外源施用磷肥缓解小麦镉积累的效应

王 俊，李广鑫，李 畅，刘红恩，高 巍，秦世玉，王 龙，睢福庆，冯 洋，赵 鹏

（1.河南农业大学 资源与环境学院，河南 郑州 450002；2.郑州郑氏化工产品有限公司，河南 郑州 450008）

自工业革命以来，镉（Cd）污染成为了全球性的环境问题。土壤Cd污染主要来自大气沉降、金属冶炼、污水灌溉以及肥料的不合理施用等[1-2]。以湖南长株潭城市群为例，在所监测的4类污染区中，大气沉降中Cd 的贡献占总输入通量的80%以上[3]。同时，因水资源短缺，在农业灌溉中使用未经处理或处理不达标的工业废水或城镇生活污水等，同样造成农用地重金属的累积[4]。由于Cd 在环境中具有较高的流动性和毒性[5]，其对植物的毒害作用主要表现在生长受阻、植株黄化、活性氧浓度增加和细胞膜结构破坏等方面[6-7]。随着食物链传递，Cd污染对人类健康也会造成严重威胁[8]。长期食用受Cd污染的农产品会导致人体慢性中毒、骨骼软化、肺部损伤、肝脏和肾器官功能失常等，危害身体健康[9]。

磷（P）是小麦、玉米等作物所需的大量营养元素之一[10]，参与植物功能性分子的合成和生理代谢过程，对于促进植物生长发育具有重要作用[11]。Cd与植物所需的营养元素之间存在交互作用，其中P与Cd 的交互作用仍存在争议[12]。研究表明，P 能减轻Cd 对作物的毒害[13-14]，施入0～80.0 mg/L 的磷酸二氢钾（KH2PO4，以P计）可缓解Cd胁迫下黑麦草的毒害作用[15]。磷酸根离子的络合能力较强，能与Cd反应生成CdHPO4或CdH2PO4+等络合物，这种络合物与氢氧化物进一步反应产生沉淀，降低土壤中游离的Cd2+，进而减少植物对Cd 的吸收和累积[16]。然而，也有研究者认为P 能促进作物对Cd 的吸收[17]。施加磷肥可促进小麦生长，增加小麦Cd 累积量，且促进根系中Cd 向地上部转运[18]；在Cd 胁迫下，外源P 增加了水稻各部位Cd 累积量，促进了Cd 从根系向地上部的转运等[19]。

由此可以看出，关于外源施用磷肥对土壤Cd的生物有效性及对作物Cd 吸收积累的影响目前尚无定论。小麦是我国最主要的粮食作物之一，且对重金属具有一定的富集特性[20]。因此，本研究以小麦为供试材料，通过盆栽试验探究外源施用磷肥对Cd胁迫下小麦的生长以及各生育时期（拔节期、扬花期和成熟期）Cd 吸收与积累的影响，从而为合理施用P 肥，降低小麦籽粒Cd 累积以及土壤Cd 污染风险提供理论和实践依据。

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试小麦品种为百农207，盆栽试验用土取自河南农业大学科教园区，土壤系潮土。采集0～20 cm 表层土，经自然风干后，剔除土壤中植物残体、石块等，过2 mm 筛。土壤基本理化性质：pH 值8.28、有机质15.71 g/kg、碱解氮62.76 mg/kg、速效磷12.50 mg/kg、速效钾152.50 mg/kg。

1.2 试验设计

以磷酸二氢钾为P 源，共设置3 个P 水平（以P2O5计）：不施磷（P0）、正常磷150 mg/kg（P150）、高磷600 mg/kg（P600），每个处理重复4 次。每盆装8 kg 土，将氯化镉配制成溶液（4 mg/kg Cd2+）施入土壤，充分搅拌混匀并淹水平衡1 个月后进行熟化[21]。按设计，将氮（尿素，0.1 g/kg N）、钾（KCl，0.15 g/kg K2O）肥以及各处理的磷肥分别配制成溶液施入土壤混匀并淹水平衡24 h。每盆播种10粒小麦种子，待小麦出苗后（三叶期），每盆定苗5 株。小麦生育期间定期浇水保持每盆土壤含水量在田间持水量的（65±5）%。在拔节期每盆追施0.22 g/kg 尿素（含氮46%）。

1.3 样品采集

分别在小麦拔节期、扬花期和成熟期采集土壤和植株样品。土壤样品经自然风干、碾碎，过2、0.85 mm 尼龙筛后保存待测；植株样品用自来水和去离子水清洗干净，放入105 ℃烘箱杀青30 min，分离小麦样品各部位（根系、茎秆、叶片、穗轴、颖壳和籽粒）并在70 ℃下烘干至恒质量，记录小麦各部位生物量。

1.4 测定指标与方法

土壤基本理化性质和植株样品的测定按照常规分析方法[22]进行。土壤pH值用电位法测定，土壤有效态Cd 含量采用DTPA 溶液浸提—火焰原子吸收分光光度法测定；土壤速效P 含量用0.5 mol/L NaHCO3浸提—钼锑抗比色法测定。

小麦植株样品经烘干后粉碎，采用石墨炉（EHD36，Lab Tech Ltd，USA）消 解 法（浓HNO3-HClO4，V/V=85∶15）消煮样品后，用火焰原子吸收分光光度计（ZEEnit 700，Analytik Jena AG，Germany）测定各部位Cd含量。小麦植株样品经硫酸-过氧化氢消煮后，采用钒钼黄比色法，用酶标仪（SpectraMax M2）在700 nm波长下测定各部位全P含量。

小麦转移系数计算方法：

1.5 数据统计与分析

用Microsoft Excel 2016 进行数据统计，用DPS V9.01 进行数据分析，采用单因素方差分析和LSD法进行多重比较（P＜0.05），用Origin 2021制图。

2 结果与分析

2.1 外源施用磷肥对小麦土壤pH值的影响

由图1 可知，随着小麦生育时期的推进，土壤pH 值呈上升趋势。小麦拔节期，与不施磷（P0）处理相比，正常磷（P150）对土壤pH 值无显著影响，而高磷（P600）处理土壤pH 值显著降低了0.12；扬花期，与P0 处理相比，P150 和P600 处理土壤pH 值均显著升高，分别上升了0.13、0.12；成熟期，不同磷肥处理土壤pH 值差异进一步缩小。由此可知，随着小麦生育时期的推进，外源施用磷肥对石灰性土壤pH值的影响越来越小。

图1 外源施用磷肥对小麦不同生育时期土壤pH值的影响Fig.1 Effect of exogenous P supply on soil pH value at different growth stages of wheat

2.2 外源施用磷肥对小麦土壤速效P、土壤有效态Cd含量的影响

由图2 可知，随着施磷量的增加，土壤速效P 含量均显著增加。随着小麦生育时期的推进，土壤速效P 含量呈降低趋势。与P0 处理相比，P150 和P600 处理土壤速效P 含量拔节期分别增加了135.48%、740.40%，扬花期分别增加了124.35%、604.27%，成熟期分别增加了91.99%、469.86%。以上表明，外源施用磷肥可以显著增加小麦不同生育时期土壤速效P含量。

图2 外源施用磷肥对小麦不同生育时期土壤速效P含量的影响Fig.2 Effect of exogenous P supply on soil available phosphorus content at different growth stages of wheat

如图3所示，随着小麦生育时期的推进，土壤有效态Cd含量整体呈下降趋势。在小麦各生育时期，与不施磷处理相比，外源供磷处理均降低了土壤有效态Cd 含量。其中，P150 和P600 处理土壤有效态Cd 含量在拔节期、扬花期及成熟期分别下降了23.02% 和28.79%、22.66% 和36.73%、29.41% 和28.53%。可知，土壤有效态Cd 含量随小麦的生长发育逐渐降低，同时外源施用磷肥能够显著降低土壤有效态Cd含量。

图3 外源施用磷肥对小麦不同生育时期土壤有效态Cd含量的影响Fig.3 Effect of exogenous P supply on soil available cadmium content at different growth stages of wheat

2.3 外源施用磷肥对小麦生物量的影响

由图4 可知，外源施磷显著增加了小麦的生物量。在拔节期，与不施磷处理相比，P150 和P600 处理下小麦根系生物量分别显著增加了50.48%、52.66%，地上部生物量分别显著增加了66.52%、65.92%。扬花期时，与不施磷相比，供磷（P150 和P600）处理显著增加了小麦根系、叶片和颖壳的生物 量，分 别 增 加 了24.14% 和25.91%、21.99% 和42.86%、16.82%和13.87%；同时茎秆和穗轴的生物量也有所增加，但差异未达到显著水平。小麦成熟期时，与不施磷处理相比，供磷（P150 和P600）处理显著增加了小麦根系、叶片、颖壳和籽粒的生物量，分别增加了23.99%和14.87%、14.13%和17.57%、20.97%和13.66%、29.65%和28.64%。由此可见，在Cd胁迫条件下，外源施用磷肥能够显著促进小麦生长，增加小麦生物量及产量，且正常磷（P150）和高磷（P600）处理差异不大。

图4 外源施用磷肥对小麦不同生育时期生物量的影响Fig.4 Effect of exogenous P supply on biomass of wheat at different growth stages

2.4 外源施用磷肥对小麦各部位全P含量的影响

由图5 可知，随着供P 水平的提高，整体上小麦各部位全P 含量均显著增加。拔节期，与不施磷处理相比，P150和P600处理小麦根系全P含量分别增加了148.30%、209.55%，地上部全磷含量分别增加了53.66%、96.85%。扬花期，与不施磷处理相比，P150 和P600 处理的根系、茎秆、叶片、穗轴、颖壳全P 含 量 分 别 增 加 了12.31% 和22.39%、35.17% 和66.77%、74.19% 和129.19%、13.93% 和35.56%、30.22%和25.69%。成熟期，与不施磷处理相比，P150 和P600 处理的根系、茎秆、叶片、穗轴、颖壳、籽粒全P 含量分别增加了1.90%和17.12%、14.06%和39.81%、15.85% 和38.55%、20.31% 和36.55%、40.86%和42.77%、6.28%和9.86%。成熟期小麦籽粒全P 含量以P600 处理为最高。由此可知，外源施用磷肥可以在一定程度上增加小麦各部位全P含量。

图5 外源施用磷肥对小麦不同生育时期各部位全P含量的影响Fig.5 Effect of exogenous P supply on content of total P in different tissues of wheat at different growth stages

2.5 外源施用磷肥对小麦各部位Cd含量及转移系数的影响

由图6可知，与不施磷处理相比，施用磷肥后小麦Cd 含量整体呈下降趋势，同时根系的Cd 含量明显高于地上部。拔节期，与不施磷处理相比，外源供磷（P150和P600）处理根系Cd含量分别显著降低20.40%、13.32%；地上部Cd 含量分别降低19.39%、36.93%，且P600 处理差异达到显著水平。扬花期，与不施磷处理相比，供磷（P150和P600）处理小麦根系Cd含量分别降低了1.81%、30.73%，其中，P600处理降低小麦根系Cd 含量效果更好。供磷（P150 和P600）处理还明显降低了小麦茎秆和叶片的Cd 含量，分别降低6.79%和21.89%、2.31%和4.44%。成熟期，与不施磷处理相比，供磷（P150 和P600）处理小麦根系Cd 含量分别降低了14.80%、32.01%，地上部各部位Cd含量差异未达显著水平。由此可见，外源施用磷肥能够显著降低小麦根系Cd含量，同时随供磷质量浓度的增加效果更加显著；外源施用磷肥对小麦地上各部位Cd含量的影响有限。

图6 外源施用磷肥对小麦不同生育时期各部位Cd含量的影响Fig.6 Effect of exogenous P supply on content of Cd in different tissues of wheat at different growth stages

如表1 所示，与不施磷处理相比，P150 和P600处理对Cd 从根系向茎叶的转移在不同生育时期均有一定的降低趋势，但差异均不显著。其中，拔节期分别降低了12.80%、17.95%，扬花期分别降低了4.53%、11.66%，成熟期分别降低了4.56%、20.16%。相较于不施磷处理，外源施用磷肥（P150、P600）显著降低了小麦成熟期从根系向籽粒的转移系数，分别降低了48.72%、42.32%。

表1 不同施磷水平下小麦Cd的转移系数Tab.1 Translocation factors of Cd in various wheat tissues with different P treatments

2.6 相关性分析

为进一步探究外源施用磷肥对小麦Cd 积累的影响，对土壤pH 值、土壤速效P 含量和土壤有效态Cd含量与小麦各部位全P含量、Cd含量之间的关系进行了皮尔逊相关性分析，结果见图7。由图7 可知，土壤速效P 含量与穗轴、颖壳和籽粒全P 含量呈显著相关关系，与根系全P含量呈极显著相关关系，与茎秆和叶片全P 含量在0.001 水平上相关。小麦根系全P 含量与茎秆全P 含量呈极显著相关关系，与叶片全P 含量呈显著相关关系。小麦茎秆全P 含量与叶片、穗轴全P 含量均呈显著相关关系。叶片全P 含量与穗轴、颖壳和籽粒全P 含量均呈极显著相关关系。穗轴全P 含量与颖壳全P 含量呈显著相关关系。颖壳全P 含量与籽粒全P 含量呈极显著相关关系。根系Cd 含量与籽粒全P 含量呈显著负相关关系，与根系、茎秆、穗轴和颖壳全P 含量呈极显著负相关关系，与叶片全P含量在0.001水平上负相关。叶片Cd 含量与籽粒Cd 含量呈显著正相关关系，与叶片、颖壳全P 含量呈显著负相关关系。此外，土壤速效P 含量与根系Cd 含量在0.001 水平上显著负相关，亦表明外源P 可通过增加土壤速效P含量影响小麦根系对Cd的吸收。

图7 成熟期土壤pH值、土壤速效P和土壤有效态Cd与小麦各部位全P、Cd含量的相关性分析Fig.7 Pearson correlation analysis between soil pH、soil available phosphorus、soil available cadmium and total P and Cd content in different parts of wheat at mature stage

3 结论与讨论

3.1 外源施用磷肥显著降低了土壤有效态Cd含量

本研究结果表明，外源施用磷肥显著增加了各生育时期土壤速效P 含量，整体上显著降低了土壤有效态Cd 含量。这与区惠平等[23]的研究结果基本一致，即土壤速效P含量随施磷量（0～600 kg/hm2，以P2O5计）的增加而提高，土壤有效态Cd 含量随施磷量的增加而减少。有研究报道，土壤表面吸附磷酸根离子的能力随磷肥施用量的增加而提高，这一方面增加了土壤表面负电荷的数量，另一方面增强了土壤对Cd 离子的吸附能力，进而降低土壤Cd 活性和有效性[24-25]。此外，磷肥类型也会影响土壤Cd 有效性[26]。周轶群等[27]采用室内培养试验研究了4 种不同形态的磷肥（磷酸氢二铵、磷酸二氢钾、过磷酸钙和磷酸钙）对污染土壤中Cd 的钝化效果，发现磷酸二氢钾的钝化效果最优，且Cd 含量随土壤速效P含量升高而显著降低。本研究中，随着施磷量的增加，土壤速效P 含量均显著增加，而土壤有效态Cd含量显著降低，表明土壤中Cd的生物有效性可能与磷肥类型及施用量有关，并可能与磷肥在土壤-植物系统中的化学转化过程有关。

施用磷肥后土壤理化性质的改变也是影响土壤Cd 有效性的重要因素，例如土壤pH 值通常与植物吸收Cd 的量呈反比[28-29]。研究表明，磷肥在土壤中的溶解过程，可导致局部土壤酸化，提高Cd 的溶解性和活性，从而增加Cd向籽粒的转移[30]。磷酸氢二钾（K2HPO4）为强碱弱酸盐，一方面其在土壤溶液中主要以磷酸二氢根形态存在，能将吸附在土壤胶体上的氢氧根解吸，导致土壤pH 值增加[16]；另一方面土壤胶体负电荷增加，氢离子的竞争作用减弱，引起吸附Cd的主要载体（有机质、铁锰氧化物等）与土壤Cd 的结合更牢固，进而降低了土壤有效态Cd含量[31]。本研究中，随着小麦生育时期的推进，P150 处理土壤pH 值呈上升趋势，但变化不大，仅0.01～0.13，这可能是由于供试土壤为北方石灰性潮土，土壤pH 值偏碱性，外源施用磷肥对土壤pH 值的影响程度有限。因此，合理施用磷肥在一定程度上可降低土壤有效态Cd 含量，这可能是植株体内Cd含量低的主要原因。

3.2 外源施用磷肥显著降低了小麦对Cd的吸收

本研究结果表明，外源施用磷肥均提高了小麦的生物量，降低了小麦植株中的Cd 含量，即无论是正常磷还是过量磷水平，均抑制了Cd的毒害。外源磷肥的添加显著促进了小麦的生长，P 作为植物必需营养元素之一，能够提高植物对外界环境的适应能力，从而促进植物生长，提高生物量[32]。前人以春小麦为供试材料，研究不同磷酸盐水平对土壤中Cd的生物有效性和形态分布时发现，不同磷酸盐水平均能提高小麦生物量，缓解Cd 毒害[33]。然而，P 和Cd 之间也有协同作用，例如Cd（0.02 mg/L）胁迫下，随着P 浓度的提高，缺P 和高P 处理均增加了水稻各部位Cd 含量，且促进了水稻根系对Cd 的吸收与转运[34]。这可能与土地利用类型（水田、旱地等）以及复杂的P、Cd、作物之间的相互作用有关。

有研究表明，小麦籽粒中的Cd含量取决于根系Cd 含量[35]、Cd由根系向茎叶的转移[36-37]以及Cd由茎叶向籽粒的转移[38]。关于不同P、Cd 浓度对水稻生长发育影响的研究结果表明，外源P 能促进水稻生长发育，但随着施P 浓度增加，水稻生长会受到抑制，外源高P 影响了Cd 从根系到地上部的转移[39]。刘昭兵等[40]采用盆栽试验方法研究不同磷水平（0.10 g/kg、0.20 g/kg，以P2O5计）对Cd（＜0.2mg/kg）污染潮泥田中水稻Cd 累积的影响发现，0.20 g/kg K2HPO4处理水稻生物量显著增加，且与不施磷处理相比，糙米Cd 含量显著降低了33.33%。本研究结果表明，施用外源磷肥主要降低了小麦根系中Cd的含量，一方面可能是土壤中一定水平的P 可抑制小麦对Cd的吸收，另一方面磷肥的施用改善了小麦的生长状况，促进其生长发育，进而引起生物稀释作用，但也可能存在生理生化层面的作用，需进一步探究。在重金属污染土壤中，外源施用磷肥可显著降低小麦籽粒中的重金属含量，因此在中轻度Cd污染的土壤中，可以通过外源施用磷肥等农艺措施，改善小麦的生长及品质状况，使其达到国家相关标准。

综上所述，在Cd 胁迫条件下，外源供磷增加了土壤速效P含量，同时显著降低了土壤有效态Cd含量，明显缓解Cd 对小麦的毒害效应；P150（正常磷150 mg/kg）和P600（高磷600 mg/kg）处理均显著增加小麦生物量，以P150 处理最优。在Cd 胁迫条件下，随外源供磷浓度的升高，小麦植株全磷含量逐渐增加，以P600处理为最高；同时，外源供磷明显降低了小麦根系中的Cd 含量以及成熟期根系向籽粒的Cd转移系数，表明施用磷肥主要抑制了小麦根系对Cd的吸收以及Cd由根系向籽粒的转移。