伴礦景天間作方式對辣椒根圍土壤鎘遷移與有效性的影響*

王高飛, 周 鵬, 王永平, 王 巖, 林 杉, 邢 丹**

(1.貴州省農業科學院辣椒研究所 貴陽 550000; 2.貴州大學農學院 貴陽 550000;3.華中農業大學資源與環境學院/農業部長江中下游耕地保育重點實驗室 武漢 430070)

鎘(Cd)是典型的有毒有害、人體非必需的微量元素, 也是我國土壤污染最為嚴重的重金屬元素[1-2]。Cd的遷移性、生物可利用性與其在土壤中存在形態密切關聯[3-5]。利用改進的BCR連續提取技術分析Cd形態特征, 其中酸溶態和可還原態的Cd較易被植物利用; 可氧化態較為穩定, 在氧化條件下可發生轉化對生物具有潛在危害; 而殘渣態與土壤結合較牢固, 不易被植物吸收利用, 其所占比例越高意味著生物可利用部分越少[6-9]?；贑d賦存形態所占比例, 將土壤中Cd生物有效性分為可利用態(酸溶態和可還原態之和)、中等利用態(可氧化態)和難利用態(殘渣態)[10]。因而, 可通過掌握土壤Cd賦存形態評估土壤環境中Cd遷移和可利用風險。

通常認為, 土壤pH、有機質等化學性質影響Cd的存在形態[4,11]。土壤pH是影響Cd形態的最重要因素之一, 隨著土壤pH升高可交換態Cd含量下降, 殘渣態Cd含量上升[12-17]。土壤有機質能與Cd2+形成具有不同化學和生物學的穩定性物質, 但其對Cd形態影響較為復雜[18-19]。值得注意的是, 近來研究發現球囊霉素相關土壤蛋白(GRSP)是土壤有機質重要組分, 在有機碳含量中占比高達25%以上[20-21]。GRSP是菌根植物根系菌絲進入土壤分泌產生的一種糖蛋白, 對土壤理化性質具有一定影響, 并對土壤中重金屬具有固定作用, 能夠降低重金屬的生物有效性[22-24]。土壤pH及有機質和GRSP含量等與宿主植物類型密切相關, 受耕作方式、環境脅迫等因素影響[20]。然而, 有關間作體系土壤環境中GRSP與Cd形態轉變關系的機制尚不明確。

超積累植物與經濟作物的間套作是植物吸取修復Cd污染土壤的一種常見實施方式, 可在修復過程中維持一定的經濟產出。能鳳嬌等[25]研究表明, 芹菜(Apium graveolens)與超積累植物伴礦景天(Sedum plumbizincicola)間作, 伴礦景天生長更旺盛, 土壤Cd含量降低50%, 顯著高于單作處理, 芹菜中Cd含量(0.015 mg·kg?1)也明顯低于國家蔬菜限量標準(0.2 mg·kg?1)。連續8年的田間試驗研究表明[26], 伴礦景天和玉米(Zea mays)間作, 土壤中的Zn和Cd總含量分別降低18.8%和85.4%, 修復效率較單作顯著提高。但也有研究表明, 莧菜(Amaranthuscruetus)與Cd超富集植物伴礦景天間作提高土壤乙酸銨-Cd含量[27]。同時有研究表明, 間作方式會對作物間的并存效應產生一定的影響[28]。由此可見, 伴礦景天與作物間作對土壤Cd含量的影響不但與作物種類有關,同時對土壤不同形態鎘含量影響不同, 而且又受間作方式的影響。

辣椒(Capsicum annum)作為特色優勢經濟作物,具有富集Cd習性, 辣椒與Cd超積累植物?伴礦景天間作, 可降低土壤Cd含量。但間作方式對土壤Cd不同形態含量變化的影響, 以及這種變化與土壤化學性質、GRSP的關聯尚鮮見系統報道。因而, 本研究通過辣椒與伴礦景天進行帶狀、交叉、混合3種間作, 分析各間作體系辣椒根系周圍土壤Cd的形態和GRSP變化, 闡明伴礦景天間作對辣椒根系周圍土壤Cd的作用機制, 探究土壤Cd的遷移轉化機制,為中低程度Cd污染農田更好利用伴礦景天修復提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗選取辣椒品種為‘辣研201’, 由貴州省農業科學院辣椒研究所胡明文研究員課題組提供, 漂浮盤中進行漂浮辣椒育苗, 隨時補充水分和養分, 待辣椒長出4～5片真葉時, 選擇長勢一致的幼苗進行移栽; 伴礦景天由中國科學院南京土壤研究所吳龍華研究員課題組提供, 于2019年3月至9月進行試驗。

1.2 試驗設計

試驗地點位于貴州省遵義市新蒲新區, 屬亞熱帶季風性濕潤氣候, 雨量充沛, 年均降水量1200 mm。土壤類型為黃壤, 土壤pH 5.51, 有機質11.4 g?kg?1, 全氮1.78 g?kg?1, 有效磷29.7 mg?kg?1, 速效鉀110 mg?kg?1,全Cd含量0.77 mg?kg?1。

試驗設置伴礦景天單作、辣椒單作、伴礦景天條帶式間作辣椒(間作1)、伴礦景天交叉式間作辣椒(間作2)、伴礦景天混合式間作辣椒(間作3), 共5種種植模式(圖1), 3個重復, 共計15個小區, 小區面積50 m2(5 m×10 m)。辣椒單作、間作株距均為40 cm, 行距均為50 cm; 伴礦景天單作株距20 cm, 行距50 cm (圖1)。所有種植模式肥料用量相同, 氮、磷、鉀肥用量分別為450 kg(N)?hm?2、225 kg(P2O5)?hm?2和450 kg(K2O)?hm?2, 氮、磷、鉀肥種類分別為尿素、磷酸二銨和硫酸鉀。于2019年5月整地, 起壟前將氮肥、磷肥和鉀肥作為基肥一次均勻撒入各小區。

圖1 不同處理的礦伴景天與辣椒種植模式Fig.1 Intercropping patterns of Capsicum annum and Sedum plumbizincicola of different treatments

待辣椒果實成熟時, 于2019年9月采集伴礦景天和辣椒根系周圍土壤樣品。以植物莖稈為中心,用不銹鋼土鉆垂直向下取半徑5 cm范圍內、0～20 cm表層土壤。每個小區隨機選取5株, 土樣混合, 將樣品除雜、風干, 用四分法分為兩份后, 分別過2 mm和0.149 mm尼龍篩, 備用。

1.3 樣品測定方法

土壤不同形態Cd含量: 參照改進的BCR[29]連續提取法, ICP-MS (上海賽默飛iCAPQ等離子體質譜儀)測定各形態Cd含量。

土壤化學性質: 參照土壤農化分析方法[30], 土壤有機質含量采用重鉻酸鉀-外加熱法(K2Cr2O7-H2SO4法)測定, 全氮含量采用凱氏定氮法, 全磷采用鉬銻抗比色法, 全鉀采用火焰光度法, 堿解氮含量采用堿解擴散法測定, 有效磷采用鉬銻抗比色法測定, 速效鉀采用NH4OAc浸提-火焰光度法測定, pH測定采用水浸提(土水比2.5∶1)、pH計(上海精密科學儀器有限公司, 雷磁pHS 3C)測定。

土壤GRSP: 分TE-GRSP (總提取球囊霉素)、EEGRSP (易提取球囊霉素相關蛋白, 一種呈現活性和不穩定的球囊霉素相關蛋白), 含量根據Wright等[31]描述方法提取測定。

1.4 土壤Cd遷移性和可利用性計算

1.5 數據處理與分析

采用SPSS 24.0軟件對數據進行統計分析, LSD多重比較檢驗各處理平均值之間的差異顯著性。利用Origin 9.1繪制柱狀圖, Canoco冗余分析。

2 結果與分析

2.1 間作對作物根系周圍土壤不同形態Cd含量的影響

伴礦景天間作可降低辣椒根系周圍土壤酸溶態和可還原態Cd含量, 但對可氧化態和殘渣態Cd含量影響不顯著(圖2)。其中, 間作1對辣椒根系周圍土壤酸溶態和可還原態Cd含量變化影響不顯著, 而間作2和間作3顯著降低了這兩種形態Cd的含量。與辣椒單作相比, 間作2和間作3模式顯著降低了土壤酸溶態Cd含量, 分別減少39.6%和41.5%, 同時顯著降低了土壤可還原態Cd含量, 分別減少23.9%和29.0%。辣椒根系周圍土壤酸溶態和可氧化態Cd含量3種間作模式之間無顯著性差異, 可還原態Cd含量間作1顯著高于間作2和間作3, 殘渣態Cd含量間作3顯著高于間作1和間作2。間作2和間作3也顯著降低了伴礦景天根系周圍土壤可還原態Cd含量, 但對可氧化態和殘渣態Cd含量影響不顯著。伴礦景天根系周圍土壤酸溶態Cd含量間作2顯著低于間作1, 可還原態Cd含量間作1顯著高于間作2和間作3, 可氧化態和殘渣態Cd含量3種間作模式之間無顯著性差異。

圖2 伴礦景天和辣椒不同種植方式下土壤Cd形態變化Fig.2 Changes of soil Cd forms under different planting patterns of Capsicum annum and Sedum plumbizincicola

2.2 間作對作物根系周圍土壤Cd遷移和可利用風險影響評估

伴礦景天與辣椒的各種間作模式均降低了辣椒根系周圍土壤Cd遷移和可利用風險(圖3)。其中,間作1對土壤Cd遷移和可利用風險影響不顯著, 而間作2和間作3顯著降低了這兩種風險。與辣椒單作相比, 間作2和間作3模式使辣椒根系周圍土壤Cd可遷移性分別顯著降低25.8%和34.2%, 使土壤Cd可利用性分別降低11.6%和26.9% 。3種間作模式間辣椒根系周圍土壤Cd遷移性無顯著性差異, 間作2和間作3的Cd可利用性均顯著低于間作1。間作對伴礦景天根系周圍土壤Cd遷移性影響不顯著,而間作2和間作3顯著降低了伴礦景天根系周圍土壤Cd可利用性。

圖3 伴礦景天和辣椒不同種植方式對土壤Cd遷移和Cd可利用的影響Fig.3 Effects of planting patterns of Capsicum annum and Sedum plumbizincicola on the migration and bioavailability of soil Cd

2.3 間作對作物根系周圍土壤化學性質的影響

伴礦景天與辣椒各種間作模式顯著增加土壤有機質、全氮、全磷、堿解氮、有效磷和速效鉀含量,但顯著降低全鉀含量, pH變化并無明顯差異。與辣椒單作土壤中的有機質、全氮、全磷、堿解氮、有效磷和速效鉀含量相比, 間作1分別增加43.4%、79.6%、51.3%、45.2%、261.3%和107.7%, 間作2分別增加85.1%、68.5%、23.1%、99.3%、146.8%和74.7%, 間作3分別增加65.6%、57.4%、6.41%、111.6%、262.9%和112.3%。與辣椒單作土壤全鉀相比, 間作1、間作2和間作3分別降低10.3%、20.6%和12.9%。辣椒根系周圍土壤化學性質的變化3種間作方式之間相比無明顯規律。間作顯著提高了伴礦景天根系周圍土壤pH, 與伴礦景天單作相比, 間作對伴礦景天根系周圍土壤有機質、全氮無顯著性影響, 而全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀的變化無明顯規律(表1)。

表1 伴礦景天和辣椒不同種植方式對土壤化學性質的影響Table 1 Effects of planting patterns of Capsicum annum and Sedum plumbizincicola on soil chemical properties

2.4 間作對作物根系周圍土壤GRSP變化的影響

伴礦景天和辣椒的各間作模式有效增加辣椒根系周圍土壤球囊霉素含量(圖4)。與單作相比, 間作1顯著降低TE-GRSP含量, 而間作2和間作3顯著增加TE-GRSP含量, 間作1的TE-GRSP含量比單作顯著降低12.2%, 而間作2和間作3比單作顯著增加51.7%和86.7%。辣椒根系周圍土壤TE-GRSP含量間作2和間作3顯著高于間作1。間作1和間作2對伴礦景天根系周圍土壤TE-GRSP含量無顯著影響, 間作3顯著增加了伴礦景天根系周圍土壤TEGRSP含量。

圖4 伴礦景天和辣椒不同種植方式對土壤總提取球囊霉素(TE-GRSP)、易提取球囊霉素(EE-GRSP)相關蛋白含量影響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)

間作1、間作2和間作3顯著增加EE-GRSP含量。與辣椒單作相比, 間作1、間作2和間作3辣椒根系周圍土壤EE-GRSP含量分別顯著增加24.5%、39.9%和40.6%。辣椒根系周圍土壤EE-GRSP含量間作2和間作3均顯著高于間作1。間作2對伴礦景天根系周圍土壤EE-GRSP含量無顯著影響, 間作1和間作3均顯著增加伴礦景天根系周圍土壤EEGRSP含量。

2.5 礦伴景天與辣椒間作下土壤Cd遷移和可利用性與土壤性質的關系

選取土壤pH、有機質、全氮、堿解氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀、總提取球囊霉素、易提取球囊霉素共計10個環境因子與土壤Cd遷移性、可利用性進行RDA分析, 得到環境因子對土壤Cd遷移性、可利用性差異的解釋量, 結果如表2所示。排序軸第1軸和第2軸的特征值分別為0.5471和0.1522, 即前兩軸環境因子累計解釋Cd遷移性和可利用性特征為69.93%。土壤Cd遷移性、可利用性與環境因子前2個排序軸的相關性分別為0.8735和0.7334, 對土壤Cd遷移性、可利用性與環境因子關系的累計解釋量為100.00%。表明前兩軸能較好地反映土壤Cd遷移性、可利用性與環境因子關系, 且主要由第1軸決定。

表2 土壤Cd遷移性和可利用性與土壤化學性質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

通過第1軸和第2軸的解釋量得到土壤Cd遷移性、可利用性與環境因子的RDA二維排序圖, 如圖5所示。實心箭頭表示土壤Cd遷移性和可利用性, 空心箭頭表示土壤環境因子?？招募^連線的長度表示土壤Cd遷移、可利用性與環境因子間的相關程度, 箭頭連線越長表示因子間關聯性越強, 土壤環境因子箭頭連線在土壤Cd遷移性、可利用性箭頭連線上的垂直投影越長(余弦值越大), 其對相應的土壤Cd遷移性或可利用性影響越大。箭頭連線與排序軸的夾角代表該因子與排序軸相關性的大小,夾角越小, 相關性越大。

由圖5可知, pH、全氮(TN)、全磷(TP)、全鉀(TK)、有效鉀(AK)和總提取球囊霉素(TE-GRSP)、易提取球囊霉素(EE-GRSP)箭頭連線較長, 且TP、TK與Cd遷移性和可利用性箭頭方向一致呈正相關關系, 其余方向相反呈負相關, 對土壤Cd遷移性和可利用性均有較強的影響作用。其中, TK與Cd遷移性和可利用性方向一致且夾角較小, 呈顯著正相關關系, 說明全鉀對土壤Cd遷移性、可利用性存在顯著的正效應。而TE-GRSP、AK分別與土壤Cd遷移性、可利用性呈高度負相關。

圖5 土壤化學性質、球囊霉素與Cd遷移性、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二維圖僅反映出土壤環境因子與土壤Cd遷移性、可利用性間存在相關性, 難以量化土壤環境因子對土壤Cd遷移性、可利用性的貢獻程度。為此, 對環境因子進行蒙特卡洛置換檢驗(表3), 各指標對土壤Cd遷移性和可利用性重要性排序為TEGRSP>AK>pH>EE-GRSP>TK>TP>TN>AN (有效氮)>OP (有效磷)>OM (有機質), 其中TE-GRSP對土壤Cd遷移性和可利用性的影響達極顯著水平(P<0.01), AK達顯著水平(P<0.05), 解釋量分別為36.3%和16.9%, 其余指標的影響不顯著, 解釋量也較小。說明土壤TE-GRSP、AK是影響土壤Cd遷移性和可利用性的較關鍵的因子。

表3 土壤化學性質與球囊霉素的顯著性檢驗結果和重要性排序Table 3 Significance and importance of soil chemical properties and glomalin content

3 討論

3.1 重金屬超積累植物間作方式對土壤Cd遷移性與可利用性的影響

我國土壤受Cd等重金屬污染的耕地面積達2000 hm2[33]。伴礦景天是一種Cd的超積累植物[34],與辣椒間作能夠降低辣椒根系周圍土壤酸溶態和可還原態Cd含量, 但對其可氧化態和殘渣態Cd含量影響不顯著。與單作相比, 交叉式間作(間作2)、混合式間作(間作3)顯著降低了酸溶態和可還原態Cd含量。Deng等[26]通過連續8年的田間試驗研究表明, 伴礦景天和玉米間作, 土壤中的Cd總含量降低85.4%, 修復效率較單作顯著提高, 本研究結果與之相一致。本試驗顯示, 間作2和間作3模式顯著降低了辣椒根系周圍土壤酸溶態和可還原態Cd含量; 但間作1對辣椒根系周圍土壤酸溶態和可還原態Cd含量變化影響不明顯, 其可能原因在于本研究中交叉式和混合式間作, 植物間距為20 cm, 條帶式間作植物行間距為25 cm。也即間作1與間作2、間作3相比辣椒與伴礦景天根系相距較遠, 這種間距差異可能導致伴礦景天植物根系沒有對辣椒根系周圍土壤的元素吸收產生大的影響。有研究表明, 不同間作方式對超積累植物生長和重金屬吸收的影響各異[35]。也有研究表明, 間作試驗中植物種植密度、不同植物根系的位置關系對于間作的效果有重要影響[36]。如但春鳳等[37]通過玉米與紫花苜蓿(Medicago sativa)間作研究了不同間作距離對土壤化學性質的影響, 發現不同的間作模式對土壤化學性質的影響存在一定差異。張艷等[38]通過大田試驗研究了甘薯(Dioscorea esculenta)/玉米不同間作方式對土壤養分、酶活性的影響, 發現甘薯、玉米間作4∶1條帶比栽培模式具有間作優勢, 較單作顯著提高了土壤全氮、有機質含量, 促進了作物對土壤養分的吸收以及土壤脲酶、過氧化氫酶的活性。姚遠等[39]的研究表明, 花生(Arachis hypogaea)與玉米4∶1、4∶2間作模式下土壤硝酸還原酶活性、根系活力在各個時期均高于5∶3間作模式。本研究結果也表明, 伴礦景天與辣椒間作對辣椒根系周圍土壤不同形態Cd含量產生明顯影響, 同時對不同形態Cd含量的影響還與間作方式有關。

Cd在土壤-植物系統中的遷移轉化能力主要取決于土壤對Cd的吸附性能[40]。土壤Cd遷移性與可利用性越高說明越易被植物所吸收。本研究表明,伴礦景天與辣椒間作有效降低辣椒根系周圍土壤Cd遷移性和可利用性。其原因可能在于伴礦景天根際的內生細菌對于促進土壤Cd等重金屬有效性的增加及伴礦景天促進土壤對Cd的吸附作用[41]。間作1對辣椒根系周圍土壤Cd遷移性和可利用性影響不明顯, 但間作1、間作2、間作3下辣椒根系周圍土壤Cd遷移性和可利用性表現出下降的趨勢, 也即間作1>間作2>間作3。這可能是由于伴礦景天根系較淺[42], 大田條件下, 伴礦景天根系對辣椒根系生長區域的重金屬有效性的影響及辣椒-伴礦景天根系吸收重金屬的影響可能較小, 而間作2、間作3模式下, 辣椒與景天根系相距較近且景天數量較多。這種差異表明伴礦景天與辣椒間作距離和伴礦景天數量會對辣椒根系周圍土壤Cd遷移性和可利用性產生影響, 未來可側重于適宜的間作距離的探索。

3.2 間作方式下土壤化學性質與GRSP變化對土壤Cd遷移和可利用風險的影響

間作條件下, 植物既有種內相互作用又有種間相互作用, 是改善土壤養分有效性, 提高植物對養分利用率的一種有效措施[43]。本研究表明, 伴礦景天與辣椒間作能有效增加根系周圍土壤有機質、全氮、全磷、堿解氮、有效磷、速效鉀以及球囊霉素含量,這可能是由于間作模式下辣椒以及伴礦景天根系相互影響, 使根系分泌物種類、數量有所變化, 能分泌一些對微生物有益的酶和生物調節劑等物質來吸引微生物, 進而對土壤結構的形成、有機質的分解及土壤養分循環產生影響[44]。蒙秋霞等[45]通過大櫻桃(Cerasusspp.)幼樹與不同瓜菜作物間作, 研究了間作對土壤理化性質、微生物區系的影響, 結果表明: 不同間作處理土壤全氮、硝態氮、全磷、有效磷含量和pH、CEC呈上升趨勢, 土壤真菌含量也均有不同程度提高, 這與本研究結果相似。伴礦景天與辣椒間作降低了根系周圍土壤全鉀含量, 而pH無明顯變化。其原因可能在于伴礦景天與辣椒間作時, 可能因競爭養分, 產生更多的有機分泌物來活化土壤中的養分, 而低分子有機酸是根系分泌物的主要成分,低分子有機酸與Cd形成螯合物[46], 使得土壤中酸溶態和可還原態Cd更易被伴礦景天吸收, 從而使土壤中殘留的Cd含量降低。其中間作2、間作3顯著增加了辣椒根系周圍土壤TE-GRSP含量和EE-GRSP含量, 間作1顯著增加了辣椒根系周圍土壤EEGRSP含量。而球囊霉素相關土壤蛋白(GRSP)是土壤有機質的重要組成部分, 可以提高土壤團聚體的水穩定性, 對調節土壤中生物化學轉換以及保持土壤碳、氮、磷循環起到重要作用[47]。不少研究表明,GRSP能夠吸附土壤中的重金屬離子, 螯合土壤中的有毒元素, 從而有效固定土壤中的重金屬[48-49]。因此,在伴礦景天與辣椒間作條件下, 間作植物可通過影響土壤化學性質進而影響土壤Cd遷移性和可利用性, 其中機理有待進一步研究。

4 結論

1)伴礦景天交叉式間作辣椒以及混合式間作辣椒能顯著降低辣椒根系周圍土壤酸溶態和可還原態Cd含量, 而間作方式對可氧化態和殘渣態Cd含量影響都不顯著。

2)伴礦景天條帶式間作辣椒對辣椒根系周圍土壤Cd遷移性和可利用性影響不明顯, 而伴礦景天交叉式間作辣椒以及混合式間作辣椒顯著降低了辣椒根系周圍土壤Cd遷移性和可利用性。從降低土壤Cd遷移和可利用風險的角度看, 伴礦景天交叉式間作辣椒和混合式間作辣椒要優于伴礦景天條帶式間作辣椒。

3)冗余分析表明, 土壤Cd遷移性、可利用性差異主要受TE-GRSP和AK的負調控, 在生產上可適當通過調節土壤總提取球囊霉素含量以及速效鉀含量進而影響土壤Cd遷移性和可利用性風險。