礦山生態(tài)型和非礦山生態(tài)型粗齒冷水花富磷能力的比較

戴文穎，李廷軒

（四川農(nóng)業(yè)大學資源學院，四川成都 611130）

化學磷肥的大量使用和畜禽糞便的不合理堆放導致磷在土壤中大量積累[1]，大量的磷在自然降雨、農(nóng)田灌溉排水等作用下向水體遷移，不僅影響農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，也威脅到生態(tài)環(huán)境的安全[2-4]。磷富集植物對磷具有較好的吸收、積累能力，植物修復技術利用磷富集植物自身的生長和磷積累能力將土壤中的磷轉(zhuǎn)移至植物中，是一種較為有效的治理措施[5]。目前，篩選出的磷富集植物多花黑麥草(Lolium multiflorum) 體內(nèi)磷含量可達1%，具有較強的磷積累特性[6-7]；向日葵 (Helianthus annuus)[8]、黃瓜 (Cucumis sativus)[9]、西葫蘆 (Cucurbita pepo)[9]和礦山生態(tài)型水蓼 (Polygonum hydropiper)[10]等磷富集植物也可以較好地吸收積累磷。但大多數(shù)富磷植物對高磷環(huán)境耐受能力差，磷含量不高、生物量小，導致植物在高磷環(huán)境下修復效果不佳。

目前，關于提高植物磷吸收積累能力的研究較多，例如在植物根系接種叢枝菌根真菌能幫助植物有效吸收更大空間的磷，獲取更多有效磷[11]；培育轉(zhuǎn)基因品種，可以從分子機制上調(diào)控植物磷吸收轉(zhuǎn)運途徑[12]。間作種植豆科植物，大豆自身的根瘤固氮作用提高了氮的供應量，也促進了植物對磷的吸收積累[13]。研究發(fā)現(xiàn)，適宜施氮可促進楓香種源 (Liquidambar formosana) 幼苗對磷的吸收，增加植株的磷吸收量[14]。郭瑀等[15]指出，適宜施氮還可增加磷富集植物礦山生態(tài)型水蓼的生物量和磷含量，促進植物對磷的積累。適宜施氮也可有效提高牧草百喜草 (Paspalum notatum) 和扁穗牛鞭草 (Hemarthria altissima) 的生物量和磷吸收量[16]。

粗齒冷水花 (Pilea sinofasciata) 是前期研究篩選出的磷富集植物，具有環(huán)境適應力強、地上部生物量大、磷含量高等優(yōu)點[17-19]。礦山生態(tài)型粗齒冷水花地上部磷積累量在施磷400 mg/kg時最大可達142 mg/株，是不施磷處理下的16.8倍[19]，對磷表現(xiàn)出很強的富集能力。施氮可進一步增強植株的磷富集能力，余紅梅等[18]研究表明，140 mg/kg為粗齒冷水花的適宜施氮濃度，該條件下植株地上部磷積累量可達224 mg/株。然而，粗齒冷水花在適宜施氮下的高磷耐受能力還有待深入研究。因此，本研究在此基礎上以粗齒冷水花為研究對象，探討了施氮條件下，兩種生態(tài)型粗齒冷水花在不同磷水平下的磷耐受能力和富磷能力，為其合理利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試植物：粗齒冷水花 (Pilea sinofasciata)，礦山生態(tài)型 (mining ecotype，ME) 采自四川省什邡市磷礦區(qū) (104°50′E，30°25′N)，非礦山生態(tài)型 (nonmining ecotype，NME) 采自雅安市雨城區(qū) (102°59′E，29°58′N)。

供試土壤為灰潮土，采自四川省都江堰市蒲陽鎮(zhèn)雙柏村，其基本理化性質(zhì)為：pH 6.76、有機質(zhì)27.3 g/kg、全氮1.31 g/kg、堿解氮34.0 mg/kg、速效鉀47.8 mg/kg、有效磷16.1 mg/kg。

供試肥料：尿素 (N 46.7%)、磷酸二氫鉀 (P2O552.1%，K2O 34.6%)、硫酸鉀 (K2O 54.0%)，均為分析純。

1.2 試驗設計與處理

試驗設置0 (CK)、400、600、800 mg/kg共4個磷 (P) 處理，每處理重復4次，種植兩種生態(tài)型植株，共32盆，完全隨機排列。采用土培盆栽試驗，土壤風干后，粉碎過2 mm篩混勻，每盆 (8 L) 裝土8 kg。除磷外，每盆配施純氮140 mg/kg和相應量的K2SO4以平衡土壤中因施入KH2PO4而帶入的鉀。磷、鉀配成溶液一次性施入土壤，充分混勻，陳化8周后將尿素配成溶液加入土壤。

粗齒冷水花幼苗于2017年4月下旬采集。幼苗的扦插管理采用劉霜等[19]的方法。待幼苗于蛭石中生根培養(yǎng)30 d后，選擇長勢一致的幼苗移栽至塑料盆中，每盆種2株。每周澆水3次，按田間持水量的70%確定灌水量，及時除草、防治病蟲害，并記錄植株生長狀況。試驗采用自然光照，于2017年6—10月在四川農(nóng)業(yè)大學教學科研院區(qū)有防雨設施的網(wǎng)室中進行。

于移栽后9周采樣。植物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篩用于磷含量測定。

1.3 測定項目及方法

植株地上部生物量 (干重) 采用烘干稱重法測定；

植株磷含量采用H2SO4-H2O2消煮—釩鉬黃比色法測定[20]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

富集系數(shù) = 植株地上部磷含量/土壤速效磷含量[21]；

轉(zhuǎn)移率 = 地上部磷積累量/整株磷積累量 ×100%[21]；

磷提取率 = 地上部磷積累量/土壤速效磷總量 ×100%[22]；

磷移除量 = 地上部磷積累量/土壤質(zhì)量[22]。

采用DPS (11.0) 進行統(tǒng)計分析，選擇LSD法進行多重比較，圖表制作采用Excel (2016) 和Origin 8.1。

2 結(jié)果與分析

2.1 高磷處理對粗齒冷水花生物量的影響

兩種生態(tài)型粗齒冷水花地上部生物量均明顯高于地下部 (圖1)。隨施磷量的增加，兩種生態(tài)型地上部、地下部生物量在施磷600 mg/kg時達最大，其中礦山生態(tài)型地上部、地下部生物量最大分別可達28.6 g/株和7.78 g/株，是其對照處理下的2.37和3.69倍；非礦山生態(tài)型地上部、地下部生物量最大分別為31.9 g/株和6.33 g/株，是其對照處理下的4.63和7.36倍。可見在適宜施氮條件下，施磷600 mg/kg促進了兩種生態(tài)型粗齒冷水花的生長，并未對其生長發(fā)育造成毒害。此外，礦山生態(tài)型粗齒冷水花生物量在不施磷和施磷400 mg/kg時顯著高于非礦山生態(tài)型，地上部分別為非礦山生態(tài)型的1.75和1.22倍，地下部分別為非礦山生態(tài)型的2.46和1.51倍。而在施磷600 mg/kg和800 mg/kg時，兩生態(tài)型間則無顯著差異。

2.2 高磷處理對粗齒冷水花磷吸收積累的影響

圖1 不同磷處理下兩種生態(tài)型粗齒冷水花地上部和地下部生物量Fig. 1 Biomass of shoots and roots in two ecotypes of P. sinmfasciata under different P addition levels[注（Note）：ME—礦山生態(tài)型Mining ecotype；NME—非礦山生態(tài)型Non-mining ecotype；柱上不同小寫字母表示同一生態(tài)型不同施磷量間差異顯著 (P ＜ 0.05)；*表示相同磷水平下不同生態(tài)型間差異顯著 (P ＜ 0.05)。Different small letters above the bars mean significantly different among P treatments for the same ecotype (P ＜ 0.05)；*means significantly different between ecotypes at the same P treatment (P ＜ 0.05).]

表1 不同磷處理水平下兩種生態(tài)型粗齒冷水花磷含量 [g/kg，DW]Table 1 P concentration in two ecotypes of P. sinmfasciata under different P addition levels

2.2.1 磷含量 兩種生態(tài)型粗齒冷水花地上部、地下部磷含量在施磷處理下均顯著高于不施磷處理 (表1)。隨施磷量增加，兩種生態(tài)型地上部磷含量均表現(xiàn)為先升高后降低，在施磷800 mg/kg時明顯下降。而兩種生態(tài)型地下部磷含量變化趨勢相反，隨施磷量增加，礦山生態(tài)型地下部磷含量逐漸降低，在800 mg/kg時最低；非礦山生態(tài)型地下部磷含量逐漸升高，在800 mg/kg時最大。此外，相同磷處理下，礦山生態(tài)型地上部磷含量均高于非礦山生態(tài)型，為非礦山生態(tài)型的1.11～1.27倍，但礦山生態(tài)型地下部磷含量在施磷600、800 mg/kg時均低于非礦山生態(tài)型，僅為非礦山生態(tài)型的63.5%和66.6%。

2.2.2 磷積累量 各施磷處理下，兩種生態(tài)型地上部磷積累量明顯高于地下部 (圖2)，表明植株將大部分的磷積累在地上部分。隨著施磷量增加，兩種生態(tài)型地上部、地下部磷積累量在施磷600 mg/kg時達最大，礦山與非礦山生態(tài)型地上部磷積累量最高分別可達195 mg/株和182 mg/株，是其對照處理下的3.13和6.55倍，地下部磷積累量最高分別可達38.1 mg/株和43.0 mg/株，是其對照處理下的6.22和15.3倍。此外，兩種生態(tài)型地上部、地下部磷積累量差異隨施磷量增加逐漸減小，在不施磷和施磷400 mg/kg時礦山生態(tài)型地上部、地下部磷積累量顯著高于非礦山生態(tài)型，地上部分別為非礦山生態(tài)型的

2.24 和1.36倍，地下部分別為非礦山生態(tài)型的2.18和1.47倍；但在施磷600、800 mg/kg時兩種生態(tài)型地上部、地下部磷積累量均無明顯差異。

2.2.3 富集系數(shù)和遷移率 富集系數(shù)反映了植物對磷的吸收能力。由表2可知，兩種生態(tài)型磷富集系數(shù)隨施磷量增加而降低，礦山與非礦山生態(tài)型降低幅度分別為83.7%和81.4%。相同磷處理下，礦山生態(tài)型富集系數(shù)均高于非礦山生態(tài)型，為非礦山生態(tài)型的1.11～1.14倍，表明礦山生態(tài)型粗齒冷水花對磷的吸收能力較強。轉(zhuǎn)移率可反映植物向地上部轉(zhuǎn)移磷的能力。兩種生態(tài)型磷轉(zhuǎn)移率在施磷處理下低于不施磷處理，均高于80%，但在施磷處理間和生態(tài)型間差異不大。

2.3 高磷處理對粗齒冷水花磷富集潛力的影響

圖2 不同磷處理水平下兩種生態(tài)型粗齒冷水花地上部和地下部磷積累量Fig. 2 P accumulation of shoots and roots in two ecotypes of P. sinmfasciata under different P addition levels[注（Note）：柱上不同小寫字母表示同一生態(tài)型不同施磷量間差異顯著Different small letters above the bars mean significantly different among P treatments for the same ecotype (P ＜ 0.05)；*表示相同磷處理不同生態(tài)型間差異顯著Significantly different between ecotypes at the same P treatment (P ＜ 0.05).]

表2 不同磷處理水平下兩種生態(tài)型粗齒冷水花磷富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移率Table 2 Bioaccumulation coefficient and translocation rate of P in two ecotypes of P. sinmfasciata under different P addition levels

由表3可知，隨施磷量增加，礦山生態(tài)型地上部磷提取率呈下降趨勢，非礦山生態(tài)型地上部磷提取率則表現(xiàn)為先增加后減少，但兩種生態(tài)型地上部磷提取率在施磷800 mg/kg時均大幅降低，表明在800 mg/kg時兩種生態(tài)型的磷提取能力均受到明顯抑制。對比兩種生態(tài)型，在不施磷和施磷400 mg/kg時礦山生態(tài)型磷提取率顯著大于非礦山生態(tài)型，分別為非礦山生態(tài)型的2.24和1.36倍；但隨著施磷量增加，兩種生態(tài)型間磷提取率差異逐漸減小，在600、800 mg/kg時無明顯差異。

隨施磷量增加，兩種生態(tài)型地上部磷移除量均在600 mg/kg時達最大 (表3)。各施磷處理下，礦山與非礦山生態(tài)型地上部磷移除量分別是其對照處理的2.96、3.13、1.26倍和4.86、6.55、2.81倍。不施磷和施磷400 mg/kg時，礦山生態(tài)型地上部磷移除量顯著大于非礦山生態(tài)型，分別為非礦山生態(tài)型的2.24和1.36倍，表明此時礦山生態(tài)型粗齒冷水花磷移除能力較強；但在施磷600、800 mg/kg時兩種生態(tài)型植株磷移除量無明顯差異。

表3 不同磷處理水平下兩種生態(tài)型粗齒冷水花地上部磷的提取率和移除量Table 3 P extraction rate and removing amount of P from soil by two ecotypes of P. sinmfasciata under different P addition levels

3 討論

目前，對磷富集植物的篩選和磷積累特性等方面的研究較多[23-24]，但對植物在高磷環(huán)境中磷耐受能力的研究相對較少。植物的生長情況可反映其在脅迫環(huán)境下的耐受能力[25]，前期研究發(fā)現(xiàn)，兩種生態(tài)型粗齒冷水花在施磷400 mg/kg時長勢最佳，礦山與非礦山生態(tài)型地上部生物量分別為11.1 g/株和7.23 g/株[19]。而在本研究中，適宜施氮量下的礦山與非礦山生態(tài)型粗齒冷水花在施磷400 mg/kg時生物量分別可達27.5 g/株和22.5 g/株，適宜施氮顯著增加了兩種生態(tài)型粗齒冷水花的生物量。高磷條件下，植物體內(nèi)活性氧過度積累，植物凈光合作用下降，適宜施氮可提高葉片光合作用，促進光合產(chǎn)物積累，進而增加植株生物量[25-26]。郭瑀等[15]也發(fā)現(xiàn)，施氮能促進水蓼地上部生物量的增加，在施氮量為100 mg/kg時植株生物量達最大；施氮亦可增加種植在高磷土壤上的富磷植物黑麥草和狗牙草的生物量[27]。不施氮條件下，粗齒冷水花在施磷600 mg/kg時生長明顯受抑制[19]，但本研究發(fā)現(xiàn)在適宜施氮條件下，植株在600 mg/kg時生長狀態(tài)良好，并未表現(xiàn)出生長受抑癥狀，適宜施氮可提高粗齒冷水花對高磷環(huán)境的耐受能力，使其在磷濃度更高的環(huán)境下正常生長。但在800 mg/kg時，兩種生態(tài)型粗齒冷水花生物量均顯著降低。類似的現(xiàn)象在黑花珊瑚豆 (Kennedia nigricans) 和紫花苜蓿 (Medicago sativa) 的研究中也有發(fā)現(xiàn)，隨施磷量增加，兩種植物生物量先增大后減小[28]。Suriyagoda等[28]發(fā)現(xiàn)，供磷水平過高，植物總根長和根際羧化物總量也出現(xiàn)下降趨勢，高磷下植株根系的變化影響其對養(yǎng)分的吸收，進而影響其正常生長。Ye等[29]認為，高磷條件下非礦山生態(tài)型水蓼生物量降低，主要是由于植物葉片表皮細胞結(jié)構被破壞，柵欄組織和海綿組織變形、排布散亂影響了葉片的光合作用，進而影響光合產(chǎn)物積累所致。磷富集能力較好的礦山生態(tài)型水蓼在高濃度豬糞處理下生物量為16.4 g/株[30]；種植在高磷土壤上的向日葵 (Helianthus annuus) 和南瓜 (Cucurbita moschata) 地上部最大干重分別為16.4 g/株和14.9 g/株[8]；在高磷環(huán)境下正常生長且磷含量較高的澳洲狐尾 (Ptilotuspolystachyus) 地上部干重僅 8 g/株[31]。本研究中，粗齒冷水花在施磷600 mg/kg時地上部生物量可達31.9 g/株，遠高于其它已報道的磷富集植物，表現(xiàn)出較強的高磷適應能力和磷積累潛力。

土壤磷含量影響植物生長的同時，也決定植物對磷的吸收積累[32]。本研究中，施磷處理下土壤有效磷含量豐富 (＞ 50 mg/kg)，粗齒冷水花地上部磷含量可達6.72 g/kg，低于Duo grass和黑麥草等磷富集植物[6-7]，但高于蘆葦 (Phragmites australis)、蒲草(Typha angustifolia) 和黑三棱 (Sparganium stoloniferum)等濕地修復植物以及大部分普通植物[33]。此外，相同磷處理下，礦山生態(tài)型粗齒冷水花地上部磷含量顯著高于非礦山生態(tài)型，而地下部磷含量卻低于非礦山生態(tài)型，表明礦山生態(tài)型具有更強的向地上部轉(zhuǎn)移磷的能力。植物從土壤中獲取磷，需要通過“磷轉(zhuǎn)運蛋白”完成吸收和轉(zhuǎn)運過程，更高的磷酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白合成量可促進磷從植物根系向地上部運輸，增加地上部磷含量[32,34]。礦山生態(tài)型地上部磷含量更高而地下部磷含量更低，可能是由于其體內(nèi)更高的磷酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白所致。將更多的磷轉(zhuǎn)移至地上部有利于提高植株地上部磷積累量，植物磷富集的高效率主要通過地上部積累磷的總量反應[35]。有研究發(fā)現(xiàn)磷富集植物礦山生態(tài)型水蓼地上部磷積累量僅為65.9 mg/株[30]；污水修復植物鳳眼蓮 (Eichhornia crassipes)、粉綠狐尾藻 (Myriophyllum aquaticum) 和水浮蓮 (Pistia stratiotes) 體內(nèi)磷積累量最高也僅達80.1 mg/株、38.7 mg/株和 31.7 mg/株[35]，均低于本研究中粗齒冷水花地上部磷積累量，說明粗齒冷水花對磷的吸收積累能力較強。相關研究表明，增加施氮量能進一步提高植物對磷的吸收積累[16]。Dodd等研究發(fā)現(xiàn)，氮肥的施用提高了牧草磷積累量，降低了土壤中可溶性磷的含量[36]。本研究中，礦山與非礦山生態(tài)型粗齒冷水花在適宜施氮條件下，地上部磷積累量分別可達185 mg/株和136 mg/株，是相同磷處理和同一采樣時期下植株地上部磷積累量的3.99和6.92倍[19]，適宜施氮可提高兩種生態(tài)型粗齒冷水花的磷積累能力。與前期研究相比，適宜施氮增加了粗齒冷水花地上部、地下部生物量，但對植株磷含量影響不大；且隨著磷處理濃度增加，兩種生態(tài)型植株磷積累量與其生物量變化一致，表明適宜施氮主要通過促進粗齒冷水花生長，增加其生物量，進而提高其磷積累量。

磷提取率和移除量是評價植物提取環(huán)境中過量磷的重要指標，可反映植物的磷富集潛力。本研究中，粗齒冷水花磷提取率可達8.24%～45.1%；相比紫花苜蓿 (Medicago sativa)[37]、水蓼[26]等富磷植物3%和6%的整株磷提取率，粗齒冷水花具有明顯的富磷優(yōu)勢。本研究中，礦山生態(tài)型粗齒冷水花磷提取率隨施磷量增加明顯降低，與磷富集植物礦山生態(tài)型水蓼的變化趨勢一致[31]，其原因主要是土壤有效磷含量急劇增加。此外，本研究中，在適宜施氮條件下，礦山與非礦山生態(tài)型地上部磷移除量分別為23.1 mg/kg和16.9 mg/kg，顯著高于不施氮、相同磷濃度下的礦山生態(tài)型 (6.16 mg/kg) 與非礦山生態(tài)型(2.61 mg/kg) 磷移除量[19]。因此，適宜施氮還可促進粗齒冷水花對土壤中過量磷的移除，增強其富磷潛力。

4 結(jié)論

適宜施氮量促進了兩種生態(tài)型粗齒冷水花的生長和對磷的吸收積累，提高了植株在高磷條件下的耐受能力和富磷能力。適宜施氮條件下粗齒冷水花在施磷600 mg/kg時長勢和磷積累能力均最佳，其地上部磷積累量最高為195 mg/株。與非礦山生態(tài)型相比，礦山生態(tài)型在不施磷和施磷400 mg/kg時具有更強的磷富集能力。