蘇南地區(qū)汞污染農(nóng)田土壤植物套作修復(fù)模式的篩選

關(guān)鍵詞：植物修復(fù)；套作；汞；富集植物；農(nóng)田土壤

隨著我國工業(yè)化和城鎮(zhèn)化迅猛推進(jìn)，化石燃料燃燒的排放物會(huì)隨著大氣傳播并沉降，這加劇了土壤的重金屬污染。蘇南地區(qū)農(nóng)田土壤超標(biāo)重金屬種類主要是汞（Hg）和鎘（Cd）。農(nóng)田土壤重金屬污染會(huì)危及農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，進(jìn)而威脅人類健康。因此，農(nóng)田土壤重金屬污染問題亟待解決。

重金屬污染農(nóng)田土壤的修復(fù)方法主要有物理、化學(xué)、生物及物理化學(xué)法等，其中，生物法中的植物修復(fù)技術(shù)因具有環(huán)境友好、不破壞土壤可耕性、無二次污染、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)而備受青睞。植物修復(fù)是指利用植物及其根際微生物系統(tǒng)的吸收、揮發(fā)、轉(zhuǎn)化等來清除環(huán)境中的污染物，通常是通過種植超富集植物以降低或消除環(huán)境中的污染物。結(jié)合我國人多地少的基本國情和人地矛盾問題突出等因素，邊修復(fù)邊生產(chǎn)的植物套作修復(fù)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。植物套作是一種傳統(tǒng)的種植模式，通過選擇適宜的植物組合來構(gòu)建多功能套種體系，以達(dá)到在提高農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)時(shí)間和空間的集約化生產(chǎn)。超積累植物／農(nóng)作物套作修復(fù)技術(shù)在對受污染的土壤進(jìn)行有效治理的同時(shí)，還能提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)，可生產(chǎn)與修復(fù)同時(shí)進(jìn)行，獲得經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的雙重效益。因此，這種套作修復(fù)技術(shù)受到研究者的廣泛關(guān)注。先前研究發(fā)現(xiàn)，小麥與伴礦景天套作時(shí)，小麥和土壤中鉛、鋅含量隨著伴礦景天種植密度的增加而降低。此外，與單一種植相比，毛竹／景天套作系統(tǒng)中植物的生物量和體內(nèi)重金屬的含量都會(huì)增加；另外，套作系統(tǒng)中土壤pH下降，有利于土壤中重金屬的去除。茄子與景天套作會(huì)對兩種植物的生長造成不利影響；與茄子單作相比，套作處理使茄子可食用部分的鎘含量從1.19mg·kg-1提高到1.34mg·kg-1，但套作處理土壤中的速效氮、磷、鉀含量顯著增加。與單作相比，套作最顯著的優(yōu)勢是其可以提高植物的生物量或產(chǎn)量，尤其是在貧氮、貧磷的土壤上。不同植物種類的組合可以提高微量元素的有效性，促進(jìn)植物對土壤中微量元素的吸收，其中植物根系形態(tài)、土壤pH、酶活性以及微生物等都會(huì)對植物吸收微量元素產(chǎn)生影響。衛(wèi)澤斌等將重金屬超積累植物與低積累玉米套作進(jìn)行污染土壤重金屬修復(fù)，既能達(dá)到重金屬的穩(wěn)定化，又能修復(fù)重金屬污染土壤。也有研究表明，通過設(shè)置景天單種、油菜單種和景天／油菜套作3種種植模式，發(fā)現(xiàn)套作模式對鎘輕度污染農(nóng)田土壤的修復(fù)效果較好。Kang等的研究表明，水稻／大戟套作會(huì)產(chǎn)生較低的根瘤有機(jī)酸和較高的鐵斑，可以降低水稻對鎘的吸收。

由于各地氣候和土壤理化性質(zhì)不同，同一植物套作修復(fù)模式不可能在全國各地均適用，因此必須因地制宜建立適合當(dāng)?shù)貤l件的植物套作修復(fù)模式。為此，通過室內(nèi)盆栽試驗(yàn)，將適合蘇南地區(qū)生長的汞超富集植物野艾蒿、乳漿大戟和懸鉤子與當(dāng)?shù)氐闹饕魑镄←?、大豆、油菜進(jìn)行套作搭配修復(fù)，通過對作物生長情況、作物體內(nèi)汞含量及汞污染土壤修復(fù)效果的研究，篩選出適宜蘇南地區(qū)汞污染農(nóng)田土壤的植物套作修復(fù)模式，以為蘇南地區(qū)汞污染農(nóng)田的安全生產(chǎn)和修復(fù)提供技術(shù)支持。

1材料與方法

1.1供試材料

供試水稻土采自蘇南某村農(nóng)田（31.57°N，119.40°E）表層0～50cm。在室溫下將土壤風(fēng)干、磨細(xì)、過10目篩備用。供試土壤基本理化性質(zhì)如表1所示。

結(jié)合當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)作物種植制度，本試驗(yàn)選取當(dāng)?shù)爻７N植的小麥（TntLcum ae.stivum L）、大豆[Glycine max（L）Merr]、油菜（Bra.s.sica napu.s L）為試驗(yàn)作物。其中，供試小麥品種為鎮(zhèn)麥10號(hào)，大豆品種為中黃37，油菜品種為灃油737，上述種子均購自江蘇省農(nóng)科院種子站，均是蘇南地區(qū)的主要栽培品種。

根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛱卣?，結(jié)合供試作物的生長特點(diǎn)．本試驗(yàn)選取野艾蒿（Artemi.sia lavandulaefolia DC．）、乳漿大戟（Euphorbia e.sulaL．）和懸鉤子（Rubu.s corchori-foliu.s L）為供試超富集植物，上述植物購自江蘇省宿遷市沐陽縣花卉基地。其中，野艾蒿為常見于汞礦區(qū)的植物，乳漿大戟為一種汞富集植物，懸鉤子是一種在廢棄汞礦堆和礦山附近廣泛分布的具有很強(qiáng)汞耐受能力的植物。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在磨細(xì)的土壤中人為拌人基肥和外源汞（Hg2SO4），最終土壤汞含量為0.6mg·kg－1，對應(yīng)《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB15618-2018）中2倍的農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)含量限值，養(yǎng)分N、P（以P205計(jì)）和K（以K20計(jì)）的施人量分別為180、90mg·kg-1和180mg·kg-1。采用逐級(jí)混勻的方法，將原土按比例添加汞。首先將汞與少量土壤混勻，再將污染土壤與原土混合，暗處老化30d（預(yù)試驗(yàn)結(jié)果表明：30d后污染土壤汞老化趨于穩(wěn)定）。野艾蒿是菊科艾屬多年生草本植物，其生物量較大，且能在鉛鋅礦區(qū)正常生長，在我國有廣泛的分布。野艾蒿一年四季均可生長，因此，可分別與小麥、大豆、油菜套種。乳漿大戟屬大戟科，多年生草本植物，野生于山坡或路旁，我國華東、東北到西南各省區(qū)都有分布。乳漿大戟不耐高溫和寒冷，栽培時(shí)期12-15℃為宜，且不耐澇，所以可與大豆套種。懸鉤子生于山地雜木林邊、灌叢或荒野，適應(yīng)性強(qiáng)，根系淺，不耐旱，水分不足會(huì)抑制生長和結(jié)果。懸鉤子春季、秋季均可栽培。懸鉤子須種植在持水能力好的土壤上，因此可與小麥、油菜套種。采用規(guī)格為上口徑25.5cm、底徑23.0cm、高28.5cm的塑料盆，盆底有4孔，孔徑為1.0cm，每盆裝入上述穩(wěn)定后的污染土壤5kg，并加水至田間最大持水量的60%。首先，將經(jīng)5%雙氧水消毒并萌發(fā)的小麥、大豆、油菜、懸鉤子和乳漿大戟種子及野艾蒿根狀莖按照套種設(shè)計(jì)圖（圖1）播入盆中，經(jīng)過間苗后，盆內(nèi)最終共保留3-4株作物及4株超富集植物。盆栽試驗(yàn)在溫室中進(jìn)行，生長期間每2d澆水1次，稱量補(bǔ)水以維持土壤水分為田間最大持水量60%，整個(gè)試驗(yàn)持續(xù)90d（從2022年8月5日至2022年11月5日），90d后分別收獲各植株的地上部分和根。植物種植模式具體見表2，另設(shè)不種植植物的空白（CK），共13種處理，每種處理3次重復(fù)，隨機(jī)排列，共39盆。

1.3樣品分析

參照鮑士旦的方法對土壤的pH、有機(jī)質(zhì)、氮、磷和鉀的含量進(jìn)行測定；采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-MS，iCAP Q，德國）分析汞含量。

植物樣品的處理方式如下：首先，用剪刀將植物地上部的莖與葉分開，用自來水將植物各部位沖洗干凈后，再用去離子水將各部位沖洗3遍備用。將植物放人烘箱中，先在105℃下殺青30min，再用75℃烘干至恒質(zhì)量。烘干后，用電子天平稱植物各部位干質(zhì)量，然后，再將植物徹底粉碎、過篩（100目）并裝入自封袋中保存?zhèn)溆?。?zhǔn)確稱取植物樣品0.2g于消煮管中，加5mL濃HN03和2mL H202，置于消煮爐中，升溫至120～140℃后保持2～3h，直至完全消解，自然冷卻至室溫，將消解液用硝酸溶液（1+9）定量轉(zhuǎn)移并定容至50mL，搖勻待測，同時(shí)做試劑空白。土壤總汞采用王水消煮，有效態(tài)汞按照DTPA法提取。

生物富集系數(shù)（Bioconcentration factor，BCF）=植物汞含量（mg·kg-1）／土壤汞含量（mg·kg-1）

轉(zhuǎn)移系數(shù)（Transfer factors，TF）=植物地上部汞含量（mg·kg-1）／植物根部汞含量（mg·kg-1）

1.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)采用IBM SPSS 24.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（SD）表示。采用單因素方差分析（ANOVA）和鄧肯檢驗(yàn)（Duncan's test）評(píng)價(jià)各處理組間的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。采用Origin 8.0軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并繪圖。

2結(jié)果與分析

2.1植物生長情況

2.1.1不同套作模式對小麥、大豆和油菜生物量的影響

植物生物量是反映植物生長情況的重要指標(biāo)。不同套作模式下小麥地上和地下部的生物量如圖2a所示。與小麥單作模式相比，小麥／野艾蒿套作和小麥／懸鉤子套作模式中的小麥地上部生物量顯著增加，增加幅度分別為49.37%和42.45%，地下部生物量也有所增加，增加幅度分別為37.06%和15.11%。兩種套作模式下小麥地上部生物量與單作相比有顯著性差異，但地下部生物量差異不顯著。分析可知，兩種不同超富集植物套作增大了小麥地上部和地下部生物量，且套作對小麥地上部生物量的影響大于地下部。

不同套作模式下大豆地上和根部的生物量如圖2b所示。大豆／野艾蒿套作和大豆／乳漿大戟套作模式中大豆根部生物量無顯著性差異，但相比于大豆／乳漿大戟套作模式，大豆／野艾蒿套作模式中的大豆地上部生物量顯著下降。與大豆單作模式相比，大豆／野艾蒿套作和大豆／乳漿大戟套作模式中大豆地上部生物量分別下降了31.09%、5.45%，根部生物量分別下降了49.27%、16.94%。兩種超富集植物與大豆套作都會(huì)影響大豆的生長，但對大豆地上部生物量的影響大于根部，且對大豆／野艾蒿套作模式中大豆地上部生物量的影響更大。

油菜的生物量情況見圖2c。油菜／野艾蒿套作模式中油菜地上部生物量下降幅度大，較油菜單作模式下降51.43%。地下部分生物量，相比于油菜單作模式，油菜／野艾蒿套作和油菜／懸鉤子套作兩種套作模式均對油菜的生長有負(fù)面影響，下降幅度為56.70%和50.18%。此外，發(fā)現(xiàn)在植物生長過程中，野艾蒿生長速度快于油菜，會(huì)影響油菜葉片的展開，導(dǎo)致油菜向盆栽的四周縫隙處生長，影響油菜進(jìn)行光合作用，造成油菜生物量下降，懸鉤子與油菜生長過程中也出現(xiàn)類似情況。

2.1.2不同套作模式中野艾蒿、懸鉤子和乳漿大戟生物量的變化

由圖3a分析可知，小麥／野艾蒿套作和油菜／野艾蒿套作模式下的野艾蒿與野艾蒿單作模式中的相比，地上部生物量分別下降了13.92%和3.84%；大豆／野艾蒿套作模式下的野艾蒿與野艾蒿單作模式相比，地上部生物量下降了30.59%。小麥／野艾蒿套作、大豆／野艾蒿套作和油菜／野艾蒿套作模式下的野艾蒿與野艾蒿單作模式相比，根部生物量分別下降了62.54%、60.52%和26.62%。除此之外，在野艾蒿單作的生長過程中，根部生物量比地上部生物量高，這可能與其增殖方式有關(guān)。但在不同套作模式中，野艾蒿出現(xiàn)地上部比根部生物量高的現(xiàn)象，可能原因是野艾蒿與小麥、大豆套作的過程中，根系間相互作用影響，導(dǎo)致野艾蒿地下部生物量減少。圖3b分析表明：小麥／懸鉤子套作和油菜／懸鉤子套作模式中的懸鉤子與懸鉤子單作模式中的相比，地上部生物量增加更顯著，增幅分別為23.99%和13.65%，但根部生物量的變化不顯著。小麥／懸鉤子套作比懸鉤子單作模式中的懸鉤子根部生物量增加了9.86%，油菜／懸鉤子套作比懸鉤子單作模式中的懸鉤子根部生物量下降了3.29%。由圖3c分析可知，大豆／乳漿大戟套作與乳漿大戟單作中的乳漿大戟相比，地上部與地下部的生物量均無顯著變化。

2.2植物不同部位汞含量

2.2.1不同套作模式對小麥各部位汞含量的影響

從圖4分析可知，小麥不同部位汞含量的大小為根gt;莖gt;葉gt;籽粒，兩種套作模式均使小麥不同部位汞含量顯著下降，但汞在小麥各部分的分布特點(diǎn)與單作相同。與小麥單作模式相比，小麥／野艾蒿套作模式下小麥根、莖、葉和籽粒的汞含量分別下降27.17%、23.53%、80.05%和78.12%；而小麥／懸鉤子套作模式下小麥根、莖、葉和籽粒的汞含量則分別下降28.43%、26.76%、54.55%和53.11%。我國國家食品安全污染物限量標(biāo)準(zhǔn)（GB 2762-2022）中規(guī)定小麥汞含量的限量標(biāo)準(zhǔn)為0.02mg·kg-1，本試驗(yàn)中小麥／野艾蒿套作和小麥／懸鉤子套作模式中籽粒的汞含量分別為0.005mg·kg-1和0.011mg·kg-1，均低于國家標(biāo)準(zhǔn)；單作小麥籽粒的汞含量為0.023mg·kg-1，略高于國家標(biāo)準(zhǔn)，說明在本試驗(yàn)條件下，小麥單作存在一定的汞污染風(fēng)險(xiǎn)，但若和野艾蒿、懸鉤子等富集植物進(jìn)行套作則可有效降低小麥汞污染風(fēng)險(xiǎn)。綜上，套作系統(tǒng)能有效降低小麥體內(nèi)汞含量，且籽粒的品質(zhì)符合國家相關(guān)食品中污染物限量標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.2不同套作模式對大豆各部位汞含量的影響

由圖5分析可知，大豆各部位汞含量與小麥相似，也表現(xiàn)為根gt;莖gt;葉gt;籽粒。與大豆單作模式相比，大豆／野艾蒿套作模式下大豆根和莖中汞含量分別下降了25.60%和25.50%，但葉和籽粒中汞含量分別增加了20.77%、14.65%。大豆／乳漿大戟套作模式下大豆根、莖、葉和籽粒的汞含量分別下降了36.23%、5.46%、0.69%和12.94%。根據(jù)國家食品安全污染物限量標(biāo)準(zhǔn)（ GB 2762-2022），大豆籽粒汞限量為0.02mg·kg-1，本試驗(yàn)大豆單作、大豆／野艾蒿套作和大豆／乳漿大戟套作模式中大豆籽粒汞含量分別為0.027、0.031mg·kg-1和0.024mg·kg-1，為國家標(biāo)準(zhǔn)的1.36、1.56倍和1.18倍。

2.2.3不同套作模式對油菜各部位汞含量的影響

與小麥和大豆不同部位汞含量情況相似，油菜不同部位汞含量大小為根gt;莖gt;葉（圖6）。與油菜單作模式相比，油菜／野艾蒿套作和油菜／懸鉤子套作模式中油菜根部汞含量分別下降26.94%和40.06%，但油菜／野艾蒿套作與油菜／懸鉤子套作模式油菜莖中汞含量反而升高，升高幅度分別為22.39%、37.63%；而在葉片中，與油菜單作模式相比，油菜／野艾蒿套作模式油菜葉中汞含量增加了226.14%，油菜／懸鉤子套作模式葉片汞含量降低了10.76%。根據(jù)國家食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)污染物限量標(biāo)準(zhǔn)（GB 2762-2022），油菜汞限量為0.01mg·kg-1，油菜單作、油菜／野艾蒿套作和油菜／懸鉤子套作模式中油菜葉片汞含量分別為0.022、0.071mg·kg-1和0.019mg·kg-1，為國家標(biāo)準(zhǔn)的2.17、7.08倍和1.94倍。

2.2.4不同套作模式野艾蒿、懸鉤子和乳漿大戟各部位的汞含量

由圖7分析可知，野艾蒿不同部位汞含量大小為地上部gt;地下部，與上述作物不同部位汞含量情況相反，但懸鉤子和乳漿大戟不同部位汞含量接近，且部分套作模式地上部汞含量大于地下部。由圖7a分析可知，與野艾蒿單作模式相比，小麥／野艾蒿套作、大豆／野艾蒿套作和油菜／野艾蒿套作模式中的野艾蒿地下部汞含量分別降低了23.33%、63.03%和51.43%，地上部汞含量降低了24.04%、41.21%和32.48%。由圖7b分析可知，與懸鉤子單作模式相比，小麥／懸鉤子套作和油菜／懸鉤子套作模式中懸鉤子地上部汞含量分別降低34.31%、43.90%，根部汞含量則降低22.16%、33.52%。由圖7c分析可知，與乳漿大戟單作模式相比，大豆／乳漿大戟套作地T部和地上部汞含量增加了5.77%、10.90%。

2.3生物富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)

由表3可知，3種富集植物對土壤汞的累積能力不同，單作野艾蒿地上部汞累積量高達(dá)47.50ug·pot-1，分別是懸鉤子、乳漿大戟單作模式下其地上部汞累積量的2.77倍和1.96倍；與小麥套作的野艾蒿地上部汞累積量高達(dá)31.13ug·pot-1，是套作懸鉤子的1.88倍，與大豆套作中，野艾蒿地上部汞累積量高達(dá)12.17ug·pot-1，是套作乳漿大戟的0.47倍，與油菜套作中，野艾蒿地上部汞累積量高達(dá)22.13ug·pot-1，是套作懸鉤子的1.73倍。3種單作植物根部汞累積量大小為野艾蒿gt;乳漿大戟gt;懸鉤子，套作富集植物根部汞累積量大小野艾蒿gt;乳漿大戟gt;懸鉤子。與單作小麥相比，與野艾蒿、懸鉤子套作的小麥地上部汞累積量分別降低27.14%和16.58%。與單作大豆相比，與野艾蒿、乳漿大戟套作的大豆地上部汞累積量分別降低37.40%和9.59%。與單作油菜相比，與野艾蒿、懸鉤子套作的油菜地上部汞累積量分別降低22.58%和1.24%。

轉(zhuǎn)移系數(shù)用來評(píng)價(jià)植物將重金屬從根部向地上部運(yùn)輸?shù)哪芰ΑＳ山Y(jié)果分析可知，小麥套作模式中小麥汞轉(zhuǎn)移系數(shù)低于小麥單作模式；大豆／野艾蒿套作和大豆／乳漿大戟套作模式中大豆汞轉(zhuǎn)移系數(shù)略高于大豆單作模式；油菜／野艾蒿套作和油菜／懸鉤子套作模式中汞轉(zhuǎn)移系數(shù)分別是油菜單作處理的2.13倍和2.16倍；小麥／野艾蒿套作、大豆／野艾蒿套作和油菜／野艾蒿套作模式中野艾蒿汞轉(zhuǎn)移系數(shù)分別是野艾蒿單作處理的1.01、0.63倍和0.72倍；小麥／懸鉤子套作和油菜／懸鉤子套作模式中懸鉤子轉(zhuǎn)移系數(shù)分別是懸鉤子單作處理的1.18倍和1.19倍；大豆／乳漿大戟套作模式中乳漿大戟轉(zhuǎn)移系數(shù)是乳漿大戟單作處理的1.00倍。

生物富集系數(shù)可用于衡量植物提取重金屬的潛力。小麥套作模式中小麥汞生物富集系數(shù)低于小麥單作模式，大豆套作模式中大豆汞生物富集系數(shù)低于大豆單作模式，油菜套作模式中油菜汞生物富集系數(shù)低于油菜單作模式，小麥／野艾蒿套作、大豆／野艾蒿套作和油菜／野艾蒿套作模式中野艾蒿地上部汞生物富集系數(shù)分別是野艾蒿單作模式的0.76、0.46倍和0.56倍；小麥／懸鉤子套作和油菜／懸鉤子套作模式中懸鉤子地上部汞生物富集系數(shù)分別是懸鉤子單作模式的0.72倍和0.61倍；大豆／乳漿大戟套作處理中乳漿大戟地上部汞生物富集系數(shù)是乳漿大戟單作模式的1.06倍。

相對于同一單作富集植物，與小麥套作的野艾蒿TF值增加，但BCF值降低。與小麥、油菜套作的懸鉤子比單作懸鉤子TF值有所增加，增幅分別為18.46%和18.55%，而其BCF值與單作懸鉤子相比有所下降。與小麥套作的野艾蒿的TF、BCF值皆高于與大豆、油菜套作模式下的野艾蒿，與小麥套作的懸鉤子的BCF值高于與油菜套作的懸鉤子，表明小麥適合與富集植物進(jìn)行套作。與乳漿大戟單作相比，套作大豆的乳漿大戟的TF和BCF值無明顯變化。與小麥套作的野艾蒿的TF值略高于懸鉤子，但野艾蒿的BCF值遠(yuǎn)大于懸鉤子；大豆的兩種套作模式下，乳漿大戟的TF、BCF值皆高于野艾蒿。油菜兩種套作模式下，懸鉤子和野艾蒿的TF值接近，野艾蒿的BCF值高于懸鉤子，但考慮到野艾蒿會(huì)影響油菜的生長（圖4），油菜與懸鉤子進(jìn)行套作效果更好。因此，野艾蒿適合與小麥套作，乳漿大戟適合與大豆套作，油菜適合與懸鉤子套作。

2.4汞污染土壤植物套作修復(fù)效果及有效態(tài)汞含量變化

有研究表明，植物進(jìn)行套作時(shí)，不同植物的根系會(huì)相互交錯(cuò)，富集植物根系產(chǎn)生大量的有機(jī)酸類物質(zhì)可降低土壤pH值，并可與汞／鎘形成絡(luò)合物，增加其在土壤中的有效性，進(jìn)而促進(jìn)富集植物對汞／鎘的吸收和富集。與CK組相比，套作處理土壤總汞含量均有一定程度的下降，且套作處理下降幅度大于單作處理；另外，富集植物進(jìn)行套作均可降低土壤中汞的生物有效性（表4）。與小麥單作相比，小麥／野艾蒿套作和小麥／懸鉤子套作處理的有效態(tài)汞含量相近，可能是由于小麥與富集植物僅有少部分根系交叉，根系相互作用較弱，未能提高土壤有效態(tài)汞含量。與大豆單作相比，大豆／野艾蒿套作和大豆／乳漿大戟套作處理土壤有效態(tài)汞差異不顯著，但與富集植物套作會(huì)降低大豆地上部生物量，這可能是大豆在生長過程中與富集植物相互競爭營養(yǎng)物質(zhì)，從而影響了其生長。與油菜單作相比，油菜／野艾蒿套作和油菜／懸鉤子套作處理土壤有效態(tài)汞含量降低。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，不同富集植物與作物套作對土壤有效態(tài)汞含量影響不同。與野艾蒿單作相比，小麥／野艾蒿套作和油菜／野艾蒿套作兩種套作模式降低了土壤有效態(tài)汞含量；與單作懸鉤子相比，小麥／懸鉤子套作和油菜／懸鉤子套作兩種套作模式顯著降低土壤有效態(tài)汞含量。與單作乳漿大戟相比，大豆／乳漿大戟套作模式土壤有效態(tài)汞含量升高。這表明不同富集植物與作物進(jìn)行套作時(shí)，對土壤有效態(tài)汞的影響不同，油菜與野艾蒿和懸鉤子套作可以進(jìn)一步降低土壤有效態(tài)汞含量，但富集作物單作時(shí)可以提高土壤有效態(tài)汞含量，這其中的機(jī)理值得進(jìn)一步深入研究。

3討論

套作作為一種傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)種植模式，其目的是通過調(diào)節(jié)植物生長、有機(jī)酸的分泌和根際微生物群落等來影響土壤重金屬的活性，進(jìn)而影響植物對土壤重金屬的吸收。在套作系統(tǒng)中，植物種類、種植密度、空間布局、養(yǎng)分供應(yīng)和環(huán)境因素都會(huì)影響植物的生長，植物相互套作會(huì)促進(jìn)或抑制植物的生長。根據(jù)所選用的富集植物類型的不同，套作作物的生物量可能會(huì)升高或下降，從而影響對重金屬的吸收。從試驗(yàn)結(jié)果來看，小麥與野艾蒿套作模式下野艾蒿的地下部生物量顯著下降，說明這種套作模式下，作物與超富集植物根系生長產(chǎn)生拮抗且小麥根系具有更強(qiáng)的生長優(yōu)勢。而小麥與懸鉤子套作模式下，懸鉤子的地上部分生物量顯著提高，說明小麥與懸鉤子具有協(xié)同生長關(guān)系。大豆與野艾蒿套作模式下，相比分別單作，兩種植物的生物量均顯著下降，表明兩種植物套作過程中會(huì)互相產(chǎn)生負(fù)面影響。而大豆與乳漿大戟套作模式下，兩種植物相比單作生物量均沒有顯著變化，這與前人的研究情況類似，表明大豆與乳漿大戟互相不影響生長。野艾蒿與油菜套作和懸鉤子與油菜套作模式下，野艾蒿與懸鉤子的生物量相比于各自單作模式均無顯著性差異，而油菜生物量均顯著下降，表明這兩種超富集植物與油菜存在生長拮抗，且油菜均為生長弱勢植物。推測產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能是作物與不同的超富集植物之間根系形態(tài)、根系分泌物以及不同生長時(shí)期植物對養(yǎng)分的需求等存在差異，這些差異導(dǎo)致作物與超富集植物間的生長關(guān)系不同，進(jìn)而影響作物的生物量。綜上，從對作物生物量影響的角度分析，小麥與野艾蒿或懸鉤子的套作模式以及大豆與乳漿大戟的套作模式較為合適。

作物部位不同，汞含量也各異，但均表現(xiàn)為根gt;莖gt;葉gt;籽粒，汞可通過植物細(xì)胞質(zhì)膜中的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白實(shí)現(xiàn)從土壤到根部的運(yùn)輸。富集植物對重金屬的超積累是一個(gè)復(fù)雜的現(xiàn)象，它涉及幾個(gè)步驟，例如：（1）金屬穿過根細(xì)胞質(zhì)膜的運(yùn)輸；（2）木質(zhì)部裝載和易位；（3）金屬在整個(gè)植物和細(xì)胞水平的解毒和隔離。重金屬離子可以穿透質(zhì)外體，通過共質(zhì)體途徑進(jìn)入木質(zhì)部，并可以通過木質(zhì)部從根部運(yùn)輸?shù)降厣喜?。在此過程中，不同植物根系對重金屬的吸收能力、跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)能力和木質(zhì)部轉(zhuǎn)運(yùn)能力不同，對重金屬的積累水平也不同。通常情況下，超富集植物根系對重金屬的吸收效率和耐受程度高于普通作物。此外，部分研究者就富集植物積累重金屬水平的機(jī)制提出了一些假說：金屬耐受性、抗旱性、對鄰近植物的干擾和防御天敵。例如，艾草具有殺菌驅(qū)蟲作用，本試驗(yàn)中野艾蒿具有較好富集汞的能力，可能與其對環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng)和驅(qū)蟲功效有關(guān)。干擾假說（也稱為“元素化感作用”）表明，多年生超積累植物可能通過在其冠層下的表層土壤中富集金屬來干擾鄰近植物。這會(huì)產(chǎn)生高金屬含量的落葉層，從而阻止金屬耐受性較低的物種的建立。近期一些研究證實(shí)了鎳、鎘、鋅、砷和硒的防御功能，盡管關(guān)于這個(gè)流行假說的報(bào)道很多，但很少有試驗(yàn)驗(yàn)證，因此需要更多試驗(yàn)進(jìn)行證實(shí)。此外，防御效應(yīng)主要是在實(shí)驗(yàn)室條件下分析的，并且只考慮一種或幾種選定的食草動(dòng)物，而不是在超積累植物必須面對的田間條件下進(jìn)行。有研究表明，乳漿大戟對汞污染的敏感性低，對汞富集量是常規(guī)植物的幾百倍，但在本試驗(yàn)中其對汞的富集能力表現(xiàn)一般，這可能與土壤理化性質(zhì)、氣候條件，以及污染土壤汞含量高低有關(guān)。乳漿大戟在生長過程中如果被掐斷則會(huì)流出對生物表皮具有傷害性的白色乳漿，其富集汞的能力也有可能是出于防御天敵和鄰近植物的干擾，符合干擾假說。在土壤中汞含量很高的情況下，懸鉤子體內(nèi)汞的含量可達(dá)到20mg·kg-1，但其在本試驗(yàn)低濃度汞污染土壤上富集汞的能力表現(xiàn)一般，這可能與其生長環(huán)境有關(guān)。植物可以通過利用重金屬毒性來對抗食草動(dòng)物，但這并不能保護(hù)植物在毒害敵人之前免受傷害。有研究表明，一些食草動(dòng)物在低鋅和高金屬濃度的植物中，更喜歡食用低鋅的和低鎳的植物。根系分泌物是導(dǎo)致套作體系中植物對重金屬積累差異的另一可能假說。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與作物單作相比，套作普遍降低作物食用部分和土壤汞含量，這可能是由于套作促進(jìn)了植物根系有機(jī)酸的分泌，從而增加汞的生物有效性，增強(qiáng)了富集植物對汞的吸收所致。但關(guān)于本試驗(yàn)中的富集植物野艾蒿、懸鉤子和乳漿大戟的富集機(jī)理還需進(jìn)一步研究。結(jié)合TF值和BCF值，本研究發(fā)現(xiàn)，野艾蒿與小麥套作的模式及大豆與乳漿大戟套作的模式，有利于超富集植物對汞的積累，降低汞對作物的影響和土壤中汞的含量。綜合作物生物量和超富集植物對汞積累方面的結(jié)果，小麥與野艾蒿套作模式以及大豆與乳漿大戟套作模式可以降低經(jīng)濟(jì)作物體內(nèi)汞含量，促進(jìn)污染土壤中汞向超富集植物的積累，更適用于修復(fù)蘇南地區(qū)汞污染土壤。

4結(jié)論

（1）小麥／野艾蒿套作和小麥／懸鉤子套作模式下小麥地上部生物量顯著增加49.37%和42.45%，根部生物量增加幅度分別為37.06%和15.11%，其他套作模式作物生物量出現(xiàn)降低現(xiàn)象。

（2）不同套作模式主要作物的根、莖、葉和籽粒汞含量均呈現(xiàn)出不同程度的下降，其中根部汞含量下降最顯著。

（3）小麥／野艾蒿套作和小麥／懸鉤子套作模式中野艾蒿和懸鉤子的轉(zhuǎn)移系數(shù)相近，但超富集植物野艾蒿的生物富集系數(shù)遠(yuǎn)高于懸鉤子；大豆／乳漿大戟套作和大豆／野艾蒿套作模式中乳漿大戟的轉(zhuǎn)移系數(shù)、生物富集系數(shù)皆高于野艾蒿。綜合所有情況來看，野艾蒿適合與小麥套作，乳漿大戟適合與大豆套作。

（4）超富集植物與作物套作可降低污染土壤的總汞含量，其中小麥／野艾蒿套作、大豆厚／乳大戟套作模式效果最好。