，植物根表面積和體積增大，縮短了磷離子擴(kuò)散到植物根的距離[36]。本研究中，同質(zhì)性和異質(zhì)性Pb處理土壤，間作玉米和小花南芥表面積在0～10 cm處顯著增加，間作模式和Pb處理兩因素分析表明，間作模式和Pb 處理極顯著影響玉米根表面積，而間作模式極顯著影響小花南芥根表面積。這說(shuō)明資源異質(zhì)性的改變可能是一種綜合變化，驗(yàn)證了相鄰的植物之間存在非資源性介導(dǎo)的響應(yīng)。上述數(shù)據(jù)說(shuō)明表型可塑性能反映間作植物根系與其生境資源條件相適應(yīng)的密切關(guān)系。進(jìn)一步研究表明，根系形態(tài)的變化與植物體內(nèi)特定基因的表達(dá)調(diào)控和內(nèi)源激素存在相關(guān)性[37]，揭示玉米和小花南芥間作表型改變可能需要從兩者基因表達(dá)差異方面深入探索。

3.4 小花南芥和玉米對(duì)Pb富集特征的影響

Pb 是植物生長(zhǎng)的非必需元素，其對(duì)植物產(chǎn)生脅迫時(shí)，會(huì)使植物的形態(tài)學(xué)特征發(fā)生變化，甚至導(dǎo)致植物因不適應(yīng)脅迫而死亡。但有研究發(fā)現(xiàn)，Pb 超富集植物在受到脅迫時(shí)會(huì)產(chǎn)生適應(yīng)機(jī)制，如金絲草根系遇到Pb脅迫時(shí)，會(huì)選擇向兩側(cè)生長(zhǎng)，當(dāng)兩側(cè)根系生長(zhǎng)遇阻時(shí)，也具有適應(yīng)Pb 脅迫斑塊生長(zhǎng)的能力[9]，這說(shuō)明不同植物對(duì)Pb脅迫的適應(yīng)機(jī)制存在差異。本文中小花南芥與玉米間作在Pb 斑塊脅迫下，兩種植物根系趨向行為發(fā)生顯著差異，推測(cè)可能存在兩種機(jī)制：一是小花南芥和玉米對(duì)Pb 排斥機(jī)制差異，間作根系分泌檸檬酸促使小花南芥根系吸收富集Pb[11]，小花南芥富集的Pb可能通過(guò)細(xì)胞壁和細(xì)胞外的碳水化合物把Pb排斥在細(xì)胞質(zhì)外，而草酸與Pb2+結(jié)合阻止玉米根系吸收[11，38]；二是防御機(jī)制差異，小花南芥過(guò)氧化酶活性增強(qiáng)，導(dǎo)致根趨向有Pb斑塊生長(zhǎng)，玉米超氧化物歧化酶活性增強(qiáng)，導(dǎo)致根趨向無(wú)Pb 斑塊生長(zhǎng)[39]，植物根的趨向行為引起Pb富集特征的變化。

4 結(jié)論

（1）Pb斑塊處理根箱條件下，間作小花南芥在0～10 cm 處根系趨向有Pb斑塊生長(zhǎng)，生物量和表面積顯著增加；間作玉米根系趨向無(wú)Pb斑塊生長(zhǎng)，根相對(duì)關(guān)系指數(shù)顯著下降。

（2）間作降低玉米轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，增加小花南芥轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)；根表面積徑級(jí)在1.5＜d3≤2.5時(shí)顯著影響間作小花南芥和玉米對(duì)Pb脅迫的響應(yīng)。