昆明不同产地磷石膏对烤烟生长及砷污染风险的影响

2014-07-16张传光岳献荣史静张乃明谷林静郭辉夏运生

生态环境学报 2014年4期

张传光，岳献荣，史静，张乃明，谷林静，郭辉，夏运生*

1. 云南农业大学资源与环境学院，云南昆明 650201；2. 云南省林业科学院，云南昆明 650204

随着国民经济发展和农业对磷肥需求的持续增长，我国磷肥工业发展迅速，过去几年里，磷肥产量以每年超过10%的速度递增（叶学东，2012），而每生产1 t P2O5就可副产4.5 ～ 5 t的磷石膏（Perez等，2011）。全世界的磷酸工业每年副产磷石膏17000万t，其中5000万t产于中国（Enamorado等，2009），磷石膏已成为我国年排放量和累计堆存量最大的工业固体废物之一，而我国的利用率约为2% ～ 5%（王晓岑等，2010；廖若博等，2012），一般是用作建筑材料和土壤改良剂（Zwolinski等，2002；Reifnders，2007；Degirmenci，2008；Voropaeva等，2011）。露天堆放的磷石膏存在诸多的环境风险（Rutherford等，1994；Silva等，2006），特别是滇池周边磷矿露天堆置的磷石膏随雨水冲刷进入滇池水体的污染风险更不容忽视。

磷石膏中含有磷（P）、硫（S）及植物生长必需的其他营养元素，施用磷石膏对云南大多数经济作物均有一定的增产作用（郑小莲，2000），但因磷石膏中含有对人体有害的物质如砷（As）等，限制了其农业利用。相关研究表明，上蒜、古城和草铺三地所产磷石膏中以晋宁县上蒜乡上蒜磷肥厂副产的磷石膏酸性最强，其总磷、速效磷、以及砷含量均为最高（张传光等，2012）、古城镇昆阳磷肥厂副产的磷石膏能促进玉米的生长，且在接种GM真菌后玉米对As的吸收量有显著的降低（白来汉等，2011）。烤烟作为云南省的主要经济作物，对P、S的需求量都很大，因此，通过研究不同产地磷石膏中P、S营养元素及重金属As对不同品种烤烟生长及土壤化学性质的影响，旨在为昆明磷石膏在烤烟上的资源化利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤为玉溪市江川县低硫缺磷土壤，土壤自然风干后过 2 mm筛后除留部分用于基本属性（表1）测定外，其他分装待用。

表1 供试土壤及磷石膏的基本化学特性Table 1 The basic properties of experimental soil and PGs

供试磷石膏采自昆明地区代表性比较强的3个磷石膏堆放点，分别是位于晋宁县上蒜乡的上蒜磷肥厂、古城镇的昆阳磷肥厂和位于安宁市草铺镇的安宁磷肥厂，磷矿石分别来源于昆明地区8大磷矿之中的晋宁磷矿、昆阳磷矿和草铺磷矿。其堆放年限皆为3年以上。磷石膏风干、混匀、过1 mm筛后除留部分用于基本属性（表1）测定外，其他分装待用。

供试烤烟（NicotianatabacumL.）为云南省的主要栽培品种，分别为红花大金元、NC297和MS云烟85，由云南农业大学烟草学院采用漂浮育苗后提供的长势均一的4叶期烟株。

1.2 试验方法

1.2.1 试验处理

试验设2个磷石膏添加水平，即不添加（CK）和添加质量分数为40 g·kg-1土，选用3个烤烟品种，共12个处理，每个处理设4次重复，共48盆。

试验所用容器为1.5 L的塑料盆，内套塑料袋避免养分流失。每盆装土1.5kg，以溶液形式向土壤中加入基础肥料(N：60 mg·kg-1，K：67 mg·kg-1，Ca：20 mg·kg-1，Mg：4.5 mg·kg-1，Mn：0. 92 mg·kg-1，Cu：0.54 mg·kg-1，Zn：1.24 mg·kg-1，Mo：0.06 mg·kg-1)，分别以 NH4NO3、K2SO4、CaC12·2H2O、MgSO4·7H2O 、 MnSO4·H2O 、 CuSO4·5H2O 、ZnSO4·7H2O、(NH4)6Mo7O24·4H2O 的形式加入。加入肥料后混合均匀，平衡7 d，烟苗于2011年8月7日移栽至塑料盆中。盆栽模拟试验在云南农业大学科研大棚内进行，棚内温度范围为14～35 ℃。采用自然光照，期间根据每天失水量决定浇水量使土壤湿度保持在最大田间持水量的70% ～ 80%。为了保证植物生长期间不受缺N、K营养元素的胁迫，在植物生长至20和40 d时分别追肥1次（N：30 mg·kg-1，K：20 mg·kg-1）。

1.2.2 烤烟植株的收获

烤烟植株移栽生长约60 d后，将烤烟分为地上和地下部分进行收获，先用自来水冲洗，然后用蒸馏水漂洗干净、烘干、粉碎后待测。同时，用四分法采集部分盆栽后土壤，经自然风干、过筛后待测。

1.2.3 测定方法

土壤pH采用PHS-3C型精密酸度计测定；土壤有机质含量采用浓 H2SO4-K2Cr2O7外加热法测定；土壤全磷采用NaOH熔融，钼锑抗比色法测定；土壤速效磷用 0.05 mol·L-1HCl-0.025 mol·L-1H2SO4浸提，钼锑钪比色法测定；植株磷含量用H2SO4-H2O2消煮，钒钼酸铵比色法测定；土壤有效硫采用磷酸盐浸提，硫酸钡比浊法测定；植株硫含量采用HNO3-HClO4消解，LY/T 1270—1999 硫酸钡比浊法测定；土壤有效砷用0.5 mol·L-1NaH2PO4浸提（黄瑞卿等，2005），二乙基二硫代氨基甲酸银法（银盐法）测定；植株砷含量采用HNO3-HClO4消解，二乙基二硫代氨基甲酸银法（银盐法）测定（鲍士旦，2000）。

1.2.4 试验数据的处理与分析

试验数据均采用 SPSS 11.5统计软件和EXCEL 2003进行基本统计、方差分析和多重比较等。方差分析显示，对于各测指标在烟草品种与磷石膏添加两因素之间的交互作用显著，然后才对每个指标的各处理进行整体数据的多重比较分析。

2 结果分析

2.1 不同产地磷石膏对烤烟生长状况的影响

不同产地磷石膏添加处理对3个品种烤烟的植株生长均有不同程度地促进作用，且以上蒜磷石膏的促生效果普遍最好（表2）。不同品种烤烟植株添加上蒜磷石膏后的株高、地上部干质量均显著高于其他磷石膏处理。

上蒜磷石膏处理下红花大金元的株高显著高于NC297和MS云烟85，地上部生物量只显著高于MS云烟85；施用另2种磷石膏后，红花大金元在株高和地上部生物量也表现出不同程度的优势。一方面，这与烤烟品种的差异有关，因为在不添加磷石膏的情况下红花大金元的株高就表现出了优势；另一方面，不添加磷石膏的情况下，不同品种烤烟的干物质累积量却没有明显的差异，说明相比NC297和MS云烟85而言，施用磷石膏能更有效的促进红花大金元的的生长。此外，上蒜磷石膏处理下NC297和MS云烟85两个品种根系干质量高于其他磷石膏处理，而红花大金元则是在草铺磷石膏处理下根系生物量最大。

表2 不同品种烤烟添加不同产地磷石膏后的生长状况Table 2 Growth of tobaccoos after addition of PGs

对于NC297，添加或不添加磷石膏的4个处理中，古城磷石膏处理下的根冠比最大，上蒜磷石膏处理下根冠比最小，且两者间差异显著。红花大金元和MS云烟85相应的4个磷石膏处理中，以古城磷石膏处理下的根冠比较大，但MS云烟85相应的4个磷石膏处理间无显著差异。

2.2 不同产地磷石膏对烤烟植株中磷质量分数的影响

试验结果（图1）表明，添加不同产地磷石膏对烤烟植株磷的质量分数有不同程度地提高。在所有处理中，古城磷石膏对红花大金元地上部磷的质量分数（0.43%）的影响最大，显著高于其他磷石膏处理；上蒜磷石膏处理后红花大金元烟株地上部磷的质量分数（0.40%）只显著高于NC297（0.31%）；施用草铺磷石膏后3个烤烟品种地上部磷的质量分数基本没差异。添加或不添加磷石膏的4个处理中，草铺磷石膏处理下 NC297品种地上部磷的质量分数最高（0.39%），然后依次为古城（0.36%）、上蒜和CK处理（0.27%），且前两者显著大于后两者。对于根系磷的质量分数而言，MS云烟85在施用上蒜磷石膏和CK处理下的质量分数显著较高。相同烤烟品种在古城磷石膏处理下磷的质量分数又显著高于草铺磷石膏处理。添加或不添加磷石膏的4个处理中，施用古城磷石膏后 NC297根系磷的质量分数（0.94%）最高，显著高于上蒜和草铺磷石膏处理，且都显著高于对照（0.63%）；4个处理中以施用古城磷石膏和CK情况下红花大金元根系磷的质量分数最高，分别为0.98%和1.01%，且显著大于施用上蒜（0.84%）和草铺磷石膏（0.83%）后相应磷的质量分数（图1）。

2.3 不同产地磷石膏对烤烟植株磷吸收量的影响

添加磷石膏后3个烤烟品种地上部磷吸收量的变化趋势基本一致（图2）。即上蒜磷石膏处理>草铺磷石膏处理>古城磷石膏处理，这与对烟株地上部的促生长作用基本一致，不同之处在于MS云烟85品种在古城磷石膏处理与CK间的差异不显著，而另2品种间却有显著差异。上蒜磷石膏处理下的红花大金元、NC297、MS云烟85烟株地上部磷吸收量分别为43.10、32.96、32.18 mg·pot-1，且前者显著高于后两者。上蒜与古城磷石膏处理下的NC297与MS云烟85地上部磷吸收量间的差异不大，但草铺磷石膏添加后的2品种上述指标间的差异显著，且3种磷石膏处理下均以红花大金元的地上部磷吸收量较高，从而更为明显促进了这一品种的地上部生长。

图1 添加不同产地磷石膏处理下烤烟植株中磷的质量分数Fig. 1 P concentration in shoots and roots of tobacco plants grown under different PG levels

图2 添加不同产地磷石膏处理下烤烟植株的磷吸收量Fig. 2 P uptake of shoots and roots of tobacco plants grown under different PG levels

磷石膏的施用对烤烟根系磷吸收量的影响与对地上部的影响基本一致。上蒜磷石膏处理下MS云烟85根系磷吸收量最大，为36.25 mg·pot-1，显著高于相同磷石膏处理下另外2个品种的吸收量。与地上部不同的是，NC297和红花大金元品种在上蒜和草铺磷石膏处理下的根系磷吸收量间的差异不显著，且红花大金元在古城磷石膏处理下的吸收量与CK间的差异也不显著，而对于MS云烟85而言，则是古城和草铺磷石膏处理下的根系磷吸收量与CK间无显著差异。

2.4 不同产地磷石膏对植株硫的质量分数及吸收量的影响

添加磷石膏能增加烤烟地上部硫的质量分数，但不同磷石膏对烤烟植株硫的质量分数影响各异（图3）。相同品种烤烟添加古城磷石膏后植株硫的质量分数显著高于草铺磷石膏处理和对照。此外，红花大金元和 NC297植株的硫的质量分数分别按照上蒜、草铺、古城磷石膏和上蒜、草铺、古城磷石膏的施用处理而呈现降低趋势。而对于MS云烟85品种来说，上蒜磷石膏处理对其植株硫的质量分数增加最为明显，而草铺磷石膏处理后的植株硫的质量分数显著较低。从品种间的比较来看，上蒜和古城磷石膏处理的烤烟植株地上部硫的质量分数从高至低依次为MS云烟85、NC297和红花大金元，而草铺磷石膏处理的不同烤烟品种地上部硫质量分数之间的差异不大。

图3 添加不同产地磷石膏处理下烤烟植株硫的质量分数及吸收量Fig. 3 S concentration and uptake of tobacco plants grown under different PG levels

图4 添加不同磷石膏处理下烤烟地上部砷的质量分数Fig. 4 As concentration of tobacco shoots grown under different PG levels

虽然施用上蒜磷石膏后烤烟中硫的质量分数没有明显增加，但是其硫吸收量较其他磷石膏添加处理显著较高（图3），且上蒜磷石膏处理的NC297、红花大金元和MS云烟85的植株硫吸收量分别是53.41、52.13、57.52 mg·pot-1。另外，各品种烤烟植株硫吸收量随不同磷石膏处理的变化基本表现为上蒜>草铺>古城的降低趋势。

2.5 不同产地磷石膏施用对烤烟地上部砷的质量分数的影响

试验表明，施用磷石膏增加了烤烟地上部砷的质量分数（图4），NC297和MS云烟85在上蒜磷石膏处理下砷的质量分数最高，分别为0.87和0.89mg·kg-1，通过前几部分的分析可知，上蒜磷石膏促生效果最好，且与红花大金元组合更佳，砷的质量分数也相对较低（0.48 mg·kg-1），显著小于相同处理下NC297和MS云烟85中的质量分数，且红花大金元植株地上部砷的质量分数在施用另外两种磷石膏时也都低于上蒜磷石膏处理。此外，添加古城磷石膏后 NC297烟株地上部的砷质量分数更是低至0.20 mg·kg-1，可见其砷污染风险极小。

表3 施用磷石膏对植烟土壤化学特性的影响Table 3 Effect on soil chemical properties by application of PG

2.6 施用磷石膏对植烟土壤化学特性的影响

施用磷石膏对土壤pH影响不大，总体上土壤酸度稍有升高，但对速效磷、有效硫和总砷的影响较大（表3）。与不施用磷石膏相比，施用上述 3个产地磷石膏都能显著增加土壤中速效磷、有效硫和砷的质量分数。

不管种植哪种烤烟，添加上蒜磷石膏极大地增加了土壤中速效磷的质量分数，大约为对照质量分数的11 ～ 23倍，古城磷石膏施用对土壤速效磷的增加量次之。种植 NC297时，施用古城磷石膏对土壤有效硫增加最多，其次是上蒜和草铺磷石膏；种植红花大金元时，施用草铺磷石膏对有效硫的质量分数增加最多，其次是古城和上蒜磷石膏；种植MS云烟85时，施用古城磷石膏后土壤硫的质量分数显著低于另外2种磷石膏施用处理，以草铺磷石膏处理质量分数最高。与对照比较，施用磷石膏大约增加了土壤有效硫质量分数5 ～ 15倍。

施用磷石膏增加了土壤中有效砷的质量分数，且不同烤烟品种和磷石膏处理下影响不同。种植NC297时，施用古城磷石膏后土壤有效砷的质量分数增加最多；种植红花大金元时，施用草铺磷石膏后土壤有效砷的质量分数显著低于上蒜和古城磷石膏处理；种植MS云烟85时，施用上蒜磷石膏后土壤有效砷的质量分数低于另外2种磷石膏处理。

3 讨论

本研究结果显示，不同产地磷石膏中以上蒜磷石膏的促生效果普遍最好，这可能与上蒜磷石膏含磷量较高有关（张传光等，2012）；3个烤烟品种中以红花大金元的生长优势更为明显，一方面可能与烤烟品种的差异有关，因为在不添加磷石膏的情况下尽管烤烟的干物质累积量品种间没有明显差异，但红花大金元的植株高度却表现出了优势；另一方面，施用磷石膏后红花大金元干物质累积量却大于其他品种（表2），说明相比NC297和MS云烟 85而言，施用磷石膏能更有效的促进红花大金元的的生长。

白来汉等（2011）将古城磷石膏（20 g·kg-1土）施用于玉米后，玉米地上和根系中磷的质量分数和磷吸收都显著高于相应对照，这一结果与本研究中磷石膏对 NC297的作用基本一致。据白万明和徐茜（2007）统计，烟叶中磷的质量分数为0.14%～0.66%，平均0.23%，本试验中3种烤烟地上部磷的质量分数范围皆处于正常水平，说明，施用不同产地磷石膏都能满足烤烟苗期生长对磷素的需求。

硫被认为是继氮、磷、钾之后植物生长发育必需的第4种营养元素，其需要量与磷相当（王国平等，2009）。烤烟干物质中硫的质量分数一般在0.2%～0.7%，这比一般作物要高一些（刘国顺等，2009），本研究中烤烟植株硫的质量分数为0.27%～0.47%（图3）。据中国科学院南京土壤研究所的调查报告，我国目前缺硫土壤已达660万hm2，对缺硫土壤补硫是解决问题的唯一途径。缺硫或潜在缺硫土壤上施用硫肥可以提高作物产量和品质。刘勤等（2000）的田间试验表明，在硫素质量分数较低（有效硫7.46 mg·kg-1）的土壤施用75kg·hm-2的硫能促进烤烟增产 11.73%。烤烟作为云南省主要的经济作物之一，硫素营养与烤烟的生长发育、产量、品质密切相关，而云南的主要土壤类型如红壤相对其他土壤类型含硫量较低。磷石膏除了供磷以外，本身就是一种良好的硫肥，其有效硫质量分数可达 15%，是土壤补硫的首选品种（郑小莲，2000）。据相关报道表明，湖南烟区土壤有效硫质量分数为2.2 ～ 217.6 mg·kg-1，滇东烟区土壤有效硫质量分数为1 ～ 100 mg·kg-1，对比本研究的结果（表3）可知，施用磷石膏后土壤中硫质量分数完全能满足烤烟生长需求（有效硫≥50 mg·kg-1）（刘勤等，2000；许自成等，2007；王小东等，2011）。

砷是烤烟中有害重金属元素之一，1990年Hoffman清单中将砷列入烤烟44种有害成分之一，砷在抽吸过程中可通过主流烟气进入人体，对人体造成危害。砷能抑制烤烟的生长发育, 导致其生育期延迟, 叶片数和叶面积减少, 株高和产量降低。烤烟中的砷主要源于土壤，当土壤中的砷质量分数达到 100 mg·kg-1时, 烤烟的生长发育会受到严重抑制, 丧失生产价值; 当砷质量分数达到 200 mg·kg-1以上时, 烤烟不能移栽成活; 使烤烟减产10%的土壤砷含量阈值为16.89 mg·kg-1（常思敏等，2007）。杨永建等（2007）建议将烤烟中砷质量分数允许上限设为 0.86 mg·kg-1，本试验结果表明，施用磷石膏增加了烤烟地上部砷含量及吸收量（图4），土壤有效砷含量也增加了2.5 ～ 3.7倍，但对照这一建议标准，只有NC297和MS云烟85施用上蒜磷石膏后的部分烟苗砷含量稍有超标，可见，除施用上蒜磷石膏存在潜在风险外，烤烟上施用古城和草铺磷石膏基本上是安全的。

砷和磷同属元素周期表中的第V族，在土壤中两者均以阴离子的形式存在，化学行为相似，因此，磷可以与土壤固相中专性吸附的和非专性吸附的砷竞争吸附点位，进而降低砷的生物有效性（Chrenekoya，1975），并能减轻减轻高浓度砷污染对玉米的毒害作用（Xia等，2007；郝玉波等，2011）。但刘全吉等（2011）的研究表明，不同浓度磷肥的施用均促进了油菜中砷由地下向地上部分转移，尤其是向角果皮中转移，且随着土壤中磷浓度的增加，油菜籽粒中砷含量也逐渐增加，说明磷肥施用是否能减少作物对砷的吸收也与作物种类有关。本研究的结果显示，磷石膏在烤烟区施用的砷污染风险还与烤烟品种和磷石膏产地密切相关，其中上蒜磷石膏与红花大金元组合砷污染风险较低，烟株中砷的质量分数（0.48 mg·kg-1）显著小于相同处理下NC297和MS云烟85，而添加古城磷石膏后 NC297烟株中的砷的质量分数更是低至0.20 mg·kg-1。

因此，磷石膏的农业资源化实践过程中，要实现无害化、减量化、资源化的目标还需要更大范围的进行作物品种及磷石膏产地组合的筛选及更深入的探索研究。另外，基于丛枝菌根真菌兼有的促进宿主植物养分吸收及在抵御重金属等逆境胁迫中的重要作用（Xia等，2007；Hua等，2009），可能够进一步保障磷石膏的农用安全问题（白来汉等，2011；谷林静等，2013）。

3 结论

1）施用磷石膏能有效地促进了烤烟的生长，特别是施用上蒜磷石膏后促进作用尤为明显。

2）对于烤烟来说，磷石膏是一种很有潜力的磷、硫肥料，在不同品种间存在不同程度的肥效差异，对红花大金元的促生效果更为明显。

3）施用磷石膏能大量增加土壤中的有效磷、硫含量，同时，也增加了烤烟和土壤中砷的含量，但除上蒜磷石膏与NC297和MS云烟85组合存在一定砷污染风险外，其他组合则比较安全。

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