毛竹幼苗與伴礦景天間作對銅鎘鋅轉運積累的影響

劉晨，郭佳，趙敏，鐘斌，郭華，侯淑貞，徐煒杰，楊蕓，王任遠，葉正錢，柳丹*1

毛竹幼苗與伴礦景天間作對銅鎘鋅轉運積累的影響

劉晨1，2，郭佳3，趙敏4，鐘斌1，2，郭華1，2，侯淑貞1，2，徐煒杰1，2，楊蕓1，2，王任遠1，2，葉正錢2，柳丹1，2*1

（1.浙江農林大學，亞熱帶森林培育國家重點實驗室，杭州311300；2.浙江農林大學環境與資源學院，浙江省土壤污染生物修復重點實驗室，
杭州311300；3.浙江誠邦園林股份有限公司，杭州310000；4.溫嶺市環境保護局，浙江溫嶺317500）

通過毛竹幼苗與伴礦景天間作在2 mm和5 mm土壤的盆栽試驗，探究間作對毛竹幼苗與伴礦景天生長狀況的影響，并對重金屬遷移轉運能力和其在不同部位的分布特征進行研究。結果表明：間作更適合在疏松土壤上進行；間作明顯降低了毛竹幼苗與伴礦景天的生物量，其中，在2 mm土壤中間作的伴礦景天地下部生物量下降了85.9%，在5 mm土壤中間作的毛竹幼苗莖、葉生物量顯著下降了75.5%和64.3%；間作減弱了毛竹幼苗根部對重金屬的吸收轉運能力，使伴礦景天根部Zn與Cd的轉運能力形成競爭，但有效促進了毛竹幼苗與伴礦景天體內重金屬由根向地上部的運輸；間作能夠增加伴礦景天Cd和Zn的積累量，降低毛竹幼苗體內Cu、Cd和Zn的積累量。可見，毛竹幼苗與伴礦景天間作對Cu、Cd和Zn的轉運積累起到了一定的促進作用，但也在一定程度上抑制了植株生長。

重金屬；毛竹；伴礦景天；間作；土壤修復

近年來，國內外學者展開了一系列關于強化植物修復重金屬污染土壤的研究，采用的措施主要有螯合劑、微生物、基因工程改良和農藝管理等[1-2]。從操作的簡便性和環境友好型考慮，農藝管理調控是更為適合并可大力推廣的一項強化措施。其中，間作是農藝管理調控中一種典型的植物修復措施。王吉秀等[3]研究發現，玉米和不同蔬菜間套模式是抑制作物可食部分吸收累積重金屬鉛（Pb）、銅（Cu）、鎘（Cd）含量的有效措施。而且，不同的植物間作對重金屬的吸收作用不盡相同。趙冰等[4]發現，間作處理的小麥地上部重金屬濃度是單作處理的1.1～1.9倍。蔡麗等[5]通過在茶園間作樟樹發現，茶園土壤重金屬元素含量明顯降低，但茶葉新梢中重金屬元素含量增加。徐健程等[6]研究發現：在不同的Cu質量分數處理下，間作玉米地上部Cu含量均顯著低于單作，其中降幅最大的為100 mg/kg Cu處理，降幅為49.4%；而間作玉米地下部Cu含量均顯著高于單作，其中增幅最大的為100 mg/kg Cu處理，增幅為105.4%。因此，對間作植物的篩選一定要慎重，需盡可能地做到在保證產量的同時降低需求部位重金屬毒性或增加積累植物的重金屬含量。

毛竹具有極強的環境適應性，其無性系種群具有強烈的生理整合能力，能夠集群抵御不良環境的影響；毛竹適宜生長在疏松、肥沃、濕潤、板巖或頁巖發育的黃紅壤上，其最適pH為4.5～7.0，同時具有一定的耐鹽堿性和修復重金屬污染土壤的能力[7-11]。因此，本文通過毛竹幼苗與鋅（Zn）、鎘（Cd）超富集植物伴礦景天間作的盆栽試驗，研究間作對2種植物生長和轉運積累重金屬的影響及重金屬在植株不同部位的分布特征，為Cu、Cd和Zn復合重金屬污染農田土壤的修復和治理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試土壤與植物

供試土壤采自浙江省杭州市富陽區某鍍鋅廠附近農田。采集0～20 cm表層土壤，風干后過篩以備用。其基本理化性質見表1。供試植株：伴礦景天采自浙江省杭州市富陽區某鍍鋅廠附近農田，移至溫室培育繁殖，選長勢良好的植株備用；毛竹幼苗是在浙江農林大學購買種子后以水培的方式培養，待長出4片葉子后選根系發達的幼苗備用。

表1 供試土壤基本理化性質Table 1 Physicochemical properties of tested soil

1.2 試驗設計與處理

盆栽試驗于2016年6月在浙江農林大學玻璃溫室大棚內進行，把土壤分成2 mm和5 mm 2組風干土，每組3個處理，共6個處理組（表2），每個處理組4次重復，總計24個處理，隨機分布。每盆裝4 kg土，以呈對角線的方式移栽4株植物，且間作保持同種植物在一條對角線上。生長3個月后采樣分析。

表2 盆栽試驗處理Table 2 Pot experiment treatment

1.3 樣品處理與元素分析

植株收獲后，先用20 mmol/L乙二銨四乙酸二鈉（EDTA-2Na）溶液交換20 min，去除根表面吸附的重金屬，然后用自來水和蒸餾水分別洗3次，將毛竹分為根、莖和葉，伴礦景天分為地上部和地下部，裝入牛皮紙信封內，分別測定鮮質量；再于105℃下殺青30 min，然后在65℃下烘干72 h至恒量，測定干物質量；最后用不銹鋼粉碎機將植物樣磨細，過0.1 mm尼龍篩，供分析測定用。稱取0.15 g樣品，以濃硝酸與少量過氧化氫進行消煮，消煮液用5%硝酸溶液定容至25 mL，過濾，濾液用電感耦合等離子體發射光譜法（ICP-OES）測定重金屬含量。所有藥品及試劑均為優級純或基準試劑。

土壤經風干后，過2 mm篩，取5 g放入100 mL離心管中，用pH 7.3的0.005 mol/L二乙烯三胺五乙酸（DTPA）+0.01 mol/L CaCl2+0.1 mol/L三乙醇胺（TEA）浸提劑浸提，在(25±2)℃條件下振蕩2 h（180 r/min），離心后過濾，重金屬含量測定同上。

1.4 數據分析

轉移系數TFA-B=B中重金屬含量/A中重金屬含量[12]。

數據分析采用Excel 2013和SPSS 21.0軟件，作圖采用SigmaPlot 12.5軟件。采用方差分析和最小顯著差異法（LSD）對數據進行統計分析，差異顯著性水平為p＜0.05。

2 結果與分析

2.1 間作對毛竹幼苗與伴礦景天生長狀況的影響

由圖1可見，間作導致毛竹幼苗與伴礦景天二者的生物量明顯下降，其中伴礦景天在2 mm土壤上間作（J2）處理的地下部生物量降幅最大，為85.9%，毛竹在5 mm土壤上間作（J5）處理的地上部莖、葉生物量也顯著下降了75.5%和64.3%（p＜0.05）。這表明毛竹在幼苗期會與伴礦景天爭奪養分，因此在這一時期間作不利于毛竹與伴礦景天生長。毛竹的J2組生物量無顯著變化，而J5組生物量則顯著降低；伴礦景天的2組生物量均呈現顯著的下降趨勢（p＜0.05）。試驗還發現，植株在2 mm土壤中生長更容易爛根枯萎，且土壤板結嚴重。總體上，毛竹比伴礦景天更適合在惡劣土壤環境中生長，但是在毛竹幼苗期選擇伴礦景天進行間作不太適宜。

圖1 間作對毛竹和伴礦景天生物量的影響Fig.1 Effect of intercropping of moso bamboo and S.plumbizincicola on their biomass

2.2 間作對土壤-植物體系中重金屬轉移能力的影響

重金屬在土壤-植物體系的轉移基本遵循土壤→地下部→地上部或者土壤→根→莖→葉的順序[12-13]。重金屬在土壤-植物體系相鄰部位之間的轉移是其從土壤向上部轉運過程中的組成環節，每個環節的轉運能力都會影響植物中Cu、Cd和Zn的富集。在不同處理下Cu、Cd和Zn在土壤-植物體系中各個環節的轉移系數分別如表3、表4所示。

由表3可知：伴礦景天地下部吸收Zn的能力最強，Cd次之；而伴礦景天由地下部至地上部對Cd的輸運能力最強，Zn次之。伴礦景天的土壤—地下部轉移系數是地下部—地上部轉移系數的幾十倍甚至上百倍，說明伴礦景天吸收Zn和Cd的能力較強，但向上運輸的能力稍顯不足。對土壤—地下部與土壤—地上部的轉移系數比較可知：Cu與Zn向地下部的根轉運能力更強；而Cd一般向地上部轉運，但是在板結土壤中，其轉運能力會受到一定的限制。與單作相比，間作毛竹使Cu由土壤—地下部的轉移系數均有所減小，Cd則表現為在2 mm土壤中增加，在5 mm土壤中減小；Zn與Cd完全相反，在2 mm土壤中降低了37%，在5 mm土壤中增加了26%。但是間作增強了重金屬在伴礦景天中向上運輸的能力，其中J5組的Cd轉移系數達到2.14，是單作的1.5倍。這說明在Cu、Cd和Zn復合重金屬污染土壤中，間作使Cd和Zn在伴礦景天地下部相互作用，進而影響了轉運重金屬的能力，從而對地上部轉運具有一定的促進作用。

由表4可知：與毛竹單作相比，在5 mm土壤中間作（J5）的Cu、在2 mm土壤中間作（J2）的Cd和Zn的轉移系數（土壤—根）下降，分別降低26.9%、16.9%和33.9%；間作對Cu及J2處理的Cd和Zn的根—莖、莖—葉、土壤—莖、土壤—葉及土壤—莖和葉的轉移系數均有所增加（J2組Zn從莖—葉的轉移系數除外），而J5處理的Cd和Zn在根—莖、莖—葉、土壤—莖、土壤—葉及土壤—莖和葉的轉移系數均有所減少（J5組Zn從莖—葉的轉移系數除外）。上述結果表明，間作對毛竹根吸收重金屬量與土壤—根的轉運系數呈正相關，但是在向上轉移重金屬過程中轉移系數會隨著該重金屬積累部位的不同而產生變化。

表3 Cu、Cd和Zn在土壤-伴礦景天體系中的轉移系數Table 3 Transfer factors of Cu,Cd and Zn in soil-S.plumbizincicola system

表4 Cu、Cd和Zn在土壤-毛竹體系中的轉移系數Table 4 Transfer factors of Cu,Cd and Zn in soil-moso bamboo system

2.3 間作對毛竹幼苗與伴礦景天重金屬積累的影響

毛竹與伴礦景天各部位的重金屬積累量如圖2所示：不同重金屬在植物體內積累量不同，不同植物對重金屬的吸收、積累也不同，其中伴礦景天的Zn積累量最高；同一重金屬在同一植株不同部位的積累量不同。在2 mm板結土壤中，毛竹與伴礦景天各自單作比間作對重金屬的積累量高，且重金屬大多集中于根部，其中伴礦景天地下部的Cu和Zn濃度是間作的1.7和1.6倍，毛竹根部Zn和Cd濃度也在1.2～1.5倍之間。在5 mm疏松土壤中，間作降低了毛竹各部位對Cu、Cd和Zn的積累，同時使伴礦景天對重金屬積累量顯著增加；除Cu外，Cd在伴礦景天地上部的積累量相比單作增加了57%，Zn在伴礦景天地上部和地下部都有所增加，與單作相比分別增加了38%和82%。這表明間作更適合在5 mm疏松土壤環境中作用于毛竹與伴礦景天，從而增加伴礦景天的重金屬積累能力，減弱毛竹體內重金屬的毒性。

由圖2可知，除在2 mm土壤上單作伴礦景天（B2）和在2 mm土壤上間作伴礦景天和毛竹（J2）外，Cu在毛竹與伴礦景天的根部積累量最高，間作使其積累量均有所減少，毛竹尤其是根部積累量顯著下降，伴礦景天變化不顯著。Cd積累在毛竹根和莖中，間作使其積累量呈現下降趨勢；在伴礦景天中Cd主要積累在地上部，間作對地下部積累量無影響而使地上部積累量高達30 mg/kg。毛竹的Zn積累量表現為莖＞根＞葉，伴礦景天的Zn積累量則是地下部＞地上部，而且Zn在伴礦景天的積累量遠遠大于毛竹。間作對于Zn積累量的作用表現為，毛竹各部分積累量都在下降，伴礦景天則完全相反。

3 討論

本研究結果表明，5 mm土壤更有利于毛竹幼苗與伴礦景天間作，從而增加伴礦景天的Cd和Zn的積累量，削弱毛竹體內Cu、Cd和Zn的積累量，但是毛竹和伴礦景天的生物量都因間作而有所下降，出現爛根、枯萎甚至死亡。同時，間作促進了伴礦景天根部重金屬向上轉移，也造成了根部Cd和Zn吸收轉運的競爭關系；間作導致了毛竹根部的重金屬轉運能力降低，在向上轉運重金屬時也因積累部位不同而受到影響。已有研究表明，毛竹在快速生長過程中由于營養消耗大，容易造成土壤養分匱乏[14]。因此，本試驗中毛竹與伴礦景天生長出現異常，甚至影響重金屬的轉運，很有可能是因為毛竹還處于幼生期，需要的養分不是供試土壤所能提供的，也有可能是因為重金屬在根部吸收轉運過程中存在著競爭關系。本試驗伴礦景天根部對Zn和Cd的吸收轉運呈現出對立關系，相互競爭，而且伴礦景天根部也與毛竹根部吸收轉運呈現對立關系，從而導致根部重金屬毒性增強。這有待進一步的試驗解釋毛竹與伴礦景天間作的根系作用機制。在玉米與小花南芥間作中，小花南芥與單作相比，其地下部和地上部Pb的轉運系數增加了22%，玉米則差異不顯著[15]。在蠶豆與小花南芥間作[16]中，間作對小花南芥從土壤轉移Cd和Pb的能力均高于蠶豆，但是無論間作還是單作二者對重金屬由根向上運輸的能力均無顯著變化。本試驗伴礦景天Cd由根向上的轉移系數最高達到2.14，是單作的1.5倍；而毛竹地上部則因不同重金屬積累不同而呈現差異。這說明2種植物間作會相互影響各自對重金屬的吸收轉運[17]。

圖2 伴礦景天和毛竹的重金屬積累量Fig.2 Accumulation of heavy metals in moso bamboo and S.plumbizincicola

間作體系能充分挖掘光能、水源、熱量等自然資源[18]，同時，2種或多種植物通過種間互作或種間競爭，活化土壤進而提高植物富集重金屬的能力[19]。李凝玉等[20]研究了不同作物與玉米間作對玉米吸收積累鎘的影響，結果表明，籽粒莧在自身大量累積Cd的同時，在一定程度上抑制了與其間作的玉米的Cd積累量。本試驗結果與其類似，可能是由于間作植物對重金屬吸收具有不同的交互作用。有試驗表明，間作植物之間的交互作用不止這一類。王京文等[21]用伴礦景天與絲瓜間作，發現二者都具有去除Cd的能力，且重污染土壤中的景天和絲瓜對土壤Cd的移除能力大于低污染土壤種植的景天和絲瓜，可能是因為應用的工程菌吸附并鈍化了土壤有效態Cd，添加的鈣鎂磷肥使土壤有效態Cd含量減少了50%，從而降低了其有效態Cd。還有研究[22]發現，在土壤Cd含量為10.37～20.37 mg/kg范圍內，間作種植使苜蓿地上部Cd含量較單作降低2.8%～48.3%，印度芥菜地上部Cd含量也較單作降低了1.1%～48.6%，原因可能是在Cd脅迫下印度芥菜和苜蓿間作能夠產生某類有機酸，抑制了植物根系對Cd的吸收，降低了植物體內的Cd含量[23]。

在本試驗中，間作促進伴礦景天吸收重金屬，抑制毛竹對重金屬的吸收，很可能是因為根系分泌的某種有機酸的相互作用[15,24]，影響了毛竹對重金屬的吸收，而毛竹根部的轉移系數下降恰好說明了這一點，但具體的間作根系環境的作用機制有待進一步研究。本研究結果表明，毛竹幼苗與伴礦景天間作可以修復重金屬污染土壤，但是不利于植物的生長，甚至存活。因而，毛竹與伴礦景天間作是否合適，還需要進一步研究成長為喬木的毛竹與伴礦景天間作對重金屬吸收轉運及積累的影響。

4 結論

4.1 間作更適合在疏松土壤上進行。在本試驗土壤條件下，間作明顯降低了毛竹幼苗與伴礦景天的生物量。其中，在2 mm土壤中間作的伴礦景天地下部生物量下降了85.9%，在5 mm土壤中間作的毛竹幼苗莖、葉生物量顯著下降了75.5%和64.3%。

4.2 間作促進了重金屬從伴礦景天根部向地上部的轉移，也造成了根部Cd和Zn吸收轉運的競爭關系；間作導致了毛竹根部的重金屬轉運能力降低，在向上轉運重金屬時也因積累部位不同而受到影響。

4.3 間作能夠增加伴礦景天的Cd和Zn積累量，其中Cd的積累量表現為地上部＞地下部，Zn則相反，同時，間作可降低毛竹體內Cu、Cd和Zn的積累量。

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Effectsofmoso bamboo and Sedum plumbizincicola intercropping on transportand accumulation of Cu,Cd and Zn in soil-plant system.Journal of Zhejiang University(Agric.&Life Sci.),2017,43(5):615-622

LIU Chen1,2,GUO Jia3,ZHAO Min4,ZHONG Bin1,2,GUO Hua1,2,HOU Shuzhen1,2,XU Weijie1,2,YANG Yun1,2,WANG Renyuan1,2,YE Zhengqian2,LIU Dan1,2*
(1.State Key Laboratory of Subtropical Silviculture,Zhejiang A&F University,Hangzhou 311300,China;2.Key Laboratory of Soil Contamination Bioremediation of Zhejiang Province,School of Environmental&Resource Sciences,Zhejiang A&F University,Hangzhou 311300,China;3.Zhejiang Chengbang Landscape Co.,Ltd.,Hangzhou 310000,China;4.Wenling Environmental Protection Bureau,Wenling 317500,Zhejiang,China)

heavy metal;moso bamboo;Sedum plumbizincicola;intercropping;soil remediation

X 131；X 53

A

10.3785/j.issn.1008-9209.2017.04.051

Summary Phytoremediation is a low-cost and eco-friendly technology by using plants to uptake and accumulate heavy metals from contaminated soils.Intercropping is a simple and feasible method of agricultural management which was applied here to increase plant production and facilitate the efficiency of phytoremediation.

A pot experiment based on an intercropping system of moso bamboo seedlings and Sedum plumbizincicola was conducted to investigate its influence on the growth of plants,transfer ability of heavy metals in the system of soil and plant,and the effect on accumulation of Cu,Cd and Zn in different parts of plant.

The results showed that the root biomass of S.plumbizincicola which was intercropped with moso bamboo in 2 mm soildecreased significantly,and the biomass of both stems and leaves of moso bamboo which was intercropped with S.plumbizincicola in 5 mm soil was also declined clearly compared with that of moso bamboo in 2 mm soil.Moreover,the biomass of moso bamboo seedlings and S.plumbizincicola was reduced as compared with those of CK(monocropping),which suggested that intercropping led to competition between moso bamboo seedlings and S.plumbizincicola.Intercropping resulted in the decline of heavy metal uptake for the roots of moso bamboo seedlings and the competition between Cd and Zn in the roots of S.plumbizincicola,while it improved both upward transport by roots,but there were differences in the process for different metals accumulated in different parts(stem or leaf)of moso bamboo seedlings.In addition,contrast to monocropping,Cu,Cd and Zn accumulation in any part of moso bamboo seedlings decreased distinctly,but Cd and Zn accumulation in the overground part of S.plumbizincicola increased by 57%and 82%in 5 mm soil.

國家自然科學基金（31670617）；浙江省科技廳重點研發項目（2015C03020-2）。

柳丹（http://orcid.org/0000-0003-1102-6639），E-mail:liudan7812@aliyun.com

（First author）：劉晨（http://orcid.org/0000-0003-2600-2357），E-mail:2029169646@qq.com

2017-04-05；接受日期（Accepted）：2017-05-15

In sum,the intercropping system of moso bamboo and S.plumbizincicola shows the potential of upward transfer of heavy metals,and it also has positive impacts on Cu,Cd and Zn accumulation.