刘文英，高婕妤，万 能，李 倩，万 翔，胡红青*

(1. 华中农业大学资源与环境学院，中国 武汉 430070；2. 湖北省地质调查院，中国 武汉 430034)

近年来，农业土壤重金属污染引起了社会的持续关注。铜矿的开采会导致矿区周边土壤中铜的含量超过农田土壤标准[1]。铜虽然是生物体必需的微量元素，但过量的Cu会对植物的生长发育产生负面影响甚至毒害作用[2]。

在土壤重金属修复措施中，植物修复具有经济有效、环境友好、操作简单及二次污染少等特点，是极有前景的重金属污染治理技术[3]。研究表明，铜的超富集植物有海州香薷(Elsholtziasplendens)和鸭跖草(Commelinaconvnunis)等[4]。但超富集植物普遍存在生物量小、生长缓慢、经济价值不高等不足之处。因此，生物量大、生长迅速且对重金属有较高耐性和富集能力的植物在植物修复中有较好的应用前景。蓖麻(RicinuscommunisL.)是一种重要的油料作物，生物量大、根系发达，具有一定的经济价值，对镉[5]、铜[6]等重金属有较高的耐性和富集能力，因此在铜矿区污染土壤中种植蓖麻是可行的植物修复技术。然而，在重金属胁迫下，如何促进植物对重金属的吸收与转运是提高植物修复效率的关键。

冯子龙等[7]的研究表明，农艺措施可提高重金属去除效率。磷是作物生长的必需元素，施用磷肥不仅能提高作物产量，还能提高植物对重金属富集量[8]。姚诗源等[9]的盆栽实验表明，施磷增强了生长在Cu污染土壤中蓖麻叶片的抗氧化能力，可增加植物对铜的吸收和富集。在Cu污染土壤上施磷，不但可以增强蓖麻对铜的修复效率，同时也能缓解重金属对植物的胁迫，增加蓖麻的生物量和铜在体内的富集量[6]。黄化刚等[10]的研究表明，磷酸盐施用能提高东南景天对Zn/Cd复合污染土壤的修复效率。另一方面，磷酸盐可通过络合、与重金属沉淀等机制固定土壤重金属[11]，降低重金属的生物有效性，减少重金属对根系的胁迫，促进根系对其他养分的吸收，改善植物的生长。Li 等[12]的研究表明，KH2PO4，NH4H2PO4和Ca(H2PO4)2均能显著提高红壤对铜的吸附能力。可见，磷对植物修复重金属污染土壤的影响是多方面的，其对植物吸收转运铜的机制和修复效率的影响有待进一步探究。

本研究在Cu污染农田土壤中种植蓖麻，探究不同施磷(过磷酸钙)水平能否促进蓖麻生长，增强植物吸收Cu的能力，为污染土壤植物修复技术提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地为湖北省大冶市铜绿山铜矿区旁的农地，位于大青山曹家湾(N 30°48′20″，E 114°55′46″)。该区域盛产铜矿，经过多年的开采和冶炼，现存的尾矿渗出及雨水淋溶加重了周边土壤的铜污染。该区域土壤是典型铜污染土壤，地带性土壤为红壤。研究地海拔120 m，年平均气温17.5 ℃，年降雨量为1 385 mm，土壤为棕红壤，母质为砂岩风化物。供试土壤基本理化性质如下：pH 6.5，有机质28.2 mg·g-1，全磷0.6 mg·g-1，速效磷12.8 μg·g-1，总Cu质量比664.2 μg·g-1，有效态铜质量比40.7 μg·g-1，粉粒48.5%、粘粒28.8%、砂粒22.7%。

1.2 试验设置

小区设置：小区面积为5 m×3.5 m，每公顷土壤施入180 kg N(尿素)、120 kg K2O(氯化钾)。磷肥(过磷酸钙，含P2O512%)设置4个水平：0，36，72和144 kg·hm-2，分别用NK，LP，MP及HP表示，另设置不施任何肥料的对照CK，每个处理重复3次，随机排列。管理措施均按当地种植习惯进行。

供试蓖麻(RicinuscommunisL.)种子采集于湖北省黄石市。选取籽粒饱满、大小均匀的蓖麻种子，自然风干后保存备用。于2020年5月初播种，采用穴播方式，每小区20窝，每窝3～4粒，出苗7天后间苗，保留每窝1株。

1.3 样品采集与分析

2020年8月底收获蓖麻并采集0～20 cm表层土壤样品进行测定。每小区随机取2株蓖麻，将根、茎、叶分开，105 ℃杀青30 min，65 ℃烘至质量恒定，称取质量，粉碎后过0.25 mm筛。称取0.5 g样品于锥形瓶中，加入10 mL混合酸HNO3-HClO4(体积比4∶1)消煮[13]，定容过滤，滤液中的铜用原子吸收分光光度计测定(Varian AAS240FS)。蓖麻铜转运系数(TF)计算公式如下：

土壤去除植物残体、碎石后，自然风干，磨细过2.54和0.25 mm尼龙筛。基本理化性质测定参照《土壤农化分析》[14]。土壤pH采用pH计(Mettler-Toledo FE20)测定，液土比(mL·g-1)2.5∶1。称取0.5 g过0.25 mm筛的土壤，用HCl-HNO3-HClO4(体积比1∶3∶1)200 ℃下消煮，测定土壤的总Cu含量。不同形态Cu采用改进的BCR(European Communities Bureau of Reference)连续提取法提取[15]。土壤有效态铜采用DTPA法提取。提取液中Cu均用原子吸收分光光度计测定(Varian AAS240FS)。

1.4 数据分析与制图

采用Excel 2007和SPSS 22.0进行数据分析，Duncan进行显著性分析，Origin 8.5作图。

2 结果与分析

2.1 施磷对蓖麻生长的影响

由图1可见，施磷显著增加了蓖麻各部位干质量。只施氮肥和钾肥的处理(NK)与未施肥(CK)处理相比，蓖麻根、茎、叶分别增加了73.7%，154.5%和76.7%。蓖麻根、茎和叶干质量随着施磷量的增加而增加，当施磷量为144 kg·hm-2时，根、茎和叶干质量分别为61.8，121.6和45.1 g·株-1，是CK处理的4.0，4.8和2.8倍，是NK处理的2.3，1.9和1.6倍(p<0.05)。MP处理根干质量与NK相比显著增加了63.5%，LP处理的蓖麻根、茎和叶干质量与NK处理的差异均不显著。

图1 施磷对蓖麻干质量的影响

在未施磷肥处理中，蓖麻茎干质量大于根和叶的，且根、叶的干质量相近；而在施磷肥处理中，3部分的干质量表现为：茎>根>叶。显然，施肥能促进蓖麻的生长，增加蓖麻各部位生物量，而增施较多的磷肥促进蓖麻各部位生长的效果更显著。

2.2 施磷对蓖麻不同部位富集铜的影响

2.2.1 对蓖麻不同部位铜含量的影响 如图2所示，施磷降低了蓖麻根系铜含量，增加了茎和叶中铜含量。当施P2O5量分别为36，72和144 kg·hm-2时，蓖麻根含Cu量分别为44.5，45.7和52.9 μg·g-1，与CK和NK相比降低了2.5%～17.9%和10.9%～13.2%，而HP与NK相比，根部铜质量分数增加了3.1%。

图2 施磷对蓖麻铜含量的影响

在施磷处理中，磷用量增加可显著增加蓖麻茎部铜含量，LP，MP，HP与NK相比，铜质量分数分别增加了9.5%，13.8%和29.3%，差异显著。当施P2O5量为72和144 kg·hm-2时，与NK相比，蓖麻叶片铜质量比略有增加，达到34.0和34.6 μg·g-1，但差异不显著；与CK相比，在此施磷量下显著增加了蓖麻叶片铜质量比，增幅为16.0 μg·g-1，增幅达88.9%。在MP和HP处理下，与NK相比，蓖麻籽中铜质量分数分别增加了0.7%和2.7%，但均不显著。蓖麻各部位铜含量表现为：根>叶>籽>茎。

2.2.2 施磷对蓖麻体内铜富集和转运的影响 蓖麻根、茎和叶铜提取量均随着施磷量增加而增加(见表1)。当施P2O5量为72和144 kg·hm-2时，蓖麻根的铜积累量分别为2.05和3.28 mg·株-1，与NK相比显著增加了47.5%和136.0%；在施磷处理中，HP处理显著增加了根部铜提取量，是只施氮钾肥(NK)处理的2.4倍。

蓖麻茎的铜积累量在HP处理时达最大值1.83 mg·株-1，与其他处理间差异显著，与NK相比增加了1.4倍。施磷显著地促进了蓖麻叶片铜的积累，MP和HP比NK处理的叶片铜积累量分别增加了58.1%和106.8%。

施磷与未施肥(CK)处理相比，整株蓖麻对铜的积累增加了65.6%～251.3%；在MP和HP处理下，铜的提取总量分别达到4.25和6.64 mg·株-1，分别是NK处理的1.5倍和2.3倍。显然，施磷能显著促进蓖麻对铜的提取。

从表1可以看出，施磷可以改变蓖麻对铜的转移能力。施磷处理下蓖麻体内铜从根到茎的转运系数与NK处理相比，增加了21.7%～26.1%；却降低了蓖麻茎到叶的铜转运系数，LP，MP及HP处理比NK处理低5.5%～24.8%。同时施磷使蓖麻茎到籽粒的转运系数降低了10.8%～20.2%。显然，施磷能提高铜从蓖麻根到茎的转移，同时降低铜从茎到叶和籽粒的转移系数，提高蓖麻铜吸收量，增加了蓖麻籽粒的产量并改善品质。

表1 施磷对蓖麻提取Cu和铜转运系数的影响

2.3 施磷对土壤铜形态和有效态铜的影响

施肥后土壤Cu形态的变化如图3A所示。可以看出，施磷降低了弱酸提取态铜质量分数，与未施磷处理(NK)相比降低了1.8%～6.0%，各施磷处理与NK处理差异均不显著。MP处理时弱酸提取态铜质量分数最低，占总铜的9.3%，但当施磷量为144 kg·hm-2时，可还原态和可氧化态铜质量分数分别为31.9%和17.0%，均显著高于NK处理。残渣态铜的占比随着施磷量的增加呈先增加后降低的趋势，施P2O5量为36和72 kg·hm-2时，残渣态占总铜量的比率分别为48.3%和48.2%，比NK处理增加1.5%。而当施P2O5量为144 kg·hm-2时，残渣态铜质量分数下降到41.4%，与未施磷处理相比降低了12.9%(P<0.05)。可见，低、中施磷量能降低土壤弱酸提取态铜，增加残渣态铜含量。

施磷对土壤DTPA提取态有效铜含量影响如图3B所示。高施磷量增加了土壤有效铜含量，当施P2O5量达144 kg·hm-2时，土壤有效铜质量比为91.1 μg·g-1，与NK相比显著增加了135.4%。而中低量施磷处理下，有效铜含量与NK和CK处理差异均不显著。

图3 施磷对土壤不同形态铜质量分数(A)和有效铜(B)的影响

2.4 施磷对土壤pH值和有效磷的影响

由图4A可见，施用氮磷钾肥显著降低了土壤pH值。施肥处理土壤的pH值在5.0左右，与CK相比显著降低约0.9个单位，但不同施磷量处理之间，土壤pH值变化不明显，即本研究中施磷对土壤pH值无明显影响，意味着本试验施肥降低土壤pH值可能主要是受氮、钾肥的影响。

土壤有效磷含量变化如图4B。只施氮钾肥的处理(NK)土壤有效磷质量比降低，由CK处理的11.5 μg·g-1降到了9.7 μg·g-1，降低15.6%，但差异不显著。LP，MP和HP处理下，土壤可利用磷质量比分别为20.7，19.9和24.3 μg·g-1；与NK相比分别增加了114.1%，106.1%和151.3%，且LP，MP处理与HP处理差异显著。可见，施磷能显著增加土壤有效磷含量。

图4 施磷对土壤pH值(A)和有效磷(B)的影响

2.5 施磷对土壤基本性质的影响

土壤CEC受到施肥量的影响(见图5A)，当施P2O5量为36和72 kg·hm-2时，土壤CEC分别为157和162 μmol·g-1，与NK处理相比降低了6.0%和3.7%，差异不显著。而当施磷量为144 kg·hm-2时显著增加了阳离子交换量，与NK处理相比显著增加了12.6%，且与LP和MP处理差异显著。原因可能是过磷酸钙含有钙和镁等元素，增加了土壤交换性阳离子含量。高施磷量显著增加了土壤DOC含量(见图5B)，HP处理时DOC质量比为116.8 μg·g-1，是NK处理的1.4倍，与土壤有效铜变化趋势相同，而中低量施磷对土壤DOC的影响不明显。未施肥CK处理DOC含量均显著高于NK、LP和MP处理，原因可能是蓖麻根系受到铜胁迫分泌低分子量有机酸类的有机物而增加了土壤DOC含量。可见，高施磷量能显著增加土壤CEC和DOC含量。

图5 施磷对土壤CEC(A)和DOC(B)的影响

图6显示了施肥条件下土壤DOC的荧光光谱。所有处理的荧光峰位置在270 ex/(420～430) em。荧光峰位置相似表明不同施肥处理中土壤有机质有相似的化学组成。在不同处理下，荧光强度值范围在103～231，荧光强度表现为HP>CK>NK。DOC结构的复杂程度与荧光强度密切相关，HP处理的土壤DOC具有较大的荧光强度，表明该DOC分子量小，为低芳香聚合的简单结构；而NK处理者荧光强度最小，结构更复杂。研究表明，不同DOC对土壤重金属的活性有不同的影响，植物根系分泌的小分子量有机化合物含有羧基、羟基等基团，能与土壤重金属络合，增加其有效性，而高分子量有机质对重金属的络合能力减弱[16,17]。可见，施磷可影响土壤DOC的结构，进而影响重金属的有效性。

图6 施磷条件下土壤中可溶性有机碳荧光光谱

3 讨论

在植物修复重金属污染土壤的研究中，生物学产量不仅可作为评价植物耐性的重要指标，且能直接影响修复效果[18]，通过增加生物量而促进植物对重金属的富集是一种有效的方法。磷是植物必需的大量元素，是影响植物生长的关键限制因子之一。施磷可以增加作物生物量，从而增加植物对重金属的提取量，同时，可溶性磷酸盐能有效地固定重金属，降低土壤有效态重金属含量，增加有效态向残渣态的转化，缓解重金属对植物根系的毒害。

本研究中，施磷显著增加了铜污染土壤中蓖麻的干物质量(见图1)。张水勤等[19]、陈晨等[20]的研究表明植物根系的生长和形态改善，能有效增加根与土壤的接触面积，促进植物对其他养分的吸收。这可能是施磷促进蓖麻根系生长，增加对其他养分的吸收，最终提高了其生物量的原因之一。施磷也促进植物对磷的吸收，增强植物的抗氧化防御能力，降低重金属对植物的胁迫，促进植物叶绿素合成和光合作用[21]，这可能是施磷促进蓖麻生长的另一个原因。因此，在铜污染土壤中施磷，可提高蓖麻的生物量，增加植物修复效率。蓖麻生物量大、耐贫瘠、生长快，在铜质量比为664.2 μg·g-1土壤中能生长，未表现出明显的毒害作用，铜富集量达1.89～6.64 μg·株-1，说明蓖麻是一种有效的铜富集植物。本研究结果表明，蓖麻对铜的总富集量随着施磷量的增加而增加，各施磷处理与NK处理相比增加了8.3%～129.8%(见表1)，且高施磷处理效果更佳。这与王丽等[22]、孙琴等[23]的研究结果一致。原因可能是施磷虽降低土壤酸溶态铜含量，但是促进了蓖麻根系的生长，增加了蓖麻根系长度和表面积，从而增加了铜被吸收的几率；磷也可能与铜形成络离子而被植物吸收，促进铜在植物体内的迁移，减少铜在蓖麻根部的大量沉积，缓解了铜对植物根的毒害，从而促进了蓖麻对铜的吸收转运。影响植物修复效率的因素主要有地上部重金属含量和生物量，而本研究中，施磷促进了蓖麻各部位生物量的增加，有效增加了蓖麻根系对土壤铜的吸收，促进了重金属从蓖麻根向茎的转移，增加了地上部铜浓度，郭劲君等[24]的研究也表明，氮磷钾配施更有利于增加植物地上部铅浓度。而磷如何调控植物向地上部转运重金属还有待从转录组学进一步探究。植物地上部重金属的积累更能准确地反映植物的修复效率，施磷显著增加了蓖麻地上部对铜的提取量，其主要原因是生物量增加，这与曹柳等[25]利用向日葵修复镉污染土壤的研究结果一致；次要原因可能是施磷促进了蓖麻根部对铜的富集能力，提高了植物对重金属向地上部转运的能力，降低了铜对蓖麻根的毒害。当施P2O5量为72和144 kg·hm-2时，能有效地提高蓖麻对铜的提取量。因此，通过施磷提高植物对重金属的吸收和富集是一种可行的途径。

土壤磷含量与重金属的有效性有密切的联系，研究表明，钙镁磷肥、磷矿粉等难溶性磷肥能降低土壤重金属的有效性，降低植物对重金属的吸收[15,26]。本研究中施中、低量磷肥时，土壤酸溶态铜含量降低，残渣态铜含量增加。一方面是施磷增加了蓖麻对铜的吸收，另一方面土壤速效磷含量是影响土壤铜形态的重要因素之一，磷酸根离子吸附后，增加了土壤表面负电荷量，使重金属更多吸附在土壤颗粒表面，降低重金属的活性。而在碱性土壤中，更有利于产生溶解度较小的重金属磷酸盐，减少重金属的移动性。当施磷量为144 kg·hm-2时，土壤有效态铜显著高于NK和CK处理，而残渣态铜含量低于NK处理，其原因可能是蓖麻具有发达的根系，高浓度磷进一步促进根系生长和分泌物的增加[27]，显著增加土壤DOC含量，且其结构较CK和NK处理下更简单，有利于铜的络合，增加了铜的移动性和有效性[28]。因此，当施P2O5量为36和72 kg·hm-2时，能有效增加供试土壤残渣态铜含量；而当施磷量为144 kg·hm-2时，更有利于植物对铜的吸收。

4 结论

施磷可以显著促进蓖麻的生长，增加蓖麻各部位干质量。当施P2O5量为36和72 kg·hm-2时，降低了土壤弱酸提取态铜含量。蓖麻茎和叶中铜含量随着施磷量的增加而增加，且促进了铜向茎的转移，地上部生物量和铜含量的增加进一步提高了蓖麻对铜的吸收和累积，提高了蓖麻的修复效率。总的来说，在供试施磷量水平下，72和144 kg·hm-2处理对蓖麻提取土壤铜有显著效果。