铜是一种生物必需元素，同时也是造成土壤重金属污染的主要元素之一。在农业生产中，化肥、有机肥（畜禽粪便）、除草剂和含铜农药的使用^{[1, 2]}，使得铜元素在农田土壤中不断累积，当土壤中铜元素的含量超过一定限度^[3]，会对土壤环境及种植作物产生毒害。尤其是近年养殖业迅速发展产生的厩肥被直接施用，在提高了土壤有机质含量的同时，其所含的大量铜元素则会造成作物品质及土壤质量下降^[4]；土壤中生物有效性铜的增多会导致作物对铜的吸收累积增多，通过食物链富集，从而危害人体健康^[5]。修复土壤重金属污染已成为亟需解决的重要问题。

利用生物多样性来调控土壤重金属污染已成为当今农业研究的热点课题之一^{[6, 7, 8]}。间作是增加农田生态系统生物多样性的重要措施之一，已有研究结果表明间作具有较好的重金属污染修复效果^[9]。间作系统中不同植物搭配对重金属富集吸收能力不同，不同浓度重金属处理下作物的生长情况也不一样。Hao等^[10]研究污染环境下超富集植物间作不同作物发现，通过间作能够影响植物根系分泌物及土壤重金属活性形态来调控作物的地上部生物量及根系形态和活力，从而控制作物对重金属的富集。李凝玉等^[11]研究发现豆科和玉米间作能大幅提高玉米对镉的累积量，但间作籽粒苋则降低了玉米对镉的累积量^{[12, 13]}。Jiang等^[14]将重金属超富集植物与玉米间作，超富集植物提取重金属的效率比单种时明显提高，同时能够生产符合卫生标准的玉米产品。研究还发现玉米间作不同蔬菜和豆科作物也能显著降低玉米可食用部分重金属含量^[15]。除此以外，有研究表明豌豆体内的PsMTA基因也具有抗重金属铜的功能^[16]，当豌豆受到外界铜胁迫时，该基因指导合成相应的蛋白与进入豌豆体的铜离子形成螯合物，以降低豌豆体内的铜离子活性，提高了豌豆的抗铜能力。江西作为粮食生产大省，玉米和豆类的种植面积分别达2.81×10⁴ hm²和1.59×10⁵ hm²，同时也存在大面积的农田土壤铜污染情况^{[17, 18]}。针对农田铜污染现状，结合前人对玉米与豌豆在铜处理下的生理研究，本文以玉米||豌豆间作体系为研究对象，研究不同铜浓度处理条件下，玉米间作豌豆对作物铜吸收累积及种植后土壤铜含量的影响，以期为合理利用间作种植模式修复土壤铜污染提供一定的理论依据。 1 材料与方法 1.1 供试材料

供试土壤样品采自江西农业大学农业科技园红壤试验地表层（0~20 cm）红壤，先于室内自然风干，剔除植物根系后过2 mm筛备用。试验土壤基本理化性状为：pH3.96，有机质含量31.34 g·kg^-1，全氮1.74 g·kg^-1，碱解氮121.33 mg·kg^-1，有效磷31.68 mg·kg^-1，速效钾163.67 mg·kg^-1，全铜含量为33.52 mg·kg^-1，有效态铜含量为2.31 mg·kg^-1。供试作物为玉米（Zea mays），品种为中糯103，豌豆（Pisum sativum L.）品种为中豌4号，均购于南昌市种业公司。 1.2 盆栽试验与采样

以高22 cm，盆口直径18 cm的塑料盆作为盆栽试验容器，每盆装入上述风干后的红壤8 kg。设置2种种植模式（玉米单作和玉米间作豌豆）和5种铜浓度处理（表 1），按每千克土壤0（Cu0）、100（Cu1）、200（Cu2）、400（Cu3）、600（Cu4）mg 铜含量添加铜溶液（以Cu²⁺计），共设10个处理，每处理重复3次，共30盆。铜含量参照国家二级土壤质量标准（pH＜6.5土壤铜含量标准为50 mg·kg^-1）设计，即所设置铜处理均超过国家标准限值，达到污染水平。

表 1 铜污染盆栽实验设计 Table 1 Pot experimental design for copper pollution

表选项

7月30日配好试验土壤后，平衡45 d。于9月4日进行玉米和豌豆育苗，9月16日选取长势一致的玉米和豌豆13日龄苗进行移栽，其中玉米每盆定植1株，间作豌豆每盆定植2株。试验期间根据作物生长情况补充土壤水分及肥料供给，60 d后收获玉米和豌豆全株，同时将各处理盆栽土壤充分混匀后取适量带回实验室阴干待测。 1.3 测定项目及方法

收获时，沿土面将玉米地上部和地下部分离，豌豆不分地上部和地下部，用去离子水将玉米和豌豆植株洗净，晾干后105 ℃杀青30 min，70 ℃烘干至恒重，称重并将烘干样品用粉碎机全部粉碎、混匀，备用。植株和土壤全铜含量的测定采用 HNO₃-HC1O₄消化，原子吸收分光光度法测定。土壤有效态铜含量用 DTPA （二乙三胺五乙酸）提取（m∶m=1∶2），原子吸收分光光度法测定。 1.4 数据统计

富集系数和转运系数参照文献^[19]公式计算：

富集系数=植株铜含量/土壤中铜含量

转运系数=植株地上部的铜含量/地下部的铜含量

土壤铜活化率=土壤中有效铜含量/土壤中全铜含量×100%

用Microsoft Excel 2010进行数据处理，用SPSS 19.0统计软件Duncan氏新复极差法进行方差分析及显著性检验，利用独立样本t检验对间作与单作玉米相同部位或单作和间作种植系统数据进行显著性检验，利用Origin 9.0绘图。 2 结果与分析 2.1 玉米地上部和地下部铜含量

从图 1可以看出，不同铜浓度处理下，玉米单作和间作种植模式下地上部和地下部铜含量存在显著的差异。

图 1 玉米地上部和地下部铜含量 Figure 1 Copper content in shoot and root of maize

图选项

从玉米地上部来看，单作模式下，玉米地上部铜含量随铜浓度的升高表现出“先上升，后下降”的趋势，在Cu2处理达到最大值440.11 mg·kg^-1，之后随着铜浓度的升高而下降，至Cu4处理单作地上部铜含量降至最低，为281.04 mg·kg^-1；玉米||豌豆模式下，玉米地上部铜含量随着土壤铜浓度上升则表现出“先下降，后上升，再下降”的趋势。Cu1处理玉米铜含量达到最低值172.58 mg·kg^-1，较Cu0显著降低了39.9%，而Cu2处理玉米铜含量达到最大值366.42 mg·kg^-1，较Cu0显著提高了27.5%，但Cu4处理玉米铜含量为219.50 mg·kg^-1，较Cu0显著下降了23.6%。

从玉米地下部来看，单作模式下，地下部铜含量随着土壤铜浓度的增加而显著上升，Cu0处理玉米地下部铜含量最小，至Cu4处理达到最大值775.40 mg·kg^-1，较Cu0显著增加了347.6%；玉米||豌豆模式下，地下部铜含量则与单作模式变化趋势相同，Cu4处理玉米地下部吸收累积铜含量达到797.80 mg·kg^-1，较Cu0显著提高了165.1%。

相同铜浓度下，玉米单作和间作模式也存在明显的差异。从玉米地上部的铜含量来看，所有铜浓度下均表现为间作模式的玉米铜含量显著低于单作模式，其中降低最多的是Cu1处理，间作模式较单作模式下降了49.4%，其次为Cu4处理，下降了21.9%，降低最少的是Cu3处理，下降了5.0%；而玉米地下部根系铜含量在所有铜浓度处理中均表现为间作模式下玉米根铜含量显著高于单作模式，其中增加最多的是Cu1处理，间作模式较单作模式升高了105.4%，其次为Cu3处理，升高了39.0%，增加最少的是Cu4处理，升高了2.9%。这在一定程度上说明间作模式减缓了铜元素从玉米根系向玉米地上部的转运。 2.2 玉米种植系统铜累积量

从表 2可以看出，无论单作系统还是间作系统，玉米全株铜累积量均表现为先下降，后上升，再下降的趋势，玉米全株铜累积量表现为Cu4处理最低，Cu2处理最高。单作系统各处理间差异均不显著，间作系统中，Cu2处理较Cu1和Cu4处理玉米全株铜累积量分别显著提高了56.3%和44.0%。除Cu3处理外，各铜浓度处理下均表现为间作玉米全株铜累积量低于单作玉米，降幅分别为9.1%、21.5%、15.6%和19.6%，但差异均不显著。间作系统中豌豆铜累积量表现为先上升后下降，至Cu3处理达到最大，而后Cu4处理较Cu3的铜累积量显著下降了40.0%，其他各处理铜累积量均差异不显著。间作系统中植株铜总累积量随着铜浓度的上升表现为先下降，后上升，再下降，Cu4处理则较Cu2、Cu3处理系统铜累积量显著下降了37.4%和38.6%。相比单作系统，间作系统中铜总累积量均显著提高，增幅达2.1~4.1倍。

表 2 玉米种植系统铜累积量 （mg） Table 2 Accumulation of copper in maize plant

表选项

从图 2看出，单作与间作玉米地上部富集系数均随着铜浓度的升高而显著下降，中低浓度（Cu0、Cu1、Cu2）铜处理下，单作与间作玉米地上部富集系数均大于1，说明此时单作与间作玉米中铜元素的浓度均超过土壤中铜浓度。Cu3、Cu4处理下，单作与间作玉米地上部富集系数均小于1，且单作玉米Cu3、Cu4处理富集系数分别较Cu1显著下降了93.1%和95.4%，间作玉米则显著下降了92.6%和96.0%。在不同铜浓度处理下，间作玉米地上部富集系数均显著低于单作，降幅分别为10.9%、49.4%、16.8%、5.0%和21.9%，说明玉米间作豌豆显著降低了玉米地上部铜含量。

图 2 玉米地上部和地下部富集系数 Figure 2 Copper enrichment coefficients in shoot and root of maize

图选项

两种种植模式下玉米地下部生物富集系数均大于1，说明两种种植模式下玉米地下部均对土壤铜元素具有一定的富集能力。但两种种植模式下表现出的规律并不完全一致。单作模式下，玉米地下部生物富集系数随着铜浓度的升高，呈现“先下降，后上升，再下降”的变化规律，Cu1、Cu2、Cu3、Cu4较Cu0处理富集系数分别显著降低了72.5%、58.8%、76.7%、76.3%；间作模式下，玉米地下部富集系数随着铜浓度的升高而显著下降。不同铜浓度处理下，间作玉米地下部富集系数均显著高于单作，增幅分别为73.7%、105.4%、15.6%、39.0%和2.9%，说明玉米间作豌豆促进了玉米地下部铜的累积。 2.4 玉米种植系统富集系数和转运系数

从种植系统富集系数（表 3）来看，单作系统中，玉米全株富集系数表现为随着铜浓度的升高而下降的趋势，其中Cu0处理富集系数最大。因其土壤中铜含量少，且玉米植株吸收了一定量的铜，故其富集系数大。与Cu0相比，Cu1、Cu2、Cu3、Cu4处理玉米富集系数均显著下降，降幅分别为72.7%、74.6%、88.5%和90.6%。间作系统中，与Cu0相比，玉米、豌豆的富集系数均表现为随着铜浓度的升高而显著降低，降幅分别达75.0%~90.6%和66.8%~86.4%。间作玉米Cu0和Cu3处理的富集系数均显著高于单作玉米富集系数，而Cu1处理则显著低于单作玉米。

表 3 玉米种植系统铜富集系数和转运系数 Table 3 Enrichment and transport coefficients of copper in maize planting system

表选项

从种植系统玉米转运系数来看，单作系统转运系数与富集系数表现一致，均随着铜浓度的升高而显著下降。与Cu0相比，转运系数分别显著下降了3.2%、52.4%、70.3%和80.5%。间作系统转运系数随着铜浓度的升高呈现“先下降，后上升，再下降”的趋势，但其中Cu1浓度时较Cu0显著下降了53.6%，而Cu2处理则较Cu1提高43.8%，Cu3和Cu4分别较Cu0显著下降了60.4%和71.2%。间作系统的转运系数均显著低于单作，降幅为24.1%~75.4%，说明通过间作，一定程度上增加了玉米根系对土壤铜的吸收，同时抑制了铜元素从玉米地下部向地上部转运的能力。 2.5 土壤铜含量

随着土壤铜浓度的增加，玉米单作和玉米间作豌豆条件下，土壤全铜和土壤有效铜含量均显著增加（表 4），但除Cu2处理外，其余各处理单作与间作土壤全铜和土壤有效铜含量差异均不显著。当铜浓度在100~600 mg·kg^-1的范围内，单作系统中土壤铜活化率为27.0%~37.3%，而间作系统中土壤铜活化率则为33.0%~52.1%，且相同铜浓度下，间作系统土壤铜活化率均高于单作系统。无论单作还是间作，玉米地上部铜含量与土壤有效铜含量均呈负相关（表 5）；单作与间作玉米地下部铜含量与土壤有效铜含量则呈极显著正相关，相关系数分别为0.937和0.971；间作豌豆全株铜含量与土壤有效铜含量亦呈极显著正相关，相关系数为0.961。

表 4 单作和间作系统土壤铜含量和铜活化率 Table 4 Content of soil total copper and activation rates of soil copper in monoculture and intercropping systems

表选项

表 5 玉米与豌豆各部位铜含量与土壤有效铜含量相关性 Table 5 Correlations between soil available copper and content of copper in different parts of maize and pea

表选项

间作既能提高单位面积中作物的产量，又能充分利用光、水、热等自然资源，同时两种或多种作物通过种间互作或种间竞争^{[20, 21]}，对土壤养分进行一定的活化，促进了植物对重金属的富集^[22]。本研究结果表明，豌豆间作玉米能显著促进玉米地下部对铜的富集，同时显著减少玉米地上部的铜含量，说明通过豌豆间作玉米能使铜元素固定在玉米植株地下部，减少了其向上的输送量。这可能是种植豌豆后改变了土壤质量，由于豆科作物均有共生根瘤，能固定大气中的氮素，从而提高土壤中氮素含量，而氮是合成蛋白质的重要元素，氮素含量供给增加，使得植株能产生更多的阻遏蛋白^[23]或抗氧化酶。本研究小组前期研究发现，在高浓度铜处理时，超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性增加，而且间作模式地上部和地下部的超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性均高于单作，可缓解玉米受到高铜处理时过氧化物、超氧化物累积对玉米细胞的损伤，提高玉米对铜的耐性，从而在高浓度时地下部能够在细胞中累积较多的铜元素^[24]。

除0 mg·kg^-1和400 mg·kg^-1处理外，其余各处理间作玉米铜含量和富集系数均低于单作玉米，但仅100 mg·kg^-1处理差异显著。而铜累积量除400 mg·kg^-1处理外间作玉米均低于单作玉米，全株铜含量与铜累积量表现较为一致，说明玉米和豌豆间作过程中虽然玉米生物量由于受到种植空间及种间竞争的影响，其生物量较单作玉米有所降低，但对间作模式中玉米铜累积的影响并不显著。豌豆在间作中作为优势种，其生物量明显高于间作玉米生物量，故豌豆的铜累积量显著高于玉米，间作系统对铜累积量的优势主要体现在豌豆上，豌豆生物量大，吸收的铜元素亦多，从而缓解了相同铜浓度对玉米的胁迫。玉米在间作中处于竞争劣势，降低了物质向地上部运输的能力，因此地上部铜含量较单作模式显著下降。

富集系数是衡量植物从土壤中吸收重金属元素能力的指标之一，无论单作还是间作，玉米地下部富集系数均大于1，说明玉米对铜的富集主要集中在地下部；而且间作玉米地下部富集系数均高于单作，说明通过和豌豆间作能促进铜在玉米地下部的累积。可能是由于两种作物通过间作的竞争关系共同富集土壤中的铜，促进根系分泌物的增加，进而活化了土壤中的铜元素，增加了土壤铜的生物有效性，进而增加了玉米体内铜含量。间作使得玉米地上部铜含量降低而地下部铜含量升高，与李凝玉等^[11]研究间作对镉污染条件下玉米对镉的吸附结果相似。其原因可能是在铜处理下，玉米自身防御机制提高，尤其是抗氧化酶活性上升，降低了向地上部运输的能力。豌豆对土壤铜的累积量明显高于间作玉米，相对玉米而言，发生了生物稀释^[25]作用，豌豆较强的耐铜性和竞争优势抢占了玉米对土壤铜的吸收，从而降低了间作模式下玉米地上部铜含量。与单作相比，间作系统增加了豌豆，且豌豆生物量明显高于玉米，所以造成了间作系统铜总累积量增多。 4 结论

（1）玉米间作豌豆显著增加了玉米地下部铜含量，降低了地上部铜含量。与不施铜相比，铜胁迫下玉米地上部和地下部富集系数均显著下降。间作降低了玉米地上部富集系数，显著增加了玉米地下部富集系数。

（2）从种植系统整体来看，间作系统由于增加了豌豆的生物量，其铜累积量明显高于单作，同时在一定范围内提高了玉米对铜的富集系数，显著降低了其转运系数。