植物輪作模式對鎘污染農(nóng)田的修復(fù)潛力

曹雪瑩，譚長銀，蔡潤眾，程學(xué)宇，劉路路，張學(xué)文，黃碩霈

（1.長沙學(xué)院鄉(xiāng)村振興研究院，長沙 410022；2.湖南師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，長沙 410081）

農(nóng)田土壤鎘（Cd）污染對食品安全、人群健康及生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，開發(fā)可復(fù)制、可大面積推廣的Cd污染土壤修復(fù)技術(shù)意義重大。土壤Cd 污染的修復(fù)方法主要有物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)等，這些修復(fù)技術(shù)均有不同程度的局限性，如：物理修復(fù)能耗大、成本高，無法進(jìn)行大面積推廣；化學(xué)修復(fù)易造成土壤二次污染；生物修復(fù)技術(shù)周期較長等。在中輕度重金屬污染耕地修復(fù)實踐中，一些生長周期短、生物量大且適應(yīng)性強(qiáng)的農(nóng)作物在修復(fù)Cd污染土壤方面具有較大的應(yīng)用潛力。研究發(fā)現(xiàn)，Cd高積累油菜成熟期生物量可達(dá)7.67 t·hm，地上部Cd 積累量達(dá)3.60 g·hm。焦玉字等通過田間試驗比較發(fā)現(xiàn)，油葵地上部Cd 含量最高可達(dá)19.3 mg·kg，生物富集系數(shù)最高達(dá)8.67，地上部Cd 積累量最大為114 g·hm。不同品種水稻對Cd 的吸收積累存在較大差異，當(dāng)土壤Cd含量為100 mg·kg時，水稻秸稈Cd 含量最高可達(dá)140 mg·kg，且水稻還能正常生長。部分研究已采用Cd 高積累品種水稻進(jìn)行Cd 污染農(nóng)田修復(fù)，水稻成熟期收獲時的Cd 積累量達(dá)到657 g·hm，連續(xù)修復(fù)兩年后土壤Cd 含量降低18%，修復(fù)能力優(yōu)于Cd超積累植物。

植物修復(fù)田間實踐表明，因化學(xué)調(diào)控、農(nóng)藝措施等可以進(jìn)一步提高植物地上部生物量和Cd 的積累量，而在農(nóng)田土壤Cd 污染修復(fù)中受到廣泛關(guān)注。輪作是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常用的農(nóng)藝措施之一，輪作植物不僅對耕地土壤理化性質(zhì)影響差異較大，且輪作中多種植物的根系分泌物有利于增強(qiáng)土壤微生物的活性和多樣性，平衡氮（N）、磷（P）和鉀（K）營養(yǎng)元素的比例，增加作物產(chǎn)量。王淑彬等研究發(fā)現(xiàn)，輪作可以改善土壤的通氣性，從而促進(jìn)土壤中硝化細(xì)菌、氨化細(xì)菌和自生固氮菌等多種有益功能性微生物數(shù)量的增加。HUANG 等的田間試驗研究表明，稻菜輪作（油菜-水稻輪作）改善了土壤微生物群落組成，細(xì)菌和放線菌數(shù)量明顯增多，真菌數(shù)量減少。此外，研究發(fā)現(xiàn)油菜-玉米-油菜輪作較油菜單作的生物量和Cd含量均明顯提高。對于中輕度Cd 污染農(nóng)田土壤，不同植物的輪作修復(fù)技術(shù)有利于在實現(xiàn)Cd污染土壤修復(fù)的條件下保障農(nóng)田土壤安全利用。

本研究在田間條件下，采用Cd高積累品種水稻、油葵、油菜和超積累植物伴礦景天等組合輪作，比較不同植物輪作模式對酸性Cd污染農(nóng)田土壤的修復(fù)效果，通過土壤pH 及Cd 有效性的變化和植物Cd 含量、Cd積累量及Cd移除量的比較，篩選出南方中輕度Cd污染農(nóng)田土壤植物修復(fù)潛力較大的植物輪作模式，為Cd 污染耕地的農(nóng)業(yè)安全利用和種植模式選擇提供有利的技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖南省湘潭縣易俗河鎮(zhèn)飛龍橋村（27°44'5.8″N，112°56'26.7″E），該地屬山地丘陵區(qū)，成土母質(zhì)為第四紀(jì)紅色黏土，土壤類型為水耕人為土。該地區(qū)主要種植水稻，一年兩熟。湘潭市屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，光熱資源充足，年平均日照時數(shù)1 640~1 700 h，平均氣溫16.7~17.4 ℃，降水資源充沛，全年降水量為1 200~1 500 mm，是我國重要的糧食產(chǎn)區(qū)。土壤呈弱酸性（pH 4.65），土壤有機(jī)質(zhì)含量較低（24.33 g·kg），全氮、全磷和全鉀含量分別為1.73、0.50 g·kg和10.33 g·kg，有效磷和速效鉀含量分別為 48.98 mg·kg和142.22 mg·kg。土壤主要污染物為Cd，其含量達(dá)0.83 mg·kg，《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）中 Cd 的風(fēng)險篩選值為 0.30 mg·kg，研究區(qū)土壤Cd 含量超出風(fēng)險篩選值1.77 倍。DTPA 提取態(tài)Cd含量為0.35 mg·kg，有效性較高。

1.2 供試植物

供試水稻（L.）為當(dāng)?shù)刂髟云贩N黑占43（從當(dāng)?shù)厥袌鲑徺I）和篩選的Cd高積累品種陵兩優(yōu)229（袁隆平農(nóng)業(yè)高科技股份有限公司提供）。油菜（L.）為篩選的Cd 高積累品種 P103（湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物所提供）。油葵（Linn.）為篩選的Cd高積累品種S606高稈型（湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物所提供）。伴礦景天（）扦插苗采自云南某重金屬修復(fù)基地。

1.3 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)5 個處理，每個小區(qū)面積約67 m，種植水稻的小區(qū)之間設(shè)立寬20 cm、高20 cm 的田埂，旱作（伴礦景天、油菜和油葵）小區(qū)起壟高約20 cm，小區(qū)間隔約20 cm，試驗設(shè)計見表1。2017 年11 月6 日進(jìn)行伴礦景天移栽和油菜播種，2018 年4 月4 日早稻播種，油菜于5 月6 日收獲，早稻和伴礦景天于7 月6 日收獲；晚稻于 7 月 26 日播種，油葵于 8 月 3 日播種，11月3 日同時收獲晚稻和油葵，每次收獲植物的同時采集土壤表層樣品。在無植物生長季節(jié)，農(nóng)田保持不耕不種。所有處理施用相同基肥（復(fù)合肥375 kg·hm，N、P 和 K 總含量為48%，N∶P∶K=16∶16∶16），水稻追肥量是基肥量的2 倍（分兩次），旱作植物追肥與基肥相同，水分管理依據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)管理進(jìn)行。所有植物收獲后地上部均離田。

表1 試驗設(shè)計Table 1 Experimental design

1.4 樣品采集與處理

植物成熟時采集表層（0~15 cm）土壤樣品和植物混合樣品，在各小區(qū)分別設(shè)置3 個采樣區(qū)，每個采樣區(qū)按S 形布設(shè)5 個采樣點，土壤采樣點的位置為植物根際的位置，土壤與植物樣品一一對應(yīng)，將每個采樣區(qū)的土壤和植物樣品分別混合均勻并標(biāo)記。土壤樣品風(fēng)干去除植物殘體后用四分法取1.0 kg 左右，然后分別過2.0 mm 和0.15 mm 尼龍篩，裝袋備用。植物樣品分為地下部和地上部，其中水稻地上部再分為糙米、谷殼和秸稈，油菜地上部分為籽、殼和秸稈，油葵地上部分為花、葉和稈。為確保植物樣品的完整性和整潔性，樣品量較大的部分先用不銹鋼剪刀剪成3 cm左右長度，混合均勻后取0.5~1.0 kg，再用自來水與去離子水清洗，105 ℃殺青30 min，然后80 ℃烘干至質(zhì)量恒定，粉碎后裝袋備用。

土壤pH 以土水比為1∶2.5（∶）的比例提取，用pHs-3C 雷磁酸度計測定。土壤有效態(tài)Cd 含量的測定采用DTPA 浸提法，土壤和植物樣品Cd 含量的測定參考美國環(huán)保署的標(biāo)準(zhǔn)方法（US EPA3051a），放入微波消解儀（CEM MAR S6）對樣品進(jìn)行消解，消解液和DTPA 浸提液中Cd 濃度的測定均采用原子吸收光譜儀（PinAAcle 900T）。在分析樣品時加入10%~15%的重復(fù)數(shù)，分析過程中分別加入國家標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品（GSS-4）和植物樣品（GSV-1）進(jìn)行質(zhì)量控制。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

植物Cd 移除量即植物地上部分Cd 的積累量之和，以植物地上部不同部位干質(zhì)量與其Cd 含量的乘積之和表示。采用Microsoft Excel 2016 和SPSS 20.0軟件進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，采用ANOVA 中Duncan多重比較法（<0.05）進(jìn)行差異顯著性分析和Pearson 雙變量相關(guān)性分析，采用Canoco 4.5綁定AI圖片處理軟件進(jìn)行主成分分析（Principal components analysis，PCA），采用Origin 9.0軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物輪作模式對土壤Cd有效性的影響

2.1.1 植物輪作過程中土壤pH的變化

土壤pH 是影響Cd有效性的重要因素之一，不同植物輪作模式下土壤pH 為4.37~5.35（圖1）。試驗前，供試土壤pH 為4.65，不同植物輪作下土壤pH 明顯上升或下降，其中第一茬土壤pH 為4.43~5.27，第二茬土壤pH 為4.37~5.35。與試驗前土壤相比，CK和CKOS 處理土壤pH 明顯升高，且兩茬均顯著高于其他植物輪作模式，但CK 和CKOS 處理之間差異不顯著。其原因是在淹水還原條件下，無論酸性土壤還是堿性土壤，其土壤pH均會趨于中性。同樣，第一茬后 SPOS、HNOS 和 SPHA 處理土壤 pH 較試驗前均略有下降，而第二茬后SPOS 和HNOS 處理（第二茬植物均為水稻）土壤pH 又明顯上升，而SPHA 處理（第二茬植物為油葵）土壤pH 再次下降了0.18 個單位。SPOS、HNOS 和 SPHA 處理第一茬植物均屬旱作，但HNOS處理土壤pH較SPOS和SPHA處理低0.12~0.15個單位，這可能是與高積累油菜根系相對伴礦景天分泌更多的有機(jī)酸導(dǎo)致土壤pH 下降有關(guān)。由此可見，土壤水分狀況和植物類型均對pH有較大影響。

圖1 植物輪作過程中土壤pH的變化Figure 1 Changes of soil pH with different plant rotation

2.1.2 植物輪作過程中土壤Cd含量的變化

土壤Cd 含量是表征土壤污染程度的重要指標(biāo)，不同植物輪作模式對土壤Cd 含量的影響見圖2。試驗前土壤Cd 含量為0.83 mg·kg，植物輪作過程中土壤Cd含量有不同程度的升高或降低。第一茬植物收獲后土壤 Cd 含量為 0.70~0.95 mg·kg，SPOS 和 SPHA處理土壤Cd 含量最低，分別為0.74 mg·kg和0.70 mg·kg，可見，伴礦景天對降低土壤Cd 含量效果最好。而第二茬植物收獲后土壤Cd含量均有不同程度的升高（0.93~1.10 mg·kg），但這并不表示第二茬植物對土壤Cd的吸收沒有效果。出現(xiàn)這種結(jié)果的原因主要可能有兩個方面：一是農(nóng)田土壤具有不均一性，植物根系可能造成根際周邊小范圍土壤Cd的富集或降低，這對土壤Cd含量的影響較大；二是大氣沉降等外源輸入Cd 的貢獻(xiàn)，課題組前期對該研究區(qū)大氣沉降、灌溉水和農(nóng)業(yè)投入品等土壤Cd 輸入進(jìn)行了連續(xù)兩年的定位監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)每年大氣沉降和灌溉水對農(nóng)田土壤Cd 積累具有重要貢獻(xiàn)，僅大氣沉降對土壤Cd 積累的貢獻(xiàn)平均每年就達(dá)27.5 g·hm。總體而言，與CK 相比，不同植物輪作兩茬植物收獲后土壤Cd 含量均有下降，其中CKOS、SPOS 和SPHA 處理第二茬后土壤Cd 含量較低，且CKOS 和SPOS 處理變異較小。因此，從對土壤Cd含量減少情況來看，當(dāng)?shù)刂髟云贩N早稻與高積累品種晚稻輪作和伴礦景天與高積累品種晚稻輪作是該研究區(qū)中輕度Cd污染農(nóng)田安全利用可以推薦的植物輪作模式。

圖2 植物輪作過程中土壤Cd含量的變化Figure 2 Changes of soil Cd content with different plant rotation

2.1.3 植物輪作過程中土壤有效態(tài)Cd含量的變化

電子數(shù)據(jù)的形式比較混亂，不能有效地統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，使數(shù)據(jù)存儲的過程更加繁瑣。電子數(shù)據(jù)存儲中存在很大的數(shù)據(jù)安全隱患，中心化的存儲方式可能會造成數(shù)據(jù)被篡改和遺失等風(fēng)險，使得整個系統(tǒng)不完全可信。其次，電子數(shù)據(jù)在獲得驗證結(jié)果的等待時間較長，獲得結(jié)果滯緩，使用戶無法及時有效獲得結(jié)果，不能及時給出相應(yīng)信息，系統(tǒng)效率低下。我們致力于解決電子數(shù)據(jù)在目前遇到的各種問題，并研究了基于區(qū)塊鏈技術(shù)來解決電子數(shù)據(jù)存證問題的現(xiàn)狀。

淹水使土壤pH 由酸性向中性變化，土壤氧化還原電位（Eh）下降，亞鐵離子（Fe）及無定型氧化鐵含量增加，從而影響土壤有效態(tài)Cd 含量。不同植物輪作下土壤有效態(tài)Cd 含量的變化如圖3 所示。試驗前土壤有效態(tài)Cd 含量為0.35 mg·kg，與試驗前相比，第一茬HNOS 處理土壤有效態(tài)Cd 含量顯著升高，而其他處理均有所下降，可能是因為油菜根系分泌物的活化作用，且油菜對Cd的吸收有限。與試驗前相比，第一茬SPOS和SPHA處理土壤有效態(tài)Cd含量分別下降了37.14%和34.29%，均顯著低于其他處理，這可能與伴礦景天對土壤有效態(tài)Cd的大量吸收有關(guān)。不同植物輪作處理第二茬植物收獲后土壤有效態(tài)Cd含量相差較小，但明顯高于第一茬。其中SPOS 和SPHA處理土壤有效態(tài)Cd含量較第一茬分別升高了95.51%和95.72%，第一茬因伴礦景天對土壤Cd 超量吸收而顯著降低了土壤有效態(tài)Cd 含量，而第二茬植物收獲后土壤有效態(tài)Cd含量又明顯升高且與其他處理無顯著差異。前期研究發(fā)現(xiàn)，土壤有效態(tài)Cd 含量較高可以促進(jìn)伴礦景天對Cd 的吸收和積累，提高伴礦景天的修復(fù)效率。因此，該輪作模式更有利于次年伴礦景天的修復(fù)，從土壤有效態(tài)Cd含量變化來看，伴礦景天與高積累晚稻輪作是該研究區(qū)修復(fù)Cd污染土壤可推薦的植物輪作模式。

圖3 植物輪作過程中土壤有效態(tài)Cd含量的變化Figure 3 Changes of soil available Cd content with different plant rotation

2.1.4 植物輪作過程中土壤Cd有效性的變化

植物對土壤Cd的吸收或根系分泌物引起的土壤Cd 形態(tài)轉(zhuǎn)化等均會影響土壤Cd 有效性。不同植物輪作下土壤Cd 有效性變化如圖4 所示。試驗前，供試土壤Cd有效性為42.17%。第一茬HNOS 處理土壤Cd 有效性較試驗前升高了8.47 個百分點，顯著高于SPOS 處理，主要是因為油菜收獲后土壤pH 明顯下降，土壤有效態(tài)Cd 含量升高，而土壤Cd 含量與試驗前變化較小。除HNOS 處理外，其他處理土壤Cd 有效性（31.52%~37.17%）較試驗前下降了5.00~10.65個百分點，各處理間無顯著差異。第二茬植物收獲后土壤Cd有效性為35.21%~51.39%，其中CK處理土壤Cd有效性最低，但各處理間無顯著差異?？赡苁浅鼵K處理外，其他處理第二茬作物均為高積累品種水稻或油葵，其根系分泌有機(jī)酸等，土壤pH 較低，土壤有效態(tài)Cd 含量較高，且植物對土壤Cd 的大量吸收和積累使土壤Cd 含量下降。土壤Cd 有效性是影響伴礦景天修復(fù)效率的重要因素之一，這也進(jìn)一步說明伴礦景天與高積累晚稻輪作是中輕度Cd污染農(nóng)田安全利用較好的植物輪作模式。

圖4 植物輪作過程中土壤Cd有效性的變化Figure 4 Changes of soil Cd availability with different plant rotation

2.2 植物不同部位Cd含量及與土壤指標(biāo)的關(guān)系

2.2.1 植物中不同部位Cd含量

植物對重金屬的耐性和高積累性是其作為植物修復(fù)材料的前提。輪作過程中，兩茬植物均能正常生長，沒有出現(xiàn)明顯的受重金屬毒害癥狀。輪作處理植物不同部位Cd 含量見表2。第一茬植物地下部和地上部Cd含量均表現(xiàn)為SPOS和SPHA處理（伴礦景天）顯著高于其他處理，且SPOS 與SPHA 處理間伴礦景天地下部或地上部Cd 含量相差較小，地上部Cd 含量分別可達(dá) 54.93 mg·kg和 55.23 mg·kg；第一茬 CK與CKOS 處理間（當(dāng)?shù)刂髟云贩N早稻）不同部位Cd 含量也相差較小，但其糙米Cd含量均遠(yuǎn)超過《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》（GB 2762—2017）中糙米Cd 的限值（0.2 mg·kg）；HNOS 處理（油菜）地上部不同部位Cd 含量與水稻對應(yīng)部位Cd 含量均相差較小，但油菜地下部Cd 含量（2.25 mg·kg）僅是當(dāng)?shù)刂髟云贩N早稻地下部Cd含量的一半左右。

第二茬植物除SPHA 處理外，其他處理均是水稻。由表2 可以看出，CKOS、SPOS 和 HNOS 處理（均為高積累晚稻）秸稈Cd 含量為7.90~8.48 mg·kg，處理間無顯著差異，但均顯著高于CK，即與當(dāng)?shù)刂髟云贩N晚稻相比，高積累品種晚稻秸稈Cd 含量高出47.11%~57.91%，且SPOS 處理中水稻秸稈Cd 含量最高。SPHA 處理是第二茬植物中唯一的旱作植物，油葵不同部位Cd 含量最高的是葉片，可達(dá)7.41 mg·kg，油葵花和稈Cd 含量也較高，分別為3.29 mg·kg和3.41 mg·kg。此外，油葵地上部不同部位Cd 含量均明顯高于根部。

表2 植物不同部位Cd含量（mg·kg-1）Table 2 The Cd contents in different parts of plant（mg·kg-1）

本研究選取的植物不同部位Cd 的富集系數(shù)（不同部位Cd 含量與土壤Cd 含量的比值）為1.03~78.80。伴礦景天地上部和地下部Cd 含量均顯著高于其他植物，除伴礦景天外，其他植物地上部富集系數(shù)為1.03~8.82。高積累晚稻秸稈Cd 含量顯著高于當(dāng)?shù)刂髟云贩N，但不同品種水稻糙米Cd 含量無顯著差異。油葵地上部Cd 含量均高于根部，其中葉片富集系數(shù)達(dá)8.82。此外，水稻和油葵種植及田間管理技術(shù)成熟，具有一定的經(jīng)濟(jì)價值，便于大眾接受。因此，從植物Cd 吸收和富集系數(shù)來看，除伴礦景天外，高積累水稻和油葵在植物修復(fù)中都具有較大的應(yīng)用潛力。

植物不同部位Cd 積累量是其生物量與Cd 含量的乘積，地上部Cd 積累量是修復(fù)植物篩選的重要參考指標(biāo)之一。由表3可以看出，第一茬植物地下部Cd積累量處理間無顯著差異，為3.00~4.05 g·hm；不同植物地上部Cd 積累量差異顯著，伴礦景天地上部Cd積累量（均高于75.00 g·hm）顯著高于其他處理（13.81~32.14 g·hm）。 晚 稻 地 下 部 Cd 積 累 量（11.30~16.14 g·hm）處理間無顯著差異，均顯著高于油葵（3.60 g·hm），但高積累水稻地上部Cd 積累量（70.41~74.12 g·hm）顯著高于當(dāng)?shù)刂髟云贩N（53.40 g·hm）。Cd 移除量是兩茬植物地上部 Cd 積累量之和。由表3 可以看出，不同植物輪作模式Cd 移除量為84.24~150.34 g·hm，即通過輪作，一年通過植物帶走的Cd 最高可達(dá)150.34 g·hm。因此，從植物Cd積累量和移除量來看，伴礦景天與高積累晚稻輪作在中輕度Cd污染農(nóng)田土壤植物修復(fù)輪作模式中具有較大的應(yīng)用潛力。

表3 植物不同部位Cd積累量及移除量（g·hm-2）Table 3 The amount of Cd accumulation and removal in different parts of plant（g·hm-2）

2.2.3 植物Cd含量與土壤相關(guān)指標(biāo)的PCA分析

將植物各部位Cd 含量與土壤相關(guān)指標(biāo)（土壤pH、Cd 含量、有效態(tài) Cd 含量和Cd 有效性）進(jìn)行 PCA分析。從圖5 可以看出，第一茬PCA 揭示的主成分1（PC1）和主成分2（PC2）的貢獻(xiàn)率分別為93.6%和4.4%，累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)98.0%，具有統(tǒng)計學(xué)意義。結(jié)合Pearson 相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，植物地上部Cd 含量與土壤pH 顯著負(fù)相關(guān)（<0.05），說明土壤pH 在一定程度上影響植物Cd 的吸收。植物地上部和地下部Cd 含量顯著正相關(guān)（<0.01），即植物地下部Cd含量越高，其地上部Cd 累積量也越高。而與其他研究結(jié)果不一致的是，第一茬土壤有效態(tài)Cd 含量與植物地上部Cd 含量和地下部Cd 含量均顯著負(fù)相關(guān)（<0.01），相關(guān)系數(shù)分別高達(dá)0.835和0.845，這可能與伴礦景天超量吸收土壤中的Cd有關(guān)。依據(jù)主要是第一茬種植伴礦景天的處理與其他植物處理相比：土壤pH明顯降低；土壤Cd含量明顯降低；植物不同部位Cd含量顯著升高。

圖5 基于PCA分析的植物與土壤指標(biāo)之間的相關(guān)性Figure 5 Correlations between parameters of soil and plants based on PCA analysis

第二茬PCA 揭示的PC1 和PC2 的貢獻(xiàn)率分別為61.1%和29.4%，累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)90.5%，具有統(tǒng)計學(xué)意義。結(jié)合Pearson相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，第二茬植物地下部Cd含量、糙米或花Cd含量、谷殼或葉Cd含量及秸稈Cd含量與土壤有效態(tài)Cd含量均無顯著相關(guān)性，但植物地上部Cd含量與土壤有效態(tài)Cd含量顯著正相關(guān)（<0.01）。土壤pH與植物地上部Cd含量顯著負(fù)相關(guān)（<0.05），這與第一茬研究結(jié)果類似。

3 討論

3.1 植物輪作對土壤pH及Cd有效性的影響

不同植物的根系作用和土壤水分的變化對土壤pH 有較大影響。第一茬旱作植物（伴礦景天和Cd 高積累品種油菜）處理土壤pH 顯著低于水稻處理，第二茬旱改水處理（SPOS 和HNOS）土壤pH 較第一茬明顯升高，但仍顯著低于水稻連作處理（CK 和CKOS），而旱旱連作處理（SPHA）第二茬土壤pH 進(jìn)一步下降，但與試驗前土壤pH無顯著差異。土壤pH是影響土壤重金屬有效態(tài)含量及有效性的重要因素，第一茬和第二茬土壤pH 與土壤Cd 有效態(tài)含量均呈顯著負(fù)相關(guān)（<0.01）。此外，植物對土壤Cd的吸收也影響土壤Cd 有效態(tài)含量的變化。本研究中，伴礦景天相對于水稻或油菜具有更高的Cd 積累能力，第一茬SPOS 和SPHA 處理土壤有效態(tài)Cd 含量顯著低于其他處理，這與伴礦景天Cd 積累量較大有關(guān)。油菜（HNOS）不同部位Cd 含量與水稻不同部位Cd 含量相差較小，但由于油菜根系分泌物的作用導(dǎo)致其根際土壤pH 下降，從而引起土壤Cd有效態(tài)含量升高，且明顯高于水稻處理。第二茬SPOS 處理土壤Cd 有效態(tài)含量顯著升高，可能是旱改水還原條件下，土壤中由鐵離子（Fe）和四價錳離子（Mn）結(jié)合的鐵錳氧化物被還原成Fe和二價錳離子（Mn），使鐵錳氧化物吸附的鎘離子（Cd）解吸出來，從而增加了土壤有效態(tài)Cd 含量，提高了土壤Cd 的有效性。也有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤為還原條件時，土壤中硫離子（S）大量存在，而S與游離態(tài)Cd等易形成硫化鎘（CdS）沉淀。此外，還原條件下鐵錳氧化物生成的新的氧化物會增加土壤對Cd 的吸附能力，從而降低土壤Cd 的生物有效性。因此，鐵錳氧化物和有機(jī)質(zhì)溶解等也會改變土壤pH 和Eh，進(jìn)而影響Cd 的沉淀-溶解平衡。水分調(diào)控措施應(yīng)根據(jù)土壤pH、Eh、鐵錳氧化物和有機(jī)質(zhì)等因素綜合分析，進(jìn)一步研究其可行性。

3.2 植物輪作模式對中輕度Cd 污染土壤的修復(fù)潛力分析

近年來，超積累植物在修復(fù)重金屬污染土壤方面已得到大面積應(yīng)用和示范，而一些高生物量或生長周期較短的非超積累植物或重金屬耐性植物在污染土壤修復(fù)中也引起廣泛關(guān)注。要評價某種植物能否作為重金屬污染土壤的植物修復(fù)物種，要依據(jù)該植物在Cd 污染土壤中生長情況即生物量和生長速度等生理指標(biāo)和植物對Cd的吸收、積累和轉(zhuǎn)運能力。富集系數(shù)是判定植物對Cd 富集能力的重要參考系數(shù)。結(jié)合圖2和表2可知，不同植物各部位Cd的富集系數(shù)為1.03~78.80，除伴礦景天外，其他植物的富集系數(shù)為1.03~8.82。其中油菜秸稈中Cd 含量可達(dá)3.63 mg·kg，油葵葉片中 Cd 含量可達(dá) 7.41 mg·kg，與種植常規(guī)作物品種相比，選用Cd 高積累品種作物組合輪作均可有效吸收并積累土壤Cd，對降低土壤Cd 含量具有重要的作用。本研究中伴礦景天與高積累晚稻輪作的植物Cd 移除量達(dá)150.34 g·hm，兩茬植物收獲后土壤Cd 含量較其他處理明顯降低，第一茬后土壤有效態(tài)Cd 含量較低，而第二茬后與其他處理無顯著差異，該輪作模式更有利于伴礦景天的吸取修復(fù)。植物通過化學(xué)合成和有機(jī)物質(zhì)輸入等方式影響土壤理化性質(zhì)，植物對土壤理化性質(zhì)等影響反過來又會改變土壤對植物養(yǎng)分的供給能力，從而影響植物生長和Cd 吸收等。因此，土壤Cd 污染修復(fù)中植物的選擇不僅要考慮植物的Cd 吸收性能，而且土壤理化性質(zhì)的改變對植物生長和Cd吸收的影響也不容忽視。本研究中第一茬植物收獲后SPOS 和SPHA 處理有效態(tài)Cd 含量顯著下降，而第一茬HNOS 處理土壤有效態(tài)Cd 含量明顯升高，且伴礦景天與油菜生長期接近，因此，伴礦景天與油菜間套作可進(jìn)一步提高伴礦景天對Cd的吸收，從而有效降低土壤Cd含量。

本研究的目的在于尋求一種適宜當(dāng)?shù)匚廴緱l件下的“邊修復(fù)邊利用”的種植模式。本研究所推薦的種植模式下，高積累品種晚稻糙米Cd含量超過了《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》（GB 2762—2017）中糙米 Cd 的限值，油菜 Cd 含量高達(dá) 1.21 mg·kg。修復(fù)過程中植物收獲后應(yīng)離田并進(jìn)行安全處置，避免Cd 超標(biāo)農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)入食物鏈而引起人體健康風(fēng)險，或植物中的Cd 再次輸入農(nóng)田土壤造成土壤Cd的積累。

4 結(jié)論

（1）與試驗前相比，伴礦景天收獲后土壤Cd含量降低了10.84% 和15.66%，有效態(tài)Cd 含量下降了37.14%和34.29%，其中伴礦景天與高積累晚稻輪作Cd 移除量達(dá)150.34 g·hm。同時，水旱輪作有效提高了土壤pH。因此，伴礦景天與高積累晚稻輪作可考慮作為修復(fù)Cd污染農(nóng)田的植物輪作模式。

（2）第一茬種植油菜處理土壤pH最低，而其土壤有效態(tài)Cd 含量最高，且油菜與伴礦景天的生長期接近，因此，伴礦景天與油菜間套作可作為冬春季節(jié)修復(fù)Cd污染農(nóng)田土壤的備選種植模式。

（3）伴礦景天與油菜間套作、伴礦景天與高積累晚稻輪作等種植模式在Cd污染農(nóng)田土壤修復(fù)中具有較大的應(yīng)用潛力。