不同氮肥對(duì)鬼針草修復(fù)土壤鎘污染的效果研究

熊明月，郭嘉航，張福瓊，韓 飛，劉劍虹，楊 云，4，鐘 浩，黃晶心*

（1.云南師范大學(xué) 能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500；2.云南師范大學(xué) 高原特色中藥材種植土壤質(zhì)量演變退化與修復(fù)云南省野外科學(xué)觀測(cè)研究站，云南 昆明 650500；3.云南師范大學(xué) 云南省農(nóng)村能源工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650500；4.文山州農(nóng)業(yè)科學(xué)院，云南 文山 663099）

【研究意義】土壤鎘(Cd)污染在我國(guó)廣泛存在，尤其以湖南、云南省部分地區(qū)最為嚴(yán)重。Cd是一種對(duì)動(dòng)物、植物有較強(qiáng)毒性的重金屬元素，不僅會(huì)影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育，還通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體。Cd 進(jìn)入人體后難以排出，會(huì)對(duì)肝腎造成損傷，還影響生殖功能、導(dǎo)致骨骼軟化等[1]。目前土壤Cd 污染的修復(fù)方法中植物修復(fù)因操作簡(jiǎn)單、生態(tài)環(huán)保等特點(diǎn)，是近年來(lái)土壤Cd污染修復(fù)方法研究的重點(diǎn)[2]。三葉鬼針草為菊科植物，具有生物量大、適應(yīng)性強(qiáng)、對(duì)氮肥敏感等特點(diǎn)，是Cd污染土壤修復(fù)性價(jià)比較高的植物[4]。筆者推測(cè)施用氮肥可增加超富集植物鬼針草對(duì)土壤Cd的修復(fù)，且不同氮肥的效果存在差異。本研究結(jié)果將為植物修復(fù)高濃度重金屬污染土壤提供指導(dǎo)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】有研究表明施氮能有效調(diào)控植物對(duì)Cd的吸收和積累[7]，如施加氮肥可以通過(guò)增加植物生物量，增加?xùn)|南景天對(duì)Cd 的吸收[8]。研究結(jié)果表明植物對(duì)不同氮肥的吸收、轉(zhuǎn)化存在差異，不同氮肥在土壤中的賦存形式、肥效時(shí)長(zhǎng)也存在差異[9-10]。例如：延長(zhǎng)肥料銨滯留時(shí)間的氮素調(diào)控措施可以提高堿性水稻產(chǎn)量[11]。也有研究表明不同氮肥對(duì)增加超富集植物修復(fù)土壤重金屬污染的效果不同，例如：研究表明不同的氮肥對(duì)龍葵修復(fù)土壤重金屬污染的效果不同，施用銨態(tài)氮的效果優(yōu)于硝態(tài)氮與硝態(tài)-銨態(tài)氮組合[12]。由此筆者推測(cè)不同氮肥可能對(duì)鬼針草修復(fù)土壤Cd 污染的效果不同，然而目前尚無(wú)該方面的研究報(bào)道。【本研究切入點(diǎn)】氮肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常用的肥料，施加氮肥能提高作物的光合作用、生物量、產(chǎn)量，理論上可提高植物吸收Cd[6]。相關(guān)研究表明施用氮肥有助于超富集植物修復(fù)土壤Cd污染[5]。鬼針草喜生長(zhǎng)于溫暖濕潤(rùn)氣候區(qū)，對(duì)氮肥較為敏感，施加少量氮肥會(huì)促進(jìn)其生物量的增加，由此筆者認(rèn)為施用氮肥可增加鬼針草對(duì)土壤Cd污染的修復(fù)。但目前關(guān)于施用氮肥對(duì)鬼針草修復(fù)Cd土壤污染的報(bào)道較少，也沒(méi)有相關(guān)研究指出哪種類型的氮肥促進(jìn)鬼針草修復(fù)土壤Cd污染的效果最好?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】為探究不同氮肥處理對(duì)超富集植物鬼針草生長(zhǎng)及對(duì)Cd污染土壤的修復(fù)效果，本研究選用市面上常見(jiàn)的4種氮肥作為供試肥料，利用盆栽試驗(yàn)比較不同氮肥對(duì)鬼針草修復(fù)Cd污染的效果。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)土壤采集于云南昆明呈貢區(qū)，土壤類型為紅壤。采集栽培土壤作為本研究的供試土壤，土壤在使用之前仔細(xì)去除其中的雜物和動(dòng)植物殘?bào)w，自然風(fēng)干、破碎后過(guò)5目篩。經(jīng)檢測(cè)，本研究所用栽培土壤Cd 含量為2.38 mg/kg，銨態(tài)氮（NH4+-N）含量為2.72 mg/kg，硝態(tài)氮（NO3--N）含量為12.4 mg/kg，土壤pH 為7.25，土壤電導(dǎo)率為4.82 ms/cm，有效磷含量為26.5 mg/kg。

供試肥料為：尿素（N1）[CO(NH2)2]，有效N 含量46.7%；氯化銨（N2）NH4Cl，有效N 含量26.27%；硝酸鈣（N3）[Ca(NO3)2·4H2O]，有效N 含量17.07%；硝酸銨鈣（N4）[5Ca(NO3)2·NH4NO3·10H2O]，有效N 含量23.73%。

供試植物材料為鬼針草，首先培育幼苗，選取形態(tài)大小一致的株高約為6～7 cm 的幼苗移栽入花盆。供試花盆為高14 cm，內(nèi)口徑為15.5 cm，外口徑為20 cm的塑料花盆。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究共設(shè)置5個(gè)處理，包括對(duì)照組（對(duì)照，不施肥，CK）、尿素（N1）、氯化銨（N2）、硝酸鈣（N3）、硝酸銨鈣（N4）處理組，每個(gè)處理設(shè)置5 個(gè)重復(fù)。每個(gè)重復(fù)裝入上述過(guò)篩土壤1.6 kg。裝入土壤后，將配置好的Cd溶液均勻加入土壤，使土壤中的Cd含量達(dá)到60 mg/kg，添加Cd后放置兩周后用于栽培試驗(yàn)。將萌發(fā)的鬼針草幼苗移入花盆，每盆移栽3株幼苗，幼苗死亡后及時(shí)補(bǔ)種。上述處理在鬼針草生長(zhǎng)50 d施加，施氮處理均按照100（mg·N）/kg土壤添加的上述肥料。生長(zhǎng)期間定期澆水，根據(jù)天氣對(duì)花盆里的濕潤(rùn)程度進(jìn)行觀察，保持土壤含水量相對(duì)穩(wěn)定。

1.3 收獲與測(cè)定

待鬼針草生長(zhǎng)160 d時(shí)收獲，收獲時(shí)分別采集植株樣品與土壤樣品，采集根際土?xí)r，以搖動(dòng)后仍附著在根系的土壤為根際土壤，將根際土壤保存自封袋中，測(cè)定土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、土壤根際Cd 含量。土壤硝態(tài)氮與銨態(tài)氮含量根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)LY/T 1228—2015，用流動(dòng)分析儀（AA3，Seal Analytical，ltd.Germany）進(jìn)行測(cè)定。土壤中總Cd含量測(cè)定：取風(fēng)干、研磨、過(guò)100目篩土壤粉末2.00 g，使用7∶2的硝酸、氫氟酸通過(guò)微波消解法消解，用AA-7000 原子吸收儀（AA-7000，Shimadzu，Japan）測(cè)定。植物中Cd 含量采用5:2 硝酸、過(guò)氧化氫進(jìn)行微波消解，用AA-7000原子吸收儀（AA-7000，Shimadzu，Japan）測(cè)定。

收獲方法：于收獲前2 d澆水，保持盆栽土壤濕潤(rùn)，以保證收獲鬼針草根系的完整性。收獲前先測(cè)量株高、莖基直徑，葉綠素含量。葉綠素的測(cè)定采用葉綠素儀（SPAD-502、北京海天友誠(chéng)科技有限公司提供）。將整株鬼針草取出后，測(cè)量根長(zhǎng)后，將鬼針草分為根、莖、葉、花4部分，放于烘箱先做105 ℃殺青處理，再將其置于70 ℃烘干至恒重，稱取其干重后，再分別研磨后裝入干凈的自封袋中備用，試驗(yàn)時(shí)取用烘干后鬼針草。

1.4 有關(guān)指標(biāo)的計(jì)算方法

1.5 數(shù)據(jù)分析

使用GraphPad Prism 9.0.0、Excel 2016及SPSS19.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與繪圖。按照標(biāo)準(zhǔn)方法，使用單因素方差分析法（One-way-ANOVA）分析不同氮肥處理土壤性質(zhì)、鬼針草株的莖基直徑、根長(zhǎng)、株高、葉綠素含量，鬼針草各部位的生物量與Cd的含量，Cd的含量、富集量指標(biāo)的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮肥對(duì)土壤理化性質(zhì)及根際土壤Cd含量的影響

由表1，N1 和N2 處理導(dǎo)致土壤pH 值降低。施氮處理使土壤電導(dǎo)率增加，其中N3 和N4 處理顯著增加土壤電導(dǎo)率（P＜0.05）。施氮處理均使土壤NO3--N 含量增加，其中N3 處理作用最強(qiáng)（P＜0.05）。N3 處理中土壤中銨態(tài)氮含量存在顯著差異，其中N3處理使土壤NH4+-N顯著降低（P＜0.05）。不同施氮處理下鬼針草根際的Cd含量均升高。

表1 不同氮肥對(duì)土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和鬼針草根際土壤Cd含量的影響Tab.1 Effects of different nitrogens on the contents of ammonium nitrogen,nitrate nitrogen and Cd in the rhizosphere soil of Bidens pilosa

2.2 不同氮肥處理對(duì)鬼針草生長(zhǎng)的影響

由圖1，與對(duì)照組相比，施氮N2 處理組與其他處理組相比鬼針草的莖基直徑存在顯著差異（P＜0.05），N2處理組的莖基直徑最粗，與對(duì)照組相比，增加了15.80%。與對(duì)照組相比，施氮處理組的鬼針草株高與葉綠素含量均顯著高于對(duì)照組（P＜0.05）；其中，施尿素、氯化銨、硝酸鈣、硝酸銨鈣氮處理的株高分別增高了48.45%、61.22%、62.51%、68.37%；說(shuō)明施加氮肥能促進(jìn)鬼針草葉片葉綠素的合成與株高的生長(zhǎng)。

圖1 不同氮肥處理鬼針草莖基直徑、根長(zhǎng)、株高、葉綠素含量Fig.1 Stem base diameter，root length，plant height and chlorophyll content of Bidens pilosa under different nitrogen fertilizer treatments

2.3 不同氮肥處理對(duì)鬼針草生物量的影響

由圖2，不同處理組鬼針草的葉片、莖稈、根、單株生物量均存在顯著差異（P＜0.05），N1、N2、N4 處理組的葉重、莖重均增加，N3處理組減少；在重金屬Cd的作用下，N3處理莖稈、根及總生物量顯著下降，分別為55.74%、56.49%、41.57%；N4 處理組其各部位及總的生物量顯著提高（P＜0.05），分別為對(duì)照組的3.15倍、1.77倍、1.69倍、2.01倍。N4處理組中葉片的生物量增加最顯著（P＜0.05）。這說(shuō)明硝酸銨鈣對(duì)鬼針草各部位的生物量具有顯著促進(jìn)作用，硝酸鈣對(duì)鬼針草的生物量增加具有抑制效果。

圖2 不同施氮處理下鬼針草各部位的生物量與單株鬼針草總生物量Fig.2 Biomass and Cd contents in different parts of Bidens pilosa with different treatments

2.4 不同氮肥對(duì)鬼針草根部Cd的含量與整株Cd含量與吸收量的影響

由圖3，施用不同氮肥鬼針草中N1 與N4 處理組Cd 的含量存在顯著差異（P＜0.05），N4 處理組下鬼針草根部和整株的Cd 含量最高（P＜0.05）。施氮處理下根部的Cd 含量均高于對(duì)照組。施用不同氮肥鬼針草對(duì)Cd 的富集量存在顯著差異（P＜0.05），N4 處理組鬼針草對(duì)Cd 的富集量最高，其對(duì)Cd 的富集量為對(duì)照的2.66 倍；N3 處理組Cd 的富集量顯著低于CK（P＜0.05）。施加硝酸銨鈣對(duì)鬼針草富集Cd 具有促進(jìn)作用。

圖3 不同氮肥處理下鬼針草Cd的總含量與Cd的富集量Fig.3 Total content of Cd and enrichment of Cd in Bidens pilosa under different treatments

2.5 不同氮肥對(duì)鬼針草富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)與凈化率的影響

由圖4，鬼針草地上部分與地下部分的富集系數(shù)N4處理組顯著增大（P＜0.05）；施加氮肥對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的變化無(wú)顯著影響（P＜0.05）；N3 處理組的凈化率降低，N4 處理組凈化率顯著提高（P＜0.05）。鬼針草施加硝酸銨鈣可以促進(jìn)Cd污染土壤的修復(fù)，促使更多的Cd從土壤中分離。

圖4 不同施氮處理下鬼針草地上及地下部分的富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)及凈化率Fig.4 Enrichment coefficient，transport coefficient and purification rate of the aboveground and underground parts under different treatments of Bidens pilosa

3 討論

本研究顯示施用不同氮肥使Cd污染土壤鬼針草的葉綠素含量顯著增加（圖1D），這與其他研究結(jié)果類似。例如，施用氮肥有利于大豆的生長(zhǎng)，使其葉綠素含量、產(chǎn)量等明顯增加[13]，不同形態(tài)氮肥均能提高超積累植物東南景天葉綠素含量[14]。這主要由于氮素是植物葉綠素合成所需元素，施用氮肥可促進(jìn)植物葉綠素的合成[15-17]。本研究顯示施用尿素、氯化銨、硝酸銨鈣對(duì)鬼針草的生長(zhǎng)均具有促進(jìn)作用。這與其他研究結(jié)果類似，施加尿素、氯化銨、硝酸氨鈣對(duì)莧菜、高羊茅、百合等植物生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用[18-20]。施用氮肥可提高植物的葉綠素含量[21]，促進(jìn)植物的合成代謝[22]，從而使植物的光合作用更強(qiáng)[23]和生長(zhǎng)速率更快[24]，使鬼針草各部分及單株生物量更高（圖2）。這是由于尿素可在土壤中快速轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮，和氯化銨、硝酸銨鈣一樣可提供能被植物快速吸收利用的銨態(tài)氮。土壤中銨態(tài)氮含量的增加可提高植物的逆境性，例如銨態(tài)氮可以增強(qiáng)水稻在干旱環(huán)境下的抗性[25]，也有研究顯示施用銨氮可提高春小麥對(duì)重金屬Cd的抗性[26]。本研究結(jié)果顯示施用硝酸銨鈣對(duì)鬼針草生長(zhǎng)的促進(jìn)作用更強(qiáng)（圖1B、C、圖2），這與其他研究結(jié)果類似[27，28]。適量的硝、銨配比能提高甘草的生物量和品質(zhì)[29]，不同的硝態(tài)氮與銨態(tài)氮的配比影響坦桑尼亞豚草的生長(zhǎng)[30]。這是由于同時(shí)施用的硝態(tài)氮、銨態(tài)氮使植物對(duì)氮營(yíng)養(yǎng)的獲取效率更高。本研究顯示Cd污染土壤中施加硝酸鈣不利于鬼針草生長(zhǎng)（圖2），其原因可能是施加硝酸鈣使土壤酸性化，使土壤銨態(tài)氮含量下降（表1），減少鬼針草根部對(duì)Cd的吸收（圖3A）。土壤有效態(tài)重金屬受土壤pH影響很大，一般隨土壤酸度增加而增加[31]。如酸性土壤會(huì)使土壤生物可利用態(tài)Cd含量增加，促進(jìn)鬼針草Cd積累[32]。土壤中生物有效態(tài)重金屬含量增加，將導(dǎo)致重金屬污染物對(duì)植物的脅迫增加，且銨態(tài)氮含量較少降低了鬼針草對(duì)Cd的耐受性，由此可能導(dǎo)致施用硝酸鈣使鬼針草的株高、根長(zhǎng)、各部位生物量的降低（圖1、2）。

本研究結(jié)果顯示施用不同氮肥對(duì)鬼針草Cd 含量的影響不同，這與其他研究結(jié)果類似。例如：施加不同氮肥玉米Cd 含量不同[33]。這是由于鬼針草對(duì)不同肥料的利用效率不同[34，35]。不同形態(tài)的氮肥施用后，在植物根際的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的濃度存在差異（表1），土壤中離子間存在競(jìng)爭(zhēng)吸附，這可能影響鬼針草對(duì)Cd 的吸收，從而影響其在植物體內(nèi)的含量。本研究結(jié)果顯示，施用硝酸銨鈣使鬼針草的Cd 含量增加，這可能由于施用硝酸銨鈣促進(jìn)了鬼針草根部的生物量（圖2C），發(fā)達(dá)的根系促使鬼針草對(duì)土壤中的養(yǎng)分與Cd 吸收。施用尿素、氯化銨、硝酸銨鈣均顯著增加了單株鬼針草對(duì)Cd 的富集（圖3C），這是由于施用以上氮肥極大地促進(jìn)了鬼針草的生物量，其生物量分別是對(duì)照1.2 倍、1.3 倍、1.9 倍，Cd 含量是對(duì)照的1.03倍、1.1倍、1.5倍，總體表現(xiàn)為施用氮肥促進(jìn)了鬼針草對(duì)土壤Cd的富集。

本研究結(jié)果顯示施用硝酸銨鈣使鬼針草的地上部分富集系數(shù)、凈化率顯著增加（圖4），這意味著單位重量的鬼針草富集更多的土壤Cd，這將使鬼針草對(duì)土壤Cd污染的修復(fù)效率增加。本研究結(jié)果還顯示施用硝酸銨鈣使鬼針草修復(fù)Cd污染的轉(zhuǎn)移系數(shù)增加，這意味著施氮使更多的Cd集中在鬼針草的地上部分（圖4A），這將使利用鬼針草修復(fù)土壤Cd 污染更加方便。由此施用硝酸銨鈣可增加鬼針草修復(fù)土壤Cd的效率和便捷性。當(dāng)今全球土壤Cd污染問(wèn)題普遍存在，嚴(yán)重威脅著土壤資源的可持續(xù)利用和糧食的安全種植[34]。因此本研究指出的通過(guò)施用硝酸銨鈣從而促進(jìn)鬼針草對(duì)土壤Cd的吸收，并且將更多的Cd轉(zhuǎn)移到地上部分，這對(duì)利用鬼針草修復(fù)Cd 污染，甚至是利用其他超富集植物修復(fù)土壤重金屬污染均具有一定的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)溫室試驗(yàn)表明，施用不同氮肥顯著提高鬼針草株高、葉綠素含量，不同氮肥類型效果不同，硝酸銨鈣的促進(jìn)作用最強(qiáng)；施用適當(dāng)?shù)牡视欣诠磲槻萆L(zhǎng)和地上部Cd的積累，而這種促進(jìn)作用與施用的氮形態(tài)有關(guān)。其中，硝酸銨鈣處理對(duì)鬼針草株高、葉綠素含量、生物量的增加效果最明顯，對(duì)土壤中Cd的富集量也最大。施用硝酸銨鈣明顯促進(jìn)了鬼針草對(duì)土壤的凈化效率。綜上所述，Cd污染土壤中施用不同氮肥對(duì)鬼針草凈化土壤Cd污染的效果不同，其中硝酸銨鈣的效果最好。本研究為氮肥在重金屬污染土壤植物修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了參考，也為植物修復(fù)礦區(qū)土壤、拋荒地、工業(yè)污染區(qū)等重金屬污染區(qū)域的應(yīng)用提供了技術(shù)支持。

致謝：云南省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練（202110681008，S202110681027，S202110681058X，S202110681036X）和云南師范大學(xué)研究生科研創(chuàng)新基金（YJSJJ21-B91）同時(shí)對(duì)本研究給予了資助，謹(jǐn)致謝意！