矿粮复合区，指该区域不仅归属于粮食主产区，同时归属于矿产资源主产区，是矿产和粮食复合主产区的简称^[1]。在我国的矿粮复合区，矿产资源的开采导致农田土壤及其生产的农产品重金属污染日益严重，受重金属含量超标的农产品主要产自中、轻度重金属污染的矿粮复合区。会泽县是云南省大型的铅锌矿之一^{[2, 3]}，长期的土法冶炼对环境造成了严重的污染，尤其对农田土壤肥力造成影响^[4]。

间作是我国农业的重要耕作模式之一，合理间作在增加作物产量、提高土地利用率、有效利用光热资源、促进水分和养分吸收利用、增强作物抗病性等方面有着巨大优势，在提高农业资源利用率、增加产量等方面已有较深入的研究^{[5, 6, 7]}，而在重金属中、轻度污染的矿粮复合区农田，通过将某种重金属的低累积作物与相应的重金属富集植物或其他非食用经济作物种植在一起，可以同时改变多种影响土壤重金属有效态含量的土壤理化因素，从而有可能实现在修复土壤重金属污染的同时，收获达到一定卫生标准的农产品，达到治理和生产同时进行的目的^{[8, 9, 10]}。针对当前我国农田污染特别是重金属污染日趋严重的背景，选择合适的植物，组成具有一定功能的农业复合体系，以实现对污染农田的边生产边修复，是一条符合我国国情的农业生产新措施^{[11, 12]}。

土壤中的重金属进入植物体内能对植物产生毒害作用，轻则植物体的代谢过程发生紊乱，生长发育受阻，重则导致植物死亡^[13]。土壤中能直接被植物吸收的重金属生物有效态含量决定重金属对植物的危害程度，土壤中有效态重金属含量越高，作物生长所受到的危害越大。决定土壤重金属生物有效性的因素主要包括土壤重金属全量水平、土壤酸碱度、有机质含量、土壤氧化还原水平、阳离子交换量、土壤矿物组成、土壤质地和类型以及土壤中各元素间的相互作用等，通常认为pH和有机质是主要的影响因素^{[14, 15, 16]}。

植物对Cd的吸收和累积受多种因素影响，包括植物种类、Cd形态和根际土壤理化性质等方面。为了探究续断菊与蚕豆间作后根际理化性质改变及对Cd形态的影响，本文以Cd富集植物续断菊与蚕豆作为研究材料，通过田间试验，研究间作和单作两种种植模式下植物根际土壤pH、有机质、碱解氮、速效钾、速效磷和不同形态Cd分布状况变化，考察综合因素影响下对土壤重金属Cd形态分布状况与续断菊和蚕豆两种植物吸收Cd的影响，丰富间作对植物根际理化环境影响的相关信息，明确蚕豆与续断菊间作对Cd形态分布状况与续断菊和蚕豆两种植物吸收Cd的影响，进而为促进重金属污染农用地修复实践提供科学依据。

本试验选取蚕豆（尼加拉）、续断菊（当地重金属富集植物）为试验材料，于 2014 年 9 月至 2015 年 4 月进行试验。

试验地点位于云南省会泽县者海镇玛色卡村（103°38′12″E、26°34′21″N），平均海拔 2120 m，矿区气候温和，雨量充沛，属温带山地半潮湿气候，具有独特的高原季风气候和丰富的立体气候特点。土壤背景值为：全磷15.8 g·kg^-1，速效磷28.2 mg·kg^-1，速效钾122 mg·kg^-1，碱解氮59.98 mg·kg^-1，有机质16.1 g·kg^-1，镉质量分数25 mg·kg^-1，pH5.5。

试验设置续断菊||蚕豆间作（2行续断菊，1行蚕豆）、蚕豆单作、续断菊单作3种种植模式，3个重复。续断菊单作、蚕豆单作、间作株行距均是10 cm。每个小区面积为3 m × 2 m，小区间筑埂，随机排列，共9 个小区。蚕豆与续断菊株行距均为10 cm，均为单株种植，行距和株距设置均为当地农民广泛采用模式，符合当地农业生产实际情况。续断菊使用烤烟型基质和漂盘育苗，待苗长到5~6 cm，选择长势良好、大小均一的幼苗在蚕豆播种时（9月26日）进行移栽。

施肥用量为磷肥（P₂O₅）75 kg·hm^-2，钾肥（K₂O）75 kg·hm^-2。蚕豆、续断菊全部磷钾肥基施，不追施磷钾肥，不施氮肥。按常规方法进行田间管理。

分别在蚕豆幼苗期（10月31日）、花蕾期（12月31日）、成熟期（3月31日）对单作和间作小区采样，每小区每次随机多点采样作为一个混合样品，采用抖土法收集根际土壤。土壤样品阴凉通风处自然风干，剔除样品中植物根系、有机残渣以及可见侵入体，用木质工具碾碎并用玛瑙研钵研磨，充分搅拌均匀后过1 mm和0.25 mm筛备用。

将续断菊分成地上和地下两部分，蚕豆分成根、茎、叶、豆荚、籽粒5 部分，分别用自来水冲洗后，再用去离子水冲洗干净，晾干后于105 ℃杀青 30 min，然后 70 ℃烘干至恒重，分别测定干物质量。烘干样品用粉碎机全部粉碎、混匀，过0.25 mm筛后装袋备用。

土壤pH 值、有机质、碱解氮、速效钾、速效磷的测定方法参照鲍士旦《土壤农化分析》和吕贻忠《土壤学实验》。不同形态（可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态和有机物结合态）的Cd含量采用Tessier连续浸提-原子吸收分光光度法测定（4520-TF原子吸收分光光度计，苏州）。

土壤样品和植物样品分别用浓硝酸-浓盐酸-高氯酸、硝酸-高氯酸消煮后采用石墨炉-原子吸收光谱法测定 Cd含量。

数据采用Excel 2003进行常规分析，土壤与植物之间、植物地上部与根之间重金属含量、各Cd形态之间的差异性、相关性采用SPSS17.0软件分析。

不同种植模式下，单作蚕豆与单作续断菊pH值在整个生育期没有出现差异性，间作土壤pH值呈下降趋势，成熟期相对于幼苗期下降0.11个单位（表 1）。成熟期，间作土壤有机质含量比单作蚕豆和单作续断菊分别增加12.64%、20.13%（表 2）。

表 1 不同种植模式土壤pH值 Table 1 Soil pH values in different cropping systems

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表 2 不同种植模式土壤有机质含量（g·kg^-1） Table 2 Soil organic matter content in different cropping systems （g·kg^-1）

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由图 1可见，间作与单作蚕豆土壤碱解氮含量从幼苗期至成熟期均表现出递增趋势，成熟期碱解氮含量相对于幼苗期分别显著增加139.87%、155.15%，间作与单作蚕豆土壤碱解氮含量在每个蚕豆生育期变化量接近；单作续断菊土壤碱解氮含量先下降（幼苗期至花蕾期）、后上升（花蕾期至成熟期），最终相对于幼苗期增加13.01%。间作与单作蚕豆成熟期土壤碱解氮含量分别为152.32、152.99 mg·kg^-1，均比单作续断菊增加32.75%左右。

图 1 不同种植模式土壤碱解氮含量 Figure 1 Soil available N content in different cropping systems

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由图 2可见，间作与单作续断菊土壤速效钾含量接近，整个生育期速效钾含量变化没有差异性；成熟期单作蚕豆速效钾含量相对于幼苗期下降10.60%。间作与单作续断菊成熟期土壤速效钾含量分别为216.64、218.81 mg·kg^-1，显著大于单作蚕豆土壤速效钾含量175.06 mg·kg^-1。

图 2 不同种植模式土壤速效钾含量 Figure 2 Soil available K content in different cropping systems

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不同种植模式土壤速效磷含量从幼苗期至成熟期均呈现下降趋势，间作显著下降7%左右，单作蚕豆与单作续断菊下降量接近，且每个生育期的间作速效磷含量均大于单作续断菊、单作蚕豆。由图 3可知，在三个生育期内间作条件下根际速效磷的含量，与单作蚕豆相比，其变化幅度分别为 6.90%、1.19%、3.47%；与单作续断菊相比，其变化幅度分别为7.14%，2.65%、3.19%[计算式（P_I-P_S）/P_S；P_I为间作条件下的根际速效磷含量，PS为单作条件下根际速效磷含量]。

图 3 不同种植模式土壤速效磷含量 Figure 3 Soil available P content in different cropping systems

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图 4显示三种种植模式Cd各形态含量分布状况在不同生育期均表现为可交换态>碳酸盐结合态>铁锰氧化物结合态>有机物结合态；三个生育期均是间作条件下可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态和有机物结合态四种形态含量总和小于单作蚕豆与单作续断菊。

图 4 不同生育期不同种植模式Cd形态分布状况 Figure 4 Distribution of Cd fractions in different cropping systems at different growth stages

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可交换态含量在间作种植模式下，成熟期相比幼苗期显著下降17.48%，单作续断菊没有显著变化，可交换态平均含量4.77 mg·kg^-1，单作蚕豆在幼苗期与花蕾期显著下降；整个生育期，间作、单作续断菊、单作蚕豆三种种植模式碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态含量均未出现差异性，碳酸盐结合态平均含量分别为3.51、3.73、3.80 mg·kg^-1，铁锰氧化物结合态平均含量分别为2.52、2.68、2.91 mg·kg^-1，有机物结合态平均含量均在1.59 mg·kg^-1左右。

成熟期可交换态含量间作比单作蚕豆与单作续断菊分别下降21.98%、22.13%，碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态和有机物结合态没有差异性。

间作蚕豆的单株总生物量（根+茎+叶+豆荚+籽粒）小于单作蚕豆，单作蚕豆与间作蚕豆均是籽粒干质量（生物量）最大，且间作蚕豆籽粒干质量显著小于单作蚕豆籽粒干质量（图 5），间作后相比单作降低了 39.98%。总体来看，间作蚕豆单株生物量相比单作降低了 24.77%。间作与单作续断菊单株生物量均表现为地上部>根部，间作续断菊地上部干质量显著大于单作续断菊地上部干质量（图 5）。间作后，续断菊单株生物量相比单作增加15.29%。

图 5 不同种植模式蚕豆、续断菊植株生物量 Figure 5 Biomass of V. faba and S. asper in different cropping systems（g·plant-1）

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成熟期，单作与间作蚕豆根、叶、豆荚与籽粒 Cd 质量分数差异显著，单作与间作均是根部Cd 质量分数最大，籽粒Cd 质量分数最小（图 6），且间作蚕豆根、茎、叶、豆荚与籽粒平均 Cd质量分数（5.86 mg·kg^-1）小于单作平均 Cd质量分数（7.06 mg·kg^-1）。

图 6 不同种植模式蚕豆各器官Cd质量分数 Figure 6 Content of Cd in different parts of V. faba in different cropping systems

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成熟期间作续断菊地上部Cd 质量分数19.29 mg·kg^-1显著大于单作续断菊地上部Cd 质量分数13.26 mg·kg^-1，间作与单作续断菊根部Cd 质量分数分别为19.69、18.67 mg·kg^-1，没有差异性（图 7）。间作后续断菊的转运系数0.98大于单作续断菊转运系数0.71，间作有效转运系数3.13大于单作1.95 [续断菊转运系数=植物地上部含量/根部含量；有效转运系数=（植物地上部含量×地上部生物量）/（根部含量×根部生物量）]。

图 7 不同种植模式续断菊各器官Cd质量分数 Figure 7 Content of Cd in different parts of S. asper in different cropping systems

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试验结果表明，幼苗期单作续断菊土壤碱解氮含量显著大于间作和单作蚕豆，随着时间的推移，间作和单作蚕豆土壤碱解氮含量呈增长趋势，但间作土壤碱解氮含量变化率在花蕾期后大于单作蚕豆，成熟期时均比单作续断菊增加32.75%左右。可能由于豆科植物生长初期，植株所需氮量多来源于土壤本身，其主要原因是作物根系尚未发育完善，结瘤和固氮过程尚未启动，随着植株根系的发达，固氮能力增强^[17]。此外，可能是豆科与非豆科作物间作，由于非豆科作物可以更多地利用土壤氮素，降低高氮条件下的“氮阻碍”作用，提高豆科作物的固氮比率^[18]，豆科作物固定的氮素，可以部分通过根际转移到非豆科作物中，改善了非豆科作物的供氮条件，从而有利于非豆科作物生长^[19]。蚕豆||续断菊间作，间作续断菊生物量的增加主要源于可利用光能的增加以及大豆固氮对续断菊氮营养的贡献，而间作蚕豆生物量的减少则主要由于续断菊对蚕豆的遮光，减少了蚕豆可利用的光能^{[20, 21]}。蚕豆、大豆通过生物固氮作用，将更多的土壤氮素留给与之间作的玉米使用，从而有利于玉米氮的吸收和积累^[22]。在成熟期的间作土壤碱解氮比单作续断菊增加32.75%左右，间作Cd可交换态含量比单作续断菊下降22.13%，氮素的硝化作用生成HNO₂、HNO₃，促进土壤中重金属溶解而发生迁移转化^[23]。

试验结果表明根际速效磷含量随时间的推移呈下降趋势，间作根际速效磷含量相对于单作蚕豆、续断菊模式提高7%左右，表明间作促进了根际磷的活化。可能是由于间作条件下对根际磷养分的活化作用明显强于单作，使更多的闭蓄态磷转化为速效磷，提高了根际磷养分的含量^[24]。豆科作物固氮过程中释放出H⁺，酸化根际土壤，活化土壤中难溶性磷，供另一作物利用^[25]。单作蚕豆与单作续断菊条件下根际速效磷含量在整个蚕豆生育期无明显变化，间作根际速效磷明显下降7.16%，可能是间作延缓了作物根系的衰老，使蚕豆和续断菊根系在生育后期仍保持较强的根系活力，有一定的养分吸收能力所致^[26]。成熟期间作根际速效磷含量相对于单作蚕豆、续断菊模式提高7%左右，间作Cd可交换态含量比单作蚕豆与单作续断菊分别下降21.98%、22.13%，当土壤中速效磷的含量充足时，重金属元素会与之形成难溶性磷酸盐，降低重金属元素在根际土壤中的活动性和移动性^[27]。

成熟期间作根际速效钾含量显著大于单作蚕豆，间作Cd可交换态含量比单作蚕豆下降21.98%，可能是由于土壤颗粒对K⁺离子的解吸附作用，使K⁺离子很容易与重金属元素发生置换而降低重金属元素在根际土壤中的生物利用度^[23]。总之，速效氮、磷与重金属元素呈负相关，速效钾与重金属元素呈正相关^[27]。

试验结果表明Cd各形态中占绝对优势的是可交换态，铁锰氧化物结合态和有机物结合态含量很少，而碳酸盐结合态含量居中，与宋菲等^[28]对红壤、棕壤中重金属形态分布研究一致。间作种植模式下Cd可交换态含量在成熟期比幼苗期显著下降17.48%，而单作续断菊种植模式Cd可交换态含量没有显著差异，其原因可能是：①由于在大量有机质条件下，植物生长更快，生物量更大，对土壤中Cd的吸收更多，导致成熟期土壤中可交换态含量降低^[29]。②在间作体系中，根系分泌物对根际环境物理、化学性质，以及土壤酶活性、根际周围土壤中微生物种群分布等对土壤重金属的有效性以及植物对重金属的吸收产生重要影响^{[30, 31, 32]}，所以导致间作后Cd可交换态含量下降可能原因是续断菊与蚕豆间作后，通过根系分泌有机酸与Cd进行螯合作用，提高土壤Cd的活化效率（土壤有效态镉/土壤全镉），而续断菊是Cd的超积累植物，对Cd具有强吸收作用^[33]。③pH值通过影响土壤表面电荷性质和镉离子的存在形态而影响镉离子的吸附，植物根系分泌物H₂CO₃及其他酸性物质可降低根际土壤的pH值，pH能够影响无机碳含量，影响碳酸盐的形成和溶解，促进植物碳酸盐结合态对重金属的吸收，因此使镉化学形态在交换态和碳酸盐结合态之间转移。间作种植模式下土壤pH值下降0.11个单位，形成较多的碳酸盐络合物而使镉有效性降低^[29]。④有机质是一种有效的吸附剂，有机质通过改变土壤表面负电荷数量以及与镉离子发生不同的化学反应而起作用，能极大地降低重金属离子的活度^[29]。蒋煜峰等^[34]在土壤中加入腐植酸后，使土壤溶液中的有机质含量增加，同时提高了土壤中铁锰氧化物的活性，使铁锰氧化物结合重金属的能力增强，随着腐植酸浓度的增大，这种作用越强，使氧化物结合重金属离子的能力增强，土壤中氧化物结合态的重金属离子含量增加。有机肥的施用促使交换态Cd向铁锰氧化物结合态与有机物结合态Cd转化^[35]，形成的络合物稳定性较高，导致镉有效性相对较低^[36]。范文宏等^[37]采用连续提取法分析沉积物添加胡敏酸后，重金属（Cd，Cu，Zn，Pb和Ni）的形态分布状况结果显示：随着胡敏酸的加入，重金属的可交换态含量都不同程度的降低，铁锰氧化物结合态含量不同程度的增加，有机结合态和残渣态含量有所提高。

成熟期，间作土壤有机质含量比单作蚕豆和单作续断菊分别增加12.64%、20.13%，间作可交换态含量比单作蚕豆与单作续断菊分别下降21.98%、22.13%。土壤中有机质的增加改变土壤中重金属元素的化学形态分布^[29]。张亚丽等^[38]研究结果表明：施用有机肥后，土壤有效态镉含量显著降低，降幅约为40%。污染土壤中镉的形态与腐殖质较高性能的络合作用有关，腐殖质含量高，强力的吸附和络合作用造成Cd可交换态降低，而其他形态含量增加。因此，对重金属污染土壤进行治理和修复时可利用土壤有机质含量对重金属形态的影响。

从本实验结果来看，成熟期间作续断菊转运系数大于单作，间作有效转运系数大于单作，说明间作后续断菊的转运能力强于单作，对Cd累积能力增强。卫泽斌等^[39]研究表明，间作方式可以提高植物对重金属的提取效率。成熟期间作蚕豆根、叶、豆荚 Cd 质量分数显著小于单作蚕豆，说明间作降低了根、叶、豆荚对重金属Cd的转运，使间作蚕豆籽粒Cd 质量分数显著小于单作。玉米||续断菊间作成熟期，单作玉米根、茎、叶、籽粒 Cd 质量分数显著大于间作玉米，单作续断菊根部、地上部 Cd 质量分数差异显著小于间作续断菊^[40]。将富集植物和农作物间作用于污染土壤的植物修复，富集植物能抑制农作物对重金属的吸收量，同时能提高富集植物对重金属的提取效率。蚕豆与续断菊在间作体系下，既能增强富集植物续断菊对 Cd的吸收，又能降低农作物蚕豆对Cd的吸收，是一种“双赢”模式。

（1）间作模式下，土壤pH值下降0.11个单位，土壤有机质比单作增加12.64%~20.13%，碱解氮含量显著增加139.87%，速效磷含量显著下降7%，速效钾含量无显著变化。

（2）间作Cd可交换态含量比单作显著下降，其余形态没有差异性。

（3）间作单株蚕豆生物量相比单作降低了 24.77%，间作单株续断菊生物量相比单作增加15.29%。

（4）单作蚕豆根、叶、豆荚与籽粒 Cd 质量分数显著大于间作蚕豆，间作续断菊地上部Cd 质量分数显著大于单作，根部无显著性差异。总之，间作后增强续断菊对 Cd的吸收，降低蚕豆对Cd的吸收。