不同磷肥品种对苋菜镉累积的影响

邹 茸，王秀斌，霍文敏，2，迟克宇，范洪黎*

(1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业部植物营养与肥料重点实验室，北京 100081； 2.中国地质大学，北京 100083；3.北京建工环境修复股份有限公司，北京 100015)

近几十年来，随着人类对自然资源的过度开发和利用，农用化学物质种类、数量逐年增加，工业、城市污染逐渐加剧，导致土壤重金属污染日益严重[1-2]。我国土壤环境面临严重的重金属污染问题[3-4]，镉是8种土壤重金属污染元素中发生污染概率最高的元素[5]。镉通过食物链循环、生物积累作用对人体健康产生巨大的负面影响[6]。因此，如何减少或消除土壤的镉，维持土壤生态系统的健康，众多学者从物理[7]、化学[8]、生物[9]等角度对镉污染土壤的修复展开研究。与物理、化学修复方法相比，植物修复土壤重金属污染有低成本、环境友好、符合可持续发展要求等优点[10-12]，但也存在超积累植物生物量小、受环境影响大、修复周期长等局限，无法大面积用于实地修复[13]。因此，提高植物修复效率、完善植物修复技术是目前土壤重金属污染修复研究的热点之一。

修复植物的生物量直接影响其修复效率，农业上一般通过施肥来提高作物的生物量。施肥是提高超积累植物修复污染土壤效率的重要辅助措施，不但可以给植物的生长提供养分，而且可以影响土壤中的重金属活性[14]。磷是植物生存的必需元素，对植物生长发育具有十分重要的影响[15-17]。施用磷肥不仅能提高植株的生物量，也影响了植物对土壤镉的吸收与转化。前人研究发现，施用不同种类磷肥可改变土壤中镉存在形态，影响重金属镉的生物可利用性[18]，磷酸二氢钙、钙镁磷肥和骨粉等含磷材料添加后均可使土壤中铜、镉等重金属从有效性高的形态向有效性低的形态转变[19]。施用磷肥显著增加蔬菜产量，降低植株地上、地下部镉含量，提高地上部镉累积量[20]。本文以富集镉能力较强的苋菜(AmaranshusmangostanusL.)一年生草本植物为研究对象，旨在研究施磷对苋菜镉吸收能力的影响，同时探讨施磷提高苋菜对镉富集能力的可行性，为提高植物修复效率和揭示苋菜对磷和镉的吸收机理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤取自广东珠江三角洲地带的赤红壤和江苏长江三角洲地带的黄棕壤，其理化性质见表1。苋菜为前期筛选的镉超富集植物天星米(AmaranshusmangostanusL.)。

表1 土壤基本理化性质

氮肥采用尿素[CO(NH2)2]，含氮量为46.06%；钾肥采用硫酸钾(K2SO4)，分析纯；磷肥采用以下磷肥品种：磷酸氢二钾(K2HPO4)，分析纯；过磷酸钙(SSP,含P2O512.0%)；钙镁磷肥(CaMg-P,含P2O516.4%)；磷矿粉(PR,含P2O56.3%)。

1.2 试验设计

采用温室盆栽试验,共设5个处理，包括K2HPO4、SSP、CaMg-P、PR不同的磷源(P处理)及对照(CK)，随机设计，3次重复。每盆装土0.75 kg，每1 kg土壤加Cd(CdCl2·2.5H2O，分析纯)：15 mg，N：200 mg，P2O5：229 mg，K2O：200 mg，与土壤充分混匀。平衡2周后，每盆种苋菜(AmaranshusmangostanusL)作为指示物，出苗一周后定5株，生长期间内定期浇去离子水，保持土壤相对含水量为田间持水量70%左右。

1.3 收获与测定

植株生长45 d后收获，分地上部和根部用去离子水清洗干净、105℃杀青30 min、70℃烘干。植株用HNO3-HClO4消化后，用ICP-AES测定其中的Cd和P含量[21]。SAS软件对数据进行方差分析和多重比较[22]。

根据生物富集系数和转运系数计算方法，结合植株生物量，通过计算植株生物富集量系数和转运量系数来反映其吸收和累积重金属镉的能力[22-26]。

生物富集系数=地上部Cd含量/土壤中Cd含量

转运系数=地上部Cd含量/根部Cd含量

2 结果与分析

2.1 施用不同种类磷肥对苋菜生物量的影响

磷是生物体生存的必需元素，是构成磷脂、核酸、核蛋白和ATP的重要组分，对植物生长发育具有十分重要的影响[27]。由图1可知，在黄棕壤和赤红壤上施加磷肥都提高了苋菜的生物量。在黄棕壤中，4种磷肥地上部干重大小顺序依次为：CaMg-P>SSP>PR>K2HPO4>CK，且SSP和PR处理间差异不显著；地下部干重的增产效果与地上部趋势相同。在赤红壤中，4种磷肥处理的地上部以及地下部干重大小顺序都依次为：SSP>CaMg-P>PR>K2HPO4>CK，CaMg-P、PR和K2HPO4处理间无显著差异。在相同的肥料处理下，除SSP处理外，黄棕壤中的植株地上部和地下部生物量都相应地高于赤红壤。由图2可知，除CaMg-P外，其余3种磷肥在赤红壤中的增产效果优于黄棕壤。结果表明，在不同的酸性土壤上施加不同种类的磷肥肥效不同。黄棕壤中CaMg-P肥处理增产效果最好，地上部、地下部干重分别为对照的3.33和3.27倍；SSP在赤红壤中增产效果最好，地上部、地下部干重分别为对照的3.99和4.07倍。这可能与土壤的pH值、速效养分的含量以及不同磷肥在土壤的溶解程度等相关。

图1 不同磷肥品种对苋菜生物量的影响

注：同一土壤类型，柱上不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。下同。

图2 不同磷肥在两种类型土壤上的增产效果

注：图中植株干重增量比=(磷处理植株干重-CK处理植株干重)/CK处理植株干重。

2.2 不同磷肥对苋菜镉累积的影响

磷肥除了为作物生长提供必需的营养物质外，也提高了植株对Cd的耐受浓度，减轻了镉对植株的毒害作用。由表2可知，对于黄棕壤和赤红壤，施磷肥能够显著降低苋菜的Cd含量。在黄棕壤中，4种磷肥地上部Cd含量都低于对照，其中CaMg-P肥处理的Cd含量降低幅度最大，为58.4%，K2HPO4处理降低幅度最小，为39.0%；根部Cd含量SSP降幅最大，约50.1%，CaMg-P处理降幅最小，为37.6%。在赤红壤中，4种磷肥处理的植株地上部和地下部Cd含量与对照相比显著降低。其中，CaMg-P肥处理的植株地上部Cd含量降低幅度最大，为77.7%，K2HPO4处理降低幅度最小，为20.2%；根部Cd含量SSP处理降低幅度最大，为66.6%，K2HPO4处理降低幅度最小，为43.5%。

表2 磷肥品种对苋菜植株体内Cd浓度和累积量的影响

注：同一土壤类型，同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

施磷提高了苋菜的生物量，因此促进苋菜对镉的吸收和累积。黄棕壤中，苋菜地上部Cd累积量各施磷处理均高于CK，SSP处理Cd累积量最大，比CK增加53.7%，K2HPO4、PR和CK间Cd累积量相差不大；根部Cd累积量均高于CK,CaMg-P增幅最大，比CK增加102%，其他处理间Cd累积量都差异不显著。赤红壤中，地上部Cd累积量大小顺序依次为：K2HPO4>SSP>CK>PR>CaMg-P；地下部Cd累积量都高于对照，顺序依次为：CaMg-P>SSP>K2HPO4>PR，最大增幅为60.0%。

此外，两种土壤中CK的Cd含量和生物富集系数都明显高于各个磷肥处理，而各个磷肥处理的苋菜生物量高于对照，说明施磷稀释了镉在苋菜体内的浓度。在镉污染的黄棕壤中，SSP处理下苋菜转运系数最大，而植株Cd含量、生物富集系数明显低于对照，这表明施用普钙在减轻单位质量植株受Cd毒害的同时，又能较好提升苋菜在土壤中对镉的转运能力，从而减轻土壤中的镉污染；在赤红壤中，K2HPO4处理的转运系数最大，同时植株Cd含量也比较低，这说明K2HPO4能较好地转运根部的镉，减轻镉对苋菜根的毒害作用。不同磷肥在这两种土壤中的肥效不同，可能与土壤有效磷含量、土壤理化性质和磷肥的性质有关。

2.3 不同磷肥对苋菜磷累积的影响

由图3可知，对于供试的两种土壤类型，黄棕壤中生长的植株体内磷含量、磷总吸收量高于赤红壤。黄棕壤中，磷肥处理的植株地上部磷含量都高于不施磷的对照，大小顺序依次为SSP>CaMg-P>K2HPO4>PR，增幅为12.3%～38.6%，且前3个磷肥处理间差异不显著；根部磷含量，磷肥处理高于对照，顺序依次为：CaMg-P>K2HPO4>SSP>PR，增幅为5.5%～76.8%，钙镁磷肥处理磷含量达最高，为0.82%。赤红壤中，地上部磷含量各施磷肥处理与不施磷肥相比都有所增加，增幅为14.8%～41.7%，且各施磷肥处理间差异不显著；根部磷含量各施磷肥处理与不施磷肥相比增幅为18.9%～57.0%，钙镁磷肥处理磷含量最高，为0.49%。

同时，由图3还可以发现，施磷处理与不施磷相比，植株磷吸收总量也有不同程度的变化。黄棕壤中，与不施磷肥CK相比，地上部和根部吸磷总量各施磷肥处理显著增加。各施磷肥处理地上部吸磷总量是CK处理的1.88～4.24倍，顺序依次为：CaMg-P>SSP>PR>K2HPO4；根部吸磷总量是CK处理的1.94～5.75倍，依次为：CaMg-P>K2HPO4>SSP>PR。赤红壤中，与不施磷肥相比，地上部和根部吸磷总量各施磷肥处理也显著增加，磷肥处理地上部吸磷总量是CK处理的2.38～5.58倍，根部吸磷总量是CK处理的3.09～5.27倍，且地上部和根部吸磷总量都是SSP处理最佳。结果表明：施用磷肥能够显著地促进植株根系对磷吸收，植株磷吸收总量与生物量大小密切相关。

图3 施磷对植株吸收和累积磷的影响

3 讨论

本研究以苋菜(AmaranshusmangostanusL)为试材，发现在两种酸性土壤上施用磷酸氢二钾、过磷酸钙、钙镁磷肥、磷矿粉4种不同磷肥都能提高苋菜生物量且显著降低苋菜植株中的Cd含量，黄棕壤约降低37%～58%，赤红壤约降低15%～76%。Tan等[28]试验研究也得到类似的结果，即磷酸盐减少蔬菜镉的摄入量，促进蔬菜生长；陈青云[29]研究发现，在黄棕壤和潮土中施用不同磷肥显著降低了蔬菜地上、地下部Cd含量。磷肥在其他经济作物中施用也有降低作物Cd含量的作用，刘芳等[30]用盆栽试验研究石灰性土壤中磷、镉交互作用对烟草生长的影响，表明施磷明显降低了烟草中的镉含量。王朋超等[31]研究发现，施用钙镁磷肥、普钙两种磷肥均可显著降低油菜根部和地上部Cd含量，且当普钙和钙镁磷肥施加量为中高剂量时，油菜地上部Cd含量分别降低至0.18和0.10 mg/kg。一方面，从植物磷营养状况分析，施磷促进了植株生长，减轻镉对植株的毒害作用，稀释了镉在植株体内的浓度[32]。另一方面，前人研究发现磷对土壤中Cd形态有一定的影响，较高浓度的磷使土壤中活性高的交换态Cd向活性低的残渣态Cd转化，显著降低了Cd的生物有效性和迁移能力[33]。王秀丽等[34]研究发现，配施沸石与磷酸二氢钾、磷酸氢二铵等都能在一定程度上稳定重金属，降低重金属Cd的生物有效性和可移动性。因此，施磷肥能够降低植株中镉含量，也可能是因为施磷导致土壤中镉形态的改变，影响了植物对土壤镉的吸收、迁移，但这与所施磷肥的特性有关。另外，有研究还发现叶面施磷能缓解镉对蓖麻生长的抑制，显著提高了地下部对镉的累积量，茎、叶中镉含量无显著变化[35]。这说明，磷与重金属之间的相互作用关系存在多样性和复杂性，这可能与植物品种、磷肥施用方式、污染物性质、土壤类型以及外界环境等有很大关系。

植物吸收土壤重金属是一个非常复杂的过程，受到元素自身的特性、土壤类型、性质及其重金属含量等诸多方面的影响。本试验中，施用不同种类的磷肥，黄棕壤和赤红壤中苋菜对磷和镉的吸收存在一定的差异，分析其原因可能与土壤pH值有关。不同类型土壤的镉解吸存在很大差异，Thakur等[36]研究发现，在石灰性土壤中施磷很可能降低镉的固定并且增加其移动性，pH值高的土壤镉的解吸率和镉的生物有效性低。例如，同一处理下，石灰土种植辣椒根部、地上部、整个植株Cd含量均低于黄壤种植[37]。磷能够影响植物对重金属镉的吸收主要是通过改变土壤或植物所处环境的pH值造成的[38]，同类型土壤镉的解吸也受pH值影响，由于不同种类的磷肥理化性状也存在很大的差异，对土壤pH值的影响也不同。普钙等生理性酸性磷肥进入土壤后其溶解过程会引起局部土壤酸化，增加Cd的溶解度及活性[31]，钙镁磷肥属于碱性肥料，施入后可提高土壤pH值，Cd易生成难溶性Cd化合物，从而固定Cd在土壤中的迁移能力，降低Cd有效性[39]。陈青云等[20]采用连续种植盆栽试验研究发现，土壤有效态Cd含量与土壤pH值呈显著负相关，不同磷肥酸化土壤能力大小为过磷酸钙>磷酸二铵>磷酸氢钙。Hong等[40]研究发现含磷材料影响植物镉吸收，主要是由于施加含磷材料引起了土壤pH值的变化。因此，即使同一磷肥施用于不同类型土壤，其苋菜对磷、镉吸收也会有很大的差异性，具体原因有待于进一步分析。

4 结论

通过在黄棕壤和赤红壤上施用磷肥，改善了植株的营养状况，提高了苋菜的生物量，同时稀释了镉在苋菜体内的浓度，减轻镉对植株的毒害。由于生物量的增加，显著提高苋菜镉的累积量。另外，施用不同种类的磷肥，苋菜对镉的吸收和累积存在一定的差异。本试验研究表明，在黄棕壤中施用过磷酸钙效果较好，苋菜地上部Cd累积量最高，且与其他处理具有显著差异，其转运系数最大；在赤红壤中施用磷酸氢二钾效果较好，苋菜地上部Cd累积量最高，且与其他处理有显著差异，其转运系数最大。

本文通过施用磷肥这一农艺措施，提高镉超富集植物苋菜的生物量以及地上部的重金属镉的累积量，阐明促进镉吸收的调控方法和提高修复效率的有效手段。这一研究结果将为利用超积累植物修复镉污染土壤提供理论依据和技术途径，对于我国农田生态系统中污染土壤的再利用以及保障粮食安全都具有非常重要的意义。

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