铅冶炼已经造成了我国北方某些地区土壤镉、铅等元素的污染和儿童血铅超标^{[1, 2, 3, 4, 5]}。对河南省污染土壤的分析表明，铅冶炼企业附近土壤中存在明显的镉、铅等元素的积累，部分样品的含量远超过土壤环境质量标准。根据污染指数判断，镉和铅分别是河南省铅冶炼区污染土壤中的主要污染元素^{[2, 4, 6]}。河南省铅冶炼企业的分布特点之一是多数冶炼企业紧邻农田^{[3, 6]}，来自污染企业的重金属易进入农田并通过食物链进入人体，从而影响当地居民健康。因此，必须尽快对这一区域的重金属污染土壤进行治理，以减少污染物对当地居民健康的不利影响。

伴矿景天（Sedum plumbizincicola）是一种发现于浙江的镉和锌的超积累植物，其地上部镉含量可达到100 mg·kg^-1以上^[7]，而普通植物地上部镉含量多数在0.2 mg·kg^-1以下^{[8, 9]}。同时，在河南省污染土壤上进行的田间试验表明，伴矿景天的地上部产量可达2000 kg·hm^-2以上^[7]，因此，通过在镉污染土地上种植伴矿景天，并通过收获减少土壤中的镉含量具有一定的可行性。然而，由于我国人均耕地资源数量少及其他社会学原因，目前，在污染土地上推广单独种植超积累植物仍然有一定的难度。在这种情况下，对于污染土地，采用边生产边修复的方式进行处理可能是一条较好的途径。在这个方面，多个研究者对超积累植物与常规作物间作修复镉污染土壤进行了研究，结果表明间作有提高常规作物产量、减少作物籽粒重金属积累等良好效果^{[10, 11]}。

本研究的目的是将伴矿景天与冬小麦间作，探讨其对小麦籽粒污染元素积累和伴矿景天镉吸收的影响，为河南省铅冶炼污染农田的合理处置提供参考。

试验在河南省西北部某地进行，该区域地形为山前平原，海拔约250 m，暖温带大陆性季风气候，年平均降雨量和年平均温度分别为600 mm和14.6℃，主要种植制度为冬小麦-夏玉米轮作。该地区铅冶炼已经约有50年的历史，但大规模冶炼约为25年。由于近年来铅冶炼的快速发展及历史上大量采用粗放工艺的小企业的生产活动，使该区域存在较严重的土壤重金属污染及儿童血铅超标现象^{[1, 2, 3, 4, 5]}。

田间研究于2013年10月—2014年6月进行。试验地位于主要冶炼企业的北边，该区域有3个大型冶炼厂，试验地距离这3个企业5.6~10.9 km。试验前采样分析表明，土壤pH为8.41，碱解氮含量为79.2 mg·kg^-1，Olsen-P含量为7.22 mg·kg^-1，土壤全砷、镉、铅的平均含量分别为18.2、1.09、159 mg·kg^-1，DTPA提取态Cd和Pb含量分别为0.816 mg·kg^-1和33.3 mg·kg^-1。土壤类型为潮褐土，土壤铅、镉、砷的背景值分别为20.1、0.065、9.40 mg·kg^-1[12]。

试验采用当地主栽小麦（Triticum aestivum）品种百农矮抗58和郑麦7698（以下分别简称百农和郑麦），每品种设置小麦单作和小麦与伴矿景天间作两个处理。每处理设3个重复，所有小区随机排列。小区面积7.2 m²（2.4 m × 3 m），每小区种植9行（小麦5行，伴矿景天4行，伴矿景天与小麦单行间隔种植），行为南北向。小区间南北向不打垄，设0.5 m不种作物的空地作为间隔。底肥用量为尿素375 kg·hm^-2、普通过磷酸钙750 kg·hm^-2，小麦返青期追施尿素150 kg·hm^-2。小麦行距0.5 m，基础苗保证225万株·hm^-2，伴矿景天（Sedum plumbizincicola）在小麦行间种植，株距0.15 m。小麦于2013年10月16日种植，10月24日在小麦行间人工开深约10 cm的沟，少量浇水后将长度约10 cm的伴矿景天枝条小心种入湿土中，再将枝条周围土壤压实。种植后，所有处理每隔15 d浇水一次，共浇水两次，以促进伴矿景天生根和成活。之后采用当地小麦常规管理方式管理。

2014年6月3日收获。小麦成熟后，在每小区采集小麦分析样和测产样，同时剪取各处理所有伴矿景天地上部。对于分析样，每个样品由3个采样点的植物或土壤混合而成。每小区各采集1份小麦籽粒分析样和1份伴矿景天分析样。由于采取籽粒样后小麦植株剩余量小，因此，每处理所有小区合并采集1份测产样。测产样晒干后测定籽粒重量，计算产量。小麦分析样和伴矿景天分析样用自来水和去离子水依次洗涤干净，烘干，粉碎后测定其镉、铅和砷含量。土壤样品风干，过2 mm筛，之后混合均匀。

小麦和伴矿景天样品用HNO₃/H₂O₂高压消解法消解，土壤有效镉和铅用DTPA提取，有效砷用0.5 mol·L^-1磷酸二氢钠提取，方法参考文献^[13]。溶液用原子吸收分光光度计［Varian SpectrAA 220FS（火焰）、220Z（石墨炉）］测定Cd和Pb含量，用原子荧光分光光度计（北京吉天AFS-930）测定As含量。

土壤有效氮用碱解扩散法、有效磷用0.5 mol·L^-1碳酸氢钠提取-钼蓝比色法、有效钾用1 mol·L^-1中性醋酸铵提取-火焰光度法测定，以上测定方法参考文献^[14]。

植物重金属测定中重复测定20%的样品，并采用标准物质GBW10011（GSB-2）进行质量控制，其他项目每样品均测定3个重复。

伴矿景天和小麦的产量计算中，由于无法准确区分两类植物在田间所占面积，因此将整个小区面积（即小麦和伴矿景天生长的总面积）作为小麦或伴矿景天的生长面积。对同一处理的重复求平均值。方差分析采用SPSS13.0进行，多重比较采用LSD法。

不同处理土壤重金属有效性如图 1所示。与伴矿景天间作后，百农和郑麦两个品种土壤砷有效性分别下降1.17 μg·kg^-1和4.80 μg·kg^-1，下降比例分别为9.58%和2.89%。两个品种土壤的砷有效性有较大差异，种植百农的土壤有效砷平均值比种植郑麦的土壤平均值低0.048 1 mg·kg^-1。对于种植百农的土壤，与小麦单作相比，间作土壤镉有效性下降幅度为0.03 mg·kg^-1，下降比例为3.88%；而对于种植郑麦的土壤，间作伴矿景天后土壤镉有效性持平。与小麦单作相比，间作处理土壤铅有效性均有一定程度的下降。对于种植百农和郑麦的土壤，间作土壤铅有效性分别下降3.27 mg·kg^-1和0.48 mg·kg^-1，下降比例分别为8.88%和1.37%。方差分析表明，百农与伴矿景天间作处理土壤有效铅含量与百农单作土壤差异有一定的显著性（P=0.076）。

图 1 小麦与伴矿景天间作及小麦单作土壤的砷、镉和铅有效性 Figure 1 Extractability of As，Cd and Pb of soils growing wheat or intercropped wheat and Cd hyperaccumulator Sedum plumbizincicola

图选项

伴矿景天与小麦间作对小麦籽粒As、Cd和Pb含量的影响如表 1所示。百农和郑麦品种与伴矿景天间作后，籽粒砷含量分别上升0.016 4 mg·kg^-1和0.001 2 mg·kg^-1，上升比例分别为28.6%和1.44%。方差分析表明，不同处理小麦籽粒砷含量之间无显著差异（P>0.1）。不同处理小麦籽粒镉含量之间存在一定的差异显著性，但同一小麦品种的单作与间作之间无显著差异（P>0.05）。百农品种与伴矿景天间作后，籽粒镉含量上升了0.040 4 mg·kg^-1，上升比例为13.6%，郑麦品种与伴矿景天间作后，籽粒镉含量下降了0.017 5 mg·kg^-1，下降比例为6.68%。不同处理小麦籽粒铅含量的差异未达到0.05的显著水平，但对比仍然表明，与单作相比，百农和郑麦品种与伴矿景天间作后，籽粒铅含量分别上升9.75%和17.6%。3个污染元素中，仅镉在不同品种间含量存在显著差异（P<0.05），表明郑麦品种比百农品种对镉可能具有更强的吸收能力。用土壤As、Cd和Pb有效性与籽粒这3个元素的含量进行相关分析，表明二者之间不存在显著相关性（P>0.19）。以上结果表明，两个小麦品种与伴矿景天间作后，均引起籽粒镉含量一定程度的下降，而籽粒砷和铅含量均有一定程度的上升。

表 1 不同处理的小麦籽粒As、Cd和Pb含量及籽粒产量 Table 1 Concentrations of As，Cd and Pb in wheat grain and grain yield of monoculture wheat or wheat intercropping with Sedum plumbizincicola

表选项

小麦与伴矿景天间作后，百农和郑麦品种籽粒产量分别下降5.57%和0.578%，表明间作伴矿景天对小麦籽粒产量有一定的抑制作用。

与百农和郑麦2个小麦品种间作的伴矿景天地上部的污染元素含量和积累量如表 2所示。方差分析表明，仅砷含量在2个小麦品种间有显著差异（P<0.05），其他数值在两个处理间无显著差异（P>0.05）。

表 2 与小麦间作的伴矿景天地上部污染元素含量和积累量 Table 2 Shoot concentrations and accumulation of As，Cd and Pb of Cd hyperaccumulator Sedum plumbizincicola intercropped with wheat

表选项

土壤速效养分的分析结果（表 3）表明，小麦与景天间作可在一定程度上增加土壤速效养分的含量，尤其以碱解氮和速效磷的增加比较明显。对于碱解氮，百农和郑麦间作处理分别比对应单作处理土壤增加2.87%和6.36%，对于速效磷，2个品种分别增加42.0%和11.0%。方差分析表明，以上差异均未达到0.05的显著水平。

表 3 不同间作处理土壤速效养分含量 Table 3 Concentrations available N，P and K in soil with wheat monoculture or wheat- Sedum plumbizincicola intercropping

表选项

伴矿景天是一种镉和锌的超积累植物，在本研究区域附近进行的大田试验表明，其地上部镉含量可达到40~130 mg·kg^{-1 [7]}。在其他地区进行的研究中，仅沈丽波等^[15]和李思亮等^[16]报道了20 mg·kg^-1左右或以下的地上部镉含量，其余研究中，地上部镉含量多在50~250 mg·kg^-1之间^[7]。赵冰等^[17]利用盆栽试验探讨了伴矿景天与小麦间作的效果，结果表明，伴矿景天地上部镉含量在53~161 mg·kg^-1之间。本研究伴矿景天地上部镉含量远小于上述研究结果^{[7, 17]}。在本研究中，春季小麦返青后，小麦植株的高度很快超过了伴矿景天，并且随着时间的推移，这种高度的差距在增加。小麦较高的株高对伴矿景天植物的光合作用产生不利影响。对与伴矿景天有很近遗传关系的东南景天的研究表明，后者对镉的吸收是一个主动运输过程，需要消耗能量^[18]。因此可以推论，本研究中光照不足导致景天植物对镉的吸收减少。另外，在河南省进行的伴矿景天试验田间管理中，基本是每10 d灌一次水^[7]；而本研究中，管理方法是以小麦为主，除伴矿景天种植初期增加2次灌溉外，后续生育期仅灌水3次。水分是影响土壤重金属有效性和植物生长的重要因素，因此，本试验中灌水次数少可能也是造成伴矿景天地上部镉含量大幅下降的因素之一。本研究组在本地区进行的伴矿景天单作试验中，伴矿景天的产量（干重）可达到590~2229 kg·hm^-2，地上部镉含量达到43.7~178 mg·kg^-1[7]，均高于本研究。这表明，伴矿景天与小麦间作条件下，伴矿景天的生长和对重金属的吸收均受到了明显的抑制。

已有大量研究表明超积累植物与普通植物间作可降低或增加普通植物体内重金属含量^{[10, 11, 19]}。研究表明，伴矿景天根系分泌物中的磷酸、肉豆蔻酸、草酸、苏糖酸、甘氨酸等对于土壤镉的活化起重要作用^[20]。盆栽中，与单独种植小麦相比，伴矿景天与小麦间作土壤的锌有效性有一定程度的增加^[17]，这种现象其他研究者也有类似报道^[11]。本研究中，与单作相比，除郑麦间作处理镉含量低于单作外，其他处理条件下污染元素含量均是间作高于单作（增加幅度为1.44%~28.6%，表 1），表明伴矿景天对小麦的污染元素吸收有一定的促进作用，这与他人的结果^{[10, 17, 19]}有一定的一致性。但本研究中差异均未达到0.05的显著水平（表 1），造成这种现象的原因之一可能是由于伴矿景天植物的根系没有对小麦根系的生长和元素吸收产生大的影响。研究表明，间作试验中不同植物根系的位置关系对于间作的效果有重要影响^[21]。利用3种不同土壤进行的伴矿景天与冬小麦的盆栽间作试验^[17]表明，间作显著提高了小麦籽粒镉和锌的含量，镉含量的增加幅度在51.7%~93.8%之间，这一结果与本研究不同。在该研究^[17]中，每盆用土1.5 kg，两类植物的根系在长期生长中互相影响的程度要远大于本研究中田间试验的情况，这可能是该研究中小麦籽粒镉含量受到间作促进的原因。在大田条件下，小麦根系主要分布在0~30 cm或更深层次^{[22, 23]}，而多数超积累植物的根系较浅^[24]。根据我们的观察，在试验地区，伴矿景天根系主要分布在0~15 cm层，且根系较小。本研究中伴矿景天较差的长势使其对土壤重金属性质的影响进一步减小。这与间作体系中两种作物根系空间分布重合度较大的植物对重金属的竞争^[25]不同。从现有研究结果来看^{[11, 17, 21]}，要实现间作中超积累植物和普通植物的相互影响，根系相互影响可能是一个重要前提。因此，从这个意义上说，在大田条件下进行的间作更能代表间作植物生长的实际情况。

另外，虽然目前对伴矿景天修复污染土壤已经有大量论著发表，但伴矿景天吸收镉的根际过程及超积累镉的机理仍然了解较少，这也与目前对多数超积累植物吸收土壤污染元素的机理不清^{[18, 26, 27]}一致。在后续研究中需要对伴矿景天植物的根系对土壤重金属形态的影响及其机理加强研究。

食品中污染物限量的国家标准GB 2762—2012中规定的小麦籽粒中砷、镉和铅的限量值分别为0.5、0.1、0.2 mg·kg^-1[28]，与这一标准相比，本试验中所有小麦籽粒的镉含量均超标，而籽粒砷和铅含量尚处在安全范围内，且间作处理未对小麦籽粒镉含量超标产生影响。田间试验实施区周边小麦籽粒的镉及其他污染元素含量是否超标，需要进一步研究。

根系分泌物是影响根际环境的重要因素，在植物对土壤物质的吸收中起重要作用。然而，对于根系分泌物对土壤重金属有效性的影响存在不同的研究结果。研究表明，小麦根系分泌物中含有较高浓度的配位体^[29]，且能增加红壤对镉的吸附作用^[30]。伴矿景天根系分泌物中含有多种可活化土壤重金属的小分子量有机酸^[20]，与伴矿景天性质相似的东南景天的根系分泌物也可增加土壤重金属有效性^[27]，但也有人认为根系分泌物对于超积累植物积累重金属的作用很有限^[31]。本研究中，小麦与伴矿景天间作后，土壤有效氮和磷均有一定程度的增加，这应当与伴矿景天根系引起的土壤性质变化有关，尤其是土壤pH下降及低分子量有机酸的增加^{[20, 27, 32]}。

新近的研究表明，伴矿景天根际的内生细菌对于促进土壤镉等重金属有效性的增加及伴矿景天吸收这些重金属有很强的促进作用^[33]，根据伴矿景天较小的根系来判断，大田条件下，伴矿景天根系对小麦根系生长区域的重金属有效性的影响及小麦根系吸收重金属的影响可能较小。本研究中，间作处理土壤重金属有效性多数情况下低于单作土壤（图 1），虽然均未达到0.05的显著水平，但这种差异可能仍暗示伴矿景天对土壤重金属的形态产生了影响。引起这种变化的具体机理尚需进一步研究。

在大田间作条件下，伴矿景天生长及对污染土壤的修复作用均受到明显抑制，抑制作用可能主要来自两个方面，一是小麦对光、热、水等资源的争夺，另一个是生长期间灌溉水不足。另外，间作后小麦籽粒重金属含量未受到明显影响，且籽粒镉含量仍远高于国家标准GB 2762—2012中规定的限值^[28]。仅从本研究结果看，在本地区铅冶炼污染土壤上进行冬小麦和伴矿景天的间作可行性较低。因此，对于河南省铅冶炼污染土壤，可采用伴矿景天单作进行修复，并对伴矿景天与当地作物的合理间作或套种方式进行继续探讨。

冬小麦与伴矿景天间作后，土壤重金属有效性均略有下降（下降幅度小于10%）；与单作相比，间作后小麦籽粒污染元素含量的变化比例小于30%，且与单作差异不显著（P>0.05），间作伴矿景天产量平均为90.8 kg·hm^-2、地上部镉含量平均为23.4 mg·kg^-1，均远低于景天单独种植时的水平。小麦较高的植株使伴矿景天生长期间不能得到充足的光、热，且由于田间管理以小麦为主，间作条件下伴矿景天没有得到充足的水分供应。另外，试验条件下小麦籽粒镉含量均超过国家标准GB 2762—2012的限量值0.2 mg·kg^-1，需要对研究区小麦籽粒的质量安全进行关注。

致谢：感谢河南省农业科学院李向东研究员提供小麦品种并测产；感谢河南科技学院茹振钢教授提供小麦品种；感谢美国环境保护部国家风险管理研究实验室Aaron R. Betts先生对英文摘要进行润色。