氮素营养对重金属超积累植物东南景天吸收积累锌和镉的影响

张圆圆，窦春英，3，姚 芳，叶正钱

（1.浙江农林大学 环境科技学院，浙江 临安 311300；2.浙江大学 环境与资源学院 污染环境修复与生态健康教育部重点实验室，浙江 杭州 310029；3.安徽省宁国市农业委员会，安徽 宁国 242300）

施肥的主要作用是改善土壤养分状况，促进植物对养分的吸收，以达到高产优质的目的。将施肥用于强化重金属污染土壤的植物修复也具有类似的作用，特别是利用重金属超积累植物比一般的植物更具有重金属耐性，并且体内重金属质量分数也高出许多的特点，可以起到更有效地降低土壤中重金属质量分数的作用[1]。施肥不仅可以促进植物生长，提高植物生物量，进而提高植物积累重金属总量；通过肥料和重金属的相互作用，施肥还可以影响土壤对重金属的吸附解吸等作用，改变土壤重金属的形态，进而改变重金属在土壤中的行为和活性，影响植物对其吸收和积累[2-3]。如已有研究报道[4-5]表明，施用氮肥可以极大地促进重金属超积累植物天蓝遏蓝菜Thlaspi caerulescens的生长和对重金属锌（Zn）和镉（Cd）的吸收。东南景天Sedum alfredii是在中国境内发现的一种锌、镉超积累植物，这种植物不仅生物量大，对锌、镉具有超积累特性，而且具有多年生，可无性繁殖，适于刈割等特点，是实施植物修复和研究超积累机制的良好材料[6-7]。我们在野外调查中发现，生长于被废弃古老矿山土壤上的东南景天，土壤肥力瘠薄，生长势较差，而在临近较肥沃的土壤上长势好，其生物量为前者的数十倍。目前，对优化东南景天修复土壤重金属污染效率的农艺措施研究还很少。氮是植物生长发育最主要的必需营养元素之一，在田间也常常是植物生长首要的限制性营养元素。为此，在已有研究的基础上[7]，本研究通过水培试验，比较不同供氮水平对东南景天生物产量以及重金属锌、镉积累量的影响，为合理施肥，提高东南景天的重金属修复效率提供基础。

1 材料与方法

1.1 供试植物

供试植物为重金属超积累植物东南景天，取自浙江省一个古老铅锌矿[7]，经人工繁殖培育后，选用长约5 cm，大小均匀，带顶芽和叶片的植株作为供试材料。

1.2 植物培养与处理

试验在温室大棚内进行。完全营养液的基本组成如下。大量元素（mmol·L-1）：氯化钙1.00，硝酸铵 2.00，磷酸二氢钾 0.10，硫酸镁 0.50，氯化钾 0.10，硫酸钾 0.70； 微量元素（μmol·L-1）： 硼酸10.00，硫酸锰 0.50，硫酸铜 0.20，钼酸铵 0.01，乙二胺四乙酸铁 50.00；锌采用东南景天最适浓度（硫酸锌 500.00μmol·L-1）[7]。 将长约5 cm，大小均匀一致的枝条，用营养液预培养18 d左右，待长出比较旺盛的根系时，开始进行不同水平的氮、镉处理。本研究前后进行2次试验，试验时间分别为2006年7-9月和2007年4月。在2006年7-9月进行的试验中，氮处理水平为0.50，1.00，2.50，5.00，10.00mmol·L-1，镉处理水平为0， 100.00μmol·L-1，共 10个处理； 2007年 4月进行的试验，氮处理水平为 0.10， 1.00， 10.00mmol·L-1， 镉处理水平为 0， 100.00μmol·L-1， 共 6个处理。 氮以分析纯硝酸铵形式加入，镉以分析纯氯化镉形式加入。重复3次·处理-1。每天用pH计测定营养液的pH值，并用0.10mmol·L-1氢氧化钠或0.10mmol·L-1盐酸调节营养液为pH 5.8，保持24 h连续通气，5 d更换营养液1次。处理期间观察植物的长势和症状表现，2006年的试验于植株处理2个月后收获；2007年的试验目的主要在于验证植物生长和锌、镉吸收对供氮处理的快速反应，因此，基于2006年的试验结果以及氮在植物体内的再利用性，设置低、轻度低和高（0.10，1.00，10.00mmol·L-1）3个氮处理水平，并且在处理之间植物生长表现出差异时（16 d）即收获。收获时，先用自来水将根冲洗干净，再用20.00mmol·L-1乙二胺四乙酸二钠交换15 min，去除根系表面吸附的锌、镉等离子，最后用去离子水冲洗干净，用吸水纸将植株根表水吸干，将鲜样分为地上部和根系两部分。将植物新鲜样品在70℃下烘干至恒量，测定其干物质质量。然后，用玛瑙研钵磨碎，过60目尼龙网筛后，供分析测定。

1.3 测定方法与数据分析

样品的消化、分析测定：称取0.200 g植物样品，用硫酸-双氧水法消煮植物样品，定容，过滤。消煮液中的氮采用靛酚蓝比色法测定；磷用钼蓝比色法测定；钾用火焰光度法测定；锌、镉用高频电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP）测定。试验所得数据采用DPS分析软件进行统计分析。

2 结果与讨论

2.1 不同氮、镉处理水平对东南景天生长的影响

氮是植物生长必需的三要素之一，是氨基酸、蛋白质的重要组成部分，也是其他重要生命物质如核酸、各种酶类等的组成成分，因而对植物生长影响巨大。在本研究中，2次试验结果都表明，不同质量分数的氮处理对东南景天地上部和根系生物量有极显著的影响，特别是2006年试验。当氮素供应不足或过高皆导致植物特别是地上部生物量下降（表1，图1）。在2006年的试验中，东南景天地上部生物量变化范围为0.02～0.30 g·株-1，根系生物量变化范围为0.01～0.04 g·株-1（图1）。氮对东南景天生长的影响还受镉处理的影响，因而氮、镉交互作用达到极显著水平。但在2007年的试验中，镉及氮 ×镉交互作用对地上部生物量的影响不明显，不同质量分数的氮、镉处理间东南景天生物量变化幅度也不大，其地上部生物量变化范围为0.29～0.37 g·株-1，根系生物量变化范围为0.04～0.05 g·株-1，这可能主要与处理时间较短有关。

表1 东南景天各测定值处理因素间的显著性水平（F检验）Table1 ANNOVA analysis of different parameters

在无镉处理的条件下，当氮处理为2.50mmol·L-1时东南景天地上部生物量最大，以后随着氮浓度的提高反而抑制东南景天地上部的生长；根系的生长状况与有镉处理的条件下表现趋势相同。本研究与李继光等[8]在人工气候室条件下的研究结果稍有不同。他们的研究发现，在一定范围内供氮（4.00～16.00mmol·L-1）能明显促进东南景天的生长，随着氮素水平的升高，地上部和根系的生物量也提高，在供氮水平为16.00mmol·L-1时达到最大值，而当供氮水平≥32.00mmol·L-1时，东南景天的生长受到严重的抑制。这可能与试验的环境条件不同有关。

在有镉处理的条件下，东南景天地上部干物质在1.00mmol·L-1的供氮水平下达到最大值；根系干物质在2.50mmol·L-1的供氮水平下达到最大值（图1）。在相同氮处理水平下，无镉处理的根系生物量均比有镉处理的高，说明镉抑制了根系的生长，这与我们已有研究结果一致[6，9-10]。在镉处理为100.00μmol·L-1，供氮水平为10.00mmol·L-1时对东南景天地上部和根系生长的抑制作用最大。作为毒性很强的重金属元素，虽然低水平镉促进植物生长，而且我们的已有研究显示在镉100.00μmol·L-1供应水平时对东南景天地上部生长作用最佳，但是此时根系生长已经明显受阻[9-10]。

2.2 氮、镉处理对东南景天植株氮、磷、钾质量分数的影响

总的来看，氮营养水平对东南景天植株体内氮、磷、钾质量分数的影响，在2次试验中的结果基本一致。但是，2次试验结果显示，植株体内氮、磷、钾质量分数因季节不同而有较大差异，显示光照、温度等环境条件的影响作用较大。在无镉处理时，随着供氮水平的提高东南景天植株体内氮质量分数也增加，但随着供氮水平进一步提高根中氮质量分数下降，在10.00mmol·L-1时根系含氮质量分数最低 （10.30 g·kg-1）（表2）。东南景天植株体内氮质量分数对供氮处理水平的反应还受镉处理的影响，表现出氮、镉显著性的交互作用（表1）。在镉处理为100.00μmol·L-1的条件下，在2.50～5.00mmol·L-1供氮水平时，东南景天地上部氮质量分数为14.40～20.60 g·kg-1；当氮浓度为2.50mmol·L-1时地上部氮质量分数达到最大值，这可能与植物对镉胁迫的反应有关，在最佳供氮水平下，更有利于植物通过氮吸收、代谢、合成含氮解毒物质[11]。

图1 氮、镉处理水平对东南景天植株生长的影响Figure1 Effect of N and Cd on shoot and root biomass

表2 不同氮、镉处理水平对东南景天植株体内氮、磷、钾质量分数的影响Table2 Effect of N and Cd on concentrations of N，P and K in Sedum alfredii

与东南景天植株体内氮质量分数变化类似，植株地上部体内磷质量分数也呈现出随着供氮水平的提高而增加的趋势，但过高的氮水平供应导致体内磷质量分数的下降，但地下部根系磷质量分数仅在高氮水平（10.00mmol·L-1）处理时显著下降（表2），并且体内磷状况受镉处理因素的影响（表1）。在无镉处理的条件下，2006年试验结果表明，供氮水平为2.50mmol·L-1和5.00mmol·L-1时东南景天地上部磷质量分数都较高（5.30 g kg-1），2个处理之间无显著性差别；供氮水平过低或过高氮皆导致地上部磷质量分数下降。在有镉处理的条件下，植株体内磷质量分数对氮素供应的反应比较复杂，在严重低氮（0.50mmol·L-1）和高氮（10.00mmol·L-1）处理时， 镉 100μmol·L-1处理会导致植株体内磷的积累， 比相同供氮水平下无镉处理的植株体内磷质量分数高；而在供氮1.00～5.00mmol·L-1有镉处理则使植株体内磷质量分数下降，在最佳供氮水平（2.50mmol·L-1）时，不仅植株生长最佳（图1），镉处理对地上部磷质量分数没有显著影响。在镉处理为100.00μmol·L-1，氮浓度为5.00mmol·L-1时，地上部磷质量分数达到最大值（5.20 g·kg-1）。

氮营养水平对东南景天植株体内钾质量分数也有显著地影响，氮素水平供应过低或过高都引起植株体内钾质量分数明显下降。植株钾质量分数对氮营养水平的反应也受镉处理的影响，当有镉处理（100.00μmol·L-1）时，2006年试验结果显示，东南景天地上部和根系钾质量分数均在供氮水平为2.50mmol·L-1时最高；2007年试验地上部钾质量分数在氮浓度为10.00mmol·L-1时较高，根系钾质量分数在氮浓度为0.10mmol·L-1时较高。

上述研究结果显示，适宜的氮素供应，有利于植株体内磷、钾素代谢的正常进行，以供氮水平为2.50mmol·L-1时最佳，从而有利于植物生长和提高植物对镉的胁迫。

2.3 氮、镉处理对东南景天植株锌、镉质量分数的影响

2次盆栽试验的结果基本一致，都显示氮营养水平对东南景天锌、镉的吸收和积累有极显著的影响（表3～4），东南景天植株锌、镉质量分数与锌、镉积累量呈相同的变化规律。处理时间较长（2个月）的2006年试验，地上部锌、镉质量分数显著高于试验处理时间较短（16 d）的2007年。这一结果与我们以前的研究一致[7，10]，显示2007年的试验中植株体内锌、镉吸收尚未达到平衡。

表3表明低氮（1.00mmol·L-1以下）和高氮（10.00mmol·L-1）都降低了地上部锌的质量分数和积累量以及锌向地上部的分配。2006年试验数据显示，当无镉处理时，随着氮水平升高东南景天地上部锌质量分数增大，当供氮水平为5.00mmol·L-1时地上部锌质量分数超过12.0 g·kg-1。当供氮水平为2.50～5.00mmol·L-1时，地上部锌积累量占全株的94.8%～96.6%，说明适宜的供氮条件下能显著促进锌向地上部的运转。当有镉处理时，在最佳供氮水平下，东南景天地上部锌质量分数及积累量和转移率都有所下降。植物对锌、镉的吸收具有拮抗作用，因而在供氮适宜的条件下，镉处理降低了体内锌的质量分数[6]。

在无镉处理的条件下，东南景天植株靠原有植株（处理开始前小苗）体内的镉进行体内转运，氮处理对东南景天地上部与根系镉质量分数无明显影响（表4）。镉处理（100.00μmol·L-1）后，植株体内镉质量分数显著提高。与体内锌变化类似，在处理时间较短的2007年试验中，植株地上部镉质量分数不及处理时间长的2006年试验。2006年试验数据显示，当氮≤5.00mmol·L-1时，随着氮处理浓度升高地上部镉质量分数升高，高氮处理水平（10.00mmol·L-1）时，地上部镉质量分数下降。地上部镉积累量在氮处理浓度为2.50～10.00mmol·L-1时无明显差别，积累量最大。

氮锌之间关系的研究报道显示，在不同植物及同一植物不同器官上结论不一，在一定供氮量范围时表现出协同，超过一定用量则表现出拮抗。在较低水平时，施氮促进了根系发育和植物生长，从而利于吸收较多的锌；相反，氮过高对锌吸收有降低的趋势[12]；氮镉之间也有类似的关系[4，8]。因而，当土壤肥力水平较高时，氮肥施用对重金属超积累植物天蓝遏蓝菜吸收锌、镉作用不明显。

本研究显示，由于东南景天植物地上部生长的生物量和锌、镉吸收对氮营养水平反应的最佳浓度范围有所不同，并且受镉处理的影响，地上部锌、镉积累量综合了植物生长及植物对锌、镉吸收、转运的情况，因此，考虑重金属超积累植物对重金属吸收修复的效率，以供氮2.50～5.00mmol·L-1最有利于东南景天地上部对锌、镉的积累。此外，不仅供氮水平影响重金属超积累植物生长，与普通植物一样，氮素营养形态及不同氮形态比例都会影响其生长，以及对重金属在地上部的积累，而且不同氮形态肥料在土壤中的转化对土壤重金属活性的影响也有差异[4-5，13-15]，因此，需要进一步开展大田条件下东南景天氮肥促进东南景天修复重金属效率的研究。

表3 氮、镉不同处理水平对东南景天植株锌质量分数的影响Table3 Effect of N and Cd on Zn uptake by Sedum alfredii

3 结论

从本研究结果来看，适宜的氮素供应有利于植株体内磷、钾素等生理代谢的正常进行，从而有利于植物生长和提高植物对镉的胁迫。在一定范围内施加氮肥能显著或者极显著地提高重金属超积累植物东南景天的生物产量，并且促进重金属锌、镉的吸收和向地上部积累，以氮素营养供应水平在2.50～5.00mmol·L-1之间最佳。从植物修复角度考虑，借助农艺施肥措施，适当施加氮肥提高重金属污染土壤中有效氮的供应水平，对提高超积累植物生物量以及吸收、积累重金属的能力具有重要作用，从而提高重金属超积累植物修复土壤重金属污染的效率。

表4 不同水平氮、镉处理对东南景天植株镉质量分数的影响Table4 Effect of N and Cd on Cd uptake by Sedum alfredii

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