不同磷石膏添加量對玉米幼苗生長和鎘積累的影響

高永峰 劉繼愷 唐運來 周春壯 張建昆 王仙慧 李志華 王以旺 鄧斌

摘要?[目的]探討磷石膏資源化利用對玉米苗期生長發(fā)育的影響及可能引起的鎘污染風(fēng)險。[方法]采用盆栽試驗，研究不同磷石膏添加量（0、5%、10%、20%、40%和80%）對玉米幼苗生長、葉片色素含量，以及對玉米幼苗鎘積累的影響。[結(jié)果]與對照相比，不同磷石膏添加量處理可顯著降低土壤pH，顯著提高土壤電導(dǎo)率（P<0.05）。隨著磷石膏添加量的增加，玉米幼苗的株高、葉面積、總?cè)~綠素和類胡蘿卜素含量均呈先升高后降低的趨勢。磷石膏處理可顯著抑制玉米幼苗根的生長，但對玉米幼苗莖的生長影響不顯著。不同磷石膏添加量處理的玉米幼苗對鎘的吸收均表現(xiàn)為地下部分大于地上部分;高磷石膏添加量處理（地上部分80%，地下部分20% ～80%）可顯著提高玉米幼苗地上和地下部分的鎘含量。[結(jié)論]不超過10%的磷石膏添加量處理有利于玉米幼苗地上部分的生長和光合能力，且對幼苗鎘積累影響不顯著。

關(guān)鍵詞?磷石膏;玉米幼苗;生長發(fā)育;鎘積累

中圖分類號?Q945.78文獻標識碼?A

文章編號?0517-6611（2019）22-0152-04

Abstract?[Objective]To explore the effect of resource utilization of phosphogypsum on the growth and development of maize seedlings，and the potential cadmium contamination risks that may occurred in the utilization process.[Method]A pot experiment was carried out to investigate the effect of different phosphogypsum addition levels （0，5%，10%，20%，40% and 80%） on the growth，pigment content and the cadmium accumulation of maize seedlings.[Result]Compared with the control，different phosphogypsum additions could significantly decrease the soil pH，and increase the electrical conductivity in soils.The plant height，leaf area，total chlorophyll and carotenoid content of leaf of maize seedlings appeared in the trend of first increased then decreased with the increase of phosphogypsum addition.The growth of root but not the stem of maize seedling was found to be inhibited significantly by phosphogypsum application.The concentration of cadmium in all different phosphogypsum addition levels treated maize seedlings showed the order of roots greater than shoots.In addition，80% and 20%-80% phosphogypsum addition could dramatically increase the cadmium concentration of upground parts and downground parts of maize seedling，respectively.[Conclusion]These results indicated that phosphogypsum application，at doses not exceeding 10% was beneficial for growth，photosynthetic activity of maize seedlings upground parts，and could not affect the cadmium accumulation in maize seedlings.

Key words?Phospogypsum;Maize seedling;Growth and development;Cadmium accumulation

磷石膏是利用磷礦為原料，濕法生產(chǎn)磷酸過程中排放的主要工業(yè)副產(chǎn)物，其生產(chǎn)比為1∶4.5～1∶5.4（磷酸：磷石膏）[1]。磷石膏成分復(fù)雜，主要含有石膏、磷酸鹽、氟化物、某些放射性核素和重金屬，如鎘[2]。雖然近年來我國磷石膏利用量和利用率呈逐年上升趨勢，但由于其產(chǎn)量和利用量增長幅度剪刀差的存在，磷石膏存量不斷加大，大量產(chǎn)生的磷石膏多以露天堆放為主，不僅占用土地，更會對周圍環(huán)境，特別是土壤造成污染[3]。

研究表明，農(nóng)業(yè)資源化利用是磷石膏綜合利用的重要途徑之一。首先，由于磷石膏含有豐富的磷、硫、鈣、硅等元素，因此可以作為肥源應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[4]。Mullins等[5]通過3年的研究發(fā)現(xiàn)，在缺硫土壤中施用59 kg/hm2的磷石膏可顯著增加小麥的品質(zhì)和產(chǎn)量。葉厚專等[6]通過田間試驗發(fā)現(xiàn)，施用磷石膏可使早稻平均增產(chǎn)7.1%，花生平均增產(chǎn)8.4%。石偉勇等[7]研究表明，磷石膏對水稻生長和產(chǎn)量有促進作用。陳永安等[8]通過連續(xù)2年的大田和盆栽試驗表明，向缺磷紅壤旱地上施用磷石膏，可顯著增加大豆、玉米、甘薯的產(chǎn)量。其次，磷石膏還可作為土壤改良劑應(yīng)用于酸性土壤或鹽堿地的改良。酸性土壤中高含量的鋁容易導(dǎo)致植物中毒[9]。磷石膏中豐富的Ca2+、F+和SO42-可分別與土壤中的Al3+和OH-發(fā)生離子交換，生成穩(wěn)定的化合物，從而降低鋁毒害[10-12]。土壤鹽堿化會影響土壤的理化性質(zhì)，對植物生長造成影響。磷石膏中的CaSO4可與鹽堿土壤中的CO32-、HCO3-生成CaCO3、Ca（HCO3）2，降低土壤pH，減少堿性對作物的傷害[13]。SmaouiJardak等[14]向鹽堿化土壤施用磷石膏并種植番茄，結(jié)果發(fā)現(xiàn)磷石膏可增加番茄中鈣和鈉含量，減少鉀含量，并促進番茄的生長，同時還可以降低土壤的鹽堿化程度。

然而，由于磷石膏具有強酸性，且含有多種重金屬和某些放射性核素，使其在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用也具有一定的安全風(fēng)險。如在改良磷石膏基質(zhì)上種植白菜、菠菜、葉用芥菜和上海青，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)4種蔬菜中As、F、Zn的含量均超過《農(nóng)產(chǎn)品安全質(zhì)量無公害蔬菜安全要求》，表明改良后的磷石膏不適宜于種植蔬菜[15-16]。基于此，筆者以玉米為材料，研究不同磷石膏添加量對玉米幼苗生長、葉片色素含量，以及對玉米幼苗鎘積累的影響，以期為在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上安全利用磷石膏提供理論依據(jù)。

1?材料與方法

1.1?材料

供試玉米品種為“貴單8號”。試驗用土采自西南科技大學(xué)后山菜園土，土壤理化性質(zhì)：pH 7.34，有機質(zhì)含量5.93 g/kg，堿解氮含量51.74 mg/kg，速效磷、有效鉀、有效鎂含量分別為7.28、450.20、138.20 mg/kg，鎘含量0.32 mg/kg。供試磷石膏采自四川省綿陽市神龍重科實業(yè)有限公司。土壤和磷石膏自然風(fēng)干后分別過2 mm和1 mm篩，備用。

1.2?材料培養(yǎng)及試驗處理?將經(jīng)挑選的大小一致且籽粒飽滿的玉米種子用10% NaClO消毒10 min，然后用蒸餾水沖洗多次。將沖洗后的玉米種子置于鋪有濕潤濾紙的培養(yǎng)皿中，于25 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，待種子露白約1 cm進行盆栽土培至三葉期。

試驗設(shè)置6個磷石膏添加水平，添加量分別為0（對照）、5%、10%、20%、40%、80%。將含有不同磷石膏添加量的土壤室溫平衡30 d后，澆水使土壤含水量達到15%，然后將土壤分裝至容量為2 L的塑料盆中。每次處理重復(fù)3次，每次重復(fù)設(shè)置3盆。選取長勢一致的三葉期玉米幼苗移栽至含不同磷石膏添加量的土壤盆中，每盆3株。于2018年6月在西南科技大學(xué)溫室內(nèi)進行，自然光照，期間每3 d澆等量的蒸餾水。

1.3?測定項目與方法

1.3.1?土壤pH和電導(dǎo)率。對上述平衡30 d后的土壤分別測定pH和電導(dǎo)率。土壤pH：10 g土壤加入25 mL去離子水，旋轉(zhuǎn)振蕩2 min后靜置30 min，過濾后取上清液，用pH計（PHS-2F，上海雷磁）測定pH。土壤電導(dǎo)率：4 g土壤加入20 mL去離子水，置于恒溫振蕩器內(nèi)，20 ℃振蕩30 min，隨后靜置30 min，3 000 r/min離心30 min，取上清液，用電導(dǎo)率儀（DDS-608，成都世紀方舟）測定電導(dǎo)率。

1.3.2?植株生長指標及鎘含量。

玉米生長30 d后，將幼苗收獲，用自來水將根部的泥土沖洗干凈，再將根浸入20 mmol/L的EDTANa2溶液15 min，用去離子水漂洗干凈后用吸水紙吸去根表面的水分，分別測量根長、株高、最大莖粗、各葉片長和最大葉寬，按照杜彩艷等[17]的方法計算葉面積。

將幼苗地上和地下部分開，分別放入信封，105 ℃殺青30 min，75 ℃烘干至恒重。用粉碎機將烘干的組織磨碎，稱取0.30 g粉末，加入10 mL硝酸和5 mL高氯酸，置于微波消解儀（Mars，美國CEM公司）中進行消解，用原子吸收光譜儀（AA700，美國PE公司）測定鎘元素含量。

1.3.3?葉片葉綠素含量。

采用丙酮萃取法提取玉米幼苗葉片光合色素[18]，萃取液離心后吸取上清液，用微孔讀板器（SpectraMax iD5，美國Molecular Devices）測定樣品470、645和663 nm處的吸光值A(chǔ)，依據(jù)Zayneb等[19]采用的公式分別計算葉綠素a、葉綠素b含量和類胡蘿卜素含量。

1.4?數(shù)據(jù)處理?利用Microsoft Excel 2007軟件處理數(shù)據(jù)并作圖，統(tǒng)計分析軟件SPSS 11.5對測定指標進行統(tǒng)計分析。

2?結(jié)果與分析

2.1?磷石膏對土壤pH及電導(dǎo)率的影響

由圖1可知，土壤pH隨磷石膏添加量的增加而降低，磷石膏添加量為80%時，土壤pH最小，為5.06，比不添加磷石膏的土壤pH（7.34）降低了31.06%，且不同添加量之間差異顯著。此外，添加磷石膏可顯著提高土壤電導(dǎo)率，磷石膏添加量為40%時土壤電導(dǎo)率最高，為2.433，比不添加磷石膏的土壤電導(dǎo)率（0.328）增加了641.77%。

2.2?磷石膏對玉米幼苗生長的影響

不同磷石膏添加量對玉米幼苗生長的影響見表1。從表1可以看出，隨著磷石膏添加量的增加，玉米幼苗的株高與葉面積呈先升高后降低的趨勢，而根長呈逐漸降低的趨勢。磷石膏添加量為5%、10%和20%的玉米幼苗株高分別比對照增加了15.55%、25.64%和18.30%，而40%的玉米幼苗株高與對照間無顯著差異，80%的玉米幼苗株高比對照減少了26.07%。磷石膏添加量為10%和20%的玉米幼苗葉面積分別比對照增加了34.49%和25.71%，而5%和40%的玉米幼苗葉面積與對照間無顯著差異，80%的玉米幼苗葉面積比對照減少了23.58%。同時，不同磷石膏添加量玉米幼苗根長與對照相比分別顯著降低13.98%、28.69%、33.92%、50.23%和51.09%。此外，除80%的玉米幼苗莖粗降低22.22%外，其他添加量玉米幼苗莖粗與對照間無顯著差異。這表明在一定添加范圍內(nèi)，磷石膏可以促進玉米幼苗地上部分的生長，但同時也會抑制根的生長，對莖的生長影響不顯著。

2.3?磷石膏對玉米幼苗葉片光合色素含量的影響

采用丙酮萃取法對不同磷石膏添加量玉米幼苗葉片中的光合色素含量進行測定。結(jié)果顯示（表2），隨著磷石膏添加量的增加，玉米幼苗葉片葉綠素a含量與對照相比分別顯著增加了20.00%、49.33%、58.67%、72.00%和28.00%，但除20%和80%的玉米幼苗葉片葉綠素b含量有所降低外（分別降低了24.56%和38.60%），其他添加比例的葉綠素b含量與對照無顯著差異，總?cè)~綠素含量呈先升高后降低的趨勢，磷石膏添加量為40%時，玉米幼苗葉片總?cè)~綠素含量最高，為1.78 mg/g。此外，玉米幼苗葉片類胡蘿卜素含量在較低磷石膏添加量（5%和10%）處理中有所增加，分別增加了9.38%和12.50%，而在高添加量（40%和80%）處理中有所降低，分別降低了9.38%和25.00%。

2.4?磷石膏對玉米幼苗鎘積累的影響

采用原子吸收光譜法對不同磷石膏添加量的玉米幼苗地上部分和地下部分鎘含量進行測定。結(jié)果顯示（圖2），所有磷石膏添加量處理的玉米幼苗對鎘的吸收量均表現(xiàn)為地下部大于地上部;玉米幼苗地上部鎘含量在磷石膏添加量為80%時最高，為1.68 mg/kg，而其他添加量的玉米幼苗地上部鎘含量無顯著差異;玉米幼苗地下部鎘含量隨磷石膏添加量的增加而增加，磷石膏添加量為20%、40%和80%的玉米幼苗地下部分鎘含量分別為1.95、2.88和3.75 mg/kg，比對照顯著增加了27.86%、89.01%和146.21%，5%和10%的玉米幼苗地下部分鎘含量與對照無顯著差異。

3?結(jié)論與討論

Smaoui-Jardak等[14]研究發(fā)現(xiàn)施用磷石膏可同時降低非鹽堿化和鹽堿化土壤的pH，80%的磷石膏添加量分別使非鹽堿化和鹽堿化土壤的pH降低33.6%和26.58%。該研究中，土壤pH隨磷石膏添加量的增加而降低，80%的磷石膏添加量使土壤pH降低了31.06%，與前人的研究結(jié)果一致，這可能是由于磷石膏中殘留的酸，或者CaSO4中的Ca2+替換了土壤中吸附態(tài)的H+，使土壤溶液中H+活性增加，導(dǎo)致土壤pH降低。值得注意的是，雖然磷石膏可以顯著降低土壤pH，但該研究中不同磷石膏添加量的土壤pH（5.04～7.37）仍在玉米的適應(yīng)范圍內(nèi)（5～8）[20]。另外，土壤電導(dǎo)率通常反映含鹽量的程度，它可以影響土壤與植物之間的水勢[21]。土壤高鹽會影響玉米根對水分的吸收，引起植株失水、細胞膜解體以及抑制其他生理生化過程[22]。該研究中，磷石膏的施用可顯著增加土壤電導(dǎo)率，隨著磷石膏添加量的增加，玉米幼苗根的生長受到顯著抑制，這可能是土壤pH降低和電導(dǎo)率升高共同作用的結(jié)果，但這種抑制作用的機理目前尚不清楚。

與根的情況不同，玉米幼苗地上部分表現(xiàn)出低磷石膏添加量處理促進生長的趨勢，這可能是由于磷石膏的施用改良了土壤養(yǎng)分，如提高了土壤中鈣、硫、磷和其他微量元素的含量[23]。鈣不僅對維持細胞膜的正常功能和穩(wěn)定性具有重要作用，同時也是植物光合作用必需的元素[24]。該研究中，低磷石膏添加量處理的玉米幼苗葉片中總?cè)~綠素和類胡蘿卜素含量均有所增加。因此，磷石膏可能是通過提高土壤中鈣含量從而提高玉米幼苗葉片光合作用，促進幼苗的生長。

此外，所有磷石膏添加量處理的玉米幼苗對鎘的吸收均表現(xiàn)為地下部分大于地上部分，這與之前的研究結(jié)果相符[25]，說明磷石膏處理并未改變玉米幼苗對鎘的富集能力。再者，雖然較高磷石膏添加量可以增加玉米幼苗地下部分鎘含量，但對地上部分鎘含量影響并不顯著（除了80%的添加量），結(jié)合玉米幼苗生長指標的測定結(jié)果，可以得出不超過10%磷石膏添加量處理有利于玉米幼苗地上部分的生長，且不顯著影響玉米幼苗體內(nèi)鎘含量。

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