环境科学研究  2018, Vol. 31 Issue (2): 303-309  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2017.03.33

引用本文  

曾露苹, 周飞, 陈玥如, 等. 木薯和花生间作对Cd吸收及根区速效养分的影响[J]. 环境科学研究, 2018, 31(2): 303-309.
ZENG Luping, ZHOU Fei, CHEN Yueru, et al. Effects of Cassava-Peanut Intercropping on the Absorption of Cadmium and Available Nutrient in Rhizosphere Soil[J]. Research of Environmental Sciences, 2018, 31(2): 303-309.

基金项目

国家重点研发计划项目(No.2017YFD0800900)
Supported by National Key Research and Development Program of China (No.2017YFD0800900)

责任作者

黎华寿(1964-), 男, 广西梧州人, 教授, 博士, 博导, 主要从事污染生态学、农业生态学、水土保持植物生态工程研究, E-mail:lihuashou@scau.edu.cn

作者简介

曾露苹(1993-), 女, 广东汕头人, rabbyzlp@163.com

文章历史

收稿日期:2017-07-09
修订日期:2017-09-03
木薯和花生间作对Cd吸收及根区速效养分的影响
曾露苹1,2,3 , 周飞1,2,3 , 陈玥如1,2,3 , 汪亚会1,2,3 , 黎华寿1,2,3     
1. 华南农业大学热带亚热带生态研究所, 广东 广州 510642;
2. 农业部华南热带农业环境重点实验室, 广东 广州 510642;
3. 华南农业大学广东省高等学校农业生态与农村环境重点实验室, 广东 广州 510642
摘要:木薯(Manihot esculenta Crantz)是热带和亚热带广泛种植的大生物量能源植物,在污染土壤上具有较强的生物修复潜力,花生(Arachis hypogaea)对土壤Cd具有很强的富集能力.木薯与花生间作可充分利用光热水资源,具有良好的间作优势,是近年来我国南方红壤坡耕地生态种植模式.为了解木薯与花生间作对土壤Cd吸收及根区速效养分的影响,在重金属Cd污染的小区进行了木薯单作、花生单作、木薯与花生间作的比较试验.结果表明,木薯与花生间作的产量土地当量比(LER)大于1,土地利用率提高了87.0%.与木薯单作相比,间作下木薯茎和叶w(Cd)分别降低了12.24%和19.51%,二者呈显著性差异(P < 0.05),花生籽粒w(Cd)降低了35.38%,与单作花生差异显著(P < 0.05).与单作下木薯和花生相比,花生、木薯总富集系数分别降低了16.32%、12.45%,间作系统对每hm2土地上Cd的富集量分别提高了10.72%、113.76%;间作下花生根区土壤w(速效氮)、w(速效磷)分别提高了18.85%、20.36%,木薯根区土壤w(速效氮)提高了21.00%,与单作下花生和木薯相比均呈显著性差异(P < 0.05).研究显示,木薯与花生间作可提高土壤根区速效养分含量,促进作物生长,在提高作物生物量、降低作物各部位单位Cd含量的同时,可提高间作系统对土壤Cd的富集量,这种间作方式对实现两种能源植物生态修复及经济效益的整合具有重要意义.
关键词木薯    花生    间作    重金属Cd    速效养分    
Effects of Cassava-Peanut Intercropping on the Absorption of Cadmium and Available Nutrient in Rhizosphere Soil
ZENG Luping1,2,3 , ZHOU Fei1,2,3 , CHEN Yueru1,2,3 , WANG Yahui1,2,3 , LI Huashou1,2,3     
1. Institute of Tropical and Subtropical Ecology, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China;
2. Ministry of Agriculture Key Laboratory of Agro-Environment in the Tropics, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China;
3. Key Laboratory of Agroecology and Rural Environment of Guangdong Regular Higher Education Institutions, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China
Abstract: Cassava (Manihot esculenta Crantz) is an energy plant with large biomass and has great potential in bioremediation of contaminated soil. It is widely cultivated in the tropical and subtropical regions. Peanut (Arachis hypogaea) has great capability for enrichment of Cd in soil. The intercropping of cassava and peanut is a popular farming pattern in the slope land of southern China. It can make better use of light, heat as well as water resources, and hence have higher land use efficiency and higher yield. In order to understand its effects on absorption of Cd and on available nutrient in rhizosphere soil, three planting treatments were carried out in the field plot contaminated by Cd. The treatments included cassava monocropping (CM), peanut monocropping (PM), and cassava-peanut intercropping (CPI). The results showed that the land use ratio (LER) of CPI reached 1.87. Compared with monocropping, the content of Cd in stems and leaves of intercropped cassavas were significantly (P < 0.05) reduced by 12.24% and 19.51%, respectively, while the content of Cd in the seeds of intercropped peanuts reduced significantly by 35.38% (P < 0.05). The total enrichment coefficient of peanut was reduced by 16.32%, while it reduced by 12.45% in cassava. However, for the total accumulated amount of Cd per hectare in the treatment of CPI increased 10.72% compared with CM and 113.76% compared with PM. The available nitrogen and available phosphorus in rhizosphere soil of peanut in CPI were increased significantly (P < 0.05) by 18.85% and 20.36% compared with PM, and the available nitrogen in rhizosphere soil of cassava were significantly increased by 21.00% (P < 0.05) compared with CM. Therefore, CPI could increase soil available nutrient contents, promote crops growth, reduce Cd content in plants, and increase the total Cd phytoextraction from soil at the same time. This intercropping system can well realize both the ecology and economy benefits.
Keywords: cassava(Manihot esculenta Crantz)    peanut(Arachis hypogaea)    intercropping    heavy metal of cadmium    available nutrient    

土壤中的Cd极易被植物吸收,直接或间接危害人体和农作物,高浓度Cd会使农作物幼苗萎缩,抑制呼吸和光合作用,降低作物产量[1-2].土壤重金属污染治理难度大,采用超富集植物提取重金属的效果不理想[3],大部分超富集植物对农业生产条件和技术要求太苛刻,难以野外规模化种植,生物产量亦比较小,土壤中过高浓度的重金属也会使植物出现中毒现象,影响植物修复工作的开展[4-5],应用能兼顾农业生产的能源植物修复成为一条重要途径.

木薯(Manihot esculenta Crantz)是世界三大薯类作物之一,在饲料业、淀粉行业及工业应用等方面都起着重要的作用[6],木薯还是抗逆性强、相对耐污和易累积提取重金属的大生物量植物,在植物修复和能源植物利用方面潜力巨大[7].花生(Arachis hypogaea)是世界重要的经济作物和油料作物之一,对Cd具有很强的耐受能力[8].木薯和花生间作可有效利用土地和光热资源,减少病虫害,达到增产增收、用地养地的目的[9],是南方红壤坡耕地区近年来发展较快的一种间作种植模式.近年来,有关木薯和花生间作已有一些研究,但主要停留于栽培技术和经济效益上[10-11],对木薯和花生间作系统对土壤重金属Cd吸收效应的研究较少.间作往往会对作物根区土壤的养分产生较大影响[12],因此,该研究通过受Cd污染的小区试验,研究木薯和花生间作系统吸收富集土壤Cd的效应及根区土壤速效养分含量的差异,以期为实现重金属Cd污染土壤“边生产边修复”以及促进农业和环境可持续发展提供参考.

1 材料与方法 1.1 供试材料

试验在广州市华南农业大学生态学系试验基地(23°16′N、113°37′E)进行,受生活污水等严重污染的岑村河流经试验样地,周边有广深高速公路、华南快速等公路和岑村机场等尾气污染,存在一定的工业交通污染与城镇生活污染.试验地土壤pH为6.7,w(有机质)为16.30 g/kg,w(速效氮)、w(速效磷)、w(速效钾)分别为75.08、28.72、95.87 mg/kg,土壤Cd全量为1.21 mg/kg,超过GB 15618—1995《土壤环境质量标准》二级标准限值(≤ 0.6 mg/kg),供试木薯品种为华南8号(SC8),花生品种为粤油45号.

1.2 试验设计

试验小区总面积72 m2(8 m×9 m),试验设木薯单作、花生单作、木薯和花生间作3个处理,每个处理设3次重复,随机区组排列.单作和间作下,木薯株行距均为0.8 m×1.0 m,花生株行距均为0.2 m×0.2 m,间作下畦边2行木薯之间间种2行花生,木薯和花生间距为0.4 m.试验开始于2016年4月5日,种植4个月后于8月20日收获花生,种植7个月后于11月25日收获木薯.小区均设置保护行.各处理的其他农艺管理均按常规进行,统一用自来水浇灌.

1.3 研究方法 1.3.1 木薯花生产量和木薯生物量测定

污染小区试验中,收获时,每个小区除去四周的木薯和花生保护行,采取单收单晒,并单独测产,记载各小区花生产量,采用梅花布点式每个小区取5蔸植株样进行室内重金属检测.木薯收获期于每个小区随机挖取5株木薯进行单株的鲜薯产量测定,计算平均产量,按1 200株/hm2折算单位面积产量,同时分茎、叶、块根三部分对木薯生物量进行称重,然后取混合样分析测试重金属含量等指标.

1.3.2 土壤和植物样重金属含量测定

使用微波消解法消解土样和植物样,做样品空白及质量控制样,用火焰石墨炉原子吸收光谱仪(Z700P,德国耶拿公司)测定Cd全量.

1.3.3 富集系数和富集量的计算

富集系数(bioconcentration factor, BCF)是指植物体某部位的重金属含量与土壤中该元素浓度的比值,是衡量植物提取重金属潜力的常用指标[13],但它仅从元素质量分数角度考虑植物对重金属的富集转运能力,忽略了植物吸收总量与生长量的关系,木薯作为大生物量植物,在评价重金属富集转运效应时,生物量应作为一个重要参考因素.基于此,该研究同时分析植物对Cd的富集量(enrichment content, EC),作为反映木薯对土壤重金属元素提取和富集能力的评价指标[14].富集系数和富集量计算公式为

$ {\rm{BCF}} = {C_{\rm{p}}}/{C_{\rm{s}}} $ (1)
$ {\rm{EC}} = {C_{\rm{p}}} \times {B_{\rm{p}}} $ (2)

式中:BCF为富集系数,CpCs分别表示植物体内和土壤中某种重金属含量,mg/kg;EC为富集量,g(kg);Bp表示植物某部位的生物量,g(kg).

1.3.4 土地当量比的计算

土地当量比(LER)是以单作群体单产为对照,定量评价间(混)作群体对以耕地为代表的环境资源的空间利用效果[15]

$ {\rm{LER}} = ({Y_{{\rm{ip}}}}/{Y_{{\rm{mp}}}}) + ({Y_{{\rm{ic}}}}/{Y_{{\rm{mc}}}}) $ (3)

式中:YipYic分别代表间作下花生和木薯的经济产量,kg;YmpYmc分别为单作下花生和木薯的经济产量,kg.当LER=1时表明间作与相应单作群体具有相同的资源利用效率,LER>1时表明间作有优势,LER < 1时为间作劣势.

1.3.5 土壤速效养分测定

收获花生时,分别采集作物根系集中分布的根区土壤样品,即在花生单作、木薯单作、木薯和花生间作系统中5~10 cm范围内的地下部根系集中分布区,通过“抖土法”采集根系上的细粒土壤组成混合样品,进行养分特性指标的室内测定,包括土壤速效氮、速效磷、速效钾,测定方法见文献[16].

1.4 数据统计分析

试验结果用Microsoft Excel 2010和SPSS 18.0软件进行数据处理和分析,采用Origin 8.5软件绘图.

2 结果与讨论 2.1 单作和间作对木薯花生产量和生物量的影响

表 1可知,该试验中木薯和花生间作的土地当量比(LER)大于1,表明间作系统具有明显的产量间作优势.与单作相比,间作系统中的木薯单株产量和单位面积产量(以hm2计)均高于单作下的木薯,单位面积产量提高14.1%,间作系统中的花生单株产量和单位面积产量(以hm2计)均低于单作下的花生,差异达到显著水平(P < 0.05),单位面积产量降低19.1%.在相同面积下,间作促进木薯生长,提高了木薯的产量和单株生物量,但对花生的生长起抑制作用,降低了花生的产量和单株生物量,这可能是由于该间作系统中两种作物存在光热水肥的竞争[17],木薯在间作系统中竞争作用强于花生,且在花生生长后期,木薯高位叶茂对花生造成遮阴现象,从而影响花生的生长.因此,在木薯间作系统中,选用早熟花生品种缩短木薯与花生的共生期将有利于减少木薯对花生的不利影响[11],实现花生与木薯在时间、空间上较好的优势互补效应.木薯和花生间作系统中,花生光合和养分虽受到一定影响,但是高位木薯在复合群体中高效利用光能,表现出明显的产量间作优势[18],此间作系统中土地利用率提高了87%,与单作下的木薯和花生相比,综合产量分别增加22.40%和1 093.47%.

表 1 单作和间作下木薯和花生的产量 Table 1 Yield of cassava and peanut in monocropping and intercropping

图 1可明显看出,木薯和花生间作降低了花生单株生物量,与单作下花生相比降低了24.54%,其中,间作下花生地上部和地下部的生物量与单作下花生均呈显著差异性(P < 0.05),分别降低了22.92%和25.88%.木薯和花生间作提高了木薯单株生物量,与单作下木薯相比提高了14.43%,其中,间作下木薯地上部生物量显著大于单作下木薯(P < 0.05),提高了14.59%,地下部生物量提高了14.29%,但二者差异不显著(P>0.05).

注: 同一作物同一图例柱形图凡是有一个不同小写字母者,表示差异显著(P < 0.05). 图 1 单作和间作下花生和木薯不同部位的生物量 Fig.1 Biomass of different parts of peanut and cassava in monocropping and intercropping
2.2 单作和间作下木薯花生各部位Cd全量分析

分析表 2可知,木薯和花生间作下,两种作物各部位w(Cd)均低于单作模式.与单作相比,间作下木薯茎、叶、块根、糙皮w(Cd)分别降低了12.24%、19.51%、14.29%、14.29%,间作下木薯茎、叶w(Cd)与单作下木薯呈显著差异(P < 0.05),但单作和间作下木薯的块根和糙皮中w(Cd)差异不显著(P>0.05).与单作相比,间作下花生根、茎、叶、籽粒和壳w(Cd)分别降低了15.79%、11.27%、12.90%、35.38%和25.00%,间作下花生只有籽粒中w(Cd)与单作下花生存在显著差异性(P < 0.05).木薯和花生间作下,两种作物各部位重金属w(Cd)均低于单作模式,这与部分间套作对重金属吸附研究结果是一致的,如间作甘蓝地上部和地下部w(Cd)显著低于单作甘蓝[19],小麦和水稻间作交互作用降低了两作物地上部Cd的吸收积累[20].这可能是由于间作体系中,两种作物对土壤中的Cd存在竞争吸附作用[21],单位面积下,大生物量的木薯吸收土壤更多的Cd,导致与其间作的花生对Cd的吸收量低于单作下花生,因此间作下花生各部位w(Cd)低于单作下花生,而间作下木薯的生物量高于单作下木薯,降低了木薯体内单位Cd含量.单作和间作下木薯各部位w(Cd)均表现为茎>叶>糙皮>块根,花生各部位w(Cd)表现为根>叶>茎>壳>籽粒,这与部分已有研究结果[22-23]相符.该试验中单作和间作下,木薯块根中w(Cd)分别为0.14、0.12 mg/kg,花生籽粒中w(Cd)分别为0.65、0.42 mg/kg,均高于GB 2762—2012《食品中污染物限量》中w(Cd)的标准限值(0.10 mg/kg),低于GB 13078—2001《饲料卫生标准》中w(Cd)的标准限值(2.0 mg/kg),故该试验单作和间作下的木薯块根和花生籽粒不可用于人类食用,但可做饲料用.

表 2 单作和间作下木薯花生各部位w(Cd) Table 2 The content of Cd in different parts of cassava andpeanut in monocropping and intercropping
2.3 单作和间作下木薯花生富集系数、富集量的差异 2.3.1 单作和间作下木薯花生富集系数差异分析

图 2可知,与单作种植方式相比,木薯和花生间作降低了花生和木薯的总富集系数,其中,花生总富集系数降低了16.32%,木薯总富集系数降低了12.45%.间作下花生地上部和地下部的富集系数与单作下花生均呈显著差异性(P < 0.05),分别降低了12.20%和21.69%.间作下木薯地上部的富集系数显著低于单作下木薯(P < 0.05),降低了15.55%,地下部的富集系数与单作下木薯相比降低了4.59%,但二者差异不显著(P>0.05),说明间作效应抑制了两种作物富集土壤重金属Cd.无论是单作还是间作,花生木薯富集系数均表现为地上部显著高于地下部(P < 0.05).在单作和间作种植方式下,花生地上部富集系数分别是地下部的1.30、1.46倍,木薯地上部富集系数分别是地下部的2.54、2.24倍,说明Cd更多地富集到地上部,对地下部的影响较小,因此在严格限定重金属污染水平的土壤上种植木薯和花生,地上部重金属略有超标的情况下,地下部仍可能做食用或饲用.

注:同一作物同一图例柱形图凡是有一个不同小写字母者,表示差异显著(P < 0.05);同一作物同一种植物不同图例凡是有一个不同大写字母者,表示差异显著(P < 0.05). 图 2 单作和间作下花生和木薯不同部位的富集系数 Fig.2 Bioconcentration factor of different parts of peanut and cassava in monocropping and intercropping
2.3.2 单作和间作下木薯花生富集量差异分析

表 3可见,花生和木薯均能对污染小区土壤重金属Cd进行有效提取.木薯和花生间作可提高木薯对Cd的富集量,但降低了花生对Cd富集量.间作下单株木薯对Cd的富集量比单作下木薯提高了0.83%,二者差异不显著(P>0.05);间作下,单株花生对Cd的富集量比单作下花生降低了33.78%,二者存在显著差异(P < 0.05).木薯单作、花生单作、木薯和花生间作种植方式对单位面积土壤Cd的富集量存在显著差异,与木薯单作、花生单作相比,间作系统对单位面积土壤Cd的富集量分别提高了10.72%,113.76%.木薯和花生对土壤Cd的富集量差异明显来自于生物量的差异,木薯对Cd的富集系数显著低于花生,木薯大生物量的优势显著提高了对单位面积土壤Cd的富集量.

表 3 单作和间作下木薯和花生对Cd的富集量 Table 3 Accumulation of Cd of cassava and peanut in monocropping and intercropping
2.4 单作和间作下土壤速效养分含量差异分析

与单作种植模式相比,木薯和花生间作提高了根区土壤速效养分含量,这与唐秀梅等[24]的研究结果一致.由图 3可见,间作系统中,木薯花生根区土壤w(速效氮)均显著高于单作体系(P < 0.05),间作花生根区土壤w(速效氮)较之单作花生提高了18.85%,间作木薯根区土壤w(速效氮)较之单作木薯提高了21.00%.单作和间作下,花生根区土壤w(速效氮)均高于同一种植模式下木薯根区土壤,达1.12倍.这是由于花生具有固氮作用,花生与非豆科作物间作产生氮竞争,会提高豆科作物的固氮比率,进而增加土壤速效氮的含量,促进非豆科作物生长[25].间作系统下,花生根区土壤w(速效磷)显著高于单作体系(P < 0.05),提高了20.36%,间作木薯根区土壤w(速效磷)较之单作木薯提高了18.88%,但二者不存在显著差异性(P>0.05),这说明间作条件对根际磷的活化作用明显强于单作.研究表明,两种作物根系交互作用促进磷的高效利用,根系会分泌磷酸酶,激活更多的速效磷[26],同时,花生固氮过程中会释放出H+,活化土壤中难溶性磷[27],从而提高了根际速效磷的含量.重金属元素在土壤中速效磷含量充足的情况下会与之形成难溶性磷酸盐,从而降低重金属在根际土壤中的活动性[28],这也解释了间作条件下,木薯花生各部位Cd含量比单作系统低的原因.此外,单作和间作下,花生根区土壤w(速效磷)均高于同一种植模式下木薯根区土壤,达1.20倍.在土壤中,钾的移动以扩散为主,间套作对钾的吸收基本表现为促进作用[29],间作系统中,木薯花生根区土壤w(速效钾)均高于单作体系,这与多数研究结果一致,如玉米与豇豆[30]、油茶与大豆间作[31]的研究均证实了间作模式可以提高根区土壤钾素含量.其中,间作花生根区土壤w(速效钾)较之单作花生提高了7.60%,间作木薯根区土壤w(速效钾)较之单作木薯提高了7.34%.此外,单作和间作下,花生根区土壤w(速效钾)均高于同一种植模式下木薯根区土壤,达1.12倍.

注: 同一养分同一作物对应的不同图例柱形图凡是有一个不同小写字母者,表示差异显著(P < 0.05). 图 3 单作和间作下木薯花生根区速效养分含量 Fig.3 Concentration of available nutrients in rhizosphere of cassava and peanut in monocropping and intercropping

总之,植物修复需要选取耐重金属或超(高)积累的植物,以及能增加植株生物量、提高根际重金属可利用率的植物或种植方式[32-33],而大生物量的木薯与具生物固氮、活化养分能力的豆科植物花生间作的复合种植模式,可较好地满足上述植物修复的条件.

3 结论

a) 间作系统中,木薯和花生根区土壤速效养分含量均高于单作体系,木薯根区土壤w(速效氮)、w(速效磷)和w(速效钾)分别提高了21.00%、18.88%和7.34%,花生根区土壤w(速效氮)、w(速效磷)、w(速效钾)分别提高了18.85%、20.36%和7.60%,其中,木薯根区土壤w(速效氮)和花生根区土壤w(速效氮)、w(速效磷)与单作下木薯和花生均呈显著性差异(P < 0.05).速效养分含量提高改善了土壤根区生态环境,对木薯和花生的生长起到重要作用.

b) 花生和木薯在时间、空间上具有良好的优势互补效应,木薯和花生间作系统中,木薯单株产量和单位面积产量(以hm2计)均高于单作木薯,单位面积产量提高14.1%,木薯和花生间作的土地当量比大于1,表现出明显的产量间作优势.

c) 间作下木薯花生各部位w(Cd)均低于单作模式.与单作相比,间作下木薯茎和叶w(Cd)分别降低了12.24%和19.51%,二者呈显著性差异(P < 0.05),块根和糙皮w(Cd)均降低了14.29%,但二者差异不显著(P>0.05);花生根、茎、叶、籽粒和壳w(Cd)分别降低了15.79%、11.27%、12.90%、35.38%和25.00%,仅有籽粒中w(Cd)与单作下花生存在显著差异性(P < 0.05).

d) 间作下木薯和花生地上部、地下部的富集系数均低于单作模式,说明间作效应抑制了两种作物富集土壤重金属Cd的能力.同时花生木薯富集系数均呈现地上部高于地下部,说明Cd更多地富集到地上部,对地下部的影响小.与木薯单作、花生单作相比,木薯和花生间作系统对每公顷土壤Cd的富集量分别提高了10.72%、113.76%,进一步说明木薯和花生间作在提高作物生物量、降低作物各部位单位w(Cd)的同时,可提高整个间作系统对土壤Cd的富集量,这对实现两种能源植物的生态经济双重效益具有重要意义.

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