間套輪作超積累植物技術(shù)模式修復(fù)Cd污染土壤的研究進(jìn)展

楊佳節(jié)，游少鴻,2，吳佳玲，徐瑜，劉杰,2，陳喆,2*

（1. 桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林541004；2. 桂林理工大學(xué)，環(huán)境污染控制理論與技術(shù)廣西重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林541004）

隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，土壤重金屬污染問題日趨嚴(yán)重[1-3]。2014 年《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，我國耕地土壤重金屬的總超標(biāo)率為19.4%，其中Cd 的點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)7.0%，居我國土壤污染物之首[4]。受Cd 污染的耕地每年生產(chǎn)的Cd 米（Cd含量≥1 mg·kg-1的糙米）約5×107kg[5]。同時(shí)，由于Cd易在食物鏈中富集傳播，長期食用含Cd 的糧食作物會給人體帶來致癌、致畸、致突變等健康風(fēng)險(xiǎn)[6]。因此，針對土壤Cd 污染問題的植物修復(fù)技術(shù)研究一直備受關(guān)注，此技術(shù)包括植物提取、根際過濾、植物穩(wěn)定和植物揮發(fā)4 個(gè)部分[7]。目前，植物提取是其中最具發(fā)展?jié)摿Φ囊豁?xiàng)技術(shù)：主要通過種植超積累植物將土壤中的重金屬高效吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和儲存至植株地上部，再經(jīng)過刈割方式收獲地上部植株，焚燒后回收重金屬，從而降低土壤中重金屬的總量，達(dá)到根治土壤重金屬污染的目的[7]。該技術(shù)具有原位凈化重金屬的能力，因此在重金屬污染土壤修復(fù)界備受青睞。然而，大面積種植無收益的超積累植物不僅降低當(dāng)?shù)剞r(nóng)民農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的積極性，還可能引發(fā)其負(fù)面情緒，導(dǎo)致修復(fù)工程進(jìn)展緩慢、效果不佳等問題[8]。因此，如何利用超積累植物修復(fù)耕地，同時(shí)恢復(fù)正常農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)是該技術(shù)在工程實(shí)踐中應(yīng)用的關(guān)鍵。探索并構(gòu)建實(shí)現(xiàn)“高效修復(fù)與安全生產(chǎn)”的植物修復(fù)技術(shù)雙贏模式至關(guān)重要。我國傳統(tǒng)農(nóng)藝增產(chǎn)種植模式間、套、輪作技術(shù)為此提供了有益啟示，若將其合理地應(yīng)用于Cd 污染農(nóng)田上，不僅能利用Cd 超積累植物逐年削減土壤中Cd 的含量，還可以通過間、套、輪作低積累農(nóng)作物品種收獲符合國家糧食安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的農(nóng)產(chǎn)品，使當(dāng)?shù)剞r(nóng)民重新受益，并接受該技術(shù)模式的推廣，以期在無修復(fù)資金持續(xù)投入的情況下，此修復(fù)模式還能繼續(xù)保持旺盛的生命力。

因此，本文圍繞“高效修復(fù)與安全生產(chǎn)”相結(jié)合的雙贏策略，介紹了學(xué)界對超積累植物的由來和定義，綜述了目前基于超積累植物的間、套、輪作修復(fù)模式的研究進(jìn)展，比對了現(xiàn)階段各種植物組合耕作模式對Cd 污染農(nóng)田土壤的綜合治理效果，并對今后利用不同種植模式修復(fù)Cd污染農(nóng)田土壤提出了展望。

1 Hyperaccumulator的引入與拓展

自20 世紀(jì)70 年代以來，“Hyperaccumulator”一詞已被使用過數(shù)百萬次，其精確性和理解程度卻不盡相同?！癏yperaccumulator”最早出現(xiàn)在Reeves 的一篇關(guān)于Sebertia acuminata（現(xiàn)為Pycnandra acuminata）樹中Ni 超 積 累 能 力 的 論 文 標(biāo) 題 中[9-10]。 直 至1977 年 ，Brooks 等[11]正式提出了關(guān)于“Hyperaccumulator”的概念，用其來定義干葉組織中含Ni 濃度大于1 000 μg·g-1的植物。此外，對Hyperaccumulator 的中文翻譯國內(nèi)學(xué)界尚存在差異，較早的研究學(xué)者將其譯為重金屬超量積累植物或超積累植物，即能夠超量吸收和積累重金屬的植物。也有學(xué)者認(rèn)為超富集植物的譯法更貼切，其具備在地上部大量富集污染物的能力[12-13]。關(guān)于“Hyperaccumulator”的兩個(gè)不同譯法在目前研究領(lǐng)域都是認(rèn)可和通用的，作者通過中國知網(wǎng)限定關(guān)鍵詞檢索發(fā)現(xiàn)“超積累植物”的使用頻率比“超富集植物”更高，故為統(tǒng)一文章表述，下文一致使用超積累植物。1983年，Chaney[14]提出了利用超積累植物修復(fù)重金屬污染土壤的思想，即植物修復(fù)。隨后英國Sheffield 大學(xué)Alan JM Baker 博士（1983）介紹了植物修復(fù)概念，提出超積累植物能夠去除土壤中重金屬和吸收植物中重金屬，對修復(fù)重金屬污染工作具有實(shí)際應(yīng)用性[15]。

學(xué)術(shù)界對超積累植物的評判標(biāo)準(zhǔn)一直存在爭議，但有兩個(gè)基本條件是現(xiàn)階段公認(rèn)的[15-17]：（1）地上部分（植物葉片）的重金屬積累量是普通植物的100 倍或以上，要高于一定的臨界值，即Cd 含量在100 μg·g-1以上，Co、Cu、Ni、Pb 含量在1 000 μg·g-1以上，Mn、Zn 含量在10 000 μg·g-1以上（Baker 和Brooks 提出的參考值）；（2）植物對重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（即植物地上部分與根部重金屬含量比值，用來評價(jià)植物將重金屬從地下部向地上部的運(yùn)輸和富集能力）大于1。關(guān)于第一點(diǎn)要強(qiáng)調(diào)的是，有學(xué)者提出超積累植物需要滿足“在自然棲息地生長”的條件，即超積累植物要能在重金屬原位污染土壤正常完成生活史，且生物量（植株大小、莖葉生長狀況等特征）不能明顯減少[18]。比如，（a）可能會在自然原位土壤中發(fā)現(xiàn)某些植物地上部金屬含量＞1 000 μg·g-1，而其他植物中金屬含量＜1 000μg·g-1，或者（b）僅在人工異位條件下，如通過金屬鹽，或者改良實(shí)驗(yàn)土壤或營養(yǎng)液，發(fā)現(xiàn)某些植物的金屬含量很高。在（a）情況下，植物有資格成為超積累植物，但在（b）情況下則沒有資格。其次，判定超積累植物的含量限值應(yīng)統(tǒng)一關(guān)注植物葉片，同時(shí)，討論超積累植物時(shí)，“積累”應(yīng)該是植物葉片組織內(nèi)通過根系的主動(dòng)積累，而不應(yīng)考慮通過空氣傳播沉積在植物葉片上的被動(dòng)積累，前者更能判定其超積累性[19-20]。

隨著對植物積累其他重金屬元素的不斷發(fā)現(xiàn)和探索，超積累植物的概念和定義也得到了拓展。有研究者提出另外兩個(gè)判斷特征[15，21-22]，即：（1）植物對重金屬的生物富集系數(shù)（植物地上部與所處土壤中重金屬含量的比值，用來反映植物對重金屬的提取效率）大于1；（2）植物對重金屬有較強(qiáng)的耐性，能夠正常生長，不會出現(xiàn)生物學(xué)毒害現(xiàn)象。這一點(diǎn)也與國外學(xué)者所提出的超積累植物應(yīng)滿足在自然棲息地生長的條件相吻合。2005年，聶發(fā)輝[23]在前兩個(gè)系數(shù)之上又提出了新的超積累植物評價(jià)系數(shù)——生物富集量系數(shù)，即給定生長期內(nèi)單位面積地上部分植物吸收的重金屬總量與土壤含量之比。此系數(shù)的提出擴(kuò)大了傳統(tǒng)超積累植物的定義，為篩選出能滿足規(guī)模化工程應(yīng)用的超積累植物提供了可能。

對于超積累植物的界定會隨著探究的深入更加嚴(yán)格，但是閾值定義標(biāo)準(zhǔn)依然是判斷的基礎(chǔ)。而在實(shí)際過程中也不能將其視為絕對臨界值。例如，持續(xù)積累900 μg·g-1Ni的植物仍表現(xiàn)出極強(qiáng)的生理行為，因此應(yīng)被視為該金屬的過量積累[24]。綜合來看，以閾值標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，綜合其他特征，能更嚴(yán)格地幫助我們篩選出真正的超積累植物。

至今為止，全球發(fā)現(xiàn)的超積累植物721種（表1），來自52科，130屬。其中代表性最強(qiáng)的超積累植物集中在十字花科（83 種）和竹蘭科（59 種），研究最多的植物主要在蕓苔屬（Brassica）、庭芥屬（Alyssums）及遏藍(lán)菜屬（Thlaspi）[25]。隨著進(jìn)一步探索，這些數(shù)字可能會增加，同時(shí)在進(jìn)一步校正后（例如在溫室實(shí)驗(yàn)中，排除空氣污染因素），一些暫時(shí)確定的超積累植物，特別是Cu、Co 或Pb 的超積累植物（考慮葉面樣品被土壤或空中微粒污染）也可能會從已有列表中清除[26]。

超積累植物物種已報(bào)道數(shù)量最多的國家是古巴，為128種。新喀里多尼亞65種，土耳其59種，巴西至少有30 種。鑒于最近在馬來西亞沙巴進(jìn)行的開創(chuàng)性野外工作（24 種Ni 超積累植物物種），東南部亞洲也正在成為超積累植物多樣性的全球中心[36-41]。表2總結(jié)了每種元素的最重要的家族和屬，以及超積累植物所在的主要區(qū)域。

2 Cd超積累植物原位提取效率

國內(nèi)外關(guān)于Cd 超積累植物新物種發(fā)現(xiàn)的報(bào)道較少，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的Cd 超積累植物只有十字花科的Arabidopsishalleri（鼠耳芥）和Thlaspi caerulescens（天藍(lán)遏藍(lán)菜），以及中國發(fā)現(xiàn)的景天科東南景天（Sedum alfrediiH.）和伴礦景天（Sedum plumbisincicolaXH）、堇菜科的寶山堇菜（Viola baoshanensis）、茄科的龍葵（Solanum nigrumL.）以及商陸科的商陸（Phytolacca acinosa）7種[42-43]。

表1 全球發(fā)現(xiàn)的超積累植物種類Table 1 Species of hyperaccumulators found globally

表2 超積累植物的重要家族、屬及主要生長區(qū)域Table 2 Important families, genera and regions of occurrence of hyperaccumulators

此外，一些對Cd 具有超積累作用的植物大多屬于多金屬積累植物，按照嚴(yán)格的定義標(biāo)準(zhǔn)劃分，并不屬于Cd 的超積累植物。一般來說，Cd 超積累植物在其自然條件下也必須非常耐Zn，研究表明Zn 的毒性實(shí)際上限制了Cd 的超積累。例如，來自中國的圓錐南芥可以積累的Zn、Pb 和Cd 的含量分別為20 800、2 300 μg·g-1和434 μg·g-1[44]。因而當(dāng)假定的Cd 超積累植物生長在僅用Cd 改良的土壤中時(shí)，應(yīng)謹(jǐn)慎。這也再次強(qiáng)調(diào)在實(shí)驗(yàn)中使用原位污染土壤的重要性和必要性。

1989 年，Baker 在歐洲中西部發(fā)現(xiàn)了十字花科植物天藍(lán)遏藍(lán)菜，它是Cd 的超積累植物，積累量高達(dá)213 mg·kg-1[45]。束文圣等[46]通過野外調(diào)查和溫室試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)寶山堇菜（Viola baoshanensis）可以積累Cd，在自然條件下，其地上部Cd 平均含量為1 168 mg·kg-1。寶山堇菜生物量和遏藍(lán)菜相似，都具有較小的特點(diǎn)，野外干質(zhì)量可能只有3 t·hm-2。魏樹和等[47]以雜草龍葵（Solanum nigrumL.）為研究對象，通過盆栽模擬實(shí)驗(yàn)和小區(qū)實(shí)驗(yàn)，在Cd 投加濃度為25 mg·kg-1條件下，龍葵莖和葉中Cd 的含量分別為103.8 mg·kg-1和124.6 mg·kg-1。商陸（Phytolacca acinosa）根系發(fā)達(dá)、枝繁葉茂，地上部生物量大。聶發(fā)輝[48]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，商陸地上部Cd 最大濃度達(dá)482.25 mg·kg-1，其能夠在任一Cd 濃度中生長。實(shí)驗(yàn)證明，商陸最佳生長周期為3個(gè)月，并且一年可收割兩季。在200 mg·kg-1Cd 污染土壤中種植商陸，每年可收獲Cd 量為3.5 t·hm-2。目前對商陸的研究多以盆栽和水培實(shí)驗(yàn)為主，對于治理多種重金屬復(fù)合污染的實(shí)際效果研究較少[49]。

被發(fā)現(xiàn)的Cd超積累修復(fù)植物很多尚處于起步階段，表3 主要匯總了現(xiàn)階段7 種Cd 超積累植物修復(fù)Cd 污染土壤的相關(guān)文獻(xiàn)。目前應(yīng)用于Cd 污染田間修復(fù)的超積累植物主要在景天科，其他多為盆栽實(shí)驗(yàn)。超積累植物東南景天和伴礦景天都具有生物量大、適應(yīng)性廣和可多次收割等優(yōu)點(diǎn)[56]，經(jīng)估算，高濃度Cd 污染土壤（土壤總Cd 含量大于10 mg·kg-1）的修復(fù)需要幾十到幾百年時(shí)間，中等程度污染土壤（土壤總Cd 含量2～4 mg·kg-1）修復(fù)也需要10～20 年時(shí)間。由于超積累植物普遍生物量小或地域性強(qiáng)，單獨(dú)修復(fù)耗時(shí)長，導(dǎo)致工程中大規(guī)模推廣植物提取技術(shù)成為一大難題。McGrath 等[57]曾估算，一種年生物量高達(dá)20 t·hm-2、Cd生物富集系數(shù)為10的植物，要降低50% 土壤Cd 含量，也要修復(fù)10 年之久。Baker 等[58]通過田間實(shí)驗(yàn)研究Zn超積累植物（T. caerulescens）在Zn污染土壤（440 μg·g-1）上的修復(fù)效果時(shí)發(fā)現(xiàn)，超積累植物每年從土壤中吸收Zn 的總量是歐盟規(guī)定的年輸入量的2倍，要將試驗(yàn)地重金屬含量修復(fù)到臨界標(biāo)準(zhǔn)（300 μg·g-1）需13～14年。

鑒于我國人均耕地少的國情，繼續(xù)尋找生物量大、生長迅速、富集重金屬能力強(qiáng)的植物，通過強(qiáng)化等措施提高修復(fù)效率是植物修復(fù)技術(shù)走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵[59]。間套輪作模式作為有效的農(nóng)藝強(qiáng)化措施，在降低土壤中重金屬的同時(shí)，收獲符合標(biāo)準(zhǔn)的農(nóng)產(chǎn)品，是一條實(shí)現(xiàn)邊生產(chǎn)邊修復(fù)目標(biāo)的新途徑。

表3 幾種超積累植物修復(fù)Cd污染土壤提取效率的比較Table 3 Comparison of extraction efficiency of phytoremediation of cadmium contaminated soil by several hyperaccumulators

植物種間相互作用及其影響因素是農(nóng)作物間套輪作系統(tǒng)建立的基石。近年來，研究者利用不同植物和農(nóng)作物進(jìn)行合理搭配種植，探索不同物種之間的競爭關(guān)系及根際相互作用，充分實(shí)現(xiàn)了光、水及養(yǎng)分資源的高效利用，提高了作物的產(chǎn)量。在間套輪作系統(tǒng)中，交叉的根系環(huán)境不同于植物單作時(shí)的環(huán)境，超積累植物會降低土壤pH，從而增加土壤溶液中的DOC濃度，植物之間存在的養(yǎng)分競爭以及根系分泌物對土壤重金屬有效性的影響等會使植物對重金屬吸收造成影響[60]。多種物種種植在一起能改變其共存的根際環(huán)境，改變土壤重金屬的生物有效性，從而影響共存條件下植物對重金屬的吸收。例如，印度芥菜與農(nóng)作物油菜間作，在高濃度Cd處理下，印度芥菜和油菜的Cd 含量均較單作顯著提高[61]。根系分泌物是氮素、活化P、K 和微量元素的重要傳遞者。有研究報(bào)道，小麥與白羽扇豆間作時(shí)，白羽扇豆分泌的檸檬酸能活化難溶性Ca-P，使小麥的吸磷量比單作小麥增加了2倍[62]。

3 間作模式在超積累植物修復(fù)Cd 土壤污染中的應(yīng)用

農(nóng)業(yè)上，間作是指把幾種作物在一塊地上按照一定的行、株距和占地的寬窄比例，在同一時(shí)期進(jìn)行種植的方式?？梢愿鶕?jù)作物高矮、喜陽或喜陰、早熟或晚熟等特性進(jìn)行選擇搭配間作[63]。常見的有林糧間作、薯類與豆類間作、糧豆間作等。

超積累植物與農(nóng)作物間作時(shí)，在充分利用地力、空間和光能的基礎(chǔ)上，可以有效提高植物對重金屬的提取效率，促進(jìn)植物或作物的生長。當(dāng)前關(guān)于Cd 超積累植物與不同作物間作模式下的土壤修復(fù)效果及作物安全生產(chǎn)情況見表4。李新博等[64]研究表明，在Cd 含量為5.37 mg·kg-1的處理土壤上，將超積累植物印度芥菜與苜蓿間作，印度芥菜地上部Cd 含量較單作提高了14.5%，且在間作條件下，苜蓿地上部Cd 含量比單作時(shí)減少了57.1%，遠(yuǎn)低于飼料衛(wèi)生限定標(biāo)準(zhǔn)。這樣的間作方式具有投入低、效果好、易操作等優(yōu)點(diǎn)，給土壤修復(fù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)同時(shí)進(jìn)行提供了可能。根據(jù)蔣成愛等[56]的研究發(fā)現(xiàn)，在與玉米和大豆間作處理中，超積累植物東南景天對Cd、Pb的吸收總量較單作分別提高了約59% 和53%，其生物量也得到了增加，并顯著降低了玉米對重金屬Cd、Pb的吸收。間作復(fù)合群體充分利用不同層次的光源，吸收土壤中的養(yǎng)分和水分，對作物的生長發(fā)育和干物質(zhì)積累產(chǎn)生了積極的作用[65]。

在芹菜與超積累植物伴礦景天間作中，伴礦景天生長更旺盛，土壤Cd含量降低了50%，顯著高于單作處理，芹菜中Cd含量（0.015 mg·kg-1）也明顯低于國家蔬菜限量標(biāo)準(zhǔn)（0.2 mg·kg-1）[66]。連續(xù)8 年的田間試驗(yàn)研究表明[67]，伴礦景天和玉米間作，土壤中的Zn、Cd總濃度分別降低18.8% 和85.4%，修復(fù)效率較單作顯著提高，同時(shí)收獲的玉米和高粱中Cd 含量都在國家標(biāo)準(zhǔn)以下。因此，超積累植物在自身大量積累重金屬的同時(shí)，和適當(dāng)?shù)霓r(nóng)作物間作，可以在一定程度上有效提高其修復(fù)效率，保證農(nóng)產(chǎn)品的安全輸出，達(dá)到雙贏的效果。

表4 Cd超積累植物與作物間作修復(fù)效果與安全生產(chǎn)情況Table 4 Cd hyperaccumulator and crop intercropping restoration effect and safe production situation

雖然超積累植物為大部分與之間作的農(nóng)作物提供了“保護(hù)傘”，但是農(nóng)產(chǎn)品的安全保證仍需得到重視。王京文等[68]研究絲瓜與Cd 超積累植物伴礦景天間作時(shí)發(fā)現(xiàn)，絲瓜果實(shí)中Cd 含量雖未超過國標(biāo)的限定值，但絲瓜對Cd 的轉(zhuǎn)移率達(dá)到了40.5%，說明兩者間作存在增大其果實(shí)中Cd 含量的風(fēng)險(xiǎn)，且一定程度上減少了絲瓜的結(jié)果數(shù)量。這可能是超積累植物與作物間作時(shí)超積累植物根系分泌物造成的酸性環(huán)境形成的。趙冰等[69]研究發(fā)現(xiàn)，超積累植物伴礦景天與小麥間作，間作的小麥地上部重金屬是單作的1.1～1.9倍。也有研究證明，伴礦景天與玉米間作，玉米地下部和地上部中Zn 與Cd 的含量比單作都有所提高。而在添加生物質(zhì)炭后，玉米的生長狀況明顯好轉(zhuǎn)，在5% 的添加量下，玉米生物量達(dá)到最大[70]。有研究指出[71]，在間作條件下，超積累植物的根系分泌物可以擴(kuò)散到與其間作植物的根際，從而提高土壤中重金屬的有效性，促進(jìn)其對重金屬的吸收。

4 套作模式在超積累植物修復(fù)Cd 土壤污染中的應(yīng)用

套種一般指把幾種作物在一塊地上按照一定的行、株距和占地的寬窄比例，在不同時(shí)期進(jìn)行種植的方式[63]。我國常見的農(nóng)業(yè)套種組合有：小麥/玉米、小麥/大豆、花生/玉米等，均可有效提高作物的總產(chǎn)量，研究者將此種效應(yīng)稱之為“競爭-補(bǔ)償”機(jī)制[72]。套種能夠充分利用生長季節(jié)變一收為兩收或變兩收為三收，有效地延長用地時(shí)間，提高套種植物對土壤養(yǎng)分、陽光、水資源的利用[73-74]。

2002 年，Wu 等[75]首次提出超積累植物與重金屬低積累作物玉米套種，較單種相比，超積累植物提取重金屬的效率顯著提高，同時(shí)玉米能夠產(chǎn)出符合安全標(biāo)準(zhǔn)的食品或飼料或生物能源。當(dāng)前關(guān)于Cd超積累植物與不同作物套作模式下的土壤修復(fù)效果及作物安全生產(chǎn)情況見表5。鄧林[76]通過連續(xù)8 年的超積累植物伴礦景天與玉米/高粱的田間套作試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，套作處理下土壤Cd 含量從3.50 mg·kg-1降低到0.55 mg·kg-1，低于國家土壤環(huán)境質(zhì)量三級標(biāo)準(zhǔn)。此外，套作提高了植物的提取效率，是未修復(fù)前伴礦景天單作的6 倍。同時(shí)套作下玉米籽粒中Cd 濃度低于國家食品安全限值。蔣成愛等[56]將超積累植物東南景天與黑麥草/玉米套種，發(fā)現(xiàn)黑麥草和玉米顯著降低了對Cd/Zn 的吸收，并且黑麥草地上部的生物量大幅度提高。也有研究證實(shí)，玉米套種蜈蚣草，蜈蚣草地上部的生物量顯著提高約50%，增強(qiáng)了蜈蚣草對As 的吸收能力，同時(shí)玉米中As含量降低，但是對玉米的生物量并無影響[77]。而在Jiang等[78]用超積累植物“東南景天+遏藍(lán)菜+黑麥草”與玉米套種的研究中，超積累植物的生物量下降，但此模式下超積累植物對重金屬的提取效率依然保持較高水平。雖然在多數(shù)研究中均顯示與超積累植物套種的普通作物地上部的重金屬含量降低，但是套種對各自的生物量影響卻有不同，這可能與套種密度、套種植物、實(shí)驗(yàn)土壤以及套種物種之間營養(yǎng)競爭和生長時(shí)間等有關(guān)。超積累植物油菜與中國白菜套種，白菜中Cd 的濃度降低了33.1%，地上部的累積量降低了70.6%，但是其生物量也劇減，可能是油菜對土壤中的營養(yǎng)元素及重金屬具有較強(qiáng)的競爭優(yōu)勢造成的[79]。

表5 Cd超積累植物與作物套作修復(fù)效果與安全生產(chǎn)情況Table 5 Cd hyperaccumulator and crop relay intercropping restoration effect and safe production situation

套種模式的應(yīng)用能有效減少普通作物對重金屬的吸收，從而減少重金屬進(jìn)入食物鏈，提高超積累植物對土壤重金屬的提取效率。周建利等[80]通過長期田間實(shí)驗(yàn)，將超積累植物東南景天和玉米（Zea mays）套種，發(fā)現(xiàn)土壤Cd、Pb 含量逐漸下降，其中Cd 含量從1.21～1.27 mg·kg-1降為0.29～0.30 mg·kg-1，同時(shí)套種下土壤Cd 的降低率較單作提高約10%，收獲后的玉米種子也在第四季達(dá)到了食品安全衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。肖偉等[81]在研究黑麥草和大蒜套種時(shí)發(fā)現(xiàn)，套種有效地降低了黑麥草對重金屬Cd 的吸收，降低率為23.92%，但是提高了黑麥草對重金屬Pb 的吸收，增加率為133.15%。通過東南景天和玉米套種模式處理城市污泥，也可以達(dá)到去除重金屬的效果，在實(shí)現(xiàn)城市污泥穩(wěn)定化的同時(shí)可收獲符合糧食標(biāo)準(zhǔn)的玉米[82-84]。此外，超積累植物和非超積累植物種植在一起，能夠?yàn)榕c之套種的植物提供保護(hù)作用。非超積累植物Thlaspi arvense套種同屬Zn 超積累植物Thlaspi caerulescens，其地上部Zn 含量是單種時(shí)的1/3，生物量顯著提高，由于Thlaspi caerulescens較強(qiáng)的吸鋅能力，套種后Thlaspi arvense對Zn 的中毒現(xiàn)象大幅緩解，并且其生物量顯著提高[84]。選擇適當(dāng)?shù)闹参镞M(jìn)行搭配種植十分重要。如將Cd/Zn 超積累植物柳樹與矮小的超積累植物擬南芥套種，并沒有提高對重金屬的提取率，這可能是水、營養(yǎng)和污染物的競爭吸收以及雜草等因素造成的結(jié)果[85-87]。超積累Zn/Cd 的蕨類植物蹄蓋（Athyriumyokoscense）與另外一種Zn/Cd超積累植物Arabisflagellosa間作也未能提高植物提取效率, 可能兩種超積累植物的相互競爭導(dǎo)致對Zn/Cd 的吸收產(chǎn)生了影響[86]。因此篩選合適的植物進(jìn)行搭配種植是提高土壤植物修復(fù)效率的關(guān)鍵，對于復(fù)合型重金屬污染土壤也可以考慮采取多種類型超積累植物間套作的方式。

5 輪作模式在超積累植物修復(fù)Cd 土壤污染中的應(yīng)用

農(nóng)業(yè)上，輪作主要是指在同一塊地上，按照季節(jié)和一定年限，輪換種植幾種性質(zhì)不同的作物。通常會將吸收養(yǎng)分多、消耗地力大的“麥類、谷類、玉米”等糧食作物、“棉、麻、煙”等經(jīng)濟(jì)作物與既能固定空氣中的氮素，又能吸收土壤中難溶性磷素和鉀素的“各種豆類和綠肥”作物輪作，以提高用地與養(yǎng)地的效率。種植紅薯、水稻和瓜類作物的地塊，由于植株蔭蔽，土壤溫度降低，俗稱“冷茬”。種植麥類、谷類、土豆、煙草、大麻等作物的地塊，土壤溫暖，俗稱“熱茬”。冷茬與熱茬輪作，可利于提高作物產(chǎn)量[63]。

間、套作體系在田間污染修復(fù)工程上應(yīng)用較成熟，應(yīng)用規(guī)模較大的集中在超積累植物伴礦景天和東南景天。輪作模式與其相比目前的報(bào)道較少。現(xiàn)階段應(yīng)用于田間修復(fù)的只有超積累植物伴礦景天，表6總結(jié)了其與作物輪作的應(yīng)用情況。居述云等[87]通過田間微區(qū)實(shí)驗(yàn)研究伴礦景天/小麥間作、茄子輪作種植，發(fā)現(xiàn)間作對于小麥籽粒、茄子和伴礦景天地上部生物量均沒有明顯影響；間作小麥籽粒中重金屬含量較單作降低了52.4%，并且降低了后茬茄子對重金屬的吸收，但是小麥和茄子中Cd 的含量都未達(dá)到食品安全標(biāo)準(zhǔn)，均不能食用。對于未達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)的農(nóng)產(chǎn)品，應(yīng)該禁止市場銷售并按國家規(guī)定做無害化處理。有研究發(fā)現(xiàn)，相比單作，小麥和伴礦景天間作對小麥籽粒和伴礦景天地上部生物量無明顯影響，但小麥秸稈生物量相對減小。導(dǎo)致這種結(jié)果的原因可能是伴礦景天間作小麥后，其根系在生長過程中與小麥根系爭奪養(yǎng)分，造成兩者相互競爭，影響了小麥秸稈的生長[88]。這與趙冰等[69]將伴礦景天與小麥間作于水稻土、潮土和黑土3 種土壤上，均增加了小麥秸稈和籽粒生物量的研究結(jié)果并不完全一致，說明種間競爭能力可能也與土壤性質(zhì)有關(guān)。唐明燈等[89]將優(yōu)良花紅莧菜（Amaranthus cruetus Linna.）與Cd 超積累植物伴礦景天間作和輪作，發(fā)現(xiàn)伴礦景天對莧菜地上部Cd含量和莧菜的單株生物量并無顯著影響，同時(shí)間作莧菜對伴礦景天的單株生物量和地上部Cd 含量也沒有明顯影響。前茬種植的伴礦景天提高了土壤乙酸銨-Cd 含量，但沒有對莧菜（后茬）地上部的Cd 含量造成明顯影響。而沈麗波等[90]報(bào)道，將伴礦景天與低積累水稻中香1 號輪作，前茬伴礦景天使得后茬水稻地上部Zn、Cd 濃度上升，同時(shí)也提高了土壤乙酸銨-Cd 含量。雖然土壤重金屬的有效態(tài)濃度有所提高，但是前茬種植的伴礦景天對于水稻的生長并無不利影響，而鈣鎂磷肥的施用不僅可提高伴礦景天的修復(fù)效率，且對土壤中Zn、Cd 的穩(wěn)定效果也具有顯著作用，大幅降低了水稻地上部Zn、Cd 濃度。因此在大田修復(fù)中，可考慮施用鈣鎂磷肥增加水稻籽粒產(chǎn)量，以期降低糙米中Cd濃度，提高糙米食用的安全性。

表6 Cd超積累植物與作物輪作修復(fù)效果與安全生產(chǎn)情況Table 6 Cd hyperaccumulator and crop rotation restoration effect and safe production situation

6 展望

有關(guān)超積累植物的定義還在不斷拓展，嚴(yán)格以閾值標(biāo)準(zhǔn)為判斷依據(jù)，輔以其他超積累性特征，繼續(xù)篩選耐毒性高、吸附力強(qiáng)的超積累植物，擴(kuò)大其種類是今后研究的重點(diǎn)。鑒于污染土壤很多表現(xiàn)為多種重金屬的復(fù)合污染，篩選多種重金屬超積累植物資源也是研究的關(guān)鍵。已有的間套作體系通常表現(xiàn)為互補(bǔ)為主，競爭為輔。在選擇物種搭配時(shí)，要注意時(shí)間、生長條件、光照等方面的因素，選擇合適的植物或者農(nóng)作物種植。拓寬超積累植物在輪作中的應(yīng)用，將間套輪作相融合的模式系統(tǒng)應(yīng)用于重金屬復(fù)合污染土壤是以后研究的一個(gè)方向。在種植模式的實(shí)際應(yīng)用中，適宜的種植密度、施肥用量、種植時(shí)間等也是影響土壤修復(fù)效果的關(guān)鍵，也應(yīng)加強(qiáng)研究。