伴矿景天间作方式对辣椒根围土壤镉迁移与有效性的影响*

2021-09-10王高飞王永平

中国生态农业学报(中英文) 2021年9期

王高飞, 周鹏, 王永平, 王岩, 林杉, 邢丹**

(1.贵州省农业科学院辣椒研究所贵阳 550000; 2.贵州大学农学院贵阳 550000;3.华中农业大学资源与环境学院/农业部长江中下游耕地保育重点实验室武汉 430070)

镉(Cd)是典型的有毒有害、人体非必需的微量元素, 也是我国土壤污染最为严重的重金属元素[1-2]。Cd的迁移性、生物可利用性与其在土壤中存在形态密切关联[3-5]。利用改进的BCR连续提取技术分析Cd形态特征, 其中酸溶态和可还原态的Cd较易被植物利用; 可氧化态较为稳定, 在氧化条件下可发生转化对生物具有潜在危害; 而残渣态与土壤结合较牢固, 不易被植物吸收利用, 其所占比例越高意味着生物可利用部分越少[6-9]。基于Cd赋存形态所占比例, 将土壤中Cd生物有效性分为可利用态(酸溶态和可还原态之和)、中等利用态(可氧化态)和难利用态(残渣态)[10]。因而, 可通过掌握土壤Cd赋存形态评估土壤环境中Cd迁移和可利用风险。

通常认为, 土壤pH、有机质等化学性质影响Cd的存在形态[4,11]。土壤pH是影响Cd形态的最重要因素之一, 随着土壤pH升高可交换态Cd含量下降, 残渣态Cd含量上升[12-17]。土壤有机质能与Cd2+形成具有不同化学和生物学的稳定性物质, 但其对Cd形态影响较为复杂[18-19]。值得注意的是, 近来研究发现球囊霉素相关土壤蛋白(GRSP)是土壤有机质重要组分, 在有机碳含量中占比高达25%以上[20-21]。GRSP是菌根植物根系菌丝进入土壤分泌产生的一种糖蛋白, 对土壤理化性质具有一定影响, 并对土壤中重金属具有固定作用, 能够降低重金属的生物有效性[22-24]。土壤pH及有机质和GRSP含量等与宿主植物类型密切相关, 受耕作方式、环境胁迫等因素影响[20]。然而, 有关间作体系土壤环境中GRSP与Cd形态转变关系的机制尚不明确。

超积累植物与经济作物的间套作是植物吸取修复Cd污染土壤的一种常见实施方式, 可在修复过程中维持一定的经济产出。能凤娇等[25]研究表明, 芹菜(Apium graveolens)与超积累植物伴矿景天(Sedum plumbizincicola)间作, 伴矿景天生长更旺盛, 土壤Cd含量降低50%, 显著高于单作处理, 芹菜中Cd含量(0.015 mg·kg−1)也明显低于国家蔬菜限量标准(0.2 mg·kg−1)。连续8年的田间试验研究表明[26], 伴矿景天和玉米(Zea mays)间作, 土壤中的Zn和Cd总含量分别降低18.8%和85.4%, 修复效率较单作显著提高。但也有研究表明, 苋菜(Amaranthuscruetus)与Cd超富集植物伴矿景天间作提高土壤乙酸铵-Cd含量[27]。同时有研究表明, 间作方式会对作物间的并存效应产生一定的影响[28]。由此可见, 伴矿景天与作物间作对土壤Cd含量的影响不但与作物种类有关,同时对土壤不同形态镉含量影响不同, 而且又受间作方式的影响。

辣椒(Capsicum annum)作为特色优势经济作物,具有富集Cd习性, 辣椒与Cd超积累植物−伴矿景天间作, 可降低土壤Cd含量。但间作方式对土壤Cd不同形态含量变化的影响, 以及这种变化与土壤化学性质、GRSP的关联尚鲜见系统报道。因而, 本研究通过辣椒与伴矿景天进行带状、交叉、混合3种间作, 分析各间作体系辣椒根系周围土壤Cd的形态和GRSP变化, 阐明伴矿景天间作对辣椒根系周围土壤Cd的作用机制, 探究土壤Cd的迁移转化机制,为中低程度Cd污染农田更好利用伴矿景天修复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

本试验选取辣椒品种为‘辣研201’, 由贵州省农业科学院辣椒研究所胡明文研究员课题组提供, 漂浮盘中进行漂浮辣椒育苗, 随时补充水分和养分, 待辣椒长出4～5片真叶时, 选择长势一致的幼苗进行移栽; 伴矿景天由中国科学院南京土壤研究所吴龙华研究员课题组提供, 于2019年3月至9月进行试验。

1.2 试验设计

试验地点位于贵州省遵义市新蒲新区, 属亚热带季风性湿润气候, 雨量充沛, 年均降水量1200 mm。土壤类型为黄壤, 土壤pH 5.51, 有机质11.4 g∙kg−1, 全氮1.78 g∙kg−1, 有效磷29.7 mg∙kg−1, 速效钾110 mg∙kg−1,全Cd含量0.77 mg∙kg−1。

试验设置伴矿景天单作、辣椒单作、伴矿景天条带式间作辣椒(间作1)、伴矿景天交叉式间作辣椒(间作2)、伴矿景天混合式间作辣椒(间作3), 共5种种植模式(图1), 3个重复, 共计15个小区, 小区面积50 m2(5 m×10 m)。辣椒单作、间作株距均为40 cm, 行距均为50 cm; 伴矿景天单作株距20 cm, 行距50 cm (图1)。所有种植模式肥料用量相同, 氮、磷、钾肥用量分别为450 kg(N)∙hm−2、225 kg(P2O5)∙hm−2和450 kg(K2O)∙hm−2, 氮、磷、钾肥种类分别为尿素、磷酸二铵和硫酸钾。于2019年5月整地, 起垄前将氮肥、磷肥和钾肥作为基肥一次均匀撒入各小区。

图1 不同处理的矿伴景天与辣椒种植模式Fig.1 Intercropping patterns of Capsicum annum and Sedum plumbizincicola of different treatments

待辣椒果实成熟时, 于2019年9月采集伴矿景天和辣椒根系周围土壤样品。以植物茎秆为中心,用不锈钢土钻垂直向下取半径5 cm范围内、0～20 cm表层土壤。每个小区随机选取5株, 土样混合, 将样品除杂、风干, 用四分法分为两份后, 分别过2 mm和0.149 mm尼龙筛, 备用。

1.3 样品测定方法

土壤不同形态Cd含量: 参照改进的BCR[29]连续提取法, ICP-MS (上海赛默飞iCAPQ等离子体质谱仪)测定各形态Cd含量。

土壤化学性质: 参照土壤农化分析方法[30], 土壤有机质含量采用重铬酸钾-外加热法(K2Cr2O7-H2SO4法)测定, 全氮含量采用凯氏定氮法, 全磷采用钼锑抗比色法, 全钾采用火焰光度法, 碱解氮含量采用碱解扩散法测定, 有效磷采用钼锑抗比色法测定, 速效钾采用NH4OAc浸提-火焰光度法测定, pH测定采用水浸提(土水比2.5∶1)、pH计(上海精密科学仪器有限公司, 雷磁pHS 3C)测定。

土壤GRSP: 分TE-GRSP (总提取球囊霉素)、EEGRSP (易提取球囊霉素相关蛋白, 一种呈现活性和不稳定的球囊霉素相关蛋白), 含量根据Wright等[31]描述方法提取测定。

1.4 土壤Cd迁移性和可利用性计算

1.5 数据处理与分析

采用SPSS 24.0软件对数据进行统计分析, LSD多重比较检验各处理平均值之间的差异显著性。利用Origin 9.1绘制柱状图, Canoco冗余分析。

2 结果与分析

2.1 间作对作物根系周围土壤不同形态Cd含量的影响

伴矿景天间作可降低辣椒根系周围土壤酸溶态和可还原态Cd含量, 但对可氧化态和残渣态Cd含量影响不显著(图2)。其中, 间作1对辣椒根系周围土壤酸溶态和可还原态Cd含量变化影响不显著, 而间作2和间作3显著降低了这两种形态Cd的含量。与辣椒单作相比, 间作2和间作3模式显著降低了土壤酸溶态Cd含量, 分别减少39.6%和41.5%, 同时显著降低了土壤可还原态Cd含量, 分别减少23.9%和29.0%。辣椒根系周围土壤酸溶态和可氧化态Cd含量3种间作模式之间无显著性差异, 可还原态Cd含量间作1显著高于间作2和间作3, 残渣态Cd含量间作3显著高于间作1和间作2。间作2和间作3也显著降低了伴矿景天根系周围土壤可还原态Cd含量, 但对可氧化态和残渣态Cd含量影响不显著。伴矿景天根系周围土壤酸溶态Cd含量间作2显著低于间作1, 可还原态Cd含量间作1显著高于间作2和间作3, 可氧化态和残渣态Cd含量3种间作模式之间无显著性差异。

图2 伴矿景天和辣椒不同种植方式下土壤Cd形态变化Fig.2 Changes of soil Cd forms under different planting patterns of Capsicum annum and Sedum plumbizincicola

2.2 间作对作物根系周围土壤Cd迁移和可利用风险影响评估

伴矿景天与辣椒的各种间作模式均降低了辣椒根系周围土壤Cd迁移和可利用风险(图3)。其中,间作1对土壤Cd迁移和可利用风险影响不显著, 而间作2和间作3显著降低了这两种风险。与辣椒单作相比, 间作2和间作3模式使辣椒根系周围土壤Cd可迁移性分别显著降低25.8%和34.2%, 使土壤Cd可利用性分别降低11.6%和26.9% 。3种间作模式间辣椒根系周围土壤Cd迁移性无显著性差异, 间作2和间作3的Cd可利用性均显著低于间作1。间作对伴矿景天根系周围土壤Cd迁移性影响不显著,而间作2和间作3显著降低了伴矿景天根系周围土壤Cd可利用性。

图3 伴矿景天和辣椒不同种植方式对土壤Cd迁移和Cd可利用的影响Fig.3 Effects of planting patterns of Capsicum annum and Sedum plumbizincicola on the migration and bioavailability of soil Cd

2.3 间作对作物根系周围土壤化学性质的影响

伴矿景天与辣椒各种间作模式显著增加土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、有效磷和速效钾含量,但显著降低全钾含量, pH变化并无明显差异。与辣椒单作土壤中的有机质、全氮、全磷、碱解氮、有效磷和速效钾含量相比, 间作1分别增加43.4%、79.6%、51.3%、45.2%、261.3%和107.7%, 间作2分别增加85.1%、68.5%、23.1%、99.3%、146.8%和74.7%, 间作3分别增加65.6%、57.4%、6.41%、111.6%、262.9%和112.3%。与辣椒单作土壤全钾相比, 间作1、间作2和间作3分别降低10.3%、20.6%和12.9%。辣椒根系周围土壤化学性质的变化3种间作方式之间相比无明显规律。间作显著提高了伴矿景天根系周围土壤pH, 与伴矿景天单作相比, 间作对伴矿景天根系周围土壤有机质、全氮无显著性影响, 而全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾的变化无明显规律(表1)。

表1 伴矿景天和辣椒不同种植方式对土壤化学性质的影响Table 1 Effects of planting patterns of Capsicum annum and Sedum plumbizincicola on soil chemical properties

2.4 间作对作物根系周围土壤GRSP变化的影响

伴矿景天和辣椒的各间作模式有效增加辣椒根系周围土壤球囊霉素含量(图4)。与单作相比, 间作1显著降低TE-GRSP含量, 而间作2和间作3显著增加TE-GRSP含量, 间作1的TE-GRSP含量比单作显著降低12.2%, 而间作2和间作3比单作显著增加51.7%和86.7%。辣椒根系周围土壤TE-GRSP含量间作2和间作3显著高于间作1。间作1和间作2对伴矿景天根系周围土壤TE-GRSP含量无显著影响, 间作3显著增加了伴矿景天根系周围土壤TEGRSP含量。

图4 伴矿景天和辣椒不同种植方式对土壤总提取球囊霉素(TE-GRSP)、易提取球囊霉素(EE-GRSP)相关蛋白含量影响Fig.4 Effects of planting patterns of Capsicum annum and Sedum plumbizincicola on contents of soil total extraction of globulin(TE-GRSP) and easily extracted globulin (EE-GRSP)

间作1、间作2和间作3显著增加EE-GRSP含量。与辣椒单作相比, 间作1、间作2和间作3辣椒根系周围土壤EE-GRSP含量分别显著增加24.5%、39.9%和40.6%。辣椒根系周围土壤EE-GRSP含量间作2和间作3均显著高于间作1。间作2对伴矿景天根系周围土壤EE-GRSP含量无显著影响, 间作1和间作3均显著增加伴矿景天根系周围土壤EEGRSP含量。

2.5 矿伴景天与辣椒间作下土壤Cd迁移和可利用性与土壤性质的关系

选取土壤pH、有机质、全氮、碱解氮、全磷、有效磷、全钾、速效钾、总提取球囊霉素、易提取球囊霉素共计10个环境因子与土壤Cd迁移性、可利用性进行RDA分析, 得到环境因子对土壤Cd迁移性、可利用性差异的解释量, 结果如表2所示。排序轴第1轴和第2轴的特征值分别为0.5471和0.1522, 即前两轴环境因子累计解释Cd迁移性和可利用性特征为69.93%。土壤Cd迁移性、可利用性与环境因子前2个排序轴的相关性分别为0.8735和0.7334, 对土壤Cd迁移性、可利用性与环境因子关系的累计解释量为100.00%。表明前两轴能较好地反映土壤Cd迁移性、可利用性与环境因子关系, 且主要由第1轴决定。

表2 土壤Cd迁移性和可利用性与土壤化学性质和球囊霉素含量的冗余分析Table 2 RDA sequencing results of soil Cd mobility and availability and soil chemical properties and globulin contents

通过第1轴和第2轴的解释量得到土壤Cd迁移性、可利用性与环境因子的RDA二维排序图, 如图5所示。实心箭头表示土壤Cd迁移性和可利用性, 空心箭头表示土壤环境因子。空心箭头连线的长度表示土壤Cd迁移、可利用性与环境因子间的相关程度, 箭头连线越长表示因子间关联性越强, 土壤环境因子箭头连线在土壤Cd迁移性、可利用性箭头连线上的垂直投影越长(余弦值越大), 其对相应的土壤Cd迁移性或可利用性影响越大。箭头连线与排序轴的夹角代表该因子与排序轴相关性的大小,夹角越小, 相关性越大。

由图5可知, pH、全氮(TN)、全磷(TP)、全钾(TK)、有效钾(AK)和总提取球囊霉素(TE-GRSP)、易提取球囊霉素(EE-GRSP)箭头连线较长, 且TP、TK与Cd迁移性和可利用性箭头方向一致呈正相关关系, 其余方向相反呈负相关, 对土壤Cd迁移性和可利用性均有较强的影响作用。其中, TK与Cd迁移性和可利用性方向一致且夹角较小, 呈显著正相关关系, 说明全钾对土壤Cd迁移性、可利用性存在显著的正效应。而TE-GRSP、AK分别与土壤Cd迁移性、可利用性呈高度负相关。

图5 土壤化学性质、球囊霉素与Cd迁移性、可利用性的冗余度分析Fig.5 Redundancy analysis of soil chemical properties and glomalin content and the mobility and availability of Cd

RDA二维图仅反映出土壤环境因子与土壤Cd迁移性、可利用性间存在相关性, 难以量化土壤环境因子对土壤Cd迁移性、可利用性的贡献程度。为此, 对环境因子进行蒙特卡洛置换检验(表3), 各指标对土壤Cd迁移性和可利用性重要性排序为TEGRSP>AK>pH>EE-GRSP>TK>TP>TN>AN (有效氮)>OP (有效磷)>OM (有机质), 其中TE-GRSP对土壤Cd迁移性和可利用性的影响达极显著水平(P<0.01), AK达显著水平(P<0.05), 解释量分别为36.3%和16.9%, 其余指标的影响不显著, 解释量也较小。说明土壤TE-GRSP、AK是影响土壤Cd迁移性和可利用性的较关键的因子。

表3 土壤化学性质与球囊霉素的显著性检验结果和重要性排序Table 3 Significance and importance of soil chemical properties and glomalin content

3 讨论

3.1 重金属超积累植物间作方式对土壤Cd迁移性与可利用性的影响

我国土壤受Cd等重金属污染的耕地面积达2000 hm2[33]。伴矿景天是一种Cd的超积累植物[34],与辣椒间作能够降低辣椒根系周围土壤酸溶态和可还原态Cd含量, 但对其可氧化态和残渣态Cd含量影响不显著。与单作相比, 交叉式间作(间作2)、混合式间作(间作3)显著降低了酸溶态和可还原态Cd含量。Deng等[26]通过连续8年的田间试验研究表明, 伴矿景天和玉米间作, 土壤中的Cd总含量降低85.4%, 修复效率较单作显著提高, 本研究结果与之相一致。本试验显示, 间作2和间作3模式显著降低了辣椒根系周围土壤酸溶态和可还原态Cd含量; 但间作1对辣椒根系周围土壤酸溶态和可还原态Cd含量变化影响不明显, 其可能原因在于本研究中交叉式和混合式间作, 植物间距为20 cm, 条带式间作植物行间距为25 cm。也即间作1与间作2、间作3相比辣椒与伴矿景天根系相距较远, 这种间距差异可能导致伴矿景天植物根系没有对辣椒根系周围土壤的元素吸收产生大的影响。有研究表明, 不同间作方式对超积累植物生长和重金属吸收的影响各异[35]。也有研究表明, 间作试验中植物种植密度、不同植物根系的位置关系对于间作的效果有重要影响[36]。如但春凤等[37]通过玉米与紫花苜蓿(Medicago sativa)间作研究了不同间作距离对土壤化学性质的影响, 发现不同的间作模式对土壤化学性质的影响存在一定差异。张艳等[38]通过大田试验研究了甘薯(Dioscorea esculenta)/玉米不同间作方式对土壤养分、酶活性的影响, 发现甘薯、玉米间作4∶1条带比栽培模式具有间作优势, 较单作显著提高了土壤全氮、有机质含量, 促进了作物对土壤养分的吸收以及土壤脲酶、过氧化氢酶的活性。姚远等[39]的研究表明, 花生(Arachis hypogaea)与玉米4∶1、4∶2间作模式下土壤硝酸还原酶活性、根系活力在各个时期均高于5∶3间作模式。本研究结果也表明, 伴矿景天与辣椒间作对辣椒根系周围土壤不同形态Cd含量产生明显影响, 同时对不同形态Cd含量的影响还与间作方式有关。

Cd在土壤-植物系统中的迁移转化能力主要取决于土壤对Cd的吸附性能[40]。土壤Cd迁移性与可利用性越高说明越易被植物所吸收。本研究表明,伴矿景天与辣椒间作有效降低辣椒根系周围土壤Cd迁移性和可利用性。其原因可能在于伴矿景天根际的内生细菌对于促进土壤Cd等重金属有效性的增加及伴矿景天促进土壤对Cd的吸附作用[41]。间作1对辣椒根系周围土壤Cd迁移性和可利用性影响不明显, 但间作1、间作2、间作3下辣椒根系周围土壤Cd迁移性和可利用性表现出下降的趋势, 也即间作1>间作2>间作3。这可能是由于伴矿景天根系较浅[42], 大田条件下, 伴矿景天根系对辣椒根系生长区域的重金属有效性的影响及辣椒-伴矿景天根系吸收重金属的影响可能较小, 而间作2、间作3模式下, 辣椒与景天根系相距较近且景天数量较多。这种差异表明伴矿景天与辣椒间作距离和伴矿景天数量会对辣椒根系周围土壤Cd迁移性和可利用性产生影响, 未来可侧重于适宜的间作距离的探索。

3.2 间作方式下土壤化学性质与GRSP变化对土壤Cd迁移和可利用风险的影响

间作条件下, 植物既有种内相互作用又有种间相互作用, 是改善土壤养分有效性, 提高植物对养分利用率的一种有效措施[43]。本研究表明, 伴矿景天与辣椒间作能有效增加根系周围土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、有效磷、速效钾以及球囊霉素含量,这可能是由于间作模式下辣椒以及伴矿景天根系相互影响, 使根系分泌物种类、数量有所变化, 能分泌一些对微生物有益的酶和生物调节剂等物质来吸引微生物, 进而对土壤结构的形成、有机质的分解及土壤养分循环产生影响[44]。蒙秋霞等[45]通过大樱桃(Cerasusspp.)幼树与不同瓜菜作物间作, 研究了间作对土壤理化性质、微生物区系的影响, 结果表明: 不同间作处理土壤全氮、硝态氮、全磷、有效磷含量和pH、CEC呈上升趋势, 土壤真菌含量也均有不同程度提高, 这与本研究结果相似。伴矿景天与辣椒间作降低了根系周围土壤全钾含量, 而pH无明显变化。其原因可能在于伴矿景天与辣椒间作时, 可能因竞争养分, 产生更多的有机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,低分子有机酸与Cd形成螯合物[46], 使得土壤中酸溶态和可还原态Cd更易被伴矿景天吸收, 从而使土壤中残留的Cd含量降低。其中间作2、间作3显著增加了辣椒根系周围土壤TE-GRSP含量和EE-GRSP含量, 间作1显著增加了辣椒根系周围土壤EEGRSP含量。而球囊霉素相关土壤蛋白(GRSP)是土壤有机质的重要组成部分, 可以提高土壤团聚体的水稳定性, 对调节土壤中生物化学转换以及保持土壤碳、氮、磷循环起到重要作用[47]。不少研究表明,GRSP能够吸附土壤中的重金属离子, 螯合土壤中的有毒元素, 从而有效固定土壤中的重金属[48-49]。因此,在伴矿景天与辣椒间作条件下, 间作植物可通过影响土壤化学性质进而影响土壤Cd迁移性和可利用性, 其中机理有待进一步研究。