間作修復對玉米鎘含量影響的整合分析

劉 靜，張 祎，康凌云，杜連鳳，趙會薇，閔欣月，鄒國元*，李順江*

（1 北京市農林科學院植物營養與資源環境研究所，北京 100097；2 國家半干旱農業工程技術研究中心，河北石家莊 050051）

土壤重金屬污染是一個世界性問題[1]。中國糧食主產區土壤污染報告顯示，我國重金屬點位超標率已達21.49%，每年因重金屬污染而無法食用的糧食超過了2000萬t[2–3]。鎘(Cd)是中國農田土壤首要重金屬污染物，7.0%的土壤樣品超過了中國環境保護部的限量標準[4]。我國玉米農田土壤Cd污染問題突出，尤其是礦山、金屬冶煉和工業活動區的農田[5–7]。如何在確保這些區域農產品安全及可持續生產的同時，進行污染土壤修復已成為重要的研究課題。植物修復技術是一種能有效去除、穩定土壤重金屬或降低其毒性的高效、經濟的方法[8]。單獨利用超富集植物修復污染土壤耗時很長，且造成農業生產中斷，農田資源浪費，這不符合我國國情。利用超富集植物和作物間(套)作實現邊生產邊修復，已成為農田土壤重金屬污染修復的研究熱點[9]。Cd污染玉米農田間套作修復研究已有許多報道，涉及到的修復植物既有超富集植物[10–13]，也有非超富集植物[14–19]；有些間作模式同時促進或抑制修復植物和玉米Cd吸收；有些間作模式抑制修復植物Cd富集，促進玉米對Cd的吸收；同一玉米品種與不同修復植物間作后，玉米地上部Cd含量差異較大；不同玉米品種間Cd累積與轉運特征有顯著差異[14–19]。以上研究結論很難定量反映間作修復對玉米Cd含量影響的綜合效應。此外，大多數間作修復研究是通過盆栽試驗開展，而大田間作修復研究相對較少，無法形成一批可復制、可推廣的技術模式和經驗。

為此，我們對中國現有的Cd污染玉米農田間作修復研究進行系統的文獻整理，通過Meta分析，明確間作修復對玉米Cd含量的影響，解析作物品種、修復植物種類、農田土壤Cd環境質量類別以及栽培措施等因素對間作修復效果的影響，旨在為Cd污染玉米農田中農作物安全、優質栽培提供技術模式和參數，實現Cd污染玉米農田邊生產邊修復的目的。

1 研究方法

1.1 文獻搜集

利用中國知網和Web of Science文獻數據庫，以中英文“玉米”、“鎘”、“間作”為關鍵詞，檢索2006—2020年期間發表的有關我國重金屬Cd污染玉米農田間作修復方面的文獻。根據Meta分析數據整合的要求和本研究目的，基于以下標準對檢索文獻進行篩選：1)在我國進行的Cd污染玉米農田間作修復，按照試驗類型分為大田試驗或盆栽試驗；2)同一研究中必須包含玉米和修復植物的間作處理，以及玉米單作對照處理；3)玉米Cd含量作為間作修復的響應變量；4)玉米Cd含量以均值表示(單位統一為mg/kg)，并包含標準差(或標準誤)和樣本數；5)對于報道同一研究的重復文獻，只選擇其中一篇；6)研究地點要明確。基于以上標準，篩選出符合要求的文獻共計33篇。其中，13篇為大田間作修復，20篇為盆栽間作修復。

1.2 數據提取及數據庫建立

提取每篇文獻中玉米Cd含量在單作對照組和間作處理組的均值、標準差、樣本量，匯總并建立數據庫。對表格形式的數據直接進行提取，對圖片形式的數據使用Engauge Digitizer軟件將其數字化[20]。為了深入解釋間作修復對玉米Cd含量影響差異，從文獻中獲取以下數據：試驗類型(大田或盆栽)、玉米不同器官(籽粒、莖葉和根)的Cd含量、間作修復植物種類、玉米品種、間作行距，以及修復前土壤Cd環境質量類別和pH等信息(表1)。其中，根據《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018)[21]，土壤pH分為酸性(pH≤5.5)、弱酸性 (5.5＜pH≤6.5)、中性 (6.5＜pH≤7.5)和堿性(pH＞7.5)。根據不同pH下土壤Cd濃度所在范圍(表2)，將土壤Cd環境質量分為三類：優先保護類(土壤Cd濃度≤風險篩選值)、安全利用類(風險篩選值＜土壤Cd濃度≤風險管制值)和嚴格管控類(土壤Cd濃度≥風險管制值)。

表1 間作修復大田試驗和盆栽試驗中不同因素對玉米Cd含量影響的Meta分析數據組Table 1 Sample sizes of meta-analysis of the effects of different factors on Cd concentrations of maize in field and pot trials

表2 不同pH下農用地土壤Cd風險篩選值和風險管制值 (mg/kg)Table 2 Risk screening value and risk control value of Cd concentration in four types of pH in soil of croplands

數據庫中涉及間作修復植物共33種，隸屬于9科，包括豆科11種、禾本科5種、景天科2種、菊科3種、茄科2種、十字花科7種、莧科1種、蕨科1種、黎科1種；其中，大田間作共7科12種，盆栽間作共9科29種；2種試驗類型共同種類有雞眼草、苜蓿、黑麥草、蜈蚣草、伴礦景天、續斷菊、番茄、龍葵、籽粒莧等9種(表3)。涉及玉米品種共26種，其中大田7種、盆栽23種，二者共同種類包括金珠蜜、會單4號、海禾28號和綠玉269等4種(表4)。大田試驗中，玉米和修復植物間作行距有 8 種：0～10、20～30、30～40、40～50 cm及50、60、75和100 cm；盆栽試驗中，間作行距有2種：0～10、10～20 cm。

表3 Cd污染玉米農田間作修復體系中修復植物種類Table 3 Intercropping plant species in Cd-contaminatedmaize intercropping remediationsystem

表4 間作修復的玉米品種Table 4 Maize cultivars in Cd-contaminated maize intercropping remediation system

1.3 Meta分析

基于研究目的，使用反應比的自然對數[ln(R)]作為效應值，即Meta分析效應大小的度量標準。此指標反映了間作修復對玉米Cd含量影響的相對大小，計算公式如下：

方差計算如下：

式中，R是反應比；treatment和control是間作處理組和單作對照組玉米Cd含量平均值；S1和S2分別表示間作處理組和單作對照組的標準偏差；n1和n2分別表示間作處理和單作對照的樣本數量。

如果間作修復對玉米Cd含量有提高作用，則有ln(R)＞0；如果間作修復對玉米Cd含量有降低作用，則有ln(R)＜0。若ln(R)的95%置信區間不包含0，則說明間作修復對玉米Cd含量影響顯著(P＜0.05)；若ln(R)的95%置信區間與“0”點相交，則認為間作修復對其影響不顯著(P＞0.05)。

此外，為直觀表征間作修復對玉米Cd含量影響以及便于對結果進行解釋，利用程序包中的exp函數將效應值ln(R)轉化為變化率ZI(包括增長率或下降率)，即，ZI=(R-1)×100%

隨機效應模型不僅考慮了研究內的變異，而且也考慮了研究間的變異，因此，選擇隨機效應模型計算效應值。對間作植物種類、玉米品種、土壤pH、土壤Cd環境質量類別、間作行距等分類解釋變量進行隨機效應模型的檢驗。

通過計算失安全系數(fail-safe number，Nfs)檢驗meta分析發表性偏倚，其中失安全系數閾值為(5n+10)，n為觀察值數目。失安全系數低于閾值或無顯著性排序表明本研究數據存在發表性偏倚問題[22–23]。

1.4 數據處理

采用Excel 2016對數據進行記錄和整理；通過R軟件Metefor程序包[24]進行ln(R)平均值和方差計算，以及分類變量、連續變量等解釋變量的檢驗和Rosenthal’s 失安全系數檢驗；采用Origin 2021軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 間作修復對玉米Cd含量的效應分析

與單作玉米相比，間作玉米Cd含量總效應值小于0，且其95%置信區間不包含0，說明間作修復對玉米Cd含量有顯著降低作用，下降率為3.64%。試驗類型顯著影響玉米Cd含量(P＜0.0001)，其中，大田間作修復顯著降低玉米Cd含量，下降率為11.0%；而盆栽間作下降不顯著(圖1)。通過分析間作修復對玉米不同器官Cd含量影響(圖2)可知，大田間作可以顯著降低籽粒、莖葉和根部Cd含量，下降率分別為30.22%、7.87%和6.63%；而盆栽間作中，玉米各器官Cd含量差異不顯著(P=0.27)。對間作修復下玉米Cd含量效應進行發表性偏倚檢驗，結果(表5)顯示，除了盆栽間作試驗下玉米籽粒Cd含量的失安全系數(Nfs)小于閾值以外，其他測試組Nfs均大于閾值，說明不存在發表偏倚, 能夠滿足整合分析要求。

表5 間作修復下玉米Cd含量的發表性偏倚檢驗Table 5 Publication bias test for Cd concentration in maize in intercropping remediation

圖1 間作修復后玉米Cd含量效應值分析Fig.1 Cd concentrations in maize after intercropping remediation

圖2 間作修復后玉米器官Cd含量效應分析Fig.2 Cd concentration in organs of maize after intercropping remediation

2.2 間作植物種類的影響分析

大田試驗下，間作植物種類對玉米籽粒、莖葉和根Cd含量均有顯著影響(P＜0.0001) (圖3)。蜈蚣草+籽粒莧、蜈蚣草、籽粒莧等3類間作植物可同時降低玉米籽粒、莖葉和根Cd含量。青花(套作馬鈴薯)、油毛菜(套作西葫蘆)顯著降低玉米籽粒Cd含量。續斷菊對玉米莖葉和根Cd含量均有顯著降低作用；龍葵對玉米籽粒Cd含量有顯著降低作用；雞眼草和番茄分別對玉米莖葉、根Cd含量有顯著降低作用。然而，龍葵、黑麥草和苜蓿等間作植物顯著增加玉米莖葉Cd含量。

圖3 大田試驗間作植物種類對玉米Cd含量影響Fig.3 Effects of intercropping plant species on Cd concentration in maize in field trial

盆栽試驗下，間作植物種類對玉米籽粒、莖葉和根Cd含量也有顯著影響(P＜0.0001) (圖4)。龍葵對玉米籽粒、莖葉和根Cd含量均有顯著降低作用；伴礦景天、續斷菊、鷹嘴豆等顯著降低玉米莖葉和根Cd含量；黑麥草、蜈蚣草+籽粒莧、籽粒莧對玉米籽粒和莖葉Cd含量有顯著降低作用；蜈蚣草和香根草等對玉米籽粒Cd含量有顯著降低作用；大豆、孔雀草和紫花苜蓿對玉米莖葉Cd含量有顯著降低作用。然而，雞眼草顯著增加玉米籽粒、莖葉和根Cd含量；豌豆、大葉井口邊草、扁豆和土荊芥顯著增加玉米莖葉Cd含量；豌豆、大葉井口邊草、東南景天、芥菜型油菜和馬唐顯著增加玉米根Cd含量。

2.3 主栽作物品種的影響分析

大田試驗下，不同玉米品種Cd含量受間作修復影響差異較大(P＜0.0001) (圖5)。間作修復可顯著降低東單和綠玉269等品種籽粒、莖葉和根Cd含量；會單4號和金珠蜜等品種莖葉和根Cd含量顯著下降；海禾28籽粒Cd含量也顯著下降。然而，登海11莖葉Cd含量在間作修復后顯著增加。

圖5 大田間作修復試驗對不同玉米品種Cd含量的影響Fig.5 Cd concentration in different maize cultivars in field intercropping remediation

盆栽試驗下，不同玉米品種Cd含量受間作修復影響差異較大(P＜0.0001) (圖6)。間作修復顯著降低會單4莖葉和根Cd含量；鄭單958籽粒和莖葉Cd含量顯著下降；綠玉269、萬甜200、渝糯851等籽粒Cd含量顯著下降；迪卡008、甜單8和中科魯丹990等莖葉Cd含量顯著下降。然而，間作修復顯著提高滬玉糯2和金珠蜜等品種莖葉和根Cd含量；申甜1、蘇玉糯2、掖單13、云瑞6、云瑞88等品種莖葉和根Cd含量顯著增加；云瑞8莖葉Cd含量顯著增加；綠色超人和浙糯玉6等品種根Cd含量顯著增加。

圖6 盆栽間作修復對不同玉米品種Cd含量的影響Fig.6 Cd concentration in different maize cultivars in pot intercropping remediation

2.4 土壤性質影響分析

大田試驗下，土壤pH≤5.5時，間作修復顯著降低玉米根Cd含量，下降率為23.14%；土壤pH介于5.5～6.5時，籽粒、莖葉和根Cd含量均顯著下降，下降率分別為44.08%、10.49%和4.20%；土壤pH介于6.5～7.5時，籽粒Cd含量顯著下降，下降率為32.76%；土壤pH＞7.5時，間作修復對籽粒、莖葉和根Cd含量均無顯著影響。盆栽試驗下，土壤pH＞7.5時，籽粒、莖葉和根Cd含量均受到顯著抑制；土壤pH介于6.5～7.5時，根Cd含量受到顯著促進 (圖7)。

圖7 土壤pH對間作修復玉米Cd含量的影響Fig.7 Effects of soil pH on Cd concentrations in maize under intercropping remediation

大田試驗下，土壤Cd環境質量類別對間作修復玉米莖葉Cd含量影響不顯著(P＞0.05) (圖8A)；安全利用類時，間作修復顯著降低玉米籽粒和根Cd含量，下降率分別為15.67%和15.13%；嚴格管控類時，籽粒和根Cd含量也顯著下降，下降率分別為49.75%和4.12%。盆栽試驗下，土壤Cd環境質量對間作修復玉米籽粒Cd含量影響不顯著(P＞0.05)(圖8B) ；優先保護類時，根Cd含量受到顯著促進作用；安全利用類時，莖葉和根Cd含量受到顯著促進作用；嚴格管控類時，莖葉Cd含量受到顯著抑制。

圖8 土壤Cd環境質量類別對間作修復玉米Cd含量的影響Fig.8 Effects of soil Cd environmental quality on Cd concentrations in maize in intercropping remediation

2.5 間作行距影響分析

大田試驗下，間作行距對玉米籽粒和莖葉Cd含量影響不顯著，但是，0～10、20～30、40～50 cm及50、75和100 cm行距顯著降低根Cd含量，下降率分別為13.32%、31.98%、7.25%、2.90%、3.55%和4.15% (圖9A)。盆栽試驗下，間作行距對玉米莖葉、根Cd含量有顯著影響(P＜0.0001)；10～20 cm行距顯著增加莖葉和根Cd含量(圖9B)。

圖9 間作行距對玉米Cd含量的影響Fig.9 Effects of row spacing between maize and intercropped plants on maize Cd concentrations

3 討論

本研究表明，在大田和盆栽兩種試驗類型中，間作修復對玉米Cd含量影響差異較大；間作植物種類、主栽玉米品種、土壤性質、間作行距等因素對間作修復效果的影響在大田或盆栽下差異也較大。玉米屬于深根作物，根系一般為1.0 m左右，最深可達2 m以上，主要根系分布于0—50 cm表土層中。大田有利于玉米對光、養分的利用，促進玉米生長[14]。盆栽試驗由于空間限制，玉米根系生長在橫向和縱向上受到限制，導致玉米根、莖葉和籽粒生物量相對較小。此外，重金屬在天然土壤中存在的時間長，溶解性差，植物在短時間內較難吸收，而人工配置盆栽土壤中重金屬Cd的生物有效性差別較大[25]，這可能是大田和盆栽試驗間作修復效果差異的主要原因。

本研究顯示，與玉米單作相比，間作修復顯著降低農田玉米Cd含量。相關研究表明，間作可以改變根構型[26]、增加根系分泌物量和類型，鈍化土壤鎘或降低其生物有效性，減少在玉米中累積[27]，或者分泌大量低分子有機酸與鎘形成螯合物，提高鎘生物有效性，促進超富集植物吸收鎘[28–29]；間作還可能通過“稀釋作用”降低玉米Cd含量，即間作提高了玉米生物量，致使玉米Cd含量下降[12,30]。同一植物不同器官對同一種重金屬元素吸收富集能力差異較大[31]。玉米對鎘吸收累積也沒有呈現器官間的一致性[32]，各器官Cd含量分布順序基本呈現為根＞莖葉＞籽粒的趨勢[12]。然而，相對于根和莖葉，間作修復后玉米籽粒Cd含量下降率更大，尤其是大田試驗。間作通過改變玉米地上部蒸騰速率[33]以及地下部根系形態和數量特征[18]，從而改變Cd吸收運輸方式或者體內積累的Cd形態，進一步抑制間作玉米Cd從營養器官向籽粒的轉移或再活化速率[34]。

籽粒莧、蜈蚣草、龍葵等3種間作植物能顯著抑制大田或盆栽間作體系玉米籽粒、莖葉或根Cd含量。其中，蜈蚣草+籽粒莧共同間作對玉米Cd含量降低作用要強于蜈蚣草或籽粒莧單獨間作。此外，在盆栽試驗中龍葵間作顯著降低玉米Cd含量。由此得知，多種間作植物合理搭配可以提升間作修復效果。數據分析表明，顯著降低玉米Cd含量的間作植物種類以草本植物為主，比如蜈蚣草、龍葵、孔雀草、香根草、青花和油毛菜等，這些草本植物植株矮小，不會對玉米形成空間競爭關系。主栽作物品種也是影響間作修復關鍵因素之一，會單4、海禾28和綠玉269等品種Cd含量受間作修復顯著抑制。然而，盆栽間作修復中，滬玉糯2、金珠蜜、申甜1、蘇玉糯2、掖單13、云瑞6和云瑞88等玉米品種Cd含量受到間作修復顯著促進作用；此外，雞眼草、扁豆、大葉井口邊草、土荊芥、豌豆、東南景天、芥菜型油菜、馬唐等間作植物也顯著提高玉米Cd含量，這是盆栽間作修復對玉米Cd含量綜合效應影響不顯著的主要原因。選擇合適的間作植物種類和玉米品種，會顯著增加間作修復效果。

土壤pH為弱酸性或中性時，大田間作修復能顯著抑制玉米Cd含量。由文獻得知，在pH＜6時鎘的生物有效性隨pH的升高而增加，而在pH＞6時鎘生物有效性則隨pH升高而降低[35]，表明土壤pH介于5.5～7.5時提高了鎘生物有效性，促進間作植物對鎘吸收，從而降低玉米Cd含量。土壤Cd環境質量類別為安全利用和嚴格管控時，大田間作修復均能有效降低玉米籽粒和根Cd含量。土壤重金屬含量較低時可能對微生物活動有促進作用，當含量增大到一定程度時，就會對微生物產生不良影響，微生物的區系及群落結構、功能等也會改變[36]，故可推測中高濃度鎘污染脅迫下可能影響土壤微生物活性，間接影響玉米對Cd吸收。目前，針對重金屬污染農田土壤農藝修復研究中，利用水分管理、施肥、施用石灰等調節pH、低吸收品種的田間應用等已有較多研究與應用[32]，關于間作行距對修復效果的影響研究相對較少。從本研究得知，間作行距顯著影響玉米根Cd含量，0～30 cm行距可以降低大田間作玉米根Cd含量。草本植物是間作修復主要植物種類，其與玉米間距較小，二者根系間相互聯系緊密，可以促進修復植物對土壤中Cd的吸收和積累，提高間作修復效率。

4 結論

間作修復可以顯著降低玉米Cd含量，提高Cd污染玉米農田修復效率。尤其是大田間作試驗中，玉米籽粒、莖葉和根Cd含量均顯著下降。間作植物種類和玉米品種是影響間作修復效果的重要因素，有些間作植物或玉米品種的間作修復效果在大田或盆栽試驗中差異較大。此外，土壤pH和Cd環境質量類別對間作修復后玉米Cd含量影響在大田或盆栽試驗也有較大差異。間作行距對玉米根Cd含量有顯著影響。本研究結果可為我國Cd污染玉米田修復技術提供一定技術參數和理論基礎。