張圓圓，竇春英，3，姚 芳，葉正錢

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境科技學(xué)院，浙江 臨安 311300；2.浙江大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院 污染環(huán)境修復(fù)與生態(tài)健康教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310029；3.安徽省寧國(guó)市農(nóng)業(yè)委員會(huì)，安徽 寧國(guó) 242300）

施肥的主要作用是改善土壤養(yǎng)分狀況，促進(jìn)植物對(duì)養(yǎng)分的吸收，以達(dá)到高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的目的。將施肥用于強(qiáng)化重金屬污染土壤的植物修復(fù)也具有類似的作用，特別是利用重金屬超積累植物比一般的植物更具有重金屬耐性，并且體內(nèi)重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)也高出許多的特點(diǎn)，可以起到更有效地降低土壤中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的作用[1]。施肥不僅可以促進(jìn)植物生長(zhǎng)，提高植物生物量，進(jìn)而提高植物積累重金屬總量；通過(guò)肥料和重金屬的相互作用，施肥還可以影響土壤對(duì)重金屬的吸附解吸等作用，改變土壤重金屬的形態(tài)，進(jìn)而改變重金屬在土壤中的行為和活性，影響植物對(duì)其吸收和積累[2-3]。如已有研究報(bào)道[4-5]表明，施用氮肥可以極大地促進(jìn)重金屬超積累植物天藍(lán)遏藍(lán)菜Thlaspi caerulescens的生長(zhǎng)和對(duì)重金屬鋅（Zn）和鎘（Cd）的吸收。東南景天Sedum alfredii是在中國(guó)境內(nèi)發(fā)現(xiàn)的一種鋅、鎘超積累植物，這種植物不僅生物量大，對(duì)鋅、鎘具有超積累特性，而且具有多年生，可無(wú)性繁殖，適于刈割等特點(diǎn)，是實(shí)施植物修復(fù)和研究超積累機(jī)制的良好材料[6-7]。我們?cè)谝巴庹{(diào)查中發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)于被廢棄古老礦山土壤上的東南景天，土壤肥力瘠薄，生長(zhǎng)勢(shì)較差，而在臨近較肥沃的土壤上長(zhǎng)勢(shì)好，其生物量為前者的數(shù)十倍。目前，對(duì)優(yōu)化東南景天修復(fù)土壤重金屬污染效率的農(nóng)藝措施研究還很少。氮是植物生長(zhǎng)發(fā)育最主要的必需營(yíng)養(yǎng)元素之一，在田間也常常是植物生長(zhǎng)首要的限制性營(yíng)養(yǎng)元素。為此，在已有研究的基礎(chǔ)上[7]，本研究通過(guò)水培試驗(yàn)，比較不同供氮水平對(duì)東南景天生物產(chǎn)量以及重金屬鋅、鎘積累量的影響，為合理施肥，提高東南景天的重金屬修復(fù)效率提供基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試植物

供試植物為重金屬超積累植物東南景天，取自浙江省一個(gè)古老鉛鋅礦[7]，經(jīng)人工繁殖培育后，選用長(zhǎng)約5 cm，大小均勻，帶頂芽和葉片的植株作為供試材料。

1.2 植物培養(yǎng)與處理

試驗(yàn)在溫室大棚內(nèi)進(jìn)行。完全營(yíng)養(yǎng)液的基本組成如下。大量元素（mmol·L-1）：氯化鈣1.00，硝酸銨 2.00，磷酸二氫鉀 0.10，硫酸鎂 0.50，氯化鉀 0.10，硫酸鉀 0.70； 微量元素（μmol·L-1）： 硼酸10.00，硫酸錳 0.50，硫酸銅 0.20，鉬酸銨 0.01，乙二胺四乙酸鐵 50.00；鋅采用東南景天最適濃度（硫酸鋅 500.00μmol·L-1）[7]。 將長(zhǎng)約5 cm，大小均勻一致的枝條，用營(yíng)養(yǎng)液預(yù)培養(yǎng)18 d左右，待長(zhǎng)出比較旺盛的根系時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行不同水平的氮、鎘處理。本研究前后進(jìn)行2次試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間分別為2006年7-9月和2007年4月。在2006年7-9月進(jìn)行的試驗(yàn)中，氮處理水平為0.50，1.00，2.50，5.00，10.00mmol·L-1，鎘處理水平為0， 100.00μmol·L-1，共 10個(gè)處理； 2007年 4月進(jìn)行的試驗(yàn)，氮處理水平為 0.10， 1.00， 10.00mmol·L-1， 鎘處理水平為 0， 100.00μmol·L-1， 共 6個(gè)處理。 氮以分析純硝酸銨形式加入，鎘以分析純氯化鎘形式加入。重復(fù)3次·處理-1。每天用pH計(jì)測(cè)定營(yíng)養(yǎng)液的pH值，并用0.10mmol·L-1氫氧化鈉或0.10mmol·L-1鹽酸調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)液為pH 5.8，保持24 h連續(xù)通氣，5 d更換營(yíng)養(yǎng)液1次。處理期間觀察植物的長(zhǎng)勢(shì)和癥狀表現(xiàn)，2006年的試驗(yàn)于植株處理2個(gè)月后收獲；2007年的試驗(yàn)?zāi)康闹饕谟隍?yàn)證植物生長(zhǎng)和鋅、鎘吸收對(duì)供氮處理的快速反應(yīng)，因此，基于2006年的試驗(yàn)結(jié)果以及氮在植物體內(nèi)的再利用性，設(shè)置低、輕度低和高（0.10，1.00，10.00mmol·L-1）3個(gè)氮處理水平，并且在處理之間植物生長(zhǎng)表現(xiàn)出差異時(shí)（16 d）即收獲。收獲時(shí)，先用自來(lái)水將根沖洗干凈，再用20.00mmol·L-1乙二胺四乙酸二鈉交換15 min，去除根系表面吸附的鋅、鎘等離子，最后用去離子水沖洗干凈，用吸水紙將植株根表水吸干，將鮮樣分為地上部和根系兩部分。將植物新鮮樣品在70℃下烘干至恒量，測(cè)定其干物質(zhì)質(zhì)量。然后，用瑪瑙研缽磨碎，過(guò)60目尼龍網(wǎng)篩后，供分析測(cè)定。

1.3 測(cè)定方法與數(shù)據(jù)分析

樣品的消化、分析測(cè)定：稱取0.200 g植物樣品，用硫酸-雙氧水法消煮植物樣品，定容，過(guò)濾。消煮液中的氮采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定；磷用鉬藍(lán)比色法測(cè)定；鉀用火焰光度法測(cè)定；鋅、鎘用高頻電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP）測(cè)定。試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)采用DPS分析軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同氮、鎘處理水平對(duì)東南景天生長(zhǎng)的影響

氮是植物生長(zhǎng)必需的三要素之一，是氨基酸、蛋白質(zhì)的重要組成部分，也是其他重要生命物質(zhì)如核酸、各種酶類等的組成成分，因而對(duì)植物生長(zhǎng)影響巨大。在本研究中，2次試驗(yàn)結(jié)果都表明，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氮處理對(duì)東南景天地上部和根系生物量有極顯著的影響，特別是2006年試驗(yàn)。當(dāng)?shù)毓?yīng)不足或過(guò)高皆導(dǎo)致植物特別是地上部生物量下降（表1，圖1）。在2006年的試驗(yàn)中，東南景天地上部生物量變化范圍為0.02～0.30 g·株-1，根系生物量變化范圍為0.01～0.04 g·株-1（圖1）。氮對(duì)東南景天生長(zhǎng)的影響還受鎘處理的影響，因而氮、鎘交互作用達(dá)到極顯著水平。但在2007年的試驗(yàn)中，鎘及氮 ×鎘交互作用對(duì)地上部生物量的影響不明顯，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氮、鎘處理間東南景天生物量變化幅度也不大，其地上部生物量變化范圍為0.29～0.37 g·株-1，根系生物量變化范圍為0.04～0.05 g·株-1，這可能主要與處理時(shí)間較短有關(guān)。

表1 東南景天各測(cè)定值處理因素間的顯著性水平（F檢驗(yàn)）Table1 ANNOVA analysis of different parameters

在無(wú)鎘處理的條件下，當(dāng)?shù)幚頌?.50mmol·L-1時(shí)東南景天地上部生物量最大，以后隨著氮濃度的提高反而抑制東南景天地上部的生長(zhǎng)；根系的生長(zhǎng)狀況與有鎘處理的條件下表現(xiàn)趨勢(shì)相同。本研究與李繼光等[8]在人工氣候室條件下的研究結(jié)果稍有不同。他們的研究發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)供氮（4.00～16.00mmol·L-1）能明顯促進(jìn)東南景天的生長(zhǎng)，隨著氮素水平的升高，地上部和根系的生物量也提高，在供氮水平為16.00mmol·L-1時(shí)達(dá)到最大值，而當(dāng)供氮水平≥32.00mmol·L-1時(shí)，東南景天的生長(zhǎng)受到嚴(yán)重的抑制。這可能與試驗(yàn)的環(huán)境條件不同有關(guān)。

在有鎘處理的條件下，東南景天地上部干物質(zhì)在1.00mmol·L-1的供氮水平下達(dá)到最大值；根系干物質(zhì)在2.50mmol·L-1的供氮水平下達(dá)到最大值（圖1）。在相同氮處理水平下，無(wú)鎘處理的根系生物量均比有鎘處理的高，說(shuō)明鎘抑制了根系的生長(zhǎng)，這與我們已有研究結(jié)果一致[6，9-10]。在鎘處理為100.00μmol·L-1，供氮水平為10.00mmol·L-1時(shí)對(duì)東南景天地上部和根系生長(zhǎng)的抑制作用最大。作為毒性很強(qiáng)的重金屬元素，雖然低水平鎘促進(jìn)植物生長(zhǎng)，而且我們的已有研究顯示在鎘100.00μmol·L-1供應(yīng)水平時(shí)對(duì)東南景天地上部生長(zhǎng)作用最佳，但是此時(shí)根系生長(zhǎng)已經(jīng)明顯受阻[9-10]。

2.2 氮、鎘處理對(duì)東南景天植株氮、磷、鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

總的來(lái)看，氮營(yíng)養(yǎng)水平對(duì)東南景天植株體內(nèi)氮、磷、鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，在2次試驗(yàn)中的結(jié)果基本一致。但是，2次試驗(yàn)結(jié)果顯示，植株體內(nèi)氮、磷、鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)因季節(jié)不同而有較大差異，顯示光照、溫度等環(huán)境條件的影響作用較大。在無(wú)鎘處理時(shí)，隨著供氮水平的提高東南景天植株體內(nèi)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)也增加，但隨著供氮水平進(jìn)一步提高根中氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降，在10.00mmol·L-1時(shí)根系含氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低 （10.30 g·kg-1）（表2）。東南景天植株體內(nèi)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)供氮處理水平的反應(yīng)還受鎘處理的影響，表現(xiàn)出氮、鎘顯著性的交互作用（表1）。在鎘處理為100.00μmol·L-1的條件下，在2.50～5.00mmol·L-1供氮水平時(shí)，東南景天地上部氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.40～20.60 g·kg-1；當(dāng)?shù)獫舛葹?.50mmol·L-1時(shí)地上部氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值，這可能與植物對(duì)鎘脅迫的反應(yīng)有關(guān)，在最佳供氮水平下，更有利于植物通過(guò)氮吸收、代謝、合成含氮解毒物質(zhì)[11]。

圖1 氮、鎘處理水平對(duì)東南景天植株生長(zhǎng)的影響Figure1 Effect of N and Cd on shoot and root biomass

表2 不同氮、鎘處理水平對(duì)東南景天植株體內(nèi)氮、磷、鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Table2 Effect of N and Cd on concentrations of N，P and K in Sedum alfredii

與東南景天植株體內(nèi)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化類似，植株地上部體內(nèi)磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)也呈現(xiàn)出隨著供氮水平的提高而增加的趨勢(shì)，但過(guò)高的氮水平供應(yīng)導(dǎo)致體內(nèi)磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的下降，但地下部根系磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅在高氮水平（10.00mmol·L-1）處理時(shí)顯著下降（表2），并且體內(nèi)磷狀況受鎘處理因素的影響（表1）。在無(wú)鎘處理的條件下，2006年試驗(yàn)結(jié)果表明，供氮水平為2.50mmol·L-1和5.00mmol·L-1時(shí)東南景天地上部磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)都較高（5.30 g kg-1），2個(gè)處理之間無(wú)顯著性差別；供氮水平過(guò)低或過(guò)高氮皆導(dǎo)致地上部磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降。在有鎘處理的條件下，植株體內(nèi)磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)氮素供應(yīng)的反應(yīng)比較復(fù)雜，在嚴(yán)重低氮（0.50mmol·L-1）和高氮（10.00mmol·L-1）處理時(shí)， 鎘 100μmol·L-1處理會(huì)導(dǎo)致植株體內(nèi)磷的積累， 比相同供氮水平下無(wú)鎘處理的植株體內(nèi)磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)高；而在供氮1.00～5.00mmol·L-1有鎘處理則使植株體內(nèi)磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降，在最佳供氮水平（2.50mmol·L-1）時(shí)，不僅植株生長(zhǎng)最佳（圖1），鎘處理對(duì)地上部磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)沒(méi)有顯著影響。在鎘處理為100.00μmol·L-1，氮濃度為5.00mmol·L-1時(shí)，地上部磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值（5.20 g·kg-1）。

氮營(yíng)養(yǎng)水平對(duì)東南景天植株體內(nèi)鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)也有顯著地影響，氮素水平供應(yīng)過(guò)低或過(guò)高都引起植株體內(nèi)鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯下降。植株鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)氮營(yíng)養(yǎng)水平的反應(yīng)也受鎘處理的影響，當(dāng)有鎘處理（100.00μmol·L-1）時(shí)，2006年試驗(yàn)結(jié)果顯示，東南景天地上部和根系鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在供氮水平為2.50mmol·L-1時(shí)最高；2007年試驗(yàn)地上部鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)在氮濃度為10.00mmol·L-1時(shí)較高，根系鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)在氮濃度為0.10mmol·L-1時(shí)較高。

上述研究結(jié)果顯示，適宜的氮素供應(yīng)，有利于植株體內(nèi)磷、鉀素代謝的正常進(jìn)行，以供氮水平為2.50mmol·L-1時(shí)最佳，從而有利于植物生長(zhǎng)和提高植物對(duì)鎘的脅迫。

2.3 氮、鎘處理對(duì)東南景天植株鋅、鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

2次盆栽試驗(yàn)的結(jié)果基本一致，都顯示氮營(yíng)養(yǎng)水平對(duì)東南景天鋅、鎘的吸收和積累有極顯著的影響（表3～4），東南景天植株鋅、鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)與鋅、鎘積累量呈相同的變化規(guī)律。處理時(shí)間較長(zhǎng)（2個(gè)月）的2006年試驗(yàn)，地上部鋅、鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于試驗(yàn)處理時(shí)間較短（16 d）的2007年。這一結(jié)果與我們以前的研究一致[7，10]，顯示2007年的試驗(yàn)中植株體內(nèi)鋅、鎘吸收尚未達(dá)到平衡。

表3表明低氮（1.00mmol·L-1以下）和高氮（10.00mmol·L-1）都降低了地上部鋅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和積累量以及鋅向地上部的分配。2006年試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)無(wú)鎘處理時(shí)，隨著氮水平升高東南景天地上部鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，當(dāng)供氮水平為5.00mmol·L-1時(shí)地上部鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)12.0 g·kg-1。當(dāng)供氮水平為2.50～5.00mmol·L-1時(shí)，地上部鋅積累量占全株的94.8%～96.6%，說(shuō)明適宜的供氮條件下能顯著促進(jìn)鋅向地上部的運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)有鎘處理時(shí)，在最佳供氮水平下，東南景天地上部鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)及積累量和轉(zhuǎn)移率都有所下降。植物對(duì)鋅、鎘的吸收具有拮抗作用，因而在供氮適宜的條件下，鎘處理降低了體內(nèi)鋅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[6]。

在無(wú)鎘處理的條件下，東南景天植株靠原有植株（處理開(kāi)始前小苗）體內(nèi)的鎘進(jìn)行體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)，氮處理對(duì)東南景天地上部與根系鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)無(wú)明顯影響（表4）。鎘處理（100.00μmol·L-1）后，植株體內(nèi)鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著提高。與體內(nèi)鋅變化類似，在處理時(shí)間較短的2007年試驗(yàn)中，植株地上部鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)不及處理時(shí)間長(zhǎng)的2006年試驗(yàn)。2006年試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)?shù)?.00mmol·L-1時(shí)，隨著氮處理濃度升高地上部鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，高氮處理水平（10.00mmol·L-1）時(shí)，地上部鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降。地上部鎘積累量在氮處理濃度為2.50～10.00mmol·L-1時(shí)無(wú)明顯差別，積累量最大。

氮鋅之間關(guān)系的研究報(bào)道顯示，在不同植物及同一植物不同器官上結(jié)論不一，在一定供氮量范圍時(shí)表現(xiàn)出協(xié)同，超過(guò)一定用量則表現(xiàn)出拮抗。在較低水平時(shí)，施氮促進(jìn)了根系發(fā)育和植物生長(zhǎng)，從而利于吸收較多的鋅；相反，氮過(guò)高對(duì)鋅吸收有降低的趨勢(shì)[12]；氮鎘之間也有類似的關(guān)系[4，8]。因而，當(dāng)土壤肥力水平較高時(shí)，氮肥施用對(duì)重金屬超積累植物天藍(lán)遏藍(lán)菜吸收鋅、鎘作用不明顯。

本研究顯示，由于東南景天植物地上部生長(zhǎng)的生物量和鋅、鎘吸收對(duì)氮營(yíng)養(yǎng)水平反應(yīng)的最佳濃度范圍有所不同，并且受鎘處理的影響，地上部鋅、鎘積累量綜合了植物生長(zhǎng)及植物對(duì)鋅、鎘吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)的情況，因此，考慮重金屬超積累植物對(duì)重金屬吸收修復(fù)的效率，以供氮2.50～5.00mmol·L-1最有利于東南景天地上部對(duì)鋅、鎘的積累。此外，不僅供氮水平影響重金屬超積累植物生長(zhǎng)，與普通植物一樣，氮素營(yíng)養(yǎng)形態(tài)及不同氮形態(tài)比例都會(huì)影響其生長(zhǎng)，以及對(duì)重金屬在地上部的積累，而且不同氮形態(tài)肥料在土壤中的轉(zhuǎn)化對(duì)土壤重金屬活性的影響也有差異[4-5，13-15]，因此，需要進(jìn)一步開(kāi)展大田條件下東南景天氮肥促進(jìn)東南景天修復(fù)重金屬效率的研究。

表3 氮、鎘不同處理水平對(duì)東南景天植株鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Table3 Effect of N and Cd on Zn uptake by Sedum alfredii

3 結(jié)論

從本研究結(jié)果來(lái)看，適宜的氮素供應(yīng)有利于植株體內(nèi)磷、鉀素等生理代謝的正常進(jìn)行，從而有利于植物生長(zhǎng)和提高植物對(duì)鎘的脅迫。在一定范圍內(nèi)施加氮肥能顯著或者極顯著地提高重金屬超積累植物東南景天的生物產(chǎn)量，并且促進(jìn)重金屬鋅、鎘的吸收和向地上部積累，以氮素營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)水平在2.50～5.00mmol·L-1之間最佳。從植物修復(fù)角度考慮，借助農(nóng)藝施肥措施，適當(dāng)施加氮肥提高重金屬污染土壤中有效氮的供應(yīng)水平，對(duì)提高超積累植物生物量以及吸收、積累重金屬的能力具有重要作用，從而提高重金屬超積累植物修復(fù)土壤重金屬污染的效率。

表4 不同水平氮、鎘處理對(duì)東南景天植株鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Table4 Effect of N and Cd on Cd uptake by Sedum alfredii

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