氮、磷肥对蓖麻吸收积累矿区土壤铜的影响

姚诗源，郭光光，周修佩，任 超，黄国勇，胡红青

（华中农业大学资源与环境学院，武汉 430070）

上世纪以来，全球工业化导致重金属的释放量急剧增加，铜矿开采导致矿区周边土壤的铜含量极高[1]。铜是植物必需营养元素，但过量时会干扰植物光合作用，增大细胞膜透性，减缓细胞分裂，抑制其他养分吸收，甚至引起死亡[2]。人体摄入铜过量会引起低血压等铜代谢疾病[3]。

植物提取是去除土壤重金属的有效方法，具有成本低、去除彻底和景观美学作用，是一种应用前景广阔的重金属修复手段[4]。已发现的铜超积累植物有海州香薷 (Elsholtzia splendens)、鸭跖草 (Commelina communis)、矮石蕊 (Cladonia humilis) 等[5–6]，它们普遍生物量小、生长缓慢，吸收积累铜量有限，收获物经济价值不高。

蓖麻是重要的工业原料[7]，同时具有较高的土壤重金属污染修复价值，对Cu、Cd、Zn等重金属有较高的耐性[8]，能在高浓度铜污染土壤上正常生长[9]。Huang等[10]水培发现，在750 μmol/L铜处理下，蓖麻根部铜浓度可达14587 mg/kg，Olivares等[11]发现蓖麻生长在金属矿区土壤上，籽粒产油率更高，具有修复土壤铜污染的潜力。但作为土壤铜污染修复植物，蓖麻与其他耐性植物一样，仍具有一定的局限性，如铜的转运系数较低、生长周期慢等。

施肥既可促进植物生长，又可影响土壤性质 (如酸碱性) 和重金属的形态，提高植物修复效率[12]。研究发现，NH4+-N能显著增加土壤中Pb、Cd的生物有效性[13]，NO–3-N能促进Pb从鱼腥草地下部向地上部转移[14]。磷肥可促进植物早期根系的形成和生长，增强植物抗性[15]，在含铜100 mg/kg的土壤中施用80 kg/hm2P2O5可使油芥菜生物量增大31%[16]，施磷可增加水稻对镉的吸收但缓解毒性症状[17]，黄化刚等[18]研究表明4种磷肥 [KH2PO4、Ca(H2PO4)2、NaH2PO4和NH4H2PO4] 对东南景天吸收重金属均有促进作用。

氮、磷肥对植物吸收积累铜的影响的试验多在人工添加铜土壤上进行，对原位重金属污染土壤的研究较少。氮、磷肥施用在农作物增产领域研究较多，但在植物修复领域研究较少。本试验希望找到既促进蓖麻生长、又增加蓖麻吸收积累铜量的最佳施肥组合，并探索施肥对蓖麻吸收铜的影响及作用机制，为土壤铜污染修复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验方法

1.1.1 试验材料 供试植物为蓖麻 (Ricinus communis L.)，种子采自湖北省大冶市铜绿山镇铜矿坑周边，在华中农业大学温室培育并开展盆栽试验。供试土壤采自矿坑，风干、磨碎、装盆。土壤基本理化性质为：pH 8.36、有机质 9.74 g/kg、全氮 0.57 g/kg、碱解氮 22.34 mg/kg、速效钾 19.23 mg/kg、有效磷0.43 mg/kg、土壤总铜含量 1249.7 mg/kg，其中弱酸提取态 3.4 mg/kg、可还原态 371.8 mg/kg、可氧化态195.1 mg/kg、残渣态 (铜总量减去其他形态铜含量)679.4 mg/kg。

1.1.2 盆栽试验 供试肥料为 NH4NO3和 NaH2PO4，分析纯试剂 (国药集团化学试剂有限公司)。设置N 0、75、150、300 mg/kg 4 个水平 (用 N0、N75、N150、N300表示)，P 0、20、80、200 mg/kg 4 个水平 (用P0、P20、P80、P200表示)，进行双因素4水平完全随机设计，施肥处理包括 N0P0、N75～N300、P20～P200以及9个氮磷配施组合。将肥料溶解后均匀喷洒到1.5 kg土壤中，充分混匀后装盆 (直径上口15.5 cm、底部10.5 cm、高13.4 cm)，另取部分土壤不种植蓖麻，其余管理 (施肥、水分、温度等) 与植株培养相同。每盆3棵植株，每个处理3次重复。

1.1.3 植株种植与收获 在云母基质 (添加有机物 35 g/kg) 中育苗，待植株长出2片真叶后，挑选长势一致的幼苗用蒸馏水洗净、移栽。将移栽盆放于温室中 (湿度 40%) 培养，设置白天 14 h，30℃；夜间 10 h，20℃。每日定时浇水至田间持水量的60%，2个月后收获。用不锈钢剪刀将植物根、茎、叶分开，蒸馏水洗净、吸干，分别装入牛皮纸袋中，105℃杀青30 min，65℃烘至恒重。烘干植株样粉碎，用于Cu含量的测定。采集种植和未种植的全部土壤，研磨过20目和100目尼龙筛，分别用于测定基本理化性质和Cu含量。

1.2 测定方法

1.2.1 植株生长指标及 Cu 含量 收获前2天对植株的6片成熟叶片距叶基部1/2处使用叶绿素仪(SPAD-502) 测定，取平均值作为该株的最终SPAD值。植物Cu含量采用HNO3–HClO4消煮法，称取0.2000 g植株样品于消化管中，加入10 mL混合酸 (7.5 mL HNO3+ 2.5 mL HClO4)，在远红外消煮炉上390℃消煮至溶液澄清，超纯水定容，过滤后用原子吸收分光光度计 (Varian AA-240FS) 测定[19]。

1.2.2 土壤基本理化性质及 Cu 形态分级 土壤基本理化性质测定参照《土壤农化分析》[20]。土壤pH采用pH计测定，土水比1∶2.5。土壤有机质用重铬酸钾氧化-外加热法测定。Cu总量用王水消化，原子吸收分光光度计 (Varian AA-240FS) 测定。用 BCR 形态分级法提取不同形态Cu[21]，即弱酸提取态用0.11 mol/L HOAc浸提，可还原态用0.5 mol/L盐酸羟胺浸提，可氧化态用H2O2–NH4OAc浸提，提取液用原子吸收分光光度计 (Varian AA-240FS) 测定 Cu 含量。

质量控制：在样品分析过程中进行方法空白、基质加标、平行样以及加标回收测定。添加标准物质灌木枝叶 (GBW07603) 进行植物Cu含量质量控制。

1.3 数据分析及制图

采用EXCEL2016进行数据统计及处理，采用SPSS20.0进行数据分析，利用Duncan法进行平均数间差异显著性检验，采用Origin9.0作图。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理下蓖麻生长情况

表1可以看出，N150P20和N75P80处理蓖麻的SPAD值低于N0P0处理，其余处理均能增加SPAD值。氮、磷肥单施时SPAD值随施肥量增加而增加，N0P200和N300P0处理SPAD值最高，分别比N0P0处理增加13.6%和15.7%。两种肥料配施，施氮量为150和300 mg/kg时，SPAD值随施磷量增加先减少后增加，施氮量为75 mg/kg时，SPAD值随施磷量增加呈先增加后减少；施磷量为20 mg/kg时，N150P20处理SPAD值最低，与N75P20、N300P20处理差异显著，当施磷量为80和200 mg/kg时，SPAD值随施氮量增加而增加，N300P200处理最高，为N0P0处理的1.23倍。氮磷肥的交互作用显著，SPAD值在低量配施时出现波动，在高量配施时一直增长。施用高量氮、磷肥能显著提高蓖麻SPAD值。

表2显示，氮、磷肥单施时蓖麻根重随施肥量增加先增加后减少，N75P0处理根重最大且与其他处理差异显著。氮磷肥交互作用显著，配施时高量氮肥处理根重均低于N0P0处理。N75P200处理蓖麻的根重显著高于其他组合，是N0P0处理的1.50倍。单施氮、磷肥时，蓖麻茎重、叶重的变化与根重变化一致，N0P20处理茎重、叶重最大且与其他处理差异显著。氮磷肥交互作用显著，氮、磷肥配施时，蓖麻茎重随施磷量增加缓慢增加，蓖麻叶重增加明显。N0P20、N75P200处理蓖麻茎重最大且与其他处理差异显著，分别是N0P0处理的2.01、1.91倍。N150P20、N300P20处理蓖麻茎重低于N0P0处理。但低磷与氮肥配施叶重低于单施氮、磷肥处理。N0P20、N75P200处理蓖麻叶重最大且与其他处理差异显著，分别是N0P0处理的1.82、1.94倍。单施氮、磷肥时蓖麻总重相对于不施肥处理都有增加，但蓖麻总重随着氮肥用量增加而减少，N300P0处理与N0P0处理差异不显著；N0P200处理显著增大了蓖麻干重，其他处理与N0P0处理间没有差异。

表1 不同施肥处理下蓖麻叶片SPAD值Table1 SPAD values of castor leaves under different fertilization

显然，氮、磷的施用对蓖麻地上部生物量的增加效果显著，但对蓖麻根系生长促进效果不明显，甚至有些处理抑制了蓖麻根系的生长。

2.2 不同施肥处理下蓖麻铜浓度

表3显示，所有施肥处理蓖麻根部Cu浓度均高于N0P0处理，其中N300P20处理根部Cu浓度最高，达175.2 mg/kg，比N0P0处理高287.6%。单施氮肥，蓖麻根部Cu浓度比N0P0处理高33.1%～84.5%，差异显著；单施磷肥，蓖麻根部Cu浓度比N0P0处理高40.8%～68.1%，差异显著。氮肥用量为75 mg/kg时，蓖麻根部Cu浓度随磷肥用量增加先升高后降低；磷肥用量为20 mg/kg时，蓖麻根部Cu浓度随施氮量增加而升高，施磷量为80和200 mg/kg时，根部Cu浓度随氮用量增加先升高后降低。单施氮肥，茎部Cu浓度随施氮量增加而增加，高量时与N0P0处理差异显著。N0P20、P20N75处理蓖麻茎部Cu浓度最高，分别比N0P0处理高95.3%、92.5%。P20N150、P80N150、P200N75处理蓖麻茎部Cu浓度仅3.00～3.84 mg/kg，低于N0P0处理。磷肥用量为20 mg/kg时，茎部Cu浓度随氮用量增加先升高后显著降低，而磷浓度为200 mg/kg时，茎部Cu浓度随氮肥用量增加先降低后升高。除N75P0、N0P20处理蓖麻叶部Cu浓度高于N0P0处理外，其他处理叶部Cu浓度均低于N0P0处理。蓖麻叶部Cu浓度随施氮量和施磷量增加而降低。氮磷配施除N300P20处理，其他处理叶部Cu浓度都显著低于单施氮肥；除P80与氮肥配施外，P20、P200与氮肥配施处理叶部Cu浓度均显著低于单施磷肥。

总体来看，氮、磷肥能提高蓖麻体内Cu浓度，低量磷肥配施氮肥能增加蓖麻根部Cu浓度，高量磷肥配施氮肥使蓖麻叶部Cu浓度减少，这可能是施肥增大蓖麻根、茎生物量引起的稀释效应。

蓖麻积累Cu的变化如表4所示。单施氮肥时，铜积累量随施氮量增加而减少；单施磷肥时，铜积累量随施磷量增加先减少后增加。当施磷量为0、80、200 mg/kg 时，低氮 (N75) 处理的铜积累量高于其他氮浓度处理且差异显著，其中N75P200处理蓖麻铜积累量最高，是N0P0处理的2.33倍，N75P0、N75P80处理铜积累量是N0P0处理的2.04、1.93倍，并与N75P200差异显著。铜积累量随氮肥用量增加而减少；单施磷肥和低氮 (N75) 配施磷肥处理铜积累量随施磷量增加而增加，中氮高氮 (N150、N300) 配施磷肥处理铜积累量随施磷量增加而减少。添加氮、磷肥后，铜在蓖麻各器官的分布仍为根＞叶＞茎，但转运系数 (地上部铜积累量/地下部积累量) 变化很大，变化规律与铜积累量变化规律相反，N300P20处理最低，N300P0处理最高。

2.3 施肥对土壤pH值和不同形态铜含量的影响

土壤pH值的变化见表5。施肥但未种植蓖麻土壤pH值范围8.28～8.45，除N0P200、N75P200处理外，其余处理的pH值均低于N0P0处理。单施氮肥，土壤pH值与N0P0相比显著降低但不同浓度间无差异；施磷量为20 mg/kg的处理之间土壤pH值无显著差异；施氮量为0、75、300 mg/kg时，高磷处理土壤pH值都显著高于其他处理。种植蓖麻土壤pH值范围8.09～8.26，其变化规律与未种植蓖麻土壤的相似，施磷量为20、200 mg/kg的处理之间土壤pH值无显著差异，氮、磷肥配施除N150P20处理外土壤pH值都高于N0P0处理。种植蓖麻土壤pH比未种植土壤低0.2～0.4个单位。

表2 不同施肥处理下蓖麻干重 (g/plant)Table2 Dry weight of castor under different fertilization

土壤Cu形态变化的BCR分级结果如图1所示。可以看出，所有土壤中可氧化态和残渣态Cu之和都超过总量的60%，未种植蓖麻处理之间、种植蓖麻处理之间不同形态Cu所占比例无显著变化。施肥但未种植蓖麻土壤中弱酸提取态Cu平均含量为3.54 mg/kg，占全量的0.3%，种植蓖麻土壤中弱酸提取态Cu平均含量为12.11 mg/kg，占全量的1.0%，提升了3.58倍；种植蓖麻土壤中可还原态Cu比例较未种植土壤增加约10%，残渣态Cu占比减少约10%，可氧化态Cu比例基本不变。可见，种植蓖麻可能会导致残渣态Cu向可还原态Cu转化。

3 讨论

3.1 氮、磷肥施用对蓖麻生长的影响

植物的光合作用需要Cu参与，但Cu过量会从三方面抑制光合作用：1) 破坏类囊体的结构功能，抑制初级电子供体和受体产生；2) 增加叶绿体酶活性，加快叶绿素分解；3) 与叶绿素的巯基结合，替代Mg2+、Zn2+、Fe2+，改变叶绿素蛋白中心离子，导致叶绿素失活[2]。本试验除P20配施氮肥、N75配施磷肥处理蓖麻叶片SPAD值含量不因施肥量而变化，其余都随施肥量增加而增加，可能因为养分施用不平衡对蓖麻生理过程造成影响，养分配比会间接影响蓖麻对其他养分的吸收[22]，进而影响叶绿素合成。

表3 不同施肥处理下蓖麻体内铜含量 (mg/kg)Table3 Cu contents of castor under different fertilization

根干重随施肥量增加先增加后减少，可能是植物缺乏养分时，根系为获取养分而不断生长，但当土壤养分充足时，根系不需要太长就能获得足够的养分，所以在高施肥量时根干重减少，这是一种适应性的变化。蓖麻总干重随施氮量增加而减少，随施磷量增加而增加，低氮和高磷更利于蓖麻正常生长，可能是环境中Cu胁迫导致蓖麻不能正常吸收养分，施氮过多反而加重胁迫。

3.2 氮、磷肥施用对蓖麻体内铜含量的影响

植物吸收重金属的量是土壤重金属种类、形态、含量，肥料种类、施用量，以及植物本身积累重金属能力的综合体现，所以施肥对植物吸收积累重金属的作用效果不一致[23]。施用硝态氮肥可增加水稻对镉的吸收[24]，施用尿素和磷酸二氢铵可增加印度芥菜和蓖麻对Cd的积累[25]；相反地，Fang等[26]发现，施用重过磷酸钙可降低大白菜对Cu的吸收，高超等[27]施用磷酸钙和磷酸二铵抑制了水稻对Pb的吸收，因为营养状况改善可提高水稻抵抗重金属的能力，减少其对重金属的吸收。

本试验结果表明，施用磷肥既可增加蓖麻的生物量，又可增加蓖麻根、茎中铜的浓度。可能原因有：1) 供试蓖麻属于耐性植物，对铜富集能力强[28]；2) 磷酸盐可与铁生成磷酸铁沉淀，降低土壤中铁的生物有效性[29]，缺铁情况下铁通道蛋白 (IRT1) 及相关诱导转运蛋白大量表达，这些蛋白也可运输铜离子，提高植物对铜的吸收[30]；3) 铜过量时，植物体内大量活性氧自由基产生，造成脂质过氧化，施用磷肥可促进非酶抗氧化保护剂产生，增大抗氧化酶类的活性[31]，减少植物体内活性氧自由基，增加植物的抗性。

表4 氮、磷配施对蓖麻积累铜的影响Table4 Effects of N and P fertilizers on Cu accumulation in castor

蓖麻体内铜积累量与转运系数变化相反，铜积累量越高转运系数越低，意味着根系是蓖麻主要的解毒场所。种植蓖麻两个月积累铜的平均值达到19.87 μg/株，最高达到 34.93 μg/株，与典型的铜超积累植物海州香薷相比具有修复潜力[32–33]。

3.3 氮、磷肥施用对土壤pH值和铜形态的影响

施用化肥会对土壤pH值和其它性质带来明显影响。土壤pH是影响土壤重金属形态最重要的因素，对重金属在土壤中的行为变化起主要作用[34]。NH4NO3对土壤酸化贡献较大，NH4+经硝化作用可在短期内显著降低土壤pH值，NO–3通过淋溶作用带走盐基离子，可使土壤进一步酸化，长期施用硝酸铵会导致土壤pH值下降[35–36]。NaH2PO4是强碱弱酸盐，H2PO4

表5 不同施肥处理下土壤pH值Table5 Soil pH under different fertilization

–交换解吸土壤胶体上的OH–会引起土壤pH值升高，起到钝化铜的作用[37]。本试验中，施肥处理的土壤pH值下降。蓖麻根系在受到重金属胁迫后，会分泌更多的苹果酸、酒石酸、柠檬酸等[10]，引起根系土壤pH降低，本试验中蓖麻根系发达，种植盆中的土壤被蓖麻根系完全包裹，是土壤pH下降的主要原因，也可能是残渣态铜向氧化态铜转变的原因之一。

4 结论

图1 土壤不同形态铜含量百分比Fig.1 Percentages of the different forms of Cu in soil

氮、磷肥施用能有效提高蓖麻叶片SPAD值和植株生物量，增加Cu在蓖麻体内的积累，N75P200处理的蓖麻铜积累量在供试处理中最高。施用磷肥对蓖麻吸收积累Cu的促进效果高于施用氮肥。种植蓖麻可有效增加土壤Cu的有效性，对Cu形态的影响比施加氮、磷肥对土壤中Cu形态的影响大。本试验是植物修复和化学修复，这两种土壤重金属污染原位修复方法的联合，在实际应用中需要确定具体的施肥比例，进一步弄清促进蓖麻吸收积累铜的机制。