土壤重金属污染下芥菜与苋菜间作修复特性对水肥一体隔沟灌溉响应

李培岭，李转玲

(1.江西农业大学工学院，南昌 330045；2.江西青年职业学院，南昌 330045)

0 引 言

土壤重金属污染植物修复研究已较为广泛，其中植物生物量累积以及重金属富集、转移是影响修复效率的关键[1,3]。水肥是影响植物生理特性重要因素，目前水肥一体灌溉方式是重要的植物节水节肥调控技术，肥液浓度是影响植物生长发育的主要调节因素[4,5]。常规均匀灌溉方式，水肥的深层渗漏损失及地表径流损失问题突出[5,6]，而且容易造成土壤重金属污染扩散。采用根区交替灌溉等方式节约水资源同时，减少了灌水入渗面积和地表径流，可显著降低土壤剖面根区水分、养分的深层渗漏[7,8]，可能有利于控制重金属污染地表迁移和深层扩散。另外现有的水肥供应制度下植物根系发育诱导作用不明显，且养分与重金属吸收相互制约问题突出，不利于土壤复合重金属植物之间的吸收[9,10]；现有水肥调配制度下植物生理代谢与修复特性的相互制约问题突出，影响植物重金属转运效率和累积能力[11-13]。据此需要进一步探索土壤复合重金属污染环境的水肥调节机制，多植物复合重金属吸收的水肥供应机制，以及植物生理代谢与修复特性的水肥协调机制等，为提高植物重金属修复特性奠定基础。本文从植物重金属的吸收、转运和累积等方面，深入探索土壤重金属污染修复植物的水肥利用机制，为农业生态环境的重金属污染修复提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

2014年1月至2015年12月在江西农业大学试验田，进行了水肥一体分根区灌溉下土壤重金属污染植物修复调节机制研究。经实验前期田间土壤重金属含量检测，镉含量在4.14～4.78 mg/kg，锌含量在528～610 mg/kg，其他土壤重金属含量未超出国家土壤环境标准，本试验区属于镉锌复合重金属污染土壤环境。由于芥菜对重金属镉富集能力强，苋菜对锌富集能力较强[7,9]，本文以芥菜与苋菜起垄间作修复土壤镉锌复合重金属污染为例，创新设计水肥一体隔沟灌溉试验。设置肥水溶液浓度水平，以及隔沟固定灌溉与隔沟交替灌溉对比试验。

1.1 试验设计

本项目依据土壤重金属植物修复特性，针对土壤镉锌复合重金属污染采用两种植物间作修复，通过起垄种植且每垄种植两行、其中一行为芥菜和另一行为苋菜。每垄长为10 m，垄顶宽为0.3 m，垄底宽为0.4 m；垄间灌水沟底宽为0.15 m、灌水沟顶宽为0.3 m。每8垄为一试验小区，每小区重复3次，共45小区。设置隔沟固定灌溉C1、隔沟交替灌溉C2、常规沟灌C3三种模式，灌水定额相同(120 mm)，整个生育期共灌溉5次，设置不同肥水比溶液浓度(氮含量：水质量比分别为0.000 74、0.000 88、0.001 02、0.001 16、0.001 30，对应水平标记为N1、N2、N3、N4、N5水平)，共15处理，每个处理3次重复。试验材料选择“红圆叶”苋菜籽，由湖南省长沙市银田蔬菜种子实业有限公司生产，以及印度芥菜。

1.2 测定项目及方法

镉含量采用石墨炉原子吸收光谱法检测(GB/T5009.15-2003)；锌Z含量采用冷原子吸收光谱法检测(GB/T5009.17-2003)。采用富集系数(Bioaccumulation factors，BCFs-蔬菜中的重金属含量/土壤中的重金属含量)评价苋菜富集土壤重金属的能力，BCFs越大说明蔬菜富集重金属的能力越强；采用转运系数(Translocation factors，TFs-地上部重金属含量/根部重金属含量)评价苋菜由根部向可食部转移重金属的能力，TFs>1，表明重金属主要分布于可食部；TFs

1.3 统计学分析

用SPSS 18.0对数据进行分析，根据正态性和方差齐性检验结果，数据服从正态分布且方差齐者多组样本均数的比较采用单因素方差分析，组间比较采用SNK-q检验；数据不服从正态分布或方差不齐者多组样本均数的比较采用Kruskal-Wal1is H 检验，组间比较采用秩变换技术结合完全随机设计的方差分析。试验数据前后比较采用配对样本t检验。

2 结果与分析

2.1 芥菜与苋菜间作下生物量对水肥一体隔沟灌溉的响应

表1中灌溉方式对芥菜和苋菜生物量累积影响结果表明，按大小及差异显著性排序，常规沟灌(C3)下芥菜和苋菜地上部和根部的生物累积量最大，其次是水肥一体隔沟交替灌溉(C2)和水肥一体隔沟固定灌溉(C1)，而C2与C3模式下芥菜根部生物量差异不显著；植物生物量在肥液浓度水平处理下，芥菜地上部生物量表现为N5>N4>N3>N2>N1，芥菜根部和苋菜地上部的生物量表现为N5>N3>N2，苋菜根部则为N5>N2，表明芥菜地上部、芥菜根部及苋菜地上部、苋菜根部的生物量对肥液浓度敏感度逐渐下降。

表1 水肥一体灌溉下植物生物量对灌溉方式和肥液浓度单因素处理的响应 g/株

表2 水肥一体隔沟灌溉下植物生物量的组合处理影响 g/株

表2结果表明组合处理下C2N5与C3N5的芥菜、苋菜的生物量最高，相比之下C2N4、C3N4处理仅芥菜地上部生物量略小，C3N3下芥菜地上部生物量下降显著，C2N3下芥菜与苋菜地上部均显著下降，可见水肥一体交替灌溉、常规灌溉与肥液浓度耦合对生物量累积影响趋于一致。另外C1灌溉模式下除C1N5处理芥菜根部生物量外，其余组合处理均小于C2、C3灌溉模式。说明水肥一体隔沟交替灌溉具有同常规沟灌相同的水肥调节效应，而植物生物量在水肥一体隔沟交替灌溉下更节水节肥。

2.2 芥菜与苋菜间作下重金属含量对水肥一体隔沟灌溉的响应

表3中灌溉方式对芥菜和苋菜重金属含量累积影响试验结果，按部位、大小及差异显著性排序，表明芥菜与苋菜的地上部重金属含量表现为C3>C2>C1，根部则为C3和C2>C1，可见相比常规灌溉以及水肥一体隔沟固定灌溉，水肥一体隔沟交替灌溉对植物重金属含量累积也具有显著的促进作用；植物重金属含量在肥液浓度影响下，芥菜地上部表现为N5>N3>N2>N1，芥菜根部为N5>N4>N3>N2，苋菜地上部表现为N5>N3，苋菜根部则为N5>N2，表明芥菜重金属含量受肥液影响敏感度明显大于苋菜。

表4中植物重金属含量多重比较分析结果表明，C3N5组合处理下芥菜地上部、苋菜地上部和根部，以及C2N5的芥菜根部的重金属含量为两植物不同部位最高。相比之下C3N4与C3N5处理的植物重金属含量差异不显著，与C2N5相比C2N4处理下仅芥菜根部略有下降，说明C2、C3灌溉模式在肥液浓度较高水平(N4、N5)处理下有利于重金属累积。说明常规灌溉、水肥一体隔沟交替灌溉下显著提升芥菜重金属含量，需要较高肥液浓度水平支持。

表3 水肥一体隔沟灌溉下植物重金属含量的单因素影响 mg/kg

表4 水肥一体隔沟灌溉下植物重金属含量的组合处理影响 mg/kg

2.3 芥菜与苋菜间作下重金属富集及转移对水肥一体隔沟灌溉响应

表5中灌溉方式对芥菜和苋菜重金属富集与转移影响，按大小及差异显著性排序，芥菜与苋菜的重金属富集系数表现为C3和C2>C1，且芥菜地上部重金属富集系数C3>C2。植物重金属转移系数表现为芥菜为C3>C1>C2，苋菜为C3>C2>C1，相比常规灌溉而水肥一体交替隔沟灌溉模式降低9.3%以下， 水肥一体固定隔沟灌溉降低20.46%以下；肥液浓度对植物重金属富集系数影响，芥菜地上部表现为N5>N4>N2>N1，芥菜根部为N5>N4>N3>N2，苋菜地上部及根部为N5>N2，可见芥菜重金属富集系数对肥液浓度响应更敏感，肥液浓度对植物转移系数影响仅苋菜表现为N5>N1。

表5 水肥一体隔沟灌溉下植物重金属富集及转移系数的单因子影响Tab.5 Single factor influence on plant heavy metal enrichment and transfer coefficient under integrated water and fertilizer separate furrow irrigation

表6中组合处理下植物重金属富集及转移系数，结果表明芥菜地上部为C3N5处理最高，其次为C3模式下N3、N4水平，C2模式下N3、N4和N5水平，C1模式下N4和N5水平等组合，可见较高肥液浓度水平与不同灌溉模式组合对芥菜地上部的重金属富集均有促进作用。芥菜根部为C2N5处理最高，其次为C3N5和C2N4，表明水肥一体交替隔沟灌溉比常规灌溉对芥菜根部重金属富集作用更显著。苋菜地上部及根部则C2、C3模式下N3、N4、N5以及C3下N1、N2水平等组合最高；植物重金属转移系数，芥菜仅C2N5低于其他处理，苋菜仅C1N2和C1N1低于其他处理，同常规灌溉相比C2、C3灌溉模式与N4、N5肥液浓度组合下植物重金属富集系数较高，兼顾较高的重金属转移系数则C2N4、C3N4和C3N5组合处理下植物重金属修复效率最为理想。

表6 水肥一体隔沟灌溉下植物重金属富集及转移系数的组合处理影响Tab.6 The combination of treatment effect on plant heavy metal plant heavy metal enrichment and transfer coefficient under integrated water and fertilizer separate furrow irrigation

3 讨 论

土壤重金属污染植物修复技术，已经取得了一定的研究成果[14-16]，目前针对水肥调控影响植物重金属修复特性的研究相对较少，本项目利用重金属富集植物的生育特点，创新设计水肥一体隔沟灌溉方法，促进植物重金属收获量、重金属富集系数以及重金属转移系数等方面的改善，进而提高植物的修复特性。

灌溉方式影响下植物重金属收获量(生物量与重金属含量相乘)，相比常规灌溉而水肥一体隔沟交替灌溉重金属收获量下降22.96%～32.21%，芥菜根部重金属收获量则提高6.35%。重金属富集系数差异较小，转移系数降低9.3%以下，水肥一体固定隔沟灌溉降低20.46%以下。水肥一体固定隔沟灌溉则重金属收获量、重金属富集系数、转移系数在三种灌溉方式下均最低；肥液浓度水平处理下，重金属收获量随肥液浓度增加呈上升趋势，芥菜地上部、根部及苋菜地上部、根部的重金属收获量由肥液浓度N1至N5水平处理分别提高209.15%、246.06%、364.68%和284.21%。植物重金属富集系数中芥菜对肥液浓度响应更敏感，肥液浓度对植物转移系数影响则相对较小。

组合处理下植物重金属收获量按部位区分，芥菜地上部、苋菜地上部、苋菜根部均为C3N5处理最高，芥菜根部为C2N5处理最高，其次芥菜地上部、芥菜根部及苋菜地上部、苋菜根部收获量相对较高的分别是C2N5、C3N5、C3N4和C2N5，总体上C3N5和C2N5是植物重金属收获量较高处理，两处理之间芥菜地上部及苋菜地上部、苋菜根部分别下降14.82%、18.31%、3.30%，芥菜根部提高31.36%。从不同灌溉方式下水肥溶液利用效率角度分析，相比C3N5处理而C2N5处理的总水肥用量减少一半而水肥利用效率更高。因此C2N5组合处理下植物重金属修复特性最为理想。

4 结 语

(1)灌溉方式影响下，相比常规灌溉而水肥一体隔沟交替灌溉植物重金属收获量，除芥菜根部提高外，芥菜地上部、苋菜地上部以及根部均下降，富集系数除芥菜地上部降低外则其他部位变化不显著。水肥一体固定隔沟灌溉则重金属收获量、富集系数和转移系数均下降。肥液浓度影响下，植物重金属收获量随肥液浓度增加呈上升趋势，而重金属富集系数、转移系数影响则相对较小。

(2)组合处理下芥菜及苋菜重金属收获量较高的为C3N5和C2N5处理，相比C3N5处理而C2N5处理重金属收获量的芥菜地上部及苋菜地上部、苋菜根部下降3.30%～18.31%，芥菜根部提高31.36%，且C2N5处理的水肥利用效率更高，因此C2N5组合处理下植物重金属修复特性最为理想。

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