土壤重金屬污染下芥菜與莧菜間作修復特性對水肥一體隔溝灌溉響應

李培嶺，李轉玲

(1.江西農業大學工學院，南昌 330045；2.江西青年職業學院，南昌 330045)

0 引 言

土壤重金屬污染植物修復研究已較為廣泛，其中植物生物量累積以及重金屬富集、轉移是影響修復效率的關鍵[1,3]。水肥是影響植物生理特性重要因素，目前水肥一體灌溉方式是重要的植物節水節肥調控技術，肥液濃度是影響植物生長發育的主要調節因素[4,5]。常規均勻灌溉方式，水肥的深層滲漏損失及地表徑流損失問題突出[5,6]，而且容易造成土壤重金屬污染擴散。采用根區交替灌溉等方式節約水資源同時，減少了灌水入滲面積和地表徑流，可顯著降低土壤剖面根區水分、養分的深層滲漏[7,8]，可能有利于控制重金屬污染地表遷移和深層擴散。另外現有的水肥供應制度下植物根系發育誘導作用不明顯，且養分與重金屬吸收相互制約問題突出，不利于土壤復合重金屬植物之間的吸收[9,10]；現有水肥調配制度下植物生理代謝與修復特性的相互制約問題突出，影響植物重金屬轉運效率和累積能力[11-13]。據此需要進一步探索土壤復合重金屬污染環境的水肥調節機制，多植物復合重金屬吸收的水肥供應機制，以及植物生理代謝與修復特性的水肥協調機制等，為提高植物重金屬修復特性奠定基礎。本文從植物重金屬的吸收、轉運和累積等方面，深入探索土壤重金屬污染修復植物的水肥利用機制，為農業生態環境的重金屬污染修復提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

2014年1月至2015年12月在江西農業大學試驗田，進行了水肥一體分根區灌溉下土壤重金屬污染植物修復調節機制研究。經實驗前期田間土壤重金屬含量檢測，鎘含量在4.14～4.78 mg/kg，鋅含量在528～610 mg/kg，其他土壤重金屬含量未超出國家土壤環境標準，本試驗區屬于鎘鋅復合重金屬污染土壤環境。由于芥菜對重金屬鎘富集能力強，莧菜對鋅富集能力較強[7,9]，本文以芥菜與莧菜起壟間作修復土壤鎘鋅復合重金屬污染為例，創新設計水肥一體隔溝灌溉試驗。設置肥水溶液濃度水平，以及隔溝固定灌溉與隔溝交替灌溉對比試驗。

1.1 試驗設計

本項目依據土壤重金屬植物修復特性，針對土壤鎘鋅復合重金屬污染采用兩種植物間作修復，通過起壟種植且每壟種植兩行、其中一行為芥菜和另一行為莧菜。每壟長為10 m，壟頂寬為0.3 m，壟底寬為0.4 m；壟間灌水溝底寬為0.15 m、灌水溝頂寬為0.3 m。每8壟為一試驗小區，每小區重復3次，共45小區。設置隔溝固定灌溉C1、隔溝交替灌溉C2、常規溝灌C3三種模式，灌水定額相同(120 mm)，整個生育期共灌溉5次，設置不同肥水比溶液濃度(氮含量：水質量比分別為0.000 74、0.000 88、0.001 02、0.001 16、0.001 30，對應水平標記為N1、N2、N3、N4、N5水平)，共15處理，每個處理3次重復。試驗材料選擇“紅圓葉”莧菜籽，由湖南省長沙市銀田蔬菜種子實業有限公司生產，以及印度芥菜。

1.2 測定項目及方法

鎘含量采用石墨爐原子吸收光譜法檢測(GB/T5009.15-2003)；鋅Z含量采用冷原子吸收光譜法檢測(GB/T5009.17-2003)。采用富集系數(Bioaccumulation factors，BCFs-蔬菜中的重金屬含量/土壤中的重金屬含量)評價莧菜富集土壤重金屬的能力，BCFs越大說明蔬菜富集重金屬的能力越強；采用轉運系數(Translocation factors，TFs-地上部重金屬含量/根部重金屬含量)評價莧菜由根部向可食部轉移重金屬的能力，TFs>1，表明重金屬主要分布于可食部；TFs

1.3 統計學分析

用SPSS 18.0對數據進行分析，根據正態性和方差齊性檢驗結果，數據服從正態分布且方差齊者多組樣本均數的比較采用單因素方差分析，組間比較采用SNK-q檢驗；數據不服從正態分布或方差不齊者多組樣本均數的比較采用Kruskal-Wal1is H 檢驗，組間比較采用秩變換技術結合完全隨機設計的方差分析。試驗數據前后比較采用配對樣本t檢驗。

2 結果與分析

2.1 芥菜與莧菜間作下生物量對水肥一體隔溝灌溉的響應

表1中灌溉方式對芥菜和莧菜生物量累積影響結果表明，按大小及差異顯著性排序，常規溝灌(C3)下芥菜和莧菜地上部和根部的生物累積量最大，其次是水肥一體隔溝交替灌溉(C2)和水肥一體隔溝固定灌溉(C1)，而C2與C3模式下芥菜根部生物量差異不顯著；植物生物量在肥液濃度水平處理下，芥菜地上部生物量表現為N5>N4>N3>N2>N1，芥菜根部和莧菜地上部的生物量表現為N5>N3>N2，莧菜根部則為N5>N2，表明芥菜地上部、芥菜根部及莧菜地上部、莧菜根部的生物量對肥液濃度敏感度逐漸下降。

表1 水肥一體灌溉下植物生物量對灌溉方式和肥液濃度單因素處理的響應 g/株

表2 水肥一體隔溝灌溉下植物生物量的組合處理影響 g/株

表2結果表明組合處理下C2N5與C3N5的芥菜、莧菜的生物量最高，相比之下C2N4、C3N4處理僅芥菜地上部生物量略小，C3N3下芥菜地上部生物量下降顯著，C2N3下芥菜與莧菜地上部均顯著下降，可見水肥一體交替灌溉、常規灌溉與肥液濃度耦合對生物量累積影響趨于一致。另外C1灌溉模式下除C1N5處理芥菜根部生物量外，其余組合處理均小于C2、C3灌溉模式。說明水肥一體隔溝交替灌溉具有同常規溝灌相同的水肥調節效應，而植物生物量在水肥一體隔溝交替灌溉下更節水節肥。

2.2 芥菜與莧菜間作下重金屬含量對水肥一體隔溝灌溉的響應

表3中灌溉方式對芥菜和莧菜重金屬含量累積影響試驗結果，按部位、大小及差異顯著性排序，表明芥菜與莧菜的地上部重金屬含量表現為C3>C2>C1，根部則為C3和C2>C1，可見相比常規灌溉以及水肥一體隔溝固定灌溉，水肥一體隔溝交替灌溉對植物重金屬含量累積也具有顯著的促進作用；植物重金屬含量在肥液濃度影響下，芥菜地上部表現為N5>N3>N2>N1，芥菜根部為N5>N4>N3>N2，莧菜地上部表現為N5>N3，莧菜根部則為N5>N2，表明芥菜重金屬含量受肥液影響敏感度明顯大于莧菜。

表4中植物重金屬含量多重比較分析結果表明，C3N5組合處理下芥菜地上部、莧菜地上部和根部，以及C2N5的芥菜根部的重金屬含量為兩植物不同部位最高。相比之下C3N4與C3N5處理的植物重金屬含量差異不顯著，與C2N5相比C2N4處理下僅芥菜根部略有下降，說明C2、C3灌溉模式在肥液濃度較高水平(N4、N5)處理下有利于重金屬累積。說明常規灌溉、水肥一體隔溝交替灌溉下顯著提升芥菜重金屬含量，需要較高肥液濃度水平支持。

表3 水肥一體隔溝灌溉下植物重金屬含量的單因素影響 mg/kg

表4 水肥一體隔溝灌溉下植物重金屬含量的組合處理影響 mg/kg

2.3 芥菜與莧菜間作下重金屬富集及轉移對水肥一體隔溝灌溉響應

表5中灌溉方式對芥菜和莧菜重金屬富集與轉移影響，按大小及差異顯著性排序，芥菜與莧菜的重金屬富集系數表現為C3和C2>C1，且芥菜地上部重金屬富集系數C3>C2。植物重金屬轉移系數表現為芥菜為C3>C1>C2，莧菜為C3>C2>C1，相比常規灌溉而水肥一體交替隔溝灌溉模式降低9.3%以下， 水肥一體固定隔溝灌溉降低20.46%以下；肥液濃度對植物重金屬富集系數影響，芥菜地上部表現為N5>N4>N2>N1，芥菜根部為N5>N4>N3>N2，莧菜地上部及根部為N5>N2，可見芥菜重金屬富集系數對肥液濃度響應更敏感，肥液濃度對植物轉移系數影響僅莧菜表現為N5>N1。

表5 水肥一體隔溝灌溉下植物重金屬富集及轉移系數的單因子影響Tab.5 Single factor influence on plant heavy metal enrichment and transfer coefficient under integrated water and fertilizer separate furrow irrigation

表6中組合處理下植物重金屬富集及轉移系數，結果表明芥菜地上部為C3N5處理最高，其次為C3模式下N3、N4水平，C2模式下N3、N4和N5水平，C1模式下N4和N5水平等組合，可見較高肥液濃度水平與不同灌溉模式組合對芥菜地上部的重金屬富集均有促進作用。芥菜根部為C2N5處理最高，其次為C3N5和C2N4，表明水肥一體交替隔溝灌溉比常規灌溉對芥菜根部重金屬富集作用更顯著。莧菜地上部及根部則C2、C3模式下N3、N4、N5以及C3下N1、N2水平等組合最高；植物重金屬轉移系數，芥菜僅C2N5低于其他處理，莧菜僅C1N2和C1N1低于其他處理，同常規灌溉相比C2、C3灌溉模式與N4、N5肥液濃度組合下植物重金屬富集系數較高，兼顧較高的重金屬轉移系數則C2N4、C3N4和C3N5組合處理下植物重金屬修復效率最為理想。

表6 水肥一體隔溝灌溉下植物重金屬富集及轉移系數的組合處理影響Tab.6 The combination of treatment effect on plant heavy metal plant heavy metal enrichment and transfer coefficient under integrated water and fertilizer separate furrow irrigation

3 討 論

土壤重金屬污染植物修復技術，已經取得了一定的研究成果[14-16]，目前針對水肥調控影響植物重金屬修復特性的研究相對較少，本項目利用重金屬富集植物的生育特點，創新設計水肥一體隔溝灌溉方法，促進植物重金屬收獲量、重金屬富集系數以及重金屬轉移系數等方面的改善，進而提高植物的修復特性。

灌溉方式影響下植物重金屬收獲量(生物量與重金屬含量相乘)，相比常規灌溉而水肥一體隔溝交替灌溉重金屬收獲量下降22.96%～32.21%，芥菜根部重金屬收獲量則提高6.35%。重金屬富集系數差異較小，轉移系數降低9.3%以下，水肥一體固定隔溝灌溉降低20.46%以下。水肥一體固定隔溝灌溉則重金屬收獲量、重金屬富集系數、轉移系數在三種灌溉方式下均最低；肥液濃度水平處理下，重金屬收獲量隨肥液濃度增加呈上升趨勢，芥菜地上部、根部及莧菜地上部、根部的重金屬收獲量由肥液濃度N1至N5水平處理分別提高209.15%、246.06%、364.68%和284.21%。植物重金屬富集系數中芥菜對肥液濃度響應更敏感，肥液濃度對植物轉移系數影響則相對較小。

組合處理下植物重金屬收獲量按部位區分，芥菜地上部、莧菜地上部、莧菜根部均為C3N5處理最高，芥菜根部為C2N5處理最高，其次芥菜地上部、芥菜根部及莧菜地上部、莧菜根部收獲量相對較高的分別是C2N5、C3N5、C3N4和C2N5，總體上C3N5和C2N5是植物重金屬收獲量較高處理，兩處理之間芥菜地上部及莧菜地上部、莧菜根部分別下降14.82%、18.31%、3.30%，芥菜根部提高31.36%。從不同灌溉方式下水肥溶液利用效率角度分析，相比C3N5處理而C2N5處理的總水肥用量減少一半而水肥利用效率更高。因此C2N5組合處理下植物重金屬修復特性最為理想。

4 結 語

(1)灌溉方式影響下，相比常規灌溉而水肥一體隔溝交替灌溉植物重金屬收獲量，除芥菜根部提高外，芥菜地上部、莧菜地上部以及根部均下降，富集系數除芥菜地上部降低外則其他部位變化不顯著。水肥一體固定隔溝灌溉則重金屬收獲量、富集系數和轉移系數均下降。肥液濃度影響下，植物重金屬收獲量隨肥液濃度增加呈上升趨勢，而重金屬富集系數、轉移系數影響則相對較小。

(2)組合處理下芥菜及莧菜重金屬收獲量較高的為C3N5和C2N5處理，相比C3N5處理而C2N5處理重金屬收獲量的芥菜地上部及莧菜地上部、莧菜根部下降3.30%～18.31%，芥菜根部提高31.36%，且C2N5處理的水肥利用效率更高，因此C2N5組合處理下植物重金屬修復特性最為理想。

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