不同氮肥品种对不同类型土壤苋菜镉累积的影响

王 丽，邹 茸，王秀斌，霍文敏，2，迟克宇，范洪黎*

（1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业农村部植物营养与肥料重点开放实验室，北京 100081；2.中国地质大学，北京 100083；3.北京建工环境修复股份有限公司，北京 100015）

随着工业化和城镇化的不断发展，各种重金属由生活污水排放、大气沉降、采矿冶炼等途径进入农田，且数量逐年增加，造成农田土壤重金属污染［1］。镉（Cd）是重要的环境污染物，具有致癌、致畸和致突变作用，通过食物链危害人类健康［2］，过量吸收镉会导致骨痛病、肾衰竭、消化不良、心血管功能紊乱甚至患癌症等［3］。故阻控镉向食物链迁移成为降低土壤镉污染风险的重要途径［4］。自20世纪初发现Cd以来，Cd被广泛应用于电镀工业、化工业、电子业和核工业等领域，相当数量的Cd被排入环境，引起全球性土壤Cd污染［5］。2014 年4月国家环境保护部和国土资源部公布的全国土壤污染状况调查公报显示，镉（Cd）的点位超标率最高，正式被确定为我国土壤的首要污染物［6］。据报道，我国每年由于土壤 Cd 污染的农产品超标达14.6亿kg［7］，Cd 在土壤中因其高毒性和高移动性，采用传统物理或化学方法治理不仅成本高、周期长，且更易造成二次污染［8］。农艺措施调控是修复镉污染土壤最经济直接的手段，施肥作为重要的农艺措施，特别是氮肥，对土壤镉的生物有效性有重要影响［9］。随着人们环境保护意识的增强，人们希望污染土壤修复不仅不要对土壤肥力与生态环境功能予以影响，而且也不应形成二次污染。因此，借助生物修复、动物修复以及自然修复等技术对污染土壤实施修复，逐渐成为污染土壤修复研究的发展方向［10］。大量研究表明，利用超富集植物修复土壤重金属污染具有成本低、安全、可原位处置、减小对土壤结构性质的破坏，避免对周边环境造成二次污染等优点［11-13］。因此，研究植物对镉吸收、转运和累积机制，筛选高耐镉或镉超富集品种，切断镉在土壤-植物-人畜中的传导途径，修复镉污染土壤，对于减轻或消除土壤镉污染危害具有积极的意义［14-15］。利用植物修复土壤重金属污染存在超富集植物的生物量小、受环境影响大等缺陷，但可以通过土壤水分管理、施肥等措施提高超富集植物对土壤重金属污染的修复效率［16-17］。张圆圆等［18］采用营养液培养东南景天发现，在一定范围内施加氮肥能显著提高东南景天的生物量并促进其对Zn、Cd 的吸收和地上部累积。

本文以超富集植物苋菜（Amaranshus mangostanus L.）为研究对象，通过在两种类型镉污染土壤上施入4种不同的氮肥，研究不同氮肥对苋菜吸收累积镉的影响，探讨施氮肥提高苋菜对镉富集能力的可行性，根据土壤类型，合理选用氮肥种类，为土壤镉的高效修复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤取自江苏长江三角洲地带的黄棕壤和广东珠江三角洲地带的赤红壤，其理化性质见表1。苋菜为前期筛选的镉超富集植物苋菜天星米（Amaranshus mangostanus L.）。

表1 供试土壤基本理化性质

供试肥料：氮肥：尿素［CO（NH2）2］，分析纯；硫酸铵［（NH4）2SO4］，分析纯；硝酸钠（NaNO3），分析纯；硝酸铵（NH4NO3），分析纯；磷、钾肥：磷酸氢二钾（K2HPO4），分析纯。

1.2 试验设计

采用盆栽试验，共设置5个处理，包括尿素、硫酸铵、硝酸钠、硝酸铵不同的N源及对照（CK，不施肥），氮肥施用量一致，均为N 200 mg/kg，以溶液形式加入土壤中。每盆装风干土0.75 kg，在播种之前，以CdCl2溶液形式加入Cd 15 mg/kg。基础肥料以基肥形式加入，使用不同氮肥、磷酸氢二钾和硫酸钾，每千克土N 200 mg，P2O5229 mg，K2O 200 mg与土壤充分混匀，随机设计，3个重复。培养2周后，播种，出苗一周后定植为5株，生长期内定期浇去离子水，保持土壤相对含水量为田间持水量的70%左右。

1.3 收获与测定

植株生长45 d后收获，分地上部和根部，用去离子水清洗干净，105℃杀青30 min，70℃烘干。植株用HNO3-HClO4消化后，用ICP-AES测定其Cd 含量［19］。

根据生物富集系数和转运系数计算方法，结合植株生物量，通过计算植株生物富集系数和转运系数来反映其吸收和积累重金属镉的能力［20-21］。生物富集系数=地上部Cd含量/土壤中Cd含量转运系数=地上部Cd含量/地下部Cd含量

1.4 数据处理

采用Excel 2010 对试验数据进行统计整理，利用SAS 9.4软件用Duncan法进行单向方差分析（ANOVA），比较基于ANOVA得出的最小显著差异值的结果，P＜0.05被认为具有统计学意义［22］。

2 结果与分析

2.1 施用不同氮肥对苋菜生物量的影响

图1 不同氮肥品种对苋菜生物量的影响

由图1可知，不同类型土壤在不同氮肥处理下地上部、地下部生物量差异各不相同。黄棕壤中，尿素处理下苋菜地上部生物量高于对照，增幅为17%，硫酸铵、硝酸钠、硝酸铵处理反而使苋菜地上部生物量降低，其中硝酸铵降幅最大，为30%。赤红壤中，与对照相比，硫酸铵、硝酸钠处理地上部生物量显著增加，分别为37%、29%，尿素、硝酸铵处理地上部生物量有所增加，但与对照差异不显著。黄棕壤中，尿素、硫酸铵处理的地下部生物量有所增加但与对照差异不显著，而硝酸铵和硝酸钠处理显著低于对照，硝酸铵降幅最大，为31%。赤红壤中，硫酸铵、硝酸钠处理的苋菜地下部生物量显著高于对照，增幅分别为64.0%、70.8%，尿素、硝酸铵与对照相比差异不显著。结果表明，在黄棕壤上施加尿素能促进苋菜的生长，增加苋菜生物量，而施加硫酸铵、硝酸钠、硝酸铵不利于苋菜的生长，其中硝酸铵的抑制作用最明显；在赤红壤上施用硫酸铵和硝酸钠都有利于促进苋菜的生长，且效果相当，而施加尿素和硝酸铵对苋菜生长无明显的影响。

2.2 不同氮肥对苋菜吸收、累积镉的影响

由表2可以得出，在黄棕壤和赤红壤中，苋菜Cd含量、Cd累积量存在较大的差异。黄棕壤中，尿素、硫酸铵和硝酸铵处理时地上部Cd含量均显著高于对照，而硝酸钠处理与对照差异不显著；各处理苋菜地上部镉累积量高低顺序为尿素＞硫酸铵＞硝酸铵＞对照＞硝酸钠，尿素处理与对照存在显著差异。其中，尿素处理地上部Cd含量和Cd累积量增幅最大，分别为59%、90%。与对照相比，尿素、硫酸铵处理地下部Cd含量和Cd累积量都显著增加，硝酸铵处理时差异不显著，硝酸钠处理反而都显著降低。其中，尿素处理地下部Cd含量和Cd累积量增幅最大，分别为243%、259%，硝酸钠处理地下部降幅分别为88% 、91%。赤红壤中，与对照相比，尿素、硫酸铵和硝酸铵处理地上部Cd含量、Cd 累积量都显著增加，硝酸钠处理均显著降低。其中，硫酸铵处理时地上部Cd含量、Cd累积量分别增加了56%、114%。地下部Cd含量、Cd累积量分别增加了141%、293%。尿素、硫酸铵处理地下部Cd含量、Cd累积量都显著高于对照，硝酸钠处理都显著低于对照，而硝酸铵处理与对照差异不显著。其中，硫酸铵处理时地下部Cd累积量增幅最大，增加了2.9倍。

表2 氮肥品种对苋菜植株体内Cd含量和累积量的影响

黄棕壤中，尿素、硫酸铵处理的生物富集系数较大，表明施尿素、硫酸铵能更好地吸收土壤中的Cd，促进苋菜对Cd的富集。赤红壤中，硫酸铵、硝酸铵处理的生物富集系数较大，表明施硫酸铵、硝酸铵能更好地提取赤红壤中的Cd，提高植株对Cd的富集能力。综合不同氮肥对苋菜生物量的影响，在黄棕壤上施用尿素，赤红壤上施用硫酸铵时苋菜对土壤Cd的修复效果最好，效率最高。

2.3 苋菜生物量与吸收、累积镉的相关性

从表3可以得出，在黄棕壤中，苋菜地上部生物量与Cd含量不相关，与Cd累积量呈极显著相关，Cd含量与Cd累积量之间极显著相关；地下部与地上部不同，地下部生物量与Cd含量显著相关，与Cd累积量极显著相关，且Cd含量与Cd累积量之间也呈极显著相关。在赤红壤中，地上部生物量、Cd含量与Cd累积量之间的相关性与黄棕壤相同；地下部生物量与Cd含量、Cd累积量不相关，但Cd含量与Cd累积量之间具有极显著相关性。结果表明，黄棕壤地下部生物量不仅影响其Cd累积量，还影响其Cd含量；赤红壤地下部生物量不会影响其Cd含量和Cd 累积量。

表3 苋菜生物量与其吸收、累积镉的相关性

3 讨论

植物体内重金属含量和该种植物可收获部分的生物量决定了此种植物实际修复效率。有研究表明，不同施肥处理对两种苋菜的生物量和各器官中Cd的含量均有显著影响。施加N、P、K肥可以提高苋菜的生物量，因此，苋菜提取Cd的总量与对照相比成倍数增加，从而提高了修复效率。施肥提高苋菜生物量的同时，也会改变土壤中重金属的有效性［23］。苋菜地上部Cd含量较高，且其地上部Cd 含量受多种因素的影响［24-26］，尤其受土壤（介质）中重金属全量及重金属生物有效性的影响，甚至与土壤（介质）中重金属全量显著正相关［27］。通过盆栽试验，表明不同土壤、不同肥料种类影响了苋菜的Cd含量和Cd累积量。

3.1 不同氮肥品种对苋菜生物量的影响

不同氮肥对苋菜的生长影响不同。在黄棕壤上施加尿素促进了苋菜地上部生长，而施加硝酸钠抑制了苋菜的生长；在赤红壤上施加硫酸铵、硝酸铵促进了苋菜的生长，而施加尿素、硝酸钠对苋菜生长无明显影响。在黄棕壤上各氮肥处理下镉的转运系数均小于1，最大的为硝酸铵（0.98），最低的是尿素（0.42）。而赤红壤上转运系数均大于1，最大的为硝酸钠（3.57），最低的是尿素（1.00）。各氮肥转运系数的不同可能与氮肥特性有关。土壤pH值对Cd形态和有效性影响较大，硫酸铵为生理酸性肥料，植物吸收NH4+后，根际土壤的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，先转变为NH4+-N，然后被植物吸收。说明较高的尿素施用量可显著降低土壤pH值。原因可能是过量尿素水解反应的速度高于NH4+-N的硝化速度，致使土壤中累积NH4+，从而使植物吸收NH4+的比例增加，根系分泌H+增多，土壤pH值降低［29］。土壤pH值的差异不仅影响着土壤对镉离子的解吸和固定程度，还影响植物根系和地上部的生理代谢过程或重金属在植物体内的运转等而间接影响重金属元素的吸收［30］。施用NH4+-N肥后，土壤pH值降低，重金属的解吸和溶解过程增强，根际重金属离子的有效性增加［31-32］，而且不同氮肥施入土壤后对土壤镉有效性的影响不同，由此推测不同氮肥类型主要通过调节植物生长，增加地上部生物量，从而提高植物修复效率［33］。比如施加尿素处理的超积累植物龙葵能够吸收更多的活性Cd，导致龙葵各器官Cd 含量显著性增加［34］。硝酸铵和硫酸铵能明显提高小麦的籽粒产量，其次为尿素，氯化铵处理的小麦产量最低［35］。此结果与本试验结果相似。由此可见，施用铵态氮、尿素对生物量增产效果较好。在黄棕壤上施加尿素，在赤红壤上施用硫酸铵能促进苋菜的生长，增加苋菜生物量。

3.2 不同氮肥对苋菜吸收、累积镉的影响

不同氮肥处理对苋菜吸收、累积Cd的影响不同。黄棕壤中，所有氮肥处理苋菜地上部Cd含量都比无肥处理高，其中以尿素的促进作用最强。地下部Cd含量除硝酸钠处理外都有所增加，其中尿素增幅最大。苋菜地上部和地下部Cd累积量除硝酸钠处理外都有增加的趋势，其中尿素处理的Cd累积量最大；赤红壤中，除硝酸钠处理外，其他氮肥处理地上部镉含量都比无肥处理增加苋菜对镉的吸收，其中硫酸铵的促进作用最强。地下部Cd含量除硝酸钠处理外都有所增加，其中尿素增幅最大，其次是硫酸铵。苋菜地上部和地下部Cd累积量除硝酸钠处理外都有增加的趋势，其中硫酸铵处理的Cd累积量最大。本试验表明，两种酸性土壤上施用尿素、硫酸铵、硝酸铵在一定程度上增强了苋菜植株对土壤中Cd的吸收但效果不同。在黄棕壤中，尿素处理的生物富集系数最大，而硝酸钠处理的转运量系数最大；赤红壤中，硫酸铵处理的生物富集系数最大，硝酸钠处理的转运量系数最大。生物富集系数是描述化学物质在生物体内累积趋势的重要指标，在实际超富集植物筛选中，很难达到生物富集和转运同时满意的效果。即使同一氮肥施用于不同土壤类型，其苋菜对氮、Cd吸收也会有很大的差异性，具体原因有待进一步分析。以往研究发现，植物在吸收铵态氮时会导致H+释放至土壤中，使土壤pH值降低［32］，从而增强土壤 Cd 的生物有效性。还有研究发现施用硫酸铵、尿素、氯化铵、硝酸铵4种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］。这些研究结论的不一致可能与土壤特性尤其是土壤缓冲性有关［37］。土壤施用铵态氮肥会增加 Cd 在植物体内的积累［38-39］。这与本研究的结果相似。施肥处理对小白菜吸收、积累镉的促进或抑制作用的原因在于施肥处理增加或降低了土壤有效态镉含量［40］。本研究不同氮肥对土壤Cd的有效性影响不同，也有可能是不同土壤阳离子交换量和土壤胶体等与土壤吸附的Cd2+之间存在交换作用。

氮肥特性、土壤条件等都会影响植株对Cd的吸收和累积。综上所述，在黄棕壤上施用尿素，在赤红壤上施用硫酸铵能提高苋菜的Cd含量和Cd累积量，提高苋菜对Cd污染土壤的植物修复效率。

3.3 苋菜生物量与其吸收、累积镉的相关性

植物营养物质可能会影响土壤-植物体内重金属的活性和生物有效性，从而影响其在植物生长和重金属在体内的积累［41］。对于黄棕壤和赤红壤，苋菜植株Cd累积量与植株Cd含量密切相关，植物生长状况对其Cd累积产生直接影响。从苋菜生物量与Cd累积量相关性分析可知，施用氮肥能促进植株的生长从而提高植株对重金属Cd的吸附能力。

4 结论

本试验研究结果表明：在黄棕壤和赤红壤上施加不同品种的氮肥对苋菜生物量的影响不同。在黄棕壤上施加尿素能促进苋菜的生长，增加苋菜生物量，在赤红壤上施用硫酸铵和硝酸钠都有利于促进苋菜的生长，且效果相当，而施加尿素和硝酸铵对苋菜生长无明显的影响；施用不同种类的氮肥，苋菜对Cd的吸收和累积存在一定的差异。在黄棕壤和赤红壤中施入尿素、硫酸铵、硝酸铵均能提高苋菜地上部和地下部的Cd累积量，黄棕壤上施用尿素效果最佳，赤红壤上施用硫酸铵效果最佳；在黄棕壤中施加尿素，苋菜生物富集系数最大，在赤红壤中施加硫酸铵，苋菜的富集系数最大，能更好地促进苋菜对土壤中镉的吸收和富集。在一定土壤Cd浓度污染范围内，尿素和硫酸铵能分别提高苋菜对黄棕壤和赤红壤上的Cd含量和Cd累积量，且成本低、效果好、易操作，适宜推广应用。