霍文敏，鄒 茸，王 麗，遲克宇，范洪黎*

[1 中國(guó)地質(zhì)大學(xué) (北京) 土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)部植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3 北京建工環(huán)境修復(fù)股份有限公司，北京 100015]

2014年《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，全國(guó)土壤總的點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)16.1%，土壤Cd污染物點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)到7.0%，為中國(guó)土壤污染中的首要污染物[1]。公報(bào)還指出，與“七五”時(shí)期的全國(guó)土壤環(huán)境背景值調(diào)查數(shù)據(jù)對(duì)比，此次調(diào)查土壤中Cd含量在全國(guó)范圍內(nèi)普遍增加。重金屬Cd具有在土壤中相對(duì)穩(wěn)定、滯留時(shí)間長(zhǎng)、植物或微生物很難降解、隱蔽性和不可逆性的特點(diǎn)，因此它不僅會(huì)直接導(dǎo)致糧食的減產(chǎn)，同時(shí)在農(nóng)作物可食用部位過(guò)量積累后易于通過(guò)食物鏈傳遞給人或動(dòng)物，給人類的健康帶來(lái)嚴(yán)重危害[2]。植物修復(fù)具有經(jīng)濟(jì)費(fèi)用低、耗費(fèi)人力少、處理效率高、不會(huì)產(chǎn)生二次污染并且可以易回收利用金屬的特點(diǎn)，因而是對(duì)重金屬Cd污染土壤治理較為廣泛使用的方法。利用超積累植物對(duì)重金屬的高富集的特性，利用重金屬Cd超積累植物和農(nóng)作物的競(jìng)爭(zhēng)作用，在修復(fù)Cd污染土壤的同時(shí)降低農(nóng)作物對(duì)Cd的吸收，達(dá)到一邊修復(fù)一邊耕作的目的，從而提高土壤的利用率[3–5]，為玉米生產(chǎn)中采取施肥措施促進(jìn)作物生長(zhǎng)、減少作物對(duì)重金屬的吸收以及保障農(nóng)產(chǎn)品安全提供理論依據(jù)。

衛(wèi)澤斌等[6]利用低積累型玉米 (Zea mays L.) 與Cd 超積累植物東南景天 (Sedum alfredii H.) 的競(jìng)爭(zhēng)作用進(jìn)行田間實(shí)驗(yàn)，同時(shí)再施加混合添加劑，結(jié)果顯示超積累植物東南景天能夠促進(jìn)玉米對(duì)重金屬Cd的吸收；曹瑩等[7]通過(guò)盆栽實(shí)驗(yàn)研究Pb、Cd單一重金屬對(duì)玉米品質(zhì)的影響；黃益宗等[8]采用盆栽實(shí)驗(yàn)研究玉米、羽扇豆和鷹嘴豆對(duì)Pb、Cd的競(jìng)爭(zhēng)吸收，結(jié)果表明塑料分隔以及玉米與鷹嘴豆競(jìng)爭(zhēng)模式下玉米地下部對(duì)Pb的吸收顯著性降低；劉海軍等[9]采用盆栽實(shí)驗(yàn)研究了玉米與馬唐競(jìng)爭(zhēng)模式下玉米積累Cd的變化，玉米與馬唐競(jìng)爭(zhēng)模式能夠促進(jìn)玉米根部對(duì)Cd的吸收，而籽粒中Cd含量有所下降。國(guó)外在此方面也有所研究，Whiting等[10]研究表明玉米和超積累植物東南景天競(jìng)爭(zhēng)模式能促進(jìn)兩種植物對(duì)重金屬的吸收。

龍葵 (Solanum nigrum L.) 是中國(guó)境內(nèi)發(fā)現(xiàn)的一種鎘積累植物[11]，一年生草本植物，生于農(nóng)田和荒地，在全國(guó)各地均有分布。喜生于肥沃的微酸性至中性土壤中，具有較強(qiáng)的抗逆境能力和較強(qiáng)的爭(zhēng)光、爭(zhēng)水和爭(zhēng)肥的能力，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)迅速、繁殖能力強(qiáng)，以及在環(huán)境條件適宜的情況下生物量能夠急劇提高等特點(diǎn)，具有耐Cd毒害和富集Cd的能力。施肥是提高農(nóng)田土壤肥力和增加農(nóng)作物產(chǎn)量的重要農(nóng)藝措施之一，也是提高超積累植物修復(fù)污染土壤效率的重要輔助措施[12]。其中，氮作為植物生長(zhǎng)發(fā)育最主要的必需營(yíng)養(yǎng)元素之一，在田間也常是植物生長(zhǎng)首要的限制性營(yíng)養(yǎng)元素。目前國(guó)際上有關(guān)研究表明，施用氮肥可促進(jìn)重金屬超積累植物天藍(lán)遏藍(lán)菜 (Noccaea caerulescens) 的生長(zhǎng)及對(duì)重金屬Zn、Cd的積累[13]。在重金屬Cd的脅迫作用下，不同形態(tài)的氮素對(duì)植物的生長(zhǎng)代謝及重金屬吸收能力表現(xiàn)出不同的影響作用[14]。但是，目前研究大多是不同氮肥對(duì)超積累植物的影響，而不同氮肥用量對(duì)農(nóng)作物與超積累植物競(jìng)爭(zhēng)模式下生物量以及兩種作物吸收Cd的影響尚未進(jìn)行深入研究，同時(shí)對(duì)優(yōu)化Cd超積累植物修復(fù)效率的農(nóng)藝措施研究不多，不同氮肥用量對(duì)Cd超積累植物的促進(jìn)作用及其機(jī)理、調(diào)節(jié)機(jī)制也尚未報(bào)道[15–16]。

在已有研究的基礎(chǔ)上，本文通過(guò)開(kāi)展溫室盆栽試驗(yàn)，研究不同氮肥用量對(duì)玉米和龍葵的生物量、玉米和龍葵各器官吸收Cd的影響，以及土壤中Cd全量、有效態(tài)Cd含量的變化。通過(guò)對(duì)玉米和龍葵生物量、各器官中Cd吸收量的差異性研究，為今后大田推廣玉米–龍葵間作模式修復(fù)Cd污染土壤，降低玉米對(duì)Cd的積累提供依據(jù)[17]。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

采自河南省北部某市，該地區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫14℃，全年日照時(shí)數(shù)約2400 h，年平均降雨量656.3 mm。從污染點(diǎn)的農(nóng)田采樣作為供試土壤，土壤質(zhì)地為砂土，采多點(diǎn)進(jìn)行混合，土壤風(fēng)干、磨碎后過(guò)2 mm、0.25 mm孔徑篩，測(cè)定土壤的基本理化性質(zhì)及重金屬含量。土壤有機(jī)質(zhì)15.0 g/kg，速效鉀 169 mg/kg，水解氮 75 mg/kg，有效磷84.8 mg/kg，陽(yáng)離子交換量 8.8 cmol/kg，全鎘 2.79 mg/kg，有效態(tài)鎘 0.93 mg/kg，pH 8.50。

1.2 供試作物

供試玉米由河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供，品種為鄭單958號(hào)。玉米種子經(jīng)10% H2O2溶液消毒20 min，然后用去離子水沖洗幾遍，在培養(yǎng)皿中用去離子水浸種催芽24 h，待種子發(fā)芽后播種至土壤中。

供試鎘超積累植物選用野生龍葵，采用種子育苗，龍葵種子先經(jīng)溫水浸泡12 h，然后用濕毛巾包起來(lái)置于25℃以上催芽，待幼苗長(zhǎng)出兩片真葉后選擇大小相近、長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗移栽，每盆定植幼苗3株。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)于2017年6月在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院溫室中進(jìn)行，采用白色PVC圓盆 (直徑35 cm，高30 cm)[18–19]，取鎘含量為 2.79 mg/kg 的土壤，將污染土裝盆，每盆裝10 kg土，將催芽后的玉米種子、龍葵幼苗同時(shí)移入盆中，每盆移栽玉米1株，移栽龍葵4株。其中，盆中央移栽1株玉米，四周以10 cm為距4株龍葵等間距分布。植株統(tǒng)一在20～30℃溫室條件下培養(yǎng)，生長(zhǎng)期間每1～2天進(jìn)行澆水，保持在田間持水量的70%左右。氮肥選用含氮量46%的尿素，分別設(shè)玉米單作 (CK)處理，玉米與龍葵競(jìng)爭(zhēng)模式下的不施肥 (T1)處理和施尿素 N 0.1 g/kg (T2)、N 0.2 g/kg (T3)處理，共4個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次。尿素后期分兩次追加，分別在玉米拔節(jié)期和大喇叭口期施加，兩次的施加量均為 N 0.05 g/kg (T2)、N 0.1 g/kg (T3)[20–21]。玉米、龍葵兩種植物生長(zhǎng)期一致，從2017年6月15日至2017年9月30日，生長(zhǎng)期滿收獲兩種植物的地上、地下部分。

1.4 樣品采集與指標(biāo)測(cè)定

收獲時(shí)采集土壤樣品和植株樣品。每盆用小型不銹鋼土鉆隨機(jī)采取5點(diǎn)，組成1個(gè)混合土樣。土壤樣品自然風(fēng)干磨碎后分別過(guò)2 mm、0.25 mm篩備用；植株樣品分根、莖、葉和籽粒4部分取樣，清水洗凈后再用去離子水沖洗，在105℃烘箱中殺青30 min，80 ℃烘干，同時(shí)測(cè)生物量，并將根、莖、葉和籽粒分別磨碎，過(guò)0.25 mm篩備用。

植物中Cd前處理：取過(guò)0.25 mm孔徑篩的植株樣品 0.25 g，采用 HNO3與 HC1O4(4∶1) 消解，定容至 25 mL。

土壤有效態(tài)Cd前處理：稱取過(guò)2 mm篩孔的風(fēng)干盆栽土壤5.00 g放入100 mL錐形瓶中，加入DTPA提取劑25.0 mL，在往復(fù)振蕩器上振蕩提取2 h。振蕩頻率為 (180 ± 20)r/min，環(huán)境溫度為 (25 ±2)℃。棄去最初2～3 mL濾液，濾液待測(cè)[22]。DTPA提取劑的制備：稱取1.967 g DTPA(二乙三胺五乙酸) 溶于 14.92 g(13.3 mL) TEA(三乙醇胺) 和少量水中，再將1.11 g CaCl2溶于水中，一并轉(zhuǎn)入1000 mL 容量瓶中，加水至約 950 mL,用 6 mol/L HCl調(diào)節(jié) pH 至 7.30(每升提取液約需加 6 mol/L HCl 8.5 mL),最后用水定容，貯存于塑料瓶中。

Cd含量均采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定，電感耦合等離子體質(zhì)譜儀ICP-MS為美國(guó)Agilent 7700x。測(cè)定過(guò)程中質(zhì)控樣品為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10020(GSB-11)，Cd 標(biāo)準(zhǔn)值為 (0.17 ± 0.02)mg/kg，測(cè)定值為0.18 mg/kg，質(zhì)控樣品測(cè)定結(jié)果在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)。

ICP-MS測(cè)定Cd含量，以72Ge為內(nèi)標(biāo)，He模式下測(cè)定，工作條件如下：RF功率1550W，載氣流量0.8 L/min，等離子體氣流量15 L/min，輔助氣體流量0.8 L/min，霧化室溫度2℃，采樣深度10 mm，掃描次數(shù)3次，氦氣流量4.3 mL/min。

1.5 富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)計(jì)算

富集系數(shù) (BCF) = 植物地上部 Cd 含量/土壤中Cd元素含量。

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù) (TF) = 植物地上部 Cd 含量/地下部Cd元素含量。

1.6 統(tǒng)計(jì)分析

所有數(shù)據(jù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差采用Excel 2007軟件，數(shù)據(jù)的方差分析、相關(guān)性分析及聚類分析采用SPSS 19.0軟件。試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件，多重比較用Duncan新復(fù)極差法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮肥用量對(duì)玉米、龍葵各器官生物量的影響

2.1.1 不同氮肥用量對(duì)龍葵生物量的影響 在 Cd 濃度為2.79 mg/kg的土壤中，施氮量處理T2、T3與T1相比，龍葵各器官生物量均增加，各施氮處理生物量表現(xiàn)為 T3 ＞ T2 ＞ T1(表 1)。進(jìn)一步分析表明，T2、T3處理下龍葵根部生物量分別增加了13.8%、47.2%；龍葵莖生物量分別增加了26.5%、51.0%；龍葵葉片生物量分別增加14.0%、25.3%；龍葵籽粒生物量分別增加了35.0%、63.2%。龍葵根、莖、葉生物量在施加氮肥后顯著增加，但龍葵籽粒生物量的增量并未達(dá)到顯著性水平 (P＜0.05)。T3處理下龍葵生物量增幅更大，因此在不同施氮量處理中，龍葵生物量隨施氮量的增加而增加，且在高施氮量處理中 (T3) 龍葵生物量顯著高于其他處理。

2.1.2 不同氮肥用量對(duì)玉米生物量的影響 表 2表明，玉米與龍葵競(jìng)爭(zhēng)下 (T1) 使玉米各器官生物量分別下降3.68%、9.35%、32.0%、2.94%，但競(jìng)爭(zhēng)模式下施加氮肥后使玉米各器官生物量均增加，其中高施氮量使玉米各器官生物量的增量均達(dá)到顯著水平(P＜0.05)。各處理下玉米生物量表現(xiàn)為 T3 ＞ T2 ＞CK ＞ T1。與T1相比，T2、T3處理下玉米地下部生物量分別增加14.4%和35.5%；玉米莖部生物量分別增加了10.8%和17.0%；玉米葉片生物量分別增加了55.6%和76.2%；玉米籽粒生物量分別增加110%和112%。施加不同用量氮肥后玉米各器官生物量均增加，但T3處理下玉米各器官生物量的增加更為顯著 (P＜0.05)。因此，競(jìng)爭(zhēng)模式下，施氮處理對(duì)提高主栽作物玉米的生物量至關(guān)重要。

2.2 氮肥用量對(duì)玉米、龍葵各器官鎘含量的影響

2.2.1 不同氮肥用量對(duì)龍葵各器官Cd含量的影響 如圖1所示，在Cd污染濃度為2.79 mg/kg的土壤中施加不同用量的氮肥，龍葵各器官Cd含量顯著增加(P＜0.05)。不同處理下龍葵各器官Cd含量表現(xiàn)為T3 ＞ T2 ＞ T1；進(jìn)一步分析表明，T2、T3 處理下龍葵根部Cd含量分別增加了3.43%、23.2%，龍葵莖部Cd含量分別增加了33.1%、41.2%，龍葵葉片Cd含量分別增加了8.78%、12.3%，龍葵籽粒Cd含量分別增加了22.5%、45.3%。施加氮肥后龍葵各器官Cd含量均增加且T3處理下龍葵地上部各器官Cd 含量顯著性增加 (P＜0.05)，因此施加氮肥能夠促進(jìn)龍葵地上部Cd的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，且高施氮量處理的龍葵各器官 Cd 含量的增量更為顯著 (P＜0.05)。

表1 不同施氮量處理對(duì)龍葵各器官生物量的影響Table1 The effects of different nitrogen application rates on biomass of various organs of Solanum nigrum L.

表2 不同施氮量處理對(duì)玉米各器官生物量的影響Table2 The effects of different nitrogen application rates on biomass of various organs of maize

圖1 不同氮肥處理對(duì)龍葵鎘含量的影響Fig.1 The effects of different nitrogen fertilizer treatments on cadmium content of Solanum nigrum L.[注（Note）：T1、T2 和 T3 均為玉米與龍葵競(jìng)爭(zhēng)模式，施尿素量依次為 N 0、0.1 和 0.2 g/kg 土 Maize and S. nigrum were grown in the same box in T1,T2 and T3 treatments,the urea N was applied at 0,0.1 and 0.2 g/kg soil in turn; 柱上不同字母表示處理間差異在 0.05 水平顯著Different letters above the bars mean significantly different among the treatments at 0.05 level.]

圖2 不同氮肥處理對(duì)玉米鎘含量的影響Fig.2 The effects of different nitrogen fertilizer treatments on cadmium content of maize[注（Note）：CK—玉米單作 Maize single cropping; T1、T2和 T3均為玉米與龍葵競(jìng)爭(zhēng)模式，施尿素量依次為 N 0、0.1和 0.2 g/kg土Maize and S. nigrum were grown in the same box in T1,T2 and T3 treatments,the urea N was applied at 0,0.1 and 0.2 g/kg soil in turn; 柱上不同字母表示處理間在 0.05 水平差異顯著 Different letters above the bars mean significantly different among the treatments at 0.05 level.]

2.2.2 氮肥用量對(duì)玉米各器官鎘含量的影響 如圖2顯示，Cd污染濃度為2.79 mg/kg的土壤設(shè)置玉米與龍葵競(jìng)爭(zhēng)及競(jìng)爭(zhēng)模式下不同氮肥用量處理，不同處理下玉米各器官中鎘含量均表現(xiàn)為：CK ＞ T1 ＞ T2 ＞T3。進(jìn)一步分析表明，與玉米單作 (CK) 相比，玉米與龍葵競(jìng)爭(zhēng) (T1) 處理下玉米根、莖、葉、籽粒各器官Cd含量分別下降了10.6%、3.15%、4.15%、8.48%，因此通過(guò)與龍葵競(jìng)爭(zhēng)使得玉米籽粒中Cd含量顯著性降低 (P＜0.05)，同時(shí)各處理下的玉米籽粒Cd含量均低于食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 2762-2017中污染物Cd的限量標(biāo)準(zhǔn)0.1 mg/kg[26]。T2、T3處理下玉米根部Cd含量分別下降了10.1%、49.2%；玉米莖部Cd含量分別下降了19.0%、38.0%；玉米葉片Cd含量分別下降了24.0%、42.8%；玉米籽粒Cd含量分別下降了5.31%、19.5%。施加不同用量的氮肥后玉米各器官Cd含量均下降，但高施氮量 (T3) 處理下玉米根、莖、葉中 Cd含量顯著性下降 (P＜0.05)。因此，施加氮肥能夠促進(jìn)玉米的生長(zhǎng)，玉米生物量增加使得玉米各器官中Cd被“稀釋”，從而降低Cd含量。

2.3 氮肥用量處理對(duì)玉米和龍葵各器官鎘累積量的影響

2.3.1 不同氮肥用量對(duì)龍葵各器官鎘累積量的影響 氮肥處理導(dǎo)致龍葵各器官Cd累積量增加，同時(shí)T2、T3處理下龍葵莖、葉中Cd累積量的增量更為顯著 (P＜0.05)。T2、T3 處理下，龍葵根部 Cd 累積量分別增加27.3%、85.6%；龍葵莖部Cd累積量分別增加65.6%、88.4%；龍葵葉片Cd累積量分別增加35.4%、131%；龍葵籽粒Cd累積量分別增加86.5%、159%。隨著施氮量的增加龍葵地上部Cd積累量增加，同時(shí)高施氮量 (T3) 處理下龍葵地上部莖、葉中Cd累積量顯著性增加，使與其競(jìng)爭(zhēng)的玉米地上部Cd含量顯著性降低。

2.3.2 氮肥用量對(duì)玉米各器官鎘累積量的影響 由圖4可知，與玉米單作 (CK) 相比，玉米與龍葵競(jìng)爭(zhēng)及施氮肥處理使玉米Cd累積量下降，并且T3處理下玉米各器官 Cd累積量顯著性降低 (P＜0.05)。玉米與龍葵競(jìng)爭(zhēng)模式下，氮肥處理將促進(jìn)龍葵對(duì)Cd的吸收，從而減少作物玉米對(duì)Cd的積累。與玉米單作 (CK)處理相比，玉米與龍葵競(jìng)爭(zhēng)處理 (T2) 下根、莖、葉、籽粒中Cd累積量分別下降13.9%、12.2%、34.8%、79.5%。氮肥處理下玉米各器官Cd累積量均顯著性降低 (P＜0.05)，其中高施氮量處理下玉米根、莖、葉中Cd累積量下降幅度最大。隨著施氮量的增加，T2、T3施氮處理下，玉米籽粒Cd積累量較CK分別下降59.1%、65.0%，因此，施加氮肥減輕Cd對(duì)玉米的脅迫作用，有利于降低玉米可食部位的Cd含量，是有效解決我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品Cd超標(biāo)的農(nóng)藝措施之一。

2.4 氮肥用量對(duì)玉米和龍葵的富集系數(shù)與轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的影響

圖3 不同處理龍葵鎘累積量Fig.3 Cd accumulation of Solanum nigrum L. under different treatments[注（Note）：T1、T2 和 T3 均為玉米與龍葵競(jìng)爭(zhēng)模式，施尿素量依次為 N 0、0.1 和 0.2 g/kg 土 Maize and S.nigrum were grown in the same box in T1,T2 and T3 treatments,the urea N was applied at 0,0.1 and 0.2 g/kg soil in turn; 柱上不同字母表示處理間差異在 0.05 水平顯著Different letters above the bars mean significantly different among the treatments at 0.05 level.]

圖4 不同處理玉米Cd累積量Fig.4 Cd accumulation of maize under different treatments[注（Note）：CK—玉米單作 Maize single cropping; T1、T2和 T3均為玉米與龍葵競(jìng)爭(zhēng)模式，施尿素量依次為 N 0、0.1和 0.2 g/kg土Maize and S.nigrum were grown in the same box in T1,T2 and T3 treatments,the urea N was applied at 0,0.1 and 0.2 g/kg soil in turn; 柱上不同字母表示處理間在 0.05 水平差異顯著 Different letters above the bars mean significantly different among the treatments at 0.05 level.]

由表3可知，氮肥處理 (T2、T3) 下龍葵對(duì)Cd的富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均增加。T2、T3處理下，玉米與龍葵競(jìng)爭(zhēng)模式下龍葵BCF分別增加55.5%、113%，TF分別增加17.7%、15.1%。T1、T2、T3處理下，玉米BCF分別降低1.39%、17.4%、25.7%，玉米的TF分別降低8.70%、12.0%、15.2%。進(jìn)一步分析可知，玉米與龍葵競(jìng)爭(zhēng)處理使得玉米的富集系數(shù)顯著降低 (P＜0.05)，同時(shí)隨著施氮量的增加，玉米的BCF、TF均下降，但并未達(dá)到顯著性水平。即玉米與龍葵競(jìng)爭(zhēng)模式下，隨著施氮量的增加，龍葵對(duì)Cd的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)能力增強(qiáng)，同時(shí)玉米對(duì)Cd的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)能力將受到抑制。因此，玉米與龍葵競(jìng)爭(zhēng)下適當(dāng)提高施氮量，有利于龍葵的生長(zhǎng)和地上部Cd的積累能力。這一研究結(jié)果將為修復(fù)污染土壤，提高修復(fù)效率以及保證農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全提供理論依據(jù)。

2.5 氮肥用量處理對(duì)土壤中鎘含量的影響

由圖5可知，與CK相比，各處理土壤中的有效態(tài)Cd含量存在不同程度的下降，且達(dá)到顯著水平。與單作CK相比，土壤有效態(tài)Cd含量分別下降21.5%、23.9%、26.5%。其中，玉米與龍葵競(jìng)爭(zhēng)模式下的土壤有效態(tài)Cd含量均顯著降低 (P＜0.05)，且隨施氮量的增加土壤中有效態(tài)Cd含量均下降。高施氮量T3處理下，土壤中有效態(tài)Cd含量顯著下降且最低。與玉米單作相比，玉米與龍葵競(jìng)爭(zhēng)模式及氮肥處理降低了土壤中有效態(tài)Cd濃度，且隨著施氮量的增加，土壤有效態(tài)Cd含量有下降趨勢(shì)，對(duì)修復(fù)Cd污染土壤具有重要意義。

表3 玉米、龍葵的BCF和TF的變化Table3 Bioaccumulation and transfer factors of maize and Solanum nigrum L.

圖5 不同處理土壤有效態(tài)Cd濃度 (mg/kg)Fig.5 Available Cd content of soil under different treatments[注（Note）：CK—玉米單作 Maize single cropping; T1、T2 和T3均為玉米與龍葵競(jìng)爭(zhēng)模式，施尿素量依次為N 0、0.1和0.2 g/kg 土 Maize and S. nigrum were grown in the same box in T1,T2 and T3 treatments,the urea N was applied at 0,0.1 and 0.2 g/kg soil in turn; 柱上不同字母表示處理間差異在0.05水平顯著 Different letters above the bars mean significantly different among the treatments at 0.05 level.]

3 討論

本研究結(jié)果顯示，玉米與龍葵競(jìng)爭(zhēng)下使得玉米生物量下降，即盆栽試驗(yàn)下兩種植物存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系[23]，但施加氮肥使得競(jìng)爭(zhēng)模式下玉米、龍葵的生物量均增加。不同施氮量對(duì)兩種作物玉米和龍葵的生物量影響不同，在高施氮量尿素處理下 (T3)，玉米和龍葵生物量顯著高于其他處理 (P ＜ 0.05)。該結(jié)果與孫磊等研究結(jié)果一致，隨施氮量的增加，玉米的生物量隨之增加[20]。何冰等研究發(fā)現(xiàn)，施加尿素促進(jìn)玉米與東南景天的生長(zhǎng)，兩者的生物量均顯著增加[24]。本試驗(yàn)中，施加氮肥 (尿素) 能夠同時(shí)促進(jìn)玉米及龍葵的生長(zhǎng)，且高施氮量處理下玉米及龍葵生物量均顯著增加 (P＜0.05)。因此，大田推廣中，可以通過(guò)施氮肥并適當(dāng)提高施氮量來(lái)改善間作造成的養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)，解決主栽作物玉米減產(chǎn)的問(wèn)題，保證玉米和龍葵的正常生長(zhǎng)[25]。

本研究中，玉米單作下，籽粒中Cd含量為0.107 mg/kg，這一結(jié)果顯示，在該地區(qū)種植玉米還是有風(fēng)險(xiǎn)的，而玉米與龍葵競(jìng)爭(zhēng)模式下玉米各器官Cd含量顯著降低，且籽粒Cd含量符合食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB2762-2017中Cd的限量標(biāo)準(zhǔn)，即低于0.1 mg/kg[26]。其原因可分為兩方面：一是本試驗(yàn)中Cd超積累植物龍葵與玉米存在競(jìng)爭(zhēng)作用；二是施加氮肥。本研究中，施氮肥處理后玉米各器官Cd含量均下降，這一研究結(jié)果與劉安輝等一致。劉安輝等研究結(jié)果顯示，施用尿素可顯著降低小油菜中Cd含量[27]。有關(guān)研究表明，在 Cd 污染土壤上，施用尿素 (N 0.2 g /kg)能顯著降低水稻籽粒中Cd含量，且高施氮量尿素能顯著降低籽粒中Cd含量[28]。本研究中，在高施氮量處理下，龍葵各器官Cd含量顯著增加，同時(shí)玉米各器官Cd含量降低，玉米可食部位Cd含量顯著下降。魏樹(shù)和等研究表明，地上部Cd累積量是衡量龍葵提高修復(fù)效率的關(guān)鍵指標(biāo)[29]。本試驗(yàn)中玉米與龍葵競(jìng)爭(zhēng)模式下施加氮肥可以有效提高龍葵Cd累積量，使得與其競(jìng)爭(zhēng)的玉米Cd吸收能力下降，且高施氮量處理下龍葵Cd吸收量更高，進(jìn)一步提高了對(duì)Cd污染土壤的修復(fù)效率。這一研究結(jié)果顯示，Cd污染農(nóng)田通過(guò)間作超積累植物以及施加氮肥處理能夠保障主栽農(nóng)作物質(zhì)量的安全性，為解決我國(guó)目前農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問(wèn)題以及Cd污染嚴(yán)峻的現(xiàn)狀提供理論依據(jù)及技術(shù)支撐。

本試驗(yàn)中，龍葵能夠抑制主栽作物玉米對(duì)Cd的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)，對(duì)這一研究結(jié)果能夠進(jìn)一步從根際環(huán)境變化來(lái)解釋其機(jī)理[30]。有關(guān)研究顯示，土壤的pH值是影響Cd活性的最重要的因素，而Cd對(duì)植物分泌H+存在抑制作用[19]。玉米與龍葵競(jìng)爭(zhēng)模式中，由于存在種間競(jìng)爭(zhēng)等原因，玉米和超積累植物龍葵為了競(jìng)爭(zhēng)養(yǎng)分將分泌更多的根系分泌物來(lái)活化土壤中的養(yǎng)分[31]，而低分子有機(jī)酸是根系分泌物的主要成分，有機(jī)酸與Cd2+形成螯合物，并降低根際pH，從而提高Cd的生物有效性，由于超積累植物龍葵的超量富集的特性，根際土壤中被活化的Cd2+優(yōu)先吸附到富集植物根部細(xì)胞表面[32]，因此與龍葵競(jìng)爭(zhēng)的玉米Cd含量顯著性降低。玉米與龍葵這一競(jìng)爭(zhēng)模式，既能使得玉米各器官Cd含量顯著性降低，又能降低土壤中Cd含量從而達(dá)到修復(fù)污染土壤的目的，因此大田中能夠推廣玉米–龍葵這一間作方式。研究表明，隨著施氮量的增加，超積累植物龍葵各器官中Cd含量顯著性增加，與其競(jìng)爭(zhēng)的玉米Cd含量顯著降低。有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，尿素施入土壤后迅速發(fā)生水解作用生成NH4+，由于植物吸收NH4+，根系分泌H+，使得根際周圍酸化，增大土壤中Cd的溶解度，土壤吸附的Cd量減少，Cd的生物活性顯著提高[33–34]，因而施加尿素處理的超積累植物龍葵能夠吸收更多的活性Cd，導(dǎo)致龍葵各器官Cd含量顯著性增加。而主栽作物玉米各器官Cd含量隨氮量的增加而降低，這一現(xiàn)象解釋為施氮后玉米生物量的增加而引起的“稀釋效應(yīng)”[35]。

施加氮肥使得土壤有效態(tài)Cd含量顯著性降低，且高施氮量處理下土壤中有效態(tài)Cd含量降低幅度最大。對(duì)于這一研究結(jié)果，主要原因可分為以下兩方面:一是尿素施入土壤后，在土壤中轉(zhuǎn)化為NH4+-N，NH4+會(huì)與Cd2+發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)吸附，從而減少Cd在土壤顆粒表面的吸附量[36]。二是尿素施入Cd污染土壤后，發(fā)生水解反應(yīng)，生成氨，使土壤pH升高，土壤中有效態(tài)Cd與OH-等陰離子結(jié)合，形成較為穩(wěn)定的沉淀物，從而使得土壤中的有效態(tài)Cd含量降低[37]。試驗(yàn)結(jié)果表明，在重度Cd污染的土壤上選擇合適的氮肥濃度，使得超積累植物龍葵吸收的Cd含量增加，從而減少玉米體內(nèi)的Cd含量，達(dá)到修復(fù)Cd污染土壤的目的并有效提高修復(fù)Cd污染土壤的效率[38–40]。

4 結(jié)論

1) 玉米與龍葵競(jìng)爭(zhēng)模式使得玉米生物量下降，但施加氮肥能提高玉米和龍葵各器官的生物量，且隨著施氮量的增加龍葵和玉米的生物量均顯著增加。玉米與龍葵競(jìng)爭(zhēng)模式下，高施氮量處理下龍葵根、莖、葉、籽粒生物量均顯著增加，分別增加了47.2%、51.0%、25.3%、63.2%；玉米根、莖、葉、籽粒生物量分別增加35.5%、17.0%、76.2%、112%。

2) 不同氮肥用量處理下，龍葵各器官中Cd含量均顯著增加，同時(shí)玉米各器官Cd含量顯著下降。玉米與龍葵競(jìng)爭(zhēng)模式下，高施氮量處理的龍葵根、莖、葉、籽粒中Cd含量的增量最大，分別增加了23.2%、41.2%、12.3%、45.3%；玉米根、莖、葉、籽粒中Cd含量的下降幅度最大，分別下降了49.2%、38.0%、42.8%、19.5%。

3) N 0.2 g/kg 施氮量能夠促進(jìn)超積累植物龍葵對(duì)Cd的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)，降低Cd在玉米各器官的累積，并提高Cd污染土壤的修復(fù)效率。這一研究結(jié)果表明Cd污染農(nóng)田修復(fù)中采用玉米–龍葵間作模式、適當(dāng)提高氮肥施用量能夠促進(jìn)作物生長(zhǎng)、減少作物對(duì)重金屬的吸收，為今后修復(fù)Cd污染農(nóng)田以及保障農(nóng)產(chǎn)品安全提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。