氮肥管理对植物镉吸收的影响

颜昌宙，郭建华

1. 中国科学院城市环境研究所城市环境与健康重点实验室，福建 厦门 361021； 2.中国科学院大学，北京 100049

镉（Cd）作为一种毒性极强的重金属元素，对动植物和人体均可产生毒害作用（Vazquez et al.，2020）。工农业产生的重金属污染物排放到环境中，造成土壤Cd污染。土壤Cd污染由于具有隐蔽性、滞后性及不可降解性，进入土壤后会影响作物的生长和发育，并通过食物链传递作用危害人体健康，例如日本痛痛病事件（Hu et al.，2016）。在2014年调查发现，我国耕地土壤中Cd的点位超标率是调查污染物之首，高达7.0%（Ata-Ul-Karim et al.，2020）。由于耕地资源短缺，我国部分 Cd污染耕地仍用于农业生产，如何管控和修复受Cd污染的耕地土壤，保障粮食安全生产，已然成为当前土壤及环境领域的研究热点。

常见的Cd污染土壤修复方法有物理修复、化学修复和生物修复。这些方法有很大局限性，比如物理修复中的淋洗法不适用于粘质土壤，且提取剂选择不当容易破坏土壤结构（曹明超等，2019）；化学修复中的土壤钝化技术，需要在土壤中施加大量钝化剂如粘土矿物、生物质及磷酸盐，成本较高（Finzgar et al.，2006）；生物修复中的植物修复技术存在周期长、修复效率较低的问题（黄化刚等，2012）。化肥管理是重要的农艺调控措施，化肥调控是一种可以达到对污染土壤的边生产边修复的方法，相对于其他修复方法既经济又节约时间（Yang et al.，2016a）。

不同植物对重金属的富集吸收特性由于自身特性不同从而存在差异，但也受外部环境影响，而施加氮肥是影响植物吸收Cd的重要环境因素。氮肥是农业生产中使用最多的肥料，酰胺态氮肥、铵态氮肥和硝态氮肥等各种形态的氮肥在中国农业生产中有着广泛的应用，目前其用量占中国化肥总用量的60%以上（陈新平等，2000）。大量的氮肥施加到土壤中后会影响土壤理化性质，进而影响重金属迁移及其生物有效性。氮肥中的氮是构成植物细胞中氨基酸、叶绿素及蛋白质等物质的重要组成成分，也是植物的主要营养物质和限制作物生长的最常见因子（Daniel-Vedele et al.，2010）。有研究表明氮可以有效调控植物对 Cd的吸收和积累（Srivastava et al.，2019)，进入植物体内的氮可以通过在分子、生化、细胞和整株水平（提高作物产量）等机制来平衡重金属毒性。大量的氮肥施加到土壤中后不仅影响土壤理化性质，而且也会影响植物生理特性，这些影响对植物吸收Cd有非常重要的意义。因此，本文综述了当前关于氮肥管理对植物Cd吸收的影响及其作用机制的最新研究进展，可以为Cd污染条件下土壤施肥管理提供参考。

1 氮肥对植物Cd吸收的影响

1.1 硝态氮肥对植物Cd吸收的影响

硝态氮肥施加到土壤后，由于硝酸根离子非常容易溶于水并且带负电，很难被土壤胶体吸附，在土壤中迁移速度很快，很容易被植物吸收。植物吸收硝态氮后，还原成铵根离子并在细胞质中代谢，多余的硝酸根离子被储存在植物细胞的液泡中，因此高强度的硝态氮不会对植物产生负面影响（Coskun et al.，2017）。硝态氮在植物体的木质部内以水和阴离子转运，需要阳离子平衡（Monsant et al.，2010），因此，硝酸根离子可以促进植物吸收阳离子。由此可见，施加硝态氮肥可能促进植物吸收 Cd2+，例如 Wångstrand et al.（2007）通过大田实验研究发现小麦中Cd含量随着硝态氮施加量的增加而升高，然而易蔓等（2016）研究发现在中性土中施加硝态氮可以使烟草（Nicotiana tabacum）地上部分Cd累积量降低14.07%，这表明硝态氮对植物Cd吸收的影响会因植物及土壤性质的不同而有不同的影响。Guan et al.（2015）研究发现大白菜（Brassica pekinensis）根系对NO3-的吸收与白菜中可食用的Cd水平有很高的相关性，可以通过筛选根系对NO3-吸收率低的品种来减少作物对Cd吸收和积累。因此，硝态氮肥对植物吸收Cd的调控作用不仅受到土壤性质（土壤类型、pH值等）的影响，还会受到植物种类和生理作用的影响。

1.2 铵态氮肥对植物Cd吸收的影响

土壤施加铵态氮肥（Ammonium，NH4+）后，植物可以吸收铵根离子转化为氨基酸或者酰胺，多余的铵根离子会对植物体有毒害作用（Coskun et al.，2017）。研究发现，植物在吸收铵态氮时会导致H+释放至土壤中，导致土壤pH值降低（缪其松等，2011），从而增强土壤 Cd的生物有效性。很多研究表明，施加铵态氮肥可以增加向日葵（Helianthus annuus）（Nehnevajova et al.，2005；Zaccheo et al.，2007）、球果蔊菜（Rorippa globoxa）（Wei et al.，2015）、东南景天（Zhu et al.，2010）对Cd的吸收。也有相反的研究结果发现铵态氮可以降低马铃薯（Solanum tuberosum）块茎中的Cd含量（Larsson et al.，2011）以及玉米（Zea mays）茎、叶和籽粒部位的 Cd含量（霍文敏，2019）。由于土壤-植物体系的复杂，铵态氮肥施加对植物Cd吸收的影响并不一致。铵根离子促进植物吸收阴离子并且消耗有机酸，因此水生植物或者强酸性土壤更适合使用铵态氮。很多研究也证实铵态氮能够显著地减轻Cd对水稻（Oryza sativa）的毒害（Hassan et al.，2005；Jalloh et al.，2009）。

1.3 酰胺态氮肥对植物Cd吸收的影响

尿素是酰胺态氮肥中最常用的肥料品种，又称碳酰胺，含氮量46%，是农田施用量最大的氮肥（陈英杰等，2017）。施入土壤中的尿素，半衰期为1—8 d（Liu et al.，2003）。尿素经过土壤微生物生成的脲酶水解产生氨及含氮氧化物，短期内会使土壤pH值升高（Hinsinger et al.，2003），铵态氮硝化后又使得土壤pH值降低、土壤中Cd的活性增加（李旭军等，2014），从而促进植物对Cd的吸收。有研究发现尿素可以显著增加土壤中可溶性 Cd和二乙烯三胺五乙酸（DTPA）提取态 Cd（Mitchell et al.，2000），因此施加酰胺态氮肥可以促进小麦（Gao et al.，2010；Mitchell et al.，2000）、水稻（黄荣等，2018）和刺儿菜（Cirsium setosum）（罗少辉等，2018）吸收土壤中的 Cd，也有相反的研究结果发现在 Cd污染（1.58 mg·kg-1）土壤中单独施加氮肥，与对照相比，中高剂量的尿素可以使糙米中 Cd含量降低2.02%—66.27%（王朋超，2016）。以上结果的不一致性表明不同土壤环境及不同植物条件下，酰胺态氮肥对植物Cd吸收影响不一样。此外，不同剂量的酰胺态氮肥也会对植物Cd吸收产生不同影响。

1.4 不同形态氮肥对植物Cd吸收影响的对比

植物主要吸收土壤中无机氮（NH4+-N和NO3--N），铵态氮肥施加后可以给植物提供NH4+-N，硝态氮肥可以给植物提供NO3--N，酰胺态氮肥尿素施入土壤后，被脲酶水解成植物可以吸收利用的NH4+-N（图1）（曹凤秋等，2009）。植物吸收NH4+-N和 NO3--N后，根部会分泌不同的离子，改变根际周围pH值，进而影响土壤重金属活性（张学洪等，2011）。因此，不同氮形态化肥施入土壤后可通过影响土壤中 Cd的形态转变、吸附、解吸和迁移率等，进而调控植物对Cd的吸收和积累。

图1 不同形态氮肥对植物吸收Cd的调控Fig. 1 Regulation of Cd uptake by different forms of nitrogen fertilizer in plants

酰胺态氮肥和铵态氮肥施入土壤后，在土壤微生物作用下，发生硝化反应，酸化土壤（图 1），植物吸收NH4+离子后，也会诱导根系细胞释放H+到土壤溶液中，酸化土壌（Hinsinger et al.，2003）。因此铵态氮和酰胺态氮肥比硝态氮肥更能增加土壤Cd活性，促进植物对Cd的吸收。有研究发现，在5 mg·kg-1Cd污染土壤中，施加铵态氮和酰胺态氮比硝态氮更能增加小白菜（Brassica chinensi）体内的Cd含量，其中施加铵态氮肥和酰胺态肥的小白菜叶部Cd含量分别是施加硝态氮肥的2.8倍和1.6倍（刘越，2015）。许多研究也得出相同结论，例如范士凯（2015）在土培条件下也发现小白菜可食部分Cd含量顺序是硝态氮＜酰胺态氮＜铵态氮。然而，有研究通过水培及土培实验发现了相反的结果。例如杨永杰通过不同形态氮肥水培实验发现，NO3-处理组的水稻 Cd吸收最多，而 NH4+处理组Cd吸收最少（杨永杰，2016）；Hassan et al.（2005）研究表明施用硝态氮的水稻比施用铵态氮根部和地上部分分别增加了 18.0%和 39.3%的 Cd含量；Jalloh et al.（2009）通过土培实验也发现不同形态氮肥处理后水稻中 Cd含量顺序为硝态氮＞酰胺态氮＞铵态氮，施用硝态氮肥的水稻不仅Cd含量最高而且长势最差。土壤条件不同，不同形态氮肥对植物Cd吸收的影响结果也不同，比如有研究发现，在土壤中加入碳酸钙增加土壤缓冲性后，硝态氮处理组的小白菜可食部分Cd含量比铵态氮处理组含量增加50%，而不加碳酸钙的缓冲性弱的土壤中，硝态氮处理组的小白菜可食部分Cd含量比铵态氮处理组降低41%（范士凯，2015）。

尽管上述关于不同形态氮肥对植物Cd吸收的影响结果并不一致，但表明了氮肥种类不同可以对植物体内Cd含量产生较大的影响。由于土壤-植物系统的复杂性，每种形态的氮肥对植物Cd吸收的结果并不一致，其影响植物Cd吸收的机理也不相同（表 1）。氮肥施加强度、植物种类、氮肥对植物生理影响和土壤理化性质都有可能影响植物 Cd吸收，因此不能单独通过氮肥形态来判定是否促进植物对Cd的吸收。目前缺乏植物吸收氮肥后根系分泌物在根区微环境对Cd有效态影响的相关研究。不同形态氮肥对土壤Cd形态变化的影响不一定能准确反映其对植物Cd吸收的影响，基于现有研究很难判定什么形态的氮肥可以促进植物吸收土壤中的Cd。总体而言，在旱地Cd污染土壤中，更适合施加硝态氮来减少植物Cd吸收，而在水田中更适合施加铵态氮来减少植物Cd吸收。

1.5 氮肥在Cd污染土壤修复中对植物Cd吸收的影响

不同形态氮肥对不同植物及土壤条件下的植物Cd吸收和积累的影响不一样。由于施加氮肥是农业生产中重要的农艺措施，因此，在镉污染土壤钝化修复中，可以通过氮肥施用，强化Cd钝化效果从而达到降低作物 Cd含量的目标，也可以在Cd污染土壤植物修复中通过氮肥形态和用量的调控来增强作物Cd吸收从而达到生物移除Cd污染的目标。

在Cd污染土壤钝化修复中，有研究发现，海泡石修复在Cd污染水稻田时，尿素添加量越多，糙米中Cd累积量降低效果越显著，最高降低率可达63.46%（王朋超，2016）。也有研究发现与不施肥对照相比，生物质炭与氮肥（添加硝化抑制剂）配施能降低籽粒Cd含量，其籽粒Cd质量分数显著降低 11.6%（陈少毅等，2014）。以上研究表明氮肥可以强化钝化剂的钝化效果，达到修复Cd污染土壤目的，同时氮肥可以弥补钝化剂营养物质不足的问题，解决农作物生长和土壤钝化修复效果的矛盾。在Cd污染土壤植物修复中，有研究发现，施用适度的氮肥可以显著提升东南景天（Sedum alfredii Hance）的生物量，促进其对Cd的吸收和转运（窦春英，2009）。也有研究发现，施用硫酸铵可显著提高龙葵（Solanum nigrum）地上部分干重和 Cd含量（王林等，2008）。植物修复过程中施加氮肥可以强化植物修复效果，但是并不是施加氮肥越多越好。有研究发现，虽然氮肥可以使东南景天、莴苣（Lactuca sativa）和黑麦草（Lolium perenne）地上部分生物量增加，但是过高浓度的氮肥会让超积累植物对Cd富集产生稀释效应（沈丽波，2010）。因此，在超积累植物修复 Cd污染土壤过程中，应考虑氮肥对植物地上部生物量、重金属的积累量和收割后土壤中有效态Cd的影响，使得收益最大化。

目前关于氮肥施加对Cd污染土壤修复中植物Cd吸收影响的研究较少。当前研究只是对修复效果的表层现象进行报道，对土壤-植物体系中 Cd、氮含量形态变化的微观机制没有深入研究，氮肥对修复效果影响的作用机理还不明确。土壤修复会面临不同环境的复杂变量的相互作用，比如气候、土壤和植物之间的相互作用，建模可以对植物修复效果进行预测，从而指导修复措施的应用（Jaskulak et al.，2020），例如通过S型重金属吸附模型可以很好地预测向日葵在不同时间段对Cd的吸收（Zhao et al.，2019）。如果利用一种能够准确预测氮肥在Cd污染土壤修复中对植物Cd吸收影响的模型，可以减少实验验证的时间和成本，但是目前还没有这种模型研究。

表1 不同氮肥对不同植物Cd吸收的影响Table 1 Effects of different nitrogen fertilizers on Cd uptake by different plants

2 氮肥对植物Cd吸收的影响机制

2.1 氮肥对土壤中有效态Cd的影响

土壤pH值的变化对土壤中Cd有效态有重要影响，土壤pH值和Cd有效态呈负相关关系。氮肥引起土壤pH值变化主要有：（1）氮肥中的阳离子和土壤竞争H+吸附点位，造成土壤酸化（Rhue et al.，2002）；（2）植物吸收硝酸根离子造成根际土壤碱化，吸收铵根离子造成根际土壤酸化（张学洪等，2011）；（3）铵态氮肥中的铵根离子发生硝化反应造成土壤酸化。

施加氮肥后，土壤导电率增加，土壤中 Cd2+有可能被其他阳离子（如Ca2+、Fe2+、Zn2+）取代，进而增加土壤中有效态Cd含量（Yang et al.，2020）。有研究表明，不同形态氮肥施加后提高了土壤有效态 Cd（1 mol·L-1醋酸铵提取），提高顺序是铵态氮＞铵态-硝态氮＞硝态氮（Yuan et al.，2016）。研究发现施加尿素提高了土壤中 Cd的活性态含量（Ryu et al.，2018）。土壤有效态Cd含量升高后进而提高了植物中Cd含量（表1）。有研究发现，在同一 Cd污染土壤中，分别种植苋菜（Amaranthus tricolor）和大白菜，施加铵态氮、硝态氮、铵态-硝态氮和酰胺态氮，这4种形态氮肥均降低了苋菜和白菜地上部分Cd含量，在土壤-苋菜体系中，除硝态氮外，其他形态氮肥均提高了土壤中DTPA提取态Cd含量，在土壤-白菜体系中，铵态-硝态氮和酰胺态氮肥提高了土壤中DTPA提取态Cd含量，铵态氮和硝态氮则降低了土壤中 DTPA提取态 Cd含量（王艳红等，2016）。也有研究发现，和其他形态氮肥相比，施加铵态氮肥的遏蓝菜（T.caerulescens）的根际土可提取态Cd含量最高，硝态氮处理组最低，但是施加硝态氮的植物Cd含量却最高（Huang et al.，2003）。以上研究表明，施加氮肥对土壤中有效态Cd的影响不尽相同，土壤Cd的形态会受到施加的氮肥形态和作物种类等的共同影响。

2.2 氮肥对Cd污染条件下植物体内抗氧化系统的影响

Cd胁迫下的植物代谢会紊乱，产生大量活性氧（ROS）破坏植物细胞，影响植物正常生长（Ekmekci et al.，2008），累积在植物体内的活性氧引发膜脂过氧化反应，生成丙二醛（MDA），MDA进而影响植物细胞的结构和功能（黄玉山等，1997）。植物体内抗氧化酶系统可以清除活性氧，从而减轻活性氧对植物组织的破坏（李冬琴等，2015）。施加氮可以增强植物体内的超氧化物歧化酶（SOD），谷胱甘肽过氧化物酶（GPX），过氧化物酶（POD），抗坏血酸过氧化物酶（APX）和过氧化氢酶（CAT）活性（杨容孑等，2016）（图 1），进而增强了植物对Cd的耐受性。

有研究发现在高浓度Cd（75 mg·kg-1）污染土壤中，施加15 mg·kg-1N（尿素）后，SOD、CAT、及POD活性分别提高了76.67%、61.44%和58.35%，说明Cd胁迫下增施氮能显著提高植株体内抗氧化酶活性，避免活性氧的积累，进而缓解Cd对植株的毒害（杨容孑等，2016）。在污染的沉积物中生长的芸苔属（Brassica）植物中，施加尿素增加了CAT活性（Giansoldati et al.，2012）。在Cd污染土壤中施加氮肥可以降低小白菜中丙二醛的含量，减轻Cd对小白菜的生理毒害（刘越，2015）。Jalloh et al.（2009）研究结果发现，在 100 mg·kg-1Cd污染土壤中施加酰胺态氮和铵态氮可以使植株 SOD和 POD活性增强更明显，水稻受到氧化胁迫的损害更小，杨永杰通过水培实验也发现在Cd胁迫下，铵态氮比硝态氮和酰胺态氮能更有效降低水稻体内MDA含量，减轻Cd对水稻的氧化胁迫（杨永杰，2016）。相比之下，缺氮会引起水稻中毒，增加活性氧（ROS）（Lin et al.，2011）。由以上不同实验结果可知，在Cd污染条件下，施加氮肥可以缓冲Cd对植物毒害，但不同N形态对减轻Cd氧化损伤的程度并不同，因此氮肥对Cd污染条件下植物抗氧化系统影响的分子机制等仍需要进一步深入研究。

植物体内的一氧化氮（NO）也参与植物的ROS代谢（Lin et al.，2019），NO可以清除Cd胁迫下植物中产生的ROS，为植物提供抗氧化保护，比如在Cd胁迫下水稻叶片（Illés et al.，2003）、向日葵叶片（Illés et al.，2006）和小麦（Triticum aestivum）根系（Tang et al.，2014）中均发现 NO可以清除ROS，NO可能参与增加植物中的抗氧化剂含量和抗氧化酶活性（Krishnapriya et al.，2009）。有研究发现如果内源性一氧化氮含量下降，则引发Cd胁迫植物的氧化损伤（Krishnapriya et al.，2009）。这种增强的活性是由于基因表达的增加还是由于蛋白质的翻译后修饰而引起的还没有进行过深入的研究。

2.3 氮肥调控植物吸收Cd的分子机制

阳离子金属转运跨膜蛋白对Cd在植物体的吸收和转运起着至关重要的作用（Yamaji et al.，2014）。铁转运蛋白（IRT）、天然抗性巨噬细胞蛋白（Nramp）、重金属ATP酶（HMA）、锌铁离子转运蛋白（ZIP）和硝酸盐转运蛋白（NRT）对Cd的吸收和转运有重要作用（Erenoglu et al.，2011；Nakanishi et al.，2006；Takahashi et al.，2011；Yang et al.，2018）。Lee et al.（2009）研究发现OsIRT1（锌铁转运蛋白基因）的过度表达可以使水稻体内积累大量的Cd。敲除拟南芥（Arabidopsis thaliana）的IRT1可以使拟南芥根部吸收Cd被抑制（Zhu et al.，2012）。NO3-可以促进番茄（Solanum lycopersicum）铁转运基因（LeIRT1 gene）表达，从而提高Cd的积累（Luo et al.，2012）。Yang et al.（2020）在水培溶液中加过量的 NO3-可以使水稻OsIRT1和OsNramp1基因表达增加从而使水稻体内Cd含量增加。当施加的NO3-/NH4+比例提高时，也可以使OsIRT1、OsNramp5和OsHMA2基因在根部过度表达造成植物 Cd含量增加（Wu et al.，2018）。植物组织中N浓度增加可以提高小麦根部ZIP浓度，ZIP可以转运更多的 Cd到小麦中（Erenoglu et al.，2011）。Mao et al.（2014）研究两个拟南芥突变体（NRT1.1-1 and Chl 1.5）发现缺乏NRT1.1（双亲和 NO3-转运蛋白）功能基因可以减少 Cd的吸收。分根实验表明被硝酸盐转运蛋白（NRT1.1）吸收的Cd依赖于植物吸收的NO3-，这表明可以通过改变植物对 NO3-吸收来调控植物可食部分Cd的积累。Chen et al.（2012）通过破坏了NRT1.5（木质素 NO3-转运蛋白）的功能，降低了NRT1.5和AtPCS1基因表达，从而降低了Cd在地上部分的含量。以上结果表明氮肥可以通过影响转运蛋白来影响植物对Cd的吸收。但是目前关于氮肥形态对植物体内转运蛋白基因表达的影响仍不甚清楚。

NO是对植物体生长起重要作用的分子，并且是植物体内代谢重要的中间产物（Xiong et al.，2012）。NO可以作为一个信号分子调控金属转运基因的表达（Chen et al.，2018；Yang et al.，2016b）。硝酸还原酶（NR）是植物吸收 N的一个重要的酶，是NO合成的主导酶（Crawford，2006），NR活性受植物体内的NO3-调控（Jin et al.，2009）。在植物细胞中，NR通过催化硝酸盐还原产生的亚硝酸盐来合成NO（Berber-Mendoza et al.，2006）。有研究表明NO可以促进OsIRT1相关基因表达，增加IRT1来增加对Cd的吸收（Curt et al.，2004）。因此N通过调控植物体内与 Cd无特异性基因表达和二价阳离子转运体来调控Cd的吸收的转运。但是NO是否作为信号分子参与这个过程以及 NO如何调控这些金属转运基因的表达仍然需要深入研究。

3 研究展望

植物的生理特性和土壤理化性质共同影响了Cd污染土壤中植物对Cd的吸收，氮肥管理通过对植物的生理特性和土壤理化性质产生作用进而影响植物Cd吸收。土壤-植物环境变量十分复杂，当前关于氮肥管理对植物Cd吸收影响的研究很多只是描述报告，缺乏深入系统的研究。根据现有研究存在的问题与不足，未来研究可以从以下方面做进一步的拓展：

（1）氮肥在不同环境条件下（土壤类型、植物种类和气候）对植物Cd吸收的影响需要进一步研究，探索如何通过氮肥管理（种类、用量及施用时间等）来降低植物Cd含量、促进植物生长的最佳边界条件，以期达到在低浓度Cd污染土壤中阻控Cd向作物中迁移、在高浓度Cd污染土壤中调整种植结构（利用原料作物、园林绿化植物替代食用作物）并强化植物富集移除Cd的目标。

（2）根际微环境受土壤环境和植物共同影响，氮肥管理如何影响根际微环境中土壤理化性质，以及这些理化性质变化对植物Cd吸收的影响关系需要进一步研究，以准确反应氮肥对土壤-植物Cd生物有效性的影响。

（3）Cd吸收转运基因表达是影响Cd在植物体内吸收和累积的决定因素，当前关于不同氮肥形态对植物吸收转运Cd的分子机制还不甚清楚。氮肥施加对Cd污染土壤化学、土壤微生物及作物生理响应机制还需要进一步的深入研究，找出氮肥影响植物吸收Cd的关键生理过程和关键控制基因尤为重要，通过这些分子水平研究的结果，可以精准指导氮肥调控植物对Cd的吸收。