豆科綠肥作物對云南堿性土壤鎘砷有效性的影響及其對鎘砷富集能力

呂本春，王應(yīng)學(xué)，楊偉，王偉，陳檢鋒，尹梅，陳華，王志遠(yuǎn)，付利波*，楊志新

（1.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所，昆明 650205；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，昆明 650201；3.昆明市農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全中心，昆明 650118）

《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示我國耕地土壤點位超標(biāo)率達(dá)到了19.4%，其中土壤Cd、As超標(biāo)率分別達(dá)7.0%、2.7%[1]。Cd和As是土壤中兩種常見的有毒元素，具有較高的土壤-食物鏈轉(zhuǎn)移風(fēng)險。在稻田土壤中，Cd和As具有相反的化學(xué)性質(zhì)，Cd以陽離子的形式存在，具有失去電子的趨向，As主要以陰離子的形式存在，具有得到電子的趨向[2]。由于土壤氧化還原電位對Cd和As的生物有效性有相反的影響[3]，因此同時減少Cd和As在作物中的積累是一個巨大的挑戰(zhàn)。

綠肥是一種有機物在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用形式，種植綠肥作物后，可將其留作土壤表面的覆蓋物或并入土壤中，以增加土壤肥力，改善土壤質(zhì)量，減少土壤侵蝕、蒸發(fā)、封閉和結(jié)皮[4]。綠肥作物種植和還田還可以在不增加化肥施用的情況下促進(jìn)糧食生產(chǎn)[5]，并能緩解集約、連續(xù)常規(guī)耕作引起的土壤退化[6]。在我國南方稻區(qū)，利用冬閑田種植綠肥作物能夠合理利用光熱資源，并為后茬水稻提供大量有機養(yǎng)分，是傳統(tǒng)的培肥增產(chǎn)措施[7]。前人研究發(fā)現(xiàn)[8-10]，合理使用綠肥可改變土壤中Cd的賦存形態(tài)，從而降低土壤中重金屬有效性及后茬作物重金屬含量。種植油菜可降低土壤可溶態(tài)Cd含量，增加土壤難溶態(tài)Cd的含量[11]。種植紫云英可促進(jìn)土壤中酸可提取態(tài)Cd和可還原態(tài)Cd向殘渣態(tài)Cd轉(zhuǎn)化[12]。因此種植綠肥作物可降低土壤有效態(tài)Cd含量，減少后茬作物對Cd的吸收。

綠肥一般可分為豆科綠肥和非豆科綠肥，其中豆科綠肥作物能與根瘤菌共生固氮，通過固定大氣中的氮素并將其歸還于土壤，從而達(dá)到減少化學(xué)氮肥施用的目的，被認(rèn)為是可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)的重要模式之一[13]。有研究表明[14]，豆科作物生物固氮作用容易釋放H+到土壤中，從而誘導(dǎo)土壤酸化。土壤酸化容易使土壤中Cd的有效性增加，As的有效性降低。酸性土壤可能會增加作物對重金屬的吸收，使得作物可食用部分重金屬含量超過國家食品安全標(biāo)準(zhǔn)；而在堿性土壤中，由于土壤中能夠共同存在高活性的As和低活性的Cd，豆科綠肥作物的種植和翻壓對土壤重金屬活性變化可能會產(chǎn)生相反的結(jié)果，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步研究探討。

在綠肥-作物輪作系統(tǒng)中，以往研究主要關(guān)注綠肥翻壓對土壤重金屬有效性及不同作物對重金屬吸收的影響，且重點以重金屬Cd為研究對象，而對豆科綠肥作物種植影響土壤中重金屬有效性的研究較少，且有關(guān)豆科綠肥作物對土壤Cd、As有效性的研究尚未見報道。本文選取11種典型的豆科綠肥作物，通過大田試驗，研究在Cd、As復(fù)合污染的農(nóng)田土壤中豆科綠肥作物對土壤Cd、As有效性的影響，從而為當(dāng)?shù)谻d、As復(fù)合污染農(nóng)田豆科綠肥安全應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗地點位于云南省昆明市東川區(qū)（102°47'～103°18'E，25°57'～26°32'N），試驗土壤為沖積土，質(zhì)地 為 砂 土，土 壤 中Cd含 量1.56 mg·kg-1，As含 量31.6 mg·kg-1。根據(jù)《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），土壤中重金屬Cd、As含量篩選值為0.6、25 mg·kg-1，風(fēng)險管制值為4、100 mg·kg-1，本研究區(qū)域Cd、As含量分別為篩選值的2.60、1.26倍，而未超過風(fēng)險管制值，屬于輕度重金屬Cd、As復(fù)合污染土壤。

供試豆科綠肥作物共11種（表1），均為廣泛應(yīng)用于田間實踐的主栽豆科綠肥品種，種子來源于國家綠肥產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系種質(zhì)資源庫。

表1 供試豆科綠肥作物信息Table 1 Information of the test leguminous green manure crops

1.2 試驗設(shè)計

采用大田試驗研究不同豆科綠肥作物對Cd和As吸收的影響。試驗田共設(shè)置11個綠肥處理和1個冬閑對照處理，各處理均重復(fù)3次，小區(qū)面積為40 m2（5 m×8 m），采用隨機區(qū)組分布，小區(qū)與小區(qū)之間留有走道。于2020年11月10日播種，2021年4月15日刈割盛花期地上部分。箭筈豌豆、光葉苕子、毛葉苕子、三葉草和山黧豆田間播種量分別為105、75、60、22.5 kg·hm-2和60 kg·hm-2，各處理田間管理措施相同，綠肥作物不施肥。

1.3 樣品采集

在綠肥盛花期時采用樣方法采集植株地上部分樣品，稱質(zhì)量計鮮草產(chǎn)量，并在樣方中采用五點取樣法采集0～20 cm的表層土壤樣品。植株樣品用清水沖洗干凈后，再用去離子水洗凈，在105℃烘箱殺青30 min，75℃烘箱烘干至恒質(zhì)量，粉碎備用。土壤樣品裝入自封袋中，一部分4℃保存，另一部分風(fēng)干、磨碎后過2 mm和0.149 mm篩備用。

1.4 測定方法

土壤pH、有機質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀按照《土壤農(nóng)化分析》[15]中的常規(guī)方法進(jìn)行。土壤中全Cd含量采用HCl-HNO3-HF-HClO4消解-石墨爐原子吸收分光光度法測定[15]，全As含量采用王水消解-原子熒光分光光度法測定[15]。土壤有效態(tài)Cd采用0.01 mol·L-1CaCl2浸提-石墨爐原子吸收分光光度法測定[16]，有效態(tài)As采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-原子熒光分光光度法測定[17]。植株樣品全碳采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定[15]，植株樣品經(jīng)H2SO4-H2O2聯(lián)合消煮法消化后，采用凱氏定氮法測定植物的全氮含量、鉬銻抗比色法測定植物的全磷含量、火焰光度法測定植物的全鉀含量[15]。植株全Cd含量采用HNO3-HClO4消解-石墨爐原子吸收分光光度法測定[15]，植株全As含量采用HNO3-HClO4-H2SO4消解-原子熒光分光光度法測定[15]。

每10個消解樣品做一個平行并加入空白樣和國家標(biāo)準(zhǔn)樣品[土壤樣品（GBW07456）、植物樣品（GBW10010）]進(jìn)行質(zhì)量分析控制，質(zhì)控樣測定均值和偏差都在規(guī)定范圍內(nèi)，平行樣測定值相對偏差均在10%以內(nèi)。為保證精度，試驗中所有玻璃器皿均使用10%硝酸浸泡一夜，然后用去離子水清洗干凈。試驗中所用試劑均為優(yōu)級純。

1.5 數(shù)據(jù)處理

Cd和As地上部分富集系數(shù)為：

AFCd=地上部分Cd含量/土壤中Cd含量

AFAs=地上部分As含量/土壤中As含量

所有數(shù)據(jù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差采用Microsoft Excel 2021軟件處理，采用Duncan新復(fù)極差法檢驗不同品種之間數(shù)據(jù)差異的顯著性（P＜0.05）。采用SPSS 26.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析，并利用Origin 2021軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 種植豆科綠肥作物對土壤理化性質(zhì)的影響

由表2可知，種植不同豆科綠肥作物對土壤pH無顯著影響，與冬閑相比，種植豆科綠肥作物后土壤有機質(zhì)均有不同程度的下降，下降幅度為1.59%～32.49%，土壤全氮均有不同程度的增加，增加幅度為52.78%～111.11%。與冬閑相比，不同豆科綠肥作物對土壤速效養(yǎng)分的含量影響不同，其中，種植西牧333后土壤養(yǎng)分增幅最大，土壤有機質(zhì)未顯著降低，但土壤全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀含量顯著增加，增加幅度為91.67%、20.44%、36.60%和26.76%。

表2 不同處理下土壤基礎(chǔ)性狀Table 2 Soil basic properties in different green manure crop treatments

2.2 豆科綠肥作物鮮草產(chǎn)量

由圖1可知，不同豆科綠肥作物鮮草產(chǎn)量存在顯著差異，產(chǎn)量大小整體表現(xiàn)為箭筈豌豆＞毛葉苕子＞光葉苕子＞其他綠肥。其中西牧333鮮草產(chǎn)量最大，為31 016 kg·hm-2；魯苕1號次之，為26 013 kg·hm-2。褐皮山黧豆和絳三葉鮮草產(chǎn)量最小，分別為10 339和7 671 kg·hm-2。

圖1 不同豆科綠肥作物鮮草產(chǎn)量Figure 1 Fresh grass yields of different green manure crops

2.3 不同豆科綠肥作物地上部分養(yǎng)分含量和碳氮比

由圖2可知，不同綠肥品種地上部分碳、氮、磷、鉀含量存在顯著差異。地上部分碳含量大小表現(xiàn)為其他綠肥＞光葉苕子＞毛葉苕子＞箭筈豌豆，綠肥地上部分碳含量范圍為365（絳三葉）～397 g·kg-1（褐皮山黧豆），平均值為378 g·kg-1，綠肥作物之間碳含量最大值為最小值的1.09倍。綠肥地上部分氮含量大小為箭筈豌豆＞毛葉苕子＞光葉苕子＞其他綠肥，綠肥地上部分氮含量范圍為14.61（褐皮山黧豆）～30.89 g·kg-1（西牧333），平均值為19.55 g·kg-1，綠肥作物之間氮含量最大值為最小值的2.11倍。綠肥地上部分磷含量大小為毛葉苕子＞光葉苕子＞其他綠肥＞箭筈豌豆，綠肥地上部分磷含量范圍為2.50（褐皮山黧豆）～4.07 g·kg-1（絳三葉），平均值為3.41 g·kg-1，綠肥作物之間磷含量最大值為最小值的1.63倍，其中西牧333與絳三葉無顯著差異。綠肥地上部分鉀含量大小為毛葉苕子＞光葉苕子＞箭筈豌豆＞其他綠肥，地上部分鉀含量范圍為15.90（褐皮山黧豆）～28.58 g·kg-1（絳三葉），平均值為23.77 g·kg-1，綠肥作物之間鉀含量最大值為最小值的1.80倍，其中西牧333與絳三葉無顯著差異。綜上可知，西牧333的氮、磷、鉀含量較高，翻壓后可有效增加土壤養(yǎng)分。

圖2 不同豆科綠肥作物地上部分養(yǎng)分含量Figure 2 Contents of nutrient of different green manure crops

由圖3可知，不同綠肥品種碳氮比存在顯著差異。綠肥碳氮比含量范圍為11.98（西牧333）～27.32（褐皮山黎豆），平均值為20.29，綠肥作物之間碳氮比最大值為最小值的2.28倍，其中西牧333碳氮比最低，翻壓后供氮能力較強，有利于后茬作物的生長。

圖3 不同豆科綠肥作物地上部分碳氮比Figure 3 The ratio of carbon and nitrogen for different green manure crops

2.4 豆科綠肥作物-土壤體系中Cd、As的含量

由圖4可知，冬閑土壤有效態(tài)Cd含量為0.49 mg·kg-1，種植不同綠肥作物的土壤有效態(tài)Cd含量間存在差異。冬閑土壤有效態(tài)As含量為1.31 mg·kg-1，不同綠肥作物對土壤有效態(tài)As含量降低程度不同，其中，東川苕子和褐皮山黧豆降低土壤有效態(tài)As含量的效果最強，其土壤有效態(tài)As含量分別為0.87 mg·kg-1和0.88 mg·kg-1，相比冬閑降低幅度為33.89%和32.82%，種植箭筈豌豆和絳三葉降低幅度為19.85%和16.79%。

圖4 豆科綠肥作物對土壤有效態(tài)Cd、As含量的影響Figure 4 Effects of leguminous green manure crops on soil available Cd and As contents

由圖5可知，不同豆科綠肥作物地上部分Cd、As含量存在顯著差異。綠肥作物地上部分Cd含量大小整體表現(xiàn)為其他綠肥＞箭筈豌豆＞光葉苕子＞毛葉苕子，最高為箭筈豌豆（0.347 mg·kg-1），最低為云苕8號和蒙苕1號（0.167 mg·kg-1），綠肥作物之間Cd含量最大值為最小值的2.08倍。綠肥作物地上部分As含量大小整體表現(xiàn)為其他綠肥＞箭筈豌豆＞光葉苕子＞毛葉苕子，最高為褐皮山黧豆（2.23 mg·kg-1），最低為隴箭1號（1.01 mg·kg-1），綠肥作物之間As含量最大值為最小值的2.21倍。

圖5 不同豆科綠肥作物Cd、As含量Figure 5 Cd，As contents of different green manure crops

綜上所述，11個綠肥作物地上部分Cd含量和As含量都低于《肥料中有毒有害物質(zhì)的限量要求》（GB 38400—2019）（Cd＜3 mg·kg-1，As＜15 mg·kg-1），表明其在重金屬Cd、As復(fù)合污染土壤中是符合安全利用標(biāo)準(zhǔn)的有機肥料。

2.5 豆科綠肥作物對Cd、As的富集系數(shù)

由表3可知，不同豆科綠肥作物對Cd、As富集能力存在顯著差異，綠肥作物對Cd和As的富集能力整體表現(xiàn)為其他綠肥＞箭筈豌豆＞光葉苕子＞毛葉苕子。其中，對Cd富集系數(shù)最高的為箭筈豌豆（0.165），最低為云苕8號和蒙苕1號（0.079），最大值為最小值的2.09倍，西牧333和云苕8號與蒙苕1號Cd富集系數(shù)無顯著差異。對As富集系數(shù)最高的為褐皮山黧豆（0.071），最低為隴箭1號（0.032），最大值為最小值的2.22倍，西牧333與隴箭1號As富集系數(shù)無顯著差異。研究表明西牧333在所有豆科綠肥作物中對Cd、As富集能力較低。

表3 豆科綠肥作物Cd、As富集系數(shù)Table 3 Cd，As bioconcentration factors of leguminous green manure crops

2.6 相關(guān)性分析

由表4可知，土壤有效態(tài)Cd與全氮呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；土壤有效態(tài)As與產(chǎn)量、有效磷和速效鉀呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與碳氮比和全氮呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）；地上部Cd與碳氮比呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與堿解氮呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）；地上部As與碳氮比呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與產(chǎn)量呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），與有效磷呈顯著負(fù)相關(guān)。由土壤全氮與土壤有效態(tài)Cd相關(guān)系數(shù)最大，有效磷與土壤有效態(tài)As相關(guān)系數(shù)最大，碳氮比與地上部Cd和地上部As相關(guān)系數(shù)最大，可得出土壤全氮對土壤Cd含量的影響最大，土壤有效磷對土壤As含量影響最大，綠肥作物碳氮比對地上部分Cd、As含量影響最大。

表4 豆科綠肥作物產(chǎn)量、碳氮比與土壤有效態(tài)Cd、As及地上部Cd、As的相關(guān)分析Table 4 Correlation analysis between yield，C/N ratio of leguminous green manure crops and soil available Cd，As contents，and shoot Cd，As contents

由表5可知，產(chǎn)量與碳氮比呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），與有效磷呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），全氮與有機質(zhì)和堿解氮呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），有效磷與速效鉀呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。由產(chǎn)量與碳氮比相關(guān)系數(shù)最大、全氮與有機質(zhì)相關(guān)系數(shù)最大，可得出綠肥植株碳氮比是影響其產(chǎn)量的主要因素，而綠肥作物下土壤全氮是影響土壤有機質(zhì)變化的主要因素。

表5 豆科綠肥作物產(chǎn)量、碳氮比和土壤理化性狀的相關(guān)分析Table 5 Correlation analysis between yield，C/N ratio of leguminons green manure crops and soil physicochemical properties

3 討論

3.1 豆科綠肥作物對土壤性狀的影響

豆科綠肥具有生物固氮作用，與十字花科和禾本科綠肥相比培育土壤氮庫能力更強，且因其較高的生物量，在培肥地力、改良土壤結(jié)構(gòu)等方面具有重要的作用[18]。研究發(fā)現(xiàn)，種植豆科綠肥可以激活土壤養(yǎng)分、固定大氣氮并增加土壤的有效養(yǎng)分濃度[19]。本研究發(fā)現(xiàn)，與冬閑對照相比，豆科綠肥作物可提高土壤全氮52.78%～111.11%，這與程會丹等[20]的研究結(jié)果相符。豆科綠肥作物根部聚集的大量根瘤菌，可通過富集大氣中游離的氮來增加土壤中氮含量[20]。在不同豆科綠肥作物的作用下，土壤有機質(zhì)與全氮呈極顯著的正相關(guān)，證實冬種綠肥可同時提高土壤全氮和有機質(zhì)含量[20]。這一方面是因為豆科綠肥作物根瘤菌固氮作用在增加土壤養(yǎng)分循環(huán)中氮的同時，還可以相應(yīng)增加土壤有機質(zhì)的含量，提高土壤地力[21]；另一方面，綠肥作物在生長過程中產(chǎn)生的一些分泌物和凋落物，增加了土壤中酶的活性，從而在其分解過程中同時增加了土壤有機質(zhì)的含量[22]。但在本研究中，土壤有機質(zhì)相比冬閑降低了1.59%～32.49%，與上述的研究結(jié)果相反，可能是由于豆科綠肥作物的固氮作用降低了土壤基質(zhì)中碳氮比[5]，引起“激發(fā)效應(yīng)”，造成土壤原有機質(zhì)分解，不利于碳儲存[23]。程會丹等[20]研究發(fā)現(xiàn)，低碳氮比紫云英的應(yīng)用，有利于土壤微生物的利用并建成較大的微生物群落，從而加速了土壤原有機碳的損失。另外土壤有機質(zhì)的降低也與豆科綠肥作物對土壤有機質(zhì)吸收、儲存密切相關(guān)。兩者的共同作用抵消了綠肥固氮和凋落物對土壤有機質(zhì)的積累作用，從而減少了土壤有機質(zhì)含量。上述結(jié)果說明種植豆科綠肥作物雖然增加土壤氮素含量，但短期內(nèi)可能會降低土壤中有機質(zhì)含量。

此外，不同豆科綠肥作物對土壤中速效養(yǎng)分含量變化的影響有所不同。相關(guān)性分析表明豆科綠肥作物碳氮比與土壤有效磷含量呈顯著的負(fù)相關(guān)，這與周國朋等[23]發(fā)現(xiàn)綠肥可提高土壤有效磷含量的結(jié)論相似。這是由于碳氮比較低的綠肥作物根系活力較強，綠肥作物根系分泌的有機酸可活化土壤中難溶性礦物養(yǎng)分，從而提高養(yǎng)分有效性[24-25]。這說明碳氮比較低的綠肥作物可增加土壤有效磷的含量。ZHOU等[26]研究發(fā)現(xiàn)綠肥的種植有利于提高土壤全氮和礦質(zhì)氮，這與本研究中土壤堿解氮與土壤總氮呈極顯著正相關(guān)的研究結(jié)果相似，但相比冬閑，種植豆科綠肥不同程度降低了土壤速效養(yǎng)分含量，可能是由于綠肥的應(yīng)用雖顯著增加了土壤總氮的含量，但也顯著提高了微生物的數(shù)量及活性，進(jìn)而抑制土壤的氮素礦化，增加對土壤氮素的同化，從而降低土壤氮素可利用性[27]。高菊生等[28]研究發(fā)現(xiàn)長期種植紫云英可以使土壤有機質(zhì)增加，從而結(jié)合更多的氮、磷，有效減少鋁、鐵等礦物對土壤中氮、磷的固定，同時也加速了土壤礦化而使有效養(yǎng)分釋放加快。這與本研究結(jié)果相反，也從另一方面證實土壤速效養(yǎng)分降低與土壤有機質(zhì)減少息息相關(guān)，說明豆科綠肥作物的種植容易消耗土壤速效養(yǎng)分，而種植碳氮比較低的綠肥作物有利于提高土壤肥力。

3.2 豆科綠肥作物對土壤Cd、As有效性的影響

在土壤環(huán)境中，Cd以金屬陽離子的形式存在于孔隙水中，而As以水合陰離子的形式存在于孔隙水中[29]。土壤pH是影響土壤中Cd、As活性最重要的環(huán)境因子之一，有研究表明[30-32]，隨著土壤pH升高，土壤膠體表面可變負(fù)電荷增加，對Cd的吸附能力增強，而對As的解吸能力也增強，從而使得土壤Cd有效性增加，As有效性降低。但本研究結(jié)果表明，綠肥作物對土壤pH無顯著影響，且pH與Cd、As有效性無相關(guān)性。這可能是由于綠肥作物根系分泌的有機酸對土壤pH的影響有限，同時本研究試驗土壤為堿性土壤，在高pH土壤環(huán)境下，Cd的活性較低，而As的活性較高，因此其對Cd、As活性影響有限。本研究也發(fā)現(xiàn)，土壤全氮與土壤有效態(tài)Cd呈極顯著正相關(guān)，與有效態(tài)As呈極顯著負(fù)相關(guān)。這可能是由于豆科綠肥根系與根瘤菌共存增加了土壤氮含量，氮的氨化作用可以促進(jìn)的形成，并與土壤中Cd產(chǎn)生離子交換，使得Cd的有效性增加[33]，同時會增加土壤表面正電荷，從而增加對帶負(fù)電荷的As的吸收，使得土壤中有效態(tài)As含量降低。這說明豆科綠肥作物可通過固氮作用增加土壤有效態(tài)Cd含量，降低土壤有效態(tài)As含量。

研究發(fā)現(xiàn)[34]，磷（P）和As屬同族元素，化學(xué)性質(zhì)類似，兩者均以陰離子的形式存在于土壤中，同時P和As之間存在的競爭吸附關(guān)系影響了土壤中As的活化和遷移[35]。王小玲等[36]的研究表明，PO3-4能夠?qū)sO3-4從雙電層的擴散層中和水合氧化物型表面部分置換出來，使得土壤對As的吸附位點被P占據(jù)，從而造成土壤對As的吸附量降低。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤有效磷與土壤有效態(tài)As呈顯著正相關(guān)，這與上述研究觀點相符，豆科綠肥作物可通過降低土壤有效磷含量，進(jìn)一步降低土壤有效態(tài)As含量，而碳氮比較低的豆科綠肥作物可通過增加土壤有效磷含量，從而使土壤有效態(tài)As含量增加。土壤全氮與土壤有效態(tài)Cd的相關(guān)系數(shù)最高，土壤有效磷與土壤有效態(tài)As的相關(guān)系數(shù)最高，因此可得出，種植豆科綠肥作物可通過固氮作用增加土壤有效態(tài)Cd含量，降低土壤有效態(tài)As含量，而碳氮比低的豆科綠肥作物通過根系活化土壤磷容易增加土壤有效態(tài)Cd和有效態(tài)As含量。

3.3 不同豆科綠肥作物對Cd、As富集能力的影響

不同豆科綠肥作物對土壤中Cd、As吸收能力有所差異。箭筈豌豆和苕子地面覆蓋度高，且吸收的Cd、As主要集中在地下部，從而阻止了過多的Cd、As集中在生物量較大的地上部[18]；山黧豆抗逆性強[37]，對Cd、As脅迫具有較強的耐受能力；三葉草生物量雖小，但繁殖能力強，其地上部分Cd、As富集能力較高[38]。在本研究中，豆科綠肥作物對Cd和As的富集系數(shù)整體表現(xiàn)為其他綠肥＞箭筈豌豆＞光葉苕子＞毛葉苕子，其中褐皮山黧豆對Cd、As富集系數(shù)較高，而西牧333對Cd、As富集系數(shù)較低，表明褐皮山黧豆對Cd、As富集能力較強，而西牧333對Cd、As富集能力較弱。

前人的研究表明，碳氮比是決定綠肥作物翻壓后在土壤中可分解性的重要因素[39]。高碳氮比（＞20）綠肥作物的添加強化了土壤礦質(zhì)氮的固定，從而降低了作物對土壤礦質(zhì)氮的吸收，易造成作物生育前期吸氮困難[40]。相比之下，低碳氮比的綠肥作物可提高后茬作物對氮的吸收，從而促進(jìn)作物的生長發(fā)育。在本研究中，綠肥鮮草產(chǎn)量與碳氮比呈極顯著負(fù)相關(guān)，同時碳氮比與地上部分Cd、As含量呈極顯著的正相關(guān)，說明碳氮比較低的豆科綠肥作物鮮草產(chǎn)量高且地上部分Cd、As含量較低，可推測碳氮比較低的豆科綠肥作物由于其鮮草產(chǎn)量較高，植株根系活力也較強，植物根系細(xì)胞壁與液泡容易對Cd、As起到攔截作用[3]，從而降低Cd、As向綠肥作物地上部分轉(zhuǎn)運的能力，使得綠肥作物地上部分Cd、As含量降低。因此在所有豆科綠肥作物中，碳氮比較高的褐皮山黧豆由于其生物量小和Cd、As富集能力強，可作為重金屬富集植物，有利于減輕土壤中Cd、As污染，而碳氮比較低的西牧333由于其重金屬富集能力低、養(yǎng)分高、產(chǎn)量大，因此可翻壓進(jìn)入土壤促進(jìn)后茬作物的生長發(fā)育，同時也可避免土壤中Cd活化帶來的后茬作物Cd含量過高的風(fēng)險。

本研究發(fā)現(xiàn)，豆科綠肥的固氮能力可以活化土壤中的Cd，但在不同豆科綠肥作用下，土壤有效態(tài)Cd與冬閑相比沒有顯著變化。豆科綠肥作物可活化土壤Cd，這與王赟等[18]發(fā)現(xiàn)種植豆科綠肥作物可以降低土壤中有效態(tài)Cd含量的結(jié)論相反，可能是由于其試驗結(jié)果是基于盆栽試驗得出的，盆栽條件下植物根系接觸的土壤空間有限，植物活化的重金屬由于空間的限制，會被種植的植物吸收，而在田間條件下，植物根系接觸的土壤空間更廣泛，土壤中重金屬活性的變化也會受到更多因素的影響[41]。與冬閑相比有效態(tài)Cd無顯著變化的原因可能是由于在較高pH下容易形成難溶性氫氧化鎘[Cd（OH）2][42]，綠肥對土壤Cd活化的影響較弱，同時豆科綠肥作物對Cd具有富集能力，兩者共同作用抵消了豆科綠肥固氮對土壤Cd的活化，使得土壤有效態(tài)Cd無明顯的改變。這說明土壤中Cd有效性的變化與土壤和綠肥作物的共同作用有關(guān)。雖然碳氮比較低的西牧333與碳氮比較高的褐皮山黧豆對Cd、As的富集能力相反，但與冬閑對照相比，西牧333對土壤中Cd和As的活性也無顯著影響，褐皮山黧豆對土壤Cd的活性無顯著影響，但可降低土壤As的活性。因此可考慮在冬閑時期，將兩種綠肥同時期播種種植，待其盛花期時將西牧333翻壓，褐皮山黧豆收割去除，這樣既可以降低堿性土壤中As的含量，也可以實現(xiàn)后茬作物的安全生產(chǎn)利用。但考慮到兩種綠肥作物對As、Cd活化/鈍化的機理存在差異，實際的應(yīng)用效果可能需通過后續(xù)試驗予以驗證。

4 結(jié)論

（1）種植碳氮比較低的西牧333對土壤中Cd、As含量無顯著影響，而種植碳氮比較高的褐皮山黧豆對土壤Cd含量也無顯著影響，但可降低土壤中有效態(tài)As的含量。

（2）碳氮比較低的西牧333由于其重金屬Cd、As富集能力低、養(yǎng)分高、產(chǎn)量大，因此翻壓進(jìn)入土壤可促進(jìn)后茬作物的生長發(fā)育，同時也可避免土壤中Cd、As活化帶來的后茬作物Cd、As含量過高的風(fēng)險。而碳氮比較高的褐皮山黧豆由于其生物量小和Cd、As富集能力較強可作為重金屬富集植物，有利于減少土壤中Cd、As污染。

（3）結(jié)合當(dāng)?shù)氐姆N植制度，同時種植豆科綠肥作物西牧333與褐皮山黧豆是實現(xiàn)輕度Cd、As復(fù)合污染土壤作物安全生產(chǎn)的重要措施。