近年来，砷污染已经成为人们广泛关注的环境污染问题之一。我国土壤砷的背景值达11.2 mg·kg^-1，约为世界平均值的2倍，表层土壤中砷含量在0.01~626mg·kg^-1之间^[1]。据Allaway^[2]估计，进入土壤中的As如果仅仅通过植物吸收需要100 a才能使其在土壤中消失，故As一旦进入土壤，治理难度大且花费时间长。目前我国农田土壤As 污染的情况日趋严重，Ro-driguez-lado 等^[3]研究成果显示，我国有将近2000 万人生活在土壤As污染的高风险区，我国土壤溶液中砷浓度超过10 μg·L^-1的地区总面积达58万km²。砷可通过食物链进入人体，对人类健康产生巨大威胁^[4]。广西是有色金属之乡，开采冶炼金属矿物给矿区周围农田带来严重的砷污染^[5]，大量含砷矿渣的随意放置加快了砷的溶解及释放到土壤中的速度^[6]。如何在保证这些区域农产品安全及持续生产的同时，进行污染土壤的修复已成为重要的研究课题。

植物修复具有原位修复的特点，对土壤的影响较小，且治理效果永久^[7]。超富集植物对重金属等污染物的富集能力很强，吸收量较大，因此可用于对污染土壤中重金属进行吸收、固定、降解^[8]。蜈蚣草是一种典型的砷超富集植物^[9]，它不仅对砷有很强的忍耐和富集能力，同时生长快，生物量大、适应性强，已经广泛应用于砷污染土壤的修复中^[10]。但利用超富集植物修复污染土壤耗时较长，使农业生产中断，农田资源被浪费，不符合我国的国情。吴启堂等^[11]提出将重金属超富集植物与低积累作物玉米套作，超富集植物提取重金属的效率比单种下明显提高，同时能够生产出符合卫生标准的玉米产品。蒋成爱等^[12]研究表明，东南景天分别与玉米和大豆间作，可以显著提高东南景天对Cd、Pb、Zn 的吸收。谭建波等^[13]研究表明，续断菊与蚕豆间套作提高了续断菊对Cd 的吸收，降低了蚕豆对Cd的吸收。但是王激清等^[14]研究发现，在Cd 污染的石灰性土壤上印度芥菜间作油菜，促进了印度芥菜对Cd 的吸收，由于印度芥菜对养分的竞争能力较强且对土壤中难溶性Cd 有很强的活化作用，导致与之间作的油菜产量下降、体内Cd 含量显著增加。可见，植物间套作模式对污染土壤的修复以及农产品安全性应用方面的研究已得到广大研究人员的关注，超富集植物与作物间套作能否实现边生产边修复是目前农田土壤重金属污染修复的研究热点。

本文通过玉米和蜈蚣草套作，研究套作模式对玉米和蜈蚣草吸收积累As的效果；通过分析套作模式下土壤有效态As、根际土壤pH、植物吸收积累As 的变化，初步阐明套作影响植物吸收重金属的作用机理。旨在为农田污染土壤的修复以及作物的安全生产提供参考。

供试玉米品种为课题组筛选出的低积累玉米品种正大999，蜈蚣草为富集能力较强的云南生态型。供试土壤取自广西刁江流域某污染农田0~20cm 的表层土壤，经过室温风干、磨碎、混匀、过5 mm筛备用。土壤的基本理化性质为：pH 6.40，有机质24.76 g·kg^-1，全氮0.38 g·kg^-1，全磷1.22 g·kg^-1，全钾17.13 g·kg^-1，碱解氮122.0 mg·kg^-1，速效磷29.5 mg·kg^-1，速效钾116.8 mg·kg^-1，总砷550.5 mg·kg^-1。

采用土培实验，蜈蚣草-玉米套作实验设置3 个处理，每个处理5次重复。

开放性套作：两种植物根系不隔离，两根系完全交叉，水分和养分及可移动的重金属可以自由流通，种间地下部竞争和促进作用共存。

限制性套作：两种植物根系采用400 目尼龙纱网隔离，两根系不交叉，但水分和养分及可移动的重金属可以自由流通，即重金属、养分移动的竞争作用仍然存在，同时种间促进作用也可能发生。

单作：根系用塑料薄膜隔离，由于塑料薄膜不容许作物根系和养分以及水分穿过，作物种间的促进作用和养分竞争作用均被消除。

实验盆栽所用塑料桶高35.0 cm、直径30.0 cm，装土15.0 kg。各处理氮、磷、钾施用量相同，N 为240mg·kg^-1，P₂O₅ 为120 mg·kg^-1，K₂O 为240 mg·kg^-1，所用肥料为尿素、氯化钾、磷酸二氢钾（经测定，氯化钾和磷酸二氢钾中砷含量低于仪器检出限，尿素中砷含量为0.06 mg·kg^-1，和土壤砷含量550.5 mg·kg^-1相比可忽略不计）。于2015 年3 月29 日将土壤和肥料混合均匀后装盆，反复施水至土壤田间最大持水量。平衡一周后每盆种植一株蜈蚣草（因为蜈蚣草苗期生长速度较为缓慢，所以提前种植一段时间蜈蚣草使其稳定），于2015 年5 月11 日，将玉米种子浸泡12 h后播入每盆相应位置。每盆播2 粒种子，待长出幼苗后每盆留1 株。于成熟期（2015 年8月24 日）采集植物样品，分析测定。

土壤基本理化性状测定参照鲍士旦^[15]的方法：土壤pH 值采用1:2.5 的土水比，用酸度计（梅特勒-托利多SevevMulti 型pH 计）进行测定；土壤有机质采用H₂SO₄-K₂CrO₇外加热法测定；土壤全氮采用半微量开氏法测定；全磷采用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定；全钾采用NaOH熔融-火焰光度法测定；土壤速效磷采用NaHCO₃^-钼锑抗比色法测定；土壤速效钾采用NH₄OAc-火焰光度法测定；土壤As 总量采用王水消解-氢化物发生原子荧光光谱法（HG-AFS，AF-610A 原子荧光光谱仪，北京瑞利仪器公司）测定；植株砷含量使用微波消解仪（MARS 6，美国CEM 公司），浓硝酸（优级纯）消解，并用氢化物发生原子荧光光谱法测定；土壤有效态砷采用0.5 mol·L^-1 NaHCO₃浸提，用氢化物发生原子荧光光谱法测定。采用国家标准物质（土壤：GBW-07405，植物：GBW-07603）进行土壤和植物砷分析的质量控制，AF-610A 原子荧光光谱仪As 检出限为0.08 ng·mL^-1，精密度（RSD）为2%，线性范围>103，实验中As 回收率为90%~97%。分析中所用试剂均为优级纯。

植物重金属富集系数是植物中的As含量与土壤中As含量的比值，富集系数可以大致反映出植物在相同As浓度的土壤中吸收As的能力^[9]。转运系数等于植物地上部重金属浓度与根部重金属浓度的比值，有效转运系数等于植物地上部的重金属浓度和生物量乘积与其根部的重金属含量和生物量乘积的比值，用来评价植物将重金属从根部向地上部的运输和富集能力^[16]。

实验数据的处理以及图表等由Microsoft Excel2013 完成，用SPSS17.0 统计软件进行数据统计，采用Duncan 检验法进行多重比较检验处理间的差异显著性。

两种套作模式未对玉米的生长产生显著影响。由图 1A 可知，开放性套作、限制性套作和单作的玉米地上部干重分别为20.28、19.67、19.64 g。

图 1 不同种植方式玉米和蜈蚣草生物量（干重）的影响 Figure 1 Effect of different planting pattern on maize and P.vittatabiomass（Dry weight） 图中不同小写字母表示各处理间差异显著（P<0.05）。下同 Different lowercase letters indicate significant differences（P<0.05）among different treatment. The same below

图选项

两种套作模式显著提高了蜈蚣草地上部的生物量。由图 1B可知，与单作相比，开放性套作和限制性套作的蜈蚣草地上部生物量分别提高了55.7%和43.9%。三个处理间蜈蚣草根部生物量差异不显著。与单作相比，开放性套作和限制性套作均有利于蜈蚣草的生长，提高了蜈蚣草的生物量。

不同种植模式对玉米As含量的影响不同。从表 1看出，三种处理间除根无显著差异外，茎、叶和籽粒中均呈单作>限制性套作抑开放性套作。三种种植模式下玉米根中砷含量差异不显著。和单作相比，限制性套作和开放性套作的玉米茎、叶、籽粒中As含量显著降低：茎中As 含量分别降低了31.9%和35.2%；叶片中As含量分别降低了18.6%和21.9%；籽粒中As含量分别降低了12.1%和24.2%。这表明两种套作模式可以降低玉米各部位As含量。

表 1 不同种植方式下玉米各部位As含量（mg·kg^-1） Table 1 As concentration of each part of the maize under different planting pattern（mg·kg^-1）

表选项

不同种植模式对蜈蚣草体内As 含量的影响不同。从表 2可以看出，和单作相比，限制性套作对蜈蚣草根部砷含量影响不明显，但显著提高蜈蚣草地上部砷含量，提高了11.3%；开放性套作显著提高了蜈蚣草根和地上部砷含量，分别提高了32.4%和17.9%。这表明开放性套作可以显著提高蜈蚣草As含量。

表 2 不同种植方式下蜈蚣草各部位As含量（mg·kg^-1） Table 2 As concentration of each part of the P.vittata under different planting pattern（mg·kg^-1）

表选项

三种种植方式下玉米、蜈蚣草的根际土壤pH 值均高于非根际土壤（表 3）。开放性套作显著提高了蜈蚣草根际土壤pH 值，限制性套作对蜈蚣草根际土壤pH影响不显著。两种种植方式下，玉米根际土壤pH值均无显著差异。

表 3 不同种植方式对土壤pH的影响 Table 3 Effect of different planting pattern on soil pH

表选项

不同种植方式下蜈蚣草、玉米根际土壤有效态As含量不同。由图 2 可以看出，开放性套作蜈蚣草根际土壤有效态As 含量显著高于单作，提高了15.4%，限制性套作对蜈蚣草根际土壤有效态As含量影响不明显。而开放性套作和限制性套作下，玉米根际土壤有效态As 含量显著低于单作，分别比单作降低了9.3%、9.1%。表明两种套作模式可以降低玉米根际土壤中有效态As含量，提高蜈蚣草根际土壤中有效态As含量。

图 2 土壤有效态As含量 Figure 2 The concentration of available As in soil

图选项

不同种植模式下玉米叶和茎的富集系数、转运系数和有效转运系数均小于1。表 4为不同种植模式下玉米地上部的积累特征。由表 4 可知，与单作相比，限制性套作和开放性套作玉米叶As的富集系数分别降低了20.0%、30.0%，转运系数分别降低24.1%、30.5%，有效转运系数分别降低26.5%、20.2%；玉米茎As 的富集系数均降低了33.3%，转运系数分别降低36.0%、42.5%，有效转运系数分别降低16.3%、27.2%。这表明两种套作模式下玉米的As 累积系数均低于单作。

表 4 不同种植方式对玉米累积特征的影响 Table 4 Effect of different planting pattern on maize characteristics of accumulation

表选项

不同种植方式下蜈蚣草地上部的富集系数、转运系数和有效转运系数均大于1。表 5 为不同种植模式下蜈蚣草地上部的积累特征。由表 5 可知，与单作相比，限制性套作和开放性套作蜈蚣草地上部As 富集系数分别提高了11.3%、17.9%，有效转运系数分别提高97.8%、83.6%。限制性套作下蜈蚣草地上部的转运系数比单作高26.7%，而开放性套作与单作差异很小。这表明限制性套作和开放性套作模式下的蜈蚣草地上部富集系数高于单作。

表 5 不同种植方式对蜈蚣草累积特征的影响 Table 5 Effect of different planting pattern on P.vittata characteristics of accumulation

表选项

生物量是反映植物生长状况和土壤环境变化的重要指标之一。本研究中，三种种植模式对玉米的生物量总体影响不大，但开放性套作和限制性套作下蜈蚣草长势较好，根系生物量高于单作，根系的旺盛生长有利于促进蜈蚣草吸收土壤中的营养元素，并且套作时玉米和蜈蚣草距离较近，蜈蚣草是喜阴植物，玉米的生长可为蜈蚣草提供荫蔽作用，更好地促进蜈蚣草的生长。开放性套作和限制性套作均可有效降低玉米As含量并且显著提高蜈蚣草As含量，其中开放性套作的效果最佳。已有的研究表明，植物套作可以提高土壤中微生物的丰度和活性以及土壤酶活性，还能通过对植物根系分泌物、土壤微生物、土壤酶活的影响，改变土壤的pH值，影响重金属的生物有效性^[17-18]。两种作物根系分泌物的种类、数量、组成不同，在限制性套作和开放性套作模式下，一种植物的根系分泌物可以在土壤中扩散到另一种植物根际，改变根际土壤中重金属的有效性，从而影响植物对重金属的吸收^[18]。在本实验中，开放性套作模式下玉米和蜈蚣草的根系相互接触，部分根系处于一个共同的根际环境中，蜈蚣草具有强吸收并富集砷的能力，与玉米产生强烈的竞争作用，并且蜈蚣草根系的旺盛生长更利于吸收土壤中的砷，使影响效果更为明显。这可能是开放性套作模式下降低玉米中As 含量及提高蜈蚣草中As 含量的机制之一。

大量研究结果表明，土壤中As 的形态与土壤pH值有密切的关系，玉米与蜈蚣草套作模式下，根际土壤pH 的改变影响了As 的形态，进而影响了As 在土壤中的生物有效性。陈静等^[19]研究发现，在红壤中，pH值是影响土壤对As吸附、解吸的重要因素，pH值的升高能够降低As的吸附量，且吸附态As的解吸量随着pH 的升高而增加。在酸性环境中有利于As 的吸附，在碱性环境中有利于As的解吸。陈同斌等^[20]研究发现，随着pH 值的升高，水稻各部位含砷量增加，而pH 降低则可以减少水稻对砷的吸收。在土壤中，As主要以阴离子的形式存在，pH 降低时，含砷阴离子可以迅速地被带有正电荷的氢氧化铁等吸附，pH 值升高时，吸附剂表面负电荷增多，从而促进含砷阴离子向外溶解，导致土壤吸附As的能力降低^[21-22]。本研究结果表明，玉米与蜈蚣草开放性套作显著提高了蜈蚣草根际土壤的pH 和有效态As 含量，pH 值的升高导致土壤表面负电荷增多，从而降低了土壤对As 的亲和力^[23]，促进了含砷阴离子向外溶解，提高了土壤中As的生物有效性，增加了蜈蚣草对As 的吸收。开放性套作显著降低玉米根际土中的有效态As 含量，降低了土壤中As 的生物有效性，从而减少了玉米对As的吸收。

富集系数可以大致反映出植物在相同As浓度的土壤中吸收As的能力。在本研究中发现玉米各部位对As的富集系数均小于1，玉米套作蜈蚣草时，玉米叶片与茎的富集系数均小于单作，且玉米叶片的As富集系数小于玉米茎，说明套作可以降低玉米对As的吸收能力，并使更少量的As向地上部运输。而蜈蚣草对As 的富集系数大于2，与陈同斌等^[9]的研究结果相符合，验证了蜈蚣草对As的超富集能力。开放性套作和限制性套作下蜈蚣草对As的富集系数均大于单作，说明两种套作模式可提高蜈蚣草对As的吸收能力，使更多的As向地上部运输。转运系数和有效转运系数用来评价植物将重金属从根部向地上部的运输和富集能力^[16]。套作降低了玉米将As 向地上部转运的能力，而提高了蜈蚣草将As向地上部转运的能力。

（1）玉米套作蜈蚣草未对玉米产量产生显著影响，但提高了蜈蚣草生物量。

（2）玉米和蜈蚣草开放性套作显著提高了蜈蚣草根际土有效态砷含量，促进了蜈蚣草对砷的吸收累积，同时降低了玉米根际土有效态砷含量，降低了玉米对砷的吸收累积。

（3）在本研究条件下，玉米套作蜈蚣草可以较好地应用于砷污染农田土壤。该种植方式可以在保证农产品安全生产的同时，为修复重金属污染农田土壤提供参考依据，具有实际的指导意义。