施氮水平對(duì)小麥幼苗吸收和富集重金屬的影響

施嫻　劉艷紅　張德剛　何芳芳　王田濤

摘要：采用室內(nèi)盆栽試驗(yàn)，研究復(fù)合污染土壤不同施氮（尿素）水平N0（CK）：0 mgkg；N1：100 mgkg；N2：200 mgkg；N3：300 mgkg；N4：400 mgkg；N5：500 mgkg]處理對(duì)農(nóng)作物小麥幼苗生長(zhǎng)及吸收富集重金屬As、Cd和Pb的影響。結(jié)果表明，施氮肥有利于增加小麥幼苗的株高、葉寬和根長(zhǎng)，其中，以N2處理對(duì)株高和根長(zhǎng)最好，分別比CK增加229%和268%；葉寬以N1處理較好，增加166%，但與N2未達(dá)顯著差異；施氮肥能顯著增強(qiáng)小麥對(duì)重金屬的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，與CK相比不同施氮處理的小麥As和Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)增加11～33倍，其中As和Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)分別以N3和N4處理最高，Pb轉(zhuǎn)移系數(shù)除N1和N4外，其余施氮處理均低于CK；小麥中Cd和Pb富集系數(shù)分別比CK增加123%～315%和23～46倍，其中Cd和Pb的富集系數(shù)分別以N1和N3最高，As的富集系數(shù)除N1外，其余均低于CK。因此，針對(duì)復(fù)合污染農(nóng)田土壤，中、高水平尿素氮肥對(duì)強(qiáng)化小麥對(duì)重金屬的修復(fù)效果較好。

關(guān)鍵詞：小麥；氮肥；重金屬；吸收；富集

中圖分類(lèi)號(hào)： S512106文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）21-0063-03

收稿日期：2016-05-05

基金項(xiàng)目：云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃（編號(hào)：2013FD048）；紅河學(xué)院碩博項(xiàng)目（編號(hào)：XJIS0918）。

作者簡(jiǎn)介：施嫻（1984—），女，云南金平人，碩士，講師，研究方向?yàn)橹参餇I(yíng)養(yǎng)與環(huán)境。Tel：（0873）3698575；E-mail：shixiang841123@163com。

通信作者：劉艷紅，博士，教授，從事植物營(yíng)養(yǎng)與環(huán)境研究。Tel：（0873）3698974；E-mail：kidliu1968@126com。

隨著我國(guó)城市化和工業(yè)化發(fā)展，環(huán)境污染在不斷加重，土壤重金屬污染成為重大生態(tài)破壞和環(huán)境污染問(wèn)題之一1-2]，其中農(nóng)田土壤中砷（As）、鎘（Cd）和鉛（Pb）被列為我國(guó)土壤最典型的污染重金屬3]。國(guó)內(nèi)外有關(guān)重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)從物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)、農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)技術(shù)等都有一定研究，但大多數(shù)研究主要是針對(duì)單一重金屬污染，對(duì)農(nóng)田復(fù)合污染的研究較少4-6]。近年來(lái)，開(kāi)始有學(xué)者采用高生物量的農(nóng)作物來(lái)實(shí)現(xiàn)土壤重金屬污染的修復(fù)7-9]，發(fā)現(xiàn)具有高生物量的經(jīng)濟(jì)作物如小麥10-11]成為具有修復(fù)重金屬污染土壤潛力的植物，它具有生物量大、栽培面積廣等特點(diǎn)。同時(shí)，施肥是農(nóng)作物種植過(guò)程中的重要措施，不同形態(tài)、不同濃度化肥會(huì)造成土壤-植物根際環(huán)境狀況的改變，影響重金屬在土體中的化學(xué)行為，導(dǎo)致重金屬有效性的差異，從而影響植物對(duì)重金屬的吸收12-13]。本研究以小麥為試驗(yàn)材料，通過(guò)小麥田施用不同水平氮肥于復(fù)合污染土壤上，比較其對(duì)小麥吸收和富集重金屬的影響，探討小麥在重金屬?gòu)?fù)合污染土壤上的生長(zhǎng)狀況及重金屬在體內(nèi)的富集特征，以期為合理利用并修復(fù)重金屬?gòu)?fù)合污染土壤提供理論依據(jù)。

1材料與方法

11供試材料

供試小麥品種為云麥39號(hào)，由云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所提供。供試土壤為棕壤土，采自云南省個(gè)舊市大屯選礦廠周邊重金屬?gòu)?fù)合污染農(nóng)田，土壤樣品采集后經(jīng)風(fēng)干、磨碎、過(guò)5 mm篩，用于作物培養(yǎng)。土壤的基本理化性質(zhì)為全氮含量8 gkg，全磷含量5018 gkg，全鉀含量37 gkg，As含量318 gkg，Cd含量113 gkg，Pd含量858 gkg。

12材料處理

采用盆栽試驗(yàn)設(shè)計(jì)，施用氮肥為尿素，設(shè)0、100、200、300、400、500 mgkg等6個(gè)處理，對(duì)應(yīng)處理編號(hào)分別為 N0（CK）、N1、N2、N3、N4、N5，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。

盆栽試驗(yàn)采用白色塑料花盆（內(nèi)徑20 cm，高18 cm），每盆復(fù)合污染土壤（過(guò)5 mm篩）的用量為12 kg。基肥采用KH2PO4和KCl，用量分別為120、200 mgkg，添加預(yù)設(shè)用量的尿素，陳化平衡2周。陳化期滿(mǎn)將催芽后的小麥種子播入盆中，每盆播8粒種子，2周后間苗，留長(zhǎng)勢(shì)均勻的4株。在 20～30 ℃ 條件下培養(yǎng)，每隔3 d觀察小麥生長(zhǎng)情況，生長(zhǎng)期間澆水并經(jīng)常捉蟲(chóng)，防止蟲(chóng)害（不噴灑農(nóng)藥，以減少試驗(yàn)誤差）。植物生長(zhǎng)期從2014年12月4日至2015年1月6日，生長(zhǎng)期滿(mǎn)分別收獲小麥的地上部分和地下部分。

13測(cè)定方法

植株樣品用自來(lái)水洗干凈后用去離子水清洗2～3次，在105 ℃殺青30 min，70 ℃下烘干至恒質(zhì)量。土壤基本理化性質(zhì)參照文獻(xiàn)14]測(cè)定。土樣全量As、Cd、Pb的含量采用硝酸-硫酸-高氯酸消煮，ICP法測(cè)定；植株中中As、Cd、Pb的含量采用硝酸-高氯酸消煮，ICP法測(cè)定，有效態(tài)As采用NaH2PO4法提取15]，有效態(tài)Cd、Pb采用二乙三胺五醋酸-三乙醇胺法提取14]。

重金屬轉(zhuǎn)移系數(shù)（BTC）=地上部重金屬含量地下部重金屬含量；重金屬富集系數(shù)（BAC）=植物中重金屬含量土壤中重金屬含量。

14數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并繪圖，用SPSS 130統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析和相關(guān)性分析。

2結(jié)果與分析

21不同施氮水平對(duì)小麥長(zhǎng)勢(shì)的影響

從表1可知，在重金屬?gòu)?fù)合污染土壤中，施肥處理小麥株高、葉寬和根長(zhǎng)均明顯增加。株高和根長(zhǎng)以N2處理數(shù)值最大，分別較對(duì)照增加229%和268%。JP2]N5處理株高低于CK處理，這可能是因?yàn)槭┓柿窟^(guò)高抑制了小麥幼苗生長(zhǎng)。葉寬以N1處理較好，較CK增加166%，且達(dá)顯著差異?？梢?jiàn)，適量施氮有利于促進(jìn)復(fù)合重金屬污染土壤中小麥的生長(zhǎng)，而過(guò)量施氮對(duì)小麥生長(zhǎng)有抑制作用。

22施氮肥對(duì)小麥吸收As、Cd和Pb的影響endprint

對(duì)小麥地上部分和地下部分的重金屬含量測(cè)定結(jié)果（圖1）分析表明，不同施氮水平對(duì)小麥吸收As、Cd和Pb有明顯影響。JP2]與CK相比，施氮肥處理的小麥地上部分和地下部分As的含量分別增加218%～576% 和478%～102%。其中N3處理的小麥地上部分和地下部分As含量顯著高于CK，達(dá)到極顯著水平，與其他施氮處理相比達(dá)顯著水平。小麥地上部分和地下部分相比，各施氮處理地上部分As含量高于地下部分。

與對(duì)照相比各施肥處理小麥地上部分Cd含量增加108%～246%，其中以N4處理最高，顯著高于對(duì)照，但與其他處理差異不顯著。小麥地下部分Cd含量與CK相比呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，下降008%～172%，其中含量最少的是N3處理，處理間顯著不顯著。

與對(duì)照相比，施氮處理小麥地上部分和地下部分重金屬Pb含量分別增加19～30倍和10～50倍。其中，地上部以N4處理最高，顯著高于其他各處理；地下部分以N3處理最高，與對(duì)照和其他施氮處理差異達(dá)顯著水平。

總的來(lái)說(shuō)，中、高濃度施氮有利于小麥吸收重金屬As和Pb的含量，各處理地上部分重金屬As、Cd和Pb的含量高于地下部分。

FK（W11]TPSX1tif；S+3mm]

23不同施氮水平對(duì)土壤有效As、Cd和Pb含量的影響

從不同氮肥施用量處理土壤中As、Cd、Pb含量的測(cè)定結(jié)果（圖2）表明，施氮量對(duì)土壤中As、Cd、Pb含量有一定的影響，但處理間差異均未達(dá)到顯著水平。與CK相比，施氮處理土壤中As均有不同程度（60%～199%）增加，其中以N2處理最高，N4次之，但均未達(dá)到顯著差異。各施氮處理土壤Cd含量較對(duì)照均有一定程度減少，減少幅度在148%～152%之間，其中以N2處理減少最多。各施氮處理土壤中Pb含量，與CK相比均有一點(diǎn)程度減少，減少值在259%左右，其中以N4處理減少最多，顯著低于CK，但與其他處理未達(dá)顯著差異。

24不同施氮水平對(duì)小麥吸收As、Cd、Pb的影響

為了進(jìn)一步反映施氮量對(duì)小麥吸收As、Cd、Pb轉(zhuǎn)移能力的影響，計(jì)算出小麥的轉(zhuǎn)移系數(shù)（BTC）和富集系數(shù)（BAC）（表2）。各施肥處理的小麥As的轉(zhuǎn)移系數(shù)依次為N3>N5>N2>N4>N1>CK，分別是CK的33、27、21、19和11倍；Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)大小依次為N4>N3>N2=N1>N5>CK，分別是CK的144、135、125、125和120倍；Pb的轉(zhuǎn)移系數(shù)依次為N1>N4>CK>N5>N2>N3，N1和N4分別高于CK 831%和361%，而其他處理均低于CK。

FK（W10]TPSX2tif]

施氮量對(duì)小麥As、Cd、Pb地上部分富集系數(shù)（BAC）有明顯的影響，各施肥處理的小麥對(duì)As的富集系數(shù)（BAC）表現(xiàn)為N1>CK>N5>N2>N3=N4，在施肥處理中，N1較CK高13%，其他處理均低于CK；對(duì)Cd的富集系數(shù)（BAC）表現(xiàn)為N1>N2>N4>N5>N3>CK，分別比CK增加315%、308%、228%、166%和129%；對(duì)Pb的富集系數(shù)（BAC）表現(xiàn)為N3>N4>N2>N5>N1>CK，分別是CK的46、36、34、31和23倍。

25氮肥與小麥吸收As、Cd、Pd的相關(guān)性

關(guān)系。施氮量與地上部分含量和地下部分含量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，其中與地下部分達(dá)顯著相關(guān)（r=-0574），與重金屬轉(zhuǎn)移系數(shù)（BTC）和富集系數(shù)（BAC）均為正相關(guān)，因此施氮量也是影響小麥吸收重金屬的主要因素之一。除此之外，地上部分含量與地上部分含量和轉(zhuǎn)移系數(shù)（BTC）之間均達(dá)到極顯著正相關(guān)（r=0896，r=0806），地下部分與富集系數(shù)（BAC）為顯著正相關(guān)（r=0543）。

3結(jié)論與討論

施肥是保障農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、增收的重要農(nóng)業(yè)措施之一，施用氮肥能促進(jìn)小麥的生長(zhǎng)。申玉香等研究氮素水平對(duì)小麥幼苗形狀和營(yíng)養(yǎng)元素含量的影響，認(rèn)為施氮（N） 量控制在020～033 gkg，可以促進(jìn)小麥植株生長(zhǎng)發(fā)育，表現(xiàn)在株高、莖基寬、鮮重和干重等指標(biāo)上16]。本研究中也發(fā)現(xiàn)，以中等濃度處理（N2）效果最佳，能促進(jìn)植株生長(zhǎng)。

化肥對(duì)重金屬在土壤中的吸附解吸、形態(tài)轉(zhuǎn)變、遷移有較大作用，會(huì)影響作物對(duì)重金屬的吸收17]。重金屬?gòu)?fù)合污染比單一重金屬元素污染作用機(jī)理更復(fù)雜，但與實(shí)際情況更為貼近。本研究發(fā)現(xiàn)在As-Cd-Pb復(fù)合污染土壤中，施用不同量的氮肥對(duì)小麥地上部分和地下部分吸收和積累重金屬有促進(jìn)作用，施氮肥時(shí)Cd、Pb的富集系數(shù)高于CK，這與李志賢等的研究結(jié)果9]一致。一般來(lái)說(shuō)，復(fù)合污染土壤重金屬有效量較低18]，同時(shí)還與小麥本身富集重金屬有關(guān)，韓晉仙等研究發(fā)現(xiàn)小麥對(duì) As 和 Cr 的吸收能力較低，而對(duì) Ni 和Cd 的吸收能力較高19]。施用氮肥對(duì)小麥吸收土壤中重金屬的吸收具有分異特性，本研究結(jié)果表明，As-Cd-Pb在小麥體內(nèi)的含量分布規(guī)律為莖葉>根，這一點(diǎn)與很多研究不一致10，20-21]。這可能是由于供試小麥的品種、施肥類(lèi)型和施肥量、土壤類(lèi)型、重金屬元素的形態(tài)、水溫條件、選取的生育期不同有關(guān)。因此，施氮肥對(duì)于重金屬在小麥植株體內(nèi)不同器官的分布不能一概而論，還有待進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。

在復(fù)合污染土壤中，施氮有利于增加小麥幼苗的生長(zhǎng)，以N2（200 mgkg）處理最好；不同施氮量能顯著增強(qiáng)小麥對(duì)重金屬的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，小麥地上部分吸收重金屬含量高于地下部分；從施氮水平來(lái)說(shuō)，中濃度施氮水平有利于小麥吸收積累重金屬As和Pb。施氮量與地上部分含量和地下部分含量呈負(fù)相關(guān)，與重金屬轉(zhuǎn)移系數(shù)（BTC）和富集系數(shù)（BAC）呈正相關(guān)，因此施氮量也是影響小麥吸收重金屬的主要因素之一。

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