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不同植物与玉米间作对玉米吸收 多环芳烃和重金属的影响 * 赵颖刘利军党晋华张丽向云史晓凯 山西省环境科学研究院，太原 030027 摘要 采用野外田间原位修复的方式， 研究了苜蓿、 籽粒苋和黑麦草 3 种间作作物对玉米吸收多环芳烃和重金属的影 响。结果显示， 3 种间作作物没有显著提高玉米对 PAHs 的吸收量， 表明植物对 PAHs 的吸收并不是间作模式减少土 壤 PAHs 污染的主要原因， 土壤植物和微生物的相互作用才是其显著提高土壤 PAHs 污染修复效率的主要作用机制。 3 种间作作物对玉米吸收重金属的量有显著影响， 其中苜蓿、 黑麦草与玉米间作能显著提高玉米对 Cd、 As 的吸收和累 积量; 而籽粒苋与玉米间作时， 玉米茎叶 Cd、 As 的吸收和累积量显著低于玉米单作。不同间作作物对玉米吸收重金 属的效果不同， 在应用于实际生产时， 要充分考虑并结合当地的条件。 关键词 玉米; 间作; 重金属; 多环芳烃; 植物修复 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201407030 EFFECTS OF INTEＲCＲOPPING DIFFEＲENT CＲOPS WITH MAIZE ON ITS UPTAKE OF THE PAHs AND HEAVY METAL Zhao YingLiu LijunDang JinhuaZhang LiXiang YunShi Xiaokai Shanxi Ｒesearch Academy of Environmental Sciences，Taiyuan 030027， China AbstractA field farmland experiment of in- situ remediation was conducted to investigate the effects of intercropping 3 kinds of corps alfalfa，ryegrass，amaranthon the PAHs and heavy metal uptake by maize． The results showed that these three intercrops had no significant effects on the PAHs uptake by maize． The main mechanism for the remediation of PAHs in soil was the interaction of plant and microorgamism rather than the plant uptake． However，the three intercrops had significant effects on the Cd、 As uptake by maize． Maize- alfalfa and maize- ryegrass intercropping enhanced the Cd、 As uptake and accumulation by maize obviously． Maize- amaranth intercropping decreased the Cd、 As uptake and accumulation by maize obviously． Thus，the effects intercropping different crops with maize on the heavy metal uptake by maize were different． The intercropping system should be applied according to the local conditions． Keywordsmaize;intercropping;heavy metal;PAHs;phyto- remediation *山 西 省 科 技 攻 关 项 目“污 灌 区 土 壤 联 合 修 复 技 术 研 究” 20110311021 。 收稿日期 2013 －10 －11 0引言 污水灌溉作为一种污水利用的方式已得到广泛 应用， 但长期污灌容易引起污染物累积， 造成农作物 产量和品质的下降， 并通过食物链途径危害人体的健 康 ［1 ］。重金属和多环芳烃是环境中的微量持久性污 染物， 往往同时或先后进入环境中， 当其累积量超过 土壤的环境容量时， 可通过食物链对人类健康造成潜 在威胁， 因而引起国内外学者的普遍关注［2- 3 ］。 对于农用土壤复合污染的修复来说， 植物提取修 复技术是理想的推广方式， 适用于现场修复且操作简 单， 容易大面积应用［4 ］。玉米是我国最重要的粮食 作物之一， 适应性强、 单产量高， 是重要的粮食、 饲料、 工业原料作物， 且对重金属和多环芳烃有一定的吸收 能力 ［5- 6 ］。因此， 采用玉米与经济作物间作的模式， 在 充分考虑修复污染土壤的同时， 也考虑到农产品收获 的经济效益及农作物种植模式的可持续性， 可保证农 田正常的生产功能。 831 环境工程 Environmental Engineering 采用野外原位场地修复方式， 设置玉米与苜蓿、 黑麦草和籽粒苋 3 种植物间作的修复模式， 旨在从农 作物种植模式的角度， 探明玉米与不同植物间作模式 下对玉米吸收多环芳烃和 Cd、 As 的影响， 筛选出修 复效果最理想的组合模式， 以期为农产品安全生产和 农田土壤污染防治提供科学的方法和依据。 1研究区概况与研究方法 1. 1研究区概况 太原市污水灌溉始于 20 世纪 60 年代， 太原污灌 区是我国污灌历史较长、 面积较大的典型污灌区之 一， 小店区有长达 30 多年的引污灌溉历史， 污水通过 网罗密布的干渠、 支渠、 斗渠、 毛渠输送到各个乡镇的 农田。近年来， 沿途一些企业每年向邻近退水渠排放 一定量的工业废水， 使污水的成分变得更加复杂［7 ］。 本研究选取的试验区域位于小店区疙瘩营村。疙瘩 营村在太原南郊， 位于太原污灌区的中心地带， 耕地 地块集中连片， 是以污水灌溉为主的农业、 蔬菜基地。 种植作物有玉米、 小麦、 蔬菜， 为粮、 菜混植， 两年三熟 区域， 该点在太原污灌区具有代表性， 并且前期有一 定的工作基础。土壤多环芳烃和 Cd、 As 的本底值分 别为 3. 43， 0. 702， 24. 1 mg/kg。 1. 2材料与方法 在小店试验点布置小区大田试验， 每个小区为 5 5 m2， 分为 4 个处理， 3 次重复， 另外设一个对照 不种植物 ， 共计 13 个小区。4 个处理分别为 A 玉 米单作; B 玉米‖苜蓿; C 玉米‖籽粒苋; D 玉米‖ 黑麦草。间作模式为玉米 1 行， 修复植物 1 行， 行距 和株距均为 0. 4 m。单作模式行距和株距均为 0. 4 m。所有作物均在当季的 9 月份收获。 1. 3测定方法 1. 3. 1生物量 在 9 月份收获玉米时， 在样方中一次性采集完整 的玉米植株地上鲜样 5 株。样品用自来水冲洗后再 用去离子水冲洗干净， 晾干后称其鲜质量。植株样品 用通风高温烘炉在 105 ℃ 下杀青， 80 ℃ 下烘干至恒 重， 并测定其干质量。 1. 3. 2重金属 沿土壤表面剪取植物地上部分， 用自来水反复冲 洗干净后用去离子水清洗 2 ～ 3 次， 在 105 ℃ 杀青 30 min后， 70 ℃下烘干至恒重， 分别称量其干重。烘干 样品粉碎后保存备用。土壤基本理化性质的测定参照 文献［ 8］ 。重金属 Cd、 As 的全量采用硝酸 － 硫酸 － 高 氯酸消煮， 原子吸收分光光度法和氢化物发生原子吸 收光谱法测定;植物样品中重金属 Cd、 As 含量的测定 采用硝酸 －高氯酸消解， 原子吸收分光光度法和氢化 物发生原子吸收光谱法测定。所有土壤和植物样品的 重金属及重金属有效态含量均在干重条件下测定。 1. 3. 3多环芳烃 土壤样品经冷冻干燥后去除植物残体， 研磨过 80 目筛， 称取约 15 g 样品，在 4 ℃冰箱存放， 用于土 壤中多环芳烃的提取。土壤中多环芳烃采用加速溶 剂提取法 DION EX ASE- 300 提取。提取后样品用 柱层析方法净化。层析分离样品经旋转蒸发后用正 己烷定容到 1 mL， 待测。 植物样品用蒸馏水浸泡洗去叶面灰尘， 晾干粉 碎， 用一定量的溶剂进行萃取， 加入浓硫酸磺化将共 提物除去。磺化过程中， 如果出现乳化现象， 用硫酸 钠溶液破乳。弃去浓硫酸层， 用硫酸钠溶液洗涤有机 层 2 次， 此时有机层呈淡绿色， 溶液稍有混浊。将此 溶液旋转蒸发至最后一滴。磺化后样品用柱层析方 法净化。层析柱采用湿法装柱， 依次装入二氯甲烷、 经二氯甲烷浸泡的氟罗里硅土和少量无水硫酸钠。 缓慢放出溶剂使液面接近无水硫酸钠上层面。淋洗 液淋洗至接近无水硫酸钠后， 将用旋转蒸发仪蒸至近 干的提取液转移至层析柱中， 淋洗液淋洗。层析分离 样品经旋转蒸发后用正己烷定容到 1 mL， 待测。 处理好的土壤和植物样品用 GC- MS 进行测定， 具体分析和测定方法参见文献［ 9］ 。 2结果与讨论 2. 1间作方式对玉米生物量的影响 间作方式对玉米地上生物量的影响见图 1。由 图 1 可以看出 间作作物对玉米的生物量影响不大， 玉米与苜蓿间作时， 其生物量略高于玉米单作， 玉米 和籽粒苋、 黑麦草间作时， 其生物量略低于玉米单作， 方差分析表明， 各种配置方式之间的差异也不显著 p ＞0. 05 。陈玉香等 ［10 ］的研究显示， 玉米与苜蓿间 作能促进玉米生长， 原因在于苜蓿能增加土壤有机质 的积累， 苜蓿根瘤菌强烈的固氮能力使土壤全氮质量 分数增加， 使土壤理化性质得到了明显改善。 2. 2间作方式对玉米吸收多环芳烃量的影响 各组 玉 米 茎 叶 PAHs 的 含 量 在 1. 01 ～ 1. 06 mg/kg 见图 2 ， 玉米与苜蓿、 籽粒苋和黑麦草 间作时茎叶的含量高于玉米单作。方差分析显示， 各 组茎叶 PAHs 的含量差异不显著 p ＞0. 05 。 931 土 壤 修 复 Soil Ｒemediation 图 1间作方式对玉米地上生物量的影响 Fig． 1Effect of different intercropping modes on the aboveground biomass of maize 图 2间作方式对玉米茎叶 PAHs 含量的影响 Fig． 2Effect of different intercropping modes on the PAHs contents in stems and leaves of maize 间作方式对土壤 PAHs 含量的影响见图 3。对图 3 分析可知 玉米与 3 种植物间作时， 与玉米单作比 较， 土壤多环芳烃含量显著降低 20. 5 ～ 31. 0。 由此可见， 植物对 PAHs 的吸收和积累并不是间作模 式减少土壤 PAHs 污染的主要原因。 图 3间作方式对土壤中 PAHs 含量的影响 Fig． 3Effects of different intercropping modes on PAHs concentrations in soil 张晶等 ［ 11 ］指出， 植物间作模式对土壤 PAHs 去除 效率较高的可能机理主要有以下几方面 间作植物根 的相互作用改变了根的生理特征， 从而刺激了来源于 根的酶活性和根际微生物数量; 植物根定植过程的相 互作用影响根表面特征或者根际土壤特征， 进而通过 提高吸收量和改善土壤物理性质增加 PAHs 的生物可 利用性; 间作系统的根组织有更大的比表面积， 在一定 程度上加速 PAHs 的降解， 同时也增加了修复土壤的 有效深度。在本研究中， 苜蓿、 黑麦草和籽粒苋有较大 的地表覆盖率和较发达的根系， 而玉米根系生物量也 较大。根系分泌物主要是一些小分子有机酸、 氨基酸 和糖类等， 其作为微生物生长的碳源和能源， 大大刺激 了微生物整体数量的增加。2 种植物间相互作用， 相 互影响， 刺激了土壤中具有多环芳烃降解能力的微生 物数量的增加， 提高了土壤 PAHs 的降解率。从农业 耕作的产出效益来看， 玉米‖苜蓿间作以及玉米‖黑 麦草间作， 既可以种植农作物， 又不影响污染土壤的修 复， 不失为一种理想的农田修复模式。 2. 3间作方式对玉米吸收重金属的影响 间作方式对玉米茎叶 Cd、 As 含量的影响见图 4。 从图 4 可以看出 各处理组玉米茎叶 Cd、 As 含量分 别为 0. 184 ～ 0. 452， 0. 308 ～ 0. 548 mg/kg， 其中玉米 单作茎叶 Cd、 As 含量分别为 0. 208， 0. 349 mg/kg。 方差分析显示， 玉米与苜蓿、 黑麦草间作时茎叶 Cd、 As 的含量显著玉米单作。其中与苜蓿间作的玉米茎 叶的重金属含量最高， 是玉米单作的 1. 3 倍 ～ 1. 4 倍。与籽粒苋间作时， 玉米茎叶 Cd、 As 的含量显著 低于玉米单作 p ＜ 0. 05 。表明玉米与不同作物间 作， 由于根系间的相互作用可以改变玉米茎叶的浓 度。因此， 不同间作作物可以促进或抑制玉米茎叶的 重金属吸收。 图 4间作方式对玉米茎叶 Cd、 As 含量的影响 Fig． 4Effect of different intercropping modes on the Cd、 As contents in stems and leaves of maize 2. 4间作方式对玉米累积重金属的影响 间作方式对玉米茎叶中 Cd、 As 累积总量的影响 图5 表明 苜蓿和黑麦草使玉米 Cd、 As 积累量显著 提高 p ＜ 0. 05 ， 其中苜蓿‖玉米间作时玉米中的 Cd、 As 的累积量分别是玉米单作的 2. 3 倍和 1. 7 倍; 041 环境工程 Environmental Engineering 玉米与籽粒苋间作时， 籽粒苋则抑制了玉米对 Cd、 As 的积累量。因此， 不同间作方式可以显著影响玉米对 重金属的累积。 图 5间作方式对玉米茎叶 Cd、 As 累积总量的影响 Fig． 5Effects of different intercropping modes on Cd、 As accumulation in stems and levels of maize 研究指出， 间作作物与玉米的交互作用有 3 种类 型 间作作物在自身大量吸收重金属的同时， 抑制了 玉米对重金属的吸收; 间作作物在自身大量吸收重金 属的同时， 促进了玉米对重金属的吸收; 间作作物自 身吸收很低的 Cd， 却促进了玉米对 Cd 的吸收 ［12- 13 ］。 在本研究中， 籽粒苋属于第一类， 苜蓿属于第二类。 因此， 间作植物与主栽作物的交互作用可以在生产上 加以应用。玉米与苜蓿间作， 不仅能改善土壤的理化 性质， 增加土壤有机质含量， 降低土壤容重， 而且能增 加土地单位面积产值， 提高土地利用率［14- 15 ］。玉米 与籽粒苋间作， 一方面减少玉米对 Cd、 As 的吸收， 提 高玉米食用安全性， 另一方面， 将籽粒苋收获填埋， 能 起到清除土壤 Cd、 As 污染的作用 ［16 ］。此外， 玉米间 种籽粒苋可充分利用土地资源， 玉米为禾本科单子叶 植物， 籽粒苋为苋科双子叶叶菜类。玉米有庞大须根 系， 多为侧生根， 而籽粒苋为粗大的直根系， 它们对光 热和土壤中营养成分的需求有很大的差异， 两者间作 有利于充分利用光、 热、 水、 气自然资源， 降低农牧产 品的成本， 形成良性循环。 3结论 1 与苜蓿、 籽粒苋和黑麦草的间作对主栽植物 玉米的生物量影响不大。 2 不同植物间作模式下， 玉米中 PAHs 的含量与 玉米单作时差异不大， 但土壤中 PAHs 的含量显著下 降。因此， 植物对 PAHs 的吸收和积累并不是间作模 式减少土壤 PAHs 污染的主要原因， 土壤植物和微生 物的相互作用才是其显著提高土壤 PAHs 污染修复 效率的主要作用机制。 3 苜蓿、 黑麦草与玉米间作能显著提高玉米对 Cd、 As 的吸收和累积， 而籽粒苋与玉米间作时， 玉米 茎叶 Cd、 As 的吸收和累积量显著低于玉米单作。因 此， 不同间作作物对玉米吸收重金属的效果不同， 实 际生产时， 要根据当地条件灵活选择和组配。 参考文献 ［1］叶邦兴，唐海明，汤小明， 等． 中国农田污染的现在及防治对 策初探［J］． 中国农学通报， 2010， 26 7 295- 298． ［2］解文艳，樊贵盛，周怀平，等． 太原市污灌区土壤重金属污染 现状评价［J］． 农业环境科学学报， 2011， 30 8 1553- 1560． ［3］杨若明． 环境中有毒有害化学物质的污染和监测［M］． 北京 中 央民族大学出版社， 2001 178． ［4］Alkorta I，Hernndez- Allica J，Becerril J M，et al．Ｒecent findings onthephytoremediationofsoilscontaminatedwith environmentally toxic heavy metals and metalloids such as zinc， cadmium，lead，and arsenic ［J］．Ｒeviews in Environmental Science and Biotechnology， 2004， 3 71-90． ［5］徐圣友， 陈英旭， 林琦， 等． 玉米对土壤中菲芘修复作用的初步 研究［J］． 土壤学报， 2006， 43 226- 232． ［6］黄益宗， 朱永官， 胡莹， 等． 玉米和羽扇豆、 鹰嘴豆间作对作物吸 收积累 Pb、 Cd 的影响［J］． 生态学报， 2006， 26 5 1475- 1485． ［7］张乃明，李保国，胡克林． 污水灌区耕层土壤中铅、 镉的空间 变异特征［J］． 土壤学报， 2003， 40 1 151- 154． ［8］Tao S，Cui Y H． Determination of PAHs in wastewater irrigated agricultural soil using accelerated solvent extraction［J］． Journal of Environmental Science and Health， 2002， 37 141- 150． ［9］鲍士旦． 土壤农化分析 ［M］． 3 版． 北京 中国农业出版社， 2000． ［ 10］陈玉香， 周道玮． 玉米 － 苜蓿间作的生态效应［J］． 生态环境， 2003， 12 4 467- 468． ［ 11］张晶， 汪勇， 林先贵， 等． 植物间作系统在多环芳烃污染农田修 复中的应用［J］． 安全与环境学报， 2009， 9 5 76- 80． ［ 12］黄益宗， 朱永官， 胡莹， 等． 玉米和羽扇豆、 鹰嘴豆间作对作物吸 收积累 Pb、 Cd 的影响［ J］ ． 生态学报， 2006， 26 5 1478- 1485． ［ 13］李凝玉， 李志安， 丁永祯， 等． 不同作物与玉米间作对玉米吸收 积累镉的影响［J］． 应用生态学报， 2008， 19 6 1369- 1373． ［ 14］刘景辉， 曾昭海， 焦立新， 等． 不同青贮玉米品种与紫花苜蓿的 间作效应［J］． 作物学报， 2006， 32 1 125- 130． ［ 15］聂胜委， 陈源泉， 高旺盛， 等． 玉米与不同功能植物间作对环境 的影响［J］． 农业环境科学学报， 2009， 28 10 2204- 2210． ［ 16］Li Ningyu，Li Zhian，Fu Qinglin，et al． Agricultural technologies for enhancing the phytoremediation of cadmium- contaminated soil by Amaranthus hypochondriacus L ［J］．Water，Air，＆ Soil Pollution， 2013， 224 1673- 1680． 第一作者 赵颖 1982 － ， 女， 博士， 主要研究方向为污染土壤修复。 shadowying210163． com 通讯作者 党晋华 1963 － ， 女， 教授级高工， 主要研究方向为污染土 壤修复与治理， 矿山生态环境保护。984736173 qq． com 141 土 壤 修 复 Soil Ｒemediation