張靜靜，黃 河，吳海霞，容 群，李 雪，覃 霞，張超蘭

(廣西大學(xué)環(huán)境學(xué)院，廣西 南寧 530005)

不同土壤類型中水稻間作紅蛋對鎘累積的影響

張靜靜，黃 河，吳海霞，容 群，李 雪，覃 霞，張超蘭*

(廣西大學(xué)環(huán)境學(xué)院，廣西 南寧 530005)

開展根箱實驗，比較水稻土和石灰?guī)r土上鎘(Cd)低累積常規(guī)水稻(玉絲占)間作紅蛋(Echinodorusosiris)對Cd累積的影響。通過分析水稻和紅蛋根區(qū)土壤pH、陽離子交換量(CEC)、有效硫(S)、有效鈣(Ca)、有效鎂(Mg)和不同形態(tài)Cd的變化，研究不同土壤類型中2種植物間作對Cd累積的影響。結(jié)果表明：與單種相比，間作可使水稻土上水稻地上部、地下部和籽粒中的Cd含量增加1.97 %、3.91 %和1.43 %；使石灰?guī)r土上水稻地上部、地下部和籽粒中的Cd含量降低11.17 %、34.95 %和15.38 %。在水稻土上，間作對水稻根區(qū)土壤pH無顯著影響，但增加了有效S、CEC和弱酸提取態(tài)Cd百分含量，分別增加84.05 %、22.27 %和16.13 %。在石灰?guī)r土上，間作使水稻根區(qū)土壤有效Mg含量顯著增加，增加9.16 %，使有效Ca含量降低5.25 %，對pH、CEC和弱酸提取態(tài)Cd的百分含量影響不顯著。

水稻；紅蛋；間作；鎘；累積性

水稻是我國主要的糧食作物之一[1]，水稻吸收鎘(Cd)的能力很強，且易在籽粒中積累，造成稻米中Cd超標(biāo)的問題日益嚴(yán)重[2]。人體攝入Cd含量超標(biāo)時，會引發(fā)高血壓、腎損害等疾病[3]。因此，采取措施阻隔水田鎘通過食物鏈向人體中轉(zhuǎn)移對食品安全及國民健康均具有重要意義。目前，阻隔土壤重金屬進入食物鏈的方法主要有：種植Cd低累積的品種、施用土壤改良劑或鈍化劑、Cd低累積品種和Cd富集植物間套種等。其中，間作可以充分利用空間和土地資源[4]，其作為生物修復(fù)技術(shù)的一種，可有效地應(yīng)用于重金屬污染土壤的修復(fù)。吳華杰等[5]在Cd污染的土壤上對小麥和水稻進行間作研究，結(jié)果表明，水稻和小麥地上部Cd的積累量有所降低。薛建輝等[6]在重金屬污染的土壤上間作杉木和茶樹，發(fā)現(xiàn)間作不僅可以降低土壤重金屬的含量，而且可以降低茶葉中重金屬的含量。紅蛋(Echinodorusosiris)是一種常見的多年生濕地植物，主要生長在熱帶地區(qū)，屬澤瀉科纖維草本植物，具有生物量大、生長快等特點。采用前期研究篩選出來的對Cd耐性較高、轉(zhuǎn)移能力較差、累積能力較低的水稻品種(玉絲占)以及Cd耐性強[7]、轉(zhuǎn)移和富集能力高的紅蛋(Echinodorusosiris)[8]，以廣西典型的水稻土和石灰?guī)r土開展根箱實驗，研究低累積的水稻間作紅蛋對兩種植物累積Cd的影響，并從間作對根區(qū)土壤pH、CEC、有效Ca、有效Mg、有效S和鎘化學(xué)形態(tài)的變化等角度探討相關(guān)的機理，為稻米安全生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

表1 土壤基本理化性質(zhì)

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試水稻品種為常規(guī)稻玉絲占，選購于廣西南寧市農(nóng)資市場，紅蛋為本研究團隊通過篩選Cd耐受性和累積性強的紅蛋植株繁殖后獲得。

供試水稻土和石灰?guī)r土分別采自廣西南寧市廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗田和廣西桂林市丫吉試驗場。其基本的理化性質(zhì)如表1所示。

1.2 試驗方法

土壤樣品經(jīng)研磨后過18目篩，加入分析純固體CdCl2·2.5H2O，使2種土壤的鎘含量均達到4 mg·kg-1。選用100 cm×45 cm×25 cm規(guī)格的塑料箱，用尼龍網(wǎng)(80 μm，約200目)沿塑料箱的長邊將其內(nèi)部空間均勻分為4個部分。分別裝入15 kg上述兩種Cd污染土壤，加水至最大田間持水量的60.00 %，平衡1周，然后施入一定量的氮磷鉀肥，混勻，澆水保持1 cm水層，平衡1周，待用。

試驗設(shè)置單種水稻、單種紅蛋、水稻紅蛋間作處理，將長出3葉1心長勢一致的水稻苗和在木村B營養(yǎng)液培養(yǎng)一周后的紅蛋苗移栽至根箱，單種水稻根箱和單種紅蛋根箱，水稻和紅蛋幼苗各10株，間作根箱水稻、紅蛋幼苗各六株，各處理重復(fù)3次。試驗期間水肥管理按照常規(guī)方法進行。在水稻完熟期(105 d)分別采集0～20 cm的根區(qū)土壤和植株樣品，分析土壤pH、陽離子交換量(CEC)、有效Ca、有效Mg、有效S和不同化學(xué)形態(tài)Cd含量以及植物體內(nèi)的總Cd含量。

1.3 測定項目及方法

土壤樣品采集后，經(jīng)自然風(fēng)干，去除根系等雜質(zhì)，過100目篩，備用。植株樣品采集后，先用自來水沖洗后再用去離子水漂洗。根部先用自來水沖洗，再用去離子水洗凈后，用20 mmol·L-1EDTA-Na2交換 20 min，最后用去離子水洗凈，吸水紙吸干。將水稻植株分為地上部、地下部和籽粒；紅蛋植株分為地上部和地下部。105 ℃下殺青30 min，65 ℃烘干至恒重，粉碎后過100目篩，待用。

土壤pH、陽離子交換量(CEC)、有效Ca、Mg、S含量參照《土壤農(nóng)化分析》[9]測定，不同化學(xué)形態(tài)Cd 采用歐共體連續(xù)提取法(BCR法)[10]測定。

植物樣品和糙米樣品都采用HNO3-HClO4濕消化法進行預(yù)處理，消煮液中的Cd含量通過ICP-OES測定。

不同形態(tài)Cd含量( %)=Fi/(F1+F2+F3+F4)×100

其中，F(xiàn)i為土壤中某種形態(tài)Cd含量，F(xiàn)1為弱酸提取態(tài)Cd含量，F(xiàn)2為可還原態(tài)Cd含量，F(xiàn)3為可氧化態(tài)Cd含量，F(xiàn)4為殘渣態(tài)Cd含量。

轉(zhuǎn)移系數(shù)(S/R)=地上部Cd含量/地下部Cd含量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2007、SPSS 20.0 軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 間作對水稻和紅蛋吸收積累Cd的影響

2.1.1 間作對植株地上部累積Cd的影響 從圖1可以看出，間作對水稻和紅蛋植株地上部Cd含量并無顯著的影響，但是不同土壤中間作對兩種植物地上部Cd含量的影響趨勢不完全一致。在水稻土上，間種使水稻地上部Cd含量增加了1.97 %，而紅蛋地上部Cd含量卻降低了3.56 %；在石灰?guī)r土中，間作則使水稻地上部Cd含量降低了11.17 %，紅蛋地上部Cd含量卻增加了2.93 %。從圖1還可以看出，無論是單種還是間作，在水稻土中種植的2種植物地上部Cd的含量均高于石灰?guī)r土的，尤其是紅蛋地上部Cd的含量遠高于石灰?guī)r土中，其中水稻土中單種水稻、間種水稻、單種紅蛋和間種紅蛋地上部Cd含量分別是石灰?guī)r土中的1.4、1.6、2.8和2.6倍。

A：水稻土；B：石灰?guī)r土;植株1：單種水稻；2：單種紅蛋；3：間作水稻；4：間作紅蛋;不同小寫字母表示不同處理間的差異顯著(P<0.05)，下同A:Paddy soil；B:Limestone soil.;Plants 1:Monocropping rice;2:Monocropping Echinodorus osiris；3:Rice after intercropping; 4:Echinodorus Osiris after intercropping;The different lowercase letters show significant difference (P < 0.05)，the same as below圖1 不同處理植株地上部Cd含量Fig.1 The Cd content in shoots of plants under different treatments

2.1.2 間作對植株地下部累積Cd的影響 從不同處理下植株地下部Cd含量(圖2)可以看出，在水稻土上，間作對水稻和紅蛋地下部的Cd含量與單種相比分別增加了3.91 %和2.93 %，但差異均不顯著。在石灰土上，間作顯著降低了水稻地下部Cd含量，比單種水稻降低34.95 %，而間作后紅蛋地下部Cd含量則顯著增加，比單種紅蛋增加了15.93 %。與地上部一樣，無論是單種還是間作，在水稻土上水稻和紅蛋植物地下部Cd的含量均高于石灰?guī)r土，其中水稻土中單種水稻、間種水稻、單種紅蛋和間種紅蛋地上部Cd含量分別是石灰?guī)r土中的1.7、2.4、2.7和2.1倍。

2.1.3 間作對稻米中Cd含量的影響 間作對稻米Cd含量的影響如圖3所示。相對于單種，間作對稻米中Cd含量并無顯著的影響，但是，從數(shù)值上來看，2種土壤的影響趨勢并不一致。水稻土上，間作增加了稻米Cd的含量，比單種水稻稻米Cd含量增加了1.43 %；而在石灰?guī)r土上，間作則降低了稻米Cd的含量，比單種稻米降低15.38 %。無論單種還是間種，水稻土中稻米Cd的含量明顯高于石灰?guī)r土，水稻土中單種和間種稻米Cd的含量分別是石灰?guī)r土中的5.4和6.4倍。結(jié)合圖1～2可知，在水稻土上，間作水稻地上部、地下部和稻米的Cd含量均略高于單種，說明在水稻土上，水稻更容易吸收、累積Cd，間作促進了水稻對Cd的吸收、運轉(zhuǎn)和累積。在石灰土上，間作均降低了水稻地上部、地下部和稻米的Cd含量，可見，間作對稻米中Cd的累積產(chǎn)生了阻礙作用。

圖2 不同處理植株地下部Cd含量Fig.2 The Cd content in roots of plants under different treatments

圖3 不同處理稻米Cd含量Fig.3 The Cd content in rice under different treatments

2.2 間作對土壤Cd化學(xué)形態(tài)的影響

從圖4可以看出，間作對根區(qū)土壤不同形態(tài)Cd的百分含量也產(chǎn)生明顯的影響。就2種土壤而言，水稻土中Cd以弱酸提取態(tài)形式存在占總量50.00 %以上，而石灰?guī)r土中Cd以殘渣態(tài)形式存在占總量70.00 %左右。間作對不同類型土壤中Cd形態(tài)的影響不一致。在水稻土上，間作提高了水稻和紅蛋根區(qū)土壤弱酸提取態(tài)Cd的百分含量，分別比單種水稻和單種紅蛋提高了16.13 %和4.71 %，降低了殘渣態(tài)Cd含量，分別降低了12.97 %和8.69 %，這可能是由于植物根系分泌的有機酸活化了土壤中的生物可利用性Cd。在石灰?guī)r土上，間作降低了水稻和紅蛋根區(qū)土壤弱酸提取態(tài)Cd百分含量，分別比單種水稻和單種紅蛋降低0.98 %和4.79 %，增加了殘渣態(tài)的百分含量，分別增加了5.24 %和4.60 %。說明在水稻土上，間作在一定程度上增加了植物根區(qū)土壤有效Cd的百分含量，而在石灰?guī)r土上，間作降低了植物根區(qū)土壤有效Cd的百分含量。

2.3 間作對植物累積Cd的機理探析

2.3.1 間作對根區(qū)土壤的pH值和CEC的影響 從不同處理對根區(qū)土壤pH值的影響(表2)可以看出，無論是水稻土還是石灰?guī)r土，間作和單種對土壤pH值影響不大。在水稻土上，間作使水稻根區(qū)土壤pH降低了2.11 %，使紅蛋根區(qū)土壤pH升高了0.15 %，但差異均不顯著。在石灰?guī)r土上，間作使水稻根區(qū)土壤pH降低了1.21 %，使紅蛋根區(qū)土壤pH升高了1.93 %。從表2中還可以看出，除單種水稻根區(qū)土壤pH水稻土與石灰?guī)r土差異不大外，其余處理根區(qū)土壤pH值石灰?guī)r土均大于水稻土，并且間作使兩種土壤上水稻根區(qū)土壤pH值降低，使紅蛋根區(qū)土壤的pH值升高。水稻間作紅蛋對2種土壤根區(qū)CEC的影響明顯不同(表2)。水稻土中，2種植物間作顯著增加水稻根區(qū)土壤CEC，間作水稻比單種水稻根區(qū)土壤CEC增加17.03 %，間作使紅蛋根區(qū)土壤CEC比單種紅蛋降低了2.04 %，但影響不顯著。石灰?guī)r土中，與單種相比，間作降低水稻和紅蛋根區(qū)土壤的CEC，分別比單種水稻和單種紅蛋根區(qū)土壤CEC降低1.01 %和5.26 %，但差異未達顯著水平。

2.3.2 間作對根區(qū)土壤有效硫(S)、有效鈣(Ca)和有效鎂(Mg)的影響 石灰?guī)r土壤上，間作對2種植物根區(qū)土壤有效Ca和有效Mg的含量見表3。與單種相比，間作顯著提高了水稻根區(qū)土壤有效S含量(表3)，比單種提高84.05 %；而紅蛋根區(qū)有效S含量則有顯著的降低，比單種降低11.86 %。從總體來看，根區(qū)土壤有效S呈現(xiàn)出單種紅蛋>間作紅蛋>間作水稻>單種水稻的規(guī)律。

表2 不同處理植物根區(qū)土壤的pH和CEC

注：不同小寫字母表示不同處理間的差異顯著性(P<0.05)，下同。

Note:The different lowercase letters show significant difference (P< 0.05).The same as below.

表3 不同處理植物根區(qū)土壤的有效S、有效Ca、有效Mg

注：水稻土上測定有效S含量，石灰?guī)r土上測定有效Ca、Mg含量。

Note:Determination of the content of effective S in paddy soil, and effective Ca and Mg in limestone soil.

間作使水稻和紅蛋根區(qū)土壤有效Ca含量比單種水稻和紅蛋分別降低了5.25 %和0.51 %(表3)，但差異不顯著。從表3可以看出，間作均顯著提高了水稻和紅蛋根區(qū)有效Mg的含量，分別比單種提高9.16 %和12.11 %。從黎健龍等[11]的研究可知，有效Ca和有效Mg對土壤中有效態(tài)Cd的影響主要表現(xiàn)在：Ca2+、Mg2+與Cd2+競爭土壤膠體表面的陽離子吸附點位，Ca2+、Mg2+含量升高，則土壤膠體對Cd2+的吸附降低，從而影響有效態(tài)Cd在土壤中含量。

3 討論與結(jié)論

超耐受型植物與農(nóng)作物間作時，種間的相互作用會對農(nóng)作物累積重金屬產(chǎn)生一定的影響[12]。本研究結(jié)果表明，在水稻土上，間作使水稻的地上部、地下部以及籽粒中的Cd含量分別增加了1.97 %、3.91 %和1.43 %，但影響均不顯著，使紅蛋地上部Cd含量降低了3.56 %，地下部Cd含量升高了2.93 %，并且紅蛋地上部和地下部的Cd含量均高于水稻，說明紅蛋確有較高的累積Cd的能力。在石灰?guī)r土上，相對于單種，間作可降低水稻地上部、地下部和籽粒中的Cd含量，分別降低了11.17 %、34.95 %和15.38 %，并使紅蛋地上部和地下部的Cd含量增加2.93 %和15.93 %，說明紅蛋在大量吸收Cd的同時，可抑制水稻對Cd的吸收。

土壤pH值是影響土壤重金屬有效性的重要因素之一，張德閃等[13]研究發(fā)現(xiàn)，兩種或者兩種以上的農(nóng)作物進行間作之后，由于根系之間的相互作用，根系OH-和H+的分泌會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致間作與單種根區(qū)土壤pH值的差異。同時也有相關(guān)研究結(jié)果表明，間作會使土壤的pH值降低，從而導(dǎo)致土壤中重金屬的生物有效性顯著增加[14]。pH值可以顯著影響Cd生物有效性，Cd的存在又會抑制植物根部對H+的分泌[15]，土壤中的生物可利用性Cd易被植物根系分泌的小分子有機酸(檸檬酸、蘋果酸等)活化和釋放，分泌的有機酸使土壤根區(qū)pH值降低[16]。本研究中水稻土上間作使水稻根區(qū)土壤的弱酸提取態(tài)Cd百分含量與單種相比增加了16.13 %，殘渣態(tài)Cd百分含量降低12.97 %，與前人的研究結(jié)果[17]一致，由于間作使水稻根區(qū)土壤pH值降低，使得土壤中生物有效性Cd的百分含量升高，水稻植株的Cd含量也有相對的增加。在石灰?guī)r土上，間作降低了水稻和紅蛋根區(qū)土壤弱酸提取態(tài)Cd的百分含量，分別比單種水稻和單種紅蛋降低0.98 %和4.79 %，殘渣態(tài)的百分含量分別增加了5.24 %和4.60 %。說明在石灰?guī)r土上，間作降低了Cd的生物有效性，從而使水稻植株中的Cd含量與單種相比降低。CEC的高低可以反映土壤對周圍溶液中的陽離子吸附或代換的能力。土壤CEC與土壤溶液pH值有一定的關(guān)系，因為土壤膠體微粒表面羥基的解離受介質(zhì)pH的影響，當(dāng)介質(zhì)pH降低時，土壤膠體微粒表面所負電荷也減少，其陽離子交換量也降低，反之就增大[18]。與單種相比，間作降低了石灰?guī)r土中土壤CEC，可能是由于間作后，植株根際的土壤菌落數(shù)量變多，酶的活性增強，將含氮磷化合物轉(zhuǎn)化為可結(jié)合的無機化合物，CEC降低說明陽離子更多地轉(zhuǎn)移到了植物根系，可以從側(cè)面反映間作的優(yōu)勢[19]。土壤有效S可以通過還原后形成的S2-與Cd2+生成難溶的化合物，從而達到降低土壤有效態(tài)Cd的效果[20]，有效Ca、Mg則通過Ca2+、Mg2+與Cd競爭土壤膠體表面吸附位點，來改變有效態(tài)Cd的百分含量。本研究中間作使水稻土上水稻根區(qū)土壤有效S的含量顯著升高了84.05 %，土壤弱酸提取態(tài)Cd的百分含量增加了16.13 %，使石灰?guī)r土上水稻根區(qū)土壤有效Ca降低了5.25 %，有效Mg含量升高了9.16 %，土壤弱酸提取態(tài)Cd百分含量降低了0.98 %。故可以通過調(diào)節(jié)土壤pH，改變CEC，從而使有效S、Ca、Mg的含量發(fā)生變化，最終達到降低土壤有效態(tài)Cd百分含量的目的。

本研究結(jié)果表明，與單種相比，在水稻土上，間作使水稻地上部、地下部和籽粒中的Cd含量分別增加了1.97 %、3.91 %和1.43 %，但差異均不顯著；在石灰?guī)r土上，相對于單種，間作紅蛋降低了根區(qū)土壤中弱酸提取態(tài)Cd的含量，從而降低水稻地上部、地下部和籽粒中的Cd含量，分別降低了11.17 %、34.95 %和15.38 %。說明在石灰?guī)r土上，間作紅蛋可以降低水稻植株和籽粒中的Cd含量。同時，間作可明顯改變植物根區(qū)土壤的理化性質(zhì)。在水稻土上，間作降低了水稻根區(qū)土壤pH，升高了CEC、有效S和弱酸提取態(tài)Cd的百分含量；在石灰?guī)r土上，間作降低了水稻根區(qū)土壤pH、CEC、有效Ca含量，升高了有效Mg的含量。

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(責(zé)任編輯 汪羽寧)

Accumulation of Cd in Rice andEchinodorusosirisunder Intercropping Conditions in Different Soil Types

ZHANG Jing-jing, HUANG He, WU Hai-xia, RONG Qun, LI Xue, QIN Xia, ZHANG Chao-lan*

(School of Environment，Guangxi University，Guangxi Nanning 530005，China)

Rhizobox was carried out to investigate the effects of accumulation of Cd in plants under rice (Yusizhan) andEchinodorusosirisintercropping system in paddy soil and limestone soil. In addition, the changes of rice andEchinodorusosirisroot zone soil pH, cation exchange capacity (CEC), effective S, effective Ca, Mg and different forms of cadmium (Cd) content were analyzed to investigate the effects of accumulation of Cd in plants under intercropping conditions in different soil types. The results showed that in the paddy soil, compared with monocropping rice, intercropping ofEchinodorusosirisincreased the content of Cd in rice shoots, roots and grain by 1.97 %, 3.91 % and 1.43 %, and in limestone soil, the intercropping condition made the Cd content in rice shoots, roots and grain reduced by 11.17 %, 34.95 % and 15.38 %. In paddy soil, intercropping ofEchinodorusosirishad no significant effect on the pH of root zone soil of rice, but the effective S, CEC and percentage of acid extractable Cd increased by 84.05 %, 22.27 % and 16.13 % respectively. In the limestone soil, under intercropping condition, the effective Mg content of the soil in the root zone of rice increased by 9.16 %, but the effective Ca content decreased by 5.25 %, besides the pH, CEC and percentage of acid extractable Cd had no significant changes.

Rice；Echinodorusosiris；Intercropping；Cd；Accumulation

1001-4829(2016)12-2871-06

10.16213/j.cnki.scjas.2016.12.019

2016-07-07

國家自然科學(xué)基金項目(41461091)；廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計劃項目(桂科合14125008-2-30)；廣西自然科學(xué)基金項目(2014GXNSFAA118039，2015GXNSFEA139001)

張靜靜(1989-)，女，河北衡水人，碩士研究生，研究方向為土壤環(huán)境重金屬污染修復(fù)，E-mail：932396380@qq.com，*為通訊作者，張超蘭(1971-)，E-mail：zhangcl@gxu.edu.cn。

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