施磷肥對(duì)蓖麻吸收土壤中銅的影響

劉文英，高婕妤，萬 能，李 倩，萬 翔，胡紅青*

(1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，中國 武漢 430070；2. 湖北省地質(zhì)調(diào)查院，中國 武漢 430034)

近年來，農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染引起了社會(huì)的持續(xù)關(guān)注。銅礦的開采會(huì)導(dǎo)致礦區(qū)周邊土壤中銅的含量超過農(nóng)田土壤標(biāo)準(zhǔn)[1]。銅雖然是生物體必需的微量元素，但過量的Cu會(huì)對(duì)植物的生長發(fā)育產(chǎn)生負(fù)面影響甚至毒害作用[2]。

在土壤重金屬修復(fù)措施中，植物修復(fù)具有經(jīng)濟(jì)有效、環(huán)境友好、操作簡單及二次污染少等特點(diǎn)，是極有前景的重金屬污染治理技術(shù)[3]。研究表明，銅的超富集植物有海州香薷(Elsholtziasplendens)和鴨跖草(Commelinaconvnunis)等[4]。但超富集植物普遍存在生物量小、生長緩慢、經(jīng)濟(jì)價(jià)值不高等不足之處。因此，生物量大、生長迅速且對(duì)重金屬有較高耐性和富集能力的植物在植物修復(fù)中有較好的應(yīng)用前景。蓖麻(RicinuscommunisL.)是一種重要的油料作物，生物量大、根系發(fā)達(dá)，具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，對(duì)鎘[5]、銅[6]等重金屬有較高的耐性和富集能力，因此在銅礦區(qū)污染土壤中種植蓖麻是可行的植物修復(fù)技術(shù)。然而，在重金屬脅迫下，如何促進(jìn)植物對(duì)重金屬的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)是提高植物修復(fù)效率的關(guān)鍵。

馮子龍等[7]的研究表明，農(nóng)藝措施可提高重金屬去除效率。磷是作物生長的必需元素，施用磷肥不僅能提高作物產(chǎn)量，還能提高植物對(duì)重金屬富集量[8]。姚詩源等[9]的盆栽實(shí)驗(yàn)表明，施磷增強(qiáng)了生長在Cu污染土壤中蓖麻葉片的抗氧化能力，可增加植物對(duì)銅的吸收和富集。在Cu污染土壤上施磷，不但可以增強(qiáng)蓖麻對(duì)銅的修復(fù)效率，同時(shí)也能緩解重金屬對(duì)植物的脅迫，增加蓖麻的生物量和銅在體內(nèi)的富集量[6]。黃化剛等[10]的研究表明，磷酸鹽施用能提高東南景天對(duì)Zn/Cd復(fù)合污染土壤的修復(fù)效率。另一方面，磷酸鹽可通過絡(luò)合、與重金屬沉淀等機(jī)制固定土壤重金屬[11]，降低重金屬的生物有效性，減少重金屬對(duì)根系的脅迫，促進(jìn)根系對(duì)其他養(yǎng)分的吸收，改善植物的生長。Li 等[12]的研究表明，KH2PO4，NH4H2PO4和Ca(H2PO4)2均能顯著提高紅壤對(duì)銅的吸附能力。可見，磷對(duì)植物修復(fù)重金屬污染土壤的影響是多方面的，其對(duì)植物吸收轉(zhuǎn)運(yùn)銅的機(jī)制和修復(fù)效率的影響有待進(jìn)一步探究。

本研究在Cu污染農(nóng)田土壤中種植蓖麻，探究不同施磷(過磷酸鈣)水平能否促進(jìn)蓖麻生長，增強(qiáng)植物吸收Cu的能力，為污染土壤植物修復(fù)技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地為湖北省大冶市銅綠山銅礦區(qū)旁的農(nóng)地，位于大青山曹家灣(N 30°48′20″，E 114°55′46″)。該區(qū)域盛產(chǎn)銅礦，經(jīng)過多年的開采和冶煉，現(xiàn)存的尾礦滲出及雨水淋溶加重了周邊土壤的銅污染。該區(qū)域土壤是典型銅污染土壤，地帶性土壤為紅壤。研究地海拔120 m，年平均氣溫17.5 ℃，年降雨量為1 385 mm，土壤為棕紅壤，母質(zhì)為砂巖風(fēng)化物。供試土壤基本理化性質(zhì)如下：pH 6.5，有機(jī)質(zhì)28.2 mg·g-1，全磷0.6 mg·g-1，速效磷12.8 μg·g-1，總Cu質(zhì)量比664.2 μg·g-1，有效態(tài)銅質(zhì)量比40.7 μg·g-1，粉粒48.5%、粘粒28.8%、砂粒22.7%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)置

小區(qū)設(shè)置：小區(qū)面積為5 m×3.5 m，每公頃土壤施入180 kg N(尿素)、120 kg K2O(氯化鉀)。磷肥(過磷酸鈣，含P2O512%)設(shè)置4個(gè)水平：0，36，72和144 kg·hm-2，分別用NK，LP，MP及HP表示，另設(shè)置不施任何肥料的對(duì)照CK，每個(gè)處理重復(fù)3次，隨機(jī)排列。管理措施均按當(dāng)?shù)胤N植習(xí)慣進(jìn)行。

供試蓖麻(RicinuscommunisL.)種子采集于湖北省黃石市。選取籽粒飽滿、大小均勻的蓖麻種子，自然風(fēng)干后保存?zhèn)溆?。?020年5月初播種，采用穴播方式，每小區(qū)20窩，每窩3～4粒，出苗7天后間苗，保留每窩1株。

1.3 樣品采集與分析

2020年8月底收獲蓖麻并采集0～20 cm表層土壤樣品進(jìn)行測定。每小區(qū)隨機(jī)取2株蓖麻，將根、莖、葉分開，105 ℃殺青30 min，65 ℃烘至質(zhì)量恒定，稱取質(zhì)量，粉碎后過0.25 mm篩。稱取0.5 g樣品于錐形瓶中，加入10 mL混合酸HNO3-HClO4(體積比4∶1)消煮[13]，定容過濾，濾液中的銅用原子吸收分光光度計(jì)測定(Varian AAS240FS)。蓖麻銅轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)計(jì)算公式如下：

土壤去除植物殘?bào)w、碎石后，自然風(fēng)干，磨細(xì)過2.54和0.25 mm尼龍篩?；纠砘再|(zhì)測定參照《土壤農(nóng)化分析》[14]。土壤pH采用pH計(jì)(Mettler-Toledo FE20)測定，液土比(mL·g-1)2.5∶1。稱取0.5 g過0.25 mm篩的土壤，用HCl-HNO3-HClO4(體積比1∶3∶1)200 ℃下消煮，測定土壤的總Cu含量。不同形態(tài)Cu采用改進(jìn)的BCR(European Communities Bureau of Reference)連續(xù)提取法提取[15]。土壤有效態(tài)銅采用DTPA法提取。提取液中Cu均用原子吸收分光光度計(jì)測定(Varian AAS240FS)。

1.4 數(shù)據(jù)分析與制圖

采用Excel 2007和SPSS 22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，Duncan進(jìn)行顯著性分析，Origin 8.5作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施磷對(duì)蓖麻生長的影響

由圖1可見，施磷顯著增加了蓖麻各部位干質(zhì)量。只施氮肥和鉀肥的處理(NK)與未施肥(CK)處理相比，蓖麻根、莖、葉分別增加了73.7%，154.5%和76.7%。蓖麻根、莖和葉干質(zhì)量隨著施磷量的增加而增加，當(dāng)施磷量為144 kg·hm-2時(shí)，根、莖和葉干質(zhì)量分別為61.8，121.6和45.1 g·株-1，是CK處理的4.0，4.8和2.8倍，是NK處理的2.3，1.9和1.6倍(p<0.05)。MP處理根干質(zhì)量與NK相比顯著增加了63.5%，LP處理的蓖麻根、莖和葉干質(zhì)量與NK處理的差異均不顯著。

圖1 施磷對(duì)蓖麻干質(zhì)量的影響

在未施磷肥處理中，蓖麻莖干質(zhì)量大于根和葉的，且根、葉的干質(zhì)量相近；而在施磷肥處理中，3部分的干質(zhì)量表現(xiàn)為：莖>根>葉。顯然，施肥能促進(jìn)蓖麻的生長，增加蓖麻各部位生物量，而增施較多的磷肥促進(jìn)蓖麻各部位生長的效果更顯著。

2.2 施磷對(duì)蓖麻不同部位富集銅的影響

2.2.1 對(duì)蓖麻不同部位銅含量的影響 如圖2所示，施磷降低了蓖麻根系銅含量，增加了莖和葉中銅含量。當(dāng)施P2O5量分別為36，72和144 kg·hm-2時(shí)，蓖麻根含Cu量分別為44.5，45.7和52.9 μg·g-1，與CK和NK相比降低了2.5%～17.9%和10.9%～13.2%，而HP與NK相比，根部銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加了3.1%。

圖2 施磷對(duì)蓖麻銅含量的影響

在施磷處理中，磷用量增加可顯著增加蓖麻莖部銅含量，LP，MP，HP與NK相比，銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別增加了9.5%，13.8%和29.3%，差異顯著。當(dāng)施P2O5量為72和144 kg·hm-2時(shí)，與NK相比，蓖麻葉片銅質(zhì)量比略有增加，達(dá)到34.0和34.6 μg·g-1，但差異不顯著；與CK相比，在此施磷量下顯著增加了蓖麻葉片銅質(zhì)量比，增幅為16.0 μg·g-1，增幅達(dá)88.9%。在MP和HP處理下，與NK相比，蓖麻籽中銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別增加了0.7%和2.7%，但均不顯著。蓖麻各部位銅含量表現(xiàn)為：根>葉>籽>莖。

2.2.2 施磷對(duì)蓖麻體內(nèi)銅富集和轉(zhuǎn)運(yùn)的影響 蓖麻根、莖和葉銅提取量均隨著施磷量增加而增加(見表1)。當(dāng)施P2O5量為72和144 kg·hm-2時(shí)，蓖麻根的銅積累量分別為2.05和3.28 mg·株-1，與NK相比顯著增加了47.5%和136.0%；在施磷處理中，HP處理顯著增加了根部銅提取量，是只施氮鉀肥(NK)處理的2.4倍。

蓖麻莖的銅積累量在HP處理時(shí)達(dá)最大值1.83 mg·株-1，與其他處理間差異顯著，與NK相比增加了1.4倍。施磷顯著地促進(jìn)了蓖麻葉片銅的積累，MP和HP比NK處理的葉片銅積累量分別增加了58.1%和106.8%。

施磷與未施肥(CK)處理相比，整株蓖麻對(duì)銅的積累增加了65.6%～251.3%；在MP和HP處理下，銅的提取總量分別達(dá)到4.25和6.64 mg·株-1，分別是NK處理的1.5倍和2.3倍。顯然，施磷能顯著促進(jìn)蓖麻對(duì)銅的提取。

從表1可以看出，施磷可以改變蓖麻對(duì)銅的轉(zhuǎn)移能力。施磷處理下蓖麻體內(nèi)銅從根到莖的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)與NK處理相比，增加了21.7%～26.1%；卻降低了蓖麻莖到葉的銅轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，LP，MP及HP處理比NK處理低5.5%～24.8%。同時(shí)施磷使蓖麻莖到籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)降低了10.8%～20.2%。顯然，施磷能提高銅從蓖麻根到莖的轉(zhuǎn)移，同時(shí)降低銅從莖到葉和籽粒的轉(zhuǎn)移系數(shù)，提高蓖麻銅吸收量，增加了蓖麻籽粒的產(chǎn)量并改善品質(zhì)。

表1 施磷對(duì)蓖麻提取Cu和銅轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的影響

2.3 施磷對(duì)土壤銅形態(tài)和有效態(tài)銅的影響

施肥后土壤Cu形態(tài)的變化如圖3A所示。可以看出，施磷降低了弱酸提取態(tài)銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)，與未施磷處理(NK)相比降低了1.8%～6.0%，各施磷處理與NK處理差異均不顯著。MP處理時(shí)弱酸提取態(tài)銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，占總銅的9.3%，但當(dāng)施磷量為144 kg·hm-2時(shí)，可還原態(tài)和可氧化態(tài)銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為31.9%和17.0%，均顯著高于NK處理。殘?jiān)鼞B(tài)銅的占比隨著施磷量的增加呈先增加后降低的趨勢，施P2O5量為36和72 kg·hm-2時(shí)，殘?jiān)鼞B(tài)占總銅量的比率分別為48.3%和48.2%，比NK處理增加1.5%。而當(dāng)施P2O5量為144 kg·hm-2時(shí)，殘?jiān)鼞B(tài)銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降到41.4%，與未施磷處理相比降低了12.9%(P<0.05)?？梢姡?、中施磷量能降低土壤弱酸提取態(tài)銅，增加殘?jiān)鼞B(tài)銅含量。

施磷對(duì)土壤DTPA提取態(tài)有效銅含量影響如圖3B所示。高施磷量增加了土壤有效銅含量，當(dāng)施P2O5量達(dá)144 kg·hm-2時(shí)，土壤有效銅質(zhì)量比為91.1 μg·g-1，與NK相比顯著增加了135.4%。而中低量施磷處理下，有效銅含量與NK和CK處理差異均不顯著。

圖3 施磷對(duì)土壤不同形態(tài)銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)(A)和有效銅(B)的影響

2.4 施磷對(duì)土壤pH值和有效磷的影響

由圖4A可見，施用氮磷鉀肥顯著降低了土壤pH值。施肥處理土壤的pH值在5.0左右，與CK相比顯著降低約0.9個(gè)單位，但不同施磷量處理之間，土壤pH值變化不明顯，即本研究中施磷對(duì)土壤pH值無明顯影響，意味著本試驗(yàn)施肥降低土壤pH值可能主要是受氮、鉀肥的影響。

土壤有效磷含量變化如圖4B。只施氮鉀肥的處理(NK)土壤有效磷質(zhì)量比降低，由CK處理的11.5 μg·g-1降到了9.7 μg·g-1，降低15.6%，但差異不顯著。LP，MP和HP處理下，土壤可利用磷質(zhì)量比分別為20.7，19.9和24.3 μg·g-1；與NK相比分別增加了114.1%，106.1%和151.3%，且LP，MP處理與HP處理差異顯著?？梢?，施磷能顯著增加土壤有效磷含量。

圖4 施磷對(duì)土壤pH值(A)和有效磷(B)的影響

2.5 施磷對(duì)土壤基本性質(zhì)的影響

土壤CEC受到施肥量的影響(見圖5A)，當(dāng)施P2O5量為36和72 kg·hm-2時(shí)，土壤CEC分別為157和162 μmol·g-1，與NK處理相比降低了6.0%和3.7%，差異不顯著。而當(dāng)施磷量為144 kg·hm-2時(shí)顯著增加了陽離子交換量，與NK處理相比顯著增加了12.6%，且與LP和MP處理差異顯著。原因可能是過磷酸鈣含有鈣和鎂等元素，增加了土壤交換性陽離子含量。高施磷量顯著增加了土壤DOC含量(見圖5B)，HP處理時(shí)DOC質(zhì)量比為116.8 μg·g-1，是NK處理的1.4倍，與土壤有效銅變化趨勢相同，而中低量施磷對(duì)土壤DOC的影響不明顯。未施肥CK處理DOC含量均顯著高于NK、LP和MP處理，原因可能是蓖麻根系受到銅脅迫分泌低分子量有機(jī)酸類的有機(jī)物而增加了土壤DOC含量。可見，高施磷量能顯著增加土壤CEC和DOC含量。

圖5 施磷對(duì)土壤CEC(A)和DOC(B)的影響

圖6顯示了施肥條件下土壤DOC的熒光光譜。所有處理的熒光峰位置在270 ex/(420～430) em。熒光峰位置相似表明不同施肥處理中土壤有機(jī)質(zhì)有相似的化學(xué)組成。在不同處理下，熒光強(qiáng)度值范圍在103～231，熒光強(qiáng)度表現(xiàn)為HP>CK>NK。DOC結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度與熒光強(qiáng)度密切相關(guān)，HP處理的土壤DOC具有較大的熒光強(qiáng)度，表明該DOC分子量小，為低芳香聚合的簡單結(jié)構(gòu)；而NK處理者熒光強(qiáng)度最小，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。研究表明，不同DOC對(duì)土壤重金屬的活性有不同的影響，植物根系分泌的小分子量有機(jī)化合物含有羧基、羥基等基團(tuán)，能與土壤重金屬絡(luò)合，增加其有效性，而高分子量有機(jī)質(zhì)對(duì)重金屬的絡(luò)合能力減弱[16,17]?？梢?，施磷可影響土壤DOC的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響重金屬的有效性。

圖6 施磷條件下土壤中可溶性有機(jī)碳熒光光譜

3 討論

在植物修復(fù)重金屬污染土壤的研究中，生物學(xué)產(chǎn)量不僅可作為評(píng)價(jià)植物耐性的重要指標(biāo)，且能直接影響修復(fù)效果[18]，通過增加生物量而促進(jìn)植物對(duì)重金屬的富集是一種有效的方法。磷是植物必需的大量元素，是影響植物生長的關(guān)鍵限制因子之一。施磷可以增加作物生物量，從而增加植物對(duì)重金屬的提取量，同時(shí)，可溶性磷酸鹽能有效地固定重金屬，降低土壤有效態(tài)重金屬含量，增加有效態(tài)向殘?jiān)鼞B(tài)的轉(zhuǎn)化，緩解重金屬對(duì)植物根系的毒害。

本研究中，施磷顯著增加了銅污染土壤中蓖麻的干物質(zhì)量(見圖1)。張水勤等[19]、陳晨等[20]的研究表明植物根系的生長和形態(tài)改善，能有效增加根與土壤的接觸面積，促進(jìn)植物對(duì)其他養(yǎng)分的吸收。這可能是施磷促進(jìn)蓖麻根系生長，增加對(duì)其他養(yǎng)分的吸收，最終提高了其生物量的原因之一。施磷也促進(jìn)植物對(duì)磷的吸收，增強(qiáng)植物的抗氧化防御能力，降低重金屬對(duì)植物的脅迫，促進(jìn)植物葉綠素合成和光合作用[21]，這可能是施磷促進(jìn)蓖麻生長的另一個(gè)原因。因此，在銅污染土壤中施磷，可提高蓖麻的生物量，增加植物修復(fù)效率。蓖麻生物量大、耐貧瘠、生長快，在銅質(zhì)量比為664.2 μg·g-1土壤中能生長，未表現(xiàn)出明顯的毒害作用，銅富集量達(dá)1.89～6.64 μg·株-1，說明蓖麻是一種有效的銅富集植物。本研究結(jié)果表明，蓖麻對(duì)銅的總富集量隨著施磷量的增加而增加，各施磷處理與NK處理相比增加了8.3%～129.8%(見表1)，且高施磷處理效果更佳。這與王麗等[22]、孫琴等[23]的研究結(jié)果一致。原因可能是施磷雖降低土壤酸溶態(tài)銅含量，但是促進(jìn)了蓖麻根系的生長，增加了蓖麻根系長度和表面積，從而增加了銅被吸收的幾率；磷也可能與銅形成絡(luò)離子而被植物吸收，促進(jìn)銅在植物體內(nèi)的遷移，減少銅在蓖麻根部的大量沉積，緩解了銅對(duì)植物根的毒害，從而促進(jìn)了蓖麻對(duì)銅的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)。影響植物修復(fù)效率的因素主要有地上部重金屬含量和生物量，而本研究中，施磷促進(jìn)了蓖麻各部位生物量的增加，有效增加了蓖麻根系對(duì)土壤銅的吸收，促進(jìn)了重金屬從蓖麻根向莖的轉(zhuǎn)移，增加了地上部銅濃度，郭勁君等[24]的研究也表明，氮磷鉀配施更有利于增加植物地上部鉛濃度。而磷如何調(diào)控植物向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬還有待從轉(zhuǎn)錄組學(xué)進(jìn)一步探究。植物地上部重金屬的積累更能準(zhǔn)確地反映植物的修復(fù)效率，施磷顯著增加了蓖麻地上部對(duì)銅的提取量，其主要原因是生物量增加，這與曹柳等[25]利用向日葵修復(fù)鎘污染土壤的研究結(jié)果一致；次要原因可能是施磷促進(jìn)了蓖麻根部對(duì)銅的富集能力，提高了植物對(duì)重金屬向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)的能力，降低了銅對(duì)蓖麻根的毒害。當(dāng)施P2O5量為72和144 kg·hm-2時(shí)，能有效地提高蓖麻對(duì)銅的提取量。因此，通過施磷提高植物對(duì)重金屬的吸收和富集是一種可行的途徑。

土壤磷含量與重金屬的有效性有密切的聯(lián)系，研究表明，鈣鎂磷肥、磷礦粉等難溶性磷肥能降低土壤重金屬的有效性，降低植物對(duì)重金屬的吸收[15,26]。本研究中施中、低量磷肥時(shí)，土壤酸溶態(tài)銅含量降低，殘?jiān)鼞B(tài)銅含量增加。一方面是施磷增加了蓖麻對(duì)銅的吸收，另一方面土壤速效磷含量是影響土壤銅形態(tài)的重要因素之一，磷酸根離子吸附后，增加了土壤表面負(fù)電荷量，使重金屬更多吸附在土壤顆粒表面，降低重金屬的活性。而在堿性土壤中，更有利于產(chǎn)生溶解度較小的重金屬磷酸鹽，減少重金屬的移動(dòng)性。當(dāng)施磷量為144 kg·hm-2時(shí)，土壤有效態(tài)銅顯著高于NK和CK處理，而殘?jiān)鼞B(tài)銅含量低于NK處理，其原因可能是蓖麻具有發(fā)達(dá)的根系，高濃度磷進(jìn)一步促進(jìn)根系生長和分泌物的增加[27]，顯著增加土壤DOC含量，且其結(jié)構(gòu)較CK和NK處理下更簡單，有利于銅的絡(luò)合，增加了銅的移動(dòng)性和有效性[28]。因此，當(dāng)施P2O5量為36和72 kg·hm-2時(shí)，能有效增加供試土壤殘?jiān)鼞B(tài)銅含量；而當(dāng)施磷量為144 kg·hm-2時(shí)，更有利于植物對(duì)銅的吸收。

4 結(jié)論

施磷可以顯著促進(jìn)蓖麻的生長，增加蓖麻各部位干質(zhì)量。當(dāng)施P2O5量為36和72 kg·hm-2時(shí)，降低了土壤弱酸提取態(tài)銅含量。蓖麻莖和葉中銅含量隨著施磷量的增加而增加，且促進(jìn)了銅向莖的轉(zhuǎn)移，地上部生物量和銅含量的增加進(jìn)一步提高了蓖麻對(duì)銅的吸收和累積，提高了蓖麻的修復(fù)效率?？偟膩碚f，在供試施磷量水平下，72和144 kg·hm-2處理對(duì)蓖麻提取土壤銅有顯著效果。