我国磷矿资源储量丰富, 居世界第二位, 但是其“粗放型”的开发利用方式造成了资源的严重浪费(刘建雄, 2009), 不仅如此, 大量的磷矿开采后, 其周边环境还遭到破坏而沦为磷矿废弃地。磷矿废弃地主要是由磷矿开采过程中的表层剥离土和废弃矿石渣堆积而成, 植被与景观受到很大程度的破坏, 成为一类十分特殊的退化生态系统(蓝崇钰等, 1993)。因其地表大面积裸露, 土壤中高浓度的磷极易产生淋溶和侵蚀, 使大量的磷随地表径流汇入水体, 从而导致水体富营养化(付登高等, 2013)。有学者认为地表径流中的水溶性磷含量过高是水体富营养化的最主要原因, 这已成为全球广泛关注的环境问题(Sharpley et al., 2001)。因此, 对磷富集土壤进行修复是治理水体富营养化的一条有效途径(Xiao et al., 2009)。

植物修复技术是利用超富集植物对土壤中的元素进行吸收和富集, 并通过刈割、收获等方式转移和清除土壤中有毒或过剩元素的一种绿色生态技术, 其主要用于重金属污染土壤的修复(韦朝阳和陈同斌, 2001)。鉴于其成本低、见效快、绿色环保的优点, 植物修复技术近年来受到不少学者的青睐, 已被应用于磷过剩土壤的修复(Novak & Chan, 2002; Xiao et al., 2009), 即通过在磷过剩土壤中种植植物来吸收磷, 将土壤中的磷转移到植物体内, 从而降低土壤磷浓度。由于磷矿废弃地的土壤基质少, 磷含量高, 往往对一般植物产生毒害作用, 不利于其生长繁殖, 所以筛选适应能力强、对磷吸收和转移能力强的超富集植物是磷矿废弃地生态修复的关键(Sharma et al., 2007; 郭彦荣等, 2009)。

目前, 国内外已有许多学者对磷富集植物筛选及其机理进行了相关研究, 并针对磷富集植物提出了一定的筛选标准。Novak和Chan (2002)认为, 植物地上部磷含量高于10 g·kg^-1的植物才可作为磷富集植物。有学者研究发现, Gulf和Marshall两种不同基因型的多花黑麦草(Lolium multiflorum)在最佳环境条件下(土壤pH 5.6, 温度20-28 ℃), 其地上部磷含量均可超过干质量的1%, 即10 g·kg^-1, 表现出较强的富磷特性(Sharma & Sahi, 2005), 但它却不能抵御严寒和夏季高温。Sharma等(2007)利用盆栽试验从40多种豆类、蔬菜和牧草中筛选出黄瓜(Cucumis sativus)、西葫芦(Cucurbita pepo)作为磷富集植物, 因其在高磷生境下不仅具有较高的生物量, 且地上部磷含量能够达到14 g·kg^-1。近年来, 国内学者也开始了磷富集植物的筛选研究。Xiao等(2009)通过野外采样对矿山生态型和非矿山生态型的12种优势植物的磷富集能力进行了比较分析, 发现矿山生态型粗齿冷水花(Pilea sinofasciata)和水蓼(Polygonum hydropiper)地上部磷含量最高, 分别为16.23和8.59 g·kg^-1, 可作为潜在的磷富集土壤修复植物; Huang等(2012)则采用室内模拟实验, 对两种生态型水蓼的磷富集能力进行了验证; 刘霜等(2013)进一步探讨了两种生态型粗齿冷水花的富磷特征及其根系形态差异。

然而, 现已筛选出的可用于大范围推广的磷富集植物物种数甚少, 并且, 关于植物磷富集能力在不同生长时段的变化规律研究鲜见报道。鉴于向日葵(Helianthus annuus)、苏丹草(Sorghum sudanense)生物量大、生长迅速、易于刈割等优点, 且二者均为重金属修复植物, 对胁迫环境的耐受性强(郭平等, 2007; 叶文玲等, 2008), 很有可能成为磷富集土壤修复的潜在物种, 有研究表明葫芦科植物可作为磷富集植物(Sharma et al., 2007; 徐蕾等, 2012)。本文以向日葵、苏丹草、南瓜(Cucurbita moschata)为研究对象, 采用盆栽试验探讨其生物量与磷处理浓度之间的关系, 比较3种植物地上部磷含量及其磷累积总量的大小差异, 分析高磷处理对植物富集系数和转移系数的影响, 并揭示3种植物磷吸收和转移能力在不同时间尺度上的变化规律, 以期为磷富集植物的筛选提供科学依据, 并为磷矿废弃地的生态治理与植被恢复提供新的备选物种和理论基础。

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试土壤取自中国科学院武汉植物园, 过筛去除土壤中的石块、杂质, 与砂质土壤按1:1比例混匀后备用。供试植物为向日葵、苏丹草和南瓜。3种植物的种子在实验温室内播种出苗后, 将苗床转移至试验大棚进行炼苗, 供盆栽试验备用。

1.2 试验设计

盆栽试验在武汉植物园试验大棚(四周空旷, 顶盖为透明玻璃)内进行, 栽培所用花盆规格为: 口径22 cm, 深16 cm。准确称取2.5 kg供试土壤装入盆内, 于2013年3月20日进行施磷处理: 设置5个磷水平, 以KH₂PO₄的形式分别按0、100、300、500和700 mg·kg^-1浓度施磷, 即0、0.25、0.75、1.25、1.75 g·pot^-1。为使各个处理的土壤钾含量一致, 以磷浓度700 mg·kg^-1处理下钾含量为基准, 通过计算, 在其他磷浓度处理下施以相应量的K₂SO₄进行补齐(Huang et al., 2012; 徐蕾等, 2012), 且各处理施入0.3 g·kg^-1尿素作为基肥。试验期间进行3次采样, 故以上每处理9个重复, 3种植物盆栽共135盆。因试验大棚四周空旷, 且花盆摆放仅占地约20 m², 故忽略试验大棚内微环境的影响, 分5个浓度区摆放花盆, 以方便管理和采样, 各浓度区之间间隔30 cm, 各区内随机排列, 并为花盆贴上标签。施磷处理后, 让花盆中的土壤静置一段时间, 使磷充分扩散、溶解在土壤中, 一周以后, 选择长势良好、大小一致的向日葵、苏丹草、南瓜幼苗分别移栽入各试验花盆。移栽后每天傍晚浇水, 待幼苗成活后, 隔天进行浇水。浇水采用普通浇花水壶, 每次浇水适量, 以刚好润湿土壤而不从盆底滴漏为宜。植物生长期间采用自然 光照。

1.3 样品采集与测定

试验期间进行3次样品采集, 采样时间分别为植株生长4周(前期)、7周(中期)、10周(后期), 每次每个处理采集3个重复。采样时将整个植株从花盆中取出, 用剪刀将植物地上部与根系分离, 获得植物地上部和地下部, 分别用清水冲洗掉植物体及根系上的泥土与杂物, 再转移至烘箱, 105 ℃杀青30 min, 80 ℃烘干至恒重, 称量植株地上部干质量。植物样粉碎后, 称取一定量样品, 采用微波消解仪(Ethos One, Milestone, Italy)进行消解, 制备样液, 并用钼锑抗比色法测定磷(鲍士旦, 2000)。采集植物样后, 将盆中土壤混合均匀, 取适量土样, 自然风干后过100目筛。称取0.1000-0.1500 g土样, 进行微波消解, 制备样液, 并用钼锑抗比色法进行土壤全磷的测定(鲍士旦, 2000)。

1.4 地上部磷累积量、富集系数和转移系数

植物地上部磷累积量为地上部干质量与磷含量的乘积, 即磷累积量(g) = 干质量(g) ×磷含量(g·kg^-1) × 1000。

富集系数指植物地上部磷含量与相应土壤中磷含量的比值; 转移系数则是植物地上部磷含量与地下部磷含量的比值, 两者综合反映了植物对土壤磷的吸收和转移能力。具体计算公式如下:

富集系数=植物地上部磷含量/土壤中磷含量;

转移系数=植物地上部磷含量/地下部磷含量。

1.5 数据处理

试验数据采用Excel 2010和SPSS 16.0软件进行统计分析。各处理使用one-way ANOVA进行方差分析, 并采用最小显著差法(LSD)进行多重比较, 在p < 0.05水平上比较显著性差异。

2 结果和分析

2.1 土壤磷浓度对植物生物量的影响

不同浓度磷处理对供试植物(除苏丹草)的前4周生长影响显著(p < 0.05)。随着土壤磷处理浓度的增大, 向日葵、南瓜植株地上部生物量先增加后减少, 说明高浓度磷处理可能对二者的前期生长有一定的抑制作用; 当供试植物生长7周, 向日葵、南瓜的地上部生物量在不同磷处理间均无显著性差异(p > 0.05), 而此时苏丹草地上部生物量却受到了磷处理浓度的显著影响(p < 0.05), 呈现出随浓度增大而增加的趋势(表1), 对比分析可知, 苏丹草对磷处理的响应较向日葵、南瓜迟缓。当供试植物生长10周, 磷处理浓度对3种植物地上部生物量的影响均不显著(p > 0.05), 也就是说在植株生长后期, 其生物量的增加不受磷处理的促进或抑制, 可能是因为供试植物对供磷产生了耐性。另外, 相同浓度磷处理下, 三种植物在4周、7周、10周的生物量均呈现出显著差异(p < 0.05), 即随着生长时间的延长, 其地上部生物量不断增大。

2.2 土壤磷浓度对植物地上部磷含量的影响

相同生长时间内, 随着磷处理浓度的增加, 向日葵、苏丹草(除10周外)和南瓜各处理水平之间地上部磷含量均出现显著差异(p < 0.05)。其中向日葵各处理地上部磷含量表现出随磷处理浓度增大而大幅增加的趋势(图1), 当生长时间为10周, 700 mg·kg^-1磷处理下, 达最大值9.67 g·kg^-1, 约为对照组的3.37倍。对比分析, 随着磷处理浓度增大, 苏丹草、南瓜的地上部磷含量也随之增加, 但上升的趋势缓慢, 其受高磷处理的促进作用可能较小。另外, 在高浓度磷处理下, 向日葵各生长时段内的地上部磷含量均高于其他两种植物(p < 0.05), 苏丹草、南瓜地上部磷含量的最大值分别是4.86、6.32 g·kg^-1, 为向日葵的50.26%、65.36%。

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图1   五种浓度磷(P)处理下3种植物地上部磷含量随时间的变化(平均值±标准误差, n = 3)。不同小写字母表示不同磷处理间差异显著(p < 0.05); 不同大写字母表示各生长时段差异显著(p < 0.05)。

Fig. 1   Variations of phosphorus (P) concentration in shoots of three plant species with time at five P concentrations (mean ± SE, n = 3). Different lowercase letters indicate significant differences among P treatments (p < 0.05). Different capital letters indicate significant differences among growth periods (p < 0.05).

相同浓度磷处理下, 随着生长时间的增长, 向日葵地上部磷含量显著升高(p < 0.05) (0、100 mg·kg^-1处理组除外), 说明向日葵随着生长期的延长对磷进行了一定的累积; 而苏丹草处理组与对照组地上部磷含量均呈现明显的下降趋势(p < 0.05), 这可能是因为苏丹草的各个生长时期对磷的需求量不同导致的; 另外, 南瓜地上部的磷含量随时间增长无显著变化(p > 0.05)(100 mg·kg^-1处理组除外), 可能是因为南瓜在生长前期对磷的吸收较快, 当生长时间为4周时其地上部磷浓度已相对饱和, 之后随着生长期的延长则不再升高, 植物体内的磷含量维持在较小的波动范围内。

2.3 三种植物地上部磷累积量的比较

植物地上部磷累积量的大小受生物量和地上部磷含量差异的共同影响。相同浓度磷处理下, 3种植物地上部磷累积量均随生长期的延长而显著增加(p < 0.05), 其中向日葵的地上部磷累积量增长幅度最大, 南瓜次之, 苏丹草最小(图2)。在生长时间为10周, 磷浓度700 mg·kg^-1处理下, 向日葵、苏丹草、南瓜的地上部磷累积量均达到最大值, 分别为217.83、93.92和135.82 mg·plant^-1, 但同样条件下苏丹草的生物量却明显高于其他两种植物(表1), 这说明3种植物地上部磷累积量的差异主要是由地上部磷含量不同所致。另外, 相同生长时间内, 3种植物地上部磷累积量均受到磷处理浓度的显著影响(p < 0.05), 即磷处理浓度越大, 其地上部磷累积量越多。3种植物中向日葵地上部磷累积量最大, 其随磷处理浓度增大而升高的幅度明显大于苏丹草和南瓜(图2)。

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图2   三个生长时段内3种植物地上部磷累积量(平均值±标准误差, n = 3)。不同小写字母表示不同磷处理下差异显著(p < 0.05); 不同大写字母表示不同物种间差异显著(p < 0.05)。

Fig. 2   The aboveground total phosphorus (P) accumulations in three plant species over three growth periods (mean ± SE, n = 3). Different lowercase letters indicate significant differences among P treatments (p < 0.05). Different capital letters indicate significant differences among plant species (p < 0.05).

2.4 三种植物对土壤全磷含量的影响

不同供试植物对土壤全磷含量的变化影响差异显著(p < 0.05)。由图3可知, 向日葵盆中土壤全磷含量随着生长时间增长而急剧下降, 其在后两个生长阶段的平均下降幅度分别为6.68%和8.32%。南瓜盆中土壤全磷含量亦呈下降趋势, 但比向日葵稍缓, 南瓜在后两个生长时间段内的平均减幅相差较大, 分别为7.33%和2.07%, 说明南瓜在生长后期的磷吸收能力可能减弱。另外, 苏丹草盆中土壤全磷含量的变化趋势为先下降后上升, 说明在生长后期苏丹草可能通过根系将植株体内的部分磷重新释放回土壤, 同时解释了苏丹草地上部磷含量为什么会随生长时间的延长而下降的现象(图1)。但方差分析结果显示, 苏丹草盆中土壤全磷含量(0 mg·kg^-1组除外)在不同生长时段内无显著性差异(p > 0.05)。

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图3   三种植物盆栽土壤的全磷含量变化(平均值±标准误差, n = 3)。不同小写字母表示不同生长时段差异显著(p < 0.05); 不同大写字母表示不同磷处理下差异显著(p < 0.05)。

Fig. 3   Variations of total phosphorus (P) concentration in soils of the pots containing three plant species (mean ± SE, n = 3). Different lowercase letters indicate significant differences among growth periods (p < 0.05). Different capital letters indicate significant differences among P treatments (p < 0.05).

2.5 三种植物磷富集系数和转移系数的比较

富集系数和转移系数可以反映植物对土壤磷的吸收和转移能力。研究发现, 3种植物的富集系数和转移系数均受到了磷处理浓度和生长时间的影响(表2)。相同生长时间内, 向日葵、南瓜的磷富集系数均随磷处理浓度升高而增大, 而苏丹草则无显著变化(p > 0.05); 相同浓度磷处理下, 向日葵的磷富集系数随生长时间的延长而增大, 苏丹草则减小, 南瓜无显著变化(p > 0.05)。向日葵、苏丹草、南瓜的最大富集系数分别为11.39、5.88、7.90。由表3可知, 在不同浓度磷处理下, 向日葵和苏丹草的磷转移系数均大于1.00, 南瓜则波动较大, 为0.71-1.82。其中向日葵的磷转移系数呈现出随时间和磷处理浓度增加而增大的趋势, 但只有生长时间为10周时, 其各浓度处理之间磷转移系数的差异才达到显著水平(p < 0.05), 磷浓度为700 mg·kg^-1时, 向日葵转移系数最大, 为4.09。苏丹草和南瓜的转移系数表现出相同的变化规律: 低浓度磷处理下随着生长时间的延长而减小; 高浓度磷处理下随着生长时间的延长先减小后增大; 相同生长时间内, 苏丹草(10周除外)、南瓜的转移系数在各浓度磷处理下均无显著差异(p > 0.05)。

3 讨论和结论

磷富集植物筛选是植物成功修复磷过剩土壤的关键。关于超富集植物的界定, 一般有以下几个基本标准(Brooks et al., 1979; Baker et al., 1983; 韦朝阳和陈同斌, 2001; 韩少华等, 2012; 李有志等, 2012): (1)植物地上部富集目标元素的含量要高于一定临界值, 现广泛采用的磷参考值为10 g·kg^-1 (Novak & Chan, 2002); (2)植物地上部的富集系数和转移系数均大于1, 即地上部元素含量要高于根部或土壤中相应的元素含量; (3)植物对高浓度生境有一定耐受性, 能正常生长, 生物量大。

本研究表明, 3种供试植物的地上部磷含量大小顺序为: 向日葵>南瓜>苏丹草。其中向日葵地上部磷含量最大值达9.67 g·kg^-1, 与磷富集植物标准临界值10 g·kg^-1极为接近, 虽然这与已有的磷富集植物地上部磷含量在其他浓度磷处理下及不同生长期可达到的最大值还相差较远(表4), 如矿山生态型粗齿冷水花磷含量可达到的最大值为22.85 g·kg^-1 (刘霜等, 2013)、Duo festulolium (一种Lolium × Festuca杂交的牧草)磷含量可达到的最大值为17.2 g·kg^-1 (Padmanabhan et al., 2013)、黄瓜磷含量可达到的最大值为11.0-18.8 g·kg^-1, 西葫芦磷含量可达到的最大值为9.0-15.2 g·kg^-1 (Sharma et al., 2007)。研究还发现, 随着磷处理浓度增大, 向日葵地上部磷含量呈急剧上升趋势(图1), 说明向日葵对磷的吸收和富集还存在很大的潜力, 其地上部磷含量在更高的磷处理浓度下可能还会增加; 而且在时间尺度上的分析表明, 生长期的延长有利于向日葵体内磷的持续累积。

Monni等(2000)和Pant等(2004)提出: 植物修复的效率主要取决于植物地上部对目标元素的累积总量, 以及植物地上部的年生物量。在本研究相同处理条件下, 向日葵的地上部磷累积量显著高于南瓜和苏丹草(p < 0.05)。在700 mg·kg^-1高磷处理下, 向日葵生长10周, 其地上部磷累积量达最大值, 为217.83 mg·plant^-1, 远远高于叶代桦等(2014)所研究的矿山生态型水蓼(800 mg·kg^-1磷处理, 生长12周, 最大磷累积量仅为105.12 mg·plant^-1), 这充分表现出向日葵很强的磷吸收和累积能力。与此同时, 向日葵盆中的土壤全磷含量随生长时间延长而大幅下降, 说明向日葵对高磷土壤具有良好的修复潜力。另外, 磷富集植物对磷矿废弃地的修复效率还与该植物的单位面积生物量有关。单位面积生物产量越高, 磷累积总量就越大, 从而可提高修复效率。向日葵属于一年生草本, 生长快速, 并适合片植。有研究表明: 高水平生产条件下, 向日葵的种植密度可达5.85-7.35万株·hm^-2 (孙书蕴和陈建忠, 1985), 因此其单位面积生物量很高, 符合磷富集植物的筛选 要求。

此外, 植物地上部的富集系数和转移系数也是磷富集植物筛选的重要指标(韩少华等, 2012), 两者综合反映了植物对土壤磷的吸收和转移能力(Xiao et al., 2009)。富集系数和转移系数越大, 说明植物对土壤元素的吸收和转运能力越强, 越有可能作为超富集植物(李有志等, 2012)。在本试验各处理下, 向日葵、苏丹草的富集系数和转移系数均大于1, 符合磷富集植物的筛选标准。Xiao等(2009)通过野外采样研究发现: 12种矿山生态型植物的富集系数和转移系数高于非矿山生态型植物, 在其所研究的植物中, 富集系数和转移系数的最大值分别为6.25 (川西柳叶菜(Epilobium fangii))和3.39 (水蓼)。与之比较, 本研究中向日葵的富集系数和转移系数则更加可观, 最大值分别为11.39和4.09, 表现出较强的磷吸收和转运能力。但叶代桦等(2014)采用盆栽试验研究发现, 矿山生态型水蓼的磷富集系数在800 mg·kg^-1磷处理下、生长4周时亦能达到11.71, 而此时水蓼地上部磷累积量却极低, 仅为7.32 mg·plant^-1 (表4), 与向日葵相差甚远。另外, 苏丹草和南瓜的富集系数与转移系数也大于1或最小值接近1, 但其地上部的磷含量均较低, 且苏丹草随着生长时间的延长, 地上部磷含量甚至呈下降趋势(图1)。总体来看, 苏丹草、南瓜对磷的富集能力较弱, 因此不能作为磷富集植物。

综上所述, 本研究中3种植物的磷吸收和富集能力的大小为: 向日葵>南瓜>苏丹草。其中向日葵的地上部磷含量最高可达9.67 g·kg^-1, 对磷的累积总量较高(217.83 mg·plant^-1), 且富集系数和转运系数均大于1, 具有较强的磷吸收和富集能力; 并能在高磷生境下正常生长, 其地上部生物量的积累不受抑制。因此, 向日葵的这些特性在很大程度上符合磷富集植物的筛选标准, 表现出良好的植物修复潜力。另外, 向日葵还具有根系发达、抗旱耐瘠薄、生物量大等优点(郭艳丽等, 2009), 且分布范围极广, 适应性强, 生长快, 易于收割(武殿林, 1992; Ruso et al., 2001)。因而向日葵较其他磷富集植物表现出更多的优势, 是一种可用于磷矿废弃地土壤与植被修复的备选物种。

致谢 中国科学院武汉植物园郭屹立博士、王庆刚博士、鲍大川、路俊盟、徐耀粘和张奎汉, 武汉工程大学实习生刘峰、王临运在幼苗移栽和采样工作中给予大力帮助, 中国科学院广西植物研究所廖建雄老师对本论文撰写提出宝贵意见和细心指导, 在此一并致谢。

The authors have declared that no competing interests exist.

作者声明没有竞争性利益冲突.

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