不同種類的氮肥對籽粒莧富集鎘的影響

張勝爽， 勾 昕， 張凌云*

(1.貴州師范大學地理與環境科學學院，貴陽 550025；2.貴州師范學院地理與資源學院，貴陽 550018)

土壤是人類賴以生存的資源之一，隨著現代化的發展，城市化進程發展的加快，環境污染愈發的嚴重，土壤污染尤為突出。據報道，中國土壤總的超標率為16.1%，其中Cd的超標率7.0%[1]，在八種金屬(Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni)中居第一位。Cd已經成為導致中國土壤污染的主要污染物，同時，Cd除了污染范圍廣，還是最有害的重金屬之一，并被列為第一類致癌物質，Cd污染的治理已經成為亟待解決的問題[2]。研究表明沈陽農用地重金屬有效系數Cd最大，Cd的可利用性較好，有利于植物的吸收[3]。廣西某喀斯特流域土壤重金屬Cd的含量范圍為：0.10～33.00 mg/kg[4]。貴州五馬河流域土壤Cd的含量高出背景值和中國土壤污染風險篩選值[5]。Cd污染具有長期性、隱蔽性和不可逆性的特點，因此過量的Cd進入土壤，會影響土壤的理化性質、微生物、土壤養分等，同時會隨著雨水的沖刷下滲危害地下水，通過食物鏈進入植物最終被人體吸收，對人體的消化系統，造血系統，腎臟、生殖系統，神經及免疫系統造成不可估量的傷害。由此可見重金屬Cd危害的嚴重性，重金屬Cd污染治理的緊迫性。

植物修復因綠色、環保、成本低及操作簡單等優點成為土壤重金屬污染修復的有效方法之一，而植物修復技術的關鍵在于篩選生物量大，易于生長的植物。目前，國外已經有報道表明[6]，莧科植物具有較強的重金屬富集能力，且生物量遠大于部分Cd的超富集植物：ThlaspicaerulescensL.[7]、Violabaoshanensis[8]及SolanumnigrumL.[9-10]。研究表明，99種不同植物對Pb、Cu、Zn、Cd、Sb和 As 等重金屬的富集能力中，北美莧(AmaranthusbitoidesS.Watson)富集重金屬的能力最強[11]。同時，Tripathi 等[12]發現在葉菜中，Cd主要通過莧菜攝入。Theodoratos 等[13]研究發現，施用磷酸二氫鈣可以降低Pb、Cd的遷移性。Tsadilas等[14]研究發現加氮肥降低了土壤pH，促進了煙草葉對Cd的富集。中國針對莧菜對重金屬的富集研究已經有大量報道。李凝玉等[15]研究兩種莧菜對Cd的富集能力，結果顯示，兩種莧菜的富集系數>22，轉移系數均>1。在農業生產中，施肥是促進植物生長的有效方法之一。邱靜等[16]研究了石灰和磷肥對籽粒莧吸收Cd的影響，結果表明施用石灰導致土壤pH上升，土壤有效鎘含量降低，籽粒莧Cd含量與對照相比下降約56%。

目前，關于污染土壤植物修復的研究主要集中在超富集植物的篩選，富集能力等方面。而富集能力的研究又多集中在調節不同因子，改變植物對土壤中重金屬離子的吸收和固定的能力。而針對氮肥種類對超富集植物影響的研究鮮見報道，氮肥是植物生長的三大基本元素之一，施肥是促進植物生長的最有效的農業輔助方法之一，研究不同的氮肥種類對籽粒莧重金屬的富集效果，有助于為植物修復土壤重金屬污染提供更系統的理論支持。因此，通過不同形態氮肥的施入，分析植物在不同Cd污染濃度下對Cd的富集，探究不同形態的氮肥對植物富集Cd的影響，以期為植物修復重金屬污染過程中的施肥技術提供更準確的理論支持。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤：試驗土壤采自貴州師范學院對面馬尾松林里一處荒廢的農田，取距離表層0～20 cm的土壤。土壤基本理化性質：全氮含量1.5 g/kg，全磷含量1.89 g/kg，全鉀含量21.99 g/kg，堿解氮含量85.4 mg/kg，速效磷含量18.52 mg/kg，速效鉀含量55.1 mg/kg，有機質含量42 g/kg，pH為6.5。土樣風干、用瑪瑙棒研磨，過2 mm篩備用。

供試籽粒莧種子：網上購買。

1.2 實驗方法

實驗盆栽的方式進行。PVC盆尺寸：直徑 22 cm，高16 cm，盆底墊20目的尼龍網，每盆裝入 3 kg 過2 mm篩的土壤。土壤設4個Cd處理濃度，分別為0、2.4、4.8、9.6 mg/kg，以CdCl2水溶液的形式污染土壤，并且加水至田間含水量80%。之后澆水保持田間持水量，穩定60 d后備用。其次，先用育苗缽育苗，待幼苗生長兩周后，將生長良好的幼苗移栽到處理后的PVC盆中，每盆3株，待長出第一片真葉時，間苗，每盆保留一株生長旺盛的籽粒莧。根據籽粒莧的需肥特性，待植株長出第四片真葉時進行第一次施肥，為了避免籽粒莧的生長受磷影響，每盆按0.35 g/kg的施肥量施入磷肥。每盆所施用兩種氮肥含氮量各是29.9、59.8、119 mg/kg，以此計算，銨態氮肥(氯化銨)的處理濃度為：0.115(低肥)、0.230(中肥)、0.460(高肥) g/kg；硝態氮肥(硝酸鉀)的處理濃度為：0.216(低肥)、0.432(中肥)、0.864(高肥) g/kg。均以溶液的形式添加，同種氮肥處理下鎘處理設置兩個重復。分枝期進行第二次施肥，施肥方法與第一次相同，剔除盆中的雜草，不定期澆水，避免植株因缺水而死亡。120 d后收獲植物莖和葉，先用自來水洗去黏附在植物樣品上的泥土和污物，再用蒸餾水沖洗 2～3遍，濾紙吸干植物表面水分，裝入牛皮紙袋放入烘箱，105 ℃殺青30 min。然后70 ℃烘干至恒重。磨碎裝袋干燥備用。

1.3 測定方法

稱取植物樣品0.200 0 g于瓷坩堝中，加入硝酸10 mL、高氯酸1 mL于電熱板上加熱消解，(溫度調節：120 ℃，0.5～1 h；升至180 ℃，2～4 h；升至200～220 ℃)。若消化液呈棕褐色，再加入少量硝酸，消解至冒白煙，消化液呈無色透明或略帶黃色，取下坩堝冷卻，用蒸餾水洗致25 mL的比色管，定容。土壤樣品采用(HCL、HNO3、HF、HCLO4)消解，火焰原子吸收分光光度計測定。

1.4 數據分析

所測得的數據采用Excel和SPSS軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對植物與土壤Cd含量的影響

不同的處理下植物與土壤中Cd含量有所不同。由表1可知，在施用兩種氮肥的處理下，籽粒莧葉對鎘的累積量高于莖的累積量。施用銨態氮肥的情況下， 籽粒莧葉對Cd的累積量隨Cd處理濃度的增加而增加，籽粒莧葉對Cd的累積量為1.45～27 mg/kg，當Cd處理濃度為9.6 mg/kg時，銨態氮肥施用濃度較高時，籽粒莧葉對Cd的累積量達到最大值為27.00 mg/kg。籽粒莧莖對Cd的累積量隨Cd處理濃度的增加呈波動狀態，累積量范圍為0.90～17.15 mg/kg，當Cd處理濃度為 9.6 mg/kg 時，銨態氮肥施用濃度較低時，籽粒莧莖對Cd的累積量達到最大值為17.15 mg/kg。施用硝態氮肥的情況下，籽粒莧葉和莖對Cd的累積量隨Cd處理濃度的增加呈現波動上升的趨勢。籽粒莧葉對Cd的累積量范圍為1.45～18.45 mg/kg，當Cd處理濃度為9.6 mg/kg時，硝態氮肥施用濃度較低時，籽粒莧葉對Cd的累積量達到最大值為 18.45 mg/kg。籽粒莧莖對Cd的累積量隨Cd處理濃度的增加呈波動狀態，累積量為1.25～16.50 mg/kg，當Cd處理濃度為9.6 mg/kg時，硝態氮肥施用濃度為低肥時，籽粒莧莖對Cd的累積量達到最大值為16.50 mg/kg。施用銨態氮肥，土壤Cd含量為0.82～4.79 mg/kg；施用硝態氮肥土壤Cd含量為0.65～5.93 mg/kg。

表1 不同處理下植物與土壤中Cd含量Table 1 Cd content in plants and soil under different treatments

圖1 不同處理植物地上部Cd的累積量Fig.1 Accumulations of Cd in aboveground parts of plants treated differently

2.2 不同處理對植物地上部分Cd累積量的影響

由圖1可知，銨態氮肥的處理下，中肥施用濃度下，在Cd處理濃度為0～4.8 mg/kg時，植物地上部Cd含量隨Cd處理濃度的增加而增加；當鎘處理濃度為9.6 mg/kg時，植物地上部Cd的累積量與Cd處理濃度為4.8 mg/kg時植物地上部Cd的累積量相同。其他兩種氮肥施用濃度下，植物地上部Cd的累積量均隨Cd處理濃度的增加而增加。Cd處理濃度為0、2.4 mg/kg時，相同Cd處理濃度下，增加銨態氮肥的施用濃度，有助于提高植物地上部對Cd的吸收。當Cd處理濃度為4.8 mg/kg時，銨態氮肥施用濃度為中肥與高肥時植物地上部Cd的累積量相同且均高于低肥時植物地上部Cd的累積量。當Cd處理濃度為9.6 mg/kg時，植物地上部Cd的累積量的順序為：高肥>低肥>中肥。硝態氮肥處理下，相同的氮肥施用濃度下，植物地上部Cd的累積量隨Cd處理濃度的增加而增加。隨Cd處理濃度的增加，硝態氮肥施用濃度較低時，植物地上部Cd的含量均大于其他兩種施肥濃度下的植物地上部Cd的含量。當Cd的處理濃度為9.6 mg/kg時，植物地上部Cd的累積量依次為低肥>高肥>中肥。

2.3 不同處理對籽粒莧、土壤Cd含量及累系數的差異性分析

根據表2肥料種類(銨態氮和硝態氮)、 植物不同部位(莖和葉)、Cd添加濃度、氮肥添加濃度等因素對植物、土壤Cd含量以及累計系數的影響，結果表明：籽粒莧Cd含量在不同部位間存在顯著差異，

說明籽粒莧的各部分對Cd的吸收富集存在顯著差異(P<0.001)，莖與葉對Cd的吸收富集能力不同。肥料濃度的不同，使得植物中Cd含量有顯著差異(P=0.001)，添加不同濃度的銨態氮或硝態氮均顯著影響了籽粒莧對Cd的累積。肥料種類、Cd處理濃度并未在籽粒莧的生長過程中對Cd含量的積累產生顯著的影響，說明在籽粒莧對Cd的累積過程中，銨態氮、硝態氮的不同、Cd處理濃度不同并未對其造成顯著的影響。此外，其他因素并未在籽粒莧累計Cd的過程中發揮顯著作用。多因素方差分析結果還表明，隨著Cd添加濃度的增加，土壤中Cd含量存在顯著差異(P<0.001)。另外Cd添加濃度和肥料濃度，以及肥料種類和肥料濃度，均對土壤Cd含量具有顯著的交互效應(P<0.05)。

2.4 不同處理下土壤Cd含量與Cd處理濃度的回歸分析

由表3可知，不同處理下，土壤Cd含量與Cd處理濃度均符合多項式擬合曲線。由回歸方程可知，植物地上部Cd的累積量并非隨著Cd處理濃度的增加而增加，而是呈現先上升后下降的趨勢。根據回歸方程，每一個處理均存在一個土壤Cd含量的飽和值，在進行土壤Cd污染修復時，可根據回歸方程選擇合適的肥料種類與濃度，達到最優的修復效果。根據表3可知，土壤Cd含量與Cd處理濃度的模型判定系數均很高，擬合效果比較好(R2>0.9，P<0.01)。

表2 各種處理對植物、土壤Cd含量、累積系數的多因素方差分析Table 2 Multivariate analysis of variance of Cd content and cumulative coefficient of plants and soil under various treatments

注：—表示重復次數未達到多因素方差的要求；P<0.01表示極顯著相關。

2.5 同一氮肥不同施用濃度處理中籽粒莧莖葉土中Cd含量的相關性分析

表4結果表明，在銨態氮肥較低和較高濃度下，籽粒莧葉Cd含量與土壤Cd含量無顯著相關性，銨態氮肥濃度適中時，兩者相關性顯著；而籽粒莧莖的表現恰與葉相反，銨態氮肥濃度適中時，籽粒莧莖Cd含量與土壤Cd含量無顯著相關性；在銨態氮肥較低和較高濃度下，兩者存在極顯著差異。銨態氮肥施用濃度的不同，導致籽粒莧莖與葉的吸附能力不同。不同濃度的硝態氮肥處理下，籽粒莧葉Cd含量與土壤Cd含量均存在顯著相關性，硝態氮肥濃度較高時，籽粒莧莖Cd含量與土壤Cd含量無顯著相關性，其他硝態氮肥施用濃度下，兩者均存在顯著相關性。

表3 不同處理下土壤Cd含量與Cd處理濃度的回歸方程Table 3 Regression equation of soil Cd content and Cdconcentration under different treatments

注：**P<0.01表示極顯著相關。

表4 不同肥料處理下，植物與土壤Cd含量的相關性Table 4 Correlation between plant and soil Cd content under different fertilizer treatments

注：P<0.05表示顯著相關；P<0.01表示極顯著相關。

3 討論

植物修復技術目前是土壤重金屬污染修復的有效技術之一，而植物修復技術成功的關鍵在于植物是否能夠長期有效富集土壤中的重金屬。因此，具有生長速度快、生物量大、對土壤環境具有一定的耐性且易于收割及收割后易處理等特點的植物對土壤重金屬的修復有更重要的意義。籽粒莧是一種牧草植物，生長速度快，生物量大。國內外已有針對莧菜對Cd的耐性及積累性的研究。有研究發現綠穗莧(AmaranthushybridusL.)和一種紅莧(AmaranthusdubiusL.)對重金屬Cd具有一定的富集能力[11]。李凝玉等[15]研究了兩種籽粒莧對Cd的富集的能力，結果表明，籽粒莧葉中Cd含量隨土壤Cd含量的增加而增加，當土壤中Cd濃度為 16 mg/kg 時，籽粒莧葉內Cd濃度分別達到120.3和109.96 mg/kg，達到了超富集植物的臨界標準。同時，學者研究了不同基因型的籽粒莧的生長表現，結果表明，不同基因型的籽粒莧在Cd富集能力、促進植物生長等方面存在顯著差異[17-18]。

4 結論

在日常的農業生產中，可以采用施肥提高作物產量。對于植物修復土壤重金屬污染的技術中，可以采取施肥作為輔助手段，不僅可以提高植物的生物量，間接促進植物對重金屬的累積，施肥還能導致土壤pH發生變化，影響重金屬的存在形態，進而影響植物對重金屬的累積。針對景觀植物修復土壤重金屬污染，可以采用施用銨態氮肥促進植物對重金屬的累積；針對農作物或牧草修復農田土壤重金屬污染，可施用硝態氮肥作為輔助手段，減少土壤重金屬對農作物的毒害作用，進而減少農作物、牧草等對人體、牲畜的危害。同時應注意肥料的施用濃度，采用最優的組合方式達到最佳的修復效果。