摘要：近日，中国科学院地理科学与资源研究所阎秀兰团队探讨了一种可持续的农业实践，旨在通过间作种植白菜来治理镉污染土壤。具体而言，它研究了不同的高吸收植物品种和不同种植带宽度对清洁土壤的过程的影响，同时保持或提高作物的生产力。研究可能着重于使用能够吸收和积累土壤中镉的
成果简介
近日，中国科学院地理科学与资源研究所阎秀兰团队探讨了一种可持续的农业实践，旨在通过间作种植白菜来治理镉污染土壤。具体而言，它研究了不同的高吸收植物品种和不同种植带宽度对清洁土壤的过程的影响，同时保持或提高作物的生产力。研究可能着重于使用能够吸收和积累土壤中镉的植物，通过这种方式减少镉污染并改善土壤健康，同时评估在这种条件下种植的白菜的产量和质量，研究成果发表在期刊Chemosphere。
利用受 Cd 污染的土壤进行蔬菜作物生产，可以缓解食品危机并改善土壤环境的韧性。间作是一种有效的安全生产技术，能够减少污染土壤的风险。本研究通过田间规模实验，探讨了植物种类和种植模式对中国甘蓝在 Cd 污染土壤中的生长和 Cd 吸收的影响。在所有设计的间作系统中，一行中国甘蓝与一行黑枸杞（Solanum nigrum L.）间作的种植模式表现最佳（中国甘蓝的高产（2.78 kg/m²）和低 Cd 吸收（0.02 mg/kg））。结合对土壤理化特性（土壤养分特征和微生物群落结构）、生物量产量和质量、以及土壤微生物学特性的深入联合分析，我们阐明了筛选超积累型植物和控制种植带宽度这两项措施在决定中国甘蓝地上和地下部分生长中的重要作用，从而直接调节了间作技术的应用效果。不同间作系统的相互作用机制（种间关系和种内关系）被总结，包括地上部分资源（空间、光照等）的更好利用，地下部分营养的生物有效性、土壤细菌的驱动以及缓解土壤 Cd 压力等。我们的研究结果表明，通过优化种植模式和配置布局，间作的效果和可行性可以得到提高，为保障食品安全和农业土壤修复提供了理论参考和实践依据。
前言
土壤污染是对人类健康和安全生产的严重威胁，潜在毒性元素（PTE，如 Cd、Pb、Cu、As 等无机金属元素）在土壤中的存在尤为重要。在中国，PTE污染已影响近2000万公顷耕地（Yang et al., 2022）。与此同时，镉（Cd）因其强烈的迁移性、持续的毒性、环境中的普遍存在以及易于在食物链中积累，被认为是最为集中和危险的污染物（Ran et al., 2020）。土壤中过量的镉能严重损害作物生长，例如降低光合作用效率和抑制抗氧化酶活性（Cao et al., 2020）。随着各种修复技术的不断出现（如土壤PTE的原位固化、农业措施的调控等）以及现有技术的不断进化（如植物修复技术）（Chauhan et al., 2023），间作技术由于其盈利性和环保性，已被提出作为结合植物提取和农业生产的一种技术，通过科学种植超积累植物和低吸收作物，同时平衡土壤改良和安全生产（Tang et al., 2020a）。因此，间作技术在可持续农业工程中具有良好的发展潜力（Bian et al., 2021）。
间作指的是在共生期内种植两种或更多植物，以增加土壤生物多样性并调节种间关系，以提高作物的质量和产量（Gao et al., 2019）。间作植物类型、带宽设置、播种/收获时间、施肥量和田间水分管理等因素都可能影响作物生长及其PTE的积累能力（Li et al., 2020）。通过间作的PTE耐性机制主要与不同植物种类根系分泌物和土壤酶的数量和功能相关，这导致了种间和种内在根际土壤环境中的竞争（Lu et al., 2017）。例如，Bian et al.（2021）发现，毛竹和铅锌植物（Sedum plumbizincicola）间作有助于通过改变植物根际土壤的理化参数促进Cd、Cu、Zn的去除。Gitari et al.（2020）提出，土豆与豆科植物的间作有助于提高作物产量。当物种的资源利用和生态位在空间或时间上不同，它们将产生互补效应，提高土壤养分、光照和水分资源的利用效率，从而促进植物生长（Li et al., 2021；Lu et al., 2017）。通过人工协调物种配置和组合，可以进一步加强每种植物在空间和营养生态位上的互补性（Guo et al., 2021）。
以往关于间作的研究主要集中在粮食作物上，如玉米（Gou et al., 2016；Qin et al., 2021）、小麦（Granzow et al., 2017；Wang et al., 2020b）、水稻（Wang et al., 2020a；Xu et al., 2021）和豆类（Etemadi et al., 2019；Gitari et al., 2020）。然而，关于通过间作减少蔬菜镉（Cd）压力的研究较少（Zhou et al., 2016）。由于蔬菜的生长机制与粮食作物显著不同，蔬菜作物的PTE积累能力通常高于粮食作物，这意味着叶类蔬菜对PTE更加敏感和脆弱（Rai et al., 2019；Tang et al., 2019）。特别是，中国甘蓝是一种广泛消费的叶菜，具有较高的镉吸收率（Ma et al., 2020；Tang et al., 2020a）。文献中已有报道讨论了间作中蔬菜镉积累的变化，但环境因素对间作效果的影响尚未明确（Cai et al., 2011；Wan et al., 2019）。因此，迫切需要扩展对间作减少叶菜类蔬菜镉吸收机制的理解。
选择适当的植物物种和设计最佳的种植带宽度是控制间作系统中植物生长和PTE积累的最重要因素（Feng et al., 2022）。间作带宽度会显著影响植物的空间和光照利用，从而改变间作的土地利用效率和土壤镉的去除率（Gou et al., 2016；van Oort et al., 2020）。值得注意的是，种间关系不仅存在于空间尺度上，也存在于水平尺度上，特别是在带间交界处（Feng et al., 2022；Wang et al., 2022）。此外，根际是土壤与植物之间最活跃的“反应区”。通过调查根际土壤的特性，可以更详细地了解植物根系对镉压力的生理响应。例如，根际土壤的养分生物有效性常常被用来解释微生物活性和密度的变化，而微生物群落可以缓解宿主植物的非生物胁迫，并改变其对PTE的抗性（Granzow et al., 2017；Yanez-Mendizábal and Falconí, 2018）。
在本研究中，我们建立了一个镉超积累植物（黑枸杞和苋菜）与中国甘蓝的间作系统，考虑了不同的种植带宽度，主要目的是探索在间作过程中根际土壤中镉和必需养分的相互促进机制。通过监测土壤/作物镉浓度、植物根系特征、土壤养分和细菌群落的变化，我们能够系统地揭示植物多样性如何通过地上和地下的种间促进作用影响生态系统功能。此外，我们的研究成果还可以促进间作理论在现代农业生产系统中的应用。
结果
3.1. 作物生长与镉在植物各部位的吸收
与苋菜间作的中国甘蓝，其生物量明显高于与黑枸杞间作的情况。如图2a所示，在SC1处理组中，中国甘蓝的地上生物量为2.78 kg/m²，地下生物量为0.12 kg/m²，均高于GC1处理组中相应部位的生物量。同样，在SC3处理组中，中国甘蓝的地上和地下生物量也高于GC3组。苋菜的生物量在所有处理组中均显著高于黑枸杞（如图2b和2c所示）。特别是在GC1组中，苋菜的生物量最高，其中根、茎、叶和种子的生物量分别为0.03 kg/m²、0.10 kg/m²、0.05 kg/m²和0.04 kg/m²。此外，GC1组中苋菜的生物量略高于CKG组。
在镉含量方面，SC1组中中国甘蓝的镉含量是所有处理组中最低的（如图2d所示），地上部分为0.02 mg/kg，地下部分为0.05 mg/kg。当中国甘蓝与苋菜间作时，GC3组中中国甘蓝地上部分的镉含量比单作（CKC）低39%，但地下部分的镉含量比单作高15.50%。GC1组中国甘蓝的镉含量高于CKC组。对于镉超积累植物黑枸杞来说，其镉含量在各部位显著高于苋菜（如图2e和2f所示）。具体来说，黑枸杞的镉含量在0.25至1.21 mg/kg之间，而苋菜的镉含量则在0.005至0.15 mg/kg之间。上述数据表明，黑枸杞具有相对较高的镉积累能力。在SC1和SC3处理组中，黑枸杞的根、茎、叶部分的镉浓度均高于CKS组。至于苋菜，除GC1组叶片的镉浓度略低于CKG组外，其他部位的镉浓度均有所增加。
3.2. 根际土壤中的总镉和有效镉
所有处理组中，中国甘蓝根际土壤中的总镉含量均低于CKC组，其中SC1组的总镉含量最低，仅为0.49 mg/kg（如图3a所示）。与此同时，黑枸杞根际土壤中的总镉含量分别为SC1组0.96 mg/kg和SC3组0.84 mg/kg，均低于苋菜（GC1组为0.96 mg/kg，GC3组为0.84 mg/kg）。如图3b所示，所有植物的根际土壤中有效镉的含量在间作组中均高于单作组，尤其是在黑枸杞间作时。当中国甘蓝与黑枸杞间作时，二者的有效镉含量相对较高（SC3组为0.29 mg/kg）。在GC1和GC3处理组中，苋菜的有效镉含量比CKG组分别高出30.41%和34.38%。
3.3. BCA、LER和GM的计算结果
图3c显示了黑枸杞的BCA值明显高于苋菜。CKS、SC1和SC3的BCA值分别为0.38、0.41和0.34 mg/m²，高于CKG、GC1和GC3。这表明黑枸杞在镉提取方面的效果优于苋菜。SC1组黑枸杞的BCA值最高（0.41 mg/m²），而该处理组中国甘蓝的BCA值较低（0.22 mg/m²）。图3d展示了四种处理（SC1、SC3、GC1和GC3）的LER值及比较结果。四个处理组的LER值均大于1.0，表明间作系统在植物产量上优于单作系统。同时，中国甘蓝与黑枸杞间作的LER值高于中国甘蓝与苋菜间作，SC1的LER值最大，达到1.86。
表2展示了不同处理下1公顷农田的经济利润估算。中国甘蓝在间作系统中的销售额通过将产量与当地平均销售价格相乘，再扣除种植过程中的主要投入成本（如灌溉等）来计算（Sogoba等，2020）。总体来说，中国甘蓝与黑枸杞间作的GM值高于与苋菜间作的GM值。SC1组的GM达到12228.38元/公顷，为最高值。然而，GC1组的GM值最低，仅为133.73元/公顷。基于我们的结果，我们提出SC1是一个更有利于土壤镉提取和中国甘蓝农业生产的间作系统。
3.4. 间作对土壤特性的变化
图4显示，中国甘蓝间作组的根际土壤pH值相对较低，其中GC1系统的pH值最低。黑枸杞根际土壤的pH值在间作处理组中较低（SC1组为7.95，SC3组为7.90），低于CKS组（7.97）。然而，苋菜根际土壤的pH值在间作系统中较高，表现出与黑枸杞相反的趋势。与CKC组相比，间作中国甘蓝与黑枸杞（SC1和SC3）系统的有机质含量（SOM）较低，而与苋菜（GC1和GC3）间作时的有机质含量较高。
土壤肥力（AN、AP、AK）在所有处理组中的变化也被监测并绘制如图4所示。大多数处理组的AN含量低于单作系统。中国甘蓝和黑枸杞的根际土壤AN含量在SC3组分别为118.80 mg/kg和113.37 mg/kg，而CKS组为140.53 mg/kg。在GC3组，中国甘蓝的AP含量达到16.90 mg/kg（CKC组为12.60 mg/kg），而苋菜的AP含量为13.47 mg/kg（CKG组为11.28 mg/kg）。尽管如此，与单作系统（CKC、CKS和CKG）相比，所有间作系统的AP含量普遍较低。黑枸杞在SC1组的AK含量为365.00 mg/kg，高于CKS组。然而，中国甘蓝的AK含量在各个处理组之间没有显著差异。
3.5. 不同间作系统下的微生物响应
条带宽度在间作过程中对土壤细菌多样性起着至关重要的作用。在SC1系统中，白菜和Solanum nigrum L.的Chao1指数高于SC3系统。然而，对于白菜和藜麦（grain amaranth），观察到了相反的趋势（见表3）。在“单行”系统中，细菌丰度高于“三行”系统。通过比较Shannon指数，我们发现“单行”系统中植物根际土壤的细菌多样性也高于“三行”系统。
在不同间作系统中根际土壤细菌群落分布的影响被在门类和属级别上进行了分析（见图5a和5b）。在“单行”系统中，Proteobacteria（变形菌门）是比例最高的细菌群落，占27.54%-39.04%。相比之下，Acidobacteria（酸杆菌门）是“三行”系统中每个样本中占主导地位的细菌群落，占29.97%-38.49%。此外，Actinobacteria（放线菌门）的比例在“单行”系统中显著高于“三行”系统，而Bacteroidetes（拟杆菌门）的比例则呈相反的趋势。
图5b中可视化的前五大优势属包括RB41、Sphingomonas和Gemmatimonadaceae，它们是不同间作系统中占主导地位的细菌群体。这些结果进一步确认，土壤细菌的物种组成主要受条带宽度而非超富集植物类型的影响。
主成分分析（PCA）显示，“单行”系统和“三行”系统之间的细菌群落组成存在显著差异（见图5c）。SC3和GC3样本在PC1的正方向上聚集，而SC1和GC1样本则位于负方向上。这表明植物根际土壤的细菌群落结构与间作系统中的行数密切相关。此外，"三行"系统中根际土壤样本的采样点较为接近，因此其细菌群落的相似性较高，而与“单行”系统相比，呈现出相对较低的多样性。这表明，间作系统中根际细菌多样性可能与植物多样性成正比。
3.6. 不同环境因素的相关性分析
为了更清晰地展示根际土壤中不同环境因素之间的相关性，我们绘制了SC1系统中土壤pH、土壤有机质（SOM）、土壤养分（氮、磷、钾）与细菌多样性（Chao1和Shannon指数）之间关系的网络图（见图6）。结果显示，土壤pH与有效Cd含量和Shannon指数呈负相关，而与钾含量（AK）呈正相关。土壤有机质（SOM）与细菌多样性指数均呈正相关。磷含量（AP）则与有效Cd和Chao1指数呈负相关。
以上结果表明，土壤中各环境因素之间存在着紧密且复杂的相互作用，这些相互作用可能对植物生长以及间作系统中土壤Cd的迁移与转化产生一系列链式反应。
结论
首先，间作技术具有“边生产边修复”的优势，可以在中度和轻度Cd污染的农田土壤中推广应用。其次，研究表明，一行大白菜与一行野生黑枸杞（SC1）间作是本研究中最有利的间作系统，能够有效降低大白菜地上部分的Cd浓度（0.02 mg/kg），并同时提高产量（2.78 kg/m²）。第三，通过筛选超富集型植物和控制种植带宽，可以调节间作技术在农田土壤中修复有害元素的效率。
来源：阿飞记事