间作对伴矿景天与油菜修复镉污染土壤的影响.pdf

第 43 卷 第 2 期2023 年 6 月桂 林 理 工 大 学 学 报Journal of Guilin University of TechnologyVol.43 No.2June2023文章编号:1674-9057(2023)02-0296-07 doi:10.3969/j.issn.1674-9057.2023.02.016间作对伴矿景天与油菜修复镉污染土壤的影响游少鸿1,2,徐 瑜1,赵 阳1,杨佳节1,刘 杰1,赵 婕3,陈 喆1,2,4(1.桂林理工大学 a.环境科学与工程学院;b.广西环境污染控制理论与技术重点实验室科教结合科技创新基地,广西 桂林 541006;2.自然资源部南方石山地区矿山地质环境修复工程技术创新中心,南宁 530031;3.中国科学院土壤环境与污染修复重点实验室(南京土壤研究所),南京 210008;4.珍稀濒危动植物生态与环境保护教育部重点实验室(广西师范大学),广西 桂林 541006)摘 要:为探究在镉污染土壤上伴矿景天与油菜(中双 11 号)间作种植对二者生长和镉吸收的影响。通过田间小区试验,共设置 3 个处理:伴矿景天与油菜间作、伴矿景天单作、油菜单作。结果表明,伴矿景天与油菜间作处理可提高伴矿景天和油菜对镉的提取能力,间作处理时伴矿景天的镉提取量为 2.76 g/株,较伴矿景天单作处理高出 7%,油菜的镉提取量为 1.32 g/株,较油菜单作处理高出 16%;修复后收获的菜籽油和油饼检出镉含量均符合标准,且间作处理的油饼检出镉含量较单作处理降低了 41.7%。因此,伴矿景天和油菜间作种植技术可在修复土壤的同时实现农作物的安全生产,是一种有前景的植物间作修复技术。关键词:超积累植物;土壤修复;镉;间作;伴矿景天;油菜中图分类号:X53 文献标志码:A0 引 言快速的工业发展,杀虫剂和矿物肥的大量使用造成了农业土壤中广泛的重金属污染1-2。重金属镉是我国耕地土壤点位超标率最高的重金属污染物,已引起广泛的关注。镉通过采矿和金属矿石加工等人为活动释放到环境中3,在土壤中的流动性和在水中的溶解性相对较高,即使微量也可对动植物造成危害4-5。生物质吸附材料是处理重金属污染土壤的有效途径之一6-8。此外,植物提取技术也是一种绿色的重金属污染土壤修复技术9-10,主要依靠超积累植物连续多季种植来修复重金属污染土壤,但是单独种植超积累植物无经济产出,难以在实际工程中大规模应用11。间作可增加土壤资源的可用性,在世界范围内得到了广泛的应用。将镉超积累植物与低积累农作物间作是解决该问题的一种方法,在修复镉污染土壤的同时收获符合国家食品安全标准的农产品,实现农业生产的可持续发展12-13。但在镉污染农田土壤中,若想实现农作物的安全生产本身不是一件很容易的事情,目前这方面报道总体围绕伴矿景天(Sedum plumbizincicola)与玉米、丝瓜、杨桃和苋菜的间作体系展开14-17,虽然伴矿景天间作体系下大部分可食用部位中镉含量往往能够符合国家食品安全标准,但有些瓜果蔬菜(如丝瓜和花椰菜)中可食用部位中镉的含量反而增加了15,18,故选择合适的农作物与伴矿景天开展间作研究对于降低污染农田土壤安全利用风险非常关键。伴矿景天是一种喜荫的镉超积累植物19,广泛应用于植物提取技术研究中20-22;油菜是一种 收稿日期:2021-5-14 基金项目:国家重点研发计划项目(2018YFD0800700);国家自然科学基金项目(41807136;51868010);广西自然科学基金项目(2019GXNSFBA245083;2018GXNSFAA138202);桂林市科学研究与技术开发计划课题(20190219-3);广西“八桂学者”创新团队项目(2016A10);广西高校中青年教师科研基础能力提升项目(2021ky0275);广西研究生教育创新计划项目(YCBZ2021066)作者简介:游少鸿(1978),男,博士,教授,研究方向:植物修复技术,646761963 。通讯作者:陈 喆,博士,副教授,ldchenzhe 。引文格式:游少鸿,徐瑜,赵阳,等.间作对伴矿景天与油菜修复镉污染土壤的影响J.桂林理工大学学报,2023,43(2):296-302.You S H,Xu Y,Zhao Y,et al.Effect of intercropping on remediation of cadmium contaminated soil by Sedum plumbizinci-cola and Brassica napusJ.Journal of Guilin University of Technology,2023,43(2):296-302.喜阳的植物,生物量大,对镉有一定程度的耐性和积累能力,将其与伴矿景天间作种植可充分利用光能和空间。同时油菜也是一种常见的油料经济作物23-24,且镉极易富集于油菜根茎叶中,而非菜籽油中9,25-26。当油菜与酸模/黑麦草间作时,油菜生物量呈增加趋势,虽然有效抑制了油菜籽粒对镉的吸收,但是由于供试土壤镉背景值较高,油菜籽粒镉含量超过了食品安全国家标准 食品中污染物限量(GB 27622017)中的要求,然而油菜间作模式在轻度镉污染地区开展修复与安全生产作业仍具有可行性27。鉴于此,本文通过田间小区试验,探究在轻度镉污染土壤上将超积累植物伴矿景天与经济农作物油菜间作对二者生长和重金属吸收的影响,以期在修复受污染土壤的同时,收获符合国家安全标准的农产品,并产生一定的经济效益,为超积累植物与经济农作物间作修复镉污染土壤提供理论依据与技术支持。1 材料与方法1.1 供试材料田间小区试验供试土壤来自广西桂林某铅锌矿区周边镉污染农田土壤,其基本理化性质:pH 7.96,总镉含量 1.10 mg/kg,有效态镉含量 0.59 mg/kg,有机质含量 2.26%,速效钾含量 59.7 mg/kg,铵态氮含量 263 mg/kg,有效磷含量 197 mg/kg。供试伴矿景天扦插苗来自中国科学院南京土壤研究所广东韶关仁化试验基地,油菜(Brassica napus,中双 11 号)种子购自武汉中油种业科技有限公司。1.2 试验设计田间试验设置于污染地块,共设 3 个处理:伴矿景天与油菜间作(Ic 组)、伴矿景天单作(Sp 组)、油菜单作(Bc 组),详见表1,每个处理3 次重复,每试验小区面积为 18 m2(6 m3 m),随机排列。于 2019 年 11 月 17 日对试验地块进行人工除草,翻耕土壤 20 cm 以上,精细耙田,使土层疏松细软,去除石块以及残留的植物根系,并均匀土壤。另外,由于试验区位于南方雨水较多地区,因此将每个试验小区开沟分厢,以便排水。翻耕后采集初始土样,移栽伴矿景天,同日播种油菜种子,施加常规农用复合肥(750 kg/hm2),浇水,待油菜长至幼苗期进行间苗,于 2020 年 4 月 29 日收获植物样品和土壤样品。试验期间,根据土壤墒情适时浇水,表 1 试验处理Table 1 Experimental treatment处理组别种植方式种植密度/(万株hm-2)Ic伴矿景天与油菜间作伴矿景天 44;油菜 15Sp伴矿景天单作44Bc油菜单作15 注:伴矿景天与油菜为分行间作,行间距为 15 cm。维持土壤含水率在 70%左右。对伴矿景天移栽后以及返春回暖后试验田生长的杂草及时人工拔除。1.3 样品收集与分析油菜成熟后同步采集油菜和伴矿景天植物样及其根际土壤样品。每个间作小区收获伴矿景天和油菜各 3 株,伴矿景天单作小区收获 3 株伴矿景天,油菜单作小区收获 3 株油菜。植物收获后先去除根部大块土壤,再抖落粘附在根系表面 14 mm范围内的松散土壤作为根际土壤样品28-29。植物样品收获后先用自来水洗净,再用去离子水冲洗 3遍,沥干水后将伴矿景天分成根和茎叶两部分,油菜分成根、茎、果荚、籽粒 4 部分,于烘箱 105 下杀青30 min,70 下烘干至恒重,天平称量后粉碎,装袋备用。油菜籽粒晒干后用榨油机榨取菜籽油并收集榨取余下的油饼,采用食品安全国家标准 食品中镉的测定(GB 5009.122014)检测其镉含量。土壤样品风干后去除杂草和碎石,充分混匀后过 20 目(0.85 mm)和 100 目(0.15 mm)筛,装袋备用待测。土壤 pH 的测定采用电位法(水体积与土质量比为2.5 1),用 pH 计(雷磁 PHS-3E)测定。土壤有机质含量采用土壤 有机碳的测定重铬酸钾氧化-分光光度法(HJ 6152011)测定,土壤的铵态氮、有效磷、速效钾采用中性、石灰性土壤铵态氮、有效磷、速效钾的测定 联合浸提比色法(NY/T 18482010)测定,土壤有效镉含量采用土壤质量 有效态铅和镉的测定 原子吸收法(GB/T 237392009)测定,土壤样品和植物样品的重金属镉含量均采用 USEPA 推荐的 HNO3-H2O2消解法进行前处理,用 ICP-MS(Per-kin-Elmer NexION,2000B,USA)进行测定。分析过程中采用国家标准参比物质(土壤:GBW07452;植物:GBW07603)和空白进行质量控制,所用试剂均为优级纯,标准样品的测定结果在国家标准允许误差范围内。1.4 数据处理用 Microsoft Excel 制表,SPSS 24.0 进行数据792第 2 期 游少鸿等:间作对伴矿景天与油菜修复镉污染土壤的影响分析,Origin 8.0 制图。伴矿景天单株镉提取量=根镉含量根生物量+茎叶镉含量茎叶生物量;油菜单株镉提取量=根镉含量根生物量+茎叶镉含量茎叶生物量+果荚镉含量果荚生物量+籽粒镉含量籽粒生物量;土壤镉削减量=(修复前土壤镉含量-修复后土壤镉含量)土壤质量;植物修复效率=植物镉提取总量/修复前土壤镉的总量100%。其中,土壤镉的总量=修复前土壤镉含量土壤质量,土壤质量以每亩耕层土 150 t 折算。2 试验结果与分析2.1 生物量变化表 2 为单/间作处理下伴矿景天和油菜各部位的生物量。可知,伴矿景天单/间作处理间各部位生物量差异性不显著,油菜根、茎、果荚单/间作处理差异性也不显著,然而单/间作处理间油菜籽粒的生物量差异性显著,间作处理油菜籽粒的生物量较单作处理提高了 21.7%。2.2 植物植株各部分镉含量分布单/间作处理伴矿景天和油菜的各部位镉含量如图 1 所示。伴矿景天主要把镉储存在茎叶中,其地上部镉含量与根镉含量的比值大于 1,符合超积累植物的特征。间作处理中伴矿景天的根中镉含量显著高于单作处理,伴矿景天单/间作处理间茎叶中镉含量无显著性差异。油菜根中的镉含量最高,其次是茎、果荚、籽粒,但是油菜各部位镉含量单/间作处理间无显著性差异。单/间作处理油菜籽压榨产出的菜籽油检出镉含量均低于检出限,单/间作处理油饼检出镉含量分别为 0.12、0.07 mg/kg,间作较单作处理降低了41.7%,均符合饲料卫生标准(GB 130782001)。以上结果表明,在轻度镉污染土壤上,油菜单/间作处理均可产出符合国家标准的农产品,且间作处理时农产品油饼的镉含量较低。2.3 土壤 pH、全镉和有效态镉含量由表 3 可知,伴矿景天和油菜单/间作处理的土壤 pH 均呈下降趋势,而伴矿景天和油菜间作处理土壤 pH 的降低幅度均高于两种植物的单作处理,伴矿景天根际土壤 pH 下降幅度高于油菜。修复前伴矿景天与油菜间作、伴矿景天单作、油菜单作 3 个处理土壤的全量镉分别为 1.10、1.16、1.13 mg/kg,修复后伴矿景天单/间作处理土壤的全量镉虽然无显著性差异,但是油菜间作处理土壤的全量镉较油菜单作处理下降更多,表明油菜与超积累植物伴矿景天间作可有效降低油菜根际土壤的镉含量,且不会影响超积累植物对重金属镉的吸收作用。各处理土壤 DTPA 提取态镉含量的变化规律图 1 伴矿景天和油菜各部分镉含量Fig.1 Cd content in different parts of S.plumbizincicola and B.napus表 2 单/间作不同处理下伴矿景天和油菜各部位生物量Table 2 Biomass in different parts of S.plumbizincicola and B.napus under single/intercropping treatments处理伴矿景天/(g株-1)根茎叶油菜/(g株-1)根茎果荚籽粒Ic2.910.19a9.410.49a5.760.55a20.581.32a5.720.76a5.530.55aSp3.030.22a9.720.42a Bc5.280.51a18.780.68a5.430.48a4.540.46b 注:同列不同小写字母表示不同处理间差异显著,下同(p0.05,LSD 最小显著差异法,n=3)。表 3 单/间作不同处理下根际土壤 pH、全量镉和 DTPA 提取态镉变化Table 3 pH,total Cd and DTPA extracted Cd of soil under single/intercropping treatments处理植物pH全量镉/(mgkg-1)DTPA 提取态镉/(mgkg-1)Ic伴矿景天7.350.03e0.780.03c0.370.03cSp伴矿景天7.490.04d0.910.09bc0.380.02cIc油菜7.680.02c0.930.10c0.430.03bcBc油菜7.850.14b1.030.06b0.500.05b 892桂 林 理 工 大 学 学 报 2023 年与土壤全量镉相似,单/间作处理有效态镉都呈现下降趋势,表明伴矿景天和油菜对土壤有效态镉均具有吸收消耗作用。2.4 植物镉提取量、土壤镉削减量及降低率由表 4 可知,伴矿景天与油菜间作时镉提取量均高于其各自单作处理。间作处理时伴矿景天的单株镉提取量为 2.76 g/株,较单作处理高出 7%;油菜的单株镉提取量为 1.32 g/株,较单作处理高 16%。伴矿景天和油菜根际的土壤镉削减量及全镉含量降低率变化趋势与其镉提取量相似,间作处理均高于单作处理,其中间作时,伴矿景天根际土壤镉削减量高出伴矿景天单作处理 5%,油菜根际土壤镉削减量高出油菜单作处理 20%。间作处理下伴矿景天和油菜的植物修复效率分别为16.7%和 7.97%,分别较伴矿景天单作处理和油菜单作处理高出 13.6%和 20%。表 4 单/间作不同处理下植物镉提取量、植物修复效率、根际土壤镉削减量Table 4 Cadmium extraction from plants,phytoremediation efficiency,cadmium reduction in rhizosphere soil under single/intercropping treatments处理植物植物镉提取量/(g株-1)植物修复效率/%根际土壤镉削减量/(mgkg-1)Ic伴矿景天2.760.12a16.70.7a0.210.04aSp伴矿景天2.580.04b14.70.2b0.190.10aIc油菜1.320.08c7.970.46c0.120.11abBc油菜1.130.03d6.640.09d0.100.06ab 3 讨 论3.1 单/间作处理对植物生物量的影响间作具有增产、提高土地利用率等优点13,18。超积累植物与农作物间作时,在充分利用光能、空间和养分的基础上,可以有效提高植物对重金属的提取效率,促进植物和农作物的生长11。本文中,间作处理下伴矿景天和油菜的根系相互影响和作用,伴矿景天的生物量略有降低,可能是由于油菜生长发育需要大量的营养物质,不同植物种间产生的营养竞争导致的;油菜在间作处理时的生物量略高于单作处理,可能是由于间作处理时,超积累植物能降低土壤的 pH 值,从而增加了土壤溶液中的DOC 含量30,进而改善了根际土壤中微生物群落组成,多样的微生物群落交互效应不仅提高了根际土壤的生态服务功能以及油菜对镉污染胁迫的抗逆性能31-32,而且间作处理中根系产生的分泌物在化感作用、养分有效性和土壤结构等方面起着至关重要的作用,植物间作处理下根系分泌物更丰富,因而促进了植物根系对养分物质的吸收与利用效率,从而提高了油菜的生物量33。3.2 单/间作处理对植物吸收镉的影响植物之间养分的竞争以及植物根系分泌物对土壤重金属有效性的影响都会对植物吸收重金属造成一定的影响34。在高 Cd 含量处理下,印度芥菜与油菜间作时,两者镉含量均较单作显著提高35。超积累植物小花南芥与农作物玉米间作时,其根系分泌的有机酸可促进超累积植物小花南芥对重金属的积累,并减少农作物体内的重金属含量36。伴矿景天和油菜间作处理对土壤中镉的吸收能力较单作强,可能是由于两者间作时根系相互作用,从而导致根系分泌的有机酸增多,土壤 pH 下降更明显,进而促进了植物对镉的吸收37。油菜单/间作处理中菜籽油中的镉含量均远低于油饼,与 Yang 等油菜和花生的油中重金属镉含量均低于0.1 mg/kg,大部分重金属镉存在于粕饼中,而不是油脂中的研究结果一致25。武琳霞等的研究表明,油菜中的镉主要集中在根部,其次是茎和果荚,籽粒中镉含量最低,且镉从籽粒中转移到菜籽油中的比例仅为 2%10%38。黎红亮等利用有机溶剂对油菜籽粒中的油进行萃取,结果表明重金属主要积累在粕饼中,毛油中重金属含量极低39。3.3 单/间作处理对植物镉提取量、土壤镉削减量的影响土壤中的重金属降低量受植物生物量、植物对镉的吸收富集量、植物的根系分泌物以及植物根系土壤微生物群落的多样性等影响。能凤娇等对超积累植物伴矿景天与芹菜间作处理时发现,伴矿景天生长旺盛,间作处理下土壤中 Cd 全量降低50%,显著高于单作处理,且芹菜中镉含量明显低于国家标准40。Deng 等研究发现,经过 8 a 的修复,玉米单作、景天单作和玉米-景天间作的土壤Cd 含量分别降低了 40.9%、71.9%和 85.4%,且992第 2 期 游少鸿等:间作对伴矿景天与油菜修复镉污染土壤的影响收获的玉米中镉含量符合国家标准41。本文伴矿景天与油菜间作的土壤镉削减量及全镉含量降低率均高于单作处理,可能是由于间作过程中,植物根系的相互作用使得植物的根系分泌物、根区土壤的理化性质以及土壤微生物的群落均发生明显变化42-43,且间作处理下土壤微生物碳源利用能力和微生物群落功能多样性指数均显著高于单作处理28,超积累植物伴矿景天根系分泌物活化了土壤中的重金属44,促进了植物对 Cd 的吸收,油菜的根系分泌物降低了镉对微生物的毒害,为微生物提供适宜的生存环境,保护了土壤微生物群落的生态环境。因此,伴矿景天与油菜间作时两种植物的镉提取量较伴矿景天单作和油菜单作时高,伴矿景天间作处理时其单株镉提取量为 2.76 g/株,较单作处理高出 7%;油菜间作处理的单株镉提取量为 1.32 g/株,较单作处理高出 16%。间作处理下伴矿景天和油菜的植物修复效率分别为 16.7%和7.97%,分别较伴矿景天单作处理和油菜单作处理高出 13.6%和 20%。由于 Cd 等金属在土壤中具有很高的流动性和淋溶性,且试验地处湿润多雨地区,淋溶作用强,因而各处理的植物镉提取量均小于土壤镉削减量。综上,在轻度镉污染土壤上将超积累植物伴矿景天与经济农作物油菜间作可在修复重金属污染土壤的同时收获符合国家安全标准的农产品,确保油菜的安全达标生产,并产生一定的经济效益,为超积累植物与经济农作物间作修复镉污染土壤的植物提取提供理论依据与技术支持。后续可将伴矿景天和油菜间作于不同镉污染程度的土壤上,探究此修复模式适用的镉污染土壤范围,还可对伴矿景天施加不同的强化剂,进一步提高间作模式的修复效率,并筛选出最适合的强化剂。4 结 论超积累植物伴矿景天与经济农作物油菜、单/间作试验表明:(1)间作处理下伴矿景天和油菜的植物修复效率分别为 16.7%和 7.97%,分别较伴矿景天单作处理和油菜单作处理高 13.6%和 20%,说明油菜与伴矿景天间作可提高伴矿景天和油菜对镉的提取效率。(2)单/间作处理的油菜籽粒压榨产出的菜籽油检出镉含量均低于检出限,油饼检出镉含量均符合 GB 130782001,且间作处理的油饼检出镉含量较单作处理降低了41.7%。由此说明,在轻度镉污染土壤上,伴矿景天和油菜间作可降低油菜农产品的镉含量,修复污染土壤的同时实现农作物的安全生产。参考文献:1 Xue S G,Shi L Z,Wu C,et al.Cadmium,lead,and arsenic contamination in paddy soils of a mining area and their expo-sure effects on human HEPG2 and keratinocyte cell-linesJ.Environmental Research,2017,156:23-30.2 Metson G S,MacDonald G K,Haberman D,et al.Feeding the Corn Belt:opportunities for phosphorus recycling in U.S.agriculture J.Science of the Total Environment,2016,542:1117-1126.3 Yang W J,Ding K B,Zhang P,et al.Cadmium stable isotope variation in a mountain area impacted by acid mine drainageJ.Science of the Total Environment,2019,646:696-703.4 Clemens S,Aarts M G M,Thomine S,et al.Plant science:the key to preventing slow cadmium poisoning J.Trends in Plant Science,2013,18(2):92-99.5 Choppala G,Saifullah,Bolan N,et al.Cellular mechanisms in higher plants governing tolerance to cadmium toxicity J.Critical Reviews in Plant Sciences,2014,33(5):374-391.6 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Technol-ogy,Guilin 541006,China;2.Technical Innovation Center of Mine Geological Environment Restoration Engineering in Southern Stony Hill Area,Ministry of Natural Resources,Nanning 530031,China;3.Key Laboratory of Soil Environ-ment and Pollution Remediation,CAS(Nanjing Institute of Soil Science),Nanjing 210008,China;4.Guangxi Key Laboratory of Ecology of Rare and Endangered Species and Enviromental Protection,Ministry of Education(Guangxi Normal Unirersity),Guilin 541006,China)Abstract:In order to explore the effects of intercropping of Sedum plumbizincicola and Brassica napus(Zhong-shuang 11)on their growth and cadmium uptake in cadmium contaminated soil.Field plot experiment w