施氮水平对小麦幼苗吸收和富集重金属的影响

施娴　刘艳红　张德刚　何芳芳　王田涛

摘要：采用室内盆栽试验，研究复合污染土壤不同施氮（尿素）水平N0（CK）：0 mgkg；N1：100 mgkg；N2：200 mgkg；N3：300 mgkg；N4：400 mgkg；N5：500 mgkg]处理对农作物小麦幼苗生长及吸收富集重金属As、Cd和Pb的影响。结果表明，施氮肥有利于增加小麦幼苗的株高、叶宽和根长，其中，以N2处理对株高和根长最好，分别比CK增加229%和268%；叶宽以N1处理较好，增加166%，但与N2未达显著差异；施氮肥能显著增强小麦对重金属的吸收和转运，与CK相比不同施氮处理的小麦As和Cd转移系数增加11～33倍，其中As和Cd的转移系数分别以N3和N4处理最高，Pb转移系数除N1和N4外，其余施氮处理均低于CK；小麦中Cd和Pb富集系数分别比CK增加123%～315%和23～46倍，其中Cd和Pb的富集系数分别以N1和N3最高，As的富集系数除N1外，其余均低于CK。因此，针对复合污染农田土壤，中、高水平尿素氮肥对强化小麦对重金属的修复效果较好。

关键词：小麦；氮肥；重金属；吸收；富集

中图分类号： S512106文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）21-0063-03

收稿日期：2016-05-05

基金项目：云南省应用基础研究计划（编号：2013FD048）；红河学院硕博项目（编号：XJIS0918）。

作者简介：施娴（1984—），女，云南金平人，硕士，讲师，研究方向为植物营养与环境。Tel：（0873）3698575；E-mail：shixiang841123@163com。

通信作者：刘艳红，博士，教授，从事植物营养与环境研究。Tel：（0873）3698974；E-mail：kidliu1968@126com。

随着我国城市化和工业化发展，环境污染在不断加重，土壤重金属污染成为重大生态破坏和环境污染问题之一1-2]，其中农田土壤中砷（As）、镉（Cd）和铅（Pb）被列为我国土壤最典型的污染重金属3]。国内外有关重金属污染土壤修复技术从物理修复、化学修复、生物修复、农业生态修复技术等都有一定研究，但大多数研究主要是针对单一重金属污染，对农田复合污染的研究较少4-6]。近年来，开始有学者采用高生物量的农作物来实现土壤重金属污染的修复7-9]，发现具有高生物量的经济作物如小麦10-11]成为具有修复重金属污染土壤潜力的植物，它具有生物量大、栽培面积广等特点。同时，施肥是农作物种植过程中的重要措施，不同形态、不同浓度化肥会造成土壤-植物根际环境状况的改变，影响重金属在土体中的化学行为，导致重金属有效性的差异，从而影响植物对重金属的吸收12-13]。本研究以小麦为试验材料，通过小麦田施用不同水平氮肥于复合污染土壤上，比较其对小麦吸收和富集重金属的影响，探讨小麦在重金属复合污染土壤上的生长状况及重金属在体内的富集特征，以期为合理利用并修复重金属复合污染土壤提供理论依据。

1材料与方法

11供试材料

供试小麦品种为云麦39号，由云南省农业科学院粮食作物研究所提供。供试土壤为棕壤土，采自云南省个旧市大屯选矿厂周边重金属复合污染农田，土壤样品采集后经风干、磨碎、过5 mm筛，用于作物培养。土壤的基本理化性质为全氮含量8 gkg，全磷含量5018 gkg，全钾含量37 gkg，As含量318 gkg，Cd含量113 gkg，Pd含量858 gkg。

12材料处理

采用盆栽试验设计，施用氮肥为尿素，设0、100、200、300、400、500 mgkg等6个处理，对应处理编号分别为 N0（CK）、N1、N2、N3、N4、N5，每个处理3个重复。

盆栽试验采用白色塑料花盆（内径20 cm，高18 cm），每盆复合污染土壤（过5 mm筛）的用量为12 kg。基肥采用KH2PO4和KCl，用量分别为120、200 mgkg，添加预设用量的尿素，陈化平衡2周。陈化期满将催芽后的小麦种子播入盆中，每盆播8粒种子，2周后间苗，留长势均匀的4株。在 20～30 ℃ 条件下培养，每隔3 d观察小麦生长情况，生长期间浇水并经常捉虫，防止虫害（不喷洒农药，以减少试验误差）。植物生长期从2014年12月4日至2015年1月6日，生长期满分别收获小麦的地上部分和地下部分。

13测定方法

植株样品用自来水洗干净后用去离子水清洗2～3次，在105 ℃杀青30 min，70 ℃下烘干至恒质量。土壤基本理化性质参照文献14]测定。土样全量As、Cd、Pb的含量采用硝酸-硫酸-高氯酸消煮，ICP法测定；植株中中As、Cd、Pb的含量采用硝酸-高氯酸消煮，ICP法测定，有效态As采用NaH2PO4法提取15]，有效态Cd、Pb采用二乙三胺五醋酸-三乙醇胺法提取14]。

重金属转移系数（BTC）=地上部重金属含量地下部重金属含量；重金属富集系数（BAC）=植物中重金属含量土壤中重金属含量。

14數据处理

采用Microsoft Excel软件进行数据处理并绘图，用SPSS 130统计软件进行方差分析和相关性分析。

2结果与分析

21不同施氮水平对小麦长势的影响

从表1可知，在重金属复合污染土壤中，施肥处理小麦株高、叶宽和根长均明显增加。株高和根长以N2处理数值最大，分别较对照增加229%和268%。JP2]N5处理株高低于CK处理，这可能是因为施肥量过高抑制了小麦幼苗生长。叶宽以N1处理较好，较CK增加166%，且达显著差异。可见，适量施氮有利于促进复合重金属污染土壤中小麦的生长，而过量施氮对小麦生长有抑制作用。

22施氮肥对小麦吸收As、Cd和Pb的影响endprint

对小麦地上部分和地下部分的重金属含量测定结果（图1）分析表明，不同施氮水平对小麦吸收As、Cd和Pb有明显影响。JP2]与CK相比，施氮肥处理的小麦地上部分和地下部分As的含量分别增加218%～576% 和478%～102%。其中N3处理的小麦地上部分和地下部分As含量显著高于CK，达到极显著水平，与其他施氮处理相比达显著水平。小麦地上部分和地下部分相比，各施氮处理地上部分As含量高于地下部分。

与对照相比各施肥处理小麦地上部分Cd含量增加108%～246%，其中以N4处理最高，显著高于对照，但与其他处理差异不显著。小麦地下部分Cd含量与CK相比呈现下降趋势，下降008%～172%，其中含量最少的是N3处理，处理间显著不显著。

与对照相比，施氮处理小麦地上部分和地下部分重金属Pb含量分别增加19～30倍和10～50倍。其中，地上部以N4处理最高，显著高于其他各处理；地下部分以N3处理最高，与对照和其他施氮处理差异达显著水平。

总的来说，中、高浓度施氮有利于小麦吸收重金属As和Pb的含量，各处理地上部分重金属As、Cd和Pb的含量高于地下部分。

FK（W11]TPSX1tif；S+3mm]

23不同施氮水平对土壤有效As、Cd和Pb含量的影响

从不同氮肥施用量处理土壤中As、Cd、Pb含量的测定结果（图2）表明，施氮量对土壤中As、Cd、Pb含量有一定的影响，但处理间差异均未达到显著水平。与CK相比，施氮处理土壤中As均有不同程度（60%～199%）增加，其中以N2处理最高，N4次之，但均未达到显著差异。各施氮处理土壤Cd含量较对照均有一定程度减少，减少幅度在148%～152%之间，其中以N2处理减少最多。各施氮处理土壤中Pb含量，与CK相比均有一点程度减少，减少值在259%左右，其中以N4处理减少最多，显著低于CK，但与其他处理未达显著差异。

24不同施氮水平对小麦吸收As、Cd、Pb的影响

为了进一步反映施氮量对小麦吸收As、Cd、Pb转移能力的影响，计算出小麦的转移系数（BTC）和富集系数（BAC）（表2）。各施肥处理的小麦As的转移系数依次为N3>N5>N2>N4>N1>CK，分别是CK的33、27、21、19和11倍；Cd的转移系数大小依次为N4>N3>N2=N1>N5>CK，分别是CK的144、135、125、125和120倍；Pb的转移系数依次为N1>N4>CK>N5>N2>N3，N1和N4分别高于CK 831%和361%，而其他处理均低于CK。

FK（W10]TPSX2tif]

施氮量对小麦As、Cd、Pb地上部分富集系数（BAC）有明显的影响，各施肥处理的小麦对As的富集系数（BAC）表现为N1>CK>N5>N2>N3=N4，在施肥处理中，N1较CK高13%，其他处理均低于CK；对Cd的富集系数（BAC）表现为N1>N2>N4>N5>N3>CK，分别比CK增加315%、308%、228%、166%和129%；对Pb的富集系数（BAC）表现为N3>N4>N2>N5>N1>CK，分别是CK的46、36、34、31和23倍。

25氮肥与小麦吸收As、Cd、Pd的相关性

关系。施氮量与地上部分含量和地下部分含量呈现负相关，其中与地下部分达显著相关（r=-0574），与重金属转移系数（BTC）和富集系数（BAC）均为正相关，因此施氮量也是影响小麦吸收重金属的主要因素之一。除此之外，地上部分含量与地上部分含量和转移系数（BTC）之间均达到极显著正相关（r=0896，r=0806），地下部分与富集系数（BAC）为显著正相关（r=0543）。

3结论与讨论

施肥是保障农业增产、增收的重要农业措施之一，施用氮肥能促进小麦的生长。申玉香等研究氮素水平对小麦幼苗形状和营养元素含量的影响，认为施氮（N） 量控制在020～033 gkg，可以促进小麦植株生长发育，表现在株高、茎基宽、鲜重和干重等指标上16]。本研究中也发现，以中等浓度处理（N2）效果最佳，能促进植株生长。

化肥对重金属在土壤中的吸附解吸、形态转变、迁移有较大作用，会影响作物对重金属的吸收17]。重金属复合污染比单一重金属元素污染作用机理更复杂，但与实际情况更为贴近。本研究发现在As-Cd-Pb复合污染土壤中，施用不同量的氮肥对小麦地上部分和地下部分吸收和积累重金属有促进作用，施氮肥时Cd、Pb的富集系数高于CK，这与李志贤等的研究结果9]一致。一般来说，复合污染土壤重金属有效量较低18]，同时还与小麦本身富集重金属有关，韩晋仙等研究发现小麦对 As 和 Cr 的吸收能力较低，而对 Ni 和Cd 的吸收能力较高19]。施用氮肥对小麦吸收土壤中重金属的吸收具有分异特性，本研究结果表明，As-Cd-Pb在小麦体内的含量分布规律为茎叶>根，这一点与很多研究不一致10，20-21]。这可能是由于供试小麦的品种、施肥类型和施肥量、土壤类型、重金属元素的形态、水溫条件、选取的生育期不同有关。因此，施氮肥对于重金属在小麦植株体内不同器官的分布不能一概而论，还有待进一步的试验验证。

在复合污染土壤中，施氮有利于增加小麦幼苗的生长，以N2（200 mgkg）处理最好；不同施氮量能显著增强小麦对重金属的吸收和转运，小麦地上部分吸收重金属含量高于地下部分；从施氮水平来说，中浓度施氮水平有利于小麦吸收积累重金属As和Pb。施氮量与地上部分含量和地下部分含量呈负相关，与重金属转移系数（BTC）和富集系数（BAC）呈正相关，因此施氮量也是影响小麦吸收重金属的主要因素之一。

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