施加氮肥、硫肥对杞柳提取土壤中铅、镉的影响1)

王绍坤 牛小云 邸东柳 孙湃 黄大庄 闫海霞

(河北农业大学，保定，071000) (北京市延庆区园林绿化局)

随着工业化与城市化进程加快，我国出现了大量的环境问题，其中最严重的是重金属污染问题[1]。铅(Pb)、镉(Cd)等重金属污染不仅对生态系统的良性循环产生不利影响，也对人类身体健康造成巨大威胁[2]。植物修复，尤其是植物提取，因其经济、有效、环境友好等特点成为关注的热点。木本植物如柳树[3](Salix)、刺槐[4](RobiniapseudoacaciaLinn)、杨树[5](Populus)等不仅能吸收土壤里的重金属，且因其生物量大、根系发达、生长速度快等特点，越来越多的被用作植物修复，但其修复效率低成为被大规模推广应用的阻碍。施肥可以有效地提高植物修复效率。氮(N)、硫(S)都是植物生长必需的营养元素，可以促进植物生长[6-7]。肥料的添加对植物中重金属积累的影响取决于其质量分数，少量添加氮肥可以促进植物对镉的累积，但大量添加氮肥增加了镉的毒性，抑制植物生长，从而减少了对重金属的累积[8]。硫肥通过影响植物生长、植物体内重金属质量分数，进而影响重金属的累积量[9]。施肥不仅直接影响植物对重金属的吸收，且通过影响土壤的理化性质间接影响植物对重金属的吸收。施加氮肥、硫肥会引起土壤酸度的变化，而通过改变金属离子的水解平衡从而改变其可溶性会影响重金属的生物有效性[10-12]。以往研究施肥对影响重金属吸收的对象大多为农作物、超累积植物，对木本植物研究较少，且研究多为单一肥料添加[13-14]。杞柳(SalixintegraThunb.)对多种重金属均具有较高的耐受性及积累量，在植物修复重金属污染土壤的中应用较多[15-16]。施加氮肥、硫肥对杞柳吸收铅、镉产生的影响，目前尚没有相关报道。因此本研究以杞柳为研究对象，测定不同水平、比例的氮肥、硫肥对杞柳提取铅、镉的影响，为通过农艺措施促进植物修复铅、镉污染土壤提供数据参考。

1 研究区概况

研究地点位于河北省保定市河北农业大学试验站(115°42′E,38°81′N)，属温带半湿润大陆性气候，年平均温度为13.4 ℃，年降水量532 mm。土壤为典型的潮褐土。

2 材料与方法

2.1 试验材料与设计

本试验于2019年4月进行，选择生长势相同的杞柳1年生扦插苗作为试验材料。供试土壤理化性质为pH为8.42，有机质18.13 g·kg-1，全氮319.9 mg·kg-1，全磷205.9 mg·kg-1,全钾6.37 mg·kg-1，Pb 296.4 mg·kg-1，Cd 23.7 mg·kg-1。采用盆栽试验(花盆h为30 cm，d为30 cm)，氮肥施加CO(NH2)2、硫肥施加Na2SO4，氮肥、硫肥的施加水平(以N、S质量分数计)如表1所示，共9个处理，依次为T1～T9，每个处理6个重复。肥料分5次等量添加，于2019年5月15日开始，每2周添加1次，于2019年7月15日完成施肥处理。根据处理水平要求，即每次取0.303 1、0.606 2 g CO(NH2)2，即0.141 3、0.282 6 g N；0.627 0、1.254 0 g Na2SO4，即0.141 3、0.282 6 g S，溶于水中，均匀喷洒于每个花盆内。花盆随机摆放，所有杞柳采取相同的管理措施(浇水、松土、除草、除虫等)。在盆栽场地搭建遮雨棚，盆底设托盘，试验场地铺设2层塑料布，以避免重金属对土壤的污染。

表1 氮肥、硫肥施加水平

2.2 样品采集

生长季过后，于2019年10月15日，将杞柳整株取出，并对其根、枝、叶分别进行植株生物量及各组织重金属质量分数的测定。

2.3 土壤化学性质测定

土壤风干，过60目筛后，经浓硫酸消煮后用重铬酸钾加热法测定有机质质量分数；经碳酸氢钠提取后用钼锑抗比色法测定速效磷；经醋酸提取后用原子分光光度计测定速效钾；将土壤溶解在去离子水中，用电子pH计测定pH；采用酚二磺酸比色法测定硝态氮；采用KCl浸提-靛酚蓝比色法测定铵态氮；采用磷酸盐浸提-硫酸钡比浊法测定有效硫，用氯化钡-硫酸交换法测定阳离子交换值[17]。

2.4 植物生物量以及组织中铅、镉质量分数测定

生物量的测定：将根、枝条、叶用自来水将尘土冲洗干净后，再分别用自来水及超纯水多次冲洗，然后用吸水纸擦干后烘干。将0.5 g研磨过筛后的植物组织粉末用混合液V(HNO3)∶V(HClO4)=10∶1消煮后，使用火焰原子吸收分光光度计测定铅(Pb)、镉(Cd)的质量分数。

2.5 数据处理

为了评估植物中Pb、Cd的积累及其从根向地上植物组织的转运，分别计算了生物富集系数(BCF)、转运系数(TF)[18]。生物富集系数为植物各组织，即叶，枝、根中的重金属质量分数与土壤中的重金属质量分数的比值；转运系数为植物地上部分的重金属质量分数与地下部分的重金属质量分数的比值。

采用双因素方差分析检测氮、硫质量分数对不同处理间各指标的显著性差异。用Shapiro-Wilk检验数据的正态性，符合正态分布的用最小显著性差异法(LSD)比较不同处理间的差异显著性，不符合正态分布的用非参数检验、比较不同处理间的差异显著性。以上分析在SPSS19.0软件中执行,主成分分析(PCA)在CANOCO 4.5中运行。

3 结果与分析

3.1 施加氮肥、硫肥对杞柳生物量的影响

施加氮肥、硫肥对杞柳生物量的影响如表2所示。氮、硫肥间的交互作用对杞柳根、枝、叶、总生物量影响显著。同时施加氮肥、硫肥显著促进杞柳生长；单一施加氮肥、硫肥对杞柳生长没有促进作用。在T6处理中，杞柳生物量最高；在T9处理中，杞柳生物量最低，但与对照差异不显著。

表2 不同处理的杞柳生物量

3.2 施加氮肥、硫肥对杞柳提取铅、镉的影响

氮肥、硫肥对杞柳提取铅、镉的影响如表3所示。除T4处理降低了杞柳根部Pb质量分数外，单一施加氮肥、硫肥或同时施加氮肥、硫肥均显著增加杞柳根部Pb、Cd质量分数。同时施加氮肥、硫肥处理的杞柳根部重金属质量分数最高。在T8处理中，根部Pb质量分数最高；在T5处理中，根部Cd质量分数最高。单一施加氮肥、硫肥或同时施加氮肥、硫肥均显著降低杞柳叶部Pb、Cd质量分数。同时施加氮肥、硫肥时，杞柳叶部重金属质量分数最低。在T8处理中，杞柳叶部Pb质量分数最低；在T9处理中，杞柳叶部Cd质量分数最低。同时施加氮肥、硫肥显著促进了杞柳对铅、镉的吸收，硫肥与氮肥存在交互作用；单一施加氮肥、硫肥对杞柳吸收Pb、Cd没有促进作用。在T6处理中，杞柳对Pb、Cd吸收总量最高；在T9处理中，杞柳对Pb、Cd吸收总量最低，但与对照无显著差异。杞柳对Pb的吸收总量小于对Cd的吸收总量。

表3 杞柳各组织Pb、Cd质量分数及吸收总量

3.3 施加氮肥、硫肥对杞柳各组织铅、镉富集系数与转运系数的影响

氮肥、硫肥对生物富集系数、转运系数的影响如表4所示。同时施加氮肥、硫肥显著增加Pb、Cd根部生物富集系数，在T8处理中，Pb根部生物富集系数最高；在T5处理中，Cd根部生物富集系数最高。不同施肥处理Pb的生物富集系数均小于1，Cd的生物富集系数均大于1。施氮肥或同时施加氮肥、硫肥显著降低Pb、Cd在枝部、叶部的转运系数。在T6处理中，Pb在枝部的转运系数最低；在T8处理中，Pb在叶部的转运系数最低。在T5处理中，Cd在枝部的转运系数最低；在T5、T8处理中，Cd在叶部的转运系数均最低。施硫肥降低了Cd在枝部、叶部的转运系数，但同时施加2种肥料转运系数更低。

表4 不同处理杞柳各组织Pb、Cd的富集系数及转运系数

3.4 施加氮肥、硫肥对铅、镉污染的土壤化学性质的影响

氮肥、硫肥对土壤化学性质的影响如表5所示。单一施加氮肥显著降低土壤pH值，在T8处理中，pH最低。单一施加氮肥、硫肥显著降低有机质质量分数，在T7处理中有机质质量分数最低。单一施加氮肥显著增加土壤阳离子交换量，其在T4处理中最高。单一施加硫肥显著降低土壤阳离子交换量，其在T2处理中最低。同时施加氮肥、硫肥对土壤阳离子交换量影响不同，在T6处理中，阳离子交换量增加；在T8处理中，阳离子交换量降低。同时施加氮肥、硫肥显著增加土壤速效磷质量分数，其中T9处理的最高。单一施加氮肥、硫肥及同时施加氮肥、硫肥均显著降低土壤速效钾质量分数，其中T9处理的最低。相反，单一施加氮肥、硫肥及同时施加氮肥、硫肥均显著增加土壤硝态氮质量分数，其中T9处理的最高。单一施加氮肥与同时施加氮肥、硫肥均显著增加土壤有效硫质量分数，其中T9处理的最高。

表5 不同处理的土壤化学性质

3.5 植物吸收重金属与植物生长、土壤性质的相关分析

植物吸收重金属与植物生长、土壤性质的主成分分析表明(图1)，第一主成分和第二主成分累计贡献率69.9%，第一主成分贡献率51.7%，第二主成分贡献率18.2%。结果表明：杞柳Pb、Cd吸收总量主要受总生物量及根部重金属质量分数影响，呈正相关关系。杞柳根中重金属质量分数主要受到土壤pH、阳离子交换量、铵态氮质量分数的影响。

Q-Cd为Cd吸收总量；Q-Pb为Pb吸收总量；B为生物量总量；R为根生物量；S为枝条生物量；L为叶生物量；R-Cd为根部Cd质量分数；S-Cd为枝条Cd质量分数；L-Cd为叶部Cd质量分数；R-Pb为根部Pb质量分数；S-Pb为枝条Pb质量分数；L-Pb为叶部Pb质量分数；pH为酸碱度；SOM为有机质质量分数；CEC为阳离子交换量；AP为速效磷质量分数；AK为速效钾质量分数；为硝态氮质量分数；为铵态氮质量分数；AS为有效硫质量分数。

4 结论与讨论

T6处理的杞柳对Pb、Cd吸收总量最高，表明植物富集重金属依赖于生物量及各组织中重金属离子的质量分数[19-20]。在各种生物累积机制中，土壤pH值降低、金属生物有效性提高、根际微生物活性增强，是强化植物提取重金属的重要特征[21]。施加氮肥、硫肥会增加杞柳根部铅、镉质量分数(表3)，这表明了施加氮肥、硫肥一定程度会增加污染土壤中重金属的生物有效性[22]。土壤酸化增加了土壤溶液中金属的溶解度及金属活性[23]。施加氮肥、硫肥可以通过降低土壤pH、有机质质量分数，从而增加土壤重金属离子的生物有效性，促进植物对重金属离子的吸收。重金属离子向枝条、叶部的转移降低是杞柳的一种自我抵御机制，将更多的金属离子固定在根部，从而减轻过多的金属离子对植物的毒害[24]。本研究中，杞柳对Cd的吸收多于Pb，且Cd的生物浓度因子大于Pb，生物可利用态含量更高。原因是Cd是植物生长非必须元素且部分矿质营养元素具有相似的非特定性载体，易与矿质营养一起被植物根系吸收并通过枝条转至叶部。另一方面，Pb是土壤中不易移动的金属，其易在土壤基质中形成低水溶性的沉淀物，在许多情况不易被生物利用。此外，许多植物通过吸附、沉淀将Pb保留在其根部，对地上可收获植物部分的转运较少[25-26]。

土壤化学性质是影响重金属形态及组分的主要因素，影响重金属在植物组织中的吸收及运转[27]。本研究中，单一施加氮肥造成土壤酸化，其通过硝化作用降低土壤pH值[28]，但硫肥对pH影响不显著，这表明施加氮肥对土壤性质影响较大。单一施加氮肥、硫肥可以降低土壤有机质质量分数，且氮、硫间具有协同作用，这与侯丹[29]研究结果相同。有机质质量分数的降低导致更少的金属吸附位点、金属螯合剂形成，从而增加了可提取金属质量分数[30]。适量的氮肥、硫肥一定程度增加土壤中的重金属离子活性，促进植物对重金属的累积；过量的氮肥、硫肥造成土壤酸化，其具有过高的重金属离子活性，对植物本身造成一定的毒害作用，且降低植物吸收养分的能力，抑制杞柳生长[13]。

施加氮肥、硫肥分别增加土壤硝态氮、速效磷、有效硫质量分数，且施加氮肥会刺激铵态氮的硝化作用，增加硝态氮的累积[31]。土壤微生物参与养分转化[32]，土壤中速效磷显著增加，是微生物转化及其活性增加对土壤有效养分库反应的结果[33]。施加硫肥减少了土壤硝态氮的淋溶，提高了土壤中氮的有效性，氮肥的输入也增加土壤有效硫的质量分数，氮、硫的有效性相互促进[34]。土壤肥力指标速效磷、硝态氮、有效硫质量分数在复合施用氮肥、硫肥的情况时显著提高。因此，我们推测氮肥、硫肥对土壤肥力的促进作用发生于添加比例优化的情况，二者具有协同作用。合理施加氮肥、硫肥可以提高土壤肥力水平[35-36]，从而促进杞柳生产及对重金属的吸收。在保定地区本研究的污染水平时，氮肥施加量应低于200 kg·hm-2·a-1。

综上所述，合理施加氮肥、硫肥可以提高土壤肥力水平，促进植物生长，增加Pb、Cd的生物有效性，影响杞柳对重金属的吸收总量。总体上表现为低质量分数促进，高质量分数抑制杞柳吸收土壤中的重金属。重金属的吸收总量主要受生物量及根系Pb、Cd质量分数的影响。