鈍化劑與肥料對油菜和孔雀草間作體系的影響

閆秀秀,徐應明,王 林*,陶雪瑩,孫約兵,梁學峰（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護科研監(jiān)測所,天津 300191；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部產(chǎn)地環(huán)境污染防控重點實驗室,天津 300191）

間作是一項傳統(tǒng)的農(nóng)藝措施,我國每年有 2800萬 hm2的農(nóng)田采用間作方式種植[1].近年來采用鎘（Cd）低積累作物與超富集植物間作,在修復Cd污染土壤的同時,充分利用水、熱和光等資源,增加作物產(chǎn)量,獲取符合食品安全標準的農(nóng)產(chǎn)品,該方法已發(fā)展成為一項重要的 Cd污染農(nóng)田治理技術[2-3].然而,考慮到植物修復速度較慢,當土壤 Cd濃度較高時,間作作物仍存在Cd含量超標的風險.因此有必要采取合適措施來提高間作體系的提取修復效率,同時進一步降低作物可食部的Cd含量[4-5].

改善間作修復效果的主要措施包括施用鈍化劑和肥料.其中,鈍化劑通過吸附固定或影響土壤理化性質(zhì),可顯著降低土壤中Cd有效性和植物Cd累積.例如,在花生和木薯間作時,施用生物炭和秸稈可以顯著提高植物的產(chǎn)量同時降低其Cd含量,然而施用兩種材料對木薯的Cd累積量影響不同[6].在玉米和東南景天（Sedum alfredii）間作體系中,施用有機物料和礦物鈍化劑均使玉米籽粒Cd含量顯著降低,而東南景天的 Cd提取量僅在施加有機物料后顯著增加[7].另外,施用不同肥料對植物吸收 Cd的影響也不同.在玉米與龍葵（Solanum nigrum）間作時,施用NH4Cl顯著提高了龍葵的Cd含量以及Cd提取量,而施用 KCl則無顯著影響[8].在油菜與鷹嘴豆間作體系中,施用含有NO3-和SO42-的氮肥和鉀肥顯著降低油菜 Cd含量,而施用含有 Cl-的氮鉀肥則會顯著提高其Cd含量[9].綜上所述,鈍化劑和肥料對間作修復的調(diào)控作用受材料種類、施用劑量以及植物種類等多方面因素影響,在實際應用中有必要根據(jù)具體間作組合開展系統(tǒng)研究,優(yōu)選能夠降低作物Cd含量同時提高植物修復效率的合適材料.此外,在植物葉面噴施錳（Mn）肥,通過Mn/Cd拮抗作用,可以有效降低植物Cd含量[10],然而將該方法用于間作體系的研究尚未見報道.

孔雀草（Tagetes patula）是一種菊科草本花卉,環(huán)境適應性較強.有研究表明,孔雀草對Cd有較強的耐性和累積能力,是一種Cd超富集植物[11-12].為降低葉用油菜（Brassica chinenesis）的Cd含量,同時提高植物修復效率,本研究采用前期篩選出的Cd低積累油菜[13]和超富集植物孔雀草,分別在油菜單作以及油菜/孔雀草間作條件下,研究施用鈍化劑、鉀肥以及葉面噴施Mn肥對油菜和孔雀草生長與Cd累積的影響,確定適合改善間作修復效果的較好調(diào)控措施,并通過分析土壤Cd形態(tài)變化探究鈍化劑和鉀肥影響兩種植物Cd累積的作用機制,以期為我國Cd污染菜地的安全利用和修復提供技術支持.

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤取自河南濟源市某Cd污染農(nóng)田,土壤類型為潮土,基本理化性質(zhì)見表 1.供試土壤自然風干,研磨后過5mm篩備用.供試葉用油菜為前期研究篩選的Cd低積累品種華駿[13],種子由天津市農(nóng)業(yè)科學院提供.供試Cd超富集植物孔雀草,品種為矮桿紅花,種子購自沈陽東亞種業(yè)有限公司.

表1 供試土壤的基本理化性質(zhì)Table 1 The basic physicochemical properties of tested soil

供試 Mn肥為 MnSO4·H2O,供試鉀肥為 K2SO4,兩者皆為分析純,購自國藥集團化學試劑有限公司.供試鈍化材料為巰基改性坡縷石（mercaptomodified palygorskite,MPAL）,是由3-巰基丙基三甲氧基硅烷和天然坡縷石用高速剪切法合成[14],其pH值為 7.76±0.06,未檢出 Cd.本團隊前期研究表明,該材料可以顯著降低堿性土壤中有效態(tài)Cd含量,減少植物Cd累積[15].

1.2 實驗設計

本實驗采用雙因素實驗設計.其中一個因素為種植模式,設置油菜單作和油菜/孔雀草間作.另一個因素為不同調(diào)控措施,包括:加入MPAL處理,設置兩個濃度0.05%和0.1%（W/W）,分別記作:M1和M2;加入K2SO4,設置兩個濃度0.2,0.4g/kg（以K2O計）,分別記作:S1和 S2;噴施 MnSO4,噴施濃度為 0.2和0.6g/L（以Mn計）,分別記作:Mn1和Mn2;另外設置一個不添加材料的對照處理（CK）.本實驗共計14個處理,每個處理設置3次重復.

1.3 實驗過程

盆栽試驗于 2019年秋季（9～11月）在日光玻璃溫室中進行,室內(nèi)溫度為 15～30℃,自然光照,盆栽器皿按照隨機區(qū)組排列.試驗用塑料盆長、寬和高分別為:40、20和15cm.每盆裝風干土7.0kg,施入分析純的CO（NH2）2（N 150mg/kg）和Ca（H2PO4）2（P2O5206mg/kg）作為底肥,按照處理加入MPAL和K2SO4,混勻后每盆澆1L去離子水,平衡15d.將孔雀草種子催芽后和油菜種子一起播種,待植株長出 4片真葉后進行間苗定植.油菜單作處理為每盆2行苗,每行4株,行距和行內(nèi)株距都為10cm;間作處理為油菜和孔雀草各1行苗,每行各4株,行距和株距與單作相同.在植物生長過程中,不定期補充去離子水,使土壤含水率保持在田間持水量的70%左右.在油菜出苗30d后,根據(jù)處理噴施MnSO4溶液,每盆每次噴施體積為15mL;噴施時在盆土表面覆蓋鋁箔,防止葉面肥進入土壤中;每隔6d噴施1次,共噴施3次.在最后一次噴施6d后收獲全部植株.

1.4 測定指標和方法

收獲的植物樣品分為地上部和根部,用去離子水和超純水沖洗干凈,自然晾干后105℃殺青30min,70℃烘干至恒重,稱量干重,粉碎混勻.采用抖根法分別收集兩種植物的根際土樣,自然風干磨碎,分別過20目和100目篩備用.

植物樣采用優(yōu)級純 HNO3消解,土壤樣品采用優(yōu)級純HNO3和HF消解[10].土壤有效態(tài)Cd采用二乙基三胺五乙酸（DTPA）法浸提[16].土壤 Cd形態(tài)提取采用Tessier等提出的五步提取法[17].消解液以及土壤有效態(tài)和各形態(tài)提取液的Cd含量采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICAPQc,Thermo Fisher Scientific,Germany）測定.植物和土壤樣品 Cd含量分析的質(zhì)量控制分別采用美國國家標準與技術研究院提供的菠菜葉標樣 SRM1570a和土壤標樣SRM2586,測定結果顯示 Cd回收率均在 95%～105%范圍內(nèi).土壤基本理化性質(zhì)按照土壤農(nóng)化常規(guī)分析方法測定[18].

1.5 數(shù)據(jù)計算與分析

引入Cd提取率（cadmium extraction ratio,CER）以表征植物對盆中土壤Cd的提取修復效果,計算公式如下:

式中:Csoil為土壤中 Cd含量,mg/kg; Msoil為土壤質(zhì)量,kg; Cshoot為植物地上部Cd含量,mg/kg; Mshoot為植物地上部生物量,g.

試驗數(shù)據(jù)采用 SPSS25.0進行單因素和雙因素方差分析,采用新復極差法（Duncan法）進行多重比較,試驗數(shù)據(jù)采用Origin2019制圖.

2 結果與分析

2.1 不同處理下孔雀草和油菜生物量

由圖 1（a）可知,在單作模式下,油菜的地上部和根部單株平均生物量分別為2.674g和0.132g,與CK相比,各調(diào)控處理下油菜生物量均無顯著變化.在間作模式下,油菜地上部和根部單株平均生物量分別為4.128g和0.196g,配對T檢驗表明,間作處理下油菜地上部和根部生物量極顯著高于單作處理（P＜0.01）;在 S1處理下,油菜地上部和根部生物量與CK 相比顯著增加（P＜0.05）,增幅分別為 12.84%和27.84%,其他處理下無顯著變化.在間作模式下,孔雀草地上部和根部單株平均生物量分別為 0.498g和0.054g,與CK相比,各調(diào)控處理下孔雀草生物量均無顯著變化[圖1（b）].

圖1 不同處理下葉用油菜和孔雀草的干生物量Fig.1 Shoot and root biomass（dry weight）of Brassica chinenesis and Tagetes patula under different treatments

總的來看,油菜在間作后單株生物量大于單作;單作模式下不同處理對油菜生物量無顯著影響,間作模式下S1處理顯著增加油菜生物量.

2.2 不同處理下油菜與孔雀草的Cd和Mn含量

由圖 2（a）知,在單作模式下,與 CK 相比,油菜地上部Cd含量在M1、M2以及Mn2處理下顯著降低（P＜0.05）,降幅為 22.86%～48.95%;而其根部 Cd含量僅在 M2處理下顯著降低（P＜0.05）,降幅為 51.94%.在間作模式下,與CK相比,油菜地上部Cd含量在M1、M2以及S2處理下,根部Cd含量在M1、M2處理下均顯著降低（P＜0.05）,最大降幅分別為45.90%和58.28%.

由圖2（b）可知,間作模式下M2處理中孔雀草地上部Cd含量比CK顯著降低59.06%（P＜0.05）;根部Cd含量在M1、M2以及S1處理下顯著降低（P＜0.05）,降幅為27.29%～63.11%.其他處理下孔雀草Cd含量無顯著變化.

由圖 2（c）可知,Mn1和 Mn2處理下油菜地上部Mn含量與CK相比顯著增加（P＜0.05）,在單作模式和間作模式下最大增幅分別為 439.36%和 396.82%.在單作S1處理下油菜根部Mn含量較CK顯著降低了45.36%（P＜0.05）,其他處理下則無顯著變化.對于孔雀草[圖2（d）],噴施錳肥后僅使地上部Mn含量與CK相比顯著增加（P＜0.05）,增幅分別為110.11%和489.52%.

圖2 不同處理下植物體內(nèi)Cd和Mn含量Fig.2 Cd and Mn concentrations in the shoots and roots of the tested plants under different treatments

2.3 不同處理下油菜和孔雀草的 Cd累積量及 Cd 提取率

圖 3（a）反映了不同處理下油菜和孔雀草中 Cd累積量的變化.單作模式下,M1、M2、Mn2處理的油菜Cd累積量顯著低于CK（P＜0.05）,降幅為24.86%～45.50%.在間作模式下,M1和M2處理的油菜Cd累積量顯著低于 CK（P＜0.05）,降幅分別為 34.98%和49.41%;S2處理的孔雀草Cd累積量較CK顯著增加56.01%（P＜0.05）,其他處理與CK相比均無顯著變化.另外,從整體水平來看,地上部Cd累積量大小順序為:油菜間作＞油菜單作＞孔雀草間作.

圖3 不同處理下植物地上部Cd累積量（a）和Cd提取率（%）（b）Fig.3 Cd accumulated amount in the shoot（a）and the Cd extraction ratio（%,b）of the tested plants under different treatments

由圖 3（b）可知,單作模式下,M1、M2以及 Mn2處理中的 CER 顯著低于 CK（P＜0.05）,降幅為0.15%～0.33%,其中 MPAL的降低作用顯著強于MnSO4.間作模式下,M1和M2處理的CER比CK顯著降低（P＜0.05）,降幅分別為0.25%和0.32%;而在S1處理中,CER比CK顯著增加0.05%（P＜0.05）;其他處理與 CK相比均無顯著差異.雙因素方差分析表明,種植模式對 CER沒有顯著影響;調(diào)控處理中 M1、M2以及Mn2處理使CER顯著低于CK（P＜0.05）,其余處理下無顯著變化.

2.4 不同處理下土壤中有效態(tài)Cd含量

由圖4可知,在單作模式下,M1和M2處理中土壤有效態(tài)Cd含量較CK處理顯著降低（P＜0.05）,降幅分別為 36.34%和 42.16%;其他處理下無顯著變化.在間作模式下,油菜一側土壤有效態(tài) Cd含量在M1和M2處理中較CK顯著降低（P＜0.05）,降幅分別為35.28%和 44.43%,而在 Mn1處理中顯著增加13.39%（P＜0.05）;孔雀草一側土壤有效態(tài) Cd在 M1和M2處理中較CK顯著降低（P＜0.05）,降幅分別為23.39%和39.75%,其他處理均無顯著變化.

圖4 不同處理下土壤有效態(tài)Cd含量Fig.4 Available Cd content in the tested soils under different treatments

雙因素方差分析表明,種植模式對土壤有效態(tài)Cd含量有顯著影響,間作模式顯著高于單作模式,而間作模式下兩種植物根際土壤有效態(tài)Cd含量無顯著差異.這表明,間作模式下孔雀草對土壤Cd有明顯活化作用.同時,調(diào)控處理對土壤有效態(tài)Cd含量也有顯著影響,施用MPAL顯著降低土壤有效態(tài)Cd含量.

2.5 施用巰基改性坡縷石以及硫酸鉀對土壤Cd形態(tài)的影響

本研究選擇施用 MPAL和 K2SO4的處理,通過Tessier法提取土壤Cd的不同形態(tài).不同種植模式下根際土壤Cd的化學形態(tài)分配比例如圖5所示.

在單作模式下[圖 5（a）],與 CK相比,M1和 M2處理下土壤可交換態(tài)和殘渣態(tài) Cd比例分別減少8.60%和 5.69%以及 5.17%和 6.78%;相反地,鐵錳氧化物結合態(tài)Cd分別增加8.95%和11.39%;在M1處理下碳酸鹽結合態(tài)Cd比例增加5.10%.而在S1和S2處理下,可交換態(tài) Cd比例分別增加 12.02%和3.71%,鐵錳氧化物結合態(tài)Cd和有機結合態(tài)Cd的比例有所減少,S1處理下殘渣態(tài)Cd比例降低8.14%.

在間作模式下油菜根際一側[圖5（b）],與CK相比,在M1和M2處理下土壤可交換態(tài)Cd的比例分別下降3.91%和9.26%,鐵錳氧化物結合態(tài)Cd的比例分別增加10.94%和7.94%.S1和S2處理下土壤可交換態(tài)Cd的比例分別下降3.40%和4.16%;殘渣態(tài)Cd的比例分別升高3.36%和7.82%;在S1處理下碳酸鹽結合態(tài)Cd的比例增加5.31%.

在間作模式下孔雀草根際一側[圖 5（c）],與 CK相比,在M1和M2處理下土壤可交換態(tài)Cd的比例分別降低2.47%和5.29%,碳酸鹽結合態(tài)Cd比例分別增加5.27%和8.20%,鐵錳氧化物結合態(tài)Cd比例分別增加9.78%和12.77%.在S1和S2處理下,土壤可交換態(tài)Cd比例分別增加3.40%和7.20%,碳酸鹽結合態(tài)Cd比例分別增加6.68%和4.95%,殘渣態(tài)Cd比例分別降低 5.88%和 5.38%,鐵錳氧化物結合態(tài)Cd比例分別減少4.91%和7.61%.

總的來看,在單作和間作模式下施用 MPAL能明顯降低兩種植物根際土壤可交換態(tài)Cd的比例,提高鐵錳氧化物結合態(tài)Cd的比例.施用K2SO4在單作處理和間作處理孔雀草根際均明顯增加土壤可交換態(tài)Cd的比例,降低殘渣態(tài)Cd的比例;而在間作處理油菜根際卻明顯降低可交換態(tài)Cd的比例,提高殘渣態(tài)Cd的比例.

3 討論

3.1 不同處理對植物生物量的影響

間作體系對植物生物量的影響,主要取決于植物對光照、水分和養(yǎng)分的競爭能力,因此不同間作組合對植物生長產(chǎn)生的影響不同[19-20].本研究發(fā)現(xiàn),在間作模式下油菜單株生物量大于單作模式,這主要是因為本研究在秋冬季進行,油菜耐低溫能力強,生長速度快于孔雀草,因此在間作體系中處于競爭優(yōu)勢地位.

在間作模式下不同調(diào)控處理對植物生長的影響各不相同.鈍化材料可以通過降低土壤中重金屬的生物有效性和植物毒性,促進污染土壤上植物的生長[21].有研究表明,在玉米-續(xù)斷菊（Sonchus asper）間作體系中,復配施用海泡石和腐殖酸可以顯著增加玉米生物量[22].在本研究中,添加MPAL對間作體系中油菜和孔雀草生物量均無顯著影響,出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是本實驗所用土壤Cd含量處于中等水平且pH值較高,而MPAL本身又不含營養(yǎng)元素,因此施用MPAL對兩種植物生長沒有促進作用.

本研究還發(fā)現(xiàn),在間作模式下 K2SO4可以顯著提高油菜地上部生物量,而對單作油菜或間作孔雀草的生長沒有明顯促進作用.Liu等[23]發(fā)現(xiàn),施加P、K肥提高了玉米在間作模式下的生物量,而降低了其單作模式下的生物量.孫國紅等[24]發(fā)現(xiàn),施加K2SO4的量為0.18g/kg時,水稻糙米產(chǎn)量提高2.69%;而當施加量增加到 0.72g/kg時,糙米產(chǎn)量降低14.97%.本研究也發(fā)現(xiàn),S1處理顯著增加間作模式中油菜生物量,S2處理對油菜生長無顯著影響.

Mn可以通過改善植物生理功能以及拮抗作用緩解 Cd對植物的毒害作用[25].在本研究中噴施MnSO4之后,兩種植物生物量均無顯著變化,這可能與供試土壤 Mn有效性較高有關.實際上,在本研究中,兩個種植模式CK處理下油菜地上部Mn含量均值分別為77.13和93.29mg/kg,遠高于植物缺Mn臨界值20.00mg/kg[26].

3.2 不同處理對植物累積Cd和Mn的影響

He等[27]研究發(fā)現(xiàn)添加MPAL可以顯著降低酸性土壤有效態(tài) Cd以及油菜地上部 Cd含量.Liang等[15]在弱堿性土壤上添加MPAL后種植小麥,同樣可以降低土壤有效態(tài)Cd和小麥地上部Cd含量.在本研究中,施加MPAL在單作和間作模式下均可顯著降低油菜和孔雀草地上部Cd含量,這表明MPAL在不同種植模式下均有較強的降低土壤中Cd有效性的能力.究其原因,一方面MPAL本身具有較大的比表面積和較強的吸附性能,通過專性化學吸附可以顯著降低 Cd的有效性[28];另一方面它可以降低土壤顆粒 zeta電位,促進土壤膠體和黏粒對 Cd離子的吸附,有利于鐵錳氧化物結合態(tài) Cd生成,同時降低土壤可交換態(tài) Cd含量[29].本研究的結果也證實了這一點.

鉀肥對土壤重金屬活性的影響主要通過競爭吸附和絡合作用實現(xiàn).王小晶等[30]發(fā)現(xiàn)施加 K2SO4可以降低大白菜的 Cd含量,并認為土壤對 SO42-的吸附為專性吸附,使得土壤膠體所帶的凈負電荷增加,增強了土壤對 Cd的吸附作用.在本研究中,在單作模式下施加K2SO4對油菜吸收Cd無顯著影響;而在間作模式下,S1處理顯著降低孔雀草根部 Cd含量,S2處理顯著降低油菜地上部 Cd含量.S1和 S2處理下,單作油菜和間作孔雀草的根際土壤中可交換態(tài)Cd比例提高,殘渣態(tài)Cd比例降低,但油菜和孔雀草Cd含量沒有顯著升高,這可能是因為該處理下油菜生物量顯著升高,孔雀草生物量有所提高,從而產(chǎn)生了生物稀釋作用.而在間作處理油菜根際土壤中可交換態(tài)Cd比例降低,殘渣態(tài)Cd比例升高,從而造成油菜地上部Cd含量顯著降低.在不同種植模式下K2SO4對土壤Cd形態(tài)的影響不同,可能與植物的根際作用有關,具體機制有待進一步研究.

伊曉輝等[31]研究發(fā)現(xiàn)噴施 MnSO4可以顯著降低稻米中Cd含量增加Mn含量.在本研究中單作模式下Mn2處理中,油菜地上部Cd含量顯著降低,Mn含量顯著增加,這表明噴施 MnSO4可以抑制油菜對Cd的吸收.但是相關性分析表明,噴施Mn肥處理下油菜地上部Cd和Mn含量雖然呈現(xiàn)負相關性,但是并不顯著（相關系數(shù)為-0.201,P=0.531）.而前期研究表明,單獨種植油菜時,噴施 Mn肥處理下油菜體內(nèi)Cd和Mn含量呈現(xiàn)極顯著的負相關關系[10].兩個研究結果不同可能是由于實驗條件和種植模式不同造成的.

植物提取修復土壤Cd污染的效率主要取決植物地上部的Cd含量和生物量[32].在施加MPAL后,油菜地上部Cd含量顯著降低,M2處理下孔雀草Cd含量也顯著降低,兩種植物地上部生物量無顯著變化,從而導致兩個種植模式下CER都顯著降低,不利于植物提取修復.單作模式下,Mn2處理下油菜地上部Cd含量顯著降低,導致油菜Cd累積量和CER顯著降低,但是降低程度比 M1和 M2小.間作模式下,S1處理下植物 Cd含量無明顯變化,而油菜生物量顯著增加,孔雀草生物量有所增加,從而使CER顯著增加;S2處理下雖然油菜地上部Cd含量顯著降低,但是油菜和孔雀草地上部生物量都有所升高,從而使CER與CK相比無顯著變化.

4 結論

4.1 施用巰基改性坡縷石對油菜和孔雀草生長沒有顯著影響,顯著降低油菜和孔雀草地上部 Cd含量、油菜Cd累積量以及Cd提取率,同時顯著降低土壤有效態(tài)Cd含量,明顯降低土壤可交換態(tài)Cd比例,提高鐵錳結合態(tài)Cd的比例.

4.2 施用0.2g/kg的K2SO4顯著增加油菜生物量和Cd提取率;施用 0.4g/kg的 K2SO4顯著增加孔雀草Cd累積量,降低間作油菜地上部 Cd含量.在單作模式下施用K2SO4增加土壤可交換Cd比例,降低殘渣態(tài)Cd比例;在間作模式下使油菜根際側土壤可交換態(tài)Cd比例減少,殘渣態(tài)Cd比例增加.

4.3 噴施0.6g/L的MnSO4顯著降低單作油菜地上部Cd含量、Cd累積量以及Cd提取率.

4.4 從降低油菜地上部 Cd含量保障安全生產(chǎn),同時不影響Cd植物提取修復角度綜合考慮,在間作模式下,施用0.4g/kg的K2SO4處理調(diào)控效果最佳.