外源施用磷肥緩解小麥鎘積累的效應

王 俊，李廣鑫，李 暢，劉紅恩，高 巍，秦世玉，王 龍，睢福慶，馮 洋，趙 鵬

（1.河南農業大學 資源與環境學院，河南 鄭州 450002；2.鄭州鄭氏化工產品有限公司，河南 鄭州 450008）

自工業革命以來，鎘（Cd）污染成為了全球性的環境問題。土壤Cd污染主要來自大氣沉降、金屬冶煉、污水灌溉以及肥料的不合理施用等[1-2]。以湖南長株潭城市群為例，在所監測的4類污染區中，大氣沉降中Cd 的貢獻占總輸入通量的80%以上[3]。同時，因水資源短缺，在農業灌溉中使用未經處理或處理不達標的工業廢水或城鎮生活污水等，同樣造成農用地重金屬的累積[4]。由于Cd 在環境中具有較高的流動性和毒性[5]，其對植物的毒害作用主要表現在生長受阻、植株黃化、活性氧濃度增加和細胞膜結構破壞等方面[6-7]。隨著食物鏈傳遞，Cd污染對人類健康也會造成嚴重威脅[8]。長期食用受Cd污染的農產品會導致人體慢性中毒、骨骼軟化、肺部損傷、肝臟和腎器官功能失常等，危害身體健康[9]。

磷（P）是小麥、玉米等作物所需的大量營養元素之一[10]，參與植物功能性分子的合成和生理代謝過程，對于促進植物生長發育具有重要作用[11]。Cd與植物所需的營養元素之間存在交互作用，其中P與Cd 的交互作用仍存在爭議[12]。研究表明，P 能減輕Cd 對作物的毒害[13-14]，施入0～80.0 mg/L 的磷酸二氫鉀（KH2PO4，以P計）可緩解Cd脅迫下黑麥草的毒害作用[15]。磷酸根離子的絡合能力較強，能與Cd反應生成CdHPO4或CdH2PO4+等絡合物，這種絡合物與氫氧化物進一步反應產生沉淀，降低土壤中游離的Cd2+，進而減少植物對Cd 的吸收和累積[16]。然而，也有研究者認為P 能促進作物對Cd 的吸收[17]。施加磷肥可促進小麥生長，增加小麥Cd 累積量，且促進根系中Cd 向地上部轉運[18]；在Cd 脅迫下，外源P 增加了水稻各部位Cd 累積量，促進了Cd 從根系向地上部的轉運等[19]。

由此可以看出，關于外源施用磷肥對土壤Cd的生物有效性及對作物Cd 吸收積累的影響目前尚無定論。小麥是我國最主要的糧食作物之一，且對重金屬具有一定的富集特性[20]。因此，本研究以小麥為供試材料，通過盆栽試驗探究外源施用磷肥對Cd脅迫下小麥的生長以及各生育時期（拔節期、揚花期和成熟期）Cd 吸收與積累的影響，從而為合理施用P 肥，降低小麥籽粒Cd 累積以及土壤Cd 污染風險提供理論和實踐依據。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試小麥品種為百農207，盆栽試驗用土取自河南農業大學科教園區，土壤系潮土。采集0～20 cm 表層土，經自然風干后，剔除土壤中植物殘體、石塊等，過2 mm 篩。土壤基本理化性質：pH 值8.28、有機質15.71 g/kg、堿解氮62.76 mg/kg、速效磷12.50 mg/kg、速效鉀152.50 mg/kg。

1.2 試驗設計

以磷酸二氫鉀為P 源，共設置3 個P 水平（以P2O5計）：不施磷（P0）、正常磷150 mg/kg（P150）、高磷600 mg/kg（P600），每個處理重復4 次。每盆裝8 kg 土，將氯化鎘配制成溶液（4 mg/kg Cd2+）施入土壤，充分攪拌混勻并淹水平衡1 個月后進行熟化[21]。按設計，將氮（尿素，0.1 g/kg N）、鉀（KCl，0.15 g/kg K2O）肥以及各處理的磷肥分別配制成溶液施入土壤混勻并淹水平衡24 h。每盆播種10粒小麥種子，待小麥出苗后（三葉期），每盆定苗5 株。小麥生育期間定期澆水保持每盆土壤含水量在田間持水量的（65±5）%。在拔節期每盆追施0.22 g/kg 尿素（含氮46%）。

1.3 樣品采集

分別在小麥拔節期、揚花期和成熟期采集土壤和植株樣品。土壤樣品經自然風干、碾碎，過2、0.85 mm 尼龍篩后保存待測；植株樣品用自來水和去離子水清洗干凈，放入105 ℃烘箱殺青30 min，分離小麥樣品各部位（根系、莖稈、葉片、穗軸、穎殼和籽粒）并在70 ℃下烘干至恒質量，記錄小麥各部位生物量。

1.4 測定指標與方法

土壤基本理化性質和植株樣品的測定按照常規分析方法[22]進行。土壤pH值用電位法測定，土壤有效態Cd 含量采用DTPA 溶液浸提—火焰原子吸收分光光度法測定；土壤速效P 含量用0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測定。

小麥植株樣品經烘干后粉碎，采用石墨爐（EHD36，Lab Tech Ltd，USA）消 解 法（濃HNO3-HClO4，V/V=85∶15）消煮樣品后，用火焰原子吸收分光光度計（ZEEnit 700，Analytik Jena AG，Germany）測定各部位Cd含量。小麥植株樣品經硫酸-過氧化氫消煮后，采用釩鉬黃比色法，用酶標儀（SpectraMax M2）在700 nm波長下測定各部位全P含量。

小麥轉移系數計算方法：

1.5 數據統計與分析

用Microsoft Excel 2016 進行數據統計，用DPS V9.01 進行數據分析，采用單因素方差分析和LSD法進行多重比較（P＜0.05），用Origin 2021制圖。

2 結果與分析

2.1 外源施用磷肥對小麥土壤pH值的影響

由圖1 可知，隨著小麥生育時期的推進，土壤pH 值呈上升趨勢。小麥拔節期，與不施磷（P0）處理相比，正常磷（P150）對土壤pH 值無顯著影響，而高磷（P600）處理土壤pH 值顯著降低了0.12；揚花期，與P0 處理相比，P150 和P600 處理土壤pH 值均顯著升高，分別上升了0.13、0.12；成熟期，不同磷肥處理土壤pH 值差異進一步縮小。由此可知，隨著小麥生育時期的推進，外源施用磷肥對石灰性土壤pH值的影響越來越小。

圖1 外源施用磷肥對小麥不同生育時期土壤pH值的影響Fig.1 Effect of exogenous P supply on soil pH value at different growth stages of wheat

2.2 外源施用磷肥對小麥土壤速效P、土壤有效態Cd含量的影響

由圖2 可知，隨著施磷量的增加，土壤速效P 含量均顯著增加。隨著小麥生育時期的推進，土壤速效P 含量呈降低趨勢。與P0 處理相比，P150 和P600 處理土壤速效P 含量拔節期分別增加了135.48%、740.40%，揚花期分別增加了124.35%、604.27%，成熟期分別增加了91.99%、469.86%。以上表明，外源施用磷肥可以顯著增加小麥不同生育時期土壤速效P含量。

圖2 外源施用磷肥對小麥不同生育時期土壤速效P含量的影響Fig.2 Effect of exogenous P supply on soil available phosphorus content at different growth stages of wheat

如圖3所示，隨著小麥生育時期的推進，土壤有效態Cd含量整體呈下降趨勢。在小麥各生育時期，與不施磷處理相比，外源供磷處理均降低了土壤有效態Cd 含量。其中，P150 和P600 處理土壤有效態Cd 含量在拔節期、揚花期及成熟期分別下降了23.02% 和28.79%、22.66% 和36.73%、29.41% 和28.53%。可知，土壤有效態Cd 含量隨小麥的生長發育逐漸降低，同時外源施用磷肥能夠顯著降低土壤有效態Cd含量。

圖3 外源施用磷肥對小麥不同生育時期土壤有效態Cd含量的影響Fig.3 Effect of exogenous P supply on soil available cadmium content at different growth stages of wheat

2.3 外源施用磷肥對小麥生物量的影響

由圖4 可知，外源施磷顯著增加了小麥的生物量。在拔節期，與不施磷處理相比，P150 和P600 處理下小麥根系生物量分別顯著增加了50.48%、52.66%，地上部生物量分別顯著增加了66.52%、65.92%。揚花期時，與不施磷相比，供磷（P150 和P600）處理顯著增加了小麥根系、葉片和穎殼的生物 量，分 別 增 加 了24.14% 和25.91%、21.99% 和42.86%、16.82%和13.87%；同時莖稈和穗軸的生物量也有所增加，但差異未達到顯著水平。小麥成熟期時，與不施磷處理相比，供磷（P150 和P600）處理顯著增加了小麥根系、葉片、穎殼和籽粒的生物量，分別增加了23.99%和14.87%、14.13%和17.57%、20.97%和13.66%、29.65%和28.64%。由此可見，在Cd脅迫條件下，外源施用磷肥能夠顯著促進小麥生長，增加小麥生物量及產量，且正常磷（P150）和高磷（P600）處理差異不大。

圖4 外源施用磷肥對小麥不同生育時期生物量的影響Fig.4 Effect of exogenous P supply on biomass of wheat at different growth stages

2.4 外源施用磷肥對小麥各部位全P含量的影響

由圖5 可知，隨著供P 水平的提高，整體上小麥各部位全P 含量均顯著增加。拔節期，與不施磷處理相比，P150和P600處理小麥根系全P含量分別增加了148.30%、209.55%，地上部全磷含量分別增加了53.66%、96.85%。揚花期，與不施磷處理相比，P150 和P600 處理的根系、莖稈、葉片、穗軸、穎殼全P 含 量 分 別 增 加 了12.31% 和22.39%、35.17% 和66.77%、74.19% 和129.19%、13.93% 和35.56%、30.22%和25.69%。成熟期，與不施磷處理相比，P150 和P600 處理的根系、莖稈、葉片、穗軸、穎殼、籽粒全P 含量分別增加了1.90%和17.12%、14.06%和39.81%、15.85% 和38.55%、20.31% 和36.55%、40.86%和42.77%、6.28%和9.86%。成熟期小麥籽粒全P 含量以P600 處理為最高。由此可知，外源施用磷肥可以在一定程度上增加小麥各部位全P含量。

圖5 外源施用磷肥對小麥不同生育時期各部位全P含量的影響Fig.5 Effect of exogenous P supply on content of total P in different tissues of wheat at different growth stages

2.5 外源施用磷肥對小麥各部位Cd含量及轉移系數的影響

由圖6可知，與不施磷處理相比，施用磷肥后小麥Cd 含量整體呈下降趨勢，同時根系的Cd 含量明顯高于地上部。拔節期，與不施磷處理相比，外源供磷（P150和P600）處理根系Cd含量分別顯著降低20.40%、13.32%；地上部Cd 含量分別降低19.39%、36.93%，且P600 處理差異達到顯著水平。揚花期，與不施磷處理相比，供磷（P150和P600）處理小麥根系Cd含量分別降低了1.81%、30.73%，其中，P600處理降低小麥根系Cd 含量效果更好。供磷（P150 和P600）處理還明顯降低了小麥莖稈和葉片的Cd 含量，分別降低6.79%和21.89%、2.31%和4.44%。成熟期，與不施磷處理相比，供磷（P150 和P600）處理小麥根系Cd 含量分別降低了14.80%、32.01%，地上部各部位Cd含量差異未達顯著水平。由此可見，外源施用磷肥能夠顯著降低小麥根系Cd含量，同時隨供磷質量濃度的增加效果更加顯著；外源施用磷肥對小麥地上各部位Cd含量的影響有限。

圖6 外源施用磷肥對小麥不同生育時期各部位Cd含量的影響Fig.6 Effect of exogenous P supply on content of Cd in different tissues of wheat at different growth stages

如表1 所示，與不施磷處理相比，P150 和P600處理對Cd 從根系向莖葉的轉移在不同生育時期均有一定的降低趨勢，但差異均不顯著。其中，拔節期分別降低了12.80%、17.95%，揚花期分別降低了4.53%、11.66%，成熟期分別降低了4.56%、20.16%。相較于不施磷處理，外源施用磷肥（P150、P600）顯著降低了小麥成熟期從根系向籽粒的轉移系數，分別降低了48.72%、42.32%。

表1 不同施磷水平下小麥Cd的轉移系數Tab.1 Translocation factors of Cd in various wheat tissues with different P treatments

2.6 相關性分析

為進一步探究外源施用磷肥對小麥Cd 積累的影響，對土壤pH 值、土壤速效P 含量和土壤有效態Cd含量與小麥各部位全P含量、Cd含量之間的關系進行了皮爾遜相關性分析，結果見圖7。由圖7 可知，土壤速效P 含量與穗軸、穎殼和籽粒全P 含量呈顯著相關關系，與根系全P含量呈極顯著相關關系，與莖稈和葉片全P 含量在0.001 水平上相關。小麥根系全P 含量與莖稈全P 含量呈極顯著相關關系，與葉片全P 含量呈顯著相關關系。小麥莖稈全P 含量與葉片、穗軸全P 含量均呈顯著相關關系。葉片全P 含量與穗軸、穎殼和籽粒全P 含量均呈極顯著相關關系。穗軸全P 含量與穎殼全P 含量呈顯著相關關系。穎殼全P 含量與籽粒全P 含量呈極顯著相關關系。根系Cd 含量與籽粒全P 含量呈顯著負相關關系，與根系、莖稈、穗軸和穎殼全P 含量呈極顯著負相關關系，與葉片全P含量在0.001水平上負相關。葉片Cd 含量與籽粒Cd 含量呈顯著正相關關系，與葉片、穎殼全P 含量呈顯著負相關關系。此外，土壤速效P 含量與根系Cd 含量在0.001 水平上顯著負相關，亦表明外源P 可通過增加土壤速效P含量影響小麥根系對Cd的吸收。

圖7 成熟期土壤pH值、土壤速效P和土壤有效態Cd與小麥各部位全P、Cd含量的相關性分析Fig.7 Pearson correlation analysis between soil pH、soil available phosphorus、soil available cadmium and total P and Cd content in different parts of wheat at mature stage

3 結論與討論

3.1 外源施用磷肥顯著降低了土壤有效態Cd含量

本研究結果表明，外源施用磷肥顯著增加了各生育時期土壤速效P 含量，整體上顯著降低了土壤有效態Cd 含量。這與區惠平等[23]的研究結果基本一致，即土壤速效P含量隨施磷量（0～600 kg/hm2，以P2O5計）的增加而提高，土壤有效態Cd 含量隨施磷量的增加而減少。有研究報道，土壤表面吸附磷酸根離子的能力隨磷肥施用量的增加而提高，這一方面增加了土壤表面負電荷的數量，另一方面增強了土壤對Cd 離子的吸附能力，進而降低土壤Cd 活性和有效性[24-25]。此外，磷肥類型也會影響土壤Cd 有效性[26]。周軼群等[27]采用室內培養試驗研究了4 種不同形態的磷肥（磷酸氫二銨、磷酸二氫鉀、過磷酸鈣和磷酸鈣）對污染土壤中Cd 的鈍化效果，發現磷酸二氫鉀的鈍化效果最優，且Cd 含量隨土壤速效P含量升高而顯著降低。本研究中，隨著施磷量的增加，土壤速效P 含量均顯著增加，而土壤有效態Cd含量顯著降低，表明土壤中Cd的生物有效性可能與磷肥類型及施用量有關，并可能與磷肥在土壤-植物系統中的化學轉化過程有關。

施用磷肥后土壤理化性質的改變也是影響土壤Cd 有效性的重要因素，例如土壤pH 值通常與植物吸收Cd 的量呈反比[28-29]。研究表明，磷肥在土壤中的溶解過程，可導致局部土壤酸化，提高Cd 的溶解性和活性，從而增加Cd向籽粒的轉移[30]。磷酸氫二鉀（K2HPO4）為強堿弱酸鹽，一方面其在土壤溶液中主要以磷酸二氫根形態存在，能將吸附在土壤膠體上的氫氧根解吸，導致土壤pH 值增加[16]；另一方面土壤膠體負電荷增加，氫離子的競爭作用減弱，引起吸附Cd的主要載體（有機質、鐵錳氧化物等）與土壤Cd 的結合更牢固，進而降低了土壤有效態Cd含量[31]。本研究中，隨著小麥生育時期的推進，P150 處理土壤pH 值呈上升趨勢，但變化不大，僅0.01～0.13，這可能是由于供試土壤為北方石灰性潮土，土壤pH 值偏堿性，外源施用磷肥對土壤pH 值的影響程度有限。因此，合理施用磷肥在一定程度上可降低土壤有效態Cd 含量，這可能是植株體內Cd含量低的主要原因。

3.2 外源施用磷肥顯著降低了小麥對Cd的吸收

本研究結果表明，外源施用磷肥均提高了小麥的生物量，降低了小麥植株中的Cd 含量，即無論是正常磷還是過量磷水平，均抑制了Cd的毒害。外源磷肥的添加顯著促進了小麥的生長，P 作為植物必需營養元素之一，能夠提高植物對外界環境的適應能力，從而促進植物生長，提高生物量[32]。前人以春小麥為供試材料，研究不同磷酸鹽水平對土壤中Cd的生物有效性和形態分布時發現，不同磷酸鹽水平均能提高小麥生物量，緩解Cd 毒害[33]。然而，P 和Cd 之間也有協同作用，例如Cd（0.02 mg/L）脅迫下，隨著P 濃度的提高，缺P 和高P 處理均增加了水稻各部位Cd 含量，且促進了水稻根系對Cd 的吸收與轉運[34]。這可能與土地利用類型（水田、旱地等）以及復雜的P、Cd、作物之間的相互作用有關。

有研究表明，小麥籽粒中的Cd含量取決于根系Cd 含量[35]、Cd由根系向莖葉的轉移[36-37]以及Cd由莖葉向籽粒的轉移[38]。關于不同P、Cd 濃度對水稻生長發育影響的研究結果表明，外源P 能促進水稻生長發育，但隨著施P 濃度增加，水稻生長會受到抑制，外源高P 影響了Cd 從根系到地上部的轉移[39]。劉昭兵等[40]采用盆栽試驗方法研究不同磷水平（0.10 g/kg、0.20 g/kg，以P2O5計）對Cd（＜0.2mg/kg）污染潮泥田中水稻Cd 累積的影響發現，0.20 g/kg K2HPO4處理水稻生物量顯著增加，且與不施磷處理相比，糙米Cd 含量顯著降低了33.33%。本研究結果表明，施用外源磷肥主要降低了小麥根系中Cd的含量，一方面可能是土壤中一定水平的P 可抑制小麥對Cd的吸收，另一方面磷肥的施用改善了小麥的生長狀況，促進其生長發育，進而引起生物稀釋作用，但也可能存在生理生化層面的作用，需進一步探究。在重金屬污染土壤中，外源施用磷肥可顯著降低小麥籽粒中的重金屬含量，因此在中輕度Cd污染的土壤中，可以通過外源施用磷肥等農藝措施，改善小麥的生長及品質狀況，使其達到國家相關標準。

綜上所述，在Cd 脅迫條件下，外源供磷增加了土壤速效P含量，同時顯著降低了土壤有效態Cd含量，明顯緩解Cd 對小麥的毒害效應；P150（正常磷150 mg/kg）和P600（高磷600 mg/kg）處理均顯著增加小麥生物量，以P150 處理最優。在Cd 脅迫條件下，隨外源供磷濃度的升高，小麥植株全磷含量逐漸增加，以P600處理為最高；同時，外源供磷明顯降低了小麥根系中的Cd 含量以及成熟期根系向籽粒的Cd轉移系數，表明施用磷肥主要抑制了小麥根系對Cd的吸收以及Cd由根系向籽粒的轉移。