鄒 茸，王秀斌，遲克宇，霍文敏，2，王 麗，范洪黎*

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)部植物營養(yǎng)與肥料重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.中國地質(zhì)大學(xué)，北京100083；3.北京建工環(huán)境修復(fù)股份有限公司，北京 100015）

大量重金屬隨工業(yè)廢水和廢渣等進(jìn)入土壤，導(dǎo)致農(nóng)田土壤重金屬污染呈日益嚴(yán)重的趨勢[1-2]。重金屬在“土壤-植物”體系中富集、遷移和轉(zhuǎn)化[3]，毒害農(nóng)作物，造成植物生長受阻和減產(chǎn)；同時，植物中累積的重金屬又通過食物鏈等在人體蓄積，危害人體健康[4]。土壤Cd的移動性強(qiáng)、毒性高、污染面積大。近年來研究發(fā)現(xiàn)，我國湘江區(qū)域Cd的潛在生態(tài)風(fēng)險很高[5]，農(nóng)田土壤和農(nóng)作物已普遍受到了一定程度的重金屬污染[6-7]。同時，植物修復(fù)由于具有對土壤理化性質(zhì)影響小、成本低、效果好等優(yōu)點(diǎn)，日益成為污染土壤修復(fù)的重要技術(shù)[8-10]。施肥能提高作物生物量、影響作物根系和莖葉的代謝過程，可改變土壤pH值以及攜帶競爭離子等，影響土壤溶液中重金屬的有效性，從而影響植物對重金屬的吸收與累積[11]。因此，施肥已成為提高植物修復(fù)效率的重要輔助措施之一。

硫是植物必需的營養(yǎng)元素之一，在植物的光合作用、呼吸以及碳水化合物代謝過程中起著重要的作用[12]。前人大量研究表明，在常規(guī)施肥的基礎(chǔ)上增施硫肥可增加小麥和油菜的產(chǎn)量[13]，也會促進(jìn)植物體內(nèi)植物螯合肽（Phytochaletins，PCs）的合成；PCs與Cd結(jié)合可降低Cd的活性，從而減輕Cd的毒害作用[14]。硫肥形態(tài)不同對植株從土壤中吸收重Cd金屬離子影響也不同。硫酸銨可調(diào)節(jié)土壤pH，富含活性基團(tuán)（氨基）配位體與重金屬元素Zn、Cu、Fe等絡(luò)合或螯合以減弱土壤中重金屬的生物有效性[15]。硫酸鹽的存在可提高土壤中可變電荷，改變土壤中Zn、Cd等重金屬的植物吸附[16]。也有研究表明，在Pb和Zn污染土壤中添加硫磺，土壤中硫酸根含量增加，土壤pH值降低，醋酸銨浸提態(tài)的Pb和Zn含量也隨施硫水平的增加而增加[17]。另外，硫磺處理下油菜吸硫量高于硫酸鉀處理[18]，相比單質(zhì)硫，石膏硫可更好地降低土壤中Cd的生物有效性[19]。因此，選擇適宜形態(tài)的肥料來控制Cd污染在土壤-植物中的遷移和累積，對土壤質(zhì)量的改良和農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)具有重要的應(yīng)用價值[20]。Bo?brzecka等[21]通過連續(xù)三年的田間試驗(yàn)，觀察到莧菜（Amaranshus mangostanus L.）的總含硫量比谷類高。目前，盡管對一些植株體內(nèi)硫與Cd吸收和累積的內(nèi)在聯(lián)系已開展了一系列研究[22-24]，但莧菜體內(nèi)硫與Cd關(guān)聯(lián)的研究鮮見。本文以莧菜為研究對象，研究不同特性硫肥料對酸性土壤中莧菜生長及硫和Cd吸收的影響，并且探討不同特性硫肥的肥效差異，為選擇適宜形態(tài)的硫肥來控制Cd污染和提高莧菜對Cd富集提供科學(xué)依據(jù)，豐富和發(fā)展硫和Cd植物體吸收的科學(xué)認(rèn)識。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤取自珠江三角洲地帶的赤紅壤和長江三角洲地帶的黃棕壤，其理化性質(zhì)見表1。莧菜為前期篩選的Cd超富集植物天星米（Amaranshus man?gostanus L.）[25]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

采用溫室盆栽試驗(yàn)，包括硫磺（升華硫，分析純）、硫酸鈣（CaSO4·2H2O，分析純）、硫酸銨（分析純）三種不同的硫源及對照（CK）共4種處理。施肥處理硫含量一致，每1.00 kg土壤含硫量為50 mg。試驗(yàn)中Cd的添加濃度與基肥施用量以前期莧菜對Cd污染土壤修復(fù)潛力的土培試驗(yàn)為依據(jù)[25]，每盆裝風(fēng)干土0.75 kg，每1.00 kg土壤加 Cd（CdCl2·2.5H2O，分析純）15 mg。在播種之前，Cd以CdCl2溶液形式加入，基礎(chǔ)肥料以基肥形式加入，使用尿素（46%，每盆321.9 mg）、磷酸氫二鉀（分析純，每盆329.1 mg）與土壤充分混勻，隨機(jī)設(shè)計，重復(fù)3次。放置2周后，播種，出苗一周后定植為4～5株，生長期內(nèi)定期澆去離子水，保持土壤相對含水量為田間持水量的70%左右。本試驗(yàn)未平衡施加硫酸銨帶入土壤的氮肥，因此硫酸銨處理所產(chǎn)生的結(jié)果是硫、氮肥共同影響的結(jié)果。

1.3 收獲與測定

植株生長45 d后收獲，分地上部和根部用去離子水清洗干凈、105℃殺青30 min、70℃烘干。植株硫含量的測定：稱取0.300 0～0.400 0 g植物樣品于消煮管中，加入玻璃珠2顆和濃硝酸3 mL且加蓋小漏斗過夜，再加入HClO42 mL慢慢加熱至235℃消煮2 h。取下漏斗，加入HCl 1 mL，在150℃下加熱20 min，冷卻，用蒸餾水與緩沖液定容[26]，同時做試劑空白試驗(yàn)。植株Cd含量測定參照食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)GB 5009.15—2014《食品中鎘的測定》：稱取樣品1.000 g左右，置于25 mL消煮管中，加入10 mL體積比4∶1的優(yōu)級純HNO3-HClO4混合酸，冷消化過夜。第2 d，將消煮管置于砂浴上，在165～175℃下消化，直至溶液變?yōu)闊o色透明，稍冷卻后，分別加兩次約1 mL的蒸餾水排酸，蒸發(fā)濃縮消化液至2 mL左右，用5%的HCl轉(zhuǎn)移并定容至10 mL比色管，同時做試劑空白試驗(yàn)[27]。用ICP-AES測定其中的Cd和硫含量[26]。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測定標(biāo)準(zhǔn)GBW 10020（GSB-11）《柑橘葉成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)》：柑橘葉Cd標(biāo)準(zhǔn)值為（0.17±0.02）mg·kg-1，本試驗(yàn)中的柑橘葉Cd測定值為0.18 mg·kg-1符合GBW 10020（GSB-11）要求。用SAS 9.4軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和多重比較[28]。根據(jù)生物富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)計算方法，計算植株生物富集量系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)量系數(shù)來反映其吸收和累積重金屬Cd的能力[29]。

表1 土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of soil

生物富集系數(shù)=植株地上部Cd含量（mg·kg-1）/土壤中Cd含量（mg·kg-1）

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)=植株地上部Cd含量（mg·kg-1）/植株根部Cd含量（mg·kg-1）

2 結(jié)果與分析

2.1 不同硫源對莧菜生物量的影響

在氮磷鉀供應(yīng)充足的基礎(chǔ)上，硫供應(yīng)水平提高可促進(jìn)植株生長、增產(chǎn)，但增施硫肥的形態(tài)不同增產(chǎn)效果也不同。由圖1可知，在黃棕壤中，硫酸銨、硫酸鈣處理的地上部和根部生物量顯著高于對照和硫磺處理的生物量，并且硫酸銨處理增幅最大；與對照相比，地上部、根部干質(zhì)量分別增加了36.4%和37.5%，硫磺處理植株干質(zhì)量增量最小且地上部干質(zhì)量與對照無顯著差異。在赤紅壤中，不同種類的硫肥處理地上部、根部干質(zhì)量差異顯著，且硫肥處理后地上部與根部生物量變化趨勢相同：硫酸銨處理＞硫酸鈣處理＞硫磺處理＞對照。同種硫肥在兩種不同類型土壤中施用，皆表現(xiàn)為黃棕壤上莧菜的生物量較大。從結(jié)果可以看出，硫酸銨處理對于莧菜植株生長的促進(jìn)作用最為明顯，硫磺處理對于莧菜植株生長的促進(jìn)作用最小。

2.2 不同硫源對莧菜吸收和累積Cd的影響

圖1 不同硫肥品種對莧菜生物量的影響Figure 1 Effects of different sulfuric fertilizers on the biomass of Amaranshus mangostanus L.

增施硫肥會促進(jìn)植株的生長，也會影響土壤理化性質(zhì)、改變土壤Cd的生物有效性，從而影響莧菜對Cd的吸收和轉(zhuǎn)移。由表2可見，Cd污染的兩種土壤施加硫肥，各處理間莧菜植株Cd含量和Cd累積不同。黃棕壤中，不同硫肥皆促進(jìn)了莧菜對土壤Cd的吸收和累積。硫酸銨處理的地上部、根部Cd含量最大，比對照分別高約60%、130%，與其他處理相比，硫酸銨處理莧菜地上部、根部Cd累積量最高，地上部和根部分別是對照的2.45、3.68倍。相對硫酸銨與硫酸鈣處理，施用硫磺莧菜地上部、根部的Cd含量及其Cd累積量最小。比較莧菜植株對重金屬Cd的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)能力，可發(fā)現(xiàn)生物富集量系數(shù)大小為：硫磺＞硫酸鈣＞對照＞硫酸銨；植株轉(zhuǎn)運(yùn)量系數(shù)高低順序?yàn)椋毫蚧牵緦φ眨玖蛩徕}＞硫酸銨。硫磺處理下莧菜的富集、轉(zhuǎn)運(yùn)能力最高。

赤紅壤中，各個硫肥處理地上部Cd含量顯著高于對照，硫酸銨處理含量最高，比對照高29%；其中硫磺與硫酸鈣處理間無顯著差異，Cd累積量的變化次序大致為：硫酸銨＞硫酸鈣＞硫磺＞對照，硫酸銨處理的地上部Cd累積量是對照的3.40倍。硫酸銨處理的根部含Cd量和累積Cd量最大，分別是對照的2.24倍和6.45倍，且與其他三個處理差異顯著，而相對硫酸銨與硫酸鈣處理，施用硫磺莧菜地上部、根部的Cd含量及其Cd累積量最小。其中，硫酸銨處理的生物富集量系數(shù)最大，而硫磺處理的轉(zhuǎn)運(yùn)量系數(shù)最大。

結(jié)果顯示，Cd污染的黃棕壤中，硫酸銨處理能使莧菜最大限度地吸收和累積土壤中的Cd；而硫磺處理利于莧菜植株根部更好地吸收和轉(zhuǎn)移Cd2+，減輕Cd對植株根系的毒害作用。在Cd污染的赤紅壤中，硫酸銨處理和硫磺處理均有利于Cd從莧菜植株根部向地上部轉(zhuǎn)移。由莧菜地上部和根部Cd累積量可知，施加同一硫肥時，黃棕壤上莧菜Cd累積量大于赤紅壤。因此，不同類型土壤的理化性狀不同，其硫肥處理的效果也存在很大差異。

2.3 不同硫源對莧菜吸收和累積硫的影響

硫肥的增施可促進(jìn)植株對硫的吸收和同化。由圖2可知，黃棕壤中，各個硫肥處理莧菜地上部含硫量皆高于對照，且硫酸銨處理含量最高，為對照的1.11倍；根系含硫量，硫酸銨、硫酸鈣和硫磺處理均高于對照，分別較對照高約18%、62%和36%。結(jié)果表明，施加不同種類的硫肥均促進(jìn)了莧菜根部對硫的吸收與累積；由于硫在植物體內(nèi)的移動性有限，地上部硫含量變化不及根部大。赤紅壤中，硫酸銨、硫磺和硫酸鈣處理的地上部硫含量分別是對照的1.18、1.23倍和1.09倍，根系硫含量各處理間存在顯著差異，硫酸銨＞硫酸鈣＞硫磺＞對照。因此，施加硫肥皆可增加莧菜的硫含量，以硫酸銨效果最好。

表2 不同硫肥對莧菜植株體內(nèi)Cd濃度和累積量的影響Table 2 Effects of different forms of sulphur on accumulation of Cd and content of Cd in Amaranshus mangostanus L.

圖2 不同硫肥對植株吸收和累積硫的影響Figure 2 Effects of different forms of sulphur on uptake of S and content of S in Amaranshus mangostanus L.

圖2可見，黃棕壤中，莧菜植株地上部總硫量為硫酸銨＞硫酸鈣＞硫磺＞對照，硫肥處理根部硫累積量皆顯著高于對照，其中硫酸銨處理是對照的1.62倍；赤紅壤中，硫酸鈣、硫酸銨、硫磺三個處理地上部硫累積量顯著高于對照，分別是對照的1.41、3.22倍和2.07倍。黃棕壤中，增施硫肥莧菜根部硫累積量增加且各處理大小順序?yàn)椋毫蛩徜@＞硫酸鈣＞硫磺＞對照；赤紅壤中莧菜根部硫總量變化趨勢與黃棕壤相同，且硫酸銨、硫酸鈣和硫磺處理分別是對照的3.97、2.85倍和1.76倍。因此，在兩種不同類型土壤上施加不同種類硫肥都能促進(jìn)莧菜地上部對硫積累，且兩種土壤上根系與地上部硫累積量變化趨勢相同。結(jié)果表明，在三種硫肥處理中，硫酸銨促進(jìn)植株吸收和累積硫的效果較好，而硫磺的效果較差。

3 討論

3.1 不同硫肥對莧菜生物量及硫吸收和累積的影響

土壤中的硫主要是以硫酸根離子的形態(tài)，以質(zhì)流的方式被植物主動吸收，增施適量硫肥可促進(jìn)植株生長。趙玉霞等[30]通過大田試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，增施硫肥冬小麥產(chǎn)量增加，全生育期內(nèi)各器官的吸硫量隨施硫量的增加而提高，有顯著增產(chǎn)效果。外施硫肥也能明顯緩解Cd脅迫對小白菜葉片光合作用的抑制，促進(jìn)了小白菜的生長[31]。植物在Cd污染的土壤中生長的能力與硫還原同化過程密切相關(guān)。Cd脅迫下高親和與低親和硫轉(zhuǎn)運(yùn)體基因在根中過量表達(dá)，增加植物體對SO2-4的吸收量，合成較多的含硫化合物用以抵抗Cd毒害[32]。另外，增施硫肥硫素同化和谷胱甘肽代謝增強(qiáng)可降低Cd易位[33]，清除過量Cd引發(fā)的活性氧，同時促進(jìn)植物體內(nèi)非蛋白巰基（NPT）、GSH和PCs等含硫化合物合成[34]，Cd與PCs結(jié)合后，被運(yùn)輸至液泡，形成高分子量的復(fù)合物，從而使細(xì)胞處于無毒化狀態(tài)[35]，抑制Cd向其他細(xì)胞器中轉(zhuǎn)運(yùn)，保證細(xì)胞器功能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。也有研究發(fā)現(xiàn)，Cd對油菜葉片內(nèi)活性氧清除酶活力的誘導(dǎo)提高并非是抵抗Cd脅迫的關(guān)鍵途徑，而與硫代謝有關(guān)的對Cd的絡(luò)合及固定作用減輕對葉片的傷害才是其重要的抗Cd機(jī)制[36]。本研究結(jié)果表明，增施硫肥皆促進(jìn)了莧菜對硫的吸收和累積，提高了莧菜的生物量，不同硫肥效果不同。硫酸銨促進(jìn)作用最為明顯，硫酸銨不僅可被根系直接吸收，而且也為莧菜提供了一定量的氮肥，促進(jìn)了莧菜對氮和硫的吸收；硫磺不能直接被植株吸收，施入土壤后需氧化為硫酸根才能被根系吸收，受到土壤微生物、通氣狀況、土壤溫度、濕度等多種復(fù)雜因素的影響，因此，硫磺處理莧菜硫含量及累積量較少，莧菜生物量較小。另外，同種硫肥施在兩種土壤上時黃棕壤莧菜生物量皆高于赤紅壤，這可能是莧菜對硫的吸收和累積與土壤的物理化學(xué)性質(zhì)有密切關(guān)系，還需要進(jìn)一步的研究探索。

3.2 外源硫肥對莧菜吸收和累積Cd的影響

本試驗(yàn)中，在有效硫含量大約90 mg·kg-1Cd污染的兩種酸性土壤上，施入三種不同特性硫肥，莧菜的Cd累積量也隨之增加。前人研究發(fā)現(xiàn)，缺硫阻礙了Cd向地上部運(yùn)輸，導(dǎo)致地上部Cd的含量明顯降低[37]；李會合等[38]研究表明，用含 1.5～2.25 mmol·L-1硫的營養(yǎng)液培養(yǎng)東南景天可顯著提高其根、莖和葉的Cd含量、累積量及整株累積總量。土壤pH對Cd形態(tài)和有效性影響大，硫酸銨為生理酸性肥料，植物吸收后，根際土壤的pH值降低；元素硫在土壤中能被硫氧化細(xì)菌氧化成硫酸根離子且導(dǎo)致土壤pH下降[39]，Cd的有效性皆增加。也有前人研究發(fā)現(xiàn)腐植酸復(fù)合肥、硫酸銨和磷酸二銨配施以及硫酸銨、磷酸二銨和硫酸鉀配施2種施肥措施的表層土壤有效Cd含量低于對照[40]，外源添加K2SO4會減少小麥（Triticumaestivum L.）對Cd的吸收[41]，這些研究與本試驗(yàn)結(jié)果有差異，可能是采用的施肥方式不同、肥料形態(tài)不一致，也可能是試驗(yàn)作物對Cd的吸收特性不同。從莧菜地上部、根部Cd累積量看，施加同一硫肥時，黃棕壤上莧菜Cd累積量大于赤紅壤。因此可推斷，不同類型土壤的理化性狀不同，其硫肥處理的效果也存在很大的差異。

4 結(jié)論

在黃棕壤和赤紅壤上施加不同種類的硫肥，減輕Cd對植株的毒害作用并顯著提高了莧菜的生物量，促進(jìn)了莧菜對硫的吸收和累積。施用不同種類的硫肥，莧菜對Cd的吸收和累積存在一定的差異。

以50 mg·kg-1的純硫量將不同特性硫肥施入黃棕壤、赤紅壤中，均能顯著提高莧菜地上部和根部的Cd累積量，其中以施加硫酸銨效果最佳；在黃棕壤中施加硫磺，莧菜生物富集系數(shù)及轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最大，在赤紅壤中施加硫酸銨，莧菜的富集系數(shù)最大，施加硫磺，莧菜的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最大，施加硫磺更利于莧菜植株根部更好地吸收和轉(zhuǎn)移Cd離子。在一定土壤Cd濃度范圍內(nèi)，施用硫酸銨可提高莧菜Cd累積量，且成本低、效果好、易操作，適宜推廣應(yīng)用。