不同氮肥品種對(duì)不同類型土壤莧菜鎘累積的影響

王 麗，鄒 茸，王秀斌，霍文敏，2，遲克宇，范洪黎*

（1.中國(guó)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)農(nóng)村部植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.中國(guó)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）

隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展，各種重金屬由生活污水排放、大氣沉降、采礦冶煉等途徑進(jìn)入農(nóng)田，且數(shù)量逐年增加，造成農(nóng)田土壤重金屬污染［1］。鎘（Cd）是重要的環(huán)境污染物，具有致癌、致畸和致突變作用，通過食物鏈危害人類健康［2］，過量吸收鎘會(huì)導(dǎo)致骨痛病、腎衰竭、消化不良、心血管功能紊亂甚至患癌癥等［3］。故阻控鎘向食物鏈遷移成為降低土壤鎘污染風(fēng)險(xiǎn)的重要途徑［4］。自20世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)Cd以來，Cd被廣泛應(yīng)用于電鍍工業(yè)、化工業(yè)、電子業(yè)和核工業(yè)等領(lǐng)域，相當(dāng)數(shù)量的Cd被排入環(huán)境，引起全球性土壤Cd污染［5］。2014 年4月國(guó)家環(huán)境保護(hù)部和國(guó)土資源部公布的全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)顯示，鎘（Cd）的點(diǎn)位超標(biāo)率最高，正式被確定為我國(guó)土壤的首要污染物［6］。據(jù)報(bào)道，我國(guó)每年由于土壤 Cd 污染的農(nóng)產(chǎn)品超標(biāo)達(dá)14.6億kg［7］，Cd 在土壤中因其高毒性和高移動(dòng)性，采用傳統(tǒng)物理或化學(xué)方法治理不僅成本高、周期長(zhǎng)，且更易造成二次污染［8］。農(nóng)藝措施調(diào)控是修復(fù)鎘污染土壤最經(jīng)濟(jì)直接的手段，施肥作為重要的農(nóng)藝措施，特別是氮肥，對(duì)土壤鎘的生物有效性有重要影響［9］。隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，人們希望污染土壤修復(fù)不僅不要對(duì)土壤肥力與生態(tài)環(huán)境功能予以影響，而且也不應(yīng)形成二次污染。因此，借助生物修復(fù)、動(dòng)物修復(fù)以及自然修復(fù)等技術(shù)對(duì)污染土壤實(shí)施修復(fù)，逐漸成為污染土壤修復(fù)研究的發(fā)展方向［10］。大量研究表明，利用超富集植物修復(fù)土壤重金屬污染具有成本低、安全、可原位處置、減小對(duì)土壤結(jié)構(gòu)性質(zhì)的破壞，避免對(duì)周邊環(huán)境造成二次污染等優(yōu)點(diǎn)［11-13］。因此，研究植物對(duì)鎘吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和累積機(jī)制，篩選高耐鎘或鎘超富集品種，切斷鎘在土壤-植物-人畜中的傳導(dǎo)途徑，修復(fù)鎘污染土壤，對(duì)于減輕或消除土壤鎘污染危害具有積極的意義［14-15］。利用植物修復(fù)土壤重金屬污染存在超富集植物的生物量小、受環(huán)境影響大等缺陷，但可以通過土壤水分管理、施肥等措施提高超富集植物對(duì)土壤重金屬污染的修復(fù)效率［16-17］。張圓圓等［18］采用營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)東南景天發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)施加氮肥能顯著提高東南景天的生物量并促進(jìn)其對(duì)Zn、Cd 的吸收和地上部累積。

本文以超富集植物莧菜（Amaranshus mangostanus L.）為研究對(duì)象，通過在兩種類型鎘污染土壤上施入4種不同的氮肥，研究不同氮肥對(duì)莧菜吸收累積鎘的影響，探討施氮肥提高莧菜對(duì)鎘富集能力的可行性，根據(jù)土壤類型，合理選用氮肥種類，為土壤鎘的高效修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤取自江蘇長(zhǎng)江三角洲地帶的黃棕壤和廣東珠江三角洲地帶的赤紅壤，其理化性質(zhì)見表1。莧菜為前期篩選的鎘超富集植物莧菜天星米（Amaranshus mangostanus L.）。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)

供試肥料：氮肥：尿素［CO（NH2）2］，分析純；硫酸銨［（NH4）2SO4］，分析純；硝酸鈉（NaNO3），分析純；硝酸銨（NH4NO3），分析純；磷、鉀肥：磷酸氫二鉀（K2HPO4），分析純。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用盆栽試驗(yàn)，共設(shè)置5個(gè)處理，包括尿素、硫酸銨、硝酸鈉、硝酸銨不同的N源及對(duì)照（CK，不施肥），氮肥施用量一致，均為N 200 mg/kg，以溶液形式加入土壤中。每盆裝風(fēng)干土0.75 kg，在播種之前，以CdCl2溶液形式加入Cd 15 mg/kg。基礎(chǔ)肥料以基肥形式加入，使用不同氮肥、磷酸氫二鉀和硫酸鉀，每千克土N 200 mg，P2O5229 mg，K2O 200 mg與土壤充分混勻，隨機(jī)設(shè)計(jì)，3個(gè)重復(fù)。培養(yǎng)2周后，播種，出苗一周后定植為5株，生長(zhǎng)期內(nèi)定期澆去離子水，保持土壤相對(duì)含水量為田間持水量的70%左右。

1.3 收獲與測(cè)定

植株生長(zhǎng)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(cè)定其Cd 含量［19］。

根據(jù)生物富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)計(jì)算方法，結(jié)合植株生物量，通過計(jì)算植株生物富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)來反映其吸收和積累重金屬鎘的能力［20-21］。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/地下部Cd含量

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010 對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，利用SAS 9.4軟件用Duncan法進(jìn)行單向方差分析（ANOVA），比較基于ANOVA得出的最小顯著差異值的結(jié)果，P＜0.05被認(rèn)為具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義［22］。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用不同氮肥對(duì)莧菜生物量的影響

圖1 不同氮肥品種對(duì)莧菜生物量的影響

由圖1可知，不同類型土壤在不同氮肥處理下地上部、地下部生物量差異各不相同。黃棕壤中，尿素處理下莧菜地上部生物量高于對(duì)照，增幅為17%，硫酸銨、硝酸鈉、硝酸銨處理反而使莧菜地上部生物量降低，其中硝酸銨降幅最大，為30%。赤紅壤中，與對(duì)照相比，硫酸銨、硝酸鈉處理地上部生物量顯著增加，分別為37%、29%，尿素、硝酸銨處理地上部生物量有所增加，但與對(duì)照差異不顯著。黃棕壤中，尿素、硫酸銨處理的地下部生物量有所增加但與對(duì)照差異不顯著，而硝酸銨和硝酸鈉處理顯著低于對(duì)照，硝酸銨降幅最大，為31%。赤紅壤中，硫酸銨、硝酸鈉處理的莧菜地下部生物量顯著高于對(duì)照，增幅分別為64.0%、70.8%，尿素、硝酸銨與對(duì)照相比差異不顯著。結(jié)果表明，在黃棕壤上施加尿素能促進(jìn)莧菜的生長(zhǎng)，增加莧菜生物量，而施加硫酸銨、硝酸鈉、硝酸銨不利于莧菜的生長(zhǎng)，其中硝酸銨的抑制作用最明顯；在赤紅壤上施用硫酸銨和硝酸鈉都有利于促進(jìn)莧菜的生長(zhǎng)，且效果相當(dāng)，而施加尿素和硝酸銨對(duì)莧菜生長(zhǎng)無明顯的影響。

2.2 不同氮肥對(duì)莧菜吸收、累積鎘的影響

由表2可以得出，在黃棕壤和赤紅壤中，莧菜Cd含量、Cd累積量存在較大的差異。黃棕壤中，尿素、硫酸銨和硝酸銨處理時(shí)地上部Cd含量均顯著高于對(duì)照，而硝酸鈉處理與對(duì)照差異不顯著；各處理莧菜地上部鎘累積量高低順序?yàn)槟蛩兀玖蛩徜@＞硝酸銨＞對(duì)照＞硝酸鈉，尿素處理與對(duì)照存在顯著差異。其中，尿素處理地上部Cd含量和Cd累積量增幅最大，分別為59%、90%。與對(duì)照相比，尿素、硫酸銨處理地下部Cd含量和Cd累積量都顯著增加，硝酸銨處理時(shí)差異不顯著，硝酸鈉處理反而都顯著降低。其中，尿素處理地下部Cd含量和Cd累積量增幅最大，分別為243%、259%，硝酸鈉處理地下部降幅分別為88% 、91%。赤紅壤中，與對(duì)照相比，尿素、硫酸銨和硝酸銨處理地上部Cd含量、Cd 累積量都顯著增加，硝酸鈉處理均顯著降低。其中，硫酸銨處理時(shí)地上部Cd含量、Cd累積量分別增加了56%、114%。地下部Cd含量、Cd累積量分別增加了141%、293%。尿素、硫酸銨處理地下部Cd含量、Cd累積量都顯著高于對(duì)照，硝酸鈉處理都顯著低于對(duì)照，而硝酸銨處理與對(duì)照差異不顯著。其中，硫酸銨處理時(shí)地下部Cd累積量增幅最大，增加了2.9倍。

表2 氮肥品種對(duì)莧菜植株體內(nèi)Cd含量和累積量的影響

黃棕壤中，尿素、硫酸銨處理的生物富集系數(shù)較大，表明施尿素、硫酸銨能更好地吸收土壤中的Cd，促進(jìn)莧菜對(duì)Cd的富集。赤紅壤中，硫酸銨、硝酸銨處理的生物富集系數(shù)較大，表明施硫酸銨、硝酸銨能更好地提取赤紅壤中的Cd，提高植株對(duì)Cd的富集能力。綜合不同氮肥對(duì)莧菜生物量的影響，在黃棕壤上施用尿素，赤紅壤上施用硫酸銨時(shí)莧菜對(duì)土壤Cd的修復(fù)效果最好，效率最高。

2.3 莧菜生物量與吸收、累積鎘的相關(guān)性

從表3可以得出，在黃棕壤中，莧菜地上部生物量與Cd含量不相關(guān)，與Cd累積量呈極顯著相關(guān)，Cd含量與Cd累積量之間極顯著相關(guān)；地下部與地上部不同，地下部生物量與Cd含量顯著相關(guān)，與Cd累積量極顯著相關(guān)，且Cd含量與Cd累積量之間也呈極顯著相關(guān)。在赤紅壤中，地上部生物量、Cd含量與Cd累積量之間的相關(guān)性與黃棕壤相同；地下部生物量與Cd含量、Cd累積量不相關(guān)，但Cd含量與Cd累積量之間具有極顯著相關(guān)性。結(jié)果表明，黃棕壤地下部生物量不僅影響其Cd累積量，還影響其Cd含量；赤紅壤地下部生物量不會(huì)影響其Cd含量和Cd 累積量。

表3 莧菜生物量與其吸收、累積鎘的相關(guān)性

3 討論

植物體內(nèi)重金屬含量和該種植物可收獲部分的生物量決定了此種植物實(shí)際修復(fù)效率。有研究表明，不同施肥處理對(duì)兩種莧菜的生物量和各器官中Cd的含量均有顯著影響。施加N、P、K肥可以提高莧菜的生物量，因此，莧菜提取Cd的總量與對(duì)照相比成倍數(shù)增加，從而提高了修復(fù)效率。施肥提高莧菜生物量的同時(shí)，也會(huì)改變土壤中重金屬的有效性［23］。莧菜地上部Cd含量較高，且其地上部Cd 含量受多種因素的影響［24-26］，尤其受土壤（介質(zhì)）中重金屬全量及重金屬生物有效性的影響，甚至與土壤（介質(zhì)）中重金屬全量顯著正相關(guān)［27］。通過盆栽試驗(yàn)，表明不同土壤、不同肥料種類影響了莧菜的Cd含量和Cd累積量。

3.1 不同氮肥品種對(duì)莧菜生物量的影響

不同氮肥對(duì)莧菜的生長(zhǎng)影響不同。在黃棕壤上施加尿素促進(jìn)了莧菜地上部生長(zhǎng)，而施加硝酸鈉抑制了莧菜的生長(zhǎng)；在赤紅壤上施加硫酸銨、硝酸銨促進(jìn)了莧菜的生長(zhǎng)，而施加尿素、硝酸鈉對(duì)莧菜生長(zhǎng)無明顯影響。在黃棕壤上各氮肥處理下鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均小于1，最大的為硝酸銨（0.98），最低的是尿素（0.42）。而赤紅壤上轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均大于1，最大的為硝酸鈉（3.57），最低的是尿素（1.00）。各氮肥轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的不同可能與氮肥特性有關(guān)。土壤pH值對(duì)Cd形態(tài)和有效性影響較大，硫酸銨為生理酸性肥料，植物吸收NH4+后，根際土壤的pH值降低，Cd的有效性皆增加［28］。尿素在土壤中脲酶的作用下，先轉(zhuǎn)變?yōu)镹H4+-N，然后被植物吸收。說明較高的尿素施用量可顯著降低土壤pH值。原因可能是過量尿素水解反應(yīng)的速度高于NH4+-N的硝化速度，致使土壤中累積NH4+，從而使植物吸收NH4+的比例增加，根系分泌H+增多，土壤pH值降低［29］。土壤pH值的差異不僅影響著土壤對(duì)鎘離子的解吸和固定程度，還影響植物根系和地上部的生理代謝過程或重金屬在植物體內(nèi)的運(yùn)轉(zhuǎn)等而間接影響重金屬元素的吸收［30］。施用NH4+-N肥后，土壤pH值降低，重金屬的解吸和溶解過程增強(qiáng)，根際重金屬離子的有效性增加［31-32］，而且不同氮肥施入土壤后對(duì)土壤鎘有效性的影響不同，由此推測(cè)不同氮肥類型主要通過調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)，增加地上部生物量，從而提高植物修復(fù)效率［33］。比如施加尿素處理的超積累植物龍葵能夠吸收更多的活性Cd，導(dǎo)致龍葵各器官Cd 含量顯著性增加［34］。硝酸銨和硫酸銨能明顯提高小麥的籽粒產(chǎn)量，其次為尿素，氯化銨處理的小麥產(chǎn)量最低［35］。此結(jié)果與本試驗(yàn)結(jié)果相似。由此可見，施用銨態(tài)氮、尿素對(duì)生物量增產(chǎn)效果較好。在黃棕壤上施加尿素，在赤紅壤上施用硫酸銨能促進(jìn)莧菜的生長(zhǎng)，增加莧菜生物量。

3.2 不同氮肥對(duì)莧菜吸收、累積鎘的影響

不同氮肥處理對(duì)莧菜吸收、累積Cd的影響不同。黃棕壤中，所有氮肥處理莧菜地上部Cd含量都比無肥處理高，其中以尿素的促進(jìn)作用最強(qiáng)。地下部Cd含量除硝酸鈉處理外都有所增加，其中尿素增幅最大。莧菜地上部和地下部Cd累積量除硝酸鈉處理外都有增加的趨勢(shì)，其中尿素處理的Cd累積量最大；赤紅壤中，除硝酸鈉處理外，其他氮肥處理地上部鎘含量都比無肥處理增加莧菜對(duì)鎘的吸收，其中硫酸銨的促進(jìn)作用最強(qiáng)。地下部Cd含量除硝酸鈉處理外都有所增加，其中尿素增幅最大，其次是硫酸銨。莧菜地上部和地下部Cd累積量除硝酸鈉處理外都有增加的趨勢(shì)，其中硫酸銨處理的Cd累積量最大。本試驗(yàn)表明，兩種酸性土壤上施用尿素、硫酸銨、硝酸銨在一定程度上增強(qiáng)了莧菜植株對(duì)土壤中Cd的吸收但效果不同。在黃棕壤中，尿素處理的生物富集系數(shù)最大，而硝酸鈉處理的轉(zhuǎn)運(yùn)量系數(shù)最大；赤紅壤中，硫酸銨處理的生物富集系數(shù)最大，硝酸鈉處理的轉(zhuǎn)運(yùn)量系數(shù)最大。生物富集系數(shù)是描述化學(xué)物質(zhì)在生物體內(nèi)累積趨勢(shì)的重要指標(biāo)，在實(shí)際超富集植物篩選中，很難達(dá)到生物富集和轉(zhuǎn)運(yùn)同時(shí)滿意的效果。即使同一氮肥施用于不同土壤類型，其莧菜對(duì)氮、Cd吸收也會(huì)有很大的差異性，具體原因有待進(jìn)一步分析。以往研究發(fā)現(xiàn)，植物在吸收銨態(tài)氮時(shí)會(huì)導(dǎo)致H+釋放至土壤中，使土壤pH值降低［32］，從而增強(qiáng)土壤 Cd 的生物有效性。還有研究發(fā)現(xiàn)施用硫酸銨、尿素、氯化銨、硝酸銨4種氮肥均能降低土壤的pH值，增加Cd 的提取量，但不同氮肥的效果不同［36］。這些研究結(jié)論的不一致可能與土壤特性尤其是土壤緩沖性有關(guān)［37］。土壤施用銨態(tài)氮肥會(huì)增加 Cd 在植物體內(nèi)的積累［38-39］。這與本研究的結(jié)果相似。施肥處理對(duì)小白菜吸收、積累鎘的促進(jìn)或抑制作用的原因在于施肥處理增加或降低了土壤有效態(tài)鎘含量［40］。本研究不同氮肥對(duì)土壤Cd的有效性影響不同，也有可能是不同土壤陽離子交換量和土壤膠體等與土壤吸附的Cd2+之間存在交換作用。

氮肥特性、土壤條件等都會(huì)影響植株對(duì)Cd的吸收和累積。綜上所述，在黃棕壤上施用尿素，在赤紅壤上施用硫酸銨能提高莧菜的Cd含量和Cd累積量，提高莧菜對(duì)Cd污染土壤的植物修復(fù)效率。

3.3 莧菜生物量與其吸收、累積鎘的相關(guān)性

植物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可能會(huì)影響土壤-植物體內(nèi)重金屬的活性和生物有效性，從而影響其在植物生長(zhǎng)和重金屬在體內(nèi)的積累［41］。對(duì)于黃棕壤和赤紅壤，莧菜植株Cd累積量與植株Cd含量密切相關(guān)，植物生長(zhǎng)狀況對(duì)其Cd累積產(chǎn)生直接影響。從莧菜生物量與Cd累積量相關(guān)性分析可知，施用氮肥能促進(jìn)植株的生長(zhǎng)從而提高植株對(duì)重金屬Cd的吸附能力。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)研究結(jié)果表明：在黃棕壤和赤紅壤上施加不同品種的氮肥對(duì)莧菜生物量的影響不同。在黃棕壤上施加尿素能促進(jìn)莧菜的生長(zhǎng)，增加莧菜生物量，在赤紅壤上施用硫酸銨和硝酸鈉都有利于促進(jìn)莧菜的生長(zhǎng)，且效果相當(dāng)，而施加尿素和硝酸銨對(duì)莧菜生長(zhǎng)無明顯的影響；施用不同種類的氮肥，莧菜對(duì)Cd的吸收和累積存在一定的差異。在黃棕壤和赤紅壤中施入尿素、硫酸銨、硝酸銨均能提高莧菜地上部和地下部的Cd累積量，黃棕壤上施用尿素效果最佳，赤紅壤上施用硫酸銨效果最佳；在黃棕壤中施加尿素，莧菜生物富集系數(shù)最大，在赤紅壤中施加硫酸銨，莧菜的富集系數(shù)最大，能更好地促進(jìn)莧菜對(duì)土壤中鎘的吸收和富集。在一定土壤Cd濃度污染范圍內(nèi)，尿素和硫酸銨能分別提高莧菜對(duì)黃棕壤和赤紅壤上的Cd含量和Cd累積量，且成本低、效果好、易操作，適宜推廣應(yīng)用。