不同磷肥品種對莧菜鎘累積的影響

鄒 茸，王秀斌，霍文敏，2，遲克宇，范洪黎*

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)部植物營養(yǎng)與肥料重點實驗室，北京 100081； 2.中國地質(zhì)大學(xué)，北京 100083；3.北京建工環(huán)境修復(fù)股份有限公司，北京 100015)

近幾十年來，隨著人類對自然資源的過度開發(fā)和利用，農(nóng)用化學(xué)物質(zhì)種類、數(shù)量逐年增加，工業(yè)、城市污染逐漸加劇，導(dǎo)致土壤重金屬污染日益嚴(yán)重[1-2]。我國土壤環(huán)境面臨嚴(yán)重的重金屬污染問題[3-4]，鎘是8種土壤重金屬污染元素中發(fā)生污染概率最高的元素[5]。鎘通過食物鏈循環(huán)、生物積累作用對人體健康產(chǎn)生巨大的負(fù)面影響[6]。因此，如何減少或消除土壤的鎘，維持土壤生態(tài)系統(tǒng)的健康，眾多學(xué)者從物理[7]、化學(xué)[8]、生物[9]等角度對鎘污染土壤的修復(fù)展開研究。與物理、化學(xué)修復(fù)方法相比，植物修復(fù)土壤重金屬污染有低成本、環(huán)境友好、符合可持續(xù)發(fā)展要求等優(yōu)點[10-12]，但也存在超積累植物生物量小、受環(huán)境影響大、修復(fù)周期長等局限，無法大面積用于實地修復(fù)[13]。因此，提高植物修復(fù)效率、完善植物修復(fù)技術(shù)是目前土壤重金屬污染修復(fù)研究的熱點之一。

修復(fù)植物的生物量直接影響其修復(fù)效率，農(nóng)業(yè)上一般通過施肥來提高作物的生物量。施肥是提高超積累植物修復(fù)污染土壤效率的重要輔助措施，不但可以給植物的生長提供養(yǎng)分，而且可以影響土壤中的重金屬活性[14]。磷是植物生存的必需元素，對植物生長發(fā)育具有十分重要的影響[15-17]。施用磷肥不僅能提高植株的生物量，也影響了植物對土壤鎘的吸收與轉(zhuǎn)化。前人研究發(fā)現(xiàn)，施用不同種類磷肥可改變土壤中鎘存在形態(tài)，影響重金屬鎘的生物可利用性[18]，磷酸二氫鈣、鈣鎂磷肥和骨粉等含磷材料添加后均可使土壤中銅、鎘等重金屬從有效性高的形態(tài)向有效性低的形態(tài)轉(zhuǎn)變[19]。施用磷肥顯著增加蔬菜產(chǎn)量，降低植株地上、地下部鎘含量，提高地上部鎘累積量[20]。本文以富集鎘能力較強(qiáng)的莧菜(AmaranshusmangostanusL.)一年生草本植物為研究對象，旨在研究施磷對莧菜鎘吸收能力的影響，同時探討施磷提高莧菜對鎘富集能力的可行性，為提高植物修復(fù)效率和揭示莧菜對磷和鎘的吸收機(jī)理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤取自廣東珠江三角洲地帶的赤紅壤和江蘇長江三角洲地帶的黃棕壤，其理化性質(zhì)見表1。莧菜為前期篩選的鎘超富集植物天星米(AmaranshusmangostanusL.)。

表1 土壤基本理化性質(zhì)

氮肥采用尿素[CO(NH2)2]，含氮量為46.06%；鉀肥采用硫酸鉀(K2SO4)，分析純；磷肥采用以下磷肥品種：磷酸氫二鉀(K2HPO4)，分析純；過磷酸鈣(SSP,含P2O512.0%)；鈣鎂磷肥(CaMg-P,含P2O516.4%)；磷礦粉(PR,含P2O56.3%)。

1.2 試驗設(shè)計

采用溫室盆栽試驗,共設(shè)5個處理，包括K2HPO4、SSP、CaMg-P、PR不同的磷源(P處理)及對照(CK)，隨機(jī)設(shè)計，3次重復(fù)。每盆裝土0.75 kg，每1 kg土壤加Cd(CdCl2·2.5H2O，分析純)：15 mg，N：200 mg，P2O5：229 mg，K2O：200 mg，與土壤充分混勻。平衡2周后，每盆種莧菜(AmaranshusmangostanusL)作為指示物，出苗一周后定5株，生長期間內(nèi)定期澆去離子水，保持土壤相對含水量為田間持水量70%左右。

1.3 收獲與測定

植株生長45 d后收獲，分地上部和根部用去離子水清洗干凈、105℃殺青30 min、70℃烘干。植株用HNO3-HClO4消化后，用ICP-AES測定其中的Cd和P含量[21]。SAS軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和多重比較[22]。

根據(jù)生物富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)計算方法，結(jié)合植株生物量，通過計算植株生物富集量系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)量系數(shù)來反映其吸收和累積重金屬鎘的能力[22-26]。

生物富集系數(shù)=地上部Cd含量/土壤中Cd含量

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)=地上部Cd含量/根部Cd含量

2 結(jié)果與分析

2.1 施用不同種類磷肥對莧菜生物量的影響

磷是生物體生存的必需元素，是構(gòu)成磷脂、核酸、核蛋白和ATP的重要組分，對植物生長發(fā)育具有十分重要的影響[27]。由圖1可知，在黃棕壤和赤紅壤上施加磷肥都提高了莧菜的生物量。在黃棕壤中，4種磷肥地上部干重大小順序依次為：CaMg-P>SSP>PR>K2HPO4>CK，且SSP和PR處理間差異不顯著；地下部干重的增產(chǎn)效果與地上部趨勢相同。在赤紅壤中，4種磷肥處理的地上部以及地下部干重大小順序都依次為：SSP>CaMg-P>PR>K2HPO4>CK，CaMg-P、PR和K2HPO4處理間無顯著差異。在相同的肥料處理下，除SSP處理外，黃棕壤中的植株地上部和地下部生物量都相應(yīng)地高于赤紅壤。由圖2可知，除CaMg-P外，其余3種磷肥在赤紅壤中的增產(chǎn)效果優(yōu)于黃棕壤。結(jié)果表明，在不同的酸性土壤上施加不同種類的磷肥肥效不同。黃棕壤中CaMg-P肥處理增產(chǎn)效果最好，地上部、地下部干重分別為對照的3.33和3.27倍；SSP在赤紅壤中增產(chǎn)效果最好，地上部、地下部干重分別為對照的3.99和4.07倍。這可能與土壤的pH值、速效養(yǎng)分的含量以及不同磷肥在土壤的溶解程度等相關(guān)。

圖1 不同磷肥品種對莧菜生物量的影響

注：同一土壤類型，柱上不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

圖2 不同磷肥在兩種類型土壤上的增產(chǎn)效果

注：圖中植株干重增量比=(磷處理植株干重-CK處理植株干重)/CK處理植株干重。

2.2 不同磷肥對莧菜鎘累積的影響

磷肥除了為作物生長提供必需的營養(yǎng)物質(zhì)外，也提高了植株對Cd的耐受濃度，減輕了鎘對植株的毒害作用。由表2可知，對于黃棕壤和赤紅壤，施磷肥能夠顯著降低莧菜的Cd含量。在黃棕壤中，4種磷肥地上部Cd含量都低于對照，其中CaMg-P肥處理的Cd含量降低幅度最大，為58.4%，K2HPO4處理降低幅度最小，為39.0%；根部Cd含量SSP降幅最大，約50.1%，CaMg-P處理降幅最小，為37.6%。在赤紅壤中，4種磷肥處理的植株地上部和地下部Cd含量與對照相比顯著降低。其中，CaMg-P肥處理的植株地上部Cd含量降低幅度最大，為77.7%，K2HPO4處理降低幅度最小，為20.2%；根部Cd含量SSP處理降低幅度最大，為66.6%，K2HPO4處理降低幅度最小，為43.5%。

表2 磷肥品種對莧菜植株體內(nèi)Cd濃度和累積量的影響

注：同一土壤類型，同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

施磷提高了莧菜的生物量，因此促進(jìn)莧菜對鎘的吸收和累積。黃棕壤中，莧菜地上部Cd累積量各施磷處理均高于CK，SSP處理Cd累積量最大，比CK增加53.7%，K2HPO4、PR和CK間Cd累積量相差不大；根部Cd累積量均高于CK,CaMg-P增幅最大，比CK增加102%，其他處理間Cd累積量都差異不顯著。赤紅壤中，地上部Cd累積量大小順序依次為：K2HPO4>SSP>CK>PR>CaMg-P；地下部Cd累積量都高于對照，順序依次為：CaMg-P>SSP>K2HPO4>PR，最大增幅為60.0%。

此外，兩種土壤中CK的Cd含量和生物富集系數(shù)都明顯高于各個磷肥處理，而各個磷肥處理的莧菜生物量高于對照，說明施磷稀釋了鎘在莧菜體內(nèi)的濃度。在鎘污染的黃棕壤中，SSP處理下莧菜轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最大，而植株Cd含量、生物富集系數(shù)明顯低于對照，這表明施用普鈣在減輕單位質(zhì)量植株受Cd毒害的同時，又能較好提升莧菜在土壤中對鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)能力，從而減輕土壤中的鎘污染；在赤紅壤中，K2HPO4處理的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最大，同時植株Cd含量也比較低，這說明K2HPO4能較好地轉(zhuǎn)運(yùn)根部的鎘，減輕鎘對莧菜根的毒害作用。不同磷肥在這兩種土壤中的肥效不同，可能與土壤有效磷含量、土壤理化性質(zhì)和磷肥的性質(zhì)有關(guān)。

2.3 不同磷肥對莧菜磷累積的影響

由圖3可知，對于供試的兩種土壤類型，黃棕壤中生長的植株體內(nèi)磷含量、磷總吸收量高于赤紅壤。黃棕壤中，磷肥處理的植株地上部磷含量都高于不施磷的對照，大小順序依次為SSP>CaMg-P>K2HPO4>PR，增幅為12.3%～38.6%，且前3個磷肥處理間差異不顯著；根部磷含量，磷肥處理高于對照，順序依次為：CaMg-P>K2HPO4>SSP>PR，增幅為5.5%～76.8%，鈣鎂磷肥處理磷含量達(dá)最高，為0.82%。赤紅壤中，地上部磷含量各施磷肥處理與不施磷肥相比都有所增加，增幅為14.8%～41.7%，且各施磷肥處理間差異不顯著；根部磷含量各施磷肥處理與不施磷肥相比增幅為18.9%～57.0%，鈣鎂磷肥處理磷含量最高，為0.49%。

同時，由圖3還可以發(fā)現(xiàn)，施磷處理與不施磷相比，植株磷吸收總量也有不同程度的變化。黃棕壤中，與不施磷肥CK相比，地上部和根部吸磷總量各施磷肥處理顯著增加。各施磷肥處理地上部吸磷總量是CK處理的1.88～4.24倍，順序依次為：CaMg-P>SSP>PR>K2HPO4；根部吸磷總量是CK處理的1.94～5.75倍，依次為：CaMg-P>K2HPO4>SSP>PR。赤紅壤中，與不施磷肥相比，地上部和根部吸磷總量各施磷肥處理也顯著增加，磷肥處理地上部吸磷總量是CK處理的2.38～5.58倍，根部吸磷總量是CK處理的3.09～5.27倍，且地上部和根部吸磷總量都是SSP處理最佳。結(jié)果表明：施用磷肥能夠顯著地促進(jìn)植株根系對磷吸收，植株磷吸收總量與生物量大小密切相關(guān)。

圖3 施磷對植株吸收和累積磷的影響

3 討論

本研究以莧菜(AmaranshusmangostanusL)為試材，發(fā)現(xiàn)在兩種酸性土壤上施用磷酸氫二鉀、過磷酸鈣、鈣鎂磷肥、磷礦粉4種不同磷肥都能提高莧菜生物量且顯著降低莧菜植株中的Cd含量，黃棕壤約降低37%～58%，赤紅壤約降低15%～76%。Tan等[28]試驗研究也得到類似的結(jié)果，即磷酸鹽減少蔬菜鎘的攝入量，促進(jìn)蔬菜生長；陳青云[29]研究發(fā)現(xiàn)，在黃棕壤和潮土中施用不同磷肥顯著降低了蔬菜地上、地下部Cd含量。磷肥在其他經(jīng)濟(jì)作物中施用也有降低作物Cd含量的作用，劉芳等[30]用盆栽試驗研究石灰性土壤中磷、鎘交互作用對煙草生長的影響，表明施磷明顯降低了煙草中的鎘含量。王朋超等[31]研究發(fā)現(xiàn)，施用鈣鎂磷肥、普鈣兩種磷肥均可顯著降低油菜根部和地上部Cd含量，且當(dāng)普鈣和鈣鎂磷肥施加量為中高劑量時，油菜地上部Cd含量分別降低至0.18和0.10 mg/kg。一方面，從植物磷營養(yǎng)狀況分析，施磷促進(jìn)了植株生長，減輕鎘對植株的毒害作用，稀釋了鎘在植株體內(nèi)的濃度[32]。另一方面，前人研究發(fā)現(xiàn)磷對土壤中Cd形態(tài)有一定的影響，較高濃度的磷使土壤中活性高的交換態(tài)Cd向活性低的殘渣態(tài)Cd轉(zhuǎn)化，顯著降低了Cd的生物有效性和遷移能力[33]。王秀麗等[34]研究發(fā)現(xiàn)，配施沸石與磷酸二氫鉀、磷酸氫二銨等都能在一定程度上穩(wěn)定重金屬，降低重金屬Cd的生物有效性和可移動性。因此，施磷肥能夠降低植株中鎘含量，也可能是因為施磷導(dǎo)致土壤中鎘形態(tài)的改變，影響了植物對土壤鎘的吸收、遷移，但這與所施磷肥的特性有關(guān)。另外，有研究還發(fā)現(xiàn)葉面施磷能緩解鎘對蓖麻生長的抑制，顯著提高了地下部對鎘的累積量，莖、葉中鎘含量無顯著變化[35]。這說明，磷與重金屬之間的相互作用關(guān)系存在多樣性和復(fù)雜性，這可能與植物品種、磷肥施用方式、污染物性質(zhì)、土壤類型以及外界環(huán)境等有很大關(guān)系。

植物吸收土壤重金屬是一個非常復(fù)雜的過程，受到元素自身的特性、土壤類型、性質(zhì)及其重金屬含量等諸多方面的影響。本試驗中，施用不同種類的磷肥，黃棕壤和赤紅壤中莧菜對磷和鎘的吸收存在一定的差異，分析其原因可能與土壤pH值有關(guān)。不同類型土壤的鎘解吸存在很大差異，Thakur等[36]研究發(fā)現(xiàn)，在石灰性土壤中施磷很可能降低鎘的固定并且增加其移動性，pH值高的土壤鎘的解吸率和鎘的生物有效性低。例如，同一處理下，石灰土種植辣椒根部、地上部、整個植株Cd含量均低于黃壤種植[37]。磷能夠影響植物對重金屬鎘的吸收主要是通過改變土壤或植物所處環(huán)境的pH值造成的[38]，同類型土壤鎘的解吸也受pH值影響，由于不同種類的磷肥理化性狀也存在很大的差異，對土壤pH值的影響也不同。普鈣等生理性酸性磷肥進(jìn)入土壤后其溶解過程會引起局部土壤酸化，增加Cd的溶解度及活性[31]，鈣鎂磷肥屬于堿性肥料，施入后可提高土壤pH值，Cd易生成難溶性Cd化合物，從而固定Cd在土壤中的遷移能力，降低Cd有效性[39]。陳青云等[20]采用連續(xù)種植盆栽試驗研究發(fā)現(xiàn)，土壤有效態(tài)Cd含量與土壤pH值呈顯著負(fù)相關(guān)，不同磷肥酸化土壤能力大小為過磷酸鈣>磷酸二銨>磷酸氫鈣。Hong等[40]研究發(fā)現(xiàn)含磷材料影響植物鎘吸收，主要是由于施加含磷材料引起了土壤pH值的變化。因此，即使同一磷肥施用于不同類型土壤，其莧菜對磷、鎘吸收也會有很大的差異性，具體原因有待于進(jìn)一步分析。

4 結(jié)論

通過在黃棕壤和赤紅壤上施用磷肥，改善了植株的營養(yǎng)狀況，提高了莧菜的生物量，同時稀釋了鎘在莧菜體內(nèi)的濃度，減輕鎘對植株的毒害。由于生物量的增加，顯著提高莧菜鎘的累積量。另外，施用不同種類的磷肥，莧菜對鎘的吸收和累積存在一定的差異。本試驗研究表明，在黃棕壤中施用過磷酸鈣效果較好，莧菜地上部Cd累積量最高，且與其他處理具有顯著差異，其轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最大；在赤紅壤中施用磷酸氫二鉀效果較好，莧菜地上部Cd累積量最高，且與其他處理有顯著差異，其轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最大。

本文通過施用磷肥這一農(nóng)藝措施，提高鎘超富集植物莧菜的生物量以及地上部的重金屬鎘的累積量，闡明促進(jìn)鎘吸收的調(diào)控方法和提高修復(fù)效率的有效手段。這一研究結(jié)果將為利用超積累植物修復(fù)鎘污染土壤提供理論依據(jù)和技術(shù)途徑，對于我國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中污染土壤的再利用以及保障糧食安全都具有非常重要的意義。

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