重金属污染指由重金属元素及其化合物所引起的重大生态问题，近几年来随着经济、工业化及城镇化的不断发展，重金属污染已经在水体、土壤、空气等多种环境介质中出现。重金属污染具有潜伏性、隐蔽性、不可逆性、持久性的特点，而且修复难度大，严重消耗人力、物力、财力。同时，重金属污染会阻碍生态系统循环，毁坏生态环境平衡，所以治理重金属污染问题刻不容缓。重金属污染危害主要有两个方面：一方面是对人和动物的伤害，在环境中对人体危害最大的是Cd，微量的重金属就可以导致人类机体代谢发生紊乱，诱发病变，甚至导致死亡^[1]；另一方面是影响植物的生长和发育过程，重金属会抑制植物生长，阻碍养分吸收，降低植物光合速率和呼吸作用，使碳水化合物失调、代谢紊乱并导致生长量和产量降低^[2-3]。在众多重金属元素中，Cd对植物有显著的毒害作用，过量的Cd会对植物生长发育产生明显的危害^[4]。有研究表明，Cd胁迫会破坏叶绿素结构，降低叶绿素含量，使叶片发黄，甚至出现褪绿现象，叶脉组织呈酱紫色，变脆，萎缩，叶绿素严重缺乏时，表现为缺铁症状^[5-6]。叶片受伤害时植物生长缓慢，植株矮小，根系受到抑制，造成生长障碍，产量降低，Cd浓度过高时还会导致植株死亡^[7-9]。

我国作为最大的氮肥生产国和消费国，氮肥使用量占世界氮肥使用总量的30%^[10]。随着氮肥产业的高速发展和消费量的不断攀升，使用氮肥己成为我国作物增产不可或缺的重要途径。目前我国农业生产中广泛使用的氮肥主要包括硝态氮（NO₃^-）、铵态氮（NH₄ ⁺）和酰胺态氮（尿素）等类型。不同形态氮肥中的阴阳离子会对土壤溶液的理化性质产生深远的影响^[11]，而且不同的施氮量也会造成土壤－植物根际环境状况的改变，改变重金属的生物有效性，从而影响植物对重金属的吸收和富集^[12-15]。目前，国内外已有大量关于重金属影响作物生长的研究^[16-24]，但有关施加不同形态氮肥对作物生长发育及富集重金属影响方面的研究还鲜有报道。

为进一步探究施加不同形态氮肥对植物生长及富集重金属Cd的影响，本文选用高生物量经济作物玉米为试验材料，采用营养液培养的方法研究施加不同形态氮肥处理对苗期玉米生长及富集重金属Cd的影响。通过研究拟解决以下两个问题：（1）施加不同形态氮肥对Cd胁迫下玉米生长状况的影响；（2）施加不同形态氮肥对玉米吸收富集Cd的影响。

1 材料与方法

1.1 供试材料

本试验以玉米（Zea mays L.）为供试植物，玉米种子购自中国农业科学院。筛选颗粒饱满、大小均一的玉米种子在10%（v/v）H₂O₂ 溶液中进行表面灭菌处理30min，无菌去离子水冲洗后，在水中浸泡6h，然后放置于湿润的滤纸上在黑暗中催芽，控制温度为28℃。4d后，挑选长势较好且均匀的玉米幼苗转移至含有霍格兰营养液的培养皿中进行培养，每盆定植5株。

1.2 试验方法

玉米幼苗在霍格兰营养液里培养两天后，分别用NaNO₃、NH₄Cl和尿素作为唯一氮源，4和8mmol/L N含量的两个浓度水平进行施氮处理，以不添加Cd和添加5mg/L CdCl₂ 进行Cd暴露处理。具体处理设置如下：T1，添加5mg/L Cd+8mmol/L NO₃^--N；T2，添加5mg/L Cd+4mmol/L NO₃^--N； T3，添加5mg/L Cd+8mmol/L尿素；T4，添加5mg/L Cd+4mmol/L尿素；T5，添加5mg/L Cd+8mmol/L NH₄ ⁺-N；T6，添加5mg/L Cd+4mmol/L NH₄ ⁺-N，T7，不添加氮肥不添加Cd；以添加Cd不施加氮肥作为对照。每个处理重复3次，在光照培养箱中进行培养，控制光照/不光照周期为12h/12h，温度控制为28.5℃。每3d更换一次培养液。植物生长期为2018年3月27日～4月7日，生长周期为12d，生长期满后，分别取玉米地上部分（茎 + 叶）和地下部（根），用超纯水洗去其表面的污物，然后在105℃ 高温条件下杀青，并在65℃下烘干至恒重，最后磨碎待用。

1.3 测定指标

株高：玉米收获前，用直尺量取从植株基部到茎秆最高端的垂直高度，同时测定每个处理下5株幼苗的株高，然后取平均值。

生物量：称重法测定不同处理下玉米地上部和地下部的生物量。

叶绿素SPAD值：收获前，用SPAD-502型叶绿素计（Minolta，日本）测定玉米叶片SPAD值。具体操作是：选取6～8片完整的新叶和老叶，去除叶片表面的灰尘等污染物，用SPAD-502型叶绿素计在叶片距叶缘的2/3处测定，每个叶片测定3次，然后取平均值，最后对每个处理的叶片叶绿素SPAD值取平均值，进行统计分析^[25]。

Cd含量：玉米组织和培养液中的Cd含量采用HCl-HNO₃-HClO₄ 消煮，石墨炉原子吸收分光光度计（普析通用TAS-990，中国）测定^[26]。

富集系数（BCF）=植株中重金属含量/培养液中重金属含量^[27]。

转运系数（TF）=植株地上部分中的重金属含量/植株地下部分中的重金属含量^[28]。

1.4 数据分析

采用Excel2010对数据进行整理，用SAS 9.2进行方差分析，并利用Sigmaplot 12.5作图。不同小写字母代表处理间差异显著（P<0.05），相同字母代表处理间差异不显著。

2 结果与分析

2.1 Cd胁迫下不同氮肥处理对玉米生长的影响

株高、生物量、叶绿素含量是反映植物对重金属耐性的重要指标，图1～图3和表1显示了不同处理对苗期玉米生长状况的影响。与无Cd添加的全营养液处理（T7）相比，Cd的添加会显著抑制玉米幼苗的株高、生物量和叶绿素含量。Cd胁迫下，与CK相比较，施加氮肥处理对玉米株高、生物量、叶绿素含量均有促进。Cd胁迫下以施加不同水平NO₃^- 氮肥对苗期玉米生长促进作用最显著，高浓度NO₃^- 氮肥处理（T1）下玉米株高、生物量、叶绿素SPAD值分别为22.00cm、1.02g/株和22.63，分别是对照处理（CK）的1.19、2.64和1.84倍；低浓度NO₃^- 氮肥处理（T2）下玉米株高、生物量、叶绿素SPAD值分别为23.50cm、0.93g/株和18.53，分别是对照处理（CK） 的1.27、2.45和1.52倍； 整体上高于其他氮肥处理。3种氮肥处理中，施加NH₄ ⁺ 氮肥对苗期玉米生长的促进作用最小，高浓度NH₄ ⁺ 氮肥处理（T5）下玉米株高、生物量、叶绿素SPAD值分别是对照处理（CK）的1.04、1.82和1.48倍；低浓度NH₄ ⁺ 氮肥处理（T6）下玉米株高、生物量、叶绿素SPAD值分别是对照处理（CK）的1.03、1.97和1.34倍。施加尿素氮肥对苗期玉米生长的促进效果介于NO₃^- 氮肥和NH₄ ⁺ 氮肥处理之间。尽管Cd胁迫下施加不同形态氮肥对苗期玉米的生长均有促进作用，但同一种氮肥高、低两种施加水平间玉米的生长指标无显著性差异。

注：不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。下同。

注：不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。下同。

2.2 不同氮肥处理对玉米吸收富集Cd的影响

不同氮肥处理对苗期玉米吸收Cd的影响如图4所示。在未添加Cd的处理（T7）下玉米体内未检测到Cd的存在。施加氮肥处理后玉米地上、地下部Cd含量均高于不施氮肥的对照处理，且玉米地下部Cd含量远高于地上部Cd含量，说明施加氮肥能够促进玉米的生长进而促进玉米对Cd的吸收富集。3种不同形态氮肥处理下，NO₃^- 氮肥对苗期玉米吸收Cd促进作用最显著，高浓度NO₃^- 氮肥处理（T1）下玉米Cd含量最高，是对照处理（CK）的169倍，低浓度NO₃^- 氮肥处理（T2）下玉米Cd含量是对照处理（CK）的116倍，显著高于其他氮肥处理。3种氮肥中，施加NH₄ ⁺ 氮肥对苗期玉米吸收Cd促进作用最小，高浓度NH₄ ⁺ 氮肥处理（T5）下玉米Cd含量是对照处理（CK）的3.12倍，低浓度NH₄ ⁺ 氮肥处理（T6）下玉米Cd含量是对照处理（CK）的8.60倍。施加尿素氮肥下玉米Cd含量介于NO₃^- 氮肥和NH₄ ⁺ 氮肥处理之间。尽管Cd胁迫下，施加不同形态氮肥对苗期玉米中Cd的吸收均有促进作用，但同一种氮肥不同施加水平间玉米Cd含量无显著性差异。

为进一步研究不同氮肥处理对玉米吸收富集Cd的影响，分别计算了玉米组织中Cd的富集系数和转运系数（表2）。富集系数体现的是玉米对重金属Cd的吸收富集能力，转运系数是评价植物富集重金属潜力的一个非常重要的指标，是体现植物从地下部向地上部转移重金属的能力^[29-31]。如表2所示，与CK相比，施氮处理下玉米Cd富集系数增加了7～167倍，其中施加NO₃^- 氮肥时玉米富集系数最大，高、低浓度NO₃^- 氮肥处理下玉米Cd富集系数分别为204.0和135.9，与其他处理间差异显著；但此时的转运系数为0.07和0.11，分别是CK的1.4和2.2倍。这说明施加NO₃^- 氮肥可以显著促进玉米对Cd的吸收，且促进作用随着施加浓度的增加而增强，但对Cd在玉米体内茎向传输的促进效果不明显。施加高、低浓度NH₄ ⁺ 氮肥时玉米Cd富集系数分别为3.4和9.5，与CK处理相接近，但差异不显著；NH₄ ⁺ 氮肥处理组的转运系数大于NO₃^- 氮肥处理组，分别为0.19和0.21，分别是CK的3.8和4.2倍。尿素处理下玉米Cd富集系数分别为102.3和12.8，介于NO₃^- 氮肥和NH₄ ⁺ 氮肥处理之间；转运系数分别为0.17和0.42，是CK的3.4和8.4倍，说明与其他施氮处理相比，施加尿素更有利于促进玉米体内Cd的传输。

3 讨论

3.1 不同氮肥处理对Cd胁迫下玉米生长的影响

重金属污染影响植物生长，严重时会导致植物死亡^[32]，适量的施肥可显著促进植物生长。大量研究结果表明，氮元素在施肥过程中对植物生长影响较大^[33]，本研究中玉米的株高、生物量、叶绿素含量在Cd胁迫下明显下降，适当浓度氮肥处理可促进Cd胁迫下玉米的生长，使上述各指标升高，从植物表型生长指标的角度体现出施氮处理对Cd胁迫下玉米生长的影响，株高和生物量在NO₃^- 氮肥处理组达到最大值，而叶绿素含量SPAD值在NO₃^- 氮肥和尿素处理组远大于NH⁺ ₄ 氮组，由图2也可以看出，NO₃^- 氮肥能更好地缓解Cd对植物的毒害，而NH₄ ⁺ 氮肥处理下玉米的各种生长指标与对照较为接近，这与孙磊等^[34]的研究结果基本一致。NO₃^- 氮肥处理下玉米株高、生物量较大，与NH₄ ⁺ 氮肥和尿素有所差异，这一结果可能与它们施入后的情况及进入植物体内的代谢过程有关。本试验中苗期玉米生长利用较多的是NO₃^- 氮，NO₃^- 氮易溶于水，能够促进苗期玉米吸收阳离子，很好地促进有机阴离子生成，同时NO₃^- 氮的硝酸根离子是阴离子，很难被吸附，也就是说其极不容易保存，虽然有效性时间较短暂，但速效性却很好^[35]，即硝态氮肥肥效快。因此在施用硝态氮时按照“多次少量”的原则效果会更好。

3.2 不同氮肥处理对玉米富集、转移Cd的影响

由图4、表2可以看出，施氮对玉米组织内重金属Cd含量和富集系数有很大的影响，通过CK与T7对比可知，玉米中Cd含量主要来自培养过程中的外源添加，在T7处理下玉米可正常生长且无Cd的吸收与富集。从表2也可以看出，在施Cd处理下随施氮量的添加玉米对Cd的富集整体呈上升趋势，说明在含Cd的生长环境中，3种氮肥均能促进玉米对Cd的富集。整体来说，玉米地下部Cd含量明显高于地上部，因为根是玉米从营养液中吸取Cd的第一站，苗期玉米主要是从地下部的根吸收Cd并向地上部的茎叶输送。溶解于培养液中水溶态的重金属通过植物体内的质体流和扩散作用到达植物根部并被吸收，再依靠地下部质膜上的转运蛋白随植物流向地上部运输，到达茎叶^[36]。氮是影响重金属吸收的重要因素，不同氮肥对玉米重金属富集系数的影响也不同。氮对重金属的吸附解吸、形态转变、迁移大小有重要作用，因为氮肥肥料的多样性，氮对重金属的作用也更为复杂^[37]。本研究发现施加硝态氮肥可以显著促进玉米地下部对Cd的吸收，而施加尿素则更有利于促进玉米体内Cd由地下向地上传输。硝态氮肥处理下玉米植株的生物量与Cd的累积吸收量成正比，玉米生长越旺盛，对Cd的吸收累积越多，Cd在高浓度硝态氮处理下富集系数达到最大值204.0。尿素在溶液中会水解为NH₄ ⁺ 和CO₂，进一步硝化释放出H⁺，提高Cd的生物有效性，但是其影响作用因施加量和植物种类而异^[38]。本研究中低浓度的尿素能够显著促进Cd的茎向传输，这与李志贤等^[39]的研究结果一致。不同形态的氮肥在植物体内的代谢过程存在差异，从而影响重金属在植物体内的化学形态，导致植物体内不同结合态重金属的迁移能力有明显的差异，进而影响重金属的运输与富集。在生产实践中，氮肥形态的选择可作为控制玉米对重金属的吸收、提高农产品安全性的一种措施。

4 结论

重金属Cd（5mg/L）能够显著抑制玉米幼苗的生长（P<0.05），对玉米具有毒害作用。

在重金属Cd胁迫下，施加不同形态的氮肥均对玉米的生长起促进作用，增幅范围为2.7%～27%，对Cd毒性有一定缓解作用。

在施氮水平相当的条件下，3种氮肥对玉米富集Cd能力影响的大小依次为NO₃^- 氮肥处理> 尿素处理>NH₄ ⁺ 氮肥处理，而各施氮水平的改变对玉米生长和吸收富集Cd的促进效果不显著。

硝态氮肥对苗期玉米影响最为明显，能够显著（P<0.05）促进玉米生长，促进玉米对重金属Cd的吸收和富集，其富集系数最大可达204.0，显著高于其他处理。

参考文献