不同磷石膏添加量对玉米幼苗生长和镉积累的影响

高永峰 刘继恺 唐运来 周春壮 张建昆 王仙慧 李志华 王以旺 邓斌

摘要 [目的]探讨磷石膏资源化利用对玉米苗期生长发育的影响及可能引起的镉污染风险。[方法]采用盆栽试验，研究不同磷石膏添加量（0、5%、10%、20%、40%和80%）对玉米幼苗生长、叶片色素含量，以及对玉米幼苗镉积累的影响。[结果]与对照相比，不同磷石膏添加量处理可显著降低土壤pH，显著提高土壤电导率（P<0.05）。随着磷石膏添加量的增加，玉米幼苗的株高、叶面积、总叶绿素和类胡萝卜素含量均呈先升高后降低的趋势。磷石膏处理可显著抑制玉米幼苗根的生长，但对玉米幼苗茎的生长影响不显著。不同磷石膏添加量处理的玉米幼苗对镉的吸收均表现为地下部分大于地上部分;高磷石膏添加量处理（地上部分80%，地下部分20% ～80%）可显著提高玉米幼苗地上和地下部分的镉含量。[结论]不超过10%的磷石膏添加量处理有利于玉米幼苗地上部分的生长和光合能力，且对幼苗镉积累影响不显著。

关键词 磷石膏;玉米幼苗;生长发育;镉积累

中图分类号 Q945.78文献标识码 A

文章编号 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

磷石膏是利用磷礦为原料，湿法生产磷酸过程中排放的主要工业副产物，其生产比为1∶4.5～1∶5.4（磷酸：磷石膏）[1]。磷石膏成分复杂，主要含有石膏、磷酸盐、氟化物、某些放射性核素和重金属，如镉[2]。虽然近年来我国磷石膏利用量和利用率呈逐年上升趋势，但由于其产量和利用量增长幅度剪刀差的存在，磷石膏存量不断加大，大量产生的磷石膏多以露天堆放为主，不仅占用土地，更会对周围环境，特别是土壤造成污染[3]。

研究表明，农业资源化利用是磷石膏综合利用的重要途径之一。首先，由于磷石膏含有丰富的磷、硫、钙、硅等元素，因此可以作为肥源应用于农业生产[4]。Mullins等[5]通过3年的研究发现，在缺硫土壤中施用59 kg/hm2的磷石膏可显著增加小麦的品质和产量。叶厚专等[6]通过田间试验发现，施用磷石膏可使早稻平均增产7.1%，花生平均增产8.4%。石伟勇等[7]研究表明，磷石膏对水稻生长和产量有促进作用。陈永安等[8]通过连续2年的大田和盆栽试验表明，向缺磷红壤旱地上施用磷石膏，可显著增加大豆、玉米、甘薯的产量。其次，磷石膏还可作为土壤改良剂应用于酸性土壤或盐碱地的改良。酸性土壤中高含量的铝容易导致植物中毒[9]。磷石膏中丰富的Ca2+、F+和SO42-可分别与土壤中的Al3+和OH-发生离子交换，生成稳定的化合物，从而降低铝毒害[10-12]。土壤盐碱化会影响土壤的理化性质，对植物生长造成影响。磷石膏中的CaSO4可与盐碱土壤中的CO32-、HCO3-生成CaCO3、Ca（HCO3）2，降低土壤pH，减少碱性对作物的伤害[13]。SmaouiJardak等[14]向盐碱化土壤施用磷石膏并种植番茄，结果发现磷石膏可增加番茄中钙和钠含量，减少钾含量，并促进番茄的生长，同时还可以降低土壤的盐碱化程度。

然而，由于磷石膏具有强酸性，且含有多种重金属和某些放射性核素，使其在农业上的应用也具有一定的安全风险。如在改良磷石膏基质上种植白菜、菠菜、叶用芥菜和上海青，经检测发现4种蔬菜中As、F、Zn的含量均超過《农产品安全质量无公害蔬菜安全要求》，表明改良后的磷石膏不适宜于种植蔬菜[15-16]。基于此，笔者以玉米为材料，研究不同磷石膏添加量对玉米幼苗生长、叶片色素含量，以及对玉米幼苗镉积累的影响，以期为在农业生产上安全利用磷石膏提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

供试玉米品种为“贵单8号”。试验用土采自西南科技大学后山菜园土，土壤理化性质：pH 7.34，有机质含量5.93 g/kg，碱解氮含量51.74 mg/kg，速效磷、有效钾、有效镁含量分别为7.28、450.20、138.20 mg/kg，镉含量0.32 mg/kg。供试磷石膏采自四川省绵阳市神龙重科实业有限公司。土壤和磷石膏自然风干后分别过2 mm和1 mm筛，备用。

1.2 材料培养及试验处理 将经挑选的大小一致且籽粒饱满的玉米种子用10% NaClO消毒10 min，然后用蒸馏水冲洗多次。将冲洗后的玉米种子置于铺有湿润滤纸的培养皿中，于25 ℃培养箱中培养，待种子露白约1 cm进行盆栽土培至三叶期。

试验设置6个磷石膏添加水平，添加量分别为0（对照）、5%、10%、20%、40%、80%。将含有不同磷石膏添加量的土壤室温平衡30 d后，浇水使土壤含水量达到15%，然后将土壤分装至容量为2 L的塑料盆中。每次处理重复3次，每次重复设置3盆。选取长势一致的三叶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月在西南科技大学温室内进行，自然光照，期间每3 d浇等量的蒸馏水。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤pH和电导率。对上述平衡30 d后的土壤分别测定pH和电导率。土壤pH：10 g土壤加入25 mL去离子水，旋转振荡2 min后静置30 min，过滤后取上清液，用pH计（PHS-2F，上海雷磁）测定pH。土壤电导率：4 g土壤加入20 mL去离子水，置于恒温振荡器内，20 ℃振荡30 min，随后静置30 min，3 000 r/min离心30 min，取上清液，用电导率仪（DDS-608，成都世纪方舟）测定电导率。

1.3.2 植株生长指标及镉含量。

玉米生长30 d后，将幼苗收获，用自来水将根部的泥土冲洗干净，再将根浸入20 mmol/L的EDTANa2溶液15 min，用去离子水漂洗干净后用吸水纸吸去根表面的水分，分别测量根长、株高、最大茎粗、各叶片长和最大叶宽，按照杜彩艳等[17]的方法计算叶面积。

将幼苗地上和地下部分开，分别放入信封，105 ℃杀青30 min，75 ℃烘干至恒重。用粉碎机将烘干的组织磨碎，称取0.30 g粉末，加入10 mL硝酸和5 mL高氯酸，置于微波消解仪（Mars，美国CEM公司）中进行消解，用原子吸收光谱仪（AA700，美国PE公司）测定镉元素含量。

1.3.3 叶片叶绿素含量。

采用丙酮萃取法提取玉米幼苗叶片光合色素[18]，萃取液离心后吸取上清液，用微孔读板器（SpectraMax iD5，美国Molecular Devices）测定样品470、645和663 nm处的吸光值A，依据Zayneb等[19]采用的公式分别计算叶绿素a、叶绿素b含量和类胡萝卜素含量。

1.4 数据处理 利用Microsoft Excel 2007软件处理数据并作图，统计分析软件SPSS 11.5对测定指标进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 磷石膏对土壤pH及电导率的影响

由图1可知，土壤pH随磷石膏添加量的增加而降低，磷石膏添加量为80%时，土壤pH最小，为5.06，比不添加磷石膏的土壤pH（7.34）降低了31.06%，且不同添加量之间差异显著。此外，添加磷石膏可显著提高土壤电导率，磷石膏添加量为40%时土壤电导率最高，为2.433，比不添加磷石膏的土壤电导率（0.328）增加了641.77%。

2.2 磷石膏对玉米幼苗生长的影响

不同磷石膏添加量对玉米幼苗生长的影响见表1。从表1可以看出，随着磷石膏添加量的增加，玉米幼苗的株高与叶面积呈先升高后降低的趋势，而根长呈逐渐降低的趋势。磷石膏添加量为5%、10%和20%的玉米幼苗株高分别比对照增加了15.55%、25.64%和18.30%，而40%的玉米幼苗株高与对照间无显著差异，80%的玉米幼苗株高比对照减少了26.07%。磷石膏添加量为10%和20%的玉米幼苗叶面积分别比对照增加了34.49%和25.71%，而5%和40%的玉米幼苗叶面积与对照间无显著差异，80%的玉米幼苗叶面积比对照减少了23.58%。同时，不同磷石膏添加量玉米幼苗根长与对照相比分别显著降低13.98%、28.69%、33.92%、50.23%和51.09%。此外，除80%的玉米幼苗茎粗降低22.22%外，其他添加量玉米幼苗茎粗与对照间无显著差异。这表明在一定添加范围内，磷石膏可以促进玉米幼苗地上部分的生长，但同时也会抑制根的生长，对茎的生长影响不显著。

2.3 磷石膏对玉米幼苗叶片光合色素含量的影响

采用丙酮萃取法对不同磷石膏添加量玉米幼苗叶片中的光合色素含量进行测定。结果显示（表2），随着磷石膏添加量的增加，玉米幼苗叶片叶绿素a含量与对照相比分别显著增加了20.00%、49.33%、58.67%、72.00%和28.00%，但除20%和80%的玉米幼苗叶片叶绿素b含量有所降低外（分别降低了24.56%和38.60%），其他添加比例的叶绿素b含量与对照无显著差异，总叶绿素含量呈先升高后降低的趋势，磷石膏添加量为40%时，玉米幼苗叶片总叶绿素含量最高，为1.78 mg/g。此外，玉米幼苗叶片类胡萝卜素含量在较低磷石膏添加量（5%和10%）处理中有所增加，分别增加了9.38%和12.50%，而在高添加量（40%和80%）处理中有所降低，分别降低了9.38%和25.00%。

2.4 磷石膏对玉米幼苗镉积累的影响

采用原子吸收光谱法对不同磷石膏添加量的玉米幼苗地上部分和地下部分镉含量进行测定。结果显示（图2），所有磷石膏添加量處理的玉米幼苗对镉的吸收量均表现为地下部大于地上部;玉米幼苗地上部镉含量在磷石膏添加量为80%时最高，为1.68 mg/kg，而其他添加量的玉米幼苗地上部镉含量无显著差异;玉米幼苗地下部镉含量随磷石膏添加量的增加而增加，磷石膏添加量为20%、40%和80%的玉米幼苗地下部分镉含量分别为1.95、2.88和3.75 mg/kg，比对照显著增加了27.86%、89.01%和146.21%，5%和10%的玉米幼苗地下部分镉含量与对照无显著差异。

3 结论与讨论

Smaoui-Jardak等[14]研究发现施用磷石膏可同时降低非盐碱化和盐碱化土壤的pH，80%的磷石膏添加量分别使非盐碱化和盐碱化土壤的pH降低33.6%和26.58%。该研究中，土壤pH随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%，与前人的研究结果一致，这可能是由于磷石膏中残留的酸，或者CaSO4中的Ca2+替换了土壤中吸附态的H+，使土壤溶液中H+活性增加，导致土壤pH降低。值得注意的是，虽然磷石膏可以显著降低土壤pH，但该研究中不同磷石膏添加量的土壤pH（5.04～7.37）仍在玉米的适应范围内（5～8）[20]。另外，土壤电导率通常反映含盐量的程度，它可以影响土壤与植物之间的水势[21]。土壤高盐会影响玉米根对水分的吸收，引起植株失水、细胞膜解体以及抑制其他生理生化过程[22]。该研究中，磷石膏的施用可显著增加土壤电导率，随着磷石膏添加量的增加，玉米幼苗根的生长受到显著抑制，这可能是土壤pH降低和电导率升高共同作用的结果，但这种抑制作用的机理目前尚不清楚。

与根的情况不同，玉米幼苗地上部分表现出低磷石膏添加量处理促进生长的趋势，这可能是由于磷石膏的施用改良了土壤养分，如提高了土壤中钙、硫、磷和其他微量元素的含量[23]。钙不仅对维持细胞膜的正常功能和稳定性具有重要作用，同时也是植物光合作用必需的元素[24]。该研究中，低磷石膏添加量处理的玉米幼苗叶片中总叶绿素和类胡萝卜素含量均有所增加。因此，磷石膏可能是通过提高土壤中钙含量从而提高玉米幼苗叶片光合作用，促进幼苗的生长。

此外，所有磷石膏添加量处理的玉米幼苗对镉的吸收均表现为地下部分大于地上部分，这与之前的研究结果相符[25]，说明磷石膏处理并未改变玉米幼苗对镉的富集能力。再者，虽然较高磷石膏添加量可以增加玉米幼苗地下部分镉含量，但对地上部分镉含量影响并不显著（除了80%的添加量），结合玉米幼苗生长指标的测定结果，可以得出不超过10%磷石膏添加量处理有利于玉米幼苗地上部分的生长，且不显著影响玉米幼苗体内镉含量。

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