不同氮肥品種對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.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/農業農村部植物營養與肥料重點開放實驗室，北京 100081；2.中國地質大學，北京 100083；3.北京建工環境修復股份有限公司，北京 100015）

隨著工業化和城鎮化的不斷發展，各種重金屬由生活污水排放、大氣沉降、采礦冶煉等途徑進入農田，且數量逐年增加，造成農田土壤重金屬污染［1］。鎘（Cd）是重要的環境污染物，具有致癌、致畸和致突變作用，通過食物鏈危害人類健康［2］，過量吸收鎘會導致骨痛病、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險的重要途徑［4］。自20世紀初發現Cd以來，Cd被廣泛應用于電鍍工業、化工業、電子業和核工業等領域，相當數量的Cd被排入環境，引起全球性土壤Cd污染［5］。2014 年4月國家環境保護部和國土資源部公布的全國土壤污染狀況調查公報顯示，鎘（Cd）的點位超標率最高，正式被確定為我國土壤的首要污染物［6］。據報道，我國每年由于土壤 Cd 污染的農產品超標達14.6億kg［7］，Cd 在土壤中因其高毒性和高移動性，采用傳統物理或化學方法治理不僅成本高、周期長，且更易造成二次污染［8］。農藝措施調控是修復鎘污染土壤最經濟直接的手段，施肥作為重要的農藝措施，特別是氮肥，對土壤鎘的生物有效性有重要影響［9］。隨著人們環境保護意識的增強，人們希望污染土壤修復不僅不要對土壤肥力與生態環境功能予以影響，而且也不應形成二次污染。因此，借助生物修復、動物修復以及自然修復等技術對污染土壤實施修復，逐漸成為污染土壤修復研究的發展方向［10］。大量研究表明，利用超富集植物修復土壤重金屬污染具有成本低、安全、可原位處置、減小對土壤結構性質的破壞，避免對周邊環境造成二次污染等優點［11-13］。因此，研究植物對鎘吸收、轉運和累積機制，篩選高耐鎘或鎘超富集品種，切斷鎘在土壤-植物-人畜中的傳導途徑，修復鎘污染土壤，對于減輕或消除土壤鎘污染危害具有積極的意義［14-15］。利用植物修復土壤重金屬污染存在超富集植物的生物量小、受環境影響大等缺陷，但可以通過土壤水分管理、施肥等措施提高超富集植物對土壤重金屬污染的修復效率［16-17］。張圓圓等［18］采用營養液培養東南景天發現，在一定范圍內施加氮肥能顯著提高東南景天的生物量并促進其對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，研究不同氮肥對莧菜吸收累積鎘的影響，探討施氮肥提高莧菜對鎘富集能力的可行性，根據土壤類型，合理選用氮肥種類，為土壤鎘的高效修復提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤取自江蘇長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

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 試驗設計

采用盆栽試驗，共設置5個處理，包括尿素、硫酸銨、硝酸鈉、硝酸銨不同的N源及對照（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。每盆裝風干土0.75 kg，在播種之前，以CdCl2溶液形式加入Cd 15 mg/kg?；A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，隨機設計，3個重復。培養2周后，播種，出苗一周后定植為5株，生長期內定期澆去離子水，保持土壤相對含水量為田間持水量的70%左右。

1.3 收獲與測定

植株生長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測定其Cd 含量［19］。

根據生物富集系數和轉運系數計算方法，結合植株生物量，通過計算植株生物富集系數和轉運系數來反映其吸收和積累重金屬鎘的能力［20-21］。生物富集系數=地上部Cd含量/土壤中Cd含量轉運系數=地上部Cd含量/地下部Cd含量

1.4 數據處理

采用Excel 2010 對試驗數據進行統計整理，利用SAS 9.4軟件用Duncan法進行單向方差分析（ANOVA），比較基于ANOVA得出的最小顯著差異值的結果，P＜0.05被認為具有統計學意義［22］。

2 結果與分析

2.1 施用不同氮肥對莧菜生物量的影響

圖1 不同氮肥品種對莧菜生物量的影響

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照差異不顯著，而硝酸銨和硝酸鈉處理顯著低于對照，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照，增幅分別為64.0%、70.8%，尿素、硝酸銨與對照相比差異不顯著。結果表明，在黃棕壤上施加尿素能促進莧菜的生長，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，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莧菜的生長，且效果相當，而施加尿素和硝酸銨對莧菜生長無明顯的影響。

2.2 不同氮肥對莧菜吸收、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地上部Cd含量均顯著高于對照，而硝酸鈉處理與對照差異不顯著；各處理莧菜地上部鎘累積量高低順序為尿素＞硫酸銨＞硝酸銨＞對照＞硝酸鈉，尿素處理與對照存在顯著差異。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照，硝酸鈉處理都顯著低于對照，而硝酸銨處理與對照差異不顯著。其中，硫酸銨處理時地下部Cd累積量增幅最大，增加了2.9倍。

表2 氮肥品種對莧菜植株體內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較大，表明施尿素、硫酸銨能更好地吸收土壤中的Cd，促進莧菜對Cd的富集。赤紅壤中，硫酸銨、硝酸銨處理的生物富集系數較大，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Cd的富集能力。綜合不同氮肥對莧菜生物量的影響，在黃棕壤上施用尿素，赤紅壤上施用硫酸銨時莧菜對土壤Cd的修復效果最好，效率最高。

2.3 莧菜生物量與吸收、累積鎘的相關性

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，與Cd累積量呈極顯著相關，Cd含量與Cd累積量之間極顯著相關；地下部與地上部不同，地下部生物量與Cd含量顯著相關，與Cd累積量極顯著相關，且Cd含量與Cd累積量之間也呈極顯著相關。在赤紅壤中，地上部生物量、Cd含量與Cd累積量之間的相關性與黃棕壤相同；地下部生物量與Cd含量、Cd累積量不相關，但Cd含量與Cd累積量之間具有極顯著相關性。結果表明，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、累積鎘的相關性

3 討論

植物體內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際修復效率。有研究表明，不同施肥處理對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的總量與對照相比成倍數增加，從而提高了修復效率。施肥提高莧菜生物量的同時，也會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）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）中重金屬全量顯著正相關［27］。通過盆栽試驗，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 不同氮肥品種對莧菜生物量的影響

不同氮肥對莧菜的生長影響不同。在黃棕壤上施加尿素促進了莧菜地上部生長，而施加硝酸鈉抑制了莧菜的生長；在赤紅壤上施加硫酸銨、硝酸銨促進了莧菜的生長，而施加尿素、硝酸鈉對莧菜生長無明顯影響。在黃棕壤上各氮肥處理下鎘的轉運系數均小于1，最大的為硝酸銨（0.98），最低的是尿素（0.42）。而赤紅壤上轉運系數均大于1，最大的為硝酸鈉（3.57），最低的是尿素（1.00）。各氮肥轉運系數的不同可能與氮肥特性有關。土壤pH值對Cd形態和有效性影響較大，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，先轉變為NH4+-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的運轉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，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土壤鎘有效性的影響不同，由此推測不同氮肥類型主要通過調節植物生長，增加地上部生物量，從而提高植物修復效率［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量，其次為尿素，氯化銨處理的小麥產量最低［35］。此結果與本試驗結果相似。由此可見，施用銨態氮、尿素對生物量增產效果較好。在黃棕壤上施加尿素，在赤紅壤上施用硫酸銨能促進莧菜的生長，增加莧菜生物量。

3.2 不同氮肥對莧菜吸收、累積鎘的影響

不同氮肥處理對莧菜吸收、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，其中以尿素的促進作用最強。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，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鎘的吸收，其中硫酸銨的促進作用最強。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，其中硫酸銨處理的Cd累積量最大。本試驗表明，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了莧菜植株對土壤中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最大，而硝酸鈉處理的轉運量系數最大；赤紅壤中，硫酸銨處理的生物富集系數最大，硝酸鈉處理的轉運量系數最大。生物富集系數是描述化學物質在生物體內累積趨勢的重要指標，在實際超富集植物篩選中，很難達到生物富集和轉運同時滿意的效果。即使同一氮肥施用于不同土壤類型，其莧菜對氮、Cd吸收也會有很大的差異性，具體原因有待進一步分析。以往研究發現，植物在吸收銨態氮時會導致H+釋放至土壤中，使土壤pH值降低［32］，從而增強土壤 Cd 的生物有效性。還有研究發現施用硫酸銨、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］。這些研究結論的不一致可能與土壤特性尤其是土壤緩沖性有關［37］。土壤施用銨態氮肥會增加 Cd 在植物體內的積累［38-39］。這與本研究的結果相似。施肥處理對小白菜吸收、積累鎘的促進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鎘含量［40］。本研究不同氮肥對土壤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、土壤條件等都會影響植株對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Cd污染土壤的植物修復效率。

3.3 莧菜生物量與其吸收、累積鎘的相關性

植物營養物質可能會影響土壤-植物體內重金屬的活性和生物有效性，從而影響其在植物生長和重金屬在體內的積累［41］。對于黃棕壤和赤紅壤，莧菜植株Cd累積量與植株Cd含量密切相關，植物生長狀況對其Cd累積產生直接影響。從莧菜生物量與Cd累積量相關性分析可知，施用氮肥能促進植株的生長從而提高植株對重金屬Cd的吸附能力。

4 結論

本試驗研究結果表明：在黃棕壤和赤紅壤上施加不同品種的氮肥對莧菜生物量的影響不同。在黃棕壤上施加尿素能促進莧菜的生長，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莧菜的生長，且效果相當，而施加尿素和硝酸銨對莧菜生長無明顯的影響；施用不同種類的氮肥，莧菜對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，莧菜生物富集系數最大，在赤紅壤中施加硫酸銨，莧菜的富集系數最大，能更好地促進莧菜對土壤中鎘的吸收和富集。在一定土壤Cd濃度污染范圍內，尿素和硫酸銨能分別提高莧菜對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，適宜推廣應用。