含钛高炉渣叶面肥的大豆栽培实验研究

张 悦，薛向欣

(1.东北大学 材料与冶金学院， 辽宁 沈阳 110819； 2.沈阳化工研究院有限公司农药研究所， 辽宁 沈阳 110021)

攀钢每年排放300万吨含TiO2(质量分数19 %～25 %)的含钛高炉渣，浪费资源且污染环境.我国先后将含钛高炉渣用于制备硅钛铁合金、TiO2及TiCl4、釉面砖及陶瓷材料等[1].但这些方法或工艺过程复杂，或存在二次污染，难以工业化.含钛高炉渣中不含重金属及放射性元素，且含有对农作物有益的营养元素钙、镁、硅、铁和钛[2-7].为解决含钛高炉渣的环境污染防治问题和资源化利用问题，同时满足农业生产对植物营养元素的需求，考虑将含钛高炉渣用于制备肥料.研究表明，由含钛高炉渣制备的叶面肥对甜菜有增产作用[8].由于含钛高炉渣的物理化学性质稳定，其中的钙、镁、硅、铁和钛元素均以不能被植物吸收利用的难溶性物质的形式存在.因此，本研究将含钛高炉渣转化为易被植物吸收利用的水溶性物质[9-10]，并将该叶面肥进行大豆栽培实验，考察其施用效果.

1 实验方法

含钛高炉渣的化学组成见表1.由含钛高炉渣制备叶面肥的工艺过程及叶面肥的元素组成见文献[8].叶面肥中可被植物有效利用的元素有氮、硅、硫、钾、镁、铁和钛.

表1 含钛高炉渣的化学组成

栽培实验采取大田栽培方式，土壤为棕土，土质松软均匀，pH=7.3，有机质18.6 g·kg-1，碱解氮53.94 mg·kg-1，速效磷(P2O5)34.08 mg·kg-1，速效钾(K2O)101.9 mg·kg-1.随机区组排列，3次重复，每小区5行，行长4.2 m，行距0.6 m，设如下处理：

CK：未追肥.

cit1：含钛高炉渣-柠檬酸叶面肥10 mg/L(以Ti计).

cit2：含钛高炉渣-柠檬酸叶面肥20 mg/L(以Ti计).

edta1：含钛高炉渣-EDTA叶面肥10 mg/L(以Ti计).

edta2：含钛高炉渣-EDTA叶面肥20 mg/L(以Ti计).

L1：cit1的基体(含柠檬酸，不含炉渣成分).

L2：cit2的基体(含柠檬酸，不含炉渣成分).

设CK的目的是考察叶面肥的作用；设L1与cit1、edta1对比，L2与cit2、edta2对比(L1和cit1、edta1的氮营养水平一致，L2和cit2、edta2的氮营养水平一致)，考察叶面肥中来源于炉渣成分的作用.

以上处理均施用10 g·m-2的磷酸二氢钾底肥，施用该叶面肥作追肥(大豆初花期和结荚期各1次)，常规管理.在大豆生长过程中观察其生长状况；收获后测定其性状、产量和化学指标.利用电感耦合等离子体原子发射光谱分析大豆的磷、钛、钒和铬含量，利用原子吸收光谱分析大豆的钾含量，利用蒸馏后滴定法测定大豆的氮含量，利用SPAD502型叶绿素测定仪测定大豆叶片的叶绿素含量.

2 实验结果与讨论

2.1 大豆生长状况

与对照组的大豆相比，施用该叶面肥的大豆生育期缩短2 d，这是因为钛具有生物催化作用，能激发植物体内酶的活性，促进植株的生长发育，使农作物早熟和早产[6].

2.2 大豆的产量

每小区抽取第2行和第4行大豆测定产量，并进行方差分析和Duncan法多重比较分析，结果如表2、表3和表4所示.

表2 不同处理的大豆产量

表3 产量的方差分析

表4 产量的多重比较

由表2、表3和表4可知:各处理间差异显著，但重复间差异不显著，故该结果可信；追施叶面肥基体的大豆与未追肥的大豆相比，其产量差异不显著；追施叶面肥的大豆较追施叶面肥基体的大豆明显增产，说明叶面肥中来源于炉渣的成分(如钛和铁等)对大豆起到显著的增产作用.从追肥的时间看，初花期和结荚期正值大豆营养生长和生殖生长旺盛的时期，亦是需肥的关键时期，特别是大豆属高蛋白作物，而硫和氮均为蛋白质的元素组成成分，此时追肥恰好满足作物的需要，故肥效明显.另外，柠檬酸叶面肥处理优于EDTA叶面肥处理，这可能是由于柠檬酸具有更强的生物亲和力，是植物体的组成成分、植物体内铁离子转运的载体，对植物有良好的营养和促进生长的作用，更易于被植物吸收利用，从而使营养元素更好地发挥其作用[11].

2.3 大豆的性状指标

大豆的性状指标测定结果见表5.由表5可知:与对照组的大豆相比，施用该叶面肥的大豆百粒质量、株高、节数、叶干质量和叶绿素含量均明显增加，说明该叶面肥促进大豆植株的生长.叶面肥中的钾促进光合作用，氮和镁均为合成叶绿素(C55H70O6N4Mg和C55H72O5N4Mg)的原料[12-13]，铁是叶绿体和许多酶的构成成分，促进叶绿素的合成；硫是铁氧还蛋白的重要组分，在光合作用及氧化物如亚硝酸根的还原中起电子转移作用；钛具有光催化性能，促进光合作用过程中水的光解，提高光合作用强度，有利于糖类物质的合成；硅能够促进植物生长，以及对氮、磷、钾等营养元素的吸收[14].几方面共同作用，对大豆有增产作用.

表5 大豆的性状指标

2.4 大豆的化学指标

大豆叶片和籽粒的大量元素含量见表6和表7.从表6和表7知:与对照组的大豆相比，施用该叶面肥的大豆叶片的氮、磷和钾含量无明显规律，而籽粒的氮、磷和钾含量显著增加.说明该叶面肥提高氮、磷和钾向籽粒转运的能力，因大豆属高蛋白作物，氮向籽粒转运对大豆至关重要.这是因为钛和硅促进植物对氮、磷和钾的吸收和转运.

表6 大豆叶片的大量元素含量

表7 大豆籽粒的大量元素含量

大豆的蛋白质和淀粉含量见表8.从表8可知:与对照组的大豆相比，施用该叶面肥的大豆蛋白质和淀粉含量有一定的增加.这是因为钛提高固氮酶的活性以及对氮元素的吸收利用能力，且叶面肥中的氮和硫均为蛋白质的重要组成元素；另外，钛提高硝酸盐还原酶的活性，促进土壤提供给植物体的硝酸盐氮向有机氮转化，即促进氮素代谢及蛋白质的合成[15]；此外，如上文所述，该叶面肥提高了叶绿素含量，使叶绿素合成更多的糖类物质，而钛加速糖类物质和蛋白质等物质向籽粒转运，最终使淀粉和蛋白质含量增加[16-17].

表8 大豆的营养成分

大豆籽粒的钛、钒和铬含量见表9.从表9可见:与对照组的大豆相比，施用该叶面肥的大豆钛含量明显增加，这是由于大豆从叶面肥中吸收了较多的钛；钒和铬含量符合国家标准[18].这是由于该叶面肥中硅以硅酸的形式存在，硅酸进入大豆植株体内后，在大豆植株根部与吸收的重金属离子结合，形成难以移动的稳定结构，使钒和铬等重金属难以向农作物体内迁移[19]；另外，籽粒不是钒和铬在大豆体内富集的部位.由此可知，该叶面肥的施用未导致钒和铬等重金属元素在大豆体内的富集.

表9 大豆的钛、钒和铬含量

3 结 论

施用该叶面肥的大豆与对照组的大豆相比，其成熟时间较早，生育期缩短2 d；株高、节数、叶干质量、百粒质量和大豆叶片的叶绿素含量明显增加；叶片的氮、磷和钾含量无明显规律，籽粒的氮、磷和钾含量显著增加；蛋白质和淀粉含量略有增加；重金属钒和铬含量无明显变化规律，且符合国家标准；施用该叶面肥并未导致钒和铬等重金属元素在大豆体内的富集.

追施叶面肥基体的大豆与未追肥的大豆相比，其产量差异不显著；追施叶面肥的大豆较追施叶面肥基体的大豆明显增产，且高浓度处理优于低浓度处理，柠檬酸叶面肥处理优于EDTA叶面肥处理.

参考文献：

[1] 王思佳，张悦，薛向欣，等.硫酸铵熔融反应法从含钛高炉渣中回收钛[J].化工学报，2012，63(3):991-995.

[2] Aydin I，Uzun F.Potential Decrease of Grass Tetany Risk in Rangelands Combining N and K Fertilization with MgO Treatments[J].European Journal of Agronomy，2008，29(1):33-37.

[3] Vong P C，Nguyen C，Guckert A.Fertilizer Sulphur Uptake and Transformations in Soil as Affected by Plant Species and Soil Type[J].European Journal of Agronomy，2007，27(1):35-43.

[4] Liang Y C，Yang C G，Shi H H.Effects of Silicon on Growth and Mineral Composition of Barley Grown under Toxic Levels of Aluminum[J].J Plant Nutri，2001，24(2):1-15.

[5] Burton M G，Lauer M J，McDonald M B.Calcium Effects on Soybean Production，Elemental Concentration and Seed Quality[J].Crop Science，2000，40(2):476-482.

[6] 鲍碧娟.植物生长的有益元素——钛(Ti)[J].磷肥与复肥，2001，16(5):67-67.

[7] Frossard E，Bucher M，Mächler F，et al.Potential for Increasing the Content and Bioavailability of Fe，Zn and Ca in Plants for Human Nutrition[J].J Sci Food Agr，2000，80(7):861-879.

[8] 张悦，薛向欣.由含钛高炉渣制备叶面肥及甜菜栽培实验研究[C]//中国环境科学学会.2012中国环境科学学会学术年会论文集(第四卷).北京:中国农业大学出版社，2012:3444-3447.

[9] Zhang Yue，Xue Xiang-xin，Yang He.Synthesis of Foliar Fertilizer and Ca-S-Si Compound Fertilizer from Titanium-bearing Blast Furnace Slag[J].Journal of Environmental Science and Engineering，2010，4(2):30-36.

[10] Zhang Y，Xie Y，Yu Q，et al.Study on Synthesis Solid Compound Fertilizer from Titanium-bearing Blast Furnace Slag[C]//Li L，Du A，Xianyu Z.Proceedings of 2nd International Synposium on Physics and IT Industry.Shenyang:Liaoning Science and Technology Publishing House，2009:425-427.

[11] Shah M S A，Satoh S，Kiron V.Inclusion of Citric Acid and/or A mino Acid-chelated Trace Elements in Alternate Plant Protein Source Diets Affects Growth and Excretion of Nitrogen and Phosphorus in Red Sea Bream[J].Aquacult，2007，262(2/4):436-443.

[12] 朱根海，张荣铣.叶片含氮量与光合作用[J].植物生理学通讯，1985，21(2):9-12.

[13] 王芳，刘鹏，朱靖文.镁对大豆根系活力叶绿素含量和膜透性的影响[J].农业环境科学学报，2004，23(2):235-239.

[14] Yamauchi M，Winslow M D.Effect of Silica and Magnesium on Yield of Upland Rice in the Humd Tropis[J].Plant and Soil，1989，113(2):265-269.

[15] Dupont F M，Altenbach S B.Molecular and Biochemical Impacts of Environmental Factors on Wheat Grain Development and Protein Synthesis[J].J.Cereal Sci.，2003，38(2):133-146.

[16] Stancheva I，Mitova I，Petkova Z.Effects of Different Nitrogen Fertilizer Sources on the Yield，Nitrate Content and other Physiological Parameters in Garden Beans[J].Environmental and Experimental Botany，2004，52(3):277-282.

[17] 陈煜.不同氮源对大豆硝酸还原酶活性及基因表达的影响[D].杨凌：西北农林科技大学，2004:2-14.

[18] 中华人民共和国卫生部.GB 2762-2005食品中污染物限量[S].北京：中国标准出版社，2005:1-4.

[19] Zhao X L，Saigusa M.Effect of Porous Hydrated Calcium Silica on Sorption and Desorption of Cadmium by Soils[J].Soil Sci Plant Nutr，2004，50(3):315-319.