间作植物的协同效应 Melia azedarach、Pennisetum purpureum 和 Pteris vittata 在植物修复砷、镉和铅共污染土壤中的应用：根际过程的启示

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Synergistic Effects of Intercropping Melia azedarach, Pennisetum purpureum, and Pteris vittata on Phytoremediation of Arsenic, Cadmium, and Lead Co-contaminated Soils: Insights from Rhizosphere Processes

本研究通过盆栽试验，评估了三种间作系统（Morus azedarach+Phytostigma purpureum，Morus azedarach+Phytostigma vittata，三者组合）对As、Cd、Pb污染土壤的修复效果。结果表明，间作显著提高紫花苜蓿总生物量（+128%）和土当归根毛生物量（+64.9%），并增强其shoot Cd（+87.5%）和root Pb（+217%）积累，同时降低土壤溶液中As、Cd、Pb含量。根际低分子量有机酸及微生物群落结构变化是间作协同增效的关键机制，揭示了间作系统在重金属多介质迁移中的调控作用，为矿区土壤生态修复提供了新策略。

　　

冯瑞清|沈敏|肖希媛|王晓辉|RA ADE Hossain|杨爱萍|胡家庆

中南大学冶金与环境学院，中国长沙，410083

摘要

树草间作已成为修复受多种重金属污染土壤的有效方法。本研究通过盆栽实验探讨了不同间作系统（包括MPp（M. azedarach + P. purpureum）、MPv（M. azedarach + P. vittata）和MPvPp（M. azedarach + P. purpureum + P. vittata）对植物生长、砷（As）/镉（Cd）/铅（Pb）积累以及根际低分子量有机酸和微生物群落的影响。与单作相比，MPvPp处理组中P. purpureum的总生物量和P. vittata的根状茎生物量分别增加了128%和64.9%；P. purpureum的地上部Cd积累和根部Pb积累分别增加了87.5%和217%（P < 0.05）。间作处理显著降低了土壤溶液中的砷、镉和铅含量。MPvPp处理组中P. vittata根际的乳酸、酒石酸和草酸含量以及Proteobacteria、Gemmatimonadota和Dongia的相对丰度显著高于单作组。酒石酸和草酸含量、砷和铅含量以及植物中的砷积累与Chloroflexi和Acidobacteria的相对丰度呈正相关。间作增加了根系分泌物并改变了根际细菌群落，从而促进了植物生长和重金属积累。这些结果表明，这三种植物物种的间作在修复同时受砷、镉和铅污染的土壤方面具有巨大潜力。

引言

人类活动导致的土壤重金属污染已成为严重的环境问题。有色金属采矿和冶炼区周围的土壤中积累了高浓度的重金属[1]、[2]。根据对中国1443个工业和农业场所的全国性文献检索，砷、铅和镉被确定为优先控制污染物[3]。根据2014年中国全国土壤污染调查，中国约有7.0%、2.7%和1.5%的土地分别受到镉、砷和铅的污染[4]。常德、衡阳和郴州市冶炼区土壤中的砷、铅和镉平均含量分别是湖南省背景值的20倍、70倍和155倍[5]、[6]。受污染的土壤对生态系统、地表水和地下水乃至人类健康构成威胁[7]。此外，有色金属采矿和冶炼区周围的土壤通常缺乏养分。因此，需要开发有效的策略来修复同时受砷、镉和铅污染的土壤。

由于植物修复具有原位处理能力、成本效益高、环境友好性和生态恢复潜力，已被广泛用于重金属污染土壤的修复[8]。然而，目前尚未发现能够同时积累砷、镉和铅的单一植物物种，这限制了这种修复方法在同时受这些微量元素污染的土壤中的应用[9]。树草间作系统通常占据不同的生态位，可以在恢复生态系统功能的同时提高植物修复效率[10]。大量证据表明，木本和草本植物的间作比单作更能有效提取重金属[11]。例如，张等人[11]发现，柳树与三种草本植物（Lolium perenne、Iris lactea Pall和Bidens pilosa）间作时，其生物量、镉和铅的积累分别比单作增加了48.1%–95.6%、87.1%–95.1%和64.4%–94.2%。Pteris vittata与Morus alba和Broussonetia papyrifera间作时，其砷吸收量分别比单作提高了80.0%和64.2%（P < 0.05）[12]。当P. vittata与三种耐金属物种（A. donax、M. alba和B. papyrifera）间作时，其生物量分别增加了118%和50.9%（P < 0.05），四种植物共栽系统中的砷、镉、铅和锌的总积累量也高于单作[13]。这些研究表明，生长迅速、生物量高、耐金属且能积累重金属的植物物种是间作系统的理想候选者。然而，关于间作协同作用及其对土壤溶液中重金属迁移影响的根际机制信息较少，这阻碍了对修复稳定性的全面评估。

在间作系统中，根际微环境之间的相互作用是决定植物修复效率的关键机制。间作通过刺激根系分泌物、增强土壤酶活性和功能性微生物群落来改变根际环境[14]、[15]、[16]。含有低分子量有机酸（LMWOAs）的根系分泌物可以改变根际pH值和重金属的形态及迁移[17]。将S. alfredii与油菜间作显著增加了根系分泌物的LMWOAs含量，从而通过与镉的络合作用降低了镉的生物可利用性[18]。边等人[19]报告称，将毛竹与Sedum plumbizincicola间作可以增加细菌的α多样性，从而提高铜（Cu）、锌（Zn）和镉（Cd）的积累。尽管植物-微生物组间的相互作用已被广泛认可，但需要更深入地了解微生物相互作用和群落组装的机制，以进一步提高间作修复效率。此外，限制重金属向地表水和地下水的迁移对于生态恢复至关重要[20]。土壤溶液通常是重金属迁移和淋溶的主要介质[21]。根际采样器非常适合表征土壤溶液的空间异质性，因为它们对土壤的干扰较小，并能快速响应溶液化学成分的变化[22]。然而，关于间作修复采矿区土壤过程中土壤溶液中重金属含量的动态变化信息较少。

Pteris vittata是一种超积累砷的植物，对镉和铅具有很高的耐受性，已通过与其他木本或草本植物共栽成功应用于采矿土壤的植物修复[12]、[23]。Pennisetum purpureum是一种具有修复镉污染土壤潜力的能源作物[24]。Melia azedarach是一种高大的落叶速生野树，已被证明能有效修复铅污染的土壤[25]。尽管有关树草间作修复的研究较多，但大多数研究集中在两种植物间的间作上，而三种或更多不同植物间的共栽研究仍然较少[11]、[12]。目前，关于M. azedarach与P. purpureum和P. vittata在受多种重金属污染土壤中的修复潜力和机制的研究很少。因此，本研究进行了盆栽实验，探讨这三种植物在同时受砷、镉和铅污染的土壤中的间作效果。研究目的包括：（1）评估间作对植物生长、重金属积累和土壤溶液中重金属含量的影响；（2）研究根际LMWOAs和微生物群落对间作系统的响应；（3）探讨植物生长、重金属积累、根际土壤LMWOAs和微生物之间的关系。这些发现可能为采矿区多金属污染土壤的生态恢复提供策略。

实验部分

土壤采样和植物幼苗

从中国湖南省的一个有色金属采矿和冶炼区（112°04′60″E, 26°54′01″N）采集了表层土壤样本（0–20厘米）。样品风干后研磨，通过5毫米筛网过滤，并充分混合用于盆栽实验。部分土壤样本进一步研磨并通过2毫米筛网过滤以供分析。土壤的理化性质如下：pH值为6.63；有机质含量为65.7克/千克；有效氮（N）、磷（P）和钾（K）的含量如下：

植物生物量和生理响应

所有处理组中P. purpureum的根生物量没有明显差异，而间作增加了地上部生物量。MPp处理组中P. purpureum的叶生物量显著增加了72.3%；MPvPp处理组中P. purpureum的叶、茎和总生物量分别增加了152%、122%和128%（P < 0.05）（图1）。MPv和MPvPp处理组中P. vittata的根状茎生物量分别增加了40.5%：

结论

间作通过增加M. azedarach和P. purpureum叶片中的叶绿素（a和b）含量及SOD活性，有效提高了M. azedarach和P. purpureum的总生物量和P. vittata的根状茎生物量。MPp处理组中M. azedarach的地上部Cd含量以及MPv和MPvPp处理组中P. purpureum的根部Pb含量显著增加。此外，MPvPp处理组中P. purpureum的地上部Cd积累和根部Pb积累也有所增加：

CRediT作者贡献声明

冯瑞清：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件使用，方法学设计，实验实施，数据管理。沈敏：撰写 – 审稿与编辑，资金筹集。肖希媛：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金筹集，概念构思。王晓辉：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学设计，实验实施，数据管理。RA ADE Hossain：撰写 – 审稿与编辑。杨爱萍：撰写 – 审稿与编辑，方法学设计。胡家庆：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了湖南省地质局科技计划（HNGSTP202416 [xiang di fa [2024] No.10]）的财政支持。