施加氮肥、硫肥對杞柳提取土壤中鉛、鎘的影響1)

王紹坤 牛小云 邸東柳 孫湃 黃大莊 閆海霞

(河北農業大學，保定，071000) (北京市延慶區園林綠化局)

隨著工業化與城市化進程加快，我國出現了大量的環境問題，其中最嚴重的是重金屬污染問題[1]。鉛(Pb)、鎘(Cd)等重金屬污染不僅對生態系統的良性循環產生不利影響，也對人類身體健康造成巨大威脅[2]。植物修復，尤其是植物提取，因其經濟、有效、環境友好等特點成為關注的熱點。木本植物如柳樹[3](Salix)、刺槐[4](RobiniapseudoacaciaLinn)、楊樹[5](Populus)等不僅能吸收土壤里的重金屬，且因其生物量大、根系發達、生長速度快等特點，越來越多的被用作植物修復，但其修復效率低成為被大規模推廣應用的阻礙。施肥可以有效地提高植物修復效率。氮(N)、硫(S)都是植物生長必需的營養元素，可以促進植物生長[6-7]。肥料的添加對植物中重金屬積累的影響取決于其質量分數，少量添加氮肥可以促進植物對鎘的累積，但大量添加氮肥增加了鎘的毒性，抑制植物生長，從而減少了對重金屬的累積[8]。硫肥通過影響植物生長、植物體內重金屬質量分數，進而影響重金屬的累積量[9]。施肥不僅直接影響植物對重金屬的吸收，且通過影響土壤的理化性質間接影響植物對重金屬的吸收。施加氮肥、硫肥會引起土壤酸度的變化，而通過改變金屬離子的水解平衡從而改變其可溶性會影響重金屬的生物有效性[10-12]。以往研究施肥對影響重金屬吸收的對象大多為農作物、超累積植物，對木本植物研究較少，且研究多為單一肥料添加[13-14]。杞柳(SalixintegraThunb.)對多種重金屬均具有較高的耐受性及積累量，在植物修復重金屬污染土壤的中應用較多[15-16]。施加氮肥、硫肥對杞柳吸收鉛、鎘產生的影響，目前尚沒有相關報道。因此本研究以杞柳為研究對象，測定不同水平、比例的氮肥、硫肥對杞柳提取鉛、鎘的影響，為通過農藝措施促進植物修復鉛、鎘污染土壤提供數據參考。

1 研究區概況

研究地點位于河北省保定市河北農業大學試驗站(115°42′E,38°81′N)，屬溫帶半濕潤大陸性氣候，年平均溫度為13.4 ℃，年降水量532 mm。土壤為典型的潮褐土。

2 材料與方法

2.1 試驗材料與設計

本試驗于2019年4月進行，選擇生長勢相同的杞柳1年生扦插苗作為試驗材料。供試土壤理化性質為pH為8.42，有機質18.13 g·kg-1，全氮319.9 mg·kg-1，全磷205.9 mg·kg-1,全鉀6.37 mg·kg-1，Pb 296.4 mg·kg-1，Cd 23.7 mg·kg-1。采用盆栽試驗(花盆h為30 cm，d為30 cm)，氮肥施加CO(NH2)2、硫肥施加Na2SO4，氮肥、硫肥的施加水平(以N、S質量分數計)如表1所示，共9個處理，依次為T1～T9，每個處理6個重復。肥料分5次等量添加，于2019年5月15日開始，每2周添加1次，于2019年7月15日完成施肥處理。根據處理水平要求，即每次取0.303 1、0.606 2 g CO(NH2)2，即0.141 3、0.282 6 g N；0.627 0、1.254 0 g Na2SO4，即0.141 3、0.282 6 g S，溶于水中，均勻噴灑于每個花盆內。花盆隨機擺放，所有杞柳采取相同的管理措施(澆水、松土、除草、除蟲等)。在盆栽場地搭建遮雨棚，盆底設托盤，試驗場地鋪設2層塑料布，以避免重金屬對土壤的污染。

表1 氮肥、硫肥施加水平

2.2 樣品采集

生長季過后，于2019年10月15日，將杞柳整株取出，并對其根、枝、葉分別進行植株生物量及各組織重金屬質量分數的測定。

2.3 土壤化學性質測定

土壤風干，過60目篩后，經濃硫酸消煮后用重鉻酸鉀加熱法測定有機質質量分數；經碳酸氫鈉提取后用鉬銻抗比色法測定速效磷；經醋酸提取后用原子分光光度計測定速效鉀；將土壤溶解在去離子水中，用電子pH計測定pH；采用酚二磺酸比色法測定硝態氮；采用KCl浸提-靛酚藍比色法測定銨態氮；采用磷酸鹽浸提-硫酸鋇比濁法測定有效硫，用氯化鋇-硫酸交換法測定陽離子交換值[17]。

2.4 植物生物量以及組織中鉛、鎘質量分數測定

生物量的測定：將根、枝條、葉用自來水將塵土沖洗干凈后，再分別用自來水及超純水多次沖洗，然后用吸水紙擦干后烘干。將0.5 g研磨過篩后的植物組織粉末用混合液V(HNO3)∶V(HClO4)=10∶1消煮后，使用火焰原子吸收分光光度計測定鉛(Pb)、鎘(Cd)的質量分數。

2.5 數據處理

為了評估植物中Pb、Cd的積累及其從根向地上植物組織的轉運，分別計算了生物富集系數(BCF)、轉運系數(TF)[18]。生物富集系數為植物各組織，即葉，枝、根中的重金屬質量分數與土壤中的重金屬質量分數的比值；轉運系數為植物地上部分的重金屬質量分數與地下部分的重金屬質量分數的比值。

采用雙因素方差分析檢測氮、硫質量分數對不同處理間各指標的顯著性差異。用Shapiro-Wilk檢驗數據的正態性，符合正態分布的用最小顯著性差異法(LSD)比較不同處理間的差異顯著性，不符合正態分布的用非參數檢驗、比較不同處理間的差異顯著性。以上分析在SPSS19.0軟件中執行,主成分分析(PCA)在CANOCO 4.5中運行。

3 結果與分析

3.1 施加氮肥、硫肥對杞柳生物量的影響

施加氮肥、硫肥對杞柳生物量的影響如表2所示。氮、硫肥間的交互作用對杞柳根、枝、葉、總生物量影響顯著。同時施加氮肥、硫肥顯著促進杞柳生長；單一施加氮肥、硫肥對杞柳生長沒有促進作用。在T6處理中，杞柳生物量最高；在T9處理中，杞柳生物量最低，但與對照差異不顯著。

表2 不同處理的杞柳生物量

3.2 施加氮肥、硫肥對杞柳提取鉛、鎘的影響

氮肥、硫肥對杞柳提取鉛、鎘的影響如表3所示。除T4處理降低了杞柳根部Pb質量分數外，單一施加氮肥、硫肥或同時施加氮肥、硫肥均顯著增加杞柳根部Pb、Cd質量分數。同時施加氮肥、硫肥處理的杞柳根部重金屬質量分數最高。在T8處理中，根部Pb質量分數最高；在T5處理中，根部Cd質量分數最高。單一施加氮肥、硫肥或同時施加氮肥、硫肥均顯著降低杞柳葉部Pb、Cd質量分數。同時施加氮肥、硫肥時，杞柳葉部重金屬質量分數最低。在T8處理中，杞柳葉部Pb質量分數最低；在T9處理中，杞柳葉部Cd質量分數最低。同時施加氮肥、硫肥顯著促進了杞柳對鉛、鎘的吸收，硫肥與氮肥存在交互作用；單一施加氮肥、硫肥對杞柳吸收Pb、Cd沒有促進作用。在T6處理中，杞柳對Pb、Cd吸收總量最高；在T9處理中，杞柳對Pb、Cd吸收總量最低，但與對照無顯著差異。杞柳對Pb的吸收總量小于對Cd的吸收總量。

表3 杞柳各組織Pb、Cd質量分數及吸收總量

3.3 施加氮肥、硫肥對杞柳各組織鉛、鎘富集系數與轉運系數的影響

氮肥、硫肥對生物富集系數、轉運系數的影響如表4所示。同時施加氮肥、硫肥顯著增加Pb、Cd根部生物富集系數，在T8處理中，Pb根部生物富集系數最高；在T5處理中，Cd根部生物富集系數最高。不同施肥處理Pb的生物富集系數均小于1，Cd的生物富集系數均大于1。施氮肥或同時施加氮肥、硫肥顯著降低Pb、Cd在枝部、葉部的轉運系數。在T6處理中，Pb在枝部的轉運系數最低；在T8處理中，Pb在葉部的轉運系數最低。在T5處理中，Cd在枝部的轉運系數最低；在T5、T8處理中，Cd在葉部的轉運系數均最低。施硫肥降低了Cd在枝部、葉部的轉運系數，但同時施加2種肥料轉運系數更低。

表4 不同處理杞柳各組織Pb、Cd的富集系數及轉運系數

3.4 施加氮肥、硫肥對鉛、鎘污染的土壤化學性質的影響

氮肥、硫肥對土壤化學性質的影響如表5所示。單一施加氮肥顯著降低土壤pH值，在T8處理中，pH最低。單一施加氮肥、硫肥顯著降低有機質質量分數，在T7處理中有機質質量分數最低。單一施加氮肥顯著增加土壤陽離子交換量，其在T4處理中最高。單一施加硫肥顯著降低土壤陽離子交換量，其在T2處理中最低。同時施加氮肥、硫肥對土壤陽離子交換量影響不同，在T6處理中，陽離子交換量增加；在T8處理中，陽離子交換量降低。同時施加氮肥、硫肥顯著增加土壤速效磷質量分數，其中T9處理的最高。單一施加氮肥、硫肥及同時施加氮肥、硫肥均顯著降低土壤速效鉀質量分數，其中T9處理的最低。相反，單一施加氮肥、硫肥及同時施加氮肥、硫肥均顯著增加土壤硝態氮質量分數，其中T9處理的最高。單一施加氮肥與同時施加氮肥、硫肥均顯著增加土壤有效硫質量分數，其中T9處理的最高。

表5 不同處理的土壤化學性質

3.5 植物吸收重金屬與植物生長、土壤性質的相關分析

植物吸收重金屬與植物生長、土壤性質的主成分分析表明(圖1)，第一主成分和第二主成分累計貢獻率69.9%，第一主成分貢獻率51.7%，第二主成分貢獻率18.2%。結果表明：杞柳Pb、Cd吸收總量主要受總生物量及根部重金屬質量分數影響，呈正相關關系。杞柳根中重金屬質量分數主要受到土壤pH、陽離子交換量、銨態氮質量分數的影響。

Q-Cd為Cd吸收總量；Q-Pb為Pb吸收總量；B為生物量總量；R為根生物量；S為枝條生物量；L為葉生物量；R-Cd為根部Cd質量分數；S-Cd為枝條Cd質量分數；L-Cd為葉部Cd質量分數；R-Pb為根部Pb質量分數；S-Pb為枝條Pb質量分數；L-Pb為葉部Pb質量分數；pH為酸堿度；SOM為有機質質量分數；CEC為陽離子交換量；AP為速效磷質量分數；AK為速效鉀質量分數；為硝態氮質量分數；為銨態氮質量分數；AS為有效硫質量分數。

4 結論與討論

T6處理的杞柳對Pb、Cd吸收總量最高，表明植物富集重金屬依賴于生物量及各組織中重金屬離子的質量分數[19-20]。在各種生物累積機制中，土壤pH值降低、金屬生物有效性提高、根際微生物活性增強，是強化植物提取重金屬的重要特征[21]。施加氮肥、硫肥會增加杞柳根部鉛、鎘質量分數(表3)，這表明了施加氮肥、硫肥一定程度會增加污染土壤中重金屬的生物有效性[22]。土壤酸化增加了土壤溶液中金屬的溶解度及金屬活性[23]。施加氮肥、硫肥可以通過降低土壤pH、有機質質量分數，從而增加土壤重金屬離子的生物有效性，促進植物對重金屬離子的吸收。重金屬離子向枝條、葉部的轉移降低是杞柳的一種自我抵御機制，將更多的金屬離子固定在根部，從而減輕過多的金屬離子對植物的毒害[24]。本研究中，杞柳對Cd的吸收多于Pb，且Cd的生物濃度因子大于Pb，生物可利用態含量更高。原因是Cd是植物生長非必須元素且部分礦質營養元素具有相似的非特定性載體，易與礦質營養一起被植物根系吸收并通過枝條轉至葉部。另一方面，Pb是土壤中不易移動的金屬，其易在土壤基質中形成低水溶性的沉淀物，在許多情況不易被生物利用。此外，許多植物通過吸附、沉淀將Pb保留在其根部，對地上可收獲植物部分的轉運較少[25-26]。

土壤化學性質是影響重金屬形態及組分的主要因素，影響重金屬在植物組織中的吸收及運轉[27]。本研究中，單一施加氮肥造成土壤酸化，其通過硝化作用降低土壤pH值[28]，但硫肥對pH影響不顯著，這表明施加氮肥對土壤性質影響較大。單一施加氮肥、硫肥可以降低土壤有機質質量分數，且氮、硫間具有協同作用，這與侯丹[29]研究結果相同。有機質質量分數的降低導致更少的金屬吸附位點、金屬螯合劑形成，從而增加了可提取金屬質量分數[30]。適量的氮肥、硫肥一定程度增加土壤中的重金屬離子活性，促進植物對重金屬的累積；過量的氮肥、硫肥造成土壤酸化，其具有過高的重金屬離子活性，對植物本身造成一定的毒害作用，且降低植物吸收養分的能力，抑制杞柳生長[13]。

施加氮肥、硫肥分別增加土壤硝態氮、速效磷、有效硫質量分數，且施加氮肥會刺激銨態氮的硝化作用，增加硝態氮的累積[31]。土壤微生物參與養分轉化[32]，土壤中速效磷顯著增加，是微生物轉化及其活性增加對土壤有效養分庫反應的結果[33]。施加硫肥減少了土壤硝態氮的淋溶，提高了土壤中氮的有效性，氮肥的輸入也增加土壤有效硫的質量分數，氮、硫的有效性相互促進[34]。土壤肥力指標速效磷、硝態氮、有效硫質量分數在復合施用氮肥、硫肥的情況時顯著提高。因此，我們推測氮肥、硫肥對土壤肥力的促進作用發生于添加比例優化的情況，二者具有協同作用。合理施加氮肥、硫肥可以提高土壤肥力水平[35-36]，從而促進杞柳生產及對重金屬的吸收。在保定地區本研究的污染水平時，氮肥施加量應低于200 kg·hm-2·a-1。

綜上所述，合理施加氮肥、硫肥可以提高土壤肥力水平，促進植物生長，增加Pb、Cd的生物有效性，影響杞柳對重金屬的吸收總量。總體上表現為低質量分數促進，高質量分數抑制杞柳吸收土壤中的重金屬。重金屬的吸收總量主要受生物量及根系Pb、Cd質量分數的影響。