近年来，土地的开发利用和经济的快速发展导致我国土壤重金属污染日益严重。土壤重金属污染不仅破坏了生态系统的稳定性^[1]，重金属元素在食物链中的传递与富集也对人类的健康产生危害^[2]。因此，从土地资源保护和生态可持续发展方面考虑，重金属污染土壤的治理技术在环境科学领域受到了广泛的关注。与物理化学修复技术比较，以重金属超积累植物为主的植物吸取修复技术以其低成本、绿色环保等优势被广泛认可及应用^[3,4,5]。于浙江矿区发现的Zn、Cd超积累植物伴矿景天（Sedum plumbizincicola X.H. Guo et S.B. Zhou ex L.H. Wu）能有效地修复不同程度Zn、Cd污染的土壤，且其以富集能力强、生物量大、适于刈割等特性在污染土壤修复方面显现出广阔的应用前景^[6,7,8,9]。

施肥是提高农田土壤肥力和增加农作物产量的重要农艺措施之一^[10,11]。Fayiga等^[12]的研究表明，施肥也是提高超积累植物修复污染土壤效率的重要辅助措施。氮作为植物生长发育最主要的必需营养元素之一，在田间也常是植物生长首要的限制性营养元素。已有研究表明，施用氮肥可极大地促进重金属超积累植物天蓝遏蓝菜（Noccaea caerulescens）的生长和对重金属Zn、Cd的吸收^[13,14]。重金属胁迫条件下，不同形态的氮素可影响植物的生长代谢及重金属吸收能力。Willaert等^[15]发现（NH₄）2SO₄能促进菠菜对Cd的吸收，水培条件下莴苣经NH⁺₄-N处理比NO^-₃-N处理更能富集Cd。对印度芥菜和Cd高积累油菜的研究结果表明，NH⁺₄-N处理下植物对Cd的吸收量显著高于NO^-₃-N处理^[16,17]。伴矿景天作为Zn、Cd污染土壤修复的一种重要超积累植物，目前研究更多地集中于肥料品种筛选及某一元素施用量的探索上^{[16,18,19,20,21]}，多数以水培或砂培形式研究不同形态氮肥对植物生长和重金属吸收性的影响^{[22,23,24,25]}，盆栽条件下的研究较少^[26]，且不同形态氮肥对其Zn、Cd污染土壤修复效率的影响尚未有研究。

因此，本文通过开展盆栽试验，采用单边根袋法研究铵态氮肥和硝态氮肥施用对伴矿景天根际和非根际土壤中Zn、Cd的化学行为、伴矿景天生物量以及Zn、Cd吸收量的影响，以期为伴矿景天在Zn、Cd污染土壤上的修复实践提供依据。 1 材料与方法 1.1 供试材料

供试Zn、Cd超积累植物伴矿景天采自浙江杭州郊区某矿区，采用种子育苗，蛭石做培养基，营养液为Hoagland全营养液，于中国科学院南京土壤研究所植物生长室进行培养。培养条件为：温度25 ℃（光照）/20 ℃（黑暗），相对湿度65%~70%，光照时间14 h，光强1.5×104 lx。待幼苗长出根系后选择大小相近、长势一致的幼苗移栽，每盆定植幼苗4株。幼苗成活后通过称重法每天浇去离子水，保持土壤含水量为最大田间持水量的70%。

供试土壤为普通简育水耕人为土（Typic Hapli-Stagnic Anthrosols），采自浙江杭州郊区某重金属污染农田，该区土壤因大量重金属以粉尘的形式释放到大气，再沉降到附近农田而受重金属污染严重。土壤样品装袋运回实验室，风干、过2 mm尼龙筛，测定其含水量、待用。其土壤pH为6.47、有机质35.6 g·kg^-1、阳离子交换量（CEC）12.9 cmol（+）·kg^-1、全氮1.84 g·kg^-1、全磷0.52 g·kg^-1、全钾15.3 g·kg^-1、速效氮91.5 mg·kg^-1、速效磷9.10 mg·kg^-1、速效钾42.0 mg·kg^-1。土壤重金属全量分别为Cu 56.1 mg·kg^-1、Cd 0.80 mg·kg^-1、Pb 62.7 mg·kg^-1、Zn 223 mg·kg^-1。 1.2 试验设计

采用单边根袋法^[27]开展根际试验，共设3个处理：N0P1K2（记为CK，只施磷钾肥，不施氮肥），N1P1K2-NH₄（记为NH⁺₄-N，施铵态氮肥），N1P1K2-NO₃（记为NO^-₃-N，施硝态氮肥），每处理5次重复。根盒尺寸为90×70×70（长×宽×高，单位mm，下同），根袋尺寸为70×10×70。每盆装土360 g（烘干基），每个根袋内种植景天4株。根袋内部以及距根袋5 cm处分别安装土壤溶液取样器（荷兰产）。氮肥用量均为200 mg·kg^-1，铵态氮肥用（NH₄）₂SO₄，硝态氮肥为Ca（NO₃）₂；磷肥用KH₂PO₄，用量为P素60 mg·kg^-1；钾肥用K₂SO₄，用量为K素 160 mg·kg^-1。磷肥作基肥全部施入，氮钾肥1/2作基肥施入、1/2在植物培养一个月后作追肥施入。

盆栽试验于中国科学院南京土壤研究所植物生长室进行，试验采用随机排列方式，并定时交换位置以减小因光照强度不同带来的误差。每天浇去离子水，保持土壤含水量为最大田间持水量的70%。伴矿景天培养第70、75 d时分别抽取土壤溶液，测定土壤溶液中可溶性有机碳（DOC）、NO^-₃-N、NH⁺₄-N及Cd、Zn浓度。第80 d时收获，采集根际和非根际土壤样品和伴矿景天地上部样品。 1.3 样品处理与分析

将收获后的伴矿景天地上部用自来水洗净，随后用去离子水润洗3次，105 ℃杀青30 min，70 ℃烘至恒重，记录干物重。植物样品通过不锈钢粉碎机粉碎后采用HNO₃-HClO₄消化，原子吸收光谱法[Varian SpectrAA 220FS（火焰）、220Z（石墨炉）]测定消化液中Zn、Cd浓度。分析过程所用试剂均为优级纯，试验所用水为超纯水。植物分析过程加入国家标准参比物质（GSV-2），测定结果均符合质量控制要求。植物全氮测定参照土壤农化分析^[28]。

盆栽试验采集的土壤溶液中NO^-₃-N和NH⁺₄-N浓度用连续流动分析仪[Skalar San++System（荷兰Skalar仪器公司）]测定；Zn、Cd采用X7 ICP-MS（DZ/T0223-2001）测定；DOC采用Multi N/C 2100 TOC仪[德国耶拿（Jena）公司生产]测定。将收获植物后的土壤样品与1 mol·L^-1 NH₄OAc（pH 7）按1∶5的土液比连续振荡16 h，3000 r·min^-1离心5 min，将上清液过滤，用火焰原子吸收法测定NH₄OAc提取态Zn、Cd；收获植物时采集根际及非根际（距离根袋5 cm）土壤，与2 mol·L^-1 KCl浸提液按1∶5的土液比振荡1 h，取出静置后收集滤液，测定土壤KCl提取态NO^-₃-N和NH⁺₄-N。 1.4 数据统计

采用Microsoft Excel及SPSS 13.0软件进行数据统计分析，不同处理间的差异性分析通过一元方差分析（LSD）实现，显著性水平定为P<0.05。 2 结果与分析 2.1 对土壤溶液DOC、NO^-₃-N、NH⁺₄-N和Zn、Cd浓度的影响

根际环境下，施氮处理对土壤DOC浓度无显著影响（表 1）。NO^-₃-N处理显著提高了土壤溶液中NO^-₃-N和NH⁺₄-N浓度，且NO^-₃-N浓度为NH⁺₄-N处理的29.2倍；非根际环境下，施氮处理显著降低了土壤溶液中DOC浓度，提高了NO^-₃-N浓度，但对NH⁺₄-N浓度无显著影响。两种形态氮肥对非根际土壤溶液中NH⁺₄-N浓度均无显著性影响，但NO^-₃-N处理下根际土壤溶液中NH⁺₄-N浓度显著高于NH⁺₄-N处理，可能与不同氮肥处理影响了土壤氮素的转化有关，有待深入探讨；两种形态氮肥处理，无论根际或非根际，其土壤溶液中均表现为NO^-₃-N浓度远高于NH⁺₄-N浓度，与常规现象一致。

表 1 不同氮肥处理下伴矿景天根际与非根际土壤溶液中DOC、NO^-₃-N和NH⁺₄-N浓度（mg·L^-1） Table 1 Concentrations of DOC,nitrate and ammonium in soil solution from rhizospheric and bulk soils of Sedum plumbizincicola in different N treatments（mg·L^-1）

表选项

表 2中给出了不同氮肥处理下根际和非根际土壤溶液中Zn和Cd的浓度。与CK处理比较，NH⁺₄-N处理对根际土壤溶液Zn和Cd浓度均无显著影响，NO^-₃-N处理下土壤溶液中Zn和Cd浓度则分别显著增加291%和61.9%。非根际环境下，施氮处理均显著提高了土壤溶液中Zn和Cd的浓度，但Zn和Cd的浓度在NH⁺₄-N和NO^-₃-N处理间无显著性差异。

表 2 不同氮肥处理下伴矿景天根际与非根际土壤溶液中Zn、Cd浓度变化 Table 2 Concentrations of Zn and Cd in soil solution from rhizospheric and bulk soils of Sedum plumbizincicola in different N treatments

表选项

与CK处理比较，NO^-₃-N处理下土壤可提取态NO^-₃-N浓度显著增加，但NH⁺₄ -N处理对土壤可提取态NO^-₃-N浓度无显著影响（图 1）。不同施肥处理条件下，土壤可提取态NH⁺₄-N浓度与CK处理均无显著性差异。

不同小写字母表示不同处理间差异显著（P<0.05）。下同。 Different lowercase letters indicate significant differences（P<0.05） between treatments. The same below. 图 1 不同氮肥处理下伴矿景天根际与非根际土壤提取态中NO-3-N和NH+4-N浓度 Figure 1 Concentrations of KCl extractable nitrate and ammonium in rhizosphere and bulk soils of Sedum plumbizincicola in different N treatments

图选项

从图 2可以看出，除NO^-₃-N处理根际与非根际的土壤提取态Zn浓度无显著差异外，其余处理均存在Zn和Cd的根际富集效应。与CK处理比较，施氮处理根际土壤可提取态Zn和Cd浓度无显著差异；非根际条件下，NO^-₃-N处理土壤可提取态Zn浓度显著高于NH⁺₄-N处理，为其1.32倍。

图 2 不同氮肥处理下伴矿景天根际与非根际土壤NH4OAc提取态中Zn、Cd浓度 Figure 2 Concentrations of NH4OAc extractable Zn and Cd in rhizospheric and bulk soils of Sedum plumbizincicola in different N treatments

图选项

CK、NH⁺₄-N、NO^-₃-N处理下，伴矿景天的生物量分别为（0.83±0.06）、（1.24±0.04）、（0.64±0.04）g·pot^-1，三者之间差异达到显著性水平。与CK处理比较，伴矿景天地上部生物量在NH⁺₄-N处理下显著增加49.4%，但在NO^-₃-N处理下显著下降22.9%。施肥处理影响伴矿景天体内的Zn、Cd浓度（图 3）。NO^-₃-N处理显著增加植物体内Zn和Cd浓度，增加率分别为38.2%和110%，NH⁺₄-N处理则对Zn和Cd浓度无显著影响。因为两种不同氮肥对伴矿景天生物量、Zn和Cd浓度的影响表现出相反的规律，所以进一步通过Zn和Cd总吸收量评价氮肥形态对污染土壤Zn和Cd修复效率的影响。与CK处理比较，NH⁺₄-N处理显著提高Zn和Cd总吸收量，增率为53.3%和123%，NO^-₃-N处理则对两种重金属元素的总吸收量无显著影响。

图 3 不同氮肥处理下伴矿景天体内Zn、Cd浓度及吸收性 Figure 3 Concentrations and uptake of Zn and Cd in Sedum plumbizincicola in different N treatments

图选项

NH⁺₄-N处理下，土壤中Zn、Cd总量分别减少（3.45±0.24）、（0.069±0.002）mg·pot^-1，土壤Zn、Cd去除率分别为4.30%、24.0%；NO^-₃-N处理下，土壤中Zn、Cd总量分别减少（2.24±0.49）、（0.052±0.007） mg·pot^-1，土壤Zn、Cd去除率分别为2.79%，18.1%。 3 讨论 3.1 氮肥形态对伴矿景天地上部生物量的影响

本研究结果显示，不同形态氮肥显著影响伴矿景天地上部生物量。Bloom等^[25]发现，水培或砂培条件下植物吸收NH⁺₄-N需要较少的能量，较NO^-₃-N更能促进植物根细胞和根系生长。此外，NH⁺₄-N以NH3的形态可通过快速扩散形式穿过细胞膜进入植物细胞与有机酸结合形成氨基酸或酰胺，从而被植物直接利用^[29]。有研究发现NH⁺₄-N比NO^-₃-N更能促进玉米根系生长^[25]，且叶片叶绿素高于NO^-₃-N处理^[24]，并使生物量增加；李继光等^[30,31]研究发现NH⁺₄-N处理下东南景天地上部生物量高于NO^-₃-N处理。本试验中，NH⁺₄-N处理下土壤溶液和提取态NO^-₃-N及根际土壤溶液中NH⁺₄-N浓度均显著低于NO^-₃-N处理。这说明NH⁺₄-N处理下土壤中含有适量能被植物快速吸收利用的NH⁺₄-N以及大量硝化而得的NO^-₃-N，更能促进植物生长和生物量的增加。NO^-₃-N处理下土壤中可能是因为NO^-₃-N浓度过高，在供给植物地上部生长的同时抑制了氮素向根部的转移，从而使根系发育不良、影响了植物生长^[32]。这与王西娜等^[33]过量施氮对作物无显著增产效果的结果相似。 3.2 氮肥形态对伴矿景天Zn、Cd吸收浓度的影响

土壤养分可通过对重金属在土壤中的存在形态、迁移和吸附解吸等过程的影响改变其生物有效性^{[34,35,36,37,38]}。不同形态氮肥在土壤中的转化同样会对重金属的生物有效性产生显著影响，进而影响植物对重金属的吸收^{[16,17,39,40,41,42]}。本研究结果显示，NO^-₃-N处理下伴矿景天地上部Zn、Cd浓度显著高于NH⁺₄-N处理。与对照比较，施肥处理均显著提高了非根际土壤溶液中Zn和Cd浓度，但NO^-₃-N处理均显著提高了根际土壤溶液中Zn和Cd浓度，而NH⁺₄-N则无显著影响。以上结果说明，NO^-₃-N处理更利于根际土壤重金属的活化，从而利于植物根系对Zn和Cd的吸收及向地上部的转运。与对照处理比较，NO^-₃-N和NH⁺₄-N处理对土壤可提取态Zn和Cd浓度无显著影响。此外，NO^-₃-N处理下根际土壤溶液中NH⁺₄-N浓度显著高于NH⁺₄-N处理，NH⁺₄在土壤中能短暂增加重金属Zn和Cd的活性^[43]。因此，在本研究中，与土壤水溶态Zn和Cd比较，用土壤可提取态浓度评价植物对Zn和Cd的吸收特性存在一定局限性，可能与盆栽条件下复杂的土壤环境有关。 3.3 氮肥形态对伴矿景天Zn、Cd吸收量的影响

不同氮肥类型会影响重金属超积累植物的生长以及对重金属的吸收，且NH⁺₄-N比NO^-₃-N更能促进植物对重金属的吸收与积累^{[14,29,30,44,45]}，如烟草^[46]、莴苣类植物^[47]、油菜^[16,17]、芥菜^[48]、龙葵^[49]等。李继光等^[30,31]发现NH⁺₄-N处理的超积累植物东南景天地上部Cd积累量显著高于NO^-₃-N处理。NH⁺₄-N虽不能显著提高龙葵地上部Cd浓度，但可显著提高地上部干重，因而显著提高龙葵地上部Cd的积累量，最大可提高2.8倍^[49]。也有研究表明，植物在NH⁺₄-N溶液中吸Cd量比在NO^-₃-N溶液中大^[50]。本研究中，盆栽条件下施用NH⁺₄-N肥比NO^-₃-N肥更能促进伴矿景天的生长，更能增加地上部生物量，但植物体内Zn、Cd浓度在NO^-₃-N处理下高于NH⁺₄-N处理。这与Hu等^[22]的研究结果一致，认为NO^-₃-N虽能提高Cd的有效性但对伴矿景天的生长不利。本研究结果显示，伴矿景天对Zn和Cd吸收量与植物地上部干重规律一致。由此可见，与NO^-₃-N处理相比，伴矿景天对Zn、Cd吸收性的增加是因为NH⁺₄-N处理下其生物量的增长率高于地上部Zn、Cd浓度的降低量。 4 结论

本研究结果表明，在盆栽条件下施用硝态氮肥更能提高根际土壤Zn、Cd的生物有效性，但施用铵态氮肥更有利于促进伴矿景天的生长和生物量的快速增加。铵态氮肥处理下，伴矿景天生物量增长率显著大于其地上部Zn、Cd浓度的下降幅度，因而总体表现为Zn、Cd吸收量高于硝态氮肥处理，即施用铵态氮肥更能提高伴矿景天对Zn、Cd污染土壤的修复效率。