區(qū)惠平, 劉昔輝, 黃金生, 周柳強(qiáng), 曾 艷, 韋運(yùn)蘭, 謝如林, 譚宏偉,*

(1. 廣西農(nóng)科院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所， 南寧 530007； 2. 廣西農(nóng)科院甘蔗研究所，南寧 530007)

廣西典型紅壤旱地施用鈣鎂磷肥對(duì)玉米產(chǎn)量及其鎘累積的影響

區(qū)惠平1, 劉昔輝2, 黃金生1, 周柳強(qiáng)1, 曾 艷1, 韋運(yùn)蘭1, 謝如林, 譚宏偉2,*

(1. 廣西農(nóng)科院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所， 南寧 530007； 2. 廣西農(nóng)科院甘蔗研究所，南寧 530007)

在廣西典型類型紅壤旱地布置玉米磷肥施用量的田間試驗(yàn)，研究不同鈣鎂磷肥施用量(磷肥Cd含量為0.0651 mg/kg)對(duì)玉米產(chǎn)量及地上部Cd累積的影響。結(jié)果表明，與不施磷肥處理(CK)相比，施磷肥可分別顯著提高春、秋玉米籽粒產(chǎn)量8.2%—13.1%和13.7%—20.0%。高磷(600 kg P2O5/hm2)處理的春玉米秸稈產(chǎn)量比CK顯著提高11.4%；施磷處理春、秋玉米秸稈Cd含量分別下降2.7%—45.8%和11.0%—43.6%；而籽粒Cd含量分別下降13.0%—40.6%和9.9%—31.5%，且秸稈和籽粒的Cd含量及累積量均隨施磷量的增加而逐漸降低，其中以高磷處理最為顯著。玉米秸稈及籽粒Cd累積量在高磷處理下(600 kg P2O5/hm2)分別比低磷處理(75—300 kg P2O5/hm2)降低13.6%—41.5%和8.8%—29.3%。相關(guān)分析表明，玉米Cd含量與土壤pH呈顯著負(fù)相關(guān)，與土壤有效Cd含量呈顯著正相關(guān)。施磷提高土壤pH，而降低土壤有效Cd含量。高量磷肥施用降低土壤Cd的有效性進(jìn)而降低玉米對(duì)Cd的吸收累積。

磷肥施用量；鎘；累積量；玉米；紅壤

鎘(Cd)是一種重金屬元素，位列聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署提出的12種具有全球性意義的危險(xiǎn)化學(xué)物質(zhì)之首。土壤Cd通過(guò)植物吸收經(jīng)食物鏈進(jìn)入人體，是危害人類健康的主要途徑。因此，查明土壤中Cd污染源，并從源頭上加以控制，對(duì)改善土壤環(huán)境質(zhì)量，確保農(nóng)產(chǎn)品安全具有重要意義。

由于磷礦中伴生大量的Cd，其60%—80%的Cd會(huì)在磷肥的生產(chǎn)過(guò)程中轉(zhuǎn)移到肥料中去[1]，磷肥施用成了Cd在土壤中累積的主要原因，占人類活動(dòng)對(duì)土壤Cd總貢獻(xiàn)的54%—58%[2]。人們對(duì)磷肥施用的關(guān)注已超出原來(lái)單純的農(nóng)學(xué)效應(yīng)，其潛在Cd的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)更加備受關(guān)注。國(guó)外研究表明，長(zhǎng)期施用含Cd磷肥顯著增加土壤Cd全量[3- 5]及有效含量[5]，兩者間呈顯著的劑量效應(yīng)[6]；施用高Cd磷肥或增施含Cd磷肥均可促進(jìn)作物Cd累積量增加[7- 8]。說(shuō)明磷肥中的Cd可對(duì)土壤環(huán)境以及農(nóng)產(chǎn)品的Cd安全產(chǎn)生顯著影響。

近年來(lái)，我國(guó)學(xué)者在污染農(nóng)田上開(kāi)展了磷肥施用對(duì)作物Cd累積的影響研究，但主要側(cè)重于磷肥的修復(fù)效應(yīng)[9- 11]，而忽視磷肥中的Cd對(duì)作物Cd累積的影響。針對(duì)赤紅壤上由于低Cd磷肥不同施用量誘發(fā)的玉米Cd累積及生物有效性更是未見(jiàn)報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)采用田間試驗(yàn)，研究低Cd鈣鎂磷肥不同施用量下土壤Cd的有效性及玉米地上部秸稈和籽粒對(duì)土壤Cd的吸收、累積特征，以期為磷肥的合理施用以及玉米生產(chǎn)中控制和減少玉米對(duì)土壤Cd的吸收提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

采用大田試驗(yàn)，于2011年在廣西武鳴里建英才村進(jìn)行。該區(qū)屬南亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫21.7℃，年均降水量1300 mm。供試春、秋玉米(Zeamays)品種均為迪卡008。供試土壤為砂頁(yè)巖發(fā)育的鐵質(zhì)濕潤(rùn)雛形土，有機(jī)質(zhì)27.8 g/kg，全氮1.10g/kg，堿解氮134 mg/kg，速效磷 14 mg/kg，速效鉀112 mg/kg，全Cd 0.1504 mg/kg，pH(H2O)5.40。供試磷肥為鈣鎂磷肥，其中P2O5含量為180 g/kg，Cd含量為0.0651 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

磷肥施用量以P2O5計(jì)，以農(nóng)民習(xí)慣磷肥施用量為基礎(chǔ)，采用翻倍施用量效仿多年連續(xù)累積施用量。共設(shè)4個(gè)施P2O5水平，分別用P1、P2、P3和P4表示，其中P1處理為單造當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣磷肥施用量，P2、P3和P4處理分別為1a、2a和4a累計(jì)施用量，以不施磷肥作為對(duì)照(CK處理)。氮、磷、鉀肥具體施用量和伴隨鈣鎂磷肥施用進(jìn)入農(nóng)田的Cd含量見(jiàn)表1。每處理3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。小區(qū)面積25.2 m2，小區(qū)間以田間小溝隔開(kāi)。氮、磷、鉀肥分別按基肥：追肥為1∶1、1∶0、1∶1的比例施用?；什捎脺鲜┑姆椒ǎ┓屎笊w土。追肥采用穴施的方法施于兩株玉米之間，施肥后蓋土?；屎妥贩蚀河衩追謩e于2月28日和6月21日施入，秋玉米于7月30日和9月14日施用。春、秋玉米分別于2月23日和7月30日播種，采用單行種植，行距為60 cm，株距為30 cm，種植密度55545株/hm2，于7月20日和11月25日收獲。

表1 玉米N、P2O5、K2O施用量及伴隨磷肥施用進(jìn)入土壤的Cd含量

1.3 取樣及分析

玉米收獲時(shí)，全小區(qū)分秸稈及籽粒測(cè)產(chǎn)。同時(shí)，每小區(qū)取生長(zhǎng)均勻的6兜平地收獲地上部和采集耕層土壤樣品。地上部分秸稈和籽粒兩個(gè)部位，其中秸稈切短為2—3 cm混合均勻，于105℃殺青30 min，60℃烘干粉碎，過(guò)60目篩備用，籽粒60℃烘干粉碎，過(guò)60目篩。用HNO3-HClO4(2∶1)濕法消化[12]，石墨爐原子吸收法[13]測(cè)定Cd含量。土壤自然風(fēng)干，粉碎，過(guò)18目，采用NH4OAc提取[14]，石墨爐原子吸收法[13]測(cè)定土壤有效Cd含量，1∶2.5的土水比浸提，電位法[12]測(cè)定土壤pH。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理、作圖、方差分析等采用Excel 2007和DPS 7.05等軟件完成，采用LSD法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 施磷量對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

由表2可以看出，施磷顯著增加玉米籽粒產(chǎn)量。與CK相比，春、秋玉米籽粒產(chǎn)量施磷處理分別提高8.2%—13.1%和13.6%—20.0%，差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)；然而，不同施磷量間玉米籽粒產(chǎn)量差異不顯著。春玉米秸稈產(chǎn)量以P4處理最高，顯著高于對(duì)照11.4%。春、秋玉米秸稈產(chǎn)量P1—P3處理均與對(duì)照相當(dāng)。

2.2 施磷量對(duì)玉米秸稈和籽粒Cd含量的影響

由表3可看出，莖葉和籽粒Cd含量均低于國(guó)家糧食衛(wèi)生控制標(biāo)準(zhǔn)0.2 mg/kg1的規(guī)定(GB2762—2005)。施磷降低玉米秸稈和籽粒對(duì)Cd的吸收，且玉米秸稈和籽粒Cd含量隨施磷量的增加而減少。增施75—600 kg P2O5/hm2，春、秋玉米秸稈Cd含量降幅分別達(dá)2.7%—45.8%和11.0%—43.6%，籽粒Cd含量降幅達(dá)13.0%—40.6%和9.9%—31.5%。其中，P3和P4處理顯著低于對(duì)照和P1處理。

表2 不同施磷量對(duì)玉米生物量的影響

Table 2 Effect of different phosphate fertilization rate on maize biomass

處理Treatment籽粒產(chǎn)量Grainyield/(kg/hm2)秸稈產(chǎn)量Biomass/(kg/hm2)春玉米CK4449.6±139.4b6262.5±278.0bSpringcornP14813.6±201.0a6640.7±83.8abP24985.1±138.6a6794.8±206.1abP35033.5±145.4a6814.9±175.0abP44951.5±219.9a6975.6±66.6a秋玉米CK3013.5±64.4b4953.1±45.6aAutumncornP13425.0±44.1a5237.3±200.7aP23555.5±30.8a5269.1±116.7aP33617.6±97.9a5349.6±94.9aP43502.7±66.8a5306.1±92.8a

不同小寫(xiě)字母分別代表處理間差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)

表3 不同施磷量對(duì)玉米秸稈和籽粒Cd含量的影響

Table 3 Effect of phosphate fertilization rate on Cd concentrations in maize straw and grain

處理Treatment秸稈Cd含量Cdconcentrationinstraw/(mg/kg)籽粒Cd含量Cdconcentrationingrain/(mg/kg)春玉米CK0.084±0.001a0.014±0.001aSpringcornP10.082±0.000a0.013±0.000abP20.075±0.001b0.011±0.000bcP30.071±0.000c0.009±0.001cdP40.045±0.001d0.009±0.001d秋玉米CK0.100±0.002a0.052±0.001aAutumncornP10.089±0.002b0.047±0.002abP20.074±0.002c0.045±0.002abP30.065±0.007cd0.043±0.003bcP40.057±0.002d0.036±0.003c

2.3 施磷量對(duì)玉米Cd累積量的影響

由表4可以看出，與對(duì)照相比，施入75 kg P2O5/hm2對(duì)玉米秸稈及籽粒Cd累積量無(wú)顯著影響；當(dāng)施磷量大于300 kg P2O5/hm2時(shí)，玉米秸稈和籽粒Cd累積量顯著下降。隨施磷量的增加，玉米秸稈及籽粒Cd累積量逐漸下降，以P4處理最低，分別低于P1、P2和P3處理13.6%—41.5%和8.8%—29.3%。

2.4 不同施磷量對(duì)土壤有效態(tài)Cd含量的影響

由圖1可以看出，與CK處理相比，磷肥施用不同程度地降低土壤有效Cd含量，其中，春玉米中P2、P3和P4處理土壤有效Cd含量分別降低4.6%、7.1%和7.3%；秋玉米分別降低2.7%、5.6%和12.8%。

表4 施磷量對(duì)玉米秸稈和籽粒Cd累積量的影響

土壤Cd的有效性隨磷肥施用量的不同呈現(xiàn)不同程度的差異。施用量75—600 kg P205/hm2范圍內(nèi)，隨著施磷量的增加，土壤有效Cd含量下降。春玉米栽培季節(jié)，P1處理中土壤有效Cd含量比P2、P3、P4處理分別提高5.7%、8.7%和8.8%，差異顯著；但P2、P3、P4處理間差異不顯著；秋玉米栽培季節(jié)，土壤有效Cd含量除了P1與P4處理間差異顯著外，其他處理間差異不顯著。

圖1 不同施磷施用量下土壤有效Cd含量變化Fig.1 Changes of soil available Cd content under different phosphate fertilization rateCK,P1—P4為施肥水平

2.5 不同施磷量對(duì)土壤pH的影響

從圖2可以看出，施用磷肥提高玉米地土壤pH，且土壤pH隨施磷量的增加而升高。當(dāng)施磷量為600kg/hm2時(shí)，春玉米土壤pH分別比CK、P1、P2和P3處理分別提高0.31、0.24、0.22和0.05個(gè)pH單位，秋玉米分別提高0.55、0.51、0.45和0.45個(gè)pH單位，間差異顯著。

圖2 不同磷肥施用量下土壤pH的變化Fig.2 Changes of soil pH under different phosphate fertilization rate

2.6 玉米Cd含量與土壤有效Cd含量的關(guān)系

將玉米Cd含量與土壤pH和有效Cd含量作相關(guān)性分析(表5)發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈、籽粒Cd含量與土壤有效Cd呈顯著正相關(guān)，與pH值呈顯著負(fù)相關(guān)。而磷肥施用量與土壤有效Cd含量呈顯著負(fù)相關(guān)，與pH值呈顯著正相關(guān)。表明磷肥通過(guò)提高土壤pH和降低土壤有效Cd含量影響玉米對(duì)Cd的吸收累積。

3 討論

研究指出，Cd是生物遷移性極強(qiáng)的重金屬，極易被植物吸收并在體內(nèi)積累，超過(guò)一定限度可能會(huì)產(chǎn)生毒害而影響正常產(chǎn)量[15]。本研究中，施磷顯著增加玉米籽粒產(chǎn)量。說(shuō)明磷肥中雖然含有一定的Cd含量，但這對(duì)玉米并無(wú)減產(chǎn)作用。試驗(yàn)在田間觀察中也并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)玉米Cd毒害的癥狀。這可能與隨磷肥進(jìn)入土壤的Cd含量較低有關(guān)。眾多研究表明，低濃度Cd對(duì)植物生長(zhǎng)有積極的“刺激作用”，而較高的Cd含量才會(huì)對(duì)作物產(chǎn)生毒害作用[16- 17]。由玉米籽粒產(chǎn)量在不同的施磷處理間差異不顯著，推斷P1水平(75 kg P2O5/hm2)是玉米適宜的施磷量。

表5 玉米Cd含量與土壤有效Cd含量的相關(guān)系數(shù)

*和**分別代表P<0.05和P<0.01(n=5,r0.05=0.751,r0.01=0.874)

玉米籽粒Cd含量的多少直接關(guān)系人類的健康。本試驗(yàn)所有處理中玉米籽粒Cd含量均低于國(guó)家糧食衛(wèi)生控制標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明施低Cd鈣鎂磷肥施用不會(huì)造成玉米Cd超標(biāo)。相反，與CK相比，增施75—600 kg P2O5/hm2，玉米對(duì)Cd的吸收累積量隨施磷量的增加而降低。其中，秸稈中Cd含量降幅達(dá)2.7—45.8%(春玉米)和11.0—43.6%(秋玉米)；籽粒Cd含量降幅達(dá)13.0—40.4%(春玉米)和9.9—31.5%(秋玉米)。以上結(jié)果表明：施用磷肥既能提高作物產(chǎn)量，又能降低作物Cd污染。這一結(jié)果與國(guó)內(nèi)外許多研究結(jié)論是相類似。Dheri等[18]的盆栽試驗(yàn)中，磷肥的施用不僅使得供試菠菜的生物量增加34%(壤土)和45%(沙土)，而且減少了菠菜中Cd的含量。在50 mg P2O5/kg土的磷肥施用量下，磷肥增加小麥干物質(zhì)重，同時(shí)減緩作物Cd、Pb毒害[19]。Wang等[20]發(fā)現(xiàn)，磷礦粉、鈣鎂磷肥和過(guò)磷酸鈣均可顯著減少污染土壤中小白菜對(duì)Cd的吸收累積量。因而，鈣鎂磷肥施用可作為一個(gè)經(jīng)濟(jì)、有效地降低作物Cd吸收量的措施。

研究表明，pH對(duì)Cd的生物有效性有重要影響。一方面，pH值影響土壤對(duì)Cd的吸附容量，pH值在4.0—7.7之間每上升1個(gè)pH值單位，土壤對(duì)Cd的吸附容量增加3倍，大大降低Cd向植物的遷移能力[21]。另一方面，在堿性條件下，會(huì)生產(chǎn)CdCO3、Cd(OH)2沉淀。磷肥誘導(dǎo)土壤pH和表面電荷的提高從而提高土壤Cd的固定[22]；同時(shí)，磷肥本身與Cd形成磷酸Cd沉淀和含鈣磷肥施用引起的植物鈣與Cd的競(jìng)爭(zhēng)吸收也可降低土壤Cd的生物有效性[9,23]。本試驗(yàn)中，與CK相比，磷肥施用后土壤pH值上升，有效Cd含量下降(圖1，圖2)，玉米秸稈、籽粒Cd含量與有效Cd含量顯著正相關(guān)，與pH值顯著負(fù)相關(guān)(表5)。說(shuō)明磷肥降低玉米吸收累積Cd是通過(guò)pH值的上升，有效Cd含量的下降實(shí)現(xiàn)的。

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Effect of calcium-magnesia phosphate fertilizer on maize yield and its cadmium accumulation in upland red soil in Guangxi

OU Huiping1, LIU Xihui2, HUANG Jinsheng1, ZHOU Liuqiang1, ZENG Yan1, WEI Yunlan1,XIE Rulin1, TAN Hongwei2,*

1AgriculturalResourcesandEnvironmentalResearchInstitute,GuangxiAcademyofAgriculturalSciences,Nanning530007,China2SugarcaneResearchInstitute,GuangxiAcademyofAgriculturalSciences,Nanning530007,China

A filed experiment was carried out to evaluate effects of calcium-magnesia phosphate fertilizer application rate on maize yield and its cadmium accumulationin in representative red soil of Guangxi province. Phosphate fertilizer with 0.0651 mg Cd/kg was applied at five rates (0, 75, 150, 300 and 600 kg P2O5/hm2). In comparison with CK, phosphate fertilizer significantly increased the grain yield by 8.2%—13.1% for spring maize and 13.7%—20.0% for autumn maize, and the straw biomass of spring maize increased by 11.4% under high phosphate treatment (600 kg P2O5/hm2). Phosphate fertilization decreased Cd contents in straw by 2.7%—45.8%and 11.0%—43.6%, while decreased Cd contents in grain by 13.0%—40.6% and 9.9%—31.5% for spring and autumn maize, respectively. Moreover, the Cd concentration and accumulationin in straw and grain decreased with the increasing phosphate fertilizer. Compared with low phosphate treatments (75—300 kg P2O5/hm2), the Cd accumulation in straw and grain under high phosphate treatment (600 kg P2O5/hm2) reduced by 13.6%—41.5% and 8.8%—29.3%, respectively. Correlation analysis showed that there was a negative linear relationship between Cd concentration in maize and soil pH, but positive linear relationship between Cd concentration and soil available Cd. High phosphate fertilizer could reduce the Cd phytoavailability, thus attributed to the lower Cd accumulation in maize.

phosphate fertilizer rate; cadmium; accumulation; mazie; red soil

國(guó)家自然科學(xué)基金(U1033004);廣西自然科學(xué)基金(2012GXNSFBA053062， 2013GXNSFBA019057)；廣西農(nóng)科院基金(2012YZ20, 2013YQ01, 2013YQ02, 2013YF06, 2014JZ18); 農(nóng)業(yè)部科技專項(xiàng)(201003014)

2014- 05- 09;

2014- 08- 11

10.5846/stxb201405100949

*通訊作者Corresponding author.E-mail: hwtan@gxaas.net

區(qū)惠平, 劉昔輝, 黃金生, 周柳強(qiáng), 曾艷, 韋運(yùn)蘭, 謝如林, 譚宏偉.廣西典型紅壤旱地施用鈣鎂磷肥對(duì)玉米產(chǎn)量及其鎘累積的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2014,34(18):5300- 5305.

Ou H P, Liu X H, Huang J S, Zhou L Q, Zeng Y, Wei Y L,Xie R L, Tan H W.Effect of calcium-magnesia phosphate fertilizer on maize yield and its cadmium accumulation in upland red soil in Guangxi.Acta Ecologica Sinica,2014,34(18):5300- 5305.