施加氮肥、硫肥對(duì)杞柳提取土壤中鉛、鎘的影響1)

王紹坤 牛小云 邸東柳 孫湃 黃大莊 閆海霞

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，保定，071000) (北京市延慶區(qū)園林綠化局)

隨著工業(yè)化與城市化進(jìn)程加快，我國出現(xiàn)了大量的環(huán)境問題，其中最嚴(yán)重的是重金屬污染問題[1]。鉛(Pb)、鎘(Cd)等重金屬污染不僅對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)產(chǎn)生不利影響，也對(duì)人類身體健康造成巨大威脅[2]。植物修復(fù)，尤其是植物提取，因其經(jīng)濟(jì)、有效、環(huán)境友好等特點(diǎn)成為關(guān)注的熱點(diǎn)。木本植物如柳樹[3](Salix)、刺槐[4](RobiniapseudoacaciaLinn)、楊樹[5](Populus)等不僅能吸收土壤里的重金屬，且因其生物量大、根系發(fā)達(dá)、生長速度快等特點(diǎn)，越來越多的被用作植物修復(fù)，但其修復(fù)效率低成為被大規(guī)模推廣應(yīng)用的阻礙。施肥可以有效地提高植物修復(fù)效率。氮(N)、硫(S)都是植物生長必需的營養(yǎng)元素，可以促進(jìn)植物生長[6-7]。肥料的添加對(duì)植物中重金屬積累的影響取決于其質(zhì)量分?jǐn)?shù)，少量添加氮肥可以促進(jìn)植物對(duì)鎘的累積，但大量添加氮肥增加了鎘的毒性，抑制植物生長，從而減少了對(duì)重金屬的累積[8]。硫肥通過影響植物生長、植物體內(nèi)重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)，進(jìn)而影響重金屬的累積量[9]。施肥不僅直接影響植物對(duì)重金屬的吸收，且通過影響土壤的理化性質(zhì)間接影響植物對(duì)重金屬的吸收。施加氮肥、硫肥會(huì)引起土壤酸度的變化，而通過改變金屬離子的水解平衡從而改變其可溶性會(huì)影響重金屬的生物有效性[10-12]。以往研究施肥對(duì)影響重金屬吸收的對(duì)象大多為農(nóng)作物、超累積植物，對(duì)木本植物研究較少，且研究多為單一肥料添加[13-14]。杞柳(SalixintegraThunb.)對(duì)多種重金屬均具有較高的耐受性及積累量，在植物修復(fù)重金屬污染土壤的中應(yīng)用較多[15-16]。施加氮肥、硫肥對(duì)杞柳吸收鉛、鎘產(chǎn)生的影響，目前尚沒有相關(guān)報(bào)道。因此本研究以杞柳為研究對(duì)象，測(cè)定不同水平、比例的氮肥、硫肥對(duì)杞柳提取鉛、鎘的影響，為通過農(nóng)藝措施促進(jìn)植物修復(fù)鉛、鎘污染土壤提供數(shù)據(jù)參考。

1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于河北省保定市河北農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)站(115°42′E,38°81′N)，屬溫帶半濕潤大陸性氣候，年平均溫度為13.4 ℃，年降水量532 mm。土壤為典型的潮褐土。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)于2019年4月進(jìn)行，選擇生長勢(shì)相同的杞柳1年生扦插苗作為試驗(yàn)材料。供試土壤理化性質(zhì)為pH為8.42，有機(jī)質(zhì)18.13 g·kg-1，全氮319.9 mg·kg-1，全磷205.9 mg·kg-1,全鉀6.37 mg·kg-1，Pb 296.4 mg·kg-1，Cd 23.7 mg·kg-1。采用盆栽試驗(yàn)(花盆h為30 cm，d為30 cm)，氮肥施加CO(NH2)2、硫肥施加Na2SO4，氮肥、硫肥的施加水平(以N、S質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì))如表1所示，共9個(gè)處理，依次為T1～T9，每個(gè)處理6個(gè)重復(fù)。肥料分5次等量添加，于2019年5月15日開始，每2周添加1次，于2019年7月15日完成施肥處理。根據(jù)處理水平要求，即每次取0.303 1、0.606 2 g CO(NH2)2，即0.141 3、0.282 6 g N；0.627 0、1.254 0 g Na2SO4，即0.141 3、0.282 6 g S，溶于水中，均勻噴灑于每個(gè)花盆內(nèi)?；ㄅ桦S機(jī)擺放，所有杞柳采取相同的管理措施(澆水、松土、除草、除蟲等)。在盆栽場地搭建遮雨棚，盆底設(shè)托盤，試驗(yàn)場地鋪設(shè)2層塑料布，以避免重金屬對(duì)土壤的污染。

表1 氮肥、硫肥施加水平

2.2 樣品采集

生長季過后，于2019年10月15日，將杞柳整株取出，并對(duì)其根、枝、葉分別進(jìn)行植株生物量及各組織重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定。

2.3 土壤化學(xué)性質(zhì)測(cè)定

土壤風(fēng)干，過60目篩后，經(jīng)濃硫酸消煮后用重鉻酸鉀加熱法測(cè)定有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)；經(jīng)碳酸氫鈉提取后用鉬銻抗比色法測(cè)定速效磷；經(jīng)醋酸提取后用原子分光光度計(jì)測(cè)定速效鉀；將土壤溶解在去離子水中，用電子pH計(jì)測(cè)定pH；采用酚二磺酸比色法測(cè)定硝態(tài)氮；采用KCl浸提-靛酚藍(lán)比色法測(cè)定銨態(tài)氮；采用磷酸鹽浸提-硫酸鋇比濁法測(cè)定有效硫，用氯化鋇-硫酸交換法測(cè)定陽離子交換值[17]。

2.4 植物生物量以及組織中鉛、鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定

生物量的測(cè)定：將根、枝條、葉用自來水將塵土沖洗干凈后，再分別用自來水及超純水多次沖洗，然后用吸水紙擦干后烘干。將0.5 g研磨過篩后的植物組織粉末用混合液V(HNO3)∶V(HClO4)=10∶1消煮后，使用火焰原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定鉛(Pb)、鎘(Cd)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2.5 數(shù)據(jù)處理

為了評(píng)估植物中Pb、Cd的積累及其從根向地上植物組織的轉(zhuǎn)運(yùn)，分別計(jì)算了生物富集系數(shù)(BCF)、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)[18]。生物富集系數(shù)為植物各組織，即葉，枝、根中的重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤中的重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比值；轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為植物地上部分的重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)與地下部分的重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比值。

采用雙因素方差分析檢測(cè)氮、硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)不同處理間各指標(biāo)的顯著性差異。用Shapiro-Wilk檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的正態(tài)性，符合正態(tài)分布的用最小顯著性差異法(LSD)比較不同處理間的差異顯著性，不符合正態(tài)分布的用非參數(shù)檢驗(yàn)、比較不同處理間的差異顯著性。以上分析在SPSS19.0軟件中執(zhí)行,主成分分析(PCA)在CANOCO 4.5中運(yùn)行。

3 結(jié)果與分析

3.1 施加氮肥、硫肥對(duì)杞柳生物量的影響

施加氮肥、硫肥對(duì)杞柳生物量的影響如表2所示。氮、硫肥間的交互作用對(duì)杞柳根、枝、葉、總生物量影響顯著。同時(shí)施加氮肥、硫肥顯著促進(jìn)杞柳生長；單一施加氮肥、硫肥對(duì)杞柳生長沒有促進(jìn)作用。在T6處理中，杞柳生物量最高；在T9處理中，杞柳生物量最低，但與對(duì)照差異不顯著。

表2 不同處理的杞柳生物量

3.2 施加氮肥、硫肥對(duì)杞柳提取鉛、鎘的影響

氮肥、硫肥對(duì)杞柳提取鉛、鎘的影響如表3所示。除T4處理降低了杞柳根部Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)外，單一施加氮肥、硫肥或同時(shí)施加氮肥、硫肥均顯著增加杞柳根部Pb、Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)。同時(shí)施加氮肥、硫肥處理的杞柳根部重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高。在T8處理中，根部Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高；在T5處理中，根部Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高。單一施加氮肥、硫肥或同時(shí)施加氮肥、硫肥均顯著降低杞柳葉部Pb、Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)。同時(shí)施加氮肥、硫肥時(shí)，杞柳葉部重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低。在T8處理中，杞柳葉部Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低；在T9處理中，杞柳葉部Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低。同時(shí)施加氮肥、硫肥顯著促進(jìn)了杞柳對(duì)鉛、鎘的吸收，硫肥與氮肥存在交互作用；單一施加氮肥、硫肥對(duì)杞柳吸收Pb、Cd沒有促進(jìn)作用。在T6處理中，杞柳對(duì)Pb、Cd吸收總量最高；在T9處理中，杞柳對(duì)Pb、Cd吸收總量最低，但與對(duì)照無顯著差異。杞柳對(duì)Pb的吸收總量小于對(duì)Cd的吸收總量。

表3 杞柳各組織Pb、Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)及吸收總量

3.3 施加氮肥、硫肥對(duì)杞柳各組織鉛、鎘富集系數(shù)與轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的影響

氮肥、硫肥對(duì)生物富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的影響如表4所示。同時(shí)施加氮肥、硫肥顯著增加Pb、Cd根部生物富集系數(shù)，在T8處理中，Pb根部生物富集系數(shù)最高；在T5處理中，Cd根部生物富集系數(shù)最高。不同施肥處理Pb的生物富集系數(shù)均小于1，Cd的生物富集系數(shù)均大于1。施氮肥或同時(shí)施加氮肥、硫肥顯著降低Pb、Cd在枝部、葉部的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)。在T6處理中，Pb在枝部的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最低；在T8處理中，Pb在葉部的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最低。在T5處理中，Cd在枝部的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最低；在T5、T8處理中，Cd在葉部的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均最低。施硫肥降低了Cd在枝部、葉部的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，但同時(shí)施加2種肥料轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)更低。

表4 不同處理杞柳各組織Pb、Cd的富集系數(shù)及轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

3.4 施加氮肥、硫肥對(duì)鉛、鎘污染的土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

氮肥、硫肥對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響如表5所示。單一施加氮肥顯著降低土壤pH值，在T8處理中，pH最低。單一施加氮肥、硫肥顯著降低有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，在T7處理中有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低。單一施加氮肥顯著增加土壤陽離子交換量，其在T4處理中最高。單一施加硫肥顯著降低土壤陽離子交換量，其在T2處理中最低。同時(shí)施加氮肥、硫肥對(duì)土壤陽離子交換量影響不同，在T6處理中，陽離子交換量增加；在T8處理中，陽離子交換量降低。同時(shí)施加氮肥、硫肥顯著增加土壤速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其中T9處理的最高。單一施加氮肥、硫肥及同時(shí)施加氮肥、硫肥均顯著降低土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其中T9處理的最低。相反，單一施加氮肥、硫肥及同時(shí)施加氮肥、硫肥均顯著增加土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其中T9處理的最高。單一施加氮肥與同時(shí)施加氮肥、硫肥均顯著增加土壤有效硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其中T9處理的最高。

表5 不同處理的土壤化學(xué)性質(zhì)

3.5 植物吸收重金屬與植物生長、土壤性質(zhì)的相關(guān)分析

植物吸收重金屬與植物生長、土壤性質(zhì)的主成分分析表明(圖1)，第一主成分和第二主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率69.9%，第一主成分貢獻(xiàn)率51.7%，第二主成分貢獻(xiàn)率18.2%。結(jié)果表明：杞柳Pb、Cd吸收總量主要受總生物量及根部重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響，呈正相關(guān)關(guān)系。杞柳根中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要受到土壤pH、陽離子交換量、銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。

Q-Cd為Cd吸收總量；Q-Pb為Pb吸收總量；B為生物量總量；R為根生物量；S為枝條生物量；L為葉生物量；R-Cd為根部Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)；S-Cd為枝條Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)；L-Cd為葉部Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)；R-Pb為根部Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)；S-Pb為枝條Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)；L-Pb為葉部Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)；pH為酸堿度；SOM為有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)；CEC為陽離子交換量；AP為速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)；AK為速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)；為硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)；為銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)；AS為有效硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

4 結(jié)論與討論

T6處理的杞柳對(duì)Pb、Cd吸收總量最高，表明植物富集重金屬依賴于生物量及各組織中重金屬離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[19-20]。在各種生物累積機(jī)制中，土壤pH值降低、金屬生物有效性提高、根際微生物活性增強(qiáng)，是強(qiáng)化植物提取重金屬的重要特征[21]。施加氮肥、硫肥會(huì)增加杞柳根部鉛、鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)(表3)，這表明了施加氮肥、硫肥一定程度會(huì)增加污染土壤中重金屬的生物有效性[22]。土壤酸化增加了土壤溶液中金屬的溶解度及金屬活性[23]。施加氮肥、硫肥可以通過降低土壤pH、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，從而增加土壤重金屬離子的生物有效性，促進(jìn)植物對(duì)重金屬離子的吸收。重金屬離子向枝條、葉部的轉(zhuǎn)移降低是杞柳的一種自我抵御機(jī)制，將更多的金屬離子固定在根部，從而減輕過多的金屬離子對(duì)植物的毒害[24]。本研究中，杞柳對(duì)Cd的吸收多于Pb，且Cd的生物濃度因子大于Pb，生物可利用態(tài)含量更高。原因是Cd是植物生長非必須元素且部分礦質(zhì)營養(yǎng)元素具有相似的非特定性載體，易與礦質(zhì)營養(yǎng)一起被植物根系吸收并通過枝條轉(zhuǎn)至葉部。另一方面，Pb是土壤中不易移動(dòng)的金屬，其易在土壤基質(zhì)中形成低水溶性的沉淀物，在許多情況不易被生物利用。此外，許多植物通過吸附、沉淀將Pb保留在其根部，對(duì)地上可收獲植物部分的轉(zhuǎn)運(yùn)較少[25-26]。

土壤化學(xué)性質(zhì)是影響重金屬形態(tài)及組分的主要因素，影響重金屬在植物組織中的吸收及運(yùn)轉(zhuǎn)[27]。本研究中，單一施加氮肥造成土壤酸化，其通過硝化作用降低土壤pH值[28]，但硫肥對(duì)pH影響不顯著，這表明施加氮肥對(duì)土壤性質(zhì)影響較大。單一施加氮肥、硫肥可以降低土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，且氮、硫間具有協(xié)同作用，這與侯丹[29]研究結(jié)果相同。有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低導(dǎo)致更少的金屬吸附位點(diǎn)、金屬螯合劑形成，從而增加了可提取金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)[30]。適量的氮肥、硫肥一定程度增加土壤中的重金屬離子活性，促進(jìn)植物對(duì)重金屬的累積；過量的氮肥、硫肥造成土壤酸化，其具有過高的重金屬離子活性，對(duì)植物本身造成一定的毒害作用，且降低植物吸收養(yǎng)分的能力，抑制杞柳生長[13]。

施加氮肥、硫肥分別增加土壤硝態(tài)氮、速效磷、有效硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)，且施加氮肥會(huì)刺激銨態(tài)氮的硝化作用，增加硝態(tài)氮的累積[31]。土壤微生物參與養(yǎng)分轉(zhuǎn)化[32]，土壤中速效磷顯著增加，是微生物轉(zhuǎn)化及其活性增加對(duì)土壤有效養(yǎng)分庫反應(yīng)的結(jié)果[33]。施加硫肥減少了土壤硝態(tài)氮的淋溶，提高了土壤中氮的有效性，氮肥的輸入也增加土壤有效硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，氮、硫的有效性相互促進(jìn)[34]。土壤肥力指標(biāo)速效磷、硝態(tài)氮、有效硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)在復(fù)合施用氮肥、硫肥的情況時(shí)顯著提高。因此，我們推測(cè)氮肥、硫肥對(duì)土壤肥力的促進(jìn)作用發(fā)生于添加比例優(yōu)化的情況，二者具有協(xié)同作用。合理施加氮肥、硫肥可以提高土壤肥力水平[35-36]，從而促進(jìn)杞柳生產(chǎn)及對(duì)重金屬的吸收。在保定地區(qū)本研究的污染水平時(shí)，氮肥施加量應(yīng)低于200 kg·hm-2·a-1。

綜上所述，合理施加氮肥、硫肥可以提高土壤肥力水平，促進(jìn)植物生長，增加Pb、Cd的生物有效性，影響杞柳對(duì)重金屬的吸收總量?？傮w上表現(xiàn)為低質(zhì)量分?jǐn)?shù)促進(jìn)，高質(zhì)量分?jǐn)?shù)抑制杞柳吸收土壤中的重金屬。重金屬的吸收總量主要受生物量及根系Pb、Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。