氮肥管理對植物鎘吸收的影響

顏昌宙，郭建華

1. 中國科學院城市環境研究所城市環境與健康重點實驗室，福建 廈門 361021； 2.中國科學院大學，北京 100049

鎘（Cd）作為一種毒性極強的重金屬元素，對動植物和人體均可產生毒害作用（Vazquez et al.，2020）。工農業產生的重金屬污染物排放到環境中，造成土壤Cd污染。土壤Cd污染由于具有隱蔽性、滯后性及不可降解性，進入土壤后會影響作物的生長和發育，并通過食物鏈傳遞作用危害人體健康，例如日本痛痛病事件（Hu et al.，2016）。在2014年調查發現，我國耕地土壤中Cd的點位超標率是調查污染物之首，高達7.0%（Ata-Ul-Karim et al.，2020）。由于耕地資源短缺，我國部分 Cd污染耕地仍用于農業生產，如何管控和修復受Cd污染的耕地土壤，保障糧食安全生產，已然成為當前土壤及環境領域的研究熱點。

常見的Cd污染土壤修復方法有物理修復、化學修復和生物修復。這些方法有很大局限性，比如物理修復中的淋洗法不適用于粘質土壤，且提取劑選擇不當容易破壞土壤結構（曹明超等，2019）；化學修復中的土壤鈍化技術，需要在土壤中施加大量鈍化劑如粘土礦物、生物質及磷酸鹽，成本較高（Finzgar et al.，2006）；生物修復中的植物修復技術存在周期長、修復效率較低的問題（黃化剛等，2012）。化肥管理是重要的農藝調控措施，化肥調控是一種可以達到對污染土壤的邊生產邊修復的方法，相對于其他修復方法既經濟又節約時間（Yang et al.，2016a）。

不同植物對重金屬的富集吸收特性由于自身特性不同從而存在差異，但也受外部環境影響，而施加氮肥是影響植物吸收Cd的重要環境因素。氮肥是農業生產中使用最多的肥料，酰胺態氮肥、銨態氮肥和硝態氮肥等各種形態的氮肥在中國農業生產中有著廣泛的應用，目前其用量占中國化肥總用量的60%以上（陳新平等，2000）。大量的氮肥施加到土壤中后會影響土壤理化性質，進而影響重金屬遷移及其生物有效性。氮肥中的氮是構成植物細胞中氨基酸、葉綠素及蛋白質等物質的重要組成成分，也是植物的主要營養物質和限制作物生長的最常見因子（Daniel-Vedele et al.，2010）。有研究表明氮可以有效調控植物對 Cd的吸收和積累（Srivastava et al.，2019)，進入植物體內的氮可以通過在分子、生化、細胞和整株水平（提高作物產量）等機制來平衡重金屬毒性。大量的氮肥施加到土壤中后不僅影響土壤理化性質，而且也會影響植物生理特性，這些影響對植物吸收Cd有非常重要的意義。因此，本文綜述了當前關于氮肥管理對植物Cd吸收的影響及其作用機制的最新研究進展，可以為Cd污染條件下土壤施肥管理提供參考。

1 氮肥對植物Cd吸收的影響

1.1 硝態氮肥對植物Cd吸收的影響

硝態氮肥施加到土壤后，由于硝酸根離子非常容易溶于水并且帶負電，很難被土壤膠體吸附，在土壤中遷移速度很快，很容易被植物吸收。植物吸收硝態氮后，還原成銨根離子并在細胞質中代謝，多余的硝酸根離子被儲存在植物細胞的液泡中，因此高強度的硝態氮不會對植物產生負面影響（Coskun et al.，2017）。硝態氮在植物體的木質部內以水和陰離子轉運，需要陽離子平衡（Monsant et al.，2010），因此，硝酸根離子可以促進植物吸收陽離子。由此可見，施加硝態氮肥可能促進植物吸收 Cd2+，例如 W?ngstrand et al.（2007）通過大田實驗研究發現小麥中Cd含量隨著硝態氮施加量的增加而升高，然而易蔓等（2016）研究發現在中性土中施加硝態氮可以使煙草（Nicotiana tabacum）地上部分Cd累積量降低14.07%，這表明硝態氮對植物Cd吸收的影響會因植物及土壤性質的不同而有不同的影響。Guan et al.（2015）研究發現大白菜（Brassica pekinensis）根系對NO3-的吸收與白菜中可食用的Cd水平有很高的相關性，可以通過篩選根系對NO3-吸收率低的品種來減少作物對Cd吸收和積累。因此，硝態氮肥對植物吸收Cd的調控作用不僅受到土壤性質（土壤類型、pH值等）的影響，還會受到植物種類和生理作用的影響。

1.2 銨態氮肥對植物Cd吸收的影響

土壤施加銨態氮肥（Ammonium，NH4+）后，植物可以吸收銨根離子轉化為氨基酸或者酰胺，多余的銨根離子會對植物體有毒害作用（Coskun et al.，2017）。研究發現，植物在吸收銨態氮時會導致H+釋放至土壤中，導致土壤pH值降低（繆其松等，2011），從而增強土壤 Cd的生物有效性。很多研究表明，施加銨態氮肥可以增加向日葵（Helianthus annuus）（Nehnevajova et al.，2005；Zaccheo et al.，2007）、球果蔊菜（Rorippa globoxa）（Wei et al.，2015）、東南景天（Zhu et al.，2010）對Cd的吸收。也有相反的研究結果發現銨態氮可以降低馬鈴薯（Solanum tuberosum）塊莖中的Cd含量（Larsson et al.，2011）以及玉米（Zea mays）莖、葉和籽粒部位的 Cd含量（霍文敏，2019）。由于土壤-植物體系的復雜，銨態氮肥施加對植物Cd吸收的影響并不一致。銨根離子促進植物吸收陰離子并且消耗有機酸，因此水生植物或者強酸性土壤更適合使用銨態氮。很多研究也證實銨態氮能夠顯著地減輕Cd對水稻（Oryza sativa）的毒害（Hassan et al.，2005；Jalloh et al.，2009）。

1.3 酰胺態氮肥對植物Cd吸收的影響

尿素是酰胺態氮肥中最常用的肥料品種，又稱碳酰胺，含氮量46%，是農田施用量最大的氮肥（陳英杰等，2017）。施入土壤中的尿素，半衰期為1—8 d（Liu et al.，2003）。尿素經過土壤微生物生成的脲酶水解產生氨及含氮氧化物，短期內會使土壤pH值升高（Hinsinger et al.，2003），銨態氮硝化后又使得土壤pH值降低、土壤中Cd的活性增加（李旭軍等，2014），從而促進植物對Cd的吸收。有研究發現尿素可以顯著增加土壤中可溶性 Cd和二乙烯三胺五乙酸（DTPA）提取態 Cd（Mitchell et al.，2000），因此施加酰胺態氮肥可以促進小麥（Gao et al.，2010；Mitchell et al.，2000）、水稻（黃榮等，2018）和刺兒菜（Cirsium setosum）（羅少輝等，2018）吸收土壤中的 Cd，也有相反的研究結果發現在 Cd污染（1.58 mg·kg-1）土壤中單獨施加氮肥，與對照相比，中高劑量的尿素可以使糙米中 Cd含量降低2.02%—66.27%（王朋超，2016）。以上結果的不一致性表明不同土壤環境及不同植物條件下，酰胺態氮肥對植物Cd吸收影響不一樣。此外，不同劑量的酰胺態氮肥也會對植物Cd吸收產生不同影響。

1.4 不同形態氮肥對植物Cd吸收影響的對比

植物主要吸收土壤中無機氮（NH4+-N和NO3--N），銨態氮肥施加后可以給植物提供NH4+-N，硝態氮肥可以給植物提供NO3--N，酰胺態氮肥尿素施入土壤后，被脲酶水解成植物可以吸收利用的NH4+-N（圖1）（曹鳳秋等，2009）。植物吸收NH4+-N和 NO3--N后，根部會分泌不同的離子，改變根際周圍pH值，進而影響土壤重金屬活性（張學洪等，2011）。因此，不同氮形態化肥施入土壤后可通過影響土壤中 Cd的形態轉變、吸附、解吸和遷移率等，進而調控植物對Cd的吸收和積累。

圖1 不同形態氮肥對植物吸收Cd的調控Fig. 1 Regulation of Cd uptake by different forms of nitrogen fertilizer in plants

酰胺態氮肥和銨態氮肥施入土壤后，在土壤微生物作用下，發生硝化反應，酸化土壤（圖 1），植物吸收NH4+離子后，也會誘導根系細胞釋放H+到土壤溶液中，酸化土壌（Hinsinger et al.，2003）。因此銨態氮和酰胺態氮肥比硝態氮肥更能增加土壤Cd活性，促進植物對Cd的吸收。有研究發現，在5 mg·kg-1Cd污染土壤中，施加銨態氮和酰胺態氮比硝態氮更能增加小白菜（Brassica chinensi）體內的Cd含量，其中施加銨態氮肥和酰胺態肥的小白菜葉部Cd含量分別是施加硝態氮肥的2.8倍和1.6倍（劉越，2015）。許多研究也得出相同結論，例如范士凱（2015）在土培條件下也發現小白菜可食部分Cd含量順序是硝態氮＜酰胺態氮＜銨態氮。然而，有研究通過水培及土培實驗發現了相反的結果。例如楊永杰通過不同形態氮肥水培實驗發現，NO3-處理組的水稻 Cd吸收最多，而 NH4+處理組Cd吸收最少（楊永杰，2016）；Hassan et al.（2005）研究表明施用硝態氮的水稻比施用銨態氮根部和地上部分分別增加了 18.0%和 39.3%的 Cd含量；Jalloh et al.（2009）通過土培實驗也發現不同形態氮肥處理后水稻中 Cd含量順序為硝態氮＞酰胺態氮＞銨態氮，施用硝態氮肥的水稻不僅Cd含量最高而且長勢最差。土壤條件不同，不同形態氮肥對植物Cd吸收的影響結果也不同，比如有研究發現，在土壤中加入碳酸鈣增加土壤緩沖性后，硝態氮處理組的小白菜可食部分Cd含量比銨態氮處理組含量增加50%，而不加碳酸鈣的緩沖性弱的土壤中，硝態氮處理組的小白菜可食部分Cd含量比銨態氮處理組降低41%（范士凱，2015）。

盡管上述關于不同形態氮肥對植物Cd吸收的影響結果并不一致，但表明了氮肥種類不同可以對植物體內Cd含量產生較大的影響。由于土壤-植物系統的復雜性，每種形態的氮肥對植物Cd吸收的結果并不一致，其影響植物Cd吸收的機理也不相同（表 1）。氮肥施加強度、植物種類、氮肥對植物生理影響和土壤理化性質都有可能影響植物 Cd吸收，因此不能單獨通過氮肥形態來判定是否促進植物對Cd的吸收。目前缺乏植物吸收氮肥后根系分泌物在根區微環境對Cd有效態影響的相關研究。不同形態氮肥對土壤Cd形態變化的影響不一定能準確反映其對植物Cd吸收的影響，基于現有研究很難判定什么形態的氮肥可以促進植物吸收土壤中的Cd。總體而言，在旱地Cd污染土壤中，更適合施加硝態氮來減少植物Cd吸收，而在水田中更適合施加銨態氮來減少植物Cd吸收。

1.5 氮肥在Cd污染土壤修復中對植物Cd吸收的影響

不同形態氮肥對不同植物及土壤條件下的植物Cd吸收和積累的影響不一樣。由于施加氮肥是農業生產中重要的農藝措施，因此，在鎘污染土壤鈍化修復中，可以通過氮肥施用，強化Cd鈍化效果從而達到降低作物 Cd含量的目標，也可以在Cd污染土壤植物修復中通過氮肥形態和用量的調控來增強作物Cd吸收從而達到生物移除Cd污染的目標。

在Cd污染土壤鈍化修復中，有研究發現，海泡石修復在Cd污染水稻田時，尿素添加量越多，糙米中Cd累積量降低效果越顯著，最高降低率可達63.46%（王朋超，2016）。也有研究發現與不施肥對照相比，生物質炭與氮肥（添加硝化抑制劑）配施能降低籽粒Cd含量，其籽粒Cd質量分數顯著降低 11.6%（陳少毅等，2014）。以上研究表明氮肥可以強化鈍化劑的鈍化效果，達到修復Cd污染土壤目的，同時氮肥可以彌補鈍化劑營養物質不足的問題，解決農作物生長和土壤鈍化修復效果的矛盾。在Cd污染土壤植物修復中，有研究發現，施用適度的氮肥可以顯著提升東南景天（Sedum alfredii Hance）的生物量，促進其對Cd的吸收和轉運（竇春英，2009）。也有研究發現，施用硫酸銨可顯著提高龍葵（Solanum nigrum）地上部分干重和 Cd含量（王林等，2008）。植物修復過程中施加氮肥可以強化植物修復效果，但是并不是施加氮肥越多越好。有研究發現，雖然氮肥可以使東南景天、萵苣（Lactuca sativa）和黑麥草（Lolium perenne）地上部分生物量增加，但是過高濃度的氮肥會讓超積累植物對Cd富集產生稀釋效應（沈麗波，2010）。因此，在超積累植物修復 Cd污染土壤過程中，應考慮氮肥對植物地上部生物量、重金屬的積累量和收割后土壤中有效態Cd的影響，使得收益最大化。

目前關于氮肥施加對Cd污染土壤修復中植物Cd吸收影響的研究較少。當前研究只是對修復效果的表層現象進行報道，對土壤-植物體系中 Cd、氮含量形態變化的微觀機制沒有深入研究，氮肥對修復效果影響的作用機理還不明確。土壤修復會面臨不同環境的復雜變量的相互作用，比如氣候、土壤和植物之間的相互作用，建模可以對植物修復效果進行預測，從而指導修復措施的應用（Jaskulak et al.，2020），例如通過S型重金屬吸附模型可以很好地預測向日葵在不同時間段對Cd的吸收（Zhao et al.，2019）。如果利用一種能夠準確預測氮肥在Cd污染土壤修復中對植物Cd吸收影響的模型，可以減少實驗驗證的時間和成本，但是目前還沒有這種模型研究。

表1 不同氮肥對不同植物Cd吸收的影響Table 1 Effects of different nitrogen fertilizers on Cd uptake by different plants

2 氮肥對植物Cd吸收的影響機制

2.1 氮肥對土壤中有效態Cd的影響

土壤pH值的變化對土壤中Cd有效態有重要影響，土壤pH值和Cd有效態呈負相關關系。氮肥引起土壤pH值變化主要有：（1）氮肥中的陽離子和土壤競爭H+吸附點位，造成土壤酸化（Rhue et al.，2002）；（2）植物吸收硝酸根離子造成根際土壤堿化，吸收銨根離子造成根際土壤酸化（張學洪等，2011）；（3）銨態氮肥中的銨根離子發生硝化反應造成土壤酸化。

施加氮肥后，土壤導電率增加，土壤中 Cd2+有可能被其他陽離子（如Ca2+、Fe2+、Zn2+）取代，進而增加土壤中有效態Cd含量（Yang et al.，2020）。有研究表明，不同形態氮肥施加后提高了土壤有效態 Cd（1 mol·L-1醋酸銨提取），提高順序是銨態氮＞銨態-硝態氮＞硝態氮（Yuan et al.，2016）。研究發現施加尿素提高了土壤中 Cd的活性態含量（Ryu et al.，2018）。土壤有效態Cd含量升高后進而提高了植物中Cd含量（表1）。有研究發現，在同一 Cd污染土壤中，分別種植莧菜（Amaranthus tricolor）和大白菜，施加銨態氮、硝態氮、銨態-硝態氮和酰胺態氮，這4種形態氮肥均降低了莧菜和白菜地上部分Cd含量，在土壤-莧菜體系中，除硝態氮外，其他形態氮肥均提高了土壤中DTPA提取態Cd含量，在土壤-白菜體系中，銨態-硝態氮和酰胺態氮肥提高了土壤中DTPA提取態Cd含量，銨態氮和硝態氮則降低了土壤中 DTPA提取態 Cd含量（王艷紅等，2016）。也有研究發現，和其他形態氮肥相比，施加銨態氮肥的遏藍菜（T.caerulescens）的根際土可提取態Cd含量最高，硝態氮處理組最低，但是施加硝態氮的植物Cd含量卻最高（Huang et al.，2003）。以上研究表明，施加氮肥對土壤中有效態Cd的影響不盡相同，土壤Cd的形態會受到施加的氮肥形態和作物種類等的共同影響。

2.2 氮肥對Cd污染條件下植物體內抗氧化系統的影響

Cd脅迫下的植物代謝會紊亂，產生大量活性氧（ROS）破壞植物細胞，影響植物正常生長（Ekmekci et al.，2008），累積在植物體內的活性氧引發膜脂過氧化反應，生成丙二醛（MDA），MDA進而影響植物細胞的結構和功能（黃玉山等，1997）。植物體內抗氧化酶系統可以清除活性氧，從而減輕活性氧對植物組織的破壞（李冬琴等，2015）。施加氮可以增強植物體內的超氧化物歧化酶（SOD），谷胱甘肽過氧化物酶（GPX），過氧化物酶（POD），抗壞血酸過氧化物酶（APX）和過氧化氫酶（CAT）活性（楊容孑等，2016）（圖 1），進而增強了植物對Cd的耐受性。

有研究發現在高濃度Cd（75 mg·kg-1）污染土壤中，施加15 mg·kg-1N（尿素）后，SOD、CAT、及POD活性分別提高了76.67%、61.44%和58.35%，說明Cd脅迫下增施氮能顯著提高植株體內抗氧化酶活性，避免活性氧的積累，進而緩解Cd對植株的毒害（楊容孑等，2016）。在污染的沉積物中生長的蕓苔屬（Brassica）植物中，施加尿素增加了CAT活性（Giansoldati et al.，2012）。在Cd污染土壤中施加氮肥可以降低小白菜中丙二醛的含量，減輕Cd對小白菜的生理毒害（劉越，2015）。Jalloh et al.（2009）研究結果發現，在 100 mg·kg-1Cd污染土壤中施加酰胺態氮和銨態氮可以使植株 SOD和 POD活性增強更明顯，水稻受到氧化脅迫的損害更小，楊永杰通過水培實驗也發現在Cd脅迫下，銨態氮比硝態氮和酰胺態氮能更有效降低水稻體內MDA含量，減輕Cd對水稻的氧化脅迫（楊永杰，2016）。相比之下，缺氮會引起水稻中毒，增加活性氧（ROS）（Lin et al.，2011）。由以上不同實驗結果可知，在Cd污染條件下，施加氮肥可以緩沖Cd對植物毒害，但不同N形態對減輕Cd氧化損傷的程度并不同，因此氮肥對Cd污染條件下植物抗氧化系統影響的分子機制等仍需要進一步深入研究。

植物體內的一氧化氮（NO）也參與植物的ROS代謝（Lin et al.，2019），NO可以清除Cd脅迫下植物中產生的ROS，為植物提供抗氧化保護，比如在Cd脅迫下水稻葉片（Illés et al.，2003）、向日葵葉片（Illés et al.，2006）和小麥（Triticum aestivum）根系（Tang et al.，2014）中均發現 NO可以清除ROS，NO可能參與增加植物中的抗氧化劑含量和抗氧化酶活性（Krishnapriya et al.，2009）。有研究發現如果內源性一氧化氮含量下降，則引發Cd脅迫植物的氧化損傷（Krishnapriya et al.，2009）。這種增強的活性是由于基因表達的增加還是由于蛋白質的翻譯后修飾而引起的還沒有進行過深入的研究。

2.3 氮肥調控植物吸收Cd的分子機制

陽離子金屬轉運跨膜蛋白對Cd在植物體的吸收和轉運起著至關重要的作用（Yamaji et al.，2014）。鐵轉運蛋白（IRT）、天然抗性巨噬細胞蛋白（Nramp）、重金屬ATP酶（HMA）、鋅鐵離子轉運蛋白（ZIP）和硝酸鹽轉運蛋白（NRT）對Cd的吸收和轉運有重要作用（Erenoglu et al.，2011；Nakanishi et al.，2006；Takahashi et al.，2011；Yang et al.，2018）。Lee et al.（2009）研究發現OsIRT1（鋅鐵轉運蛋白基因）的過度表達可以使水稻體內積累大量的Cd。敲除擬南芥（Arabidopsis thaliana）的IRT1可以使擬南芥根部吸收Cd被抑制（Zhu et al.，2012）。NO3-可以促進番茄（Solanum lycopersicum）鐵轉運基因（LeIRT1 gene）表達，從而提高Cd的積累（Luo et al.，2012）。Yang et al.（2020）在水培溶液中加過量的 NO3-可以使水稻OsIRT1和OsNramp1基因表達增加從而使水稻體內Cd含量增加。當施加的NO3-/NH4+比例提高時，也可以使OsIRT1、OsNramp5和OsHMA2基因在根部過度表達造成植物 Cd含量增加（Wu et al.，2018）。植物組織中N濃度增加可以提高小麥根部ZIP濃度，ZIP可以轉運更多的 Cd到小麥中（Erenoglu et al.，2011）。Mao et al.（2014）研究兩個擬南芥突變體（NRT1.1-1 and Chl 1.5）發現缺乏NRT1.1（雙親和 NO3-轉運蛋白）功能基因可以減少 Cd的吸收。分根實驗表明被硝酸鹽轉運蛋白（NRT1.1）吸收的Cd依賴于植物吸收的NO3-，這表明可以通過改變植物對 NO3-吸收來調控植物可食部分Cd的積累。Chen et al.（2012）通過破壞了NRT1.5（木質素 NO3-轉運蛋白）的功能，降低了NRT1.5和AtPCS1基因表達，從而降低了Cd在地上部分的含量。以上結果表明氮肥可以通過影響轉運蛋白來影響植物對Cd的吸收。但是目前關于氮肥形態對植物體內轉運蛋白基因表達的影響仍不甚清楚。

NO是對植物體生長起重要作用的分子，并且是植物體內代謝重要的中間產物（Xiong et al.，2012）。NO可以作為一個信號分子調控金屬轉運基因的表達（Chen et al.，2018；Yang et al.，2016b）。硝酸還原酶（NR）是植物吸收 N的一個重要的酶，是NO合成的主導酶（Crawford，2006），NR活性受植物體內的NO3-調控（Jin et al.，2009）。在植物細胞中，NR通過催化硝酸鹽還原產生的亞硝酸鹽來合成NO（Berber-Mendoza et al.，2006）。有研究表明NO可以促進OsIRT1相關基因表達，增加IRT1來增加對Cd的吸收（Curt et al.，2004）。因此N通過調控植物體內與 Cd無特異性基因表達和二價陽離子轉運體來調控Cd的吸收的轉運。但是NO是否作為信號分子參與這個過程以及 NO如何調控這些金屬轉運基因的表達仍然需要深入研究。

3 研究展望

植物的生理特性和土壤理化性質共同影響了Cd污染土壤中植物對Cd的吸收，氮肥管理通過對植物的生理特性和土壤理化性質產生作用進而影響植物Cd吸收。土壤-植物環境變量十分復雜，當前關于氮肥管理對植物Cd吸收影響的研究很多只是描述報告，缺乏深入系統的研究。根據現有研究存在的問題與不足，未來研究可以從以下方面做進一步的拓展：

（1）氮肥在不同環境條件下（土壤類型、植物種類和氣候）對植物Cd吸收的影響需要進一步研究，探索如何通過氮肥管理（種類、用量及施用時間等）來降低植物Cd含量、促進植物生長的最佳邊界條件，以期達到在低濃度Cd污染土壤中阻控Cd向作物中遷移、在高濃度Cd污染土壤中調整種植結構（利用原料作物、園林綠化植物替代食用作物）并強化植物富集移除Cd的目標。

（2）根際微環境受土壤環境和植物共同影響，氮肥管理如何影響根際微環境中土壤理化性質，以及這些理化性質變化對植物Cd吸收的影響關系需要進一步研究，以準確反應氮肥對土壤-植物Cd生物有效性的影響。

（3）Cd吸收轉運基因表達是影響Cd在植物體內吸收和累積的決定因素，當前關于不同氮肥形態對植物吸收轉運Cd的分子機制還不甚清楚。氮肥施加對Cd污染土壤化學、土壤微生物及作物生理響應機制還需要進一步的深入研究，找出氮肥影響植物吸收Cd的關鍵生理過程和關鍵控制基因尤為重要，通過這些分子水平研究的結果，可以精準指導氮肥調控植物對Cd的吸收。