李雅倩 高雄飛 楊為中 孫思哲 楊瑗羽 陳振華 馬嘉偉 葉正錢(qián) 柳 丹#

(1.浙江農(nóng)林大學(xué)省部共建亞熱帶森林培育國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311300；2.浙江農(nóng)林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，浙江省土壤污染生物修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311300；3.景寧縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，浙江 麗水 323500)

礦區(qū)資源的開(kāi)采和冶煉伴隨嚴(yán)重的重金屬污染。重金屬進(jìn)入土壤后，影響動(dòng)植物的生長(zhǎng)，危害人類(lèi)的身體健康，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不可估量的影響[1-2]。其隱蔽性、長(zhǎng)期性也導(dǎo)致了該問(wèn)題無(wú)法從根本上解決。目前，重金屬污染作為無(wú)機(jī)污染的一種，已引起了國(guó)內(nèi)外廣大研究者的關(guān)注[3-5]。對(duì)重金屬污染的管控與治理，成了一項(xiàng)全球性的任務(wù)，而固化穩(wěn)定化技術(shù)，是這一任務(wù)中重要的一環(huán)。

黏土礦物(如伊利石、膨潤(rùn)土等)因其儲(chǔ)量大、成本低，成為固化穩(wěn)定化技術(shù)的核心材料[6]846，可以降低土壤中重金屬的活性和有效性，從而降低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和重金屬對(duì)植物、動(dòng)物和人類(lèi)的毒害作用[7]。而相對(duì)于單一種植，間作可以促進(jìn)植物對(duì)土壤中養(yǎng)分的吸收和對(duì)水分、陽(yáng)光、空氣的利用效率[8]。在間作模式下，植物地下根系之間相互作用，能夠改變植物根系的分泌物組成、土壤酶活性和微生物活動(dòng)等，間接改變土壤中重金屬的有效性，從而影響植物對(duì)重金屬的可利用度[9]。

現(xiàn)有研究集中于黏土礦物對(duì)溶液中重金屬的離子吸附[10]，對(duì)黏土礦物鈍化土壤重金屬的研究較少，間作模式也大體上基于農(nóng)作物間作[11]及超積累植物和非超積累植物的組合[12]，缺乏重度污染下不同生態(tài)位景觀植物的種植模式探究。前期野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，枸骨(Ilexcornutavar.fortunei)對(duì)重金屬具有極強(qiáng)的耐性，適宜在重度污染的土壤中生長(zhǎng)。基于此，本研究選取枸骨和綠蘿(Epipremnumaureum)作為間作植物，聯(lián)合伊利石進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，探究不同種植模式下添加伊利石對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)效果，對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)具有借鑒意義。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

盆栽試驗(yàn)中的土壤于2019年3月采自上虞銀山鉛鋅礦附近，采集0～20 cm的耕層土壤進(jìn)行試驗(yàn)，其理化性質(zhì)如表1所示。將采集的土壤置于陰涼干燥處自然風(fēng)干，撿出土壤中的石塊及動(dòng)植物殘?bào)w，過(guò)5 mm尼龍篩備用。

1.2 室內(nèi)盆栽試驗(yàn)

盆栽試驗(yàn)于2019年3月18日至5月18日進(jìn)行，盆栽試驗(yàn)容器為內(nèi)徑26.5 cm的塑料盆，伊利石添加量為1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，與土壤混勻后裝盆，每盆裝土3 kg，穩(wěn)定1周后備用。試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理：未添加伊利石、無(wú)植物(記為CK)；添加伊利石、無(wú)植物(記為無(wú)植物)；添加伊利石、枸骨單種(記為枸骨單種)；添加伊利石、綠蘿單種(記為綠蘿單種)；添加伊利石、枸骨綠蘿間作(記為枸骨綠蘿間作)。每組設(shè)置3個(gè)重復(fù)，共15盆。單種模式每盆種植5株植物，間作模式每盆種植枸骨3株、綠蘿4株，挑選長(zhǎng)勢(shì)相同、生長(zhǎng)健壯的幼苗移栽，植株在溫室內(nèi)自然光照條件下生長(zhǎng)，生長(zhǎng)期間保持田間持水量的60%左右，生長(zhǎng)兩個(gè)月后收獲進(jìn)行測(cè)定。

1.3 樣品測(cè)定與分析

植物樣品先后用自來(lái)水和去離子水洗凈，并用20 mmol/L的乙二胺四乙酸(EDTA)浸泡15 min左右除去根系表面吸附的重金屬離子，去離子水沖洗干凈，吸干表面水分，將樣品分成地上部與地下部，置于105 ℃殺青30 min后70 ℃下烘2 d左右，粉碎研磨備用。丙二醛含量采用硫代巴比妥酸法測(cè)定，脯氨酸含量采用茚三酮比色法測(cè)定，植物重金屬全量采用硝酸消解/電感耦合等離子光譜(ICP-OES)法測(cè)定[13-14]。

將土壤樣品自然風(fēng)干，除去樣品中的動(dòng)植物殘?bào)w，研磨后過(guò)篩備用。土壤基本理化性質(zhì)測(cè)定均參考文獻(xiàn)[15]，土壤重金屬全量的測(cè)定采用王水-高氯酸消解/ICP-OES法[16]，土壤中不同形態(tài)重金屬采用BCR分級(jí)提取法浸提。

2 數(shù)據(jù)處理與分析

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析(ANOVA)以及最小顯著性差異(LSD)分析。植物轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)、富集系數(shù)的計(jì)算參考文獻(xiàn)[17]。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同種植模式下添加伊利石對(duì)土壤pH、有機(jī)質(zhì)的影響

不同種植模式下添加伊利石，土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量不同(見(jiàn)圖1)。與CK相比，添加伊利石可以顯著增高土壤pH(p<0.05)，改良土壤酸性。不同種植模式下各處理的土壤pH總體表現(xiàn)為無(wú)植物>綠蘿單種>枸骨綠蘿間作>枸骨單種。綠蘿單種的土壤相比枸骨單種和枸骨綠蘿間作的土壤，pH分別提高了0.22、0.06。與CK相比，添加伊利石會(huì)顯著降低土壤中有機(jī)質(zhì)含量(p<0.05)，而種植植物可以在一定程度上提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，其中，枸骨綠蘿間作的土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于兩種植物單種的土壤(p<0.05)。

3.2 不同種植模式下添加伊利石對(duì)植物生理指標(biāo)的影響

表1 供試土壤基本性質(zhì)

注：字母標(biāo)記指示同一指標(biāo)在不同種植模式下的差異性，字母不同代表差異顯著(p<0.05)，下同。

圖1 不同種植模式下添加伊利石對(duì)土壤pH與有機(jī)質(zhì)的影響

Fig.1 Effect of adding illite on soil pH and organic matter content under different planting modes

不同種植模式下，脯氨酸與丙二醛的含量不同(見(jiàn)圖2)。間作模式下的枸骨脯氨酸含量比單種模式顯著增高(p<0.05)，而綠蘿無(wú)明顯差異。枸骨與綠蘿體內(nèi)丙二醛含量分別低于單種模式18.74%和32.62%，但總體差異不顯著。

3.3 不同種植模式下添加伊利石對(duì)土壤重金屬有效態(tài)的影響

圖3為不同種植模式下添加伊利石，土壤重金屬有效態(tài)的變化情況。與CK相比，添加伊利石的各處理中土壤重金屬有效態(tài)Pb含量顯著降低(p<0.05)，枸骨單種、綠蘿單種、枸骨綠蘿間作和無(wú)植物分別低于CK 29.97%、32.21%、31.97%和32.49%，而有效態(tài)Zn含量之間大體上無(wú)顯著差異，在104.37～110.70 mg/kg波動(dòng)。不同種植模式下，各處理之間土壤有效態(tài)Pb含量差異不顯著，間作模式下，土壤有效態(tài)Zn含量顯著高于無(wú)植物和綠蘿單種(p<0.05)，而與枸骨單種無(wú)顯著性差異。

圖3 不同種植模式下土壤重金屬有效態(tài)變化

3.4 不同種植模式下添加伊利石對(duì)植物重金屬含量和積累量的影響

不同種植模式下，添加伊利石對(duì)植物地上部和地下部重金屬的影響如圖4所示。無(wú)論何種種植模式下，植物體內(nèi)的Pb含量表現(xiàn)為綠蘿>枸骨(p<0.05)，而Zn在地上部表現(xiàn)為枸骨>綠蘿，在地下部表現(xiàn)為綠蘿>枸骨(p<0.05)。間作模式下，綠蘿地上部Pb含量高出單種模式107.92%(p<0.05)，達(dá)到725.50 mg/kg，地下部Pb較單種模式降低19.69%(p<0.05)，達(dá)到920.62 mg/kg；而枸骨地上部Pb含量與單種模式相比無(wú)顯著性差異，地上部Zn較單種模式提高39.58%(p<0.05)。可見(jiàn)，這兩種植物間作促進(jìn)了Pb從綠蘿地下部到地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)，但總體規(guī)律還是地下部>地上部。

表2列出了不同種植模式下添加伊利石，植物對(duì)重金屬的積累量變化。間作模式下，枸骨Pb、Zn總積累量分別顯著低于單種模式21.90%和10.85%。綠蘿在間作模式下，Zn總積累量降低，但差異不顯著，Pb總積累量顯著降低(p<0.05)。除綠蘿間作地下部Pb積累量顯著低于單種模式外，不同種植模式下枸骨和綠蘿地上部Pb、Zn和地下部Zn均無(wú)顯著性差異。

圖4 不同種植模式下添加伊利石對(duì)植物重金屬的影響

表2 不同種植模式下植物對(duì)重金屬的積累量變化

圖5 不同種植模式下添加伊利石對(duì)植物重金屬富集轉(zhuǎn)運(yùn)能力的影響

3.5 不同種植模式下添加伊利石對(duì)植物富集轉(zhuǎn)運(yùn)能力的影響

由圖5可以看出，間作模式下綠蘿對(duì)Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)能力顯著提高，枸骨對(duì)Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)能力無(wú)顯著性差異，說(shuō)明枸骨與綠蘿間作可以促進(jìn)綠蘿對(duì)Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)。兩種植物對(duì)Zn的轉(zhuǎn)運(yùn)在不同種植模式下無(wú)顯著性差異。兩種植物對(duì)Pb的富集能力均表現(xiàn)為地下部>地上部，枸骨對(duì)Zn的富集規(guī)律為地上部>地下部。間作模式下枸骨對(duì)Pb的富集幾乎無(wú)影響，但顯著促進(jìn)綠蘿地上部對(duì)Pb的富集，降低地下部對(duì)Pb的富集，這一規(guī)律與轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)反映的規(guī)律一致。此外，間作能夠顯著促進(jìn)枸骨地上部對(duì)Zn的富集(p<0.05)。

4 討 論

4.1 對(duì)土壤pH、有機(jī)質(zhì)的影響

已有研究表明，添加合適的礦物改良劑可以提高土壤的pH[18]，還可以增加土壤黏土礦物含量[19]，提高土壤速效養(yǎng)分含量[20]，從而明顯提高土壤儲(chǔ)蓄養(yǎng)分、緩沖調(diào)控和污染凈化的能力。孫約兵等[21]的盆栽試驗(yàn)表明，添加海泡石可以增加酶活性和微生物數(shù)量，一定程度上可以改善土壤環(huán)境質(zhì)量。間作可以促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量的增加，提高土壤的保蓄性，改良土壤質(zhì)地，提升土壤肥力[22]。在間作模式下，選用在生態(tài)位上互補(bǔ)的植物，可以將間作優(yōu)勢(shì)發(fā)揮到最大。

添加伊利石，土壤的pH顯著增加，與前人的研究結(jié)果一致。種植植物的處理下，pH低于無(wú)植物處理，這可能是因?yàn)橹参锔捣置诘头肿佑袡C(jī)酸，對(duì)土壤性質(zhì)產(chǎn)生影響所致[23]。添加伊利石，土壤中有機(jī)質(zhì)含量降低，種植植物有機(jī)質(zhì)含量增高，且間作模式有機(jī)質(zhì)含量均大于單種模式，說(shuō)明枸骨與綠蘿間作比單一種植對(duì)土壤的改良效果更好。謝英荷等[24]也得出棗麥間作下有機(jī)質(zhì)含量高于單種,達(dá)到了極顯著水平，說(shuō)明選取適宜的兩種植物間作可以提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，改良土壤質(zhì)地，提升土壤肥力[25]。

4.2 對(duì)植物生理指標(biāo)的影響

脯氨酸是植物體蛋白質(zhì)的重要組分之一，以游離狀態(tài)廣泛存在于植物體中。在外界環(huán)境脅迫下，脯氨酸在植物體內(nèi)大量積累。除了作為重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)外，脯氨酸還在穩(wěn)定大分子結(jié)構(gòu)、減少氧脅迫及調(diào)節(jié)細(xì)胞氧化還原勢(shì)等方面起重要作用[26]。丙二醛是膜脂過(guò)氧化物酶作用的分解產(chǎn)物,可以反映外界因素脅迫下植物膜系統(tǒng)的受害程度[27]，這兩個(gè)指標(biāo)可以反映植物的抗逆性與受損傷程度。

間作能夠顯著提高枸骨體內(nèi)的脯氨酸含量，說(shuō)明間作可以緩解重金屬對(duì)枸骨的脅迫，增強(qiáng)枸骨抗逆性能。楊宏偉等[28]研究干旱脅迫下與百喜草(Paspalumnotatum)間作對(duì)油橄欖(Oleaeuropaea)抗旱生理的影響，發(fā)現(xiàn)隨著干旱脅迫的加劇,間作能顯著提高油橄欖葉片脯氨酸含量,說(shuō)明與百喜草間作能提高油橄欖葉片細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié)能力和保水能力，增強(qiáng)了油橄欖的抗逆性能。于保港等[29]研究了間作對(duì)莎草(CyperusglomeratusL.)、蠶豆(ViciafabaL.)生理指標(biāo)與重金屬形態(tài)分布的影響，結(jié)果表明，間作與單種相比，兩種植物體內(nèi)的丙二醛含量均無(wú)顯著性差異，與本試驗(yàn)結(jié)果一致。這一結(jié)果可能與植物對(duì)逆境脅迫的響應(yīng)機(jī)制等有關(guān)。

4.3 對(duì)土壤重金屬有效態(tài)的影響

重金屬對(duì)生物的毒性主要是通過(guò)有效態(tài)產(chǎn)生，而黏土礦物的添加可以影響土壤中微環(huán)境，改變重金屬賦存狀態(tài)，黏土礦物本身也可以自溶產(chǎn)生陰離子，結(jié)合壤中的重金屬陽(yáng)離子，進(jìn)行表面吸附與離子配位，進(jìn)而大幅度降低土壤中重金屬的有效性，改變重金屬的生物可利用性和移動(dòng)性，緩解重金屬脅迫[30]。張金秀等[6]850-852探究了3種黏土礦物(鈉基膨潤(rùn)土、硅藻土、沸石)添加對(duì)蠶豆生長(zhǎng)和土壤重金屬含量的影響，結(jié)果表明，施用黏土礦物對(duì)土壤中的Cd、Pb、Cu有顯著鈍化作用。也有研究表明，施用不同用量的黏土礦物-生物炭復(fù)合改良劑，能夠顯著降低土壤中二乙烯三胺五乙酸(DTPA)提取態(tài)Cd的含量，同時(shí)也顯著降低了小白菜中的Cd含量[31]。

間作模式下土壤有效態(tài)Zn顯著高于無(wú)植物與綠蘿單種，推測(cè)植物根系分泌物能夠?qū)χ亟饘儆行B(tài)產(chǎn)生影響，而間作模式下植物根系相互作用，改變了根系分泌物中有機(jī)酸的種類(lèi)和含量，土壤有效態(tài)重金屬含量也因此受到影響[32]52-55。

4.4 對(duì)植物重金屬含量和積累量的影響

間作能促進(jìn)綠蘿地上部對(duì)Pb的積累，降低其地下部對(duì)Pb的積累，說(shuō)明間作能夠促進(jìn)Pb在綠蘿體內(nèi)從地下部到地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)，但對(duì)Zn大體無(wú)影響。秦麗[32]26-28發(fā)現(xiàn)續(xù)斷菊(Sonchusasper)與玉米間作顯著促進(jìn)了續(xù)斷菊對(duì)Cd、Pb的吸收累積，卻降低了玉米體內(nèi)Cd、Pb的累積量。這是因?yàn)椴煌N類(lèi)植物及植物不同器官組織對(duì)重金屬的吸收與積累會(huì)有明顯差異[33]。

4.5 對(duì)植物富集轉(zhuǎn)運(yùn)能力的影響

根據(jù)植物對(duì)重金屬的吸收及重金屬在植物體內(nèi)的分布情況，大體上可以將植物分為3種類(lèi)型，富集型、根部囤積型和規(guī)避型。富集型植物從土壤中主動(dòng)吸收富集重金屬；根部囤積型植物表現(xiàn)為將重金屬大量富集在植物根部，少量或極少向地上部轉(zhuǎn)移；規(guī)避型植物則將重金屬沉積在根系表面，抵制重金屬進(jìn)入植物體內(nèi)[34]。富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)可以表征植物從土壤中吸收重金屬及重金屬?gòu)母降厣喜康倪w移能力，可以反映植物的吸收機(jī)制和植物類(lèi)型[35]。

枸骨為Pb根部囤積型植物、Zn富集型植物，而綠蘿對(duì)兩種重金屬都表現(xiàn)為根部囤積型。間作能顯著促進(jìn)綠蘿地上部對(duì)Pb的富集，降低地下部對(duì)Pb的富集，說(shuō)明枸骨與綠蘿間作可以顯著提高綠蘿對(duì)Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)能力，這一規(guī)律與轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)反映的規(guī)律一致。

5 結(jié) 論

(1)添加伊利石后，土壤pH顯著增高，而有機(jī)質(zhì)含量顯著降低，而枸骨與綠蘿間作可以提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，改良土壤質(zhì)地，提升土壤肥力。

(2)間作可以緩解重金屬對(duì)枸骨的脅迫，增強(qiáng)枸骨抗逆性能。

(3)與CK相比，添加伊利石，有效態(tài)Pb顯著降低，有效態(tài)Zn無(wú)顯著性差異。不同種植模式下，有效態(tài)Pb含量差異不顯著，間作模式下有效態(tài)Zn含量顯著高于無(wú)植物和綠蘿單種。

(4)間作模式下枸骨Pb總積累量、Zn總積累量低于單種，而綠蘿的Zn總積累量無(wú)顯著變化，Pb總積累量顯著降低。

(5)枸骨為Pb根部囤積型，Zn富集型；而綠蘿對(duì)兩種重金屬均表現(xiàn)為根部囤積型。枸骨與綠蘿間作能夠顯著提高綠蘿地上部Pb富集和對(duì)Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)能力。