间作对植物吸收积累重金属的影响研究进展

2016-05-30王平洁龚玉莲汤域巍

农业研究与应用 2016年2期

王平洁　龚玉莲　汤域巍

摘要：土壤重金属污染已成为亟待处理的环境问题，植物修复技术是一种绿色经济、有效缓解土壤重金属污染的修复方式，间作能够有效的修复土壤重金属污染，综述了间作系统中种间相互作用对植物吸收积累重金属的影响及其机理，并对今后的研究进行了展望。

关键词：土壤重金属污染植物修复间作吸收积累

土壤重金属污染目前已成为全球备受关注的环境问题。我国土壤重金属污染现状也十分严重，我国受Cd、Hg、As、Pb等重金属污染的耕地面积近5000万hm2[1]，耕地土壤重金属污染发生的概率为16.67 %，占耕地总量的1/6左右[2]。随着土壤重金属污染加剧，粮食品质也令人担忧。据报道，全国每年受重金属污染的粮食多达 1200 万t，因重金属污染而导致粮食减产高达 1000 多万t，合计经济损失至少 200 亿元[3]。我国人均耕地资源短缺，为保证粮食安全，土壤重金属污染亟待解决。

植物修复是近年来研究修复土壤重金属污染的热点，是一种绿色经济的修复新途径。研究表明，种植模式对植物吸收富集重金属能力有显著影响[4]。间作是我国传统的精耕细作的种植方式，利用植物种间互作对重金属吸收积累的影响、从而提高土壤重金属污染修复的效率，是近期国内外研究的热点。本文综述了间作对植物吸收积累重金属的影响及其机理，并对今后间作的研究进行了展望。

1 间作系统对植物生物量的影响

重金属胁迫下，间作系统对植物生物量的影响存在多种情况。

第一，间作使一方生物量增加，而使另一方生物量减少。间作系统中，往往会出现植物对环境资源和空间的竞争作用，从而对生物量产生一定的影响。在水稻和小麦间作系统中，小麦在竞争中处于优势，间作小麦地上部生物量显著高于单作小麦，在生长前期和成熟期间作处理的小麦地上部生物量比单作分别高出63.6 %和14.3 %，而间作水稻生物量低于单作水稻[5]。在土壤Cd含量为0.37～20.37 mg/kg内，在印度芥菜与苜蓿间作系统中，间作使苜蓿生物量提高了55.3 %～70.0 %，而使印度芥菜生物量降低了0.4 %～11.8 %[6]。在互作系统中，也表现出相似的促进和抑制作用。在印度芥菜和油菜互作系统中，随着土壤Cd浓度的增加，互作的印度芥菜生物量显著高于单作，而互作的油菜地上部干重显著低于单作[7]。

第二，间作系统降低了重金属的胁迫作用，使间作双方的生物量相比单作均提高。续断菊与玉米间作使续断菊生物量比单作增加了31.55 %，玉米生物量比单作增加了29.02 %[8]。当芥菜型油菜、甘蓝型油菜与黑麦草、紫云英混种时，这些植物的生物量均增加，2种油菜的生物量增加显著，黑麦草和紫云英的生物量增加不显著[9]。

第三，间作系统虽然可以降低重金属的胁迫，但对生物量无明显影响。苋菜与Cd超富集植物伴矿景天间作，两者的生物量均无显著变化[10]。鹰嘴豆、紫花苜蓿、玉米草与玉米间作对玉米的生物量影响均不显著[11]。

2 间作系统对植物吸收积累重金属的影响

间作对植物吸收积累重金属的影响亦存在多种情况。

第一，间作能够提高一方对重金属的吸收积累，降低另一方的重金属积累。当重金属超富集植物与低积累植物间作时，间作使超富集植物Cd积累量增加、低积累植物的Cd含量降低。Zn超积累植物Thlaspi caerulescens和非超积累植物Thlaspi arvense在添加重金属Zn的土壤上间作，与单种相比，Thlaspi caerulescens吸Zn量显著增加，而与之间作的Thlaspi arvense吸Zn量则明显降低[12]。续断菊和玉米间作提高了续断菊各部位的Cd积累量，同时降低了玉米各部位的Cd积累量[8]。玉米与籽粒苋间作时，籽粒苋在自身大量积累Cd的同时，一定程度上抑制了与其间作的玉米的Cd累积量，间作的玉米Cd积累量相比单作减少23.3 %；玉米与油菜间作时，间作油菜地上部分吸收较多的Cd，而玉米地上部分Cd含量仅为单作的58.6 %[11]。采用鸡眼草间作蔬菜的研究表明，相比单作，间作鸡眼草能显著或极显著降低番茄、白菜、卷心菜、萝卜、玉米可食部位对Pb的积累，分别平均下降了40.4 %、17.4 %、16.5 %、64.6 %、46.7% ；显著或极显著降低了番茄、白菜、卷心菜可食部位对Cd的积累，分别平均下降了27.0 %、26.5 %、14.3 %；显著或极显著降低了番茄、白菜可食部位对Ba的积累，分别平均下降了40.8 %、43.5 %[13]。超富集植物与非超富集植物间作对重金属吸收积累的影响因间作组合的不同而存在差异。大豆和玉米与Zn的超富集植物东南景天混作，使东南景天地上部Zn和Pb的含量显著增加，Zn比各自单种分别增加了13 %和22 %，而Pb比单种分别增加了11.5 %和24 %，而与黑麦草的混作却使东南景天地上部分对Pb和Zn吸收比单种分别减少了18 %和9 %。与东南景天的混作后，大豆对Pb的吸收量降低为单种的28 %左右，黑麦草、玉米2种植物地上部对Cd和Zn的吸收减少，其中Cd的吸收量减少了25 %以上，但却显著地提高了玉米对Pb的吸收[14]。

第二，间作系统中，间作植物促进双方对重金属的吸收积累。玉米和马唐间作互相促进对Cd的吸收[15]。

第三，间作系统能同时降低双方对重金属的吸收积累。玉米和青花间作显著降低了在玉米可食部分的Cd含量，与单作相比下降了59.9 %，青花单作与间作相比Cd含量下降了33.7 %[16]。水稻和小麦间作降低了2作物地上部对Cd的吸收和积累，在小麦生长前期和成熟期，间作小麦地上部Cd浓度相比单作分别降低了58.3 %和27.1 %，小麦籽粒Cd浓度相比单作降低了40.4 %[5]。

第四，间作系统增加或降低一方的重金属积累，但对另一方重金属积累却无显著影响。与黑麦草、紫云英混种时，芥菜型油菜和甘蓝型油菜地上部和根部的Cd、Pb含量均显著降低，黑麦草和紫云英地上部的Cd、Pb含量变化均不显著[9]。在印度芥菜与油菜互作中，油菜植株Cd含量显著高于单作，而单作与互作的印度芥菜Cd含量无显著的差异[7]。3 间作系统影响重金属吸收积累的机理

间作系统中，不同植物处在同一土壤环境中，间作植物生长过程中对土壤重金属含量会产生一定的影响。杉木-茶间作茶园系统中，间作杉木可使茶园土壤Pb、Ni、Mn、Zn元素含量降低，与单作茶园相比，杉木-茶间作茶园土壤Pb、Ni、Mn、Zn含量降低比例分别为19.80 %、13.98 %、80.49 %、4.73 %，表明杉木对Mn有较强吸收能力，间作杉木使茶园茶树叶片Pb、Ni、Mn、Zn含量均显著低于单作茶园[17]。

间作系统中交叉的根系环境不同于植物单作时的环境，间作植物之间会存在养分竞争作用，这种竞争作用对间作植物吸收积累重金属产生了一定的影响。在小麦与花生的间作系统中，小麦Cd积累量与花生Cd积累量呈负相关关系，说明间作小麦对花生吸收Cd产生较强的竞争作用，然而土壤缺铁导致小麦分泌的麦根酸类植物铁载体能够活化土壤中的Cd，促进花生对Cd的吸收[18]。

间作植物可通过降低土壤溶液的pH值，增加土壤溶液中DOC浓度，从而对间作植物吸收积累重金属产生影响。Zn超富集植物东南景天和玉米半透膜隔开的盆栽套种试验显示，混种使东南景天Zn，Cd含量升高，显著高于单作，玉米促进超富集东南景天吸收更多重金属的部分原因是玉米根系降低了土壤溶液的pH值，并增加了土壤溶液中DOC浓度，从而可向超富集东南景天一侧输送更多的水溶态Zn和Cd[19]。续断菊与玉米间作后，续断菊在大量吸收Cd的同时，抑制了玉米对Cd的吸收，原因可能是续断菊与玉米间作，由于养分竞争等原因，续断菊和玉米分泌更多的根系分泌物降低了根系pH，从而提高Cd的生物有效性，而续断菊对Cd有强吸收作用，促进了续断菊对Cd的吸收，抑制了玉米对Cd的吸收[20]。

根系分泌物会影响土壤重金属有效性、从而影响植物对重金属的吸收积累。超积累植物具有很强地活化土壤中难利用态重金属的能力，当超积累和非超积累2种生态型的东南景天套种时，间作处理使非超积累生态型东南景天的土壤中NH4COOH提取态Zn含量显著增加，非超积累生态型东南景天根系Zn含量也显著增加，其原因可能在于超积累生态型的根系分泌某些特殊物质，促进非超积累生态型根际土壤中难容态Zn的溶解，土壤中有效Zn的含量增加，从而提高了非超积累生态型的根系Zn含量[21]。植物根系分泌物中的某些低分子量有机酸也能使重金属有效性大幅上升，玉米与马唐间作后，玉米和马唐互相促进对Cd的吸收，原因可能为由于存在对养分的竞争作用，玉米和马唐间作后会分泌更多的根系分泌物来活化土壤中的养分，而低分子有机酸是根系分泌物的主要成分，有机酸与Cd形成螯合物，从而提高Cd的生物有效性，根际土壤中被活化的Cd2+被吸附到玉米根部细胞表面，扩散进入质外体，使间作玉米根系质外体中Cd含量远高于单作玉米根系中的Cd含量[15]。但也有研究表明，土壤Cd浓度较高时，间作使印度芥菜吸Cd量降低，原因可能是Cd胁迫下，间作能够产生某类有机酸（如柠檬酸、果酸、草酸），这些有机酸能抑制植物根系对重金属的吸收，降低植物体内的Cd含量[6]。相关机理尚待进一步研究。

4 展望

将超积累植物与作物间作，通过根系相互作用，一方面提高超积累植物对重金属的吸收积累效率，另一方面降低作物对重金属的吸收，同时达到充分利用和修复污染农田的目的[22]。伴矿景天与小麦间作、茄子轮作种植模式下，Zn、Cd超积累植物伴矿景天对当季小麦和后茬茄子生长及重金属吸收影响显著，麦季间作伴矿景天能显著降低小麦籽粒中的Cd浓度，与单作相比降低了52.4 %，且有效降低了后茬茄子对重金属的吸收，茄子果实中Cd浓度较单作处理下降了35.7 %[23]。在中度Cd污染土壤上，Cd超富集植物油菜与小白菜互作，油菜通过对Cd的超富集能力，减轻了Cd对小白菜的毒害，互作使油菜相比单作Cd含量增加了27.8 %，而使小白菜体内Cd含量仅为单作时的1/3[24]。间作是我国传统的精耕细作的农业生产方式，选择合适的植物种类进行间作，有望提高修复土壤重金属污染治理的效率，同时收获安全的农产品，是今后的研究方向。目前，间套作研究多在实验室阶段，研发最佳间作模式、并有效应用于土壤重金属污染防治，尚需大量的工作。同时，对于间作影响植物吸收积累重金属的机理亦有待深入研究。

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