氮肥形態(tài)對(duì)小麥鎘吸收及轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

于沖沖，高 巍，葉優(yōu)良，馮文靜，劉紅恩，聶兆君，秦世玉，李 暢，趙 鵬

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院/河南省土壤污染防控與修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450002)

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試小麥品種為‘百農(nóng)207’。試驗(yàn)于2018年9月至2019年6月在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)科教園區(qū)(34°46′N,113°40′E)進(jìn)行，供試土壤利用多點(diǎn)取樣法取自河南農(nóng)業(yè)大學(xué)許昌校區(qū)試驗(yàn)場(chǎng) (34°01′N,113°49′E)的耕層土壤(0～20 cm)，土壤為壤質(zhì)潮土，其營(yíng)養(yǎng)成分為：pH 7.92，有機(jī)質(zhì)11.1 g·kg-1，速效磷10.21 mg·kg-1,速效鉀 140.1 mg·kg-1,堿解氮70.4 mg·kg-1，全鎘0.06 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

表1 基肥的組成Table 1 Composition of base fertilizer

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素：記錄每盆小麥的所有麥穗數(shù)量，為每盆穗數(shù)；從每盆小麥中隨機(jī)選取10個(gè)麥穗，記錄每個(gè)麥穗上的籽粒數(shù)，最后取平均數(shù)，記錄為每盆穗粒數(shù)；小麥烘干脫粒后，從所有籽粒中隨機(jī)數(shù)取1 000粒，稱量記錄，為每盆千粒質(zhì)量；小麥烘干脫粒后，稱取每盆所有籽粒質(zhì)量，為每盆產(chǎn)量。

鎘含量和氮含量：參照Z(yǔ)hao等[16]的方法。稱取待測(cè)樣品0.50 g于三角瓶中，加HNO3-HClO4混合酸(體積比為4∶1)10 mL，靜置過(guò)夜之后置于電熱板上至完全消化，用離子水定容到25 mL容量瓶中，過(guò)濾后用火焰原子吸收分光光度計(jì)(ZEEnit 700；Analytik Jena AG，德國(guó))測(cè)定鎘濃度。稱取待測(cè)樣品0.20 g于消化管中，以濃H2SO4-H2O2完全消化[17]，設(shè)置3個(gè)空白對(duì)照。用凱式定氮儀測(cè)定氮濃度。

Cd分配比例=每盆各部位Cd累積量/每盆Cd總累積量×100%

根鎘外排率=根鎘外排量/灌漿期根鎘積累量×100%

根鎘轉(zhuǎn)移率=成熟期植株根鎘轉(zhuǎn)移量/灌漿期根鎘積累量×100%

根鎘固定率=1-(根鎘轉(zhuǎn)移率+根鎘外排率)

根再分配對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率=(開花到成熟期根鎘積累減少量-根鎘外排率)/(葉片+穎殼+籽粒鎘變化量)

莖稈轉(zhuǎn)移率=成熟期植株莖稈鎘轉(zhuǎn)移量/灌漿期莖稈鎘積累量×100%

莖稈固定率=1-莖稈轉(zhuǎn)移率

莖稈再分配對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率=開花到成熟期莖稈鎘積累減少量/(葉片+穎殼+籽粒鎘變化量)

根吸收對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率=1-(根再分配對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率+莖稈再分配對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率)

SPAD值：采用SPAD-502葉綠素計(jì)測(cè)定。在開花期和灌漿期，選擇晴天10:00測(cè)定，每盆隨機(jī)測(cè)定3株旗葉，每個(gè)葉片測(cè)定葉位為葉長(zhǎng)1/2及其上下2 cm 3個(gè)位置，取平均值為該盆栽旗葉的SPAD值。

根系形態(tài)的分析：拔節(jié)期收獲植株后，將根系和地上部分分開，根系用EPSON全自動(dòng)掃描儀掃描記錄小麥的根系形態(tài)并獲取根系圖像，然后采用WinRHIZO 2009根系掃描分析系統(tǒng)分析得出小麥幼苗的總根長(zhǎng)、根總表面積、根體積、平均直徑和根尖數(shù)。

根際pH：通過(guò)抖根法采集根際土壤樣品。稱取10.00 g過(guò)1 mm篩孔風(fēng)干土樣置于50 mL燒杯中，加無(wú)二氧化碳水25 mL用玻璃棒混勻攪拌1 min，使土體充分散開，震蕩0.5 h，靜置30 min后，用pH計(jì)測(cè)定上清液pH[17]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用DPS 7.05進(jìn)行方差分析(ANOVA)，數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的平均值，圖表制作采用Microsoft Excel 2010和Origin 9.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥形態(tài)對(duì)小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響

如表2所示，鎘脅迫下氮肥形態(tài)對(duì)小麥的穗數(shù)和穗粒數(shù)無(wú)顯著性影響；但硝態(tài)氮處理的千粒質(zhì)量和產(chǎn)量約為其他兩種氮肥處理的1.2倍。相關(guān)性分析結(jié)果表明，產(chǎn)量與千粒質(zhì)量之間達(dá)到顯著性相關(guān)(r=1.00，P<0.01)。表明鎘脅迫下，硝態(tài)氮處理通過(guò)增加千粒質(zhì)量來(lái)提高小麥產(chǎn)量。

表2 不同氮肥形態(tài)小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素Table 2 Wheat yield and yield components under different nitrogen fertilizer forms

2.2 氮肥形態(tài)對(duì)小麥鎘含量的影響

如圖1所示，在成熟期，銨態(tài)氮處理的籽粒鎘含量較硝態(tài)氮和酰胺態(tài)氮處理提高約38.5%，表明銨態(tài)氮處理促進(jìn)小麥籽粒鎘含量增加。從地上部來(lái)看，拔節(jié)期到開花期硝態(tài)氮和酰胺態(tài)氮處理地上部鎘含量顯著降低約54%；拔節(jié)期到灌漿期，銨態(tài)氮處理地上部鎘含量持續(xù)降低約為66%，之后呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢(shì)。從根部來(lái)看，硝態(tài)氮處理的根部鎘含量隨生育時(shí)期延長(zhǎng)呈先升高后降低的趨勢(shì)，在開花期達(dá)到最大值(28 μg·g-1)；銨態(tài)氮處理的根鎘含量從拔節(jié)期的60 μg·g-1降低到成熟期的25 μg·g-1，呈持續(xù)降低的趨勢(shì)；酰胺態(tài)氮處理的根系鎘含量從開花期到灌漿期維持在約35 μg·g-1，在灌漿期到成熟期出現(xiàn)下降趨勢(shì)。在整個(gè)生育期，銨態(tài)氮處理下的小麥各部位鎘含量均顯著高于其他處理。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)二級(jí)處理后，整株鎘含量大小為：銨態(tài)氮>酰胺態(tài)氮≈硝態(tài)氮，開花前鎘吸收表現(xiàn)為：銨態(tài)氮>酰胺態(tài)氮≈硝態(tài)氮。結(jié)果表明，鎘脅迫下隨著小麥生育進(jìn)程的推進(jìn)，氮肥形態(tài)影響小麥體內(nèi)鎘含量的變化趨勢(shì)，與硝態(tài)氮和酰胺態(tài)氮處理相比，銨態(tài)氮處理促進(jìn)小麥各部位鎘含量的增加，開花期之前，銨態(tài)氮處理的鎘吸收量顯著大于其他兩個(gè)處理，這可能是導(dǎo)致銨態(tài)氮處理小麥各部位鎘含量增加的原因。

圖中不同字母表示同一鎘處理間差異顯著(P<0.05)

2.3 氮肥形態(tài)對(duì)小麥氮含量的影響

如圖2所示，拔節(jié)期硝態(tài)氮處理地上部氮含量顯著高于其他處理，成熟期籽粒氮含量較銨態(tài)氮和酰胺態(tài)氮處理高約19.5%，根氮含量高約 22.5%。從拔節(jié)期到灌漿期，3種氮肥形態(tài)地上部氮含量均發(fā)生顯著降低，約為62.0%；硝態(tài)氮和銨態(tài)氮處理的根系氮含量在拔節(jié)期到灌漿期也有相同趨勢(shì)，而酰胺態(tài)氮處理，根系氮含量在拔節(jié)-灌漿期維持穩(wěn)定約為1.0 μg·kg-1，在灌漿-成熟期下降至0.6 μg·kg-1。相關(guān)性分析結(jié)果表明，成熟期籽粒氮含量與鎘含量之間達(dá)到顯著性負(fù)相關(guān)(r= -0.98，P<0.01)。結(jié)果表明，硝態(tài)氮處理籽粒氮含量較高可能是抑制鎘含量增加的原因；除酰胺態(tài)氮處理將根系氮含量下降趨勢(shì)移至灌漿期外，從拔節(jié)期開始，其他處理小麥地上部和根部氮含量均出現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖2 不同氮肥形態(tài)不同生育時(shí)期小麥各部位氮含量Fig.2 Nitrogen content of wheat at different growth stages under different nitrogen fertilizer forms

2.4 氮肥形態(tài)對(duì)各生育時(shí)期小麥鎘累積及分配比例的影響

表3可以看出，整株鎘積累隨著生育時(shí)期呈現(xiàn)先升后降趨勢(shì)，在開花或灌漿期，達(dá)到最大值。表明在灌漿期前小麥基本完成了鎘的吸收，籽粒中的鎘主要來(lái)源于植株體內(nèi)鎘的再轉(zhuǎn)移，且花后鎘可能發(fā)生顯著外排。整個(gè)生育期，銨態(tài)氮處理?xiàng)l件下的小麥整株鎘積累顯著高于其他處理，表明銨態(tài)氮處理促進(jìn)小麥整株的鎘積累。

表3 不同氮肥形態(tài)各生育時(shí)期小麥鎘積累及分配比例Table 3 Accumulation and distribution ratio of Cd in wheat at different growth stages under different nitrogen fertilizer forms

從拔節(jié)期到灌漿期，硝態(tài)氮和酰胺態(tài)氮處理下，鎘在地上和根系的分配比例為1∶0.85到 1∶1.5，成熟期分配比例為1∶0.25；銨態(tài)氮處理，鎘在地上部和根系的分配比例始終在1∶1.1到1∶1.5。從灌漿期到成熟期，根和莖桿的鎘積累下降；籽粒、穎殼、葉片鎘積累量增加。表明莖桿和根系是鎘儲(chǔ)存的重要器官，且灌漿期到成熟期根系和莖稈中的鎘存在向籽粒和葉片的轉(zhuǎn)移。

2.5 氮肥形態(tài)對(duì)小麥干物質(zhì)積累速率、鎘吸收速率的影響

如圖3所示，隨著生育期的推進(jìn)，生物量增加速率呈先升后降趨勢(shì)，在拔節(jié)-開花期，達(dá)到最大值。硝態(tài)氮與酰胺態(tài)氮處理下的生物量增加速率基本一致，而銨態(tài)氮處理延緩生物量積累速率的降低。鎘吸收速率呈先升后降趨勢(shì)，鎘的吸收在開花-灌漿期基本結(jié)束，出苗-拔節(jié)是小麥吸收鎘的主要且快速階段，表現(xiàn)為銨態(tài)氮>酰胺態(tài) 氮>硝態(tài)氮。可見，氮肥形態(tài)影響小麥干物質(zhì)積累及鎘吸收速率，硝態(tài)氮處理降低了鎘吸收速率。

圖3 不同氮肥形態(tài)小麥干物質(zhì)積累速率及鎘吸收速率Fig.3 Accumulation rates of dry matter and Cd under different nitrogen fertilizer forms

2.6 氮肥形態(tài)對(duì)小麥籽粒干物質(zhì)和氮、鎘積累的影響

小麥籽粒干物質(zhì)和氮、鎘積累主要來(lái)源于花前營(yíng)養(yǎng)器官儲(chǔ)存的再轉(zhuǎn)移和花后的吸收或同化。由表3可以看出，灌漿-成熟期，小麥已經(jīng)停止對(duì)鎘的吸收。由表4可以看出，籽粒中的鎘主要來(lái)源于花前的莖稈，占66%～78%；少部分來(lái)源于根系，占22%～34%。表明相較于根系，莖稈的花前儲(chǔ)存對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率更高。根系儲(chǔ)存鎘主要存在3個(gè)去向，分別是固定、轉(zhuǎn)移和外排；莖稈儲(chǔ)存鎘主要存在2個(gè)去向，分別是固定和轉(zhuǎn)移；3種氮肥處理的小麥根系和莖稈的鎘轉(zhuǎn)移率無(wú)顯著差異，表明氮肥形態(tài)并未影響莖稈和根系鎘在花后的轉(zhuǎn)移能力。硝態(tài)氮和酰胺態(tài)氮增加了灌漿期鎘的外排比例，而銨態(tài)氮有利于鎘在根系中固定。由此可見，氮肥形態(tài)影響了營(yíng)養(yǎng)器官鎘再轉(zhuǎn)移對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率，是通過(guò)影響莖稈和根系鎘在花前的積累量造成的；并且在灌漿期硝態(tài)氮和酰胺態(tài)氮促進(jìn)了小麥鎘的外排，銨態(tài)氮有利于鎘在根系中固定。

表4 不同氮肥形態(tài)小麥籽粒干物質(zhì)和氮、鎘積累構(gòu)成Table 4 Dry matter and nitrogen and Cd accumulation in wheat grain under different nitrogen fertilizer forms

2.7 氮肥形態(tài)對(duì)小麥旗葉SPAD、根系形態(tài)和根際pH的影響

由表5可以看出，硝態(tài)氮處理下開花期和灌漿期SPAD值分別是銨態(tài)氮、酰胺態(tài)氮處理均值的1.2倍和1.4倍。相關(guān)性分析結(jié)果表明，千粒質(zhì)量與開花期SPAD值(r=0.99，P<0.05)和成熟期SPAD值(r=0.98，P<0.05)均呈顯著性相關(guān)。表明鎘脅迫下硝態(tài)氮處理有助于小麥旗葉葉綠素相對(duì)含量增加，促進(jìn)小麥產(chǎn)量的提高。從拔節(jié)期到成熟期，銨態(tài)氮處理?xiàng)l件下的pH顯著低于其他兩個(gè)處理，約為3%。相關(guān)性分析表明，根際pH與整株鎘累積存在顯著性負(fù)相關(guān)。表明銨態(tài)氮處理由于降低根際pH，增強(qiáng)根系富集鎘的能力。氮肥形態(tài)可顯著影響拔節(jié)期小麥根系的總根長(zhǎng)和總根尖數(shù)。與銨態(tài)氮和尿素相比，硝態(tài)氮可促進(jìn)根系的伸長(zhǎng)，其增幅分別為21.4%和 25.0%。與酰胺態(tài)氮相比，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮顯著增加了根尖數(shù)，其增幅分別為22.5%和27.7%。相關(guān)性分析表明，根長(zhǎng)僅與整株氮累積存在顯著正相關(guān)，與鎘累積不存在顯著性關(guān)系。表明硝態(tài)氮處理通過(guò)促進(jìn)根系增長(zhǎng)，促進(jìn)了氮素的吸收 積累。

表5 不同氮肥形態(tài)小麥旗葉葉綠素相對(duì)含量(SPAD)、根際pH和根系參數(shù)Table 5 Relative content of flag leaf chlorophyll (SPAD),rhizosphere pH and root parameters of wheat under different nitrogen forms

3 討 論

3.1 氮肥形態(tài)對(duì)小麥鎘吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

不同形態(tài)氮肥的施用對(duì)植物(包括作物和非作物)中鎘積累有一定的影響。有研究表明銨態(tài)氮的添加增加了水稻、向日葵、紅心蓮和龍葵[9]中鎘的積累；Wang等[18]研究指出，通過(guò)施用硝態(tài)氮可以促進(jìn)水稻根系伸長(zhǎng)吸收氮素；喬云發(fā)等[19]發(fā)現(xiàn)，添加硝態(tài)氮的處理可能增加水稻根系干物質(zhì)積累促進(jìn)根系生長(zhǎng)，Mao等[9]發(fā)現(xiàn)在萵苣中硝態(tài)氮可以抑制鎘吸收。目前關(guān)于小麥植株鎘積累動(dòng)態(tài)研究較少，筆者認(rèn)為關(guān)于氮肥形態(tài)對(duì)鎘吸收和積累影響，需要考慮到土壤重金屬污染程度和種類、鎘的遷移能力以及植物生長(zhǎng)發(fā)育階段等因素。本試驗(yàn)結(jié)果表明，銨態(tài)氮處理促進(jìn)小麥各部位鎘含量的增加，硝態(tài)氮和酰胺態(tài)氮處理抑制小麥各部位鎘含量的增加。隨生育進(jìn)程小麥整株鎘積累呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，在開花期到灌漿期達(dá)到最大值。在出苗至拔節(jié)期，3種形態(tài)氮肥處理的小麥整株鎘積累量和鎘吸收速率表現(xiàn)為銨態(tài) 氮>酰胺態(tài)氮>硝態(tài)氮。同氮素一樣，小麥籽粒的鎘也主要來(lái)源于花前的鎘吸收以及花后營(yíng)養(yǎng)器官的鎘轉(zhuǎn)移。

植物體通過(guò)自身組織老化的方式將鎘排出，并通過(guò)根際分泌物調(diào)節(jié)根際pH，絡(luò)合或沉淀外排鎘。除此以外，植物根系吸收的大部分鎘會(huì)通過(guò)液泡區(qū)室化積累在根部或直接通過(guò)根表皮細(xì)胞上的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白排除根外[20]。有研究表明，鎘脅迫下，NaSH可以降低平邑甜茶根系對(duì)鎘的吸收、促進(jìn)鎘的外排，減少根系鎘積累；鹽脅迫也會(huì)誘導(dǎo)平邑甜茶根提高對(duì)鈉離子的吸收和鉀離子的外排[21]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，在籽粒灌漿的主要時(shí)期，根系的鎘吸收已經(jīng)結(jié)束，且出現(xiàn)了顯著的鎘外排；貢獻(xiàn)率分析結(jié)果表明，小麥籽粒鎘主要來(lái)源于花前根系和莖稈鎘儲(chǔ)存的再轉(zhuǎn)移，莖稈貢獻(xiàn)率高達(dá)66%～78%。氮肥形態(tài)顯著影響了根系鎘在固定和外排之間的分配，表現(xiàn)為硝態(tài)氮和酰胺態(tài)氮處理更加有利于灌漿期鎘的外排，而銨態(tài)氮處理更加有利于鎘固定在根中，但氮肥形態(tài)并未影響莖稈和根系鎘的轉(zhuǎn)移能力。由此可見，氮肥形態(tài)所引起的籽粒鎘含量差異，主要是通過(guò)影響鎘的吸收以及干物質(zhì)積累所造成的。相關(guān)性分析表明，成熟期籽粒鎘含量與開花期、灌漿期和成熟期的整株鎘積累均呈顯著性正相關(guān)，且與灌漿期整株鎘積累量達(dá)到極顯著相關(guān)，對(duì)各時(shí)期各部位的小麥生物量、鎘含量、鎘積累量、氮含量以及氮積累量之間進(jìn)行相關(guān)分析，僅鎘含量和鎘積累量之間(r=0.81**)以及鎘含量和生物量之間(r= -0.43**)存在顯著性相關(guān)，進(jìn)一步證明了氮肥形態(tài)通過(guò)影響小麥生長(zhǎng)狀況以及鎘的吸收積累，影響了小麥籽粒鎘含量。

3.2 氮肥形態(tài)對(duì)小麥干物質(zhì)累積和氮、鎘吸收累積的影響

硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和酰胺態(tài)氮是作物可以吸收利用的無(wú)機(jī)氮素形態(tài)。由于植物對(duì)其吸收、貯存、運(yùn)輸和同化的過(guò)程不同，因此植物的生長(zhǎng)發(fā)育和營(yíng)養(yǎng)吸收會(huì)因氮素形態(tài)不同而不同。酰胺態(tài)氮處理的小麥產(chǎn)量、籽粒氮含量和整株氮素累積要高于其他處理。籽粒中的氮素，主要來(lái)自生育后期莖稈、葉片等營(yíng)養(yǎng)器官中氮素的重新分配[22]，而生育后期根部吸收的氮素并不多，因此花前氮素累積量直接影響花后氮素的再分配，一般認(rèn)為花前氮累積量越高，花后再分配氮所占比例也越高[23]。本試驗(yàn)在鎘脅迫條件下，籽粒千粒質(zhì)量、產(chǎn)量與各個(gè)時(shí)期的整株氮素累積均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，氮肥形態(tài)未影響營(yíng)養(yǎng)器官儲(chǔ)存物質(zhì)在花后的再轉(zhuǎn)移能力，籽粒氮鎘含量的差異是由莖稈和根系在花前的物質(zhì)積累以及籽粒產(chǎn)量差異共同 造成。

3.3 氮肥形態(tài)對(duì)小麥光合能力和根際pH的 影響

氮在植物抵御逆境的防御功能中發(fā)揮著重要作用[10]，有助于植物的生長(zhǎng)和鎘的植物修復(fù)[21-25]。不同形態(tài)氮肥可能會(huì)影響植株的形態(tài)、生理生化特性，進(jìn)而影響到根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素或有毒重金屬的吸收。

葉片SPAD值與葉綠素含量、作物產(chǎn)量具有較好相關(guān)性，葉片中葉綠素的含量是反映作物營(yíng)養(yǎng)和生長(zhǎng)狀況的重要指標(biāo)[18-19]。本試驗(yàn)條件下，開花期和灌漿期的SPAD值與千粒質(zhì)量(r= 0.99**)、產(chǎn)量(r=0.99**)、總根長(zhǎng)(r= 0.98**)呈顯著性正相關(guān)，均為硝態(tài)氮處理最高，表明與其他處理相比，硝態(tài)氮處理通過(guò)顯著促進(jìn)SPAD值和總根長(zhǎng)增加，從而增加小麥產(chǎn)量；SPAD值與整株鎘積累呈顯著負(fù)相關(guān)(r= -0.99**)，硝態(tài)氮和酰胺態(tài)氮整株鎘積累顯著小于銨態(tài)氮表明硝態(tài)氮和酰胺態(tài)氮通過(guò)促進(jìn)SPAD值增加，抑制整株鎘積累。

4 結(jié) 論

硝態(tài)氮處理籽粒產(chǎn)量最高，鎘含量最低，推薦在鎘脅迫土壤中施用硝態(tài)氮肥。氮肥形態(tài)所導(dǎo)致的籽粒鎘含量差異是由莖稈和根系在花前的鎘積累以及籽粒產(chǎn)量差異共同引起。硝態(tài)氮肥處理通過(guò)促進(jìn)小麥根系伸長(zhǎng)和旗葉葉綠素相對(duì)含量增加，提高了千粒質(zhì)量和產(chǎn)量；銨態(tài)氮肥處理由于降低根系pH，導(dǎo)致植株鎘積累量以及籽粒鎘含量顯著高于其他氮肥處理。