玉米/大豆間作的鎘累積規(guī)律初探

李涵，黃道友，黃山，湯彬，郭歡樂，曹鐘洋，陳松林，陳志輝*

（1.湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所，長沙410125；2.中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，長沙410125）

據(jù)報道，中國糧食主產(chǎn)區(qū)耕地土壤重金屬點位超標(biāo)率為21.49%，其中重度污染的比例高達5.02%，鎘是占比第一的污染物，并且對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)和人類健康構(gòu)成了潛在威脅[1-2]。目前，植物修復(fù)技術(shù)是治理土壤重金屬污染的一種綠色經(jīng)濟的新途徑，但由于超富集植物生物量小、環(huán)境適應(yīng)能力弱、生長耗時較長，還需要中斷農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，不符合當(dāng)前中國耕地資源緊缺的基本國情。因此，尋找最佳的種植結(jié)構(gòu)調(diào)整模式，合理利用鎘污染農(nóng)田是當(dāng)前亟待解決的問題。

間作是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中傳統(tǒng)的耕作模式，合理的作物間作體系可有效抑制病蟲草害發(fā)生，促進作物對土壤養(yǎng)分的高效利用，提高作物產(chǎn)量和土地利用率，促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展[3-5]。近年來，關(guān)于間作控制作物對鎘等重金屬吸收積累的研究已成為熱點之一。李志賢等[6]通過盆栽試驗研究了玉米/油菜間作對營養(yǎng)生長期玉米生長和吸收積累鎘的影響，結(jié)果表明在低、中鎘濃度下，間作可以阻控玉米對鎘的吸收與積累，但當(dāng)鎘濃度較高時，阻控效應(yīng)會轉(zhuǎn)為促進作用，增加玉米鎘積累量。Vergara等[7]通過盆栽試驗研究了大豆/萬壽菊間作對鉛脅迫下大豆生長的影響，結(jié)果表明間作提高了大豆對重金屬鉛的耐受性，降低了大豆植株鉛含量。趙穎等[8]和李凝玉等[9]研究表明豆科植物、黑麥草與玉米間作促進了玉米鎘積累，籽粒莧與玉米間作抑制了玉米鎘積累。劉海軍等[10]試驗表明玉米與馬唐間作促進了玉米根部鎘積累，降低了籽粒鎘積累。此外，還有研究表明玉米與豆科作物間作促進了玉米秸稈對微量元素的吸收，降低了籽粒微量元素含量，增強了土壤中有毒物質(zhì)的降解速率[11-12]。這說明利用間作模式優(yōu)勢在土壤重金屬污染區(qū)進行種植結(jié)構(gòu)調(diào)整具有可行性。

我國西南地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，光、熱、水資源豐富，適宜多熟制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，其中玉米/大豆間作是該區(qū)農(nóng)戶廣泛采用的種植模式之一[13]。玉米/大豆間作具有充分利用作物物種的互補優(yōu)勢，提高單位面積土地產(chǎn)出量，減少氮肥投入和土壤碳排放等特點[14-15]。玉米和大豆是我國重要的碳水化合物、蛋白質(zhì)和植物油來源性商品糧作物。然而，有關(guān)這兩種作物不同品種間鎘積累差異的研究多集中于單作條件下，基于玉米/大豆間作體系鎘積累差異的研究較少。為此，本研究通過在典型重度鎘污染農(nóng)田建立小區(qū)試驗，以本課題組前期研究確定的鎘積累能力存在顯著差異的籽粒高、低鎘積累玉米和本栽培區(qū)域主栽大豆品種作為對象，對比分析在單作和間作條件下，不同品種玉米和大豆的鎘吸收動態(tài)、籽粒鎘積累量、鎘富集系數(shù)和產(chǎn)量變化，以期為尋找鎘污染農(nóng)田替代種植模式和風(fēng)險管控提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試玉米品種為前期試驗篩選的籽粒相對高鎘積累品種登海605和相對低鎘積累品種聯(lián)創(chuàng)808，大豆品種為湖南省主栽品種湘春豆24和湘春豆26。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2019年4—8月在湖南省株洲市典型鎘污染休耕區(qū)試驗地（113°08′03.8″E、27°43′25.6″N，海拔35 m）進行，試驗期間氣溫和降雨量變化趨勢見圖1，供試土壤理化性質(zhì)及鎘含量見表1。試驗包括單作（大豆單作、玉米單作）和間作（大豆/玉米間作）兩種模式，試驗處理分別為登海605單作（Y1）、聯(lián)創(chuàng)808單作（Y2）、湘春豆24單作（S1）、湘春豆26單作（S2）、登海605/湘春豆24間作（Y1/S1）、聯(lián)創(chuàng)808/湘春豆24間作（Y2/S1）、登海605/湘春豆26間作（Y1/S2）、聯(lián)創(chuàng)808/湘春豆26間作（Y2/S2），共計8個處理，每個處理3次重復(fù)，小區(qū)面積30 m2。玉米種植密度為52 500株·hm-2，大豆種植密度為150 000株·hm-2，玉米與大豆間作行比為2∶3，間作與單作時種植密度相同。玉米、大豆均于4月6日播種，7月30日收獲。玉米施肥用量為氮肥218.25 kg·hm-2，磷肥（P2O5）112.5 kg·hm-2，鉀肥（K2O）112.5 kg·hm-2，大豆出苗后施肥用量為氮肥67.5 kg·hm-2，磷肥（P2O5）67.5 kg·hm-2，鉀肥（K2O）67.5 kg·hm-2，不施基肥。按照常規(guī)方法進行田間管理。

表1土壤基本理化性質(zhì)Table 1 The basic physical and chemical properties of soil

圖1作物生育期氣溫和降雨量變化Figure 1 The variation of precipitation and air temperature in 2019 at research station

1.3 取樣與測定方法

分別在大豆幼苗期、現(xiàn)蕾期、結(jié)莢期、鼓粒期、成熟期和玉米苗期、拔節(jié)期、抽雄吐絲期、灌漿期、成熟期進行植株樣品采集，各小區(qū)采用五點取樣法，每點采集長勢一致的玉米3株、大豆6株，采樣后混合為一份樣品，并于成熟期每小區(qū)實收測產(chǎn)，根據(jù)實收面積獲得的產(chǎn)量折合成單位面積產(chǎn)量，計算實際產(chǎn)量。在室內(nèi)將樣品的秸稈（包括莖稈和葉片）、籽粒烘干至恒質(zhì)量后，粉碎備用。植株樣品經(jīng)硝酸-高氯酸體系消解后，采用石墨爐原子吸收分光光度法測定植株樣品鎘含量。

作物秸稈對鎘的富集系數(shù)（BCFstraw）=Cstraw/Csoil

作物籽粒對鎘的富集系數(shù)（BCFgrain）=Cgrain/Csoil

土地當(dāng)量比（LER）=Y1/M1+Y2/M2

式中：Cstraw、Cgrain和Csoil分別表示作物秸稈、籽粒和土壤全鎘含量，mg·kg-1；Y1和Y2是單位面積內(nèi)間作玉米和大豆的產(chǎn)量，kg·hm-2；M1和M2是單位面積內(nèi)單作玉米和大豆的產(chǎn)量，kg·hm-2。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2017和SPSS 14.0軟件進行數(shù)據(jù)的整理與分析，差異顯著性檢驗采用Duncan新復(fù)極差法和T檢驗法進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米/大豆間作下玉米秸稈鎘含量動態(tài)變化

間作下玉米不同生育時期秸稈鎘含量變化見圖2。在玉米生育期內(nèi)，隨著生育進程的推進間作和單作玉米秸稈鎘含量呈現(xiàn)總體降低的變化趨勢，玉米苗期秸稈鎘含量最高，拔節(jié)期到成熟期變化相對平穩(wěn)，Y1處理玉米各生育時期秸稈鎘含量均高于Y2。間作玉米苗期和成熟期秸稈鎘含量高于單作；從拔節(jié)期到灌漿期，Y1/S1和Y1/S2秸稈的鎘含量低于單作，Y2/S1和Y2/S2鎘含量變化趨勢不同。間作處理苗期秸稈的鎘含量較單作顯著提高11.61%～37.51%，各處理間差異均達到了顯著水平。成熟期Y1/S1、Y2/S1、Y1/S2和Y2/S2處理秸稈鎘含量分別較單作提高了4.03%、18.86%、0.14%和46.19%，間作與單作處理間差異不顯著。這說明間作促進了玉米苗期和成熟期秸稈鎘積累，對玉米拔節(jié)期到灌漿期秸稈鎘積累的影響因品種及生育時期不同存在差異性。

2.2 玉米/大豆間作下大豆秸稈鎘含量動態(tài)變化

圖2間作下玉米不同生育時期秸稈鎘含量變化Figure 2 The cadmium content in straw of maize at different stages under intercropping

圖3間作下大豆不同生育時期秸稈鎘含量變化Figure 3 The cadmium content in straw of soybean at different stages under intercropping

間作下大豆不同生育時期秸稈鎘含量的變化見圖3。隨著大豆生育時期的推進，間作和單作大豆秸稈鎘含量呈先升高再降低的變化趨勢。大豆秸稈鎘含量從苗期至結(jié)莢期比較平穩(wěn)，鼓粒期秸稈鎘含量顯著高于其他生長階段且差異最大。S1處理苗期秸稈鎘含量高于S2，其他生育時期均低于S2。在鼓粒期，單作大豆和間作大豆秸稈鎘含量分別為7.109～8.178 mg·kg-1和6.710～12.570 mg·kg-1，除Y1/S1處理低于單作外，其他間作處理均高于單作，其中Y2/S1和Y1/S2與單作差異達到顯著水平。在成熟期，Y1/S1和Y2/S1處理秸稈鎘含量分別較單作S1提高1.04%和14.38%，Y1/S2和Y2/S2處理大豆秸稈鎘含量分別較單作S2降低19.34%和0.76%，Y2/S1和Y1/S2與單作差異達到顯著水平。這說明間作玉米對大豆秸稈鎘積累的影響因品種及生育時期而異。

2.3 玉米/大豆間作對作物籽粒鎘含量的影響

由表2可見，玉米灌漿期籽粒鎘含量高于成熟期（P＜0.05），大豆鼓粒期籽粒鎘含量低于成熟期（P＜0.05），大豆籽粒鎘含量高于玉米（P＜0.05）。間作玉米灌漿期籽粒鎘含量較單作降低16.91%～58.14%，除Y2/S1處理外，其他處理與單作差異達到顯著水平；成熟期Y1/S1處理較單作顯著提高29.75%，Y2/S1和Y2/S2處理分別較單作顯著降低88.46%和88.46%，Y1/S2與單作無差異。單作大豆S1籽粒鎘含量低于S2，單作玉米Y1籽粒鎘含量高于Y2。間作大豆鼓粒期籽粒鎘含量除Y1/S2外，較單作增加5.72%～56.46%，Y2/S1處理與單作差異顯著；成熟期Y1/S1和Y2/S1較單作顯著增加8.94%和10.03%，Y1/S2和Y2/S2籽粒鎘含量較單作降低9.59%和3.08%，Y1/S2與單作差異顯著?？偟膩砜?，間作降低了玉米灌漿期籽粒鎘積累，對玉米成熟期籽粒鎘積累的影響因間作大豆品種而異；間作提高了S1籽粒鎘積累，對S2籽粒鎘積累的影響因間作玉米品種不同存在差異。

根據(jù)《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》（GB 2762—2017），豆類和谷物及其制品鎘的限量標(biāo)準(zhǔn)分別為0.2 mg·kg-1和0.1 mg·kg-1。大豆籽粒的鎘含量超標(biāo)3.30～6.57倍，Y1籽粒的鎘含量超標(biāo)21%～373%，而Y2除單作處理灌漿期籽粒的鎘含量超標(biāo)29%外，其他籽粒的鎘含量均低于國家食品中污染物限量標(biāo)準(zhǔn)，這表明間作降低了低鎘積累玉米籽粒的鎘含量。

表2間作對籽粒鎘含量的影響（干質(zhì)量，mg?kg-1）Table 2 Theeffectsof intercropping on cadmiumconcentrationsin seeds（dry weight，mg?kg-1）

表3不同處理作物成熟期鎘富集系數(shù)和產(chǎn)量Table 3 The cadmium bio-accumulation coefficient of crop maturity and crop yield in different treatments

2.4 玉米/大豆間作對作物富集系數(shù)和產(chǎn)量的影響

由表3可見，間作提高了玉米秸稈鎘富集系數(shù)，降低了低鎘積累玉米籽粒鎘富集系數(shù)，大豆鎘富集系數(shù)的變化因間作玉米品種不同存在差異。大豆和玉米的富集系數(shù)均表現(xiàn)為BCFstraw＞BCFgrain，大豆BCFstraw和BCFgrain分別為2.567～3.329和0.667～0.764，玉 米BCFstraw和BCFgrain分別為0.729～3.339和0.001～0.079。間作玉米BCFstraw較單作增加0.15%～46.23%，差異未達到顯著水平。間作低鎘積累玉米Y2的BCFgrain較單作顯著降低84.62%～92.31%，間作大豆S1的鎘富集系數(shù)較單作增加2.71%～14.37%。

玉米和大豆產(chǎn)量為5 526～6 905 kg·hm-2和1 047～1 967 kg·hm-2。在玉米與大豆間作體系中，間作大豆產(chǎn)量較單作顯著降低33.96%～42.25%，間作玉米產(chǎn)量Y1/S1、Y1/S2和Y2/S2處理分別較單作增加3.64%、12.08%和10.48%，Y2/S1處理較單作降低11.58%，但間作玉米產(chǎn)量與單作無顯著性差異。玉米與大豆間作模式的LER為1.46～1.77，這說明間作能提高同等面積土地的使用效率，而且玉米在該間作模式中處于優(yōu)勢地位。

3 討論

不同作物的鎘積累能力存在種間和種內(nèi)差異性。大豆是易吸收積累鎘的農(nóng)作物，而玉米的鎘轉(zhuǎn)運能力較弱，大豆富集鎘的能力高于玉米[16-18]，本研究發(fā)現(xiàn)大豆籽粒鎘含量高于玉米，大豆鼓粒期籽粒的鎘含量低于成熟期，玉米灌漿中期籽粒鎘含量高于成熟期，這可能是大豆和玉米鎘轉(zhuǎn)運方式的差異性和籽粒發(fā)育過程中營養(yǎng)成分的差異造成的[19-20]。不同玉米品種各生育時期秸稈和籽粒鎘積累也存在顯著性的差異，這與前人研究結(jié)果類似[21-22]。不同大豆品種鎘積累差異顯著[23]，而本研究發(fā)現(xiàn)不同大豆品種從苗期到鼓粒期秸稈鎘含量差異不顯著，成熟期秸稈和鼓粒期籽粒鎘積累差異顯著，這可能與試驗選取的大豆品種遺傳背景差異較小有關(guān)。

不同植物的鎘吸收動態(tài)變化存在差異性。本研究發(fā)現(xiàn)大豆秸稈鎘含量呈先升高再降低的變化趨勢，玉米秸稈鎘含量隨著生長時間的增加呈現(xiàn)先降低后逐漸增加再降低的趨勢，整體呈現(xiàn)下降的趨勢，玉米苗期鎘含量最高，從拔節(jié)期到成熟期地上部分鎘含量相對比較穩(wěn)定，這與前人報道基本一致[24-26]。本研究還發(fā)現(xiàn)大豆鼓粒期鎘含量最高，苗期到結(jié)莢期鎘含量相對比較穩(wěn)定，這可能與大豆的根系特性密切相關(guān)，苗期根系活力較弱，吸收的鎘大部分集中在根部，隨著大豆植株的生長，根系吸收和木質(zhì)部轉(zhuǎn)運鎘能力增強，地上部分營養(yǎng)物質(zhì)需求增加，進而導(dǎo)致大豆秸稈鎘含量逐漸增加。

間作對植物鎘積累的影響存在差異性。有研究表明鎘超富集植物與農(nóng)作物間作可提高超富集植物鎘積累量，抑制農(nóng)作物鎘積累[27-29]，不同農(nóng)作物間作也可以降低作物的鎘積累[30-31]。本研究結(jié)果表明間作提高了玉米成熟期秸稈鎘含量，降低了低鎘積累玉米籽粒鎘含量，對大豆鎘積累的影響因品種不同而異，初步推測可能有兩個原因，一是間作改變了根系及根際土壤酶活性和微生物群落結(jié)構(gòu)，影響了不同品種大豆根系的細胞壁區(qū)隔化特性和玉米植株體內(nèi)重金屬元素轉(zhuǎn)運量的變化，從而形成了間作效應(yīng)差異性；二是間作玉米的根系壽命更長，所占空間更大，這可能有助于間作玉米地上部吸收較多的鎘[32-34]。

間作降低了作物食用部分鎘積累量，玉米間作是進行重金屬污染土壤植物修復(fù)并實現(xiàn)農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)的有效途徑之一[35-37]。本研究發(fā)現(xiàn)成熟期低鎘積累玉米籽粒鎘含量低于《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》（GB 2762—2017），間作降低了其籽粒鎘含量。大豆籽粒鎘含量超過國家食品污染物限量標(biāo)準(zhǔn)，但通過加工生產(chǎn)食用油，大豆油鎘含量僅為籽粒的0.3%[38]，后期應(yīng)進一步加強研究豆粕中鎘的脫除技術(shù)。玉米和大豆BCFstraw均大于BCFgrain，說明作物秸稈富集鎘的能力強，后期可將作物秸稈進行無害化處理后進行應(yīng)用[1]。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)間作處理LER均大于1，這與前人研究結(jié)果一致[39]。由此可見，間作可以有效利用土地資源，有利于保證重度鎘污染地區(qū)低鎘積累玉米可食用部分的安全生產(chǎn)，但該間作模式不能作為重度鎘污染農(nóng)田種植結(jié)構(gòu)調(diào)整替代模式，該模式能否用于中、輕度鎘污染農(nóng)田種植結(jié)構(gòu)調(diào)整還需進一步驗證。

4 結(jié)論

隨著生育期變化，玉米秸稈鎘含量總體呈下降趨勢，大豆秸稈鎘含量呈逐漸升高再降低的趨勢，大豆鼓粒期籽粒鎘含量小于成熟期，玉米灌漿中期籽粒鎘含量高于成熟期。

間作提高了玉米秸稈鎘富集系數(shù)，高鎘積累和低鎘積累玉米成熟期籽粒鎘含量單作分別為0.121 mg·kg-1和0.026 mg·kg-1，間作平均分別為0.139 mg·kg-1和0.003 mg·kg-1，間作低鎘積累玉米籽粒鎘含量較單作平均降低了88.46%。玉米/大豆間作的LER均大于1。因此，間作有利于保證鎘污染地區(qū)低鎘積累玉米可食用部分的安全生產(chǎn)，可以合理利用耕地資源，但不能作為重度鎘污染農(nóng)田替代種植模式。