施氮水平對小麥幼苗吸收和富集重金屬的影響

施嫻　劉艷紅　張德剛　何芳芳　王田濤

摘要：采用室內(nèi)盆栽試驗(yàn)，研究復(fù)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]處理對農(nóng)作物小麥幼苗生長及吸收富集重金屬As、Cd和Pb的影響。結(jié)果表明，施氮肥有利于增加小麥幼苗的株高、葉寬和根長，其中，以N2處理對株高和根長最好，分別比CK增加229%和268%；葉寬以N1處理較好，增加166%，但與N2未達(dá)顯著差異；施氮肥能顯著增強(qiáng)小麥對重金屬的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，與CK相比不同施氮處理的小麥As和Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)增加11～33倍，其中As和Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)分別以N3和N4處理最高，Pb轉(zhuǎn)移系數(shù)除N1和N4外，其余施氮處理均低于CK；小麥中Cd和Pb富集系數(shù)分別比CK增加123%～315%和23～46倍，其中Cd和Pb的富集系數(shù)分別以N1和N3最高，As的富集系數(shù)除N1外，其余均低于CK。因此，針對復(fù)合污染農(nóng)田土壤，中、高水平尿素氮肥對強(qiáng)化小麥對重金屬的修復(fù)效果較好。

關(guān)鍵詞：小麥；氮肥；重金屬；吸收；富集

中圖分類號： S512106文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）21-0063-03

收稿日期：2016-05-05

基金項(xiàng)目：云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃（編號：2013FD048）；紅河學(xué)院碩博項(xiàng)目（編號：XJIS0918）。

作者簡介：施嫻（1984—），女，云南金平人，碩士，講師，研究方向?yàn)橹参餇I養(yǎng)與環(huán)境。Tel：（0873）3698575；E-mail：shixiang841123@163com。

通信作者：劉艷紅，博士，教授，從事植物營養(yǎng)與環(huán)境研究。Tel：（0873）3698974；E-mail：kidliu1968@126com。

隨著我國城市化和工業(yè)化發(fā)展，環(huán)境污染在不斷加重，土壤重金屬污染成為重大生態(tài)破壞和環(huán)境污染問題之一1-2]，其中農(nóng)田土壤中砷（As）、鎘（Cd）和鉛（Pb）被列為我國土壤最典型的污染重金屬3]。國內(nèi)外有關(guān)重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)從物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)、農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)技術(shù)等都有一定研究，但大多數(shù)研究主要是針對單一重金屬污染，對農(nóng)田復(fù)合污染的研究較少4-6]。近年來，開始有學(xué)者采用高生物量的農(nóng)作物來實(shí)現(xiàn)土壤重金屬污染的修復(fù)7-9]，發(fā)現(xiàn)具有高生物量的經(jīng)濟(jì)作物如小麥10-11]成為具有修復(fù)重金屬污染土壤潛力的植物，它具有生物量大、栽培面積廣等特點(diǎn)。同時(shí)，施肥是農(nóng)作物種植過程中的重要措施，不同形態(tài)、不同濃度化肥會(huì)造成土壤-植物根際環(huán)境狀況的改變，影響重金屬在土體中的化學(xué)行為，導(dǎo)致重金屬有效性的差異，從而影響植物對重金屬的吸收12-13]。本研究以小麥為試驗(yàn)材料，通過小麥田施用不同水平氮肥于復(fù)合污染土壤上，比較其對小麥吸收和富集重金屬的影響，探討小麥在重金屬復(fù)合污染土壤上的生長狀況及重金屬在體內(nèi)的富集特征，以期為合理利用并修復(fù)重金屬復(fù)合污染土壤提供理論依據(jù)。

1材料與方法

11供試材料

供試小麥品種為云麥39號，由云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所提供。供試土壤為棕壤土，采自云南省個(gè)舊市大屯選礦廠周邊重金屬復(fù)合污染農(nóng)田，土壤樣品采集后經(jīng)風(fēng)干、磨碎、過5 mm篩，用于作物培養(yǎng)。土壤的基本理化性質(zhì)為全氮含量8 gkg，全磷含量5018 gkg，全鉀含量37 gkg，As含量318 gkg，Cd含量113 gkg，Pd含量858 gkg。

12材料處理

采用盆栽試驗(yàn)設(shè)計(jì)，施用氮肥為尿素，設(shè)0、100、200、300、400、500 mgkg等6個(gè)處理，對應(yīng)處理編號分別為 N0（CK）、N1、N2、N3、N4、N5，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。

盆栽試驗(yàn)采用白色塑料花盆（內(nèi)徑20 cm，高18 cm），每盆復(fù)合污染土壤（過5 mm篩）的用量為12 kg?；什捎肒H2PO4和KCl，用量分別為120、200 mgkg，添加預(yù)設(shè)用量的尿素，陳化平衡2周。陳化期滿將催芽后的小麥種子播入盆中，每盆播8粒種子，2周后間苗，留長勢均勻的4株。在 20～30 ℃ 條件下培養(yǎng)，每隔3 d觀察小麥生長情況，生長期間澆水并經(jīng)常捉蟲，防止蟲害（不噴灑農(nóng)藥，以減少試驗(yàn)誤差）。植物生長期從2014年12月4日至2015年1月6日，生長期滿分別收獲小麥的地上部分和地下部分。

13測定方法

植株樣品用自來水洗干凈后用去離子水清洗2～3次，在105 ℃殺青30 min，70 ℃下烘干至恒質(zhì)量。土壤基本理化性質(zhì)參照文獻(xiàn)14]測定。土樣全量As、Cd、Pb的含量采用硝酸-硫酸-高氯酸消煮，ICP法測定；植株中中As、Cd、Pb的含量采用硝酸-高氯酸消煮，ICP法測定，有效態(tài)As采用NaH2PO4法提取15]，有效態(tài)Cd、Pb采用二乙三胺五醋酸-三乙醇胺法提取14]。

重金屬轉(zhuǎn)移系數(shù)（BTC）=地上部重金屬含量地下部重金屬含量；重金屬富集系數(shù)（BAC）=植物中重金屬含量土壤中重金屬含量。

14數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并繪圖，用SPSS 130統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析和相關(guān)性分析。

2結(jié)果與分析

21不同施氮水平對小麥長勢的影響

從表1可知，在重金屬復(fù)合污染土壤中，施肥處理小麥株高、葉寬和根長均明顯增加。株高和根長以N2處理數(shù)值最大，分別較對照增加229%和268%。JP2]N5處理株高低于CK處理，這可能是因?yàn)槭┓柿窟^高抑制了小麥幼苗生長。葉寬以N1處理較好，較CK增加166%，且達(dá)顯著差異?？梢?，適量施氮有利于促進(jìn)復(fù)合重金屬污染土壤中小麥的生長，而過量施氮對小麥生長有抑制作用。

22施氮肥對小麥吸收As、Cd和Pb的影響endprint

對小麥地上部分和地下部分的重金屬含量測定結(jié)果（圖1）分析表明，不同施氮水平對小麥吸收As、Cd和Pb有明顯影響。JP2]與CK相比，施氮肥處理的小麥地上部分和地下部分As的含量分別增加218%～576% 和478%～102%。其中N3處理的小麥地上部分和地下部分As含量顯著高于CK，達(dá)到極顯著水平，與其他施氮處理相比達(dá)顯著水平。小麥地上部分和地下部分相比，各施氮處理地上部分As含量高于地下部分。

與對照相比各施肥處理小麥地上部分Cd含量增加108%～246%，其中以N4處理最高，顯著高于對照，但與其他處理差異不顯著。小麥地下部分Cd含量與CK相比呈現(xiàn)下降趨勢，下降008%～172%，其中含量最少的是N3處理，處理間顯著不顯著。

與對照相比，施氮處理小麥地上部分和地下部分重金屬Pb含量分別增加19～30倍和10～50倍。其中，地上部以N4處理最高，顯著高于其他各處理；地下部分以N3處理最高，與對照和其他施氮處理差異達(dá)顯著水平。

總的來說，中、高濃度施氮有利于小麥吸收重金屬As和Pb的含量，各處理地上部分重金屬As、Cd和Pb的含量高于地下部分。

FK（W11]TPSX1tif；S+3mm]

23不同施氮水平對土壤有效As、Cd和Pb含量的影響

從不同氮肥施用量處理土壤中As、Cd、Pb含量的測定結(jié)果（圖2）表明，施氮量對土壤中As、Cd、Pb含量有一定的影響，但處理間差異均未達(dá)到顯著水平。與CK相比，施氮處理土壤中As均有不同程度（60%～199%）增加，其中以N2處理最高，N4次之，但均未達(dá)到顯著差異。各施氮處理土壤Cd含量較對照均有一定程度減少，減少幅度在148%～152%之間，其中以N2處理減少最多。各施氮處理土壤中Pb含量，與CK相比均有一點(diǎn)程度減少，減少值在259%左右，其中以N4處理減少最多，顯著低于CK，但與其他處理未達(dá)顯著差異。

24不同施氮水平對小麥吸收As、Cd、Pb的影響

為了進(jìn)一步反映施氮量對小麥吸收As、Cd、Pb轉(zhuǎn)移能力的影響，計(jì)算出小麥的轉(zhuǎn)移系數(shù)（BTC）和富集系數(shù)（BAC）（表2）。各施肥處理的小麥As的轉(zhuǎn)移系數(shù)依次為N3>N5>N2>N4>N1>CK，分別是CK的33、27、21、19和11倍；Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)大小依次為N4>N3>N2=N1>N5>CK，分別是CK的144、135、125、125和120倍；Pb的轉(zhuǎn)移系數(shù)依次為N1>N4>CK>N5>N2>N3，N1和N4分別高于CK 831%和361%，而其他處理均低于CK。

FK（W10]TPSX2tif]

施氮量對小麥As、Cd、Pb地上部分富集系數(shù)（BAC）有明顯的影響，各施肥處理的小麥對As的富集系數(shù)（BAC）表現(xiàn)為N1>CK>N5>N2>N3=N4，在施肥處理中，N1較CK高13%，其他處理均低于CK；對Cd的富集系數(shù)（BAC）表現(xiàn)為N1>N2>N4>N5>N3>CK，分別比CK增加315%、308%、228%、166%和129%；對Pb的富集系數(shù)（BAC）表現(xiàn)為N3>N4>N2>N5>N1>CK，分別是CK的46、36、34、31和23倍。

25氮肥與小麥吸收As、Cd、Pd的相關(guān)性

關(guān)系。施氮量與地上部分含量和地下部分含量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，其中與地下部分達(dá)顯著相關(guān)（r=-0574），與重金屬轉(zhuǎn)移系數(shù)（BTC）和富集系數(shù)（BAC）均為正相關(guān)，因此施氮量也是影響小麥吸收重金屬的主要因素之一。除此之外，地上部分含量與地上部分含量和轉(zhuǎn)移系數(shù)（BTC）之間均達(dá)到極顯著正相關(guān)（r=0896，r=0806），地下部分與富集系數(shù)（BAC）為顯著正相關(guān)（r=0543）。

3結(jié)論與討論

施肥是保障農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、增收的重要農(nóng)業(yè)措施之一，施用氮肥能促進(jìn)小麥的生長。申玉香等研究氮素水平對小麥幼苗形狀和營養(yǎng)元素含量的影響，認(rèn)為施氮（N） 量控制在020～033 gkg，可以促進(jìn)小麥植株生長發(fā)育，表現(xiàn)在株高、莖基寬、鮮重和干重等指標(biāo)上16]。本研究中也發(fā)現(xiàn)，以中等濃度處理（N2）效果最佳，能促進(jìn)植株生長。

化肥對重金屬在土壤中的吸附解吸、形態(tài)轉(zhuǎn)變、遷移有較大作用，會(huì)影響作物對重金屬的吸收17]。重金屬復(fù)合污染比單一重金屬元素污染作用機(jī)理更復(fù)雜，但與實(shí)際情況更為貼近。本研究發(fā)現(xiàn)在As-Cd-Pb復(fù)合污染土壤中，施用不同量的氮肥對小麥地上部分和地下部分吸收和積累重金屬有促進(jìn)作用，施氮肥時(shí)Cd、Pb的富集系數(shù)高于CK，這與李志賢等的研究結(jié)果9]一致。一般來說，復(fù)合污染土壤重金屬有效量較低18]，同時(shí)還與小麥本身富集重金屬有關(guān)，韓晉仙等研究發(fā)現(xiàn)小麥對 As 和 Cr 的吸收能力較低，而對 Ni 和Cd 的吸收能力較高19]。施用氮肥對小麥吸收土壤中重金屬的吸收具有分異特性，本研究結(jié)果表明，As-Cd-Pb在小麥體內(nèi)的含量分布規(guī)律為莖葉>根，這一點(diǎn)與很多研究不一致10，20-21]。這可能是由于供試小麥的品種、施肥類型和施肥量、土壤類型、重金屬元素的形態(tài)、水溫條件、選取的生育期不同有關(guān)。因此，施氮肥對于重金屬在小麥植株體內(nèi)不同器官的分布不能一概而論，還有待進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。

在復(fù)合污染土壤中，施氮有利于增加小麥幼苗的生長，以N2（200 mgkg）處理最好；不同施氮量能顯著增強(qiáng)小麥對重金屬的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，小麥地上部分吸收重金屬含量高于地下部分；從施氮水平來說，中濃度施氮水平有利于小麥吸收積累重金屬As和Pb。施氮量與地上部分含量和地下部分含量呈負(fù)相關(guān)，與重金屬轉(zhuǎn)移系數(shù)（BTC）和富集系數(shù)（BAC）呈正相關(guān)，因此施氮量也是影響小麥吸收重金屬的主要因素之一。

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