施氮提高礦山生態(tài)型水蓼富集土壤磷能力研究

郭 瑀，李廷軒，張錫洲

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，四川成都 611130）

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中磷肥的大量投入和畜禽糞便的不合理施用，導(dǎo)致磷在土壤中大量積累，易對生態(tài)環(huán)境構(gòu)成威脅[1]。磷富集植物對高磷環(huán)境具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，可有效提取土壤中過量的磷[2]。目前，篩選出的黃瓜 (Cucumis sativus)、西葫蘆 (Cucurbita pepo)、狗牙草 (Cynodon dactylon)、黑麥草 (Lolium multiflorum)等磷富集植物，存在著磷含量較低或生物量較小的缺點(diǎn)，導(dǎo)致植物對磷的積累能力有限[3,4]。因此，需尋求一種經(jīng)濟(jì)有效的方法以提高磷富集植物的磷積累能力。

間作種植豆科植物、添加溶磷微生物或培育轉(zhuǎn)基因磷富集植物等均能提高植物磷積累能力[5–7]，但在應(yīng)用上存在較多限制。再力花 (Thalia dealbata)、鳶尾 (Iris tectorum)、菖蒲 (Acorus calamus) 等不同濕地植物對污水中的氮和磷均具有較好的去除效果[8]；黃瓜在吸收磷的同時(shí)，對氮也具有較大的需求量，且隨生長期的延長其氮磷含量均逐漸增加[9]。因此，可采用施氮的方式提高磷富集植物的磷積累能力。余紅梅等[10]指出，施氮可顯著提高種植在高磷土壤上的磷富集植物礦山生態(tài)型粗齒冷水花 (Pilea sinofasciata)的生物量和磷含量，增強(qiáng)植物對土壤磷的提取能力；適宜施氮可有效提高磷富集牧草百喜草 (Paspalum notatum) 和扁穗牛鞭草 (Hemarthria altissima) 的生物量和磷去除量，以降低表層土壤磷含量[11]。

前期研究發(fā)現(xiàn)，高無機(jī)磷條件下礦山生態(tài)型水蓼磷富集能力強(qiáng)于非礦山生態(tài)型，地上部磷積累量可達(dá)105 mg/株，非礦山生態(tài)型僅為31.3 mg/株[12]；有機(jī)磷源處理下礦山生態(tài)型水蓼表現(xiàn)出較強(qiáng)的磷吸收積累能力，但地上部磷積累量較無機(jī)磷處理有所下降[13]。由此可見，礦山生態(tài)型水蓼對高磷環(huán)境具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，其磷富集能力仍有待提高。本文以磷富集植物礦山生態(tài)型水蓼為材料，研究高磷條件下施氮對礦山生態(tài)型水蓼磷積累能力的影響，確定適宜施氮量，為后期合理利用礦山生態(tài)型水蓼提取土壤中過量的磷提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試植物：水蓼 (Polygonum hydropiper)，礦山生態(tài)型種子采自四川省什邡磷礦區(qū) (104°01′ E, 31°25′ N)，非礦山生態(tài)型種子采自四川省都江堰市靈巖山(103°36′ E, 31°00′ N)。

供試土壤：灰潮土，采自四川省都江堰市浦陽鎮(zhèn)雙柏村，基本理化性質(zhì)為pH 6.32、有機(jī)質(zhì)15.9 g/kg、全氮1.39 g/kg、堿解氮53.1 mg/kg、速效鉀51.8 mg/kg、有效磷4.65 mg/kg。

供試肥料：尿素 (N 46.67%)、磷酸二氫鉀 (P2O552.1%，K2O 34.6%)，均為分析純。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與處理

試驗(yàn)設(shè)施氮 (N)量為 0 (CK)、25、50、100、200 mg/kg土共5個(gè)處理，所有處理基施磷 (P) 800 mg/kg。每處理重復(fù)3次，完全隨機(jī)排列。采用土培盆栽試驗(yàn)，將土壤風(fēng)干磨碎后，過篩混勻，每盆 (6 L)裝土6 kg。裝盆前施入磷，陳化4周，移栽前施入氮肥，磷、氮施入時(shí)以溶液的形式加入，并充分混勻。取2.5 kg土裝入直徑15 cm、高7.5 cm的尼龍紗網(wǎng)根袋中 (400目，孔徑約38 μm)，置于盆中央，其余3.5 kg土裝入盆中。陳化后土壤有效磷為457 mg/kg。

分別選取飽滿度一致的兩種生態(tài)型水蓼種子，用10%的H2O2消毒30 min，經(jīng)30℃溫水浸泡6 h后，播種于裝有珍珠巖和蛭石的塑料盤，放入25℃恒溫培養(yǎng)箱中，待種子萌發(fā)后，從培養(yǎng)箱中取出在室溫下培育。待水蓼生長至三葉一心時(shí)，選取長勢一致的幼苗移栽至根袋中，每盆種2株，按田間持水量的70%確定灌水量，采用自然光照和常規(guī)管理。試驗(yàn)于2015年6月至8月，在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)大佛寺教學(xué)科研實(shí)習(xí)苗圃有防雨設(shè)施的網(wǎng)室中進(jìn)行。

1.3 樣品采集與制備

于移栽后10周采樣，植株樣品先用自來水沖洗再用蒸餾水潤洗，洗凈后用吸水紙擦干，將其分為地上部和地下部。裝袋后于105℃殺青30 min，75℃烘干至恒重，粉碎后過1 mm篩用于測定磷含量。

根袋內(nèi)去掉表面2 cm土，收集袋內(nèi)其余土壤作為根際土，根袋外2 cm土壤為非根際土。土樣風(fēng)干貯存，用于土壤有效磷的測定。

1.4 測定項(xiàng)目及方法

采用H2SO4–H2O2消煮—釩鉬黃比色法[14]測定植株磷含量；土壤有效磷測定采用0.5 mol/L NaHCO3提取—鉬銻抗比色法[14]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

富集系數(shù) = 植株磷含量/土壤有效磷含量；轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù) = 植株地上部磷含量/地下部磷含量；采用DPS (11.0) 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，選擇LSD法進(jìn)行多重比較，圖表制作采用Excel (2013) 和Origin 8.1。

2 結(jié)果與分析

2.1 高磷條件下施氮對礦山生態(tài)型水蓼生物量的影響

圖1 不同施氮量下兩種生態(tài)型水蓼地上部和地下部的生物量Fig. 1 Biomass of the shoots and the roots in two ecotypes of Polygonum hydropiper grown under different dosages of N

由圖1可知，隨施氮量的增加，兩種生態(tài)型地上部和地下部生物量均先升高后降低，在施氮量為100 mg/kg時(shí)達(dá)到最大，其中礦山生態(tài)型地上部和地下部生物量分別為40.03 g/株和3.24 g/株，地上部生物量明顯大于地下部。各施氮處理下，礦山生態(tài)型地上部生物量，分別為不施氮處理的2.58、3.91、4.57、2.59倍。但兩種生態(tài)型地上部生物量無顯著差異。與非礦山型相比，施氮更有利于礦山生態(tài)型地下部生物量的提高，各施氮處理下，礦山生態(tài)型地下部生物量為不施氮處理的2.10、3.19、3.48、2.90倍，非礦山生態(tài)型為1.76、2.17、2.76、1.85倍。但礦山生態(tài)型地下部生物量在0、25、100 mg/kg施氮量下顯著低于非礦山生態(tài)型，僅為非礦山生態(tài)型的56.7%、67.7%、71.1%。以上結(jié)果表明，100 mg/kg施氮量更有利于水蓼地上部生物量的增加。

2.2 高磷條件下施氮對礦山生態(tài)型水蓼磷積累能力的影響

2.2.1 磷含量 由表1可知，隨施氮量的增加，兩種生態(tài)型地上部和地下部磷含量逐漸增加，礦山生態(tài)型地上部和非礦山生態(tài)型地下部在100 mg/kg后趨于平穩(wěn)。高磷條件下，礦山生態(tài)型地上部和地下部磷含量在施氮處理下均顯著高于不施氮處理。各施氮處理下，礦山生態(tài)型地上部磷含量為不施氮處理的1.14、1.25、1.33、1.32倍，礦山生態(tài)型地下部的磷含量為不施氮處理的1.13、1.20、1.22、1.53倍。礦山生態(tài)型地上部磷含量在50、100、200 mg/kg施氮量下均顯著高于非礦山生態(tài)型，為非礦山生態(tài)型的1.14、1.08、1.03倍；但相同處理下，礦山生態(tài)型的地下部磷含量均顯著低于非礦山生態(tài)型，為非礦山生態(tài)型的70.0%、73.1%、74.4%、70.8%、91.8%。表明施氮能有效提高礦山生態(tài)型地上部磷含量。

2.2.2 磷積累量 由圖2可知，隨著施氮量的增加，兩種生態(tài)型地上部和地下部磷積累量逐漸增加，兩種生態(tài)型地上部及非礦山生態(tài)型地下部的磷積累量在100 mg/kg達(dá)到最大，其中礦山生態(tài)型地上部磷積累量最大為228 mg/株。施氮顯著提高了礦山生態(tài)型地上部和地下部的磷積累量，各施氮處理下，礦山生態(tài)型地上部磷積累量分別為不施氮處理的2.93、4.89、6.10、3.43倍；礦山生態(tài)型地下部磷積累量為不施氮的2.38、3.83、4.44、4.24倍。相同施氮量下，礦山生態(tài)型地上部磷積累量均顯著高于非礦山生態(tài)型，為非礦山生態(tài)型的1.08、1.25、1.11、1.09倍；但礦山生態(tài)型地下部磷積累量均顯著低于非礦山生態(tài)型，僅為非礦山生態(tài)型的39.5%、49.4%、62.2%、52.5%、77.7%。表明，施氮更有利于礦山生態(tài)型水蓼地上部磷積累量的增加。

表1 不同施氮量下兩種生態(tài)型水蓼的磷含量 (g/kg)Table 1 P concentrations in two ecotypes of Polygonum hydropiper grown under different dosages of N

圖2 不同施氮量下兩種生態(tài)型水蓼地上部和地下部的磷積累量Fig. 2 P accumulation of the shoots and the roots in two ecotypes of Polygonum hydropiper grown under different dosages of N

2.2.3 磷富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù) 富集系數(shù)反映了植物對磷的吸收能力。由表2可知，施氮增加了兩種生態(tài)型的磷富集系數(shù)，其中礦山生態(tài)型磷富集系數(shù)在100 mg/kg施氮量下達(dá)到最大值。相同施氮量下，礦山生態(tài)型磷富集系數(shù)高于非礦山生態(tài)型，在50、100 mg/kg時(shí)分別為非礦山生態(tài)型的1.14、1.08倍。表明施氮促進(jìn)了礦山生態(tài)型水蓼對磷的吸收。

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)主要表征植物向地上部轉(zhuǎn)移磷的能力。隨施氮量的增加，礦山生態(tài)型水蓼轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)表現(xiàn)為先升高后降低。在25、50、100 mg/kg施氮處理下，礦山生態(tài)型轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均高于不施氮處理，最高可達(dá)1.33。相同施氮量下，礦山生態(tài)型轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)高于非礦山生態(tài)型，在25、50、100 mg/kg時(shí)分別為非礦山生態(tài)型的1.38、1.53、1.53倍。因此，施氮有利于礦山生態(tài)型水蓼將更多的磷轉(zhuǎn)移到地上部，增強(qiáng)植株地上部對磷的積累。

2.3 施氮對礦山生態(tài)型水蓼根際土壤有效磷含量的影響

由表3可知，隨著施氮量的增加，礦山生態(tài)型水蓼根際土壤有效磷含量先升高后趨于平穩(wěn)，而非礦山生態(tài)型根際土壤和兩種生態(tài)型非根際土壤均無顯著變化。在50、100、200 mg/kg施氮量下，礦山生態(tài)型根際土壤有效磷含量與不施氮相比分別增加了8.39%、6.45%、7.74%。相同施氮量下，礦山生態(tài)型根際土壤有效磷含量均顯著高于非礦山生態(tài)型根際土壤，分別為非礦山生態(tài)型的1.29、1.33、1.39、1.33、1.42倍；相同施氮量下，兩種生態(tài)型非根際土壤有效磷含量無顯著差異。同時(shí)，礦山生態(tài)型根際土壤有效磷含量明顯高于非根際土壤，為非根際土壤的1.26、1.31、1.42、1.40、1.39倍，而非礦山生態(tài)型根際土壤與非根際土壤之間差異不大。表明，施氮提高了礦山生態(tài)型水蓼根際土壤的有效磷含量。

表2 不同施氮量下兩種生態(tài)型水蓼的磷富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)Table 2 Bioaccumulation coefficients and translocation factors of P in two ecotypes of Polygonum hydropiper grown under different dosages of N

表3 不同施氮量下兩種生態(tài)型水蓼的土壤有效磷含量 (mg/kg)Table 3 Soil available P content in two ecotypes of Polygonum hydropiper grown under different N dosages

3 討論

目前，有關(guān)磷富集植物的研究多集中于磷富集植物的篩選比較和富磷特性的研究等方面，對提高植物磷富集能力的研究較少[15,16]。氮是植物所需的大量營養(yǎng)元素，參與植物生長調(diào)節(jié)[17]。增施氮肥可顯著增加植物莖稈、葉片等部位的生物量[18]。Soons等[19]發(fā)現(xiàn)，施氮可增加高磷土壤植物地上部的生物量，與不施氮相比生物量可增加139%；種植在高磷土壤上的磷富集植物黑麥草和狗牙根，在適宜施氮條件下也具有更大的生物量[3]。本研究中，高磷條件下，施氮促進(jìn)了礦山生態(tài)型水蓼地上部生物量的增加，且在施氮量為100 mg/kg時(shí)達(dá)到最大。高磷條件下，植物凈光合速率下降，施氮能提高葉片光合作用，促進(jìn)光合產(chǎn)物積累，進(jìn)而促進(jìn)生物量增加[20]。不同生態(tài)型植物對環(huán)境具有不同的適應(yīng)性，生長在逆境中的植物具有更高的耐性[21]。在本研究中，雖在各施氮量下，礦山生態(tài)型地下部生物量顯著低于非礦山生態(tài)型。但前期水培試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，礦山生態(tài)型的總根長、比根長、根表面積均顯著高于非礦山生態(tài)型，具有較多細(xì)根結(jié)構(gòu)[22]。較多的細(xì)根結(jié)構(gòu)更有利于礦山生態(tài)型對養(yǎng)分的吸收。

施氮影響植物生長的同時(shí)，也參與磷的吸收積累與分配[23]。增加施氮量，能提高植物對磷的吸收和積累能力[24–25]。Dodd等[26]指出，施用氮肥能顯著提高牧草的磷積累量，降低土壤中可溶性磷的含量，減少磷淋失風(fēng)險(xiǎn)。本研究中，施氮增加了礦山生態(tài)型地上部的磷含量、磷積累量，其中磷積累量在施氮量為100 mg/kg時(shí)達(dá)到最大，為228 mg/株。在高磷水培條件和高磷豬糞處理下，礦山生態(tài)型水蓼地上部磷積累量為40.5 mg/株和65.9 mg/株[13,27]；多年生磷富集植物礦山生態(tài)型粗齒冷水花的整株磷積累量也僅為129 mg/株[10]，均低于本研究中適宜施氮條件下礦山生態(tài)型水蓼地上部磷積累量，說明適宜施氮能提高礦山生態(tài)型的磷積累能力。施氮促進(jìn)植物中磷積累量的增加，與氮磷協(xié)同作用密切相關(guān)[28]。施氮能增加磷酸鹽吸收相關(guān)基因的表達(dá)量，促進(jìn)植物對磷的吸收[29–30]。同時(shí)，礦山生態(tài)型地上部磷含量、磷積累量、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)在施氮量為50、100、200 mg/kg時(shí)，均高于非礦山生態(tài)型，具有更強(qiáng)的向地上部富集磷的能力。根系吸收的磷主要通過磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白向地上部運(yùn)輸[31]。磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白合成量的增加，能促進(jìn)磷從根系向地上部的運(yùn)輸，增加地上部磷積累量[32]。較高的磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白豐度也能提高植物對高磷條件的適應(yīng)性[33]。礦山生態(tài)型地上部磷積累量更高而地下部磷積累量更低，可能是由于體內(nèi)具有更高的磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。應(yīng)用植物修復(fù)技術(shù)去除土壤中的污染物，一般僅收割植物地上部，地下部被保留在土壤中[34]。礦山生態(tài)型水蓼將磷更多地積累在地上部，地下部積累較少，更有利于通過地上部的收獲，帶走土壤中過量的磷。

有效磷是土壤中可被植物直接吸收利用的磷形態(tài)，是評價(jià)土壤供磷能力的重要指標(biāo)[35]。在不施肥的情況下，植物的生長會(huì)降低植物根際土壤中有效磷的含量[36]。周紀(jì)冬等[37]指出，隨著施氮強(qiáng)度的增加，土壤有效磷的含量呈增加趨勢。本研究發(fā)現(xiàn)，與不施氮相比，施氮顯著提高了礦山生態(tài)型根際土壤有效磷含量。這可能與根系分泌物有關(guān)[38]。施氮可增加植物根系分泌物的含量，通過調(diào)節(jié)根際土壤pH，降低土壤對磷的固定，提高根際土壤的有效磷含量[39]。此外，礦山生態(tài)型根際土壤的有效磷含量顯著高于非礦山生態(tài)型。礦山生態(tài)型水蓼根系分泌的酸性磷酸酶和植酸酶活性均高于非礦山生態(tài)型[12]。磷酸酶活性的增加，有利于土壤中難利用的磷向有效態(tài)轉(zhuǎn)化[40]。因此，礦山生態(tài)型根際土壤中有效磷含量更高，更有利于植株對磷的吸收積累。

4 結(jié)論

高磷條件下，施氮增加了礦山生態(tài)型水蓼生物量、磷含量和磷積累量，并促進(jìn)了植株中的磷向地上部遷移，在100 mg/kg施氮量下，地上部磷積累量達(dá)228 mg/株。與非礦山生態(tài)型相比，施氮更有利于礦山生態(tài)型磷積累能力的提升。施氮為礦山生態(tài)型水蓼根際土壤提供了更多可利用的磷，促進(jìn)了植物對磷的積累。本研究中，礦山生態(tài)型水蓼適宜施氮量為100 mg/kg。