全 文 ：第 34 卷第 18 期
2014年 9月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.18
Sep.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金(U1033004);广西自然科学基金(2012GXNSFBA053062, 2013GXNSFBA019057);广西农科院基金(2012YZ20,
2013YQ01, 2013YQ02, 2013YF06, 2014JZ18); 农业部科技专项(201003014)
收稿日期:2014鄄05鄄09; 摇 摇 修订日期:2014鄄08鄄11
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: hwtan@ gxaas.net
DOI: 10.5846 / stxb201405100949
区惠平, 刘昔辉, 黄金生, 周柳强, 曾艳, 韦运兰, 谢如林, 谭宏伟.广西典型红壤旱地施用钙镁磷肥对玉米产量及其镉累积的影响.生态学报,
2014,34(18):5300鄄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鄄magnesia phosphate fertilizer on maize yield and its
cadmium accumulation in upland red soil in Guangxi.Acta Ecologica Sinica,2014,34(18):5300鄄5305.
广西典型红壤旱地施用钙镁磷肥
对玉米产量及其镉累积的影响
区惠平1, 刘昔辉2, 黄金生1, 周柳强1, 曾摇 艳1, 韦运兰1, 谢如林, 谭宏伟2,*
(1. 广西农科院农业资源与环境研究所, 南宁摇 530007; 2. 广西农科院甘蔗研究所,南宁摇 530007)
摘要:在广西典型类型红壤旱地布置玉米磷肥施用量的田间试验,研究不同钙镁磷肥施用量(磷肥 Cd含量为 0.0651 mg / kg)对
玉米产量及地上部 Cd累积的影响。 结果表明,与不施磷肥处理(CK)相比,施磷肥可分别显著提高春、秋玉米籽粒产量 8.2%—
13.1%和 13.7%—20.0%。 高磷(600 kg P2O5 / hm2)处理的春玉米秸秆产量比 CK显著提高 11.4%;施磷处理春、秋玉米秸秆 Cd
含量分别下降 2.7%—45.8%和 11.0%—43.6%;而籽粒 Cd含量分别下降 13.0%—40.6%和 9.9%—31.5%,且秸秆和籽粒的 Cd含
量及累积量均随施磷量的增加而逐渐降低,其中以高磷处理最为显著。 玉米秸秆及籽粒 Cd 累积量在高磷处理下(600 kg
P2O5 / hm2)分别比低磷处理(75—300 kg P2O5 / hm2)降低 13.6%—41.5%和 8.8%—29.3%。 相关分析表明,玉米 Cd含量与土壤
pH呈显著负相关,与土壤有效 Cd含量呈显著正相关。 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的有效性进而降低玉米对 Cd的吸收累积。
关键词:磷肥施用量;镉;累积量;玉米;红壤
Effect of calcium鄄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,*
1 Agricultural Resources and Environmental Research Institute, Guangxi Academy of Agricultural Sciences, Nanning 530007,China
2 Sugarcane Research Institute, Guangxi Academy of Agricultural Sciences, Nanning 530007, China
Abstract: A filed experiment was carried out to evaluate effects of calcium鄄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 P 2O5 / hm
2). 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 P 2 O5 / hm
2 ). 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 P 2O5 / hm
2), the Cd accumulation in straw and grain under high phosphate treatment (600 kg
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P 2O5 / hm
2) 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.
Key Words: phosphate fertilizer rate; cadmium; accumulation; mazie; red soil
摇 摇 镉(Cd)是一种重金属元素,位列联合国环境规
划署提出的 12 种具有全球性意义的危险化学物质
之首。 土壤 Cd通过植物吸收经食物链进入人体,是
危害人类健康的主要途径。 因此,查明土壤中 Cd 污
染源,并从源头上加以控制,对改善土壤环境质量,
确保农产品安全具有重要意义。
由于磷矿中伴生大量的 Cd,其 60%—80%的 Cd
会在磷肥的生产过程中转移到肥料中去[1],磷肥施
用成了 Cd在土壤中累积的主要原因,占人类活动对
土壤 Cd 总贡献的 54%—58%[2]。 人们对磷肥施用
的关注已超出原来单纯的农学效应,其潜在 Cd 的环
境风险更加备受关注。 国外研究表明,长期施用含
Cd磷肥显著增加土壤 Cd全量[3鄄5]及有效含量[5],两
者间呈显著的剂量效应[6];施用高 Cd磷肥或增施含
Cd磷肥均可促进作物 Cd 累积量增加[7鄄8]。 说明磷
肥中的 Cd可对土壤环境以及农产品的 Cd安全产生
显著影响。
近年来,我国学者在污染农田上开展了磷肥施
用对作物 Cd累积的影响研究,但主要侧重于磷肥的
修复效应[9鄄11],而忽视磷肥中的 Cd 对作物 Cd 累积
的影响。 针对赤红壤上由于低 Cd 磷肥不同施用量
诱发的玉米 Cd 累积及生物有效性更是未见报道。
本实验采用田间试验,研究低 Cd 钙镁磷肥不同施用
量下土壤 Cd的有效性及玉米地上部秸秆和籽粒对
土壤 Cd的吸收、累积特征,以期为磷肥的合理施用
以及玉米生产中控制和减少玉米对土壤 Cd 的吸收
提供理论依据。
1摇 材料与方法
1.1摇 供试材料
采用大田试验,于 2011 年在广西武鸣里建英才
村进行。 该区属南亚热带湿润季风气候区,年平均
气温 21.7益,年均降水量 1300 mm。 供试春、秋玉米
(Zea mays)品种均为迪卡 008。 供试土壤为砂页岩
发育的铁质湿润雏形土,有机质 27. 8 g / kg,全氮
1郾 10g / kg,碱解氮 134 mg / kg,速效磷 14 mg / kg,速效
钾 112 mg / kg,全 Cd 0.1504 mg / kg,pH(H2O)5.40。
供试磷肥为钙镁磷肥,其中P 2O5含量为 180 g / kg,Cd
含量为 0.0651 mg / kg。
1.2摇 试验设计
磷肥施用量以P 2O5计,以农民习惯磷肥施用量
为基础,采用翻倍施用量效仿多年连续累积施用量。
共设 4 个施P 2O5水平,分别用 P1、P2、P3 和 P4 表
示,其中 P1处理为单造当地农民习惯磷肥施用量,
P2、P3 和 P4 处理分别为 1a、2a 和 4a 累计施用量,
以不施磷肥作为对照(CK 处理)。 氮、磷、钾肥具体
施用量和伴随钙镁磷肥施用进入农田的 Cd 含量见
表 1。 每处理 3次重复,随机区组排列。 小区面积
表 1摇 玉米 N、P2O5、K2O施用量及伴随磷肥施用进入土壤的 Cd含量
Table 1摇 Application rate of N, P2O5, K2O for maize and cadmium input with phosphate application
处理(施肥水平)
Treatments
春玉米 Spring corn
P2O5 /
(kg / hm2)
Cd /
(mg / hm2)
N /
(kg / hm2)
K2O /
(kg / hm2)
秋玉米 Autumn corn
P2O5 /
(kg / hm2)
Cd /
(mg / hm2)
N /
(kg / hm2)
K2O /
(kg / hm2)
CK 0 0 240 225 0 0 240 225
P1 75 27.13 75 27.13
P2 150 54.25 150 54.25
P3 300 108.50 300 108.50
P4 600 217.00 600 217.00
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25.2 m2,小区间以田间小沟隔开。 氮、磷、钾肥分别
按基肥:追肥为 1颐1、1颐0、1颐1 的比例施用。 基肥采用
沟施的方法,施肥后盖土。 追肥采用穴施的方法施
于两株玉米之间,施肥后盖土。 基肥和追肥春玉米
分别于 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、秋玉米分别于 2 月 23
日和 7 月 30 日播种,采用单行种植,行距为 60 cm,
株距为 30 cm,种植密度 55545株 / hm2,于 7月 20日
和 11月 25日收获。
1.3摇 取样及分析
玉米收获时,全小区分秸秆及籽粒测产。 同时,
每小区取生长均匀的 6兜平地收获地上部和采集耕
层土壤样品。 地上部分秸秆和籽粒两个部位,其中
秸秆切短为 2—3 cm 混合均匀,于 105益杀青 30
min,60益烘干粉碎,过 60 目筛备用,籽粒 60益烘干
粉碎,过 60 目筛。 用 HNO3鄄HClO4 ( 2 颐 1) 湿法消
化[12],石墨炉原子吸收法[13]测定 Cd 含量。 土壤自
然风干,粉碎,过 18 目,采用 NH4OAc 提取[14],石墨
炉原子吸收法[13]测定土壤有效 Cd 含量,1颐2.5 的土
水比浸提,电位法[12]测定土壤 pH。
1.4摇 数据处理
数据处理、作图、方差分析等采用 Excel 2007 和
DPS 7.05等软件完成,采用 LSD法进行多重比较。
2摇 结果与分析
2.1摇 施磷量对玉米产量的影响
由表 2可以看出,施磷显著增加玉米籽粒产量。
与 CK相比,春、秋玉米籽粒产量施磷处理分别提高
8.2%—13.1%和 13.6%—20.0%,差异达到显著水平
(P<0.05);然而,不同施磷量间玉米籽粒产量差异不
显著。 春玉米秸秆产量以 P4处理最高,显著高于对
照 11.4%。 春、秋玉米秸秆产量 P1—P3 处理均与对
照相当。
2.2摇 施磷量对玉米秸秆和籽粒 Cd含量的影响
由表 3可看出,茎叶和籽粒 Cd 含量均低于国家
粮食卫生控制标准 0. 2 mg / kg1的规定 ( GB2762—
2005)。 施磷降低玉米秸秆和籽粒对 Cd 的吸收,且
玉米秸秆和籽粒 Cd 含量随施磷量的增加而减少。
增施 75—600 kg P 2O5 / hm2,春、秋玉米秸秆 Cd 含量
降幅分别达 2. 7%—45.8%和 11. 0%—43. 6%,籽粒
Cd含量降幅达 13.0%—40.6%和 9.9%—31.5%。 其
中,P3和 P4处理显著低于对照和 P1处理。
表 2摇 不同施磷量对玉米生物量的影响
Table 2摇 Effect of different phosphate fertilization rate on maize
biomass 摇
处理
Treatment
籽粒产量
Grain yield /
(kg / hm2)
秸秆产量
Biomass /
(kg / hm2)
春玉米 CK 4449.6依139.4 b 6262.5依278.0 b
Spring corn P1 4813.6依201.0 a 6640.7依83.8 ab
P2 4985.1依138.6 a 6794.8依206.1 ab
P3 5033.5依145.4 a 6814.9依175.0 ab
P4 4951.5依219.9 a 6975.6依66.6 a
秋玉米 CK 3013.5依64.4 b 4953.1依45.6 a
Autumn corn P1 3425.0依44.1 a 5237.3依200.7 a
P2 3555.5依30.8 a 5269.1依116.7 a
P3 3617.6依97.9 a 5349.6依94.9 a
P4 3502.7依66.8 a 5306.1依92.8 a
摇 摇 不同小写字母分别代表处理间差异达到显著水平(P<0.05)
表 3摇 不同施磷量对玉米秸秆和籽粒 Cd含量的影响
Table 3摇 Effect of phosphate fertilization rate on Cd concentrations
in maize straw and grain
处理
Treatment
秸秆 Cd含量
Cd concentration
in straw /
(mg / kg)
籽粒 Cd含量
Cd concentration
in grain /
(mg / kg)
春玉米 CK 0.084依0.001 a 0.014依0.001 a
Spring corn P1 0.082依0.000a 0.013依0.000 ab
P2 0.075依0.001b 0.011依0.000 bc
P3 0.071依0.000 c 0.009依0.001 cd
P4 0.045依0.001 d 0.009依0.001 d
秋玉米 CK 0.100依0.002 a 0.052依0.001 a
Autumn corn P1 0.089依0.002 b 0.047依0.002 ab
P2 0.074依0.002 c 0.045依0.002 ab
P3 0.065依0.007 cd 0.043依0.003 bc
P4 0.057依0.002 d 0.036依0.003 c
2.3摇 施磷量对玉米 Cd累积量的影响
由表 4可以看出,与对照相比,施入 75 kg P 2O5 /
hm2对玉米秸秆及籽粒 Cd 累积量无显著影响;当施
磷量大于 300 kg P 2O5 / hm2时,玉米秸秆和籽粒 Cd
累积量显著下降。 随施磷量的增加,玉米秸秆及籽
粒 Cd 累积量逐渐下降,以 P4 处理最低,分别低于
P1、P2和 P3处理 13.6%—41.5%和 8.8%—29.3%。
2.4摇 不同施磷量对土壤有效态 Cd含量的影响
由图 1 可以看出,与 CK 处理相比,磷肥施用不
同程度地降低土壤有效 Cd含量,其中,春玉米中 P 2、
P 3和 P 4处理土壤有效 Cd 含量分别降低 4.6%、7.1%
和 7.3%;秋玉米分别降低 2.7%、5.6%和 12.8%。
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表 4摇 施磷量对玉米秸秆和籽粒 Cd累积量的影响
Table 4摇 Effect of phosphate fertilization rate on Cd accumulation in maize straw and grain
处理
Treatment
Cd累积量 Cd accumulation amount / (mg / hm2)
籽粒 Grain 秸秆 Residue 合计 Total
春玉米 CK 65.4依9.8 a 526.5依41.8 a 591.9依50.9 a
Spring corn P1 61.4依4.4 a 543.4依10.7 a 604.7依6.5 a
P2 57.5依5.2 ab 508.5依21.1 ab 566.0依19.5 ab
P3 47.6依5.9 bc 484.6依15.6 b 532.2依20.7 b
P4 43.4依10.1 c 318.0依12.4 c 361.4依22.5 c
秋玉米 CK 157.8依4.2 a 497.1依25.3 a 654.9依29.1 a
Autumn corn P1 161.6依10.6 a 466.9依15.7 a 628.5依11.4 a
P2 161.1依15.7 a 387.5依4.5 b 548.6依13.9 b
P3 153.8依11.9 a 347.5依60.9 bc 501.4依72.6 b
P4 125.3依15.4 b 300.3依24.9 c 425.6依39.8 c
摇 摇 土壤 Cd的有效性随磷肥施用量的不同呈现不
同程度的差异。 施用量 75—600 kg P 2 05 / hm2范围
内,随着施磷量的增加,土壤有效 Cd 含量下降。 春
玉米栽培季节,P1 处理中土壤有效 Cd 含量比 P2、
P3、P4 处理分别提高 5.7%、8.7%和 8.8%,差异显
著;但 P2、P3、P4处理间差异不显著;秋玉米栽培季
节,土壤有效 Cd含量除了 P1与 P4处理间差异显著
外,其他处理间差异不显著。
图 1摇 不同施磷施用量下土壤有效 Cd含量变化
Fig.1 摇 Changes of soil available Cd content under different
phosphate fertilization rate
CK,P1—P4 为施肥水平
2.5摇 不同施磷量对土壤 pH的影响
从图 2 可以看出,施用磷肥提高玉米地土壤
pH,且土壤 pH 随施磷量的增加而升高。 当施磷量
为 600kg / hm2时,春玉米土壤 pH 分别比 CK、P 1、P 2
和 P 3处理分别提高 0.31、0.24、0.22 和 0.05 个 pH单
位,秋玉米分别提高 0.55、0.51、0.45和 0.45个 pH单
位,间差异显著。
2.6摇 玉米 Cd含量与土壤有效 Cd含量的关系
将玉米 Cd含量与土壤 pH 和有效 Cd 含量作相
图 2摇 不同磷肥施用量下土壤 pH的变化
Fig. 2 摇 Changes of soil pH under different phosphate
fertilization rate
关性分析(表 5)发现,玉米秸秆、籽粒 Cd 含量与土
壤有效 Cd 呈显著正相关,与 pH 值呈显著负相关。
而磷肥施用量与土壤有效 Cd含量呈显著负相关,与
pH值呈显著正相关。 表明磷肥通过提高土壤 pH和
降低土壤有效 Cd含量影响玉米对 Cd的吸收累积。
3摇 讨论
研究指出,Cd 是生物迁移性极强的重金属,极
易被植物吸收并在体内积累,超过一定限度可能会
产生毒害而影响正常产量[15]。 本研究中,施磷显著
增加玉米籽粒产量。 说明磷肥中虽然含有一定的
Cd含量,但这对玉米并无减产作用。 试验在田间观
察中也并没有发现玉米 Cd 毒害的症状。 这可能与
随磷肥进入土壤的 Cd 含量较低有关。 众多研究表
明,低浓度 Cd对植物生长有积极的“刺激作用冶,而
较高的 Cd含量才会对作物产生毒害作用[16鄄17]。 由
玉米籽粒产量在不同的施磷处理间差异不显著,推
断 P1水平(75 kg P 2O5 / hm2)是玉米适宜的施磷量。
3035摇 18期 摇 摇 摇 区惠平摇 等:广西典型红壤旱地施用钙镁磷肥对玉米产量及其镉累积的影响 摇
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表 5摇 玉米 Cd含量与土壤有效 Cd含量的相关系数
Table 5摇 Correlation coefficients (r) between Cd content in corn and soil available Cd content
项目 Item 土壤 pH Soil pH 有效态 Cd Soil available Cd
春玉米 Spring corn 秸秆 Cd含量 Cd content in straw -0.8757** 0.7744*
籽粒 Cd含量 Cd content in grains -0.9745** 0.9148**
磷肥施用量 Phosphate application rate 0.9464** -0.8302*
秋玉米 Autumn corn 秸秆 Cd含量 Cd content in straw -0.7768* 0.8832**
籽粒 Cd含量 Cd content in grains -0.9008** 0.9644**
磷肥施用量 Phosphate application rate 0.9469** -0.9972**
摇 摇 *和**分别代表 P<0.05和 P<0.01(n= 5, r0.05 = 0.751, r0.01 = 0.874)
摇 摇 玉米籽粒 Cd含量的多少直接关系人类的健康。
本试验所有处理中玉米籽粒 Cd 含量均低于国家粮
食卫生控制标准,说明施低 Cd钙镁磷肥施用不会造
成玉米 Cd超标。 相反,与 CK相比,增施 75—600 kg
P 2O5 / hm2,玉米对 Cd的吸收累积量随施磷量的增加
而降低。 其中,秸秆中 Cd 含量降幅达 2.7—45.8%
(春玉米)和 11.0—43.6%(秋玉米);籽粒 Cd 含量降
幅达 13. 0—40. 4% (春玉米)和 9. 9—31. 5% (秋玉
米)。 以上结果表明:施用磷肥既能提高作物产量,
又能降低作物 Cd 污染。 这一结果与国内外许多研
究结论是相类似。 Dheri 等[18]的盆栽试验中,磷肥
的施用不仅使得供试菠菜的生物量增加 34%(壤土)
和 45%(沙土),而且减少了菠菜中 Cd 的含量。 在
50 mg P 2O5 / kg土的磷肥施用量下,磷肥增加小麦干
物质重,同时减缓作物 Cd、Pb 毒害[19]。 Wang 等[20]
发现,磷矿粉、钙镁磷肥和过磷酸钙均可显著减少污
染土壤中小白菜对 Cd的吸收累积量。 因而,钙镁磷
肥施用可作为一个经济、有效地降低作物 Cd 吸收量
的措施。
研究表明,pH对 Cd 的生物有效性有重要影响。
一方面,pH 值影响土壤对 Cd 的吸附容量,pH 值在
4.0—7.7之间每上升 1 个 pH 值单位,土壤对 Cd 的
吸附容量增加 3 倍,大大降低 Cd 向植物的迁移能
力[21]。 另一方面,在碱性条件下,会生产 CdCO3、
Cd(OH) 2沉淀。 磷肥诱导土壤 pH 和表面电荷的提
高从而提高土壤 Cd的固定[22];同时,磷肥本身与 Cd
形成磷酸 Cd沉淀和含钙磷肥施用引起的植物钙与
Cd 的竞争吸收也可降低土壤 Cd 的生物有效
性[9,23]。 本试验中,与 CK相比,磷肥施用后土壤 pH
值上升,有效 Cd含量下降(图 1,图 2),玉米秸秆、籽
粒 Cd含量与有效 Cd 含量显著正相关,与 pH 值显
著负相关(表 5)。 说明磷肥降低玉米吸收累积 Cd
是通过 pH值的上升,有效 Cd含量的下降实现的。
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