可溶性磷肥对重金属复合污染土壤东南景天提取锌/镉及其养分积累的影响

黄化刚，李廷强，朱治强，王凯，杨肖娥

(环境修复与生态健康教育部重点实验室，浙江大学环境与资源学院，浙江杭州310058)

现代农业、交通运输、矿山开采及制造工业等高强度的人类活动导致部分地区土壤中的重金属累积。低品质肥料、农药过度施用、污泥农用及污水灌溉等农事活动增加了我国农业土壤中的锌(Zn)、镉(Cd)、汞(Hg)、砷(As)含量，部分地区已超出了土壤安全限定标准，严重威胁到食品安全生产和人类健康［1-2］。如何恢复这些污染土壤的生产能力是目前环境和农业科学领域亟待解决的问题。

植物修复技术利用植物的生物泵及蒸腾压功能，伴随着吸收大量水分和养分的过程，提取和聚集土壤溶液中的重金属元素，被认为是最经济、实用的土壤修复方式［3］。植物提取土壤中重金属的量受超积累植物重金属含量和生物量大小的影响［4］。但是，目前的大多数重金属富集植物生长缓慢，生物量小，严重限制了超积累植物在实际植物提取过程中的应用，导致清洁土壤所需要的时间一般是10～15年，甚至更长。

植物提取从本质上讲是一种农业措施，其成功与否最终依赖于植物品种选择，施肥及灌溉等农艺管理措施的实施。因此，大量研究集中在利用各种化学方式获得土壤的最佳优化条件，提高重金属的植物可利用性，增加植物的重金属积累量［5］。研究最早且效果较好的为EDTA，EDDS，EGTA和DTPA等各种氨基羧酸类化合物［4－7］。然而，由于这类物质对植物生长的限制，化合物本身的毒害和环境持久性，以及伴随着重金属和营养元素渗滤等风险，其在实际大田的应用已受到越来越多的批判［8-9］。因此，寻找和研究新的环境友好型修复剂强化植物提取的工作很有必要。重金属污染土壤通常表现为肥力缺乏、酸碱度不适宜等障碍因子，限制了植物生长。施肥是土壤－植物系统中不可缺少的因素，矿质营养的交互作用关系到植物根系对元素的吸收、转运及生理活性等方面，其已成为植物修复污染土壤过程中必要的强化手段之一。但与普通作物施肥不同的是，植物修复过程中的施肥除考虑养分功能之外，还需关注肥料对植物累积重金属的影响。

国内外学者已经开展了部分肥料种类和形态对植物积累重金属的研究，但其影响规律不尽一致［10-16］。多数的结果发现，磷矿粉、钙镁磷肥等难溶性磷肥对土壤中重金属有钝化作用，磷肥施用降低了重金属在土壤中的有效性，限制了植物的吸收［13-14，17］。农业生产中磷肥种类较多，其化学性质及生理特征各不相同，并非所有磷肥对植物修复效率都有负面影响。同时，已有报道主要针对单一污染物，而对复合污染条件下磷肥效应研究较少，且大多数集中在营养液培养，脱离了土壤环境。本研究以特异的超积累植物东南景天(Sedum alfredii)为材料［18］，研究磷酸盐施用对长期自然老化锌/镉复合污染土壤重金属植物提取效率的影响。希望找到一种既增加植物吸收土壤重金属，又能促进植物生长，提高其生物产量的磷肥种类，为植物修复技术的强化应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

盆栽试验土壤为浙江富阳市污灌区的锌、镉复合污染水稻土。其基本理化性质为:pH值7.8;砂粒、粉粒和粘粒含量分别为56%、38%和6%;有机质含量47 mg/kg;速效氮、磷、钾含量分别为68.1、6.7、72.3 mg/kg;总锌、镉含量分别为1678.6、6.4 mg/kg。土壤自然风干，磨细过2 mm尼龙网筛，充分混匀后备用。

1.2 试验设计

供试磷肥为分析纯的磷酸二氢钾(KH2PO4)、磷酸二氢钙［Ca(H2PO4)2］、磷酸二氢钠(NaH2PO4)、磷酸二氢铵(NH4H2PO4)，各设置施P2O522、88、352 mg/kg土3个浓度梯度，均以不施用磷肥种植植物的土壤作为对照，共13个处理，每个处理重复4次。各处理施用N(尿素)0.2 g/kg，K2O(K2SO4)0.2 g/kg作为基肥。称好的肥料粉末溶于蒸馏水，均匀喷施于备用土壤中，磷肥和底肥充分混匀后装入塑料盆中，每盆装土1 kg，调节土壤吸水量至田间持水量的65%后，保鲜膜封闭盆钵口部，平衡1个月待用。

1.3 植物种植

在土壤平衡的同时，进行东南景天育苗，Sedum alfredii取至浙江省衢州市的古老铅锌矿，为锌、镉超积累生态型［18］。将东南景天用自来水冲洗干净，选择生长良好、粗细基本一致带顶芽3 cm长带叶枝条，预培养2周长出根系后，换用改良后的Hoagland营养液。待根系生长旺盛，苗高6～8 cm，长出8片完整叶片时，选取长势一致的苗移入处理盆中，每盆5株。根据盆中土壤水分状况，每隔2～3 d浇入等量蒸馏水，使土壤含水量经常保持在田间持水量的50%～60%左右。植物生长4个月后，采用刈割的形式收获植物地上部。

1.4 元素分析

植物地上部收获后用自来水冲洗干净，再用超纯水漂洗3次，去除植物表面吸附的土壤及重金属颗粒;吸水纸吸干水分后，75℃烘干至恒重，记录地上部干物质重。用玛瑙球磨仪(Retsch RS100，Germany)将植物地上部磨细至＜0.25 mm，用于重金属及其他元素分析。植株锌、镉、钙、镁、钾、磷、铁、锰、铜含量采用1∶5(v/v)HClO4－HNO3消煮，ICP－OES(Thermo scientific ICAP 6000 series，USA)测定;碳、氮、硫含量用元素分析仪(Elementar vario MAX CNS，Germany)测定。

1.5 数据处理

所有数据用Excel和SPSS软件(version 13.0)进行统计分析，采用ANOVA检验各处理在95%水平的显著性差异，用origin Pro 8.0作图。

2 结果与分析

2.1 植物生长及干物质积累

施用磷肥后，植物生长良好，无任何肥害和重金属毒害现象，且在施P2O5352 mg/kg时，东南景天的长势明显优于对照及低浓度磷肥处理(图1)。地上部的干物质重为2.3～4.4 g/pot，与不施磷肥的对照相比，不同磷肥种类处理下，地上部生物量均表现出随着磷肥浓度的增加而升高。KH2PO4、Ca(H2PO4)2、NaH2PO4、NH4H2PO4对生物量的增产率分别为 46%、62%、54%和 78%，其中，NH4H2PO4的增产效果最明显。

2.2 地上部重金属含量

增施磷肥后，东南景天地上部镉含量显著降低(图2)。22和88 mg/kg P2O5处理间镉含量差异不显著(除KH2PO4)，但均显著低于对照。352 mg/kg P2O5处理地上部镉含量降到最低，约为35 mg/kg，KH2PO4、Ca(H2PO4)2、NaH2PO4、NH4H2PO4与对照相比分别下降了26%、41%、33%、39%。

图1 不同磷肥处理下植物地上部生物量变化Fig.1 Effects of phosphate treatments on shoot dry weights of Sedum alfredii

东南景天地上部锌含量为1965～3631 mg/kg，且随着磷肥施用浓度的提高而增加。当P2O5施用量为352 mg/kg时，地上部锌含量与对照相比差异达到显著水平，KH2PO4、Ca(H2PO4)2、NaH2PO4、NH4H2PO4地上部锌含量的增幅分别为85%、50%、46%和70%，其中以 KH2PO4和 NH4H2PO4对地上部锌含量的影响最明显。低浓度(P2O522 mg/kg)KH2PO4和NH4H2PO4处理，地上部锌含量与对照无显著差异;22和88 mg/kg Ca(H2PO4)2及NaH2PO4处理植物锌含量与对照相比增量均不明显。

2.3 地上部大量元素含量的变化

不同外源磷肥种类及用量处理植物地上部各营养元素的变化规律不尽一致(图3)。磷肥施入对植物地上部氮含量无显著影响，仅在施 P2O5352 mg/kg时，KH2PO4和NaH2PO4处理显著降低了地上部氮含量。地上部磷含量随着磷肥施用量增加显著升高，22 mg/kg KH2PO4和88 mg/kg NaH2PO4处理分别高出对照的35%和24%;在施P2O5352 mg/kg时，Ca(H2PO4)2和NH4H2PO4处理分别高出对照27%和21%。4种磷肥及不同用量处理对东南景天地上部钾含量无显著影响(除 P2O5用量为352 mg/kg的NaH2PO4处理显著下降)。磷肥处理降低了植物地上部钙含量，在施 P2O5352 mg/kg时，KH2PO4、NaH2PO4和NH4H2PO4加入后，钙含量均显著下降。植物地上部镁含量下降，而NaH2PO4和NH4H2PO4仅在P2O5用量为352 mg/kg时表现明显。除NH4H2PO4外，其他3种磷肥均显著降低了地上部硫含量。

2.4 地上部微量元素含量的变化

东南景天地上部锰含量随磷肥用量增加而显著降低，施P2O5352 mg/kg处理最为明显，KH2PO4、Ca(H2PO4)2、NaH2PO4、NH4H2PO4分别比对照下降了33%、34%、23%和35%，不同肥料种类间无明显差异。除高浓度Ca(H2PO4)2处理降低了植物铁吸收外，其余3种磷肥处理对此均无显著影响。KH2PO4和NaH2PO4处理后，东南景天地上部铜含量与对照相比无明显变化，但 Ca(H2PO4)2和NH4H2PO4处理显著降低了铜含量，且各处理浓度间无显著差异(图4)。

图4 不同磷肥处理对东南景天地上部锰、铁、铜含量的影响Fig.4 Effects of different phosphate treatments on micronutrient concentrations(Mn，Fe and Cu)in shoots of Sedum alfredii

2.5 地上部总碳含量

与对照相比，施磷肥后东南景天地上部碳含量有增加的趋势，但KH2PO4和Ca(H2PO4)2处理增加量不明显(图5)。施P2O5352 mg/kg的NaH2PO4和88 mg/kg的NH4H2PO4处理，植物碳增加量与对照相比差异达显著水平，两者分别增加4.8%和4.5%。这说明增施磷肥能够增加东南景天对碳的固定。

图5 不同磷肥处理下东南景天地上部总碳含量变化Fig.5 Total carbon concentrations in shoots of Sedum alfredii under different phosphate treatments

2.6 植物锌、镉提取量的变化

超积累植物的重金属含量和干物质重决定了土壤中重金属的植物提取效率。经过收获一季东南景天，土壤中锌的提取量最高达13.8 mg/pot，磷肥处理浓度越高，锌积累量也越大(表1)。KH2PO4、Ca(H2PO4)2、NaH2PO4、NH4H2PO44种磷肥处理，植物锌的积累量分别是不施磷肥对照的2.6、2.4、2.2和2.8倍，镉的提取效率分别比对照增加了20%、4%、11%和37%，施P2O5352 mg/kg的 NH4H2PO4处理对植物提取土壤中锌、镉的促进作用最为明显。

3 讨论

磷肥对植物积累重金属的研究多为负面效应，即外源施入磷肥减少了植物对重金属的吸收，蔬菜、谷类等常规作物过量磷将会导致作物锌缺乏［19-20］，其在农产品安全生产中有实际的应用价值。但也有研究认为，不同小麦栽培品种锌含量随着土壤磷肥施用量增加均升高［15］，5 ～50 mg/L KH2PO4供应印度芥菜地上部锌含量从580 mg/kg增加到674 mg/kg，高浓度磷肥显著增加了锌的积累［12］，这与本研究的结果较为一致。同时，NH4NO3处理也增加了印度芥菜对锌的吸收，且氮肥处理后地上部锌积累量增加了1倍，而磷肥处理仅增加了20%［12］。该研究中，NH4H2PO4施入后，东南景天生物量、地上部锌含量均显著高于其他处理，其原因在于磷酸盐和铵根离子的共同作用，增施磷肥，配施一定量的氮素，能更有效地提高东南景天对锌污染土壤的修复效率。水培条件下适当增磷(0.5～1.0 mmol/L)极显著提高了东南景天地上部锌含量和积累量，高磷(2.0 mmol/L)则降低其含量和积累量［16］。4种磷酸二氢盐(特别是较高浓度P2O5352 mg/kg时)均显著增加了地上部磷和锌含量，这进一步证实了东南景天存在明显的“增磷诱导锌需求”现象，且这种现象是伴随着体内磷和锌的同时增加。但也有研究表明，磷对锌超积累植物Thlaspi caerulescens地上部生物量、锌积累量并无显著影响，甚至显著减少了根长和根系干重［10］。根系非可溶态磷和锌间存在正相关，线性回归斜率为0.3，接近于Zn3(PO4)2化合物中P/Zn的比值，根系锌与无机磷酸盐沉淀抑制了锌向地上部运输［10］。增磷能显著地促进超积累植物东南景天对锌的吸收及锌由根系向地上部的运输和积累，表明增磷能够进一步满足超积累植物东南景天地上部对锌的高量需求，锌并未在根系与磷发生明显的沉淀。Ni等［11］在矿山污染土壤中添加NaH2PO4发现，东南景天地上部锌含量和生物量仅在P 31 mg/kg处理时达最大值，而本研究中也发现NaH2PO4处理东南景天地上部生物量和锌含量均低于同浓度的其他肥料，但不同浓度处理锌积累量均高于对照，这可能与肥料施用方式、土壤特性、植物生长周期和水肥管理等有关，导致土壤中P/Zn交互机制不同。

表1 不同磷肥处理下东南景天地上部重金属积累量Table 1 Zn and Cd extraction amounts from soil by shoots of Sedum alfredii under different phosphate treatments

石灰性褐土中磷锌交互作用为协同效应，土壤磷含量提高可降低其对锌离子的吸附容量和吸附能力，施磷明显提高了土壤中锌的有效性［21］。长期施用磷肥后，冬小麦根际土壤有效锌含量显著高于非根际土壤，但植株锌含量显著低于不施磷处理［20］。不同磷肥种类对植物积累重金属影响的差异与磷酸盐本身的性质及其对土壤pH的影响有关。磷酸二氢盐呈酸性，施入土壤后使土壤pH降低，消弱了土壤对锌的吸附，提高了锌有效性，能充分发挥磷与锌之间的正效应。磷酸氢二铵(DAP)施用降低了土壤pH值，但土壤重金属有效态更多的转化为残余态，油菜地上部 Zn/Cd 含量下降［17］。Basta 等［22］研究发现铵态氮肥施用能导致土壤酸化，2个月培养后DAP使土壤pH从7.1降低到6.5，且随培养时间延长有持续降低趋势，这进一步解释了NH4H2PO4处理地上部锌积累量最高的现象。磷酸二氢盐施入，导致土壤pH值下降，增加了土壤中锌的有效浓度，根系锌吸收增多;再加之东南景天强大的转运能力，使其地上部锌含量显著增加。

供试磷肥处理下，东南景天地上部镉含量变化趋势不同于锌，总体趋势是随着磷肥用量增加，镉含量下降。Dheri等［14］也得到同样结果，施用磷肥降低了Spinacia oleracea地上部镉含量，砂土的下降量大于粉壤土。植物镉含量随可溶性磷增加持续下降，可能是镉与磷形成了复杂化合物，限制了植物对镉的吸收［23］。本研究中，磷酸盐吸附镉使镉沉淀为Cd(OH)2和Cd3(PO4)2［13］，造成镉在土壤中的原位固定。另外，镉和锌位于元素周期表中的同一主族，它们会相互竞争根系表面的离子交换位点或在植物体内的转运子，影响元素吸收，供试土壤中较高浓度的Zn2+限制了根对Cd2+的吸收。但高浓度磷肥时，由于生物量的显著增加，磷肥增加了土壤镉的植物提取效率。而 Yu和 Zhou研究发现，Ca(H2PO4)2使土壤镉有效性降低，显著降低了紫茉莉地上部镉积累量，磷肥处理降低了镉的生物富集系数，但是增加了其转移系数，植物体磷、镉沉淀减少镉毒害对植物的结构损伤［24］。但也有研究发现田间条件增施磷酸二氢铵，亚麻籽的镉含量和积累量均增加［25］，这可能是由于磷酸盐的加入改变了土壤pH值，影响了根际环境的离子强度［25-26］。

植物体的各种营养元素参与了多种重要的生理代谢过程。Wang等发现锌胁迫显著增加了油菜锌含量，但是降低了磷、铜、铁、锰、镁含量，这可能是植物锌毒害的一种症状［27］。磷肥施入降低了东南景天地上部大多数营养元素的含量，仅磷含量显著增加。这不同于孙琴等［16］的研究，但与 Zhao等［10］研究一致，且地上部磷含量与Thlaspi caerulescens接近。表明东南景天体内有很强的维持正常磷素水平的能力，这可能是其在高锌条件下生长良好的原因之一。石灰性土壤上，增加锌浓度降低了Pistachio叶片铁、锰、铜含量，缺锌处理其含量增加［28］。本研究得到的结果与此类似，磷肥加入显著增加了东南景天对土壤锌的积累，植物体内高浓度锌抑制了根部的微量元素向地上部转运，造成间接影响;同时，土壤中过量磷酸盐可能与铁、锰、铜、钙等元素结合形成难溶形态，降低了其生物有效性，直接限制了植物吸收，小麦体内铜下降与高磷浓度下土壤水提取态铜含量明显降低有关［29］。磷肥极显著的增加了东南景天地上部的干物质重，生物量增加产生的“稀释效应”也可能是导致地上部大部分营养元素含量降低的原因。尽管地上部营养元素含量降低，但增施磷肥东南景天地上部大量元素和微量元素的积累量显著高于对照，这进一步从元素平衡角度解释了磷肥能增加东南景天地上部锌的积累。磷组成了植物体内核酸、辅酶Ⅰ(NAD)、辅酶Ⅱ(NADP)等许多重要化合物，这些化合物在光合作用、碳水化合物与蛋白质合成等生理过程中起着极其重要的作用［30］。施磷肥提高了紫花苜蓿根茬组织中非结构性碳水化合物的贮存量和利用效率，为刈割后的早期再生提供充足的养分，从而加快紫花苜蓿的再生［31］。本研究中，磷肥处理东南景天地上部碳含量均高于对照，这有利于刈割后地上部的快速生长，同时，增加了环境中有机碳的生物固定量，减少了CO2等温室气体排放，有利于低碳农业发展，具有良好的生态环境效应。

4 结论

外源添加含不同阳离子(K+、Ca2+、Na+、NH4+)的H2PO4－均促进了东南景天生长，P2O5施用量352 mg/kg时显著增加了地上部生物量。植物地上部磷、锌含量随着磷浓度的增加而显著升高，东南景天体内存在着明显的磷、锌共积累效应。磷肥施用后植物地上部大量和微量元素总积累量显著增加，这有利于地上部对重金属的持续累积。施用磷肥增加了东南景天对环境中碳的固定，具有明显的生态效应。4种磷肥均显著增加了东南景天地上部对锌和镉的提取量，其中，KH2PO4和NH4H2PO42种磷肥在P2O5施用量为352 mg/kg时增加效果最为明显，大大提高了植物修复效率。但在实际的大田应用中，2种肥料的具体施用量需要进一步研究。

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