鉛鎘脅迫下蜀葵與油菜混作對油菜重金屬積累的影響

熊明彪，王 博，楊紹平，王乾鑫，張 恒，孫博文，紀丁愈，楊遠祥*

(1.四川水利創新發展研究院，成都 611230；2.四川水利職業技術學院，成都 611230；3.四川農業大學，成都 611130；4.四川工商職業技術學院，成都 611830)

我國耕地土壤重金屬等污染物土壤點位超標率達19.4%[1]重金屬污染形勢嚴峻。重金屬污染具有難降解、持續時間長、隱蔽性與滯后性等特點[2]，它們可以通過食物鏈進入人體，對人體健康產生不良影響[3]。同時，土壤重金屬污染也嚴重阻礙我國的糧食生產[4]。因此急需有效控制土壤中重金屬，尤其是鉛、鎘進入蔬菜或農作物可食用部分或降低土壤中鉛、鎘含量，達到有效提高食品安全、保證人體健康。油菜是我國廣泛種植的一種油料作物，種植面積約6.6×106hm2，產量占世界的20%[5-6]，但我國食用油自給率只有38.1%，不能滿足國家發展需求。鑒于油菜作物對國家發展的重要性，為了提升油菜產量與食用油自給率，我國需要重視油菜的種植，尤其是在重金屬污染土壤中如何保證產量與安全值得探討與研究。植物修復技術作為土壤重金屬修復的關鍵技術之一，而超富集植物為該技術的核心載體[7]。蜀葵作為一種超富集植物，對土壤重金屬具有良好的修復效果，有研究表明蜀葵對鉛、鎘元素存在較強富集的特性[8-9]。據研究，在重金屬污染條件下，不同植物混作會影響混種植物對重金屬的積累[10]。在牛膝菊與生菜混作[11]、花卉與葡萄混種的試驗[12]中，富集植物與作物混種能有效降低作物對重金屬的富集。

目前國內外有關油菜與蜀葵混作對土壤重金屬修復效果影響、對油菜品質影響的研究鮮見報道。鑒此，本研究選取全國廣泛種植的農作物-油菜、四川地區原產花卉-蜀葵為材料，通過盆栽模擬重金屬污染的試驗，探討在鉛、鎘污染條件下，農作物與富集植物混作對油菜品質、重金屬殘留的影響。希望能為土壤中鎘、鉛污染治理、農作物品質提升等提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試植物：油菜種子“德5油33號”、蜀葵種子購于成都市溫江區農資公司。

供試土壤：取自四川農業大學現代農業研發基地的水稻土。其基本理化性狀： pH 6.76、有機質31.68g/kg、全氮3.53g/kg、全磷0.32g/kg、全鉀17.41g/kg、鎘0.06mg/kg、鉛45.26mg/kg、堿解氮194.00mg/kg、速效磷6.18mg/kg、速效鉀91.17mg/kg。

供試重金屬：鉛、鎘均為分析純(AR)。

1.2 試驗設計

試驗于2019年12月至2020年5月進行，地點在四川農業大學現代農業研發基地的人工大棚(103°51′39.72″E，30°42′21.87″N)，大棚內通風和透光良好。試驗前，在稻田中取土樣，先將田塊均一分為4小塊，每小塊采取蛇形布設五點取樣進行供試土樣的采集。每一個取樣點，先剝去土地表層雜物，再取0～20cm的表土約20kg。將所有取樣點土樣混合均勻，去除石塊、根系等雜物后，將土壤裝入規格80cm×40cm×30cm的方形塑料盆，每個塑料盆的裝土需要達到約30kg。根據《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB15618-2018)，每盆供試土壤鉛、鎘含量設置為700mg/kg、3.0mg/kg，為使供試土壤鉛、鎘含量達到要求值，根據計算稱取足量的Pb(NO3)2、CdCl2充分溶于去離子水中，然后將該溶液與土樣充分混勻、浸泡、靜置1個月。處理完成后備用。選用重量0.1kg的油菜、蜀葵種子，先晾曬2d，然后用水浸種10h，最后用0.1%～1%濃度的過氧化氫浸泡5h左右進行消毒處理。采用普通培養皿發芽法，置于培養箱內催芽后轉移至試驗大棚無污染土壤中進行幼苗培養約1個月。在培養出的幼苗中挑選大小形態類似的油菜、蜀葵幼苗，將其移栽至土壤重金屬處理后的塑料盆中，培養180d，培養過程中保證土壤含水量保持在70%左右。

每個塑料盆中種植的植株數量為8株，其中的蜀葵、油菜植株按照一定的數量比例進行混作。根據蜀葵與油菜不同的混作比例，本試驗分成5個是試驗組，分別為CK、YH1、YH2、YH3、YH4。5個試驗組中的蜀葵與油菜的混作比例見表1。

表1 不同混作比例

1.3 樣品采集

移栽培養70d時，取油菜、蜀葵新鮮葉片供酶活測定。采集的油菜、蜀葵葉片樣品先用自來水沖洗干凈，之后用20 mmol/L Na2-EDTA交換20min，再用去離子水洗凈，用吸水紙擦干，立即檢測相關指標或者放入液氮速凍保存，保存于-75℃(ThermoFreezer 700，USA)超低溫冰箱以免鮮樣中酶失去活性。

移栽培養180d時，收割整株油菜、蜀葵。收割的油菜、蜀葵植物樣品，先105℃殺青30min，然后75℃烘干至恒重，稱植物干重，最后用不銹鋼粉碎機粉碎樣品保存于干燥器中備用。

1.4 測定方法

對植物樣品分析測定，分析測定方法見表2。

表2 植物樣品指標及分析測定方法

根據測定結果計算富集系數、轉運系數和耐性指數，用于判斷植物對Pb、Cd的吸附和轉運能力[14]，公式如下：

富集系數(Bioconcentration coefficient，BCF)=植株體積累的重金屬濃度/土壤中重金屬濃度

轉運系數(Translocation coefficient，TF)=植物地上部重金屬濃度/植物地下部重金屬濃度

耐性指數(Tolerance index，TI)=處理組植物生物量/對照組植物生物量

1.5 數據分析

數據以平均數±標準誤來表示，采用Microsoft Excel 2010軟件對數據進行處理，用SPSS20.0進行單因素方差分析(One-way ANOVA)，最小顯著差異法(LSD)在α=0.05水平進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同混作比例對蜀葵和油菜生物量的影響

將單作蜀葵(YH4)作為對照，混作蜀葵地上、地下部分的生物量均下降。當混作比例為蜀葵∶油菜=1∶3時，蜀葵地上、地下部分的生物量分別下降16.23%、23.85%；當蜀葵∶油菜=2∶2時，蜀葵生物量分別下降8.30%、21.36%；當蜀葵∶油菜=3∶1時，蜀葵生物量分別下降5.48%、11.26%。

圖1 混作蜀葵的生物量

將單作油菜(CK)作為對照，混作油菜地上、地下部分以及油菜籽的生物量是上升的。當混作比例為蜀葵∶油菜=1∶3時，油菜的油菜籽與地上、地下部分生物量分別上升12.75%、11.97%、34.43%；當蜀葵∶油菜=2∶2時，油菜生物量分別上升80.18%、76.75%、125.88%；當間蜀葵∶油菜=3∶1時，油菜生物量分別上升94.86%、189.15%、248.34%。

圖2 混作油菜的生物量

蜀葵與油菜的耐性指數變化規律與生物量變化規律一致，與單作相比，混作蜀葵耐性指數下降，混作油菜耐性指數上升。但是在混作蜀葵、油菜中，蜀葵數量占比越高，兩者耐性指數越高。所以試驗組YH1 、YH2、 YH3中，蜀葵的耐性指數比對照組YH4依次減少0.20、0.14、0.08，油菜的耐性指數比對照組CK依次增加0.14、0.82、1.96。

2.2 不同混作比例對蜀葵和油菜Pb、Cd含量的影響

蜀葵中的Pb、Cd主要積累在根部，與蜀葵的單作試驗組YH4相比，混作蜀葵地上、地下部分的Pb、Cd含量是下降的，從YH1至YH3，地上部分Pb含量下降39.80%、30.83%、17.93%，Cd含量下降28.43%、19.52%、13.15%。地下部分Pb含量下降70.58%、41.38%、18.66%，Cd含量下降35.80%、23.33%、12.99%。油菜中的Pb、Cd也主要積累在根部，與油菜的單作試驗組CK相比，混作油菜的地上、地下部分以及油菜籽的Pb、Cd含量也是下降的，從YH1至YH3，地上部分Pb含量下降19.72%、31.43%、42.52%，Cd含量下降32.72%、39.76%、50.15%。地下部分Pb含量下降13.68%、18.88%、31.45%，Cd含量下降3.15%、10.39%、26.53%。油菜籽Pb含量下降20.81%、31.98%、46.51%，Cd含量下降33.57%、40.56%、51.05%。

圖3 混作油菜與蜀葵的耐性指數

表3 不同混作比例對蜀葵、油菜鉛、鎘含量的影響

2.3 不同混作比例對蜀葵和油菜Pb、Cd富集系數與轉移系數的影響

在不同混作比例中，隨著蜀葵的數量占比升高，蜀葵的Pb、Cd富集系數升高，而轉移系數下降。當混作比例為蜀葵∶油菜=1∶3時，蜀葵的Pb、Cd富集系數最低而轉移系數最高，與單作蜀葵的最高富集系數、最低轉移系數相比，Pb分別相差0.17、0.25，Cd分別相差0.07、0.06。而隨著蜀葵的數量占比升高，油菜的Pb、Cd富集系數與轉移系數都隨之下降，當混作比例為蜀葵∶油菜=3∶1時，油菜的Pb富集系數與轉移系數最低，與單作油菜的最高富集系數與轉移系數相比，Pb分別相差0.11、0.03，Cd分別相差0.06、0.20。

2.4 不同混作比例對蜀葵和油菜葉片抗氧化酶活性的影響

混作油菜抗氧化酶活性(SOD、POD、CAT)低于單作油菜，混作蜀葵除了POD活性高于單作蜀葵，SOD、CAT活性也低于單作蜀葵。在混作比例中，蜀葵的數量占比升高，混作蜀葵的抗氧化酶中POD呈下降趨勢，SOD、CAT為上升趨勢，而油菜的抗氧化酶呈下降趨勢。當混作比例為蜀葵∶油菜=3∶1，與單作蜀葵相比，混作蜀葵的SOD含量下降3.50%、POD含量上升6.40%、CAT含量下降13.42%。與單作油菜相比，混作油菜的SOD下降16.79%、POD含量下降8.12%、CAT含量下降37.65%。

表4 不同混作比對蜀葵、油菜富集系數和轉移系數的影響

表5 不同混作比例對蜀葵和油菜葉片抗氧化酶活性的影響

2.5 不同混作比例下油菜吸收Pb、Cd的相關性分析

根據表7數據所示，不同混作比例與油菜地上部分Cd含量、地下部分Cd含量、Cd富集系數具有負相關性，與地上生物量具有正相關性，與油菜地上部分Pb含量、油菜地下部分Pb含量、Pb富集系數具有顯著負相關性(r=-0.989*、-0.987*、-0.989*)，與油菜地下生物量有顯著正相關性(r=0.973*)。

表6 不同混作比例下油菜吸收Pb、Cd的相關性分析

3 討論

根據本次試驗，混作油菜與單作(CK)相比，其生物量與耐性指數升高，且混作試驗組中，蜀葵的數量占比越高，油菜的生物量與耐性指數越高。有研究表明，在土壤重金屬脅迫條件下，富集植物與普通植物混作能降低重金屬的生物有效性以及對普通植物的毒性[15]。與本次試驗結果一致，蜀葵降低Pb、Cd的生物有效性以及毒性，對油菜起保護作用。根據徐彥紅[16]的試驗，富集植物紫花苜蓿與其他植物混作時，生物量會降低。與本次試驗蜀葵情況一致，說明蜀葵與油菜間存在種間競爭。

在植物體內Pb、Cd的分布特征為地下>地上，說明植物吸收的Pb、Cd主要積累在根部，與楊績然的重金屬試驗結果一致[17]。富集植物與作物混作，富集植物能有效抑制作物對重金屬的吸收，與黃佳璟等人的試驗結果一致[18]。因此，與單作油菜相比，混作油菜地上、地下部分與油菜籽的Pb、Cd含量都會下降，且隨著混作中的蜀葵數量比例增大，油菜地上、地下部分的Pb、Cd下降量增大。根據閆秀秀的研究，富集植物一方面通過活化土壤周圍的重金屬，促進作物吸收重金屬，另一方面通過競爭吸收、化感等方式抑制作物吸收重金屬[19]。本次試驗中，富集植物蜀葵地下部分的Pb、Cd含量相比單作是降低的，而作物油菜地上、地下部分的Pb、Cd含量相比單作也是下降的，這與歐發剛等人的試驗結果一致[20]。說明蜀葵、油菜的根系在Pb、Cd吸收的相互作用中，油菜與蜀葵相互抑制各自對Pb、Cd的吸收，但蜀葵在Pb、Cd的吸收方面比油菜更有優勢，進而抑制油菜對Pb、Cd的吸收。在轉移系數方面，與陳建軍[21]等人的試驗結果一致，混作蜀葵與單作相比轉移系數上升，而混作油菜與單作相比轉移系數下降。說明蜀葵能一定程度上抑制了油菜的Pb、Cd污染物從地下向地上部分轉移，最終使油菜地上部分的Cd、Pb含量下降。

在重金屬脅迫下, 植物體內會產生 SOD、POD、CAT 等抗氧化的物質, 通過生化反應來清除體內活性氧等物質[22]。根據試驗結果，混作蜀葵、油菜的SOD含量比單作更低。根據朱秀紅[23]等人的試驗結果，植物體內SOD的活性基本會先隨重金屬濃度升高而升高，本次試驗中，蜀葵與油菜相互抑制對Pb、Cd的吸收，使混作油菜、蜀葵體內的重金屬含量減少，SOD活性也減少。不同植物體內的抗氧化酶對重金屬能表現出不同的生態效應[24]，本次與單作相比，混作蜀葵POD是下降的，CAT是上升的，而混作油菜的POD與CAT都是下降的。油菜與蜀葵抗氧化酶的變化，也說明植物在重金屬脅迫下，混作可以改變植物自身酶的合成機制。

根據《食品安全國家標準 食品中污染物限量》(GB2762-2017)，油菜屬于葉菜蔬菜，因此油菜的Pb、Cd安全標準分別為0.3mg/kg、0.2mg/kg。根據試驗結果，處理組油菜籽的Cd含量達到安全標準。根據混作以及Pb、Cd復合脅迫對油菜吸收Pb、Cd的影響[25]，油菜籽的Cd含量最終符合食品安全標準。而由于土壤中的Pb含量過高，雖然混作使油菜籽Pb含量降低，但未降至安全標準。

4 結論

蜀葵與油菜混作能有效降低油菜地上部分的重金屬含量，增加油菜地上部分生物量，對油菜的安全質量有積極作用。在本試驗中，混作比例為油菜∶蜀葵=1∶3時，蜀葵對油菜在Pb、Cd積累的抑制作用最佳。