氮素營養對重金屬超積累植物東南景天吸收積累鋅和鎘的影響

張圓圓，竇春英，3，姚 芳，葉正錢

（1.浙江農林大學 環境科技學院，浙江 臨安 311300；2.浙江大學 環境與資源學院 污染環境修復與生態健康教育部重點實驗室，浙江 杭州 310029；3.安徽省寧國市農業委員會，安徽 寧國 242300）

施肥的主要作用是改善土壤養分狀況，促進植物對養分的吸收，以達到高產優質的目的。將施肥用于強化重金屬污染土壤的植物修復也具有類似的作用，特別是利用重金屬超積累植物比一般的植物更具有重金屬耐性，并且體內重金屬質量分數也高出許多的特點，可以起到更有效地降低土壤中重金屬質量分數的作用[1]。施肥不僅可以促進植物生長，提高植物生物量，進而提高植物積累重金屬總量；通過肥料和重金屬的相互作用，施肥還可以影響土壤對重金屬的吸附解吸等作用，改變土壤重金屬的形態，進而改變重金屬在土壤中的行為和活性，影響植物對其吸收和積累[2-3]。如已有研究報道[4-5]表明，施用氮肥可以極大地促進重金屬超積累植物天藍遏藍菜Thlaspi caerulescens的生長和對重金屬鋅（Zn）和鎘（Cd）的吸收。東南景天Sedum alfredii是在中國境內發現的一種鋅、鎘超積累植物，這種植物不僅生物量大，對鋅、鎘具有超積累特性，而且具有多年生，可無性繁殖，適于刈割等特點，是實施植物修復和研究超積累機制的良好材料[6-7]。我們在野外調查中發現，生長于被廢棄古老礦山土壤上的東南景天，土壤肥力瘠薄，生長勢較差，而在臨近較肥沃的土壤上長勢好，其生物量為前者的數十倍。目前，對優化東南景天修復土壤重金屬污染效率的農藝措施研究還很少。氮是植物生長發育最主要的必需營養元素之一，在田間也常常是植物生長首要的限制性營養元素。為此，在已有研究的基礎上[7]，本研究通過水培試驗，比較不同供氮水平對東南景天生物產量以及重金屬鋅、鎘積累量的影響，為合理施肥，提高東南景天的重金屬修復效率提供基礎。

1 材料與方法

1.1 供試植物

供試植物為重金屬超積累植物東南景天，取自浙江省一個古老鉛鋅礦[7]，經人工繁殖培育后，選用長約5 cm，大小均勻，帶頂芽和葉片的植株作為供試材料。

1.2 植物培養與處理

試驗在溫室大棚內進行。完全營養液的基本組成如下。大量元素（mmol·L-1）：氯化鈣1.00，硝酸銨 2.00，磷酸二氫鉀 0.10，硫酸鎂 0.50，氯化鉀 0.10，硫酸鉀 0.70； 微量元素（μmol·L-1）： 硼酸10.00，硫酸錳 0.50，硫酸銅 0.20，鉬酸銨 0.01，乙二胺四乙酸鐵 50.00；鋅采用東南景天最適濃度（硫酸鋅 500.00μmol·L-1）[7]。 將長約5 cm，大小均勻一致的枝條，用營養液預培養18 d左右，待長出比較旺盛的根系時，開始進行不同水平的氮、鎘處理。本研究前后進行2次試驗，試驗時間分別為2006年7-9月和2007年4月。在2006年7-9月進行的試驗中，氮處理水平為0.50，1.00，2.50，5.00，10.00mmol·L-1，鎘處理水平為0， 100.00μmol·L-1，共 10個處理； 2007年 4月進行的試驗，氮處理水平為 0.10， 1.00， 10.00mmol·L-1， 鎘處理水平為 0， 100.00μmol·L-1， 共 6個處理。 氮以分析純硝酸銨形式加入，鎘以分析純氯化鎘形式加入。重復3次·處理-1。每天用pH計測定營養液的pH值，并用0.10mmol·L-1氫氧化鈉或0.10mmol·L-1鹽酸調節營養液為pH 5.8，保持24 h連續通氣，5 d更換營養液1次。處理期間觀察植物的長勢和癥狀表現，2006年的試驗于植株處理2個月后收獲；2007年的試驗目的主要在于驗證植物生長和鋅、鎘吸收對供氮處理的快速反應，因此，基于2006年的試驗結果以及氮在植物體內的再利用性，設置低、輕度低和高（0.10，1.00，10.00mmol·L-1）3個氮處理水平，并且在處理之間植物生長表現出差異時（16 d）即收獲。收獲時，先用自來水將根沖洗干凈，再用20.00mmol·L-1乙二胺四乙酸二鈉交換15 min，去除根系表面吸附的鋅、鎘等離子，最后用去離子水沖洗干凈，用吸水紙將植株根表水吸干，將鮮樣分為地上部和根系兩部分。將植物新鮮樣品在70℃下烘干至恒量，測定其干物質質量。然后，用瑪瑙研缽磨碎，過60目尼龍網篩后，供分析測定。

1.3 測定方法與數據分析

樣品的消化、分析測定：稱取0.200 g植物樣品，用硫酸-雙氧水法消煮植物樣品，定容，過濾。消煮液中的氮采用靛酚藍比色法測定；磷用鉬藍比色法測定；鉀用火焰光度法測定；鋅、鎘用高頻電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP）測定。試驗所得數據采用DPS分析軟件進行統計分析。

2 結果與討論

2.1 不同氮、鎘處理水平對東南景天生長的影響

氮是植物生長必需的三要素之一，是氨基酸、蛋白質的重要組成部分，也是其他重要生命物質如核酸、各種酶類等的組成成分，因而對植物生長影響巨大。在本研究中，2次試驗結果都表明，不同質量分數的氮處理對東南景天地上部和根系生物量有極顯著的影響，特別是2006年試驗。當氮素供應不足或過高皆導致植物特別是地上部生物量下降（表1，圖1）。在2006年的試驗中，東南景天地上部生物量變化范圍為0.02～0.30 g·株-1，根系生物量變化范圍為0.01～0.04 g·株-1（圖1）。氮對東南景天生長的影響還受鎘處理的影響，因而氮、鎘交互作用達到極顯著水平。但在2007年的試驗中，鎘及氮 ×鎘交互作用對地上部生物量的影響不明顯，不同質量分數的氮、鎘處理間東南景天生物量變化幅度也不大，其地上部生物量變化范圍為0.29～0.37 g·株-1，根系生物量變化范圍為0.04～0.05 g·株-1，這可能主要與處理時間較短有關。

表1 東南景天各測定值處理因素間的顯著性水平（F檢驗）Table1 ANNOVA analysis of different parameters

在無鎘處理的條件下，當氮處理為2.50mmol·L-1時東南景天地上部生物量最大，以后隨著氮濃度的提高反而抑制東南景天地上部的生長；根系的生長狀況與有鎘處理的條件下表現趨勢相同。本研究與李繼光等[8]在人工氣候室條件下的研究結果稍有不同。他們的研究發現，在一定范圍內供氮（4.00～16.00mmol·L-1）能明顯促進東南景天的生長，隨著氮素水平的升高，地上部和根系的生物量也提高，在供氮水平為16.00mmol·L-1時達到最大值，而當供氮水平≥32.00mmol·L-1時，東南景天的生長受到嚴重的抑制。這可能與試驗的環境條件不同有關。

在有鎘處理的條件下，東南景天地上部干物質在1.00mmol·L-1的供氮水平下達到最大值；根系干物質在2.50mmol·L-1的供氮水平下達到最大值（圖1）。在相同氮處理水平下，無鎘處理的根系生物量均比有鎘處理的高，說明鎘抑制了根系的生長，這與我們已有研究結果一致[6，9-10]。在鎘處理為100.00μmol·L-1，供氮水平為10.00mmol·L-1時對東南景天地上部和根系生長的抑制作用最大。作為毒性很強的重金屬元素，雖然低水平鎘促進植物生長，而且我們的已有研究顯示在鎘100.00μmol·L-1供應水平時對東南景天地上部生長作用最佳，但是此時根系生長已經明顯受阻[9-10]。

2.2 氮、鎘處理對東南景天植株氮、磷、鉀質量分數的影響

總的來看，氮營養水平對東南景天植株體內氮、磷、鉀質量分數的影響，在2次試驗中的結果基本一致。但是，2次試驗結果顯示，植株體內氮、磷、鉀質量分數因季節不同而有較大差異，顯示光照、溫度等環境條件的影響作用較大。在無鎘處理時，隨著供氮水平的提高東南景天植株體內氮質量分數也增加，但隨著供氮水平進一步提高根中氮質量分數下降，在10.00mmol·L-1時根系含氮質量分數最低 （10.30 g·kg-1）（表2）。東南景天植株體內氮質量分數對供氮處理水平的反應還受鎘處理的影響，表現出氮、鎘顯著性的交互作用（表1）。在鎘處理為100.00μmol·L-1的條件下，在2.50～5.00mmol·L-1供氮水平時，東南景天地上部氮質量分數為14.40～20.60 g·kg-1；當氮濃度為2.50mmol·L-1時地上部氮質量分數達到最大值，這可能與植物對鎘脅迫的反應有關，在最佳供氮水平下，更有利于植物通過氮吸收、代謝、合成含氮解毒物質[11]。

圖1 氮、鎘處理水平對東南景天植株生長的影響Figure1 Effect of N and Cd on shoot and root biomass

表2 不同氮、鎘處理水平對東南景天植株體內氮、磷、鉀質量分數的影響Table2 Effect of N and Cd on concentrations of N，P and K in Sedum alfredii

與東南景天植株體內氮質量分數變化類似，植株地上部體內磷質量分數也呈現出隨著供氮水平的提高而增加的趨勢，但過高的氮水平供應導致體內磷質量分數的下降，但地下部根系磷質量分數僅在高氮水平（10.00mmol·L-1）處理時顯著下降（表2），并且體內磷狀況受鎘處理因素的影響（表1）。在無鎘處理的條件下，2006年試驗結果表明，供氮水平為2.50mmol·L-1和5.00mmol·L-1時東南景天地上部磷質量分數都較高（5.30 g kg-1），2個處理之間無顯著性差別；供氮水平過低或過高氮皆導致地上部磷質量分數下降。在有鎘處理的條件下，植株體內磷質量分數對氮素供應的反應比較復雜，在嚴重低氮（0.50mmol·L-1）和高氮（10.00mmol·L-1）處理時， 鎘 100μmol·L-1處理會導致植株體內磷的積累， 比相同供氮水平下無鎘處理的植株體內磷質量分數高；而在供氮1.00～5.00mmol·L-1有鎘處理則使植株體內磷質量分數下降，在最佳供氮水平（2.50mmol·L-1）時，不僅植株生長最佳（圖1），鎘處理對地上部磷質量分數沒有顯著影響。在鎘處理為100.00μmol·L-1，氮濃度為5.00mmol·L-1時，地上部磷質量分數達到最大值（5.20 g·kg-1）。

氮營養水平對東南景天植株體內鉀質量分數也有顯著地影響，氮素水平供應過低或過高都引起植株體內鉀質量分數明顯下降。植株鉀質量分數對氮營養水平的反應也受鎘處理的影響，當有鎘處理（100.00μmol·L-1）時，2006年試驗結果顯示，東南景天地上部和根系鉀質量分數均在供氮水平為2.50mmol·L-1時最高；2007年試驗地上部鉀質量分數在氮濃度為10.00mmol·L-1時較高，根系鉀質量分數在氮濃度為0.10mmol·L-1時較高。

上述研究結果顯示，適宜的氮素供應，有利于植株體內磷、鉀素代謝的正常進行，以供氮水平為2.50mmol·L-1時最佳，從而有利于植物生長和提高植物對鎘的脅迫。

2.3 氮、鎘處理對東南景天植株鋅、鎘質量分數的影響

2次盆栽試驗的結果基本一致，都顯示氮營養水平對東南景天鋅、鎘的吸收和積累有極顯著的影響（表3～4），東南景天植株鋅、鎘質量分數與鋅、鎘積累量呈相同的變化規律。處理時間較長（2個月）的2006年試驗，地上部鋅、鎘質量分數顯著高于試驗處理時間較短（16 d）的2007年。這一結果與我們以前的研究一致[7，10]，顯示2007年的試驗中植株體內鋅、鎘吸收尚未達到平衡。

表3表明低氮（1.00mmol·L-1以下）和高氮（10.00mmol·L-1）都降低了地上部鋅的質量分數和積累量以及鋅向地上部的分配。2006年試驗數據顯示，當無鎘處理時，隨著氮水平升高東南景天地上部鋅質量分數增大，當供氮水平為5.00mmol·L-1時地上部鋅質量分數超過12.0 g·kg-1。當供氮水平為2.50～5.00mmol·L-1時，地上部鋅積累量占全株的94.8%～96.6%，說明適宜的供氮條件下能顯著促進鋅向地上部的運轉。當有鎘處理時，在最佳供氮水平下，東南景天地上部鋅質量分數及積累量和轉移率都有所下降。植物對鋅、鎘的吸收具有拮抗作用，因而在供氮適宜的條件下，鎘處理降低了體內鋅的質量分數[6]。

在無鎘處理的條件下，東南景天植株靠原有植株（處理開始前小苗）體內的鎘進行體內轉運，氮處理對東南景天地上部與根系鎘質量分數無明顯影響（表4）。鎘處理（100.00μmol·L-1）后，植株體內鎘質量分數顯著提高。與體內鋅變化類似，在處理時間較短的2007年試驗中，植株地上部鎘質量分數不及處理時間長的2006年試驗。2006年試驗數據顯示，當氮≤5.00mmol·L-1時，隨著氮處理濃度升高地上部鎘質量分數升高，高氮處理水平（10.00mmol·L-1）時，地上部鎘質量分數下降。地上部鎘積累量在氮處理濃度為2.50～10.00mmol·L-1時無明顯差別，積累量最大。

氮鋅之間關系的研究報道顯示，在不同植物及同一植物不同器官上結論不一，在一定供氮量范圍時表現出協同，超過一定用量則表現出拮抗。在較低水平時，施氮促進了根系發育和植物生長，從而利于吸收較多的鋅；相反，氮過高對鋅吸收有降低的趨勢[12]；氮鎘之間也有類似的關系[4，8]。因而，當土壤肥力水平較高時，氮肥施用對重金屬超積累植物天藍遏藍菜吸收鋅、鎘作用不明顯。

本研究顯示，由于東南景天植物地上部生長的生物量和鋅、鎘吸收對氮營養水平反應的最佳濃度范圍有所不同，并且受鎘處理的影響，地上部鋅、鎘積累量綜合了植物生長及植物對鋅、鎘吸收、轉運的情況，因此，考慮重金屬超積累植物對重金屬吸收修復的效率，以供氮2.50～5.00mmol·L-1最有利于東南景天地上部對鋅、鎘的積累。此外，不僅供氮水平影響重金屬超積累植物生長，與普通植物一樣，氮素營養形態及不同氮形態比例都會影響其生長，以及對重金屬在地上部的積累，而且不同氮形態肥料在土壤中的轉化對土壤重金屬活性的影響也有差異[4-5，13-15]，因此，需要進一步開展大田條件下東南景天氮肥促進東南景天修復重金屬效率的研究。

表3 氮、鎘不同處理水平對東南景天植株鋅質量分數的影響Table3 Effect of N and Cd on Zn uptake by Sedum alfredii

3 結論

從本研究結果來看，適宜的氮素供應有利于植株體內磷、鉀素等生理代謝的正常進行，從而有利于植物生長和提高植物對鎘的脅迫。在一定范圍內施加氮肥能顯著或者極顯著地提高重金屬超積累植物東南景天的生物產量，并且促進重金屬鋅、鎘的吸收和向地上部積累，以氮素營養供應水平在2.50～5.00mmol·L-1之間最佳。從植物修復角度考慮，借助農藝施肥措施，適當施加氮肥提高重金屬污染土壤中有效氮的供應水平，對提高超積累植物生物量以及吸收、積累重金屬的能力具有重要作用，從而提高重金屬超積累植物修復土壤重金屬污染的效率。

表4 不同水平氮、鎘處理對東南景天植株鎘質量分數的影響Table4 Effect of N and Cd on Cd uptake by Sedum alfredii

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