重金属容易通过生物链在植物、动物体内累积，对土壤生态环境和人类健康造成了严重威胁^[1-2]。在种植农作物的土地中含有的最为常见的重金属有Zn、As、Pb、Cd等，这部分有害物质通过废水浇灌、大气下沉和固态形式的废旧物等方式，使土壤受到了不同程度的污染，土壤环境不断恶化^[3-4]。我国前环境保护部和前国土资源部2013年的土壤调查结果显示，采样点有16.1%的农田土壤重金属超标，其中Cd、Cr、Hg、Pb、As、Cu、Zn和Ni导致的点位超标占到了82.4%^[5]。印度Musi流域附近的土壤受到Cu、Pb和Cd的污染；尼日利亚、韩国、法国等国家也同样出现了重金属超标问题^[6-9]。中国遭到重金属污染的田地已经占到总耕地面积的五分之一，在极大程度上阻挠了我国农作物的有效发展^[10]。针对土壤重金属污染问题，开发新型的成本低、环境友好的原位修复技术迫在眉睫。植物修复技术投资成本低、无二次污染，同时又能有效地去除土壤中的重金属、有机污染物，因而已经引起了世界各地学者的广泛关注和研究^[11]。

间种作为一种多植物栽培方式，其会因种植模式的不同而产生不同效果，现有的间种模式有： （1）经济作物-超富集植物间种，如蜈蚣草-玉米间种、蜈蚣草-甘蔗间种等。玉米作为经济作物，且对重金属积累量较低，是世界上重要的粮食作物之一，单位面积产量位于禾谷类作物之首^[12]。研究表明，玉米根系分泌的黏胶物质包裹在根尖表面，成为重金属向根系迁移的“过滤器”，根际高分子不溶性根系分泌物通过络合或螫合作用可以减轻重金属的毒害^[13]。Kimenyu等^[14]、Máthé-Gáspár等^[15] 和Pereira等^[16] 认为，玉米吸收的重金属主要富集在根、茎、叶营养器官中，生殖器官雄花和雌蕊中富集较少，且对Cd、Zn、Pb有着较高的耐受能力。对于As的超富集植物蜈蚣草而言，在As胁迫条件下，高自由基清除能力以及高酶活性或者低分子抗氧化物质含量被认为是蜈蚣草耐As及富集As的机理之一^[17]。将蜈蚣草与其他作物间种，可有效吸收土壤中的As，从而减少经济作物所受的重金属毒害。（2）土壤改良作物-超富集植物间种，如大豆-蜈蚣草间种，前人研究发现，在豆科作物与非豆科作物间种组合中，后者从前者提供的大量能固定的氮素中获得部分用来满足自身生长发育所需，其数量与作物组合的种类和间作方式、作物的成熟习性和长势、环境因子等有密切关系。至少两种作物在间作体系中共用同一种资源，如果组合中的有些作物能够有效地活化土壤有机氮，就会有更多的无机氮被利用，从而缓解作物对氮的需求。当豆科作物进行固氮时，吸收的阳离子数目多于阴离子，根系释放出多余的H⁺，在钙质土壤中释放的H⁺ 可能起到活化磷的作用。同时，当植株遭遇磷胁迫时，一些植物根系分泌出的酸性磷酸酶能够活化土壤中的有机磷^[18-20]。（3）土壤改良作物-经济作物间种，如甘蔗-大豆间种，甘蔗是大宗制糖的经济作物^[21]。甘蔗前期生长速度慢，植株矮小，与具有生长速度快、生长周期短的不同农作物组合，构建成一个多作物、多层次的体系，从而提高了单位面积上的光能和土壤养分利用率，进而提高栽培农作物在单位面积上的产量，改变传统的栽培模式，达到农民增收和农业增产的目的。所以，利用经济作物、低积累植物和超富集植物间种的方式，以求再次降低经济作物对重金属的吸收，生产安全粮食作物将成为可能，应积极开展大田试验。

间种一般需要以下原则：选择相互适宜的作物；建立合理的田间结构；调控作物生长发育^[22]。这种植物修复方式符合边生产边修复的理念，是重金属土壤修复的一个可能切入点。以往的研究中，多为经济作物相互间作，缺少作物相互促进的依据，种植模式单一，缺少比较，且基于重金属污染下的间作模式研究较少，更多的是仅局限于单一重金属污染，对于不同种植模式对重金属复合污染的修复效果尚不清楚，需要深入研究。因此，本文以广西铅锌硫铁矿山的尾砂坝坍塌的污染土壤作为供试土壤，通过大田试验，研究了不同种植模式在复合污染下对作物吸收重金属的影响，以不同间种模式对植物以及土壤的改善情况为创新，从而改善土壤理化性状，提高土壤肥力，充分利用土地资源，增加经济效益，同时分析作物在间种后的安全性情况，以评估土壤改良植物-经济作物、土壤改良植物-超富集植物等种植模式对土壤重金属污染修复的可行性，以期为矿区土壤修复和作物安全提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验地点

试验地点设在广西环江毛南族自治县，地理位置为107°51′E～108°43′E，24°44′N～25°33′N，土壤为铅锌硫铁矿山的尾砂坝坍塌的污染土壤。试验样地于2011年发生特大洪灾，导致上游矿山尾砂和硫铁粉冲入大环江流域的农田^[23-24]，致使其遭受严重重金属污染。其基本理化性质和重金属含量见表1。

供试植物包括大豆（Soje）、玉米（Kukuruz）、蜈蚣草（Trava）、甘蔗（Trskom），均为广西地区广泛种植或生长的农作物和植物，甘蔗为台糖25号，间作用到的大豆和玉米种子为当地农户留种。种植时间为2010年5月至2011年12月。

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，共设置7个处理，分别如下：蜈蚣草-玉米间种（WGC-YM）、蜈蚣草-大豆间种（WGC-DD）、甘蔗-大豆间种 （GZ-DD）、大豆-玉米间种（DD-YM）、大豆单种 （DD）、玉米单种（YM）、甘蔗单种（GZ），每个处理4个重复，共28个小区，长5m，宽3m，每个小区面积为15m²。

1.3 样品采集与分析方法

1.3.1 采样时期及采样方法

在玉米、甘蔗及大豆的生长期及成熟期分别采样，在每个小区采集3株植株，将植株冲洗并烘干。烘干后称取植株干重，粉碎并混合均匀，然后置于封口袋中备用。详细前处理：将从试验地采回的植株称鲜重（茎和叶分别称鲜重），自来水洗净后，过去离子水，将叶滤干后装入写好标签的纸袋，放入烘箱，先调温105℃ 杀青30min，再调温至72℃将叶烘至恒重，称取干重后粉碎混匀待测。将茎用菜刀破开后装入写好标签的纸袋杀青、烘干和粉碎（ 步骤同叶）。

1.3.2 室内分析项目及方法

甘蔗茎、叶、蔗渣、蔗汁以及大豆和玉米根、茎、叶、籽粒中的As含量采用GB/T5009.11-2003中氢化物原子荧光光度法测定（AFS-930），采用湿消解法；Cd含量采用GB/T5009.15-2003中的石墨炉原子吸收光谱法测定（AF-160AF-2500），采用湿消解法；Pb含量采用GB/T5009.12-2010中的石墨炉原子吸收光谱法测定，采用湿消解法；Zn含量采用GB/T5009.14-2003中的原子吸收光谱法测定^[25-29]。

消解后的土壤采用ICP-AES（Variampx，vistampx） 分别测定重金属元素含量（表1）。

1.4 数据计算与统计分析

土壤和植物样品中重金属含量均以烘干计。数据采用Excel 2003进行处理，Originpro 8.0作图， SPSS 18.0进行统计分析，LSD法进行多重比较 （P<0.05）。

茎、叶、根籽粒对重金属的富集系数=茎、叶、根、籽粒中重金属含量/土壤重金属含量^[30]

作物污染采用污染指数法进行评价。

（1）单项污染指数法：P_i=C_i/S_i

式中：P_i 为农作物中污染物 i 的单因子污染指数；C_i 为农作物中污染物 i 的实测数据；S_i 为污染物 i 的评价标准。评价标准采用我国国家标准中的食品中污染物的最大限量值（表2）。

（2）综合污染指数法：综合污染指数法评价釆用内梅罗公式计算植物污染综合指数。综合污染指数兼顾了各因子污染指数的平均值和最高值，能反映出重金属污染的整体污染情况。其计算公式为：

$P_{\mathrm{N}}=\sqrt{\left(p_{max}^2+p^2\text{ave}\right)/2}$

式中：P _N 为综合污染指数；P _ave 为每小区各污染重金属污染指数的算术平均值；P _max 为各污染物中最大污染指数。

2 结果与分析

2.1 玉米、大豆间种对根、茎、叶和籽粒重金属含量的影响

不同种植模式下，大豆、玉米间种相比单种其重金属含量在根、茎、叶中都存在显著差异（表3）。相较于单种，大豆-蜈蚣草间种和大豆-玉米间种，大豆根的Pb含量分别降低了49.8%和69.1%，大豆-蜈蚣草模式，Zn含量提高，但不显著，大豆-玉米模式Zn含量下降；大豆茎的As含量分别降低50.5%和69.4%，Pb含量降低23.4%和75.8%，Zn含量降低29.0%（大豆-蜈蚣草间种）； 大豆叶的Pb含量降低46.9%（大豆-玉米间种）。相较于单种，玉米-蜈蚣草间种和大豆-玉米间种，玉米茎的Zn含量分别降低了49.4%和40.6%，As含量降低51.5%（玉米-蜈蚣草间种）；玉米叶的Cd含量却在大豆-玉米间种模式下上升，但不显著。

不同种植模式下，大豆、玉米间种相比单种其籽粒中重金属含量差异明显，但不显著（表3）。与单种相比，大豆-玉米间种模式下，玉米籽粒Zn含量升高了31.5%，Pb含量降低37.8%；不同种植模式下，玉米-蜈蚣草间种和大豆-蜈蚣草间种，其籽粒As含量均有降低，但均未表现出显著性差异。

注：表中数值是平均值 ±SD（n=4），同一列中的不同小写字母表示不同处理间差异显著（P< 0.05）。下同。

2.2 大豆-甘蔗间种对大豆重金属吸收分布的影响

2 种种植模式下，间种与单种大豆的重金属富集量在不同部位差异显著（图1）。大豆-甘蔗间种模式下，大豆根、茎和籽粒Cd含量显著低于单种，其中籽粒Cd含量降低86.9%，是大豆-甘蔗间种处理下对Cd抑制效果最好的部位。此外，大豆籽粒中As含量也显著降低。大豆-甘蔗处理的大豆根中，Cd的含量比大豆单种减少52.2%，而对于Zn的含量只比单种减少1%。从大豆来看，As、 Zn在大豆体内的分布规律均为叶> 茎> 根，而Pb则为根> 叶> 茎，Cd在大豆体内的分布规律均为叶> 根> 茎。

注：* 表示差异显著（P<0.05）。

2.3 植物间种对污染土壤作物安全性的影响

污染指数（P）为植物体内污染物含量与该污染物国家限量标准的比值。从表4中可以看出，对比单种，大豆-玉米间种模式下玉米Pb含量显著降低；大豆-甘蔗间种模式下，蔗渣的Pb含量显著降低。对比我国污染指数分类标准（表4），3种种植模式下，在玉米籽粒中，As、Cd的含量均未超过国家限量标准；在大豆中，单种和大豆-玉米间种模式下的Cd含量低于国家限量标准，但大豆-蜈蚣草模式下，其含量超过国家限量标准，达到轻度污染；2种种植模式下，在蔗渣中，As的含量均未超过国家限量标准；间种模式下，作物所受重金属污染降低（除Zn外），但仍存在重金属超标的现象。对比3种作物，玉米受污染土壤影响较低，其Zn含量属于轻度污染，Pb含量重度污染；蔗渣中Zn、Pb含量严重超标，Cd属于中度污染；大豆所受污染最为严重，Zn、As、Pb均超标严重。

2.4 植物间种作物对重金属的富集系数

由表5可知，不同种植模式对植物各部位重金属富集系数有不同效果。不同种植模式下，大豆-玉米间种相比单种其富集系数在根、茎、叶中都存在差异。相较于单种，其玉米-蜈蚣草间种和大豆-玉米间种，其玉米茎的Zn富集系数降低；玉米叶的Cd富集系数却在大豆-玉米间种模式下上升。

不同种植模式下，大豆-玉米间种相比单种其籽粒中重金属富集系数差异显著（表5）。与单种相比，大豆-玉米间种模式下，玉米籽粒Zn富集系数显著升高，Pb富集系数显著降低；不同种植模式下，玉米-蜈蚣草间种和大豆-蜈蚣草间种，其籽粒As富集系数均有降低，但均未表现出显著差异。

注：Zn按照国家标准GB 13106-1991，As、Cd、Pb按照国家标准GB 2762-2005。

3 讨论

3.1 不同种植模式对作物重金属吸收和累积的影响

相关研究表明，合理的间种模式，能有效降低和控制农产品重金属含量，通过不同植物对重金属的富集，进而修复土壤，其中包括富集能力不同的农作物间种^[30]、超积累植物与作物间种^[31]、低富集轮作代替普通轮作^[32]等。本试验结果表明，与单种相比，间种可有效缓解重金属胁迫，其中，玉米-蜈蚣草间种、大豆-蜈蚣草间种降低了玉米和大豆根、茎、叶及籽粒中的As含量，这与前人研究相同^[33]，其原因可能是As胁迫条件下蜈蚣草表现出高自由基清除能力以及高酶活性，富集了As，从而缓解大豆与玉米的As胁迫，但这2种种植模式对玉米和大豆根、茎、叶中Cd胁迫的缓解作用不明显。间作禾谷类和豆科类作物可充分利用不同层次的光热能源，提高光合效率，有利于作物的生长发育和干物质积累^[34]。本试验中大豆-玉米间种能有效降低玉米中Zn、As、Pb含量，而大豆中重金属含量升高，可能是大豆作为土壤改良作物吸收了更多的重金属，通过根系分泌物对大豆氮素和营养成分的转移，提高玉米的代谢活性，从而缓解了玉米的重金属胁迫，这与前人研究相同^[35]。植物对重金属的吸收主要受土壤重金属含量的影响^[36]。例如，土壤中Pb含量越高，植物吸收量就越高，本试验土壤Pb含量高达195mg·kg^-1，因此，作物Pb积累普遍较高。无论是单种还是间种，4种重金属的富集趋势相同，主要集中在根和叶，表明这些能量转化和运输的场所更容易受到重金属的污染。试验中发现，每种间种模式下大豆或玉米的某个部位往往只针对某种重金属有较好的改良效果。例如大豆-甘蔗处理的大豆根中，Cd的含量比大豆单种减少了52.2%，而对于Zn的含量只比单种减少了1%。本试验Pb在大豆体内的分布规律均为根> 叶> 茎，这与前人研究相同^[37]；而Cd在大豆体内的分布规律均为叶> 根> 茎，这也与前人研究相同^[38]。

3.2 不同种植模式对污染土壤下作物安全性的影响

大豆-甘蔗间种模式下，甘蔗Pb含量显著降低，这与前人研究相同^[37]。因此，在Pb污染的甘蔗农田中，可以采取与大豆间种的种植模式，从而降低甘蔗中的Pb污染，改良土壤，提高经济效益。此外，本试验中，大豆-玉米间种下玉米的Pb含量也显著降低，但都未达到国家可食用标准。由此可见，大豆可以降低部分作物对Pb的吸收，这可能与大豆Pb胁迫下细胞膜透性增大，Pb与细胞膜蛋白的-SH结合或与磷脂分子层的磷脂类物质反应，导致膜脂过氧化加剧有关^[38-39]。

研究表明，间套作体系能充分挖掘光能、水源、热量等自然资源的潜力，充分利用空间和时间，因此多种植物组合修复污染土壤是一条行之有效的新途径^[40]。本试验中，不同间种模式下，植物对Zn、As、Cd、Pb的吸收都存在下降趋势，但并未全部表现出显著性差异，这可能与种植年限有关，一年的种植不足以完全表现出间种的修复效果，并且作物的重金属含量也无法全部降低到可食用标准。由此可见，一年种植条件下，在试验区种植粮食作物存在较大健康风险。土壤污染严重，还需通过进一步的复合污染土壤治理，才能达到作物安全性的需求^[16]。

4 结论

间种的玉米、大豆对重金属的吸收比单种少，玉米、大豆与蜈蚣草超富集植物的间种，利用重金属低累积作物与超富集植物、土壤改良作物种植在一起，达到修复土壤的同时收获符合一定卫生标准农产品的目的。

在环江重金属污染的土地上种植作物，一年种植条件下，作物重金属含量难以达到国家标准，所种植的作物不能食用。目前，通过间、套种的种植模式对于复合污染土壤作物安全性研究还不多，间种模式与作物的安全性尚处于起步的阶段，还需要通过大量的研究证明才能广泛应用。

参考文献