氮肥形态对小麦镉吸收及转运的影响

于冲冲，高 巍，叶优良，冯文静，刘红恩，聂兆君，秦世玉，李 畅，赵 鹏

(河南农业大学 资源与环境学院/河南省土壤污染防控与修复重点实验室，郑州 450002)

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试小麦品种为‘百农207’。试验于2018年9月至2019年6月在河南农业大学科教园区(34°46′N,113°40′E)进行，供试土壤利用多点取样法取自河南农业大学许昌校区试验场 (34°01′N,113°49′E)的耕层土壤(0～20 cm)，土壤为壤质潮土，其营养成分为：pH 7.92，有机质11.1 g·kg-1，速效磷10.21 mg·kg-1,速效钾 140.1 mg·kg-1,碱解氮70.4 mg·kg-1，全镉0.06 mg·kg-1。

1.2 试验设计

表1 基肥的组成Table 1 Composition of base fertilizer

1.3 测定项目及方法

产量及产量构成要素：记录每盆小麦的所有麦穗数量，为每盆穗数；从每盆小麦中随机选取10个麦穗，记录每个麦穗上的籽粒数，最后取平均数，记录为每盆穗粒数；小麦烘干脱粒后，从所有籽粒中随机数取1 000粒，称量记录，为每盆千粒质量；小麦烘干脱粒后，称取每盆所有籽粒质量，为每盆产量。

镉含量和氮含量：参照Zhao等[16]的方法。称取待测样品0.50 g于三角瓶中，加HNO3-HClO4混合酸(体积比为4∶1)10 mL，静置过夜之后置于电热板上至完全消化，用离子水定容到25 mL容量瓶中，过滤后用火焰原子吸收分光光度计(ZEEnit 700；Analytik Jena AG，德国)测定镉浓度。称取待测样品0.20 g于消化管中，以浓H2SO4-H2O2完全消化[17]，设置3个空白对照。用凯式定氮仪测定氮浓度。

Cd分配比例=每盆各部位Cd累积量/每盆Cd总累积量×100%

根镉外排率=根镉外排量/灌浆期根镉积累量×100%

根镉转移率=成熟期植株根镉转移量/灌浆期根镉积累量×100%

根镉固定率=1-(根镉转移率+根镉外排率)

根再分配对籽粒贡献率=(开花到成熟期根镉积累减少量-根镉外排率)/(叶片+颖壳+籽粒镉变化量)

茎秆转移率=成熟期植株茎秆镉转移量/灌浆期茎秆镉积累量×100%

茎秆固定率=1-茎秆转移率

茎秆再分配对籽粒贡献率=开花到成熟期茎秆镉积累减少量/(叶片+颖壳+籽粒镉变化量)

根吸收对籽粒贡献率=1-(根再分配对籽粒贡献率+茎秆再分配对籽粒贡献率)

SPAD值：采用SPAD-502叶绿素计测定。在开花期和灌浆期，选择晴天10:00测定，每盆随机测定3株旗叶，每个叶片测定叶位为叶长1/2及其上下2 cm 3个位置，取平均值为该盆栽旗叶的SPAD值。

根系形态的分析：拔节期收获植株后，将根系和地上部分分开，根系用EPSON全自动扫描仪扫描记录小麦的根系形态并获取根系图像，然后采用WinRHIZO 2009根系扫描分析系统分析得出小麦幼苗的总根长、根总表面积、根体积、平均直径和根尖数。

根际pH：通过抖根法采集根际土壤样品。称取10.00 g过1 mm筛孔风干土样置于50 mL烧杯中，加无二氧化碳水25 mL用玻璃棒混匀搅拌1 min，使土体充分散开，震荡0.5 h，静置30 min后，用pH计测定上清液pH[17]。

1.4 数据处理

采用Excel 2010进行数据处理，利用DPS 7.05进行方差分析(ANOVA)，数据均为3次重复的平均值，图表制作采用Microsoft Excel 2010和Origin 9.0。

2 结果与分析

2.1 氮肥形态对小麦产量及产量构成要素的影响

如表2所示，镉胁迫下氮肥形态对小麦的穗数和穗粒数无显著性影响；但硝态氮处理的千粒质量和产量约为其他两种氮肥处理的1.2倍。相关性分析结果表明，产量与千粒质量之间达到显著性相关(r=1.00，P<0.01)。表明镉胁迫下，硝态氮处理通过增加千粒质量来提高小麦产量。

表2 不同氮肥形态小麦产量及产量构成要素Table 2 Wheat yield and yield components under different nitrogen fertilizer forms

2.2 氮肥形态对小麦镉含量的影响

如图1所示，在成熟期，铵态氮处理的籽粒镉含量较硝态氮和酰胺态氮处理提高约38.5%，表明铵态氮处理促进小麦籽粒镉含量增加。从地上部来看，拔节期到开花期硝态氮和酰胺态氮处理地上部镉含量显著降低约54%；拔节期到灌浆期，铵态氮处理地上部镉含量持续降低约为66%，之后呈现稳定趋势。从根部来看，硝态氮处理的根部镉含量随生育时期延长呈先升高后降低的趋势，在开花期达到最大值(28 μg·g-1)；铵态氮处理的根镉含量从拔节期的60 μg·g-1降低到成熟期的25 μg·g-1，呈持续降低的趋势；酰胺态氮处理的根系镉含量从开花期到灌浆期维持在约35 μg·g-1，在灌浆期到成熟期出现下降趋势。在整个生育期，铵态氮处理下的小麦各部位镉含量均显著高于其他处理。数据经过二级处理后，整株镉含量大小为：铵态氮>酰胺态氮≈硝态氮，开花前镉吸收表现为：铵态氮>酰胺态氮≈硝态氮。结果表明，镉胁迫下随着小麦生育进程的推进，氮肥形态影响小麦体内镉含量的变化趋势，与硝态氮和酰胺态氮处理相比，铵态氮处理促进小麦各部位镉含量的增加，开花期之前，铵态氮处理的镉吸收量显著大于其他两个处理，这可能是导致铵态氮处理小麦各部位镉含量增加的原因。

图中不同字母表示同一镉处理间差异显著(P<0.05)

2.3 氮肥形态对小麦氮含量的影响

如图2所示，拔节期硝态氮处理地上部氮含量显著高于其他处理，成熟期籽粒氮含量较铵态氮和酰胺态氮处理高约19.5%，根氮含量高约 22.5%。从拔节期到灌浆期，3种氮肥形态地上部氮含量均发生显著降低，约为62.0%；硝态氮和铵态氮处理的根系氮含量在拔节期到灌浆期也有相同趋势，而酰胺态氮处理，根系氮含量在拔节-灌浆期维持稳定约为1.0 μg·kg-1，在灌浆-成熟期下降至0.6 μg·kg-1。相关性分析结果表明，成熟期籽粒氮含量与镉含量之间达到显著性负相关(r= -0.98，P<0.01)。结果表明，硝态氮处理籽粒氮含量较高可能是抑制镉含量增加的原因；除酰胺态氮处理将根系氮含量下降趋势移至灌浆期外，从拔节期开始，其他处理小麦地上部和根部氮含量均出现下降趋势。

图2 不同氮肥形态不同生育时期小麦各部位氮含量Fig.2 Nitrogen content of wheat at different growth stages under different nitrogen fertilizer forms

2.4 氮肥形态对各生育时期小麦镉累积及分配比例的影响

表3可以看出，整株镉积累随着生育时期呈现先升后降趋势，在开花或灌浆期，达到最大值。表明在灌浆期前小麦基本完成了镉的吸收，籽粒中的镉主要来源于植株体内镉的再转移，且花后镉可能发生显著外排。整个生育期，铵态氮处理条件下的小麦整株镉积累显著高于其他处理，表明铵态氮处理促进小麦整株的镉积累。

表3 不同氮肥形态各生育时期小麦镉积累及分配比例Table 3 Accumulation and distribution ratio of Cd in wheat at different growth stages under different nitrogen fertilizer forms

从拔节期到灌浆期，硝态氮和酰胺态氮处理下，镉在地上和根系的分配比例为1∶0.85到 1∶1.5，成熟期分配比例为1∶0.25；铵态氮处理，镉在地上部和根系的分配比例始终在1∶1.1到1∶1.5。从灌浆期到成熟期，根和茎杆的镉积累下降；籽粒、颖壳、叶片镉积累量增加。表明茎杆和根系是镉储存的重要器官，且灌浆期到成熟期根系和茎秆中的镉存在向籽粒和叶片的转移。

2.5 氮肥形态对小麦干物质积累速率、镉吸收速率的影响

如图3所示，随着生育期的推进，生物量增加速率呈先升后降趋势，在拔节-开花期，达到最大值。硝态氮与酰胺态氮处理下的生物量增加速率基本一致，而铵态氮处理延缓生物量积累速率的降低。镉吸收速率呈先升后降趋势，镉的吸收在开花-灌浆期基本结束，出苗-拔节是小麦吸收镉的主要且快速阶段，表现为铵态氮>酰胺态 氮>硝态氮。可见，氮肥形态影响小麦干物质积累及镉吸收速率，硝态氮处理降低了镉吸收速率。

图3 不同氮肥形态小麦干物质积累速率及镉吸收速率Fig.3 Accumulation rates of dry matter and Cd under different nitrogen fertilizer forms

2.6 氮肥形态对小麦籽粒干物质和氮、镉积累的影响

小麦籽粒干物质和氮、镉积累主要来源于花前营养器官储存的再转移和花后的吸收或同化。由表3可以看出，灌浆-成熟期，小麦已经停止对镉的吸收。由表4可以看出，籽粒中的镉主要来源于花前的茎秆，占66%～78%；少部分来源于根系，占22%～34%。表明相较于根系，茎秆的花前储存对籽粒贡献率更高。根系储存镉主要存在3个去向，分别是固定、转移和外排；茎秆储存镉主要存在2个去向，分别是固定和转移；3种氮肥处理的小麦根系和茎秆的镉转移率无显著差异，表明氮肥形态并未影响茎秆和根系镉在花后的转移能力。硝态氮和酰胺态氮增加了灌浆期镉的外排比例，而铵态氮有利于镉在根系中固定。由此可见，氮肥形态影响了营养器官镉再转移对籽粒的贡献率，是通过影响茎秆和根系镉在花前的积累量造成的；并且在灌浆期硝态氮和酰胺态氮促进了小麦镉的外排，铵态氮有利于镉在根系中固定。

表4 不同氮肥形态小麦籽粒干物质和氮、镉积累构成Table 4 Dry matter and nitrogen and Cd accumulation in wheat grain under different nitrogen fertilizer forms

2.7 氮肥形态对小麦旗叶SPAD、根系形态和根际pH的影响

由表5可以看出，硝态氮处理下开花期和灌浆期SPAD值分别是铵态氮、酰胺态氮处理均值的1.2倍和1.4倍。相关性分析结果表明，千粒质量与开花期SPAD值(r=0.99，P<0.05)和成熟期SPAD值(r=0.98，P<0.05)均呈显著性相关。表明镉胁迫下硝态氮处理有助于小麦旗叶叶绿素相对含量增加，促进小麦产量的提高。从拔节期到成熟期，铵态氮处理条件下的pH显著低于其他两个处理，约为3%。相关性分析表明，根际pH与整株镉累积存在显著性负相关。表明铵态氮处理由于降低根际pH，增强根系富集镉的能力。氮肥形态可显著影响拔节期小麦根系的总根长和总根尖数。与铵态氮和尿素相比，硝态氮可促进根系的伸长，其增幅分别为21.4%和 25.0%。与酰胺态氮相比，铵态氮和硝态氮显著增加了根尖数，其增幅分别为22.5%和27.7%。相关性分析表明，根长仅与整株氮累积存在显著正相关，与镉累积不存在显著性关系。表明硝态氮处理通过促进根系增长，促进了氮素的吸收 积累。

表5 不同氮肥形态小麦旗叶叶绿素相对含量(SPAD)、根际pH和根系参数Table 5 Relative content of flag leaf chlorophyll (SPAD),rhizosphere pH and root parameters of wheat under different nitrogen forms

3 讨 论

3.1 氮肥形态对小麦镉吸收转运的影响

不同形态氮肥的施用对植物(包括作物和非作物)中镉积累有一定的影响。有研究表明铵态氮的添加增加了水稻、向日葵、红心莲和龙葵[9]中镉的积累；Wang等[18]研究指出，通过施用硝态氮可以促进水稻根系伸长吸收氮素；乔云发等[19]发现，添加硝态氮的处理可能增加水稻根系干物质积累促进根系生长，Mao等[9]发现在莴苣中硝态氮可以抑制镉吸收。目前关于小麦植株镉积累动态研究较少，笔者认为关于氮肥形态对镉吸收和积累影响，需要考虑到土壤重金属污染程度和种类、镉的迁移能力以及植物生长发育阶段等因素。本试验结果表明，铵态氮处理促进小麦各部位镉含量的增加，硝态氮和酰胺态氮处理抑制小麦各部位镉含量的增加。随生育进程小麦整株镉积累呈现先增加后降低的趋势，在开花期到灌浆期达到最大值。在出苗至拔节期，3种形态氮肥处理的小麦整株镉积累量和镉吸收速率表现为铵态 氮>酰胺态氮>硝态氮。同氮素一样，小麦籽粒的镉也主要来源于花前的镉吸收以及花后营养器官的镉转移。

植物体通过自身组织老化的方式将镉排出，并通过根际分泌物调节根际pH，络合或沉淀外排镉。除此以外，植物根系吸收的大部分镉会通过液泡区室化积累在根部或直接通过根表皮细胞上的转运蛋白排除根外[20]。有研究表明，镉胁迫下，NaSH可以降低平邑甜茶根系对镉的吸收、促进镉的外排，减少根系镉积累；盐胁迫也会诱导平邑甜茶根提高对钠离子的吸收和钾离子的外排[21]。本试验结果表明，在籽粒灌浆的主要时期，根系的镉吸收已经结束，且出现了显著的镉外排；贡献率分析结果表明，小麦籽粒镉主要来源于花前根系和茎秆镉储存的再转移，茎秆贡献率高达66%～78%。氮肥形态显著影响了根系镉在固定和外排之间的分配，表现为硝态氮和酰胺态氮处理更加有利于灌浆期镉的外排，而铵态氮处理更加有利于镉固定在根中，但氮肥形态并未影响茎秆和根系镉的转移能力。由此可见，氮肥形态所引起的籽粒镉含量差异，主要是通过影响镉的吸收以及干物质积累所造成的。相关性分析表明，成熟期籽粒镉含量与开花期、灌浆期和成熟期的整株镉积累均呈显著性正相关，且与灌浆期整株镉积累量达到极显著相关，对各时期各部位的小麦生物量、镉含量、镉积累量、氮含量以及氮积累量之间进行相关分析，仅镉含量和镉积累量之间(r=0.81**)以及镉含量和生物量之间(r= -0.43**)存在显著性相关，进一步证明了氮肥形态通过影响小麦生长状况以及镉的吸收积累，影响了小麦籽粒镉含量。

3.2 氮肥形态对小麦干物质累积和氮、镉吸收累积的影响

硝态氮、铵态氮和酰胺态氮是作物可以吸收利用的无机氮素形态。由于植物对其吸收、贮存、运输和同化的过程不同，因此植物的生长发育和营养吸收会因氮素形态不同而不同。酰胺态氮处理的小麦产量、籽粒氮含量和整株氮素累积要高于其他处理。籽粒中的氮素，主要来自生育后期茎秆、叶片等营养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，因此花前氮素累积量直接影响花后氮素的再分配，一般认为花前氮累积量越高，花后再分配氮所占比例也越高[23]。本试验在镉胁迫条件下，籽粒千粒质量、产量与各个时期的整株氮素累积均呈现显著正相关，氮肥形态未影响营养器官储存物质在花后的再转移能力，籽粒氮镉含量的差异是由茎秆和根系在花前的物质积累以及籽粒产量差异共同 造成。

3.3 氮肥形态对小麦光合能力和根际pH的 影响

氮在植物抵御逆境的防御功能中发挥着重要作用[10]，有助于植物的生长和镉的植物修复[21-25]。不同形态氮肥可能会影响植株的形态、生理生化特性，进而影响到根系对营养元素或有毒重金属的吸收。

叶片SPAD值与叶绿素含量、作物产量具有较好相关性，叶片中叶绿素的含量是反映作物营养和生长状况的重要指标[18-19]。本试验条件下，开花期和灌浆期的SPAD值与千粒质量(r= 0.99**)、产量(r=0.99**)、总根长(r= 0.98**)呈显著性正相关，均为硝态氮处理最高，表明与其他处理相比，硝态氮处理通过显著促进SPAD值和总根长增加，从而增加小麦产量；SPAD值与整株镉积累呈显著负相关(r= -0.99**)，硝态氮和酰胺态氮整株镉积累显著小于铵态氮表明硝态氮和酰胺态氮通过促进SPAD值增加，抑制整株镉积累。

4 结 论

硝态氮处理籽粒产量最高，镉含量最低，推荐在镉胁迫土壤中施用硝态氮肥。氮肥形态所导致的籽粒镉含量差异是由茎秆和根系在花前的镉积累以及籽粒产量差异共同引起。硝态氮肥处理通过促进小麦根系伸长和旗叶叶绿素相对含量增加，提高了千粒质量和产量；铵态氮肥处理由于降低根系pH，导致植株镉积累量以及籽粒镉含量显著高于其他氮肥处理。