铅镉胁迫下蜀葵与油菜混作对油菜重金属积累的影响

熊明彪，王 博，杨绍平，王乾鑫，张 恒，孙博文，纪丁愈，杨远祥*

(1.四川水利创新发展研究院，成都 611230；2.四川水利职业技术学院，成都 611230；3.四川农业大学，成都 611130；4.四川工商职业技术学院，成都 611830)

我国耕地土壤重金属等污染物土壤点位超标率达19.4%[1]重金属污染形势严峻。重金属污染具有难降解、持续时间长、隐蔽性与滞后性等特点[2]，它们可以通过食物链进入人体，对人体健康产生不良影响[3]。同时，土壤重金属污染也严重阻碍我国的粮食生产[4]。因此急需有效控制土壤中重金属，尤其是铅、镉进入蔬菜或农作物可食用部分或降低土壤中铅、镉含量，达到有效提高食品安全、保证人体健康。油菜是我国广泛种植的一种油料作物，种植面积约6.6×106hm2，产量占世界的20%[5-6]，但我国食用油自给率只有38.1%，不能满足国家发展需求。鉴于油菜作物对国家发展的重要性，为了提升油菜产量与食用油自给率，我国需要重视油菜的种植，尤其是在重金属污染土壤中如何保证产量与安全值得探讨与研究。植物修复技术作为土壤重金属修复的关键技术之一，而超富集植物为该技术的核心载体[7]。蜀葵作为一种超富集植物，对土壤重金属具有良好的修复效果，有研究表明蜀葵对铅、镉元素存在较强富集的特性[8-9]。据研究，在重金属污染条件下，不同植物混作会影响混种植物对重金属的积累[10]。在牛膝菊与生菜混作[11]、花卉与葡萄混种的试验[12]中，富集植物与作物混种能有效降低作物对重金属的富集。

目前国内外有关油菜与蜀葵混作对土壤重金属修复效果影响、对油菜品质影响的研究鲜见报道。鉴此，本研究选取全国广泛种植的农作物-油菜、四川地区原产花卉-蜀葵为材料，通过盆栽模拟重金属污染的试验，探讨在铅、镉污染条件下，农作物与富集植物混作对油菜品质、重金属残留的影响。希望能为土壤中镉、铅污染治理、农作物品质提升等提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试植物：油菜种子“德5油33号”、蜀葵种子购于成都市温江区农资公司。

供试土壤：取自四川农业大学现代农业研发基地的水稻土。其基本理化性状： pH 6.76、有机质31.68g/kg、全氮3.53g/kg、全磷0.32g/kg、全钾17.41g/kg、镉0.06mg/kg、铅45.26mg/kg、碱解氮194.00mg/kg、速效磷6.18mg/kg、速效钾91.17mg/kg。

供试重金属：铅、镉均为分析纯(AR)。

1.2 试验设计

试验于2019年12月至2020年5月进行，地点在四川农业大学现代农业研发基地的人工大棚(103°51′39.72″E，30°42′21.87″N)，大棚内通风和透光良好。试验前，在稻田中取土样，先将田块均一分为4小块，每小块采取蛇形布设五点取样进行供试土样的采集。每一个取样点，先剥去土地表层杂物，再取0～20cm的表土约20kg。将所有取样点土样混合均匀，去除石块、根系等杂物后，将土壤装入规格80cm×40cm×30cm的方形塑料盆，每个塑料盆的装土需要达到约30kg。根据《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618-2018)，每盆供试土壤铅、镉含量设置为700mg/kg、3.0mg/kg，为使供试土壤铅、镉含量达到要求值，根据计算称取足量的Pb(NO3)2、CdCl2充分溶于去离子水中，然后将该溶液与土样充分混匀、浸泡、静置1个月。处理完成后备用。选用重量0.1kg的油菜、蜀葵种子，先晾晒2d，然后用水浸种10h，最后用0.1%～1%浓度的过氧化氢浸泡5h左右进行消毒处理。采用普通培养皿发芽法，置于培养箱内催芽后转移至试验大棚无污染土壤中进行幼苗培养约1个月。在培养出的幼苗中挑选大小形态类似的油菜、蜀葵幼苗，将其移栽至土壤重金属处理后的塑料盆中，培养180d，培养过程中保证土壤含水量保持在70%左右。

每个塑料盆中种植的植株数量为8株，其中的蜀葵、油菜植株按照一定的数量比例进行混作。根据蜀葵与油菜不同的混作比例，本试验分成5个是试验组，分别为CK、YH1、YH2、YH3、YH4。5个试验组中的蜀葵与油菜的混作比例见表1。

表1 不同混作比例

1.3 样品采集

移栽培养70d时，取油菜、蜀葵新鲜叶片供酶活测定。采集的油菜、蜀葵叶片样品先用自来水冲洗干净，之后用20 mmol/L Na2-EDTA交换20min，再用去离子水洗净，用吸水纸擦干，立即检测相关指标或者放入液氮速冻保存，保存于-75℃(ThermoFreezer 700，USA)超低温冰箱以免鲜样中酶失去活性。

移栽培养180d时，收割整株油菜、蜀葵。收割的油菜、蜀葵植物样品，先105℃杀青30min，然后75℃烘干至恒重，称植物干重，最后用不锈钢粉碎机粉碎样品保存于干燥器中备用。

1.4 测定方法

对植物样品分析测定，分析测定方法见表2。

表2 植物样品指标及分析测定方法

根据测定结果计算富集系数、转运系数和耐性指数，用于判断植物对Pb、Cd的吸附和转运能力[14]，公式如下：

富集系数(Bioconcentration coefficient，BCF)=植株体积累的重金属浓度/土壤中重金属浓度

转运系数(Translocation coefficient，TF)=植物地上部重金属浓度/植物地下部重金属浓度

耐性指数(Tolerance index，TI)=处理组植物生物量/对照组植物生物量

1.5 数据分析

数据以平均数±标准误来表示，采用Microsoft Excel 2010软件对数据进行处理，用SPSS20.0进行单因素方差分析(One-way ANOVA)，最小显著差异法(LSD)在α=0.05水平进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同混作比例对蜀葵和油菜生物量的影响

将单作蜀葵(YH4)作为对照，混作蜀葵地上、地下部分的生物量均下降。当混作比例为蜀葵∶油菜=1∶3时，蜀葵地上、地下部分的生物量分别下降16.23%、23.85%；当蜀葵∶油菜=2∶2时，蜀葵生物量分别下降8.30%、21.36%；当蜀葵∶油菜=3∶1时，蜀葵生物量分别下降5.48%、11.26%。

图1 混作蜀葵的生物量

将单作油菜(CK)作为对照，混作油菜地上、地下部分以及油菜籽的生物量是上升的。当混作比例为蜀葵∶油菜=1∶3时，油菜的油菜籽与地上、地下部分生物量分别上升12.75%、11.97%、34.43%；当蜀葵∶油菜=2∶2时，油菜生物量分别上升80.18%、76.75%、125.88%；当间蜀葵∶油菜=3∶1时，油菜生物量分别上升94.86%、189.15%、248.34%。

图2 混作油菜的生物量

蜀葵与油菜的耐性指数变化规律与生物量变化规律一致，与单作相比，混作蜀葵耐性指数下降，混作油菜耐性指数上升。但是在混作蜀葵、油菜中，蜀葵数量占比越高，两者耐性指数越高。所以试验组YH1 、YH2、 YH3中，蜀葵的耐性指数比对照组YH4依次减少0.20、0.14、0.08，油菜的耐性指数比对照组CK依次增加0.14、0.82、1.96。

2.2 不同混作比例对蜀葵和油菜Pb、Cd含量的影响

蜀葵中的Pb、Cd主要积累在根部，与蜀葵的单作试验组YH4相比，混作蜀葵地上、地下部分的Pb、Cd含量是下降的，从YH1至YH3，地上部分Pb含量下降39.80%、30.83%、17.93%，Cd含量下降28.43%、19.52%、13.15%。地下部分Pb含量下降70.58%、41.38%、18.66%，Cd含量下降35.80%、23.33%、12.99%。油菜中的Pb、Cd也主要积累在根部，与油菜的单作试验组CK相比，混作油菜的地上、地下部分以及油菜籽的Pb、Cd含量也是下降的，从YH1至YH3，地上部分Pb含量下降19.72%、31.43%、42.52%，Cd含量下降32.72%、39.76%、50.15%。地下部分Pb含量下降13.68%、18.88%、31.45%，Cd含量下降3.15%、10.39%、26.53%。油菜籽Pb含量下降20.81%、31.98%、46.51%，Cd含量下降33.57%、40.56%、51.05%。

图3 混作油菜与蜀葵的耐性指数

表3 不同混作比例对蜀葵、油菜铅、镉含量的影响

2.3 不同混作比例对蜀葵和油菜Pb、Cd富集系数与转移系数的影响

在不同混作比例中，随着蜀葵的数量占比升高，蜀葵的Pb、Cd富集系数升高，而转移系数下降。当混作比例为蜀葵∶油菜=1∶3时，蜀葵的Pb、Cd富集系数最低而转移系数最高，与单作蜀葵的最高富集系数、最低转移系数相比，Pb分别相差0.17、0.25，Cd分别相差0.07、0.06。而随着蜀葵的数量占比升高，油菜的Pb、Cd富集系数与转移系数都随之下降，当混作比例为蜀葵∶油菜=3∶1时，油菜的Pb富集系数与转移系数最低，与单作油菜的最高富集系数与转移系数相比，Pb分别相差0.11、0.03，Cd分别相差0.06、0.20。

2.4 不同混作比例对蜀葵和油菜叶片抗氧化酶活性的影响

混作油菜抗氧化酶活性(SOD、POD、CAT)低于单作油菜，混作蜀葵除了POD活性高于单作蜀葵，SOD、CAT活性也低于单作蜀葵。在混作比例中，蜀葵的数量占比升高，混作蜀葵的抗氧化酶中POD呈下降趋势，SOD、CAT为上升趋势，而油菜的抗氧化酶呈下降趋势。当混作比例为蜀葵∶油菜=3∶1，与单作蜀葵相比，混作蜀葵的SOD含量下降3.50%、POD含量上升6.40%、CAT含量下降13.42%。与单作油菜相比，混作油菜的SOD下降16.79%、POD含量下降8.12%、CAT含量下降37.65%。

表4 不同混作比对蜀葵、油菜富集系数和转移系数的影响

表5 不同混作比例对蜀葵和油菜叶片抗氧化酶活性的影响

2.5 不同混作比例下油菜吸收Pb、Cd的相关性分析

根据表7数据所示，不同混作比例与油菜地上部分Cd含量、地下部分Cd含量、Cd富集系数具有负相关性，与地上生物量具有正相关性，与油菜地上部分Pb含量、油菜地下部分Pb含量、Pb富集系数具有显著负相关性(r=-0.989*、-0.987*、-0.989*)，与油菜地下生物量有显著正相关性(r=0.973*)。

表6 不同混作比例下油菜吸收Pb、Cd的相关性分析

3 讨论

根据本次试验，混作油菜与单作(CK)相比，其生物量与耐性指数升高，且混作试验组中，蜀葵的数量占比越高，油菜的生物量与耐性指数越高。有研究表明，在土壤重金属胁迫条件下，富集植物与普通植物混作能降低重金属的生物有效性以及对普通植物的毒性[15]。与本次试验结果一致，蜀葵降低Pb、Cd的生物有效性以及毒性，对油菜起保护作用。根据徐彦红[16]的试验，富集植物紫花苜蓿与其他植物混作时，生物量会降低。与本次试验蜀葵情况一致，说明蜀葵与油菜间存在种间竞争。

在植物体内Pb、Cd的分布特征为地下>地上，说明植物吸收的Pb、Cd主要积累在根部，与杨绩然的重金属试验结果一致[17]。富集植物与作物混作，富集植物能有效抑制作物对重金属的吸收，与黄佳璟等人的试验结果一致[18]。因此，与单作油菜相比，混作油菜地上、地下部分与油菜籽的Pb、Cd含量都会下降，且随着混作中的蜀葵数量比例增大，油菜地上、地下部分的Pb、Cd下降量增大。根据闫秀秀的研究，富集植物一方面通过活化土壤周围的重金属，促进作物吸收重金属，另一方面通过竞争吸收、化感等方式抑制作物吸收重金属[19]。本次试验中，富集植物蜀葵地下部分的Pb、Cd含量相比单作是降低的，而作物油菜地上、地下部分的Pb、Cd含量相比单作也是下降的，这与欧发刚等人的试验结果一致[20]。说明蜀葵、油菜的根系在Pb、Cd吸收的相互作用中，油菜与蜀葵相互抑制各自对Pb、Cd的吸收，但蜀葵在Pb、Cd的吸收方面比油菜更有优势，进而抑制油菜对Pb、Cd的吸收。在转移系数方面，与陈建军[21]等人的试验结果一致，混作蜀葵与单作相比转移系数上升，而混作油菜与单作相比转移系数下降。说明蜀葵能一定程度上抑制了油菜的Pb、Cd污染物从地下向地上部分转移，最终使油菜地上部分的Cd、Pb含量下降。

在重金属胁迫下, 植物体内会产生 SOD、POD、CAT 等抗氧化的物质, 通过生化反应来清除体内活性氧等物质[22]。根据试验结果，混作蜀葵、油菜的SOD含量比单作更低。根据朱秀红[23]等人的试验结果，植物体内SOD的活性基本会先随重金属浓度升高而升高，本次试验中，蜀葵与油菜相互抑制对Pb、Cd的吸收，使混作油菜、蜀葵体内的重金属含量减少，SOD活性也减少。不同植物体内的抗氧化酶对重金属能表现出不同的生态效应[24]，本次与单作相比，混作蜀葵POD是下降的，CAT是上升的，而混作油菜的POD与CAT都是下降的。油菜与蜀葵抗氧化酶的变化，也说明植物在重金属胁迫下，混作可以改变植物自身酶的合成机制。

根据《食品安全国家标准 食品中污染物限量》(GB2762-2017)，油菜属于叶菜蔬菜，因此油菜的Pb、Cd安全标准分别为0.3mg/kg、0.2mg/kg。根据试验结果，处理组油菜籽的Cd含量达到安全标准。根据混作以及Pb、Cd复合胁迫对油菜吸收Pb、Cd的影响[25]，油菜籽的Cd含量最终符合食品安全标准。而由于土壤中的Pb含量过高，虽然混作使油菜籽Pb含量降低，但未降至安全标准。

4 结论

蜀葵与油菜混作能有效降低油菜地上部分的重金属含量，增加油菜地上部分生物量，对油菜的安全质量有积极作用。在本试验中，混作比例为油菜∶蜀葵=1∶3时，蜀葵对油菜在Pb、Cd积累的抑制作用最佳。