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(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.鄭州鄭氏化工產(chǎn)品有限公司，河南 鄭州 450008）

自工業(yè)革命以來，鎘（Cd）污染成為了全球性的環(huán)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(jiān)測的4類污染區(qū)中，大氣沉降中Cd 的貢獻(xiàn)占總輸入通量的80%以上[3]。同時，因水資源短缺，在農(nóng)業(yè)灌溉中使用未經(jīng)處理或處理不達(dá)標(biāo)的工業(yè)廢水或城鎮(zhèn)生活污水等，同樣造成農(nóng)用地重金屬的累積[4]。由于Cd 在環(huán)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(xiàn)在生長受阻、植株黃化、活性氧濃度增加和細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)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(yán)重威脅[8]。長期食用受Cd污染的農(nóng)產(chǎn)品會導(dǎo)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(yǎng)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(jìn)植物生長發(fā)育具有重要作用[11]。Cd與植物所需的營養(yǎng)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(luò)合能力較強(qiáng)，能與Cd反應(yīng)生成CdHPO4或CdH2PO4+等絡(luò)合物，這種絡(luò)合物與氫氧化物進(jìn)一步反應(yīng)產(chǎn)生沉淀，降低土壤中游離的Cd2+，進(jìn)而減少植物對Cd 的吸收和累積[16]。然而，也有研究者認(rèn)為P 能促進(jìn)作物對Cd 的吸收[17]。施加磷肥可促進(jìn)小麥生長，增加小麥Cd 累積量，且促進(jìn)根系中Cd 向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)[18]；在Cd 脅迫下，外源P 增加了水稻各部位Cd 累積量，促進(jìn)了Cd 從根系向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)等[19]。

由此可以看出，關(guān)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?zhǔn)俏覈钪饕募Z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(jié)期、揚(yáng)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(fēng)險提供理論和實踐依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試小麥品種為百農(nóng)207，盆栽試驗用土取自河南農(nóng)業(yè)大學(xué)科教園區(qū)，土壤系潮土。采集0～20 cm 表層土，經(jīng)自然風(fēng)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(zhì)：pH 值8.28、有機(jī)質(zhì)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(shè)計

以磷酸二氫鉀為P 源，共設(shè)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(fù)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?jǐn)嚢杌靹虿⒀退胶? 個月后進(jìn)行熟化[21]。按設(shè)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(jié)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(jié)期、揚(yáng)花期和成熟期采集土壤和植株樣品。土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)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(zhì)量，記錄小麥各部位生物量。

1.4 測定指標(biāo)與方法

土壤基本理化性質(zhì)和植株樣品的測定按照常規(guī)分析方法[22]進(jìn)行。土壤pH值用電位法測定，土壤有效態(tài)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(jīng)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(jīng)硫酸-過氧化氫消煮后，采用釩鉬黃比色法，用酶標(biāo)儀（SpectraMax M2）在700 nm波長下測定各部位全P含量。

小麥轉(zhuǎn)移系數(shù)計算方法：

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

用Microsoft Excel 2016 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，用DPS V9.01 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用單因素方差分析和LSD法進(jìn)行多重比較（P＜0.05），用Origin 2021制圖。

2 結(jié)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(jìn)，土壤pH 值呈上升趨勢。小麥拔節(jié)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(yáng)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(jìn)一步縮小。由此可知，隨著小麥生育時期的推進(jìn)，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(tài)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(jìn)，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(jié)期分別增加了135.48%、740.40%，揚(yáng)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(jìn)，土壤有效態(tài)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(tài)Cd 含量。其中，P150 和P600 處理土壤有效態(tài)Cd 含量在拔節(jié)期、揚(yáng)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%?？芍寥烙行B(tài)Cd 含量隨小麥的生長發(fā)育逐漸降低，同時外源施用磷肥能夠顯著降低土壤有效態(tài)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(tài)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(jié)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(yáng)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(dá)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(jìn)小麥生長，增加小麥生物量及產(chǎn)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(jié)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(yáng)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(zhuǎn)移系數(shù)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(jié)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(dá)到顯著水平。揚(yáng)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(dá)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(zhì)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(zhuǎn)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(jié)期分別降低了12.80%、17.95%，揚(yáng)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(zhuǎn)移系數(shù)，分別降低了48.72%、42.32%。

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

2.6 相關(guān)性分析

為進(jìn)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(tài)Cd含量與小麥各部位全P含量、Cd含量之間的關(guān)系進(jìn)行了皮爾遜相關(guān)性分析，結(jié)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(guān)關(guān)系，與根系全P含量呈極顯著相關(guān)關(guān)系，與莖稈和葉片全P 含量在0.001 水平上相關(guān)。小麥根系全P 含量與莖稈全P 含量呈極顯著相關(guān)關(guān)系，與葉片全P 含量呈顯著相關(guān)關(guān)系。小麥莖稈全P 含量與葉片、穗軸全P 含量均呈顯著相關(guān)關(guān)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(guān)關(guān)系。穗軸全P 含量與穎殼全P 含量呈顯著相關(guān)關(guān)系。穎殼全P 含量與籽粒全P 含量呈極顯著相關(guān)關(guān)系。根系Cd 含量與籽粒全P 含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與根系、莖稈、穗軸和穎殼全P 含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與葉片全P含量在0.001水平上負(fù)相關(guān)。葉片Cd 含量與籽粒Cd 含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與葉片、穎殼全P 含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)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(fù)相關(guān)，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(tài)Cd與小麥各部位全P、Cd含量的相關(guān)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(jié)論與討論

3.1 外源施用磷肥顯著降低了土壤有效態(tài)Cd含量

本研究結(jié)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(tài)Cd 含量。這與區(qū)惠平等[23]的研究結(jié)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(tài)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(fù)電荷的數(shù)量，另一方面增強(qiáng)了土壤對Cd 離子的吸附能力，進(jìn)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(nèi)培養(yǎng)試驗研究了4 種不同形態(tài)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(fā)現(xiàn)磷酸二氫鉀的鈍化效果最優(yōu)，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(tài)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(guān)，并可能與磷肥在土壤-植物系統(tǒng)中的化學(xué)轉(zhuǎn)化過程有關(guān)。

施用磷肥后土壤理化性質(zhì)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(dǎo)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(zhuǎn)移[30]。磷酸氫二鉀（K2HPO4）為強(qiáng)堿弱酸鹽，一方面其在土壤溶液中主要以磷酸二氫根形態(tài)存在，能將吸附在土壤膠體上的氫氧根解吸，導(dǎo)致土壤pH 值增加[16]；另一方面土壤膠體負(fù)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(jī)質(zhì)、鐵錳氧化物等）與土壤Cd 的結(jié)合更牢固，進(jìn)而降低了土壤有效態(tài)Cd含量[31]。本研究中，隨著小麥生育時期的推進(jìn)，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(tài)Cd 含量，這可能是植株體內(nèi)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(jié)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(jìn)了小麥的生長，P 作為植物必需營養(yǎng)元素之一，能夠提高植物對外界環(huán)境的適應(yīng)能力，從而促進(jìn)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(tài)分布時發(fā)現(xiàn)，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(xié)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(jìn)了水稻根系對Cd 的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)[34]。這可能與土地利用類型（水田、旱地等）以及復(fù)雜的P、Cd、作物之間的相互作用有關(guān)。

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(zhuǎn)移[36-37]以及Cd由莖葉向籽粒的轉(zhuǎn)移[38]。關(guān)于不同P、Cd 濃度對水稻生長發(fā)育影響的研究結(jié)果表明，外源P 能促進(jìn)水稻生長發(fā)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(zhuǎn)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(fā)現(xiàn)，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(jié)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(jìn)其生長發(fā)育，進(jìn)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(jìn)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(nóng)藝措施，改善小麥的生長及品質(zhì)狀況，使其達(dá)到國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

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(tài)Cd含量，明顯緩解Cd 對小麥的毒害效應(yīng)；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(yōu)。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(zhuǎn)移系數(shù)，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(zhuǎn)移。