菌根技术对磷石膏农用的强化效应.pdf

第 29 卷 第 17 期 农 业 工 程 学 报 Vol.29 No.17 2013 年 9 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Sep.2013 152 菌根技术对磷石膏农用的强化效应 谷林静，白来汉，张乃明，张仕颖，岳献荣，陈永志，夏运生（云南农业大学资源与环境学院，昆明 650201）摘 要：磷石膏资源农业利用的可行性已成为磷复肥生产实现可持续发展的关键，而菌根技术的引入可能是磷石膏在低硫缺磷土壤上农用的有效新途径。该文以小葱（Allium schoenoprasum L.）为供试植物进行模拟试验，研究添加不同量（0、20、40 g/kg）磷石膏（phosphogypsum，PG）和接种不同丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）（Glomus mosseae、Glomus aggregatum、Diversispora spurcum）对其生长及磷、硫、砷吸收的影响。结果表明：小葱植株生物量、磷、硫、砷含量及磷砷吸收比均随磷石膏添加水平的提高而有增加趋势。与未接种相比较，在添加了磷石膏的基础上接种上述 AMF 均能不同程度改善小葱生长并促进其磷素养分的吸收，而添加 40 g/kg 磷石膏（PG40）处理接种 Glomus mosseae（GM）和 Diversispora spurcum（DS）的宿主植株砷含量显著较低，其中以 PG40-GM 组合处理的小葱生长量、磷、硫吸收量及磷砷吸收比最大，在缺磷低硫土壤上促生效果最好。PG20添加水平时接种上述任意 AMF 后的小葱砷含量明显降低（且在食品砷限量标准范围内）；而 PG40 添加水平时只有接种 DS 的小葱砷含量基本在限量标准之内，且抗砷效果较好。关键词：磷，石膏，砷，丛枝菌根真菌，小葱，硫 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2013.17.020 中图分类号：X705 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2013)-17-0152-08 谷林静，白来汉，张乃明，等.菌根技术对磷石膏农用的强化效应J.农业工程学报，2013，29(17)：152159.Gu Linjing,Bai Laihan,Zhang Naiming,et al.Strengthening effect of mycorrhizal technology on application of phosphogypsum in agricultureJ.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2013,29(17):152159.(in Chinese with English abstract)0 引 言 磷石膏是磷复肥生产过程中的副产品，其主要成分为二水硫酸钙（CaSO42H2O）。每生产 1 t 磷复肥，就会副产 3.75 t 磷石膏1。据统计，目前全世界年副产磷石膏达2.8亿t，有效利用率不足2 800万 t。于 2012 年中国低碳经济发展促进会中可知，中国磷石膏排放量也已达 6 000 万 t，但其有效利用率却不高，只有年产量的 20，即 1 500 万 t 左右。20062011 年中国的磷石膏累积产生量已超过 3 亿 t，堆存量更是超过了 2.5 亿 t。而云南省拥有丰富优质的磷矿石资源，磷石膏的排放量占全国1/5 左右，年均新增排放量 1 300 万 t，截至目前，它的累计堆放近 9 000 万 t2，大量的磷石膏没有得 收稿日期：2013-04-26 修订日期：2013-08-05 基金项目：国家自然科学基金项目（No.41161041）；云南省应用基础研究项目（No.2008CD132）；云南省教育厅科学研究基金项目（No.09Y0197）作者简介：谷林静（1988），女，云南曲靖人，研究方向为农业环境保护。昆明 云南农业大学资源与环境学院，650201。Email：G 通信作者：夏运生（1975），男，博士，副教授，硕士生导师。主要从事废弃物资源化、生态环境保护及菌根生理研究。Email： 到利用。堆放的磷石膏，不仅提高了磷复肥企业的生产成本还占用了大量土地，污染了环境3-4。研究发现，磷石膏中残留部分磷酸根离子，pH 值小于 7，可以替代石膏用于改良酸性土壤和盐碱土壤，同时，磷石膏还富含硫、磷、钙、镁等多种农作物所需营养成分，所以施加磷石膏不仅可以提高土壤的肥力还能促进植物的生长5，所以在低磷缺硫的土壤和盐碱土壤来说，它也被用作土壤肥源应用于农业生产和土壤改良，促进缺硫土壤上玉米、大葱、等作物的生长和增产，并有助于豆科植物根瘤的形成，提高大豆、花生等的固氮量和产量6-8。不过，这些研究主要关注于磷石膏的添加对作物的生长和盐碱地改良等有利方面，而在土壤施用磷石膏后对于作物有害物质的积累与评价等方面研究则不多9。由于磷石膏具有强酸性、并含有一定量重金属（如：As）和放射性污染物等，不同程度地限制了磷石膏在农业上的应用10-12。丛枝菌根是土壤中的丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）与高等植物根系形成的共生体。在地球上，80以上的陆生植物都可形成丛枝菌根13。AMF 能侵染植物的根部以增加宿主植物对磷、硫等矿质养分的吸收14-15。近些年来，国内外就 AMF 与土壤有机磷和无机磷、外源有机磷第 17 期 谷林静等：菌根技术对磷石膏农用的强化效应 153 和无机磷活化方面进行了大量研究，发现 AMF 具有活化难溶性磷的能力16-19，能有效改善葱属植物对硫、磷等营养成分的吸收，从而促进植株的生长20-21。此外，还有 AMF 能够强化植物利用尾矿砂、煤矿区废弃物和矿区复垦土壤以及土壤砷污染的抗性等方面的报道22-28。基于磷石膏的农业利用着手，结合磷石膏所含植物必需元素的特性，和 AMF 能够促进植物根系对土壤养分的吸收以及对重金属的抗性，白来汉等29通过盆栽模拟实验研究了接种 AMF 对磷石膏在玉米上利用效果。而小葱（Allium schoenoprasum L.）不仅常用于于人们日常饮食中，还具有一定保健和食疗作用，加之生育期较短，种植经济效益高，但由于长期施肥习惯导致其产量较低，而施用硫肥不仅可以大幅度增加单位面积产量，还能有效改善小葱的外观和品质，在菌根技术强化后，葱属植物硫素营养将能得到进一步地提高30。此外，在氮磷钾施用量与小葱产量的相关性研究中，发现磷肥对小葱的产量影响较大30。因此，本研究以葱属植物小葱（shallot）为对象，研究不同磷石膏添加和不同AMF 接种条件下对宿主生长及元素吸收的影响，进一步探讨低硫缺磷土壤上菌根技术应用于磷石膏农业利用方面的潜力，可为云南磷石膏在南方土壤上的农用提供一条有效新途径。1 材料与方法 1.1 材 料 试验土壤取自玉溪市江川县低硫缺磷土壤。土壤自然风干后过 2 mm 筛，混匀后装入灭菌袋于高压灭菌锅进行蒸汽灭菌（120间歇灭菌共 2 h），然后在牛皮纸上铺匀晾置 23 d，为了避免其他微生物污染，待干后用密封塑料袋收集。试验所用磷石膏采自云南昆明市磷复肥企业（位于古城镇边的昆阳磷肥厂）西汉营村子堆放处。磷石膏风干后过1 mm 筛，充分混匀并与供试土壤进行同样的灭菌、风干等处理。其基本化学属性如表 1 所示。供试宿主植物为小葱，种子用 10%H2O2对表面进行 10 min 消毒，随后用蒸馏水冲洗至无味，在25恒温培养箱中催芽 23 d，待发芽较整齐混入细沙撒播。供试 AMF 由王幼珊提供（北京市农林科学院植物营养与资源研究所研究员），分别是 Glomus mosseae（BGCYN05，1511C0001BGCAM0013）、Glomus aggregatum（BGCHEB07C）、Diversispora spurcum（BGCSD03A，1511C0001BGCAM0047），其中的 Glomus 还是农田优势属，且这 3 种 AMF 均分离于农田作物根际土壤。供试菌剂则通过玉米和三叶草为宿主植物扩繁得到。表 1 供试土壤和磷石膏的化学属性 Table 1 Chemical characteristic of experimental soil and phosphogypsum 类别 Category 土壤 pH值 Soil pH value有机质Organic matter(gkg-1)全磷 Total phosphor-rus(gkg-1)速效磷 Available phospho-rus(mgkg-1)有效硫Avilable sulfur(mgkg-1)全砷 Total arsenic(mgkg-1)土壤 Soil 7.30 13.42 0.68 7.56 36.456.70 磷石膏Phosphogyp-sum 4.19 4.61 5.26 35.62 376.8418.5 注：表中数据来源于文献29。Note：Date in the table come form of reference29.1.2 试验设计 试验中磷石膏添加水平共分 3 个，添加量则为0、20、40 g/kg（分别用 PG0、PG20、PG40 来表示）。在每个添加磷石膏处理的同时设有 4 个处理（不接种（NM），接种 Glomus mosseae（GM），接种Glomus aggregatum（GA）和接种 Diversispora spurcum（DS），每个处理分别做 4 次重复，总计 48 盆。试验用的容器为 1.5 L 的塑料盆。每盆中装土1 kg，并以溶液形式分别向土壤中加入基础肥料（N：60 mg/kg，P：30 mg/kg，K：67 mg/kg)，和中微量元素 Ca、Mg、Mn、Cu、Zn、Mo 等。加入肥料后即刻混匀并平衡 1 w。每盆中加入菌根菌剂（60 g）作为接种处理，对照处理中加入等量的灭菌菌剂，与土壤充分混匀后装盆，浇水使土壤含水率保持在田间持水率的 70%左右。小葱发芽后与灭过菌的少量细沙混合，均匀撒播，待长势稳定后间苗至 20 株。1.3 盆栽管理、植株收获及关键指标测定方法 试验于 2010 年 11 月在云南农业大学后山温室内进行，室内昼夜气温分别为（253）和（142），试验期间均在自然光照下进行，且根据小葱每天的失水量决定其需浇蒸馏水量。为了确保小葱在生长期不缺少 N、K 等营养元素，在其生长至 35 d 进行 1 次追肥（N：30 mg/kg，K：30 mg/kg，Ca：20 mg/kg）。植物生长 14 w 后收获，先用流水冲洗一遍，再用蒸馏水洗净晾干，根样剪成 1 cm 根段。混匀后取 0.7 g 须根样用于曲利苯蓝-方格交叉法测定小葱根系的根长，并计算其菌根侵染率31，剩余部分经烘干（68，72 h），粉碎后待用。其中供试土壤 pH 值、有机质含量、速效磷、有效硫和全砷含量，以及收获后植株的磷含量、砷含量测定均参见土壤农业化学分析方法32；植株含硫量采用浊度法测定33。农业工程学报 2013 年 154 1.4 数据统计分析 数据则采用 SPSS11.5 统计软件进行双因素方差分析，检验磷石膏处理和菌根处理间的交互作用，在交互作用显著的情况下对数据进行整体 LSD多重比较，并对磷石膏添加与接种 AMF 复合处理之间的差异显著性（P0.05）进行检验。对于磷石膏处理和菌根处理交互作用不显著的情况下，一方面对同一磷石膏添加水平处理内进行多重比较，分析不同菌根处理之间的差异显著性；另一方面对同一菌根处理内进行多重比较，分析不同磷石膏添加量处理之间的差异显著性。2 结果与分析 2.1 添加不同量的磷石膏和接种 AMF 对小葱生长的影响 本研究中由于小葱根系太少，只抽取了部分（0.5g）未接种和 3 种 AMF 接种处理根系样品进行了菌根侵染率测定，未接种样品未发现有 AMF 侵染，而接种处理样品侵染变化范围在 19.6%29.8%。经双因素方差分析，小葱生物量在磷石膏处理和菌根处理之间的交互作用显著（P0.001）。试验结果表明（见图 1）。注：PG0、PG20、PG40 表示 3 种磷石膏添加水平，添加量分别为 0、20、40 g/kg。NM、GM、GA、DS 分别表示不接种处理和接种 3 种不同菌根处理（Glomus mosseae，Glomus aggregatum，Diversispora spurcum）。不同字母表示在 P0.05 差异显著，下同。Note：PG0、PG20、PG40(under 3 different phosphogypsum addition levels(0,20,40 g/kg).without inoculation(NM)and Glomus inoculating 3 different arbuscular mycorrhizal fungies(AMF)(Glomus mosseae(GM),Glomus aggregatum(GA),Diversispora spurcum(DS).Different small letters indicate differences at p0.05 level；The same as below.图1 添加不同量的磷石膏和接种AMF处理下的小葱生物量 Fig.1 Biomass of shallot with different phosphogypsum levels and mycorrhizal colonization treatments 无论接种与否，小葱生物量随磷石膏添加水平的提高均呈显著增加趋势，说明磷石膏的添加对小葱的生长有一定的促进作用。对 PG20 和 PG40 添加水平下的处理进行分析显示，与不接种处理相比，所有接种 AMF 处理的植株生物量均相对较高，其中接种 GM 和 DS 的处理相应显著较高。同一磷石膏处理水平下，接种 GM 的小葱生物量均显著高于未接种对照和其他接种处理。所有复合处理中，PG40 与 GM 组合处理的小葱生物量最高。2.2 添加不同量的磷石膏和接种 AMF 对小葱磷、砷吸收的影响 经双因素方差分析，小葱磷含量在磷石膏处理和菌根处理间交互作用不显著，但磷石膏处理和菌根处理内各自显著（P0.001）；而小葱磷吸收量、砷含量及吸收量在磷石膏处理和菌根处理间交互作用不同程度显著（分别为 P0.001、P0.05、P0.01）。试验结果表明（图 2）。a.植株磷含量 a.Phosphorus concentrations in shallot b.植株磷吸收量 b.Phosphorus uptake in shallot 图 2 添加不同量的磷石膏和接种 AMF 处理下的小葱植株磷含量和磷吸收量 Fig.2 Phosphorus concentrations in and uptake by shallot with different phosphogypsum levels and mycorrhizal colonization treatments 无论接种与否，小葱磷含量及吸收量均随磷石膏添加水平的提高呈增加趋势，其中添加 40 g/kg磷石膏处理的磷含量及吸收量相应显著高于未添加磷石膏处理，并以 PG40 与接种 GM 组合处理的小葱磷含量及吸收量显著较高。对同一磷石膏添加水平下各处理的小葱磷含量多重比较发现，与未接种处理相比，接种 AMF 处理的小葱磷含量均有增加，其中接种 GM 的小葱磷含量显著较高。不添加磷石膏时，各处理间的植株磷吸收量没有显著差异，添加磷石膏后，接种 GM 的植株磷吸收量显著第 17 期 谷林静等：菌根技术对磷石膏农用的强化效应 155 高于其他处理。由图 3 可知，无论接种与否，随着磷石膏添加水平的提高，小葱植株内的砷含量及吸收量也有增加的趋势。PG40 处理的小葱植株砷含量及砷吸收量均显著高于未添加磷石膏处理。此外，相同磷石膏添加状况下与不同 AMF 处理对小葱的砷含量和吸收量影响也不一样：未添加时，各处理间小葱砷含量及吸收量均没有显著差异；添加 PG20 时，接种 GA 的根系砷含量及吸收量相应低于其他处理；添加 PG40 时，接种 GM 和 DS 的小葱砷含量显著低于未接种处理。a.植株砷含量 a.Arsenic concentrations in shallot b.植株砷吸收量 b.Arsenic uptake in shallot 图 3 添加不同量的磷石膏和接种 AMF 处理下的小葱植株砷含量及砷吸收量 Fig.3 As concentrations in and uptake by shallot with different phosphogypsum levels and mycorrhizal colonization treatments 经双因素方差分析，小葱植株磷砷吸收比在磷石膏处理和菌根处理间交互作用不显著，但在磷石膏处理、菌根处理内各自显著（P0.001）。由图4 可以看出，无论接种与否，随着磷石膏添加量的增加，小葱的磷砷吸收比值均呈增大趋势（接种GA 的处理除外），且以添加 40 g/kg 磷石膏和接种GM 组合处理的磷砷吸收比值最大。从同一磷石膏添加水平内的多重比较得出，接种 AMF 处理下的磷砷吸收比均要比未接种处理高一些，且未接种对照和其他接种处理的小葱植株磷砷吸收比均显著低于接种 GM 处理。图 4 添加不同量的磷石膏和接种 AMF 处理下的小葱植株磷砷吸收比 Fig.4 Uptake ration of P to As in shallot under added different phosphogypsum levels and mycorrhizal colonization treatments 2.3 添加不同量的磷石膏和接种 AMF 对小葱硫吸收的影响 经双因素方差分析发现，小葱植株硫含量和硫吸收量在添加磷石膏处理和接种菌根处理之间的交互作用显著（均为 P0.001）。从小葱的硫含量来看（图 5）。a.植株硫含量 a.Sulfur concentrations in shallot b.植株硫吸收量 b.Sulfur uptake in shallot 图 5 添加不同量的磷石膏与接种 AMF 处理下的小葱植株硫含量及硫吸收量 Fig.5 Sulfur concentrations in and uptake by shallot with different phosphogypsum and mycorrhizal colonization treatment 农业工程学报 2013 年 156 无论接种与否，PG40 处理均显著高于未添加磷石膏处理，除接种 DS 外，PG40 处理硫含量也相应显著高于 PG20 处理；此外，同一接种情况下，小葱植株的硫吸收量在 PG40 处理时也显著高于其他磷石膏添加处理。比较在相同磷石膏添加水平下，未添加磷石膏时，接种 GM 的小葱硫含量及吸收量显著高于其他处理；添加磷石膏 20 g/kg 土后，接种 GA 的小葱硫含量显著低于未接种和接种 GM的处理，且接种 GM 的小葱硫吸收量也显著较高；添加磷石膏 40 g/kg 土后，接种 GM 的小葱硫含量及吸收量均显著高于其他相应处理，且接种 GA 和DS 的小葱植株硫含量则比未接种处理还低。3 讨 论 3.1 添加磷石膏和菌根接种对小葱生长、磷、硫、砷吸收的影响 试验结果显示，小葱植株的生物量随着磷石膏添加水平的提高而有所增加，在同一接种情况下，又以 PG40 处理下的植株生长状况最好，有可能是土壤中的有效磷含量随着磷石膏的添加也增加了，从而在一定程度上改善了植株生长的缘故，且与白来汉29等对玉米的研究结论基本一致。前人的研究表明，AMF 可以促进植物根系对硫、磷等矿质元素的吸收，从而能够有效促进宿主植物的生长，特别是逆境条件下，植物在 AMF 帮助下可以获得良好的生长效应20,28,34-35。通过对比所有复合处理，发现玉米和小葱的生物量分别以 DS-PG40 组合和GM-PG40 组合处理相对较高，这可能与上述处理下，一方面由于高磷石膏水平所带入的较多有效磷对植物生长的直接作用，另一方面还与相应 AMF对亲和性较高的宿主磷素吸收的帮助有关。此外，郭涛、金辉和江盼盼等分别对洋葱21,36-37、春兰38、辣椒39进行的研究显示，接种 AMF 能够增加洋葱和春兰对硫元素的吸收作用，对辣椒根系的的生长发育也具有一定促进效应，而本试验中只有接种GM 的小葱植株对硫的吸收高于未接种处理，说明AMF 对宿主植物硫吸收的影响与作物类型及 AMF种类有关。另外，在砷污染情况下，为了减少砷元素向地上部迁移，可利用 AMF 将砷元素固定在宿主植物根系、菌丝和根际土壤之中，从而改善植株磷、砷吸收的状况并促进其生长26。本研究中，添加磷石膏 40 g/kg 向土壤中带入了一定量的 As，接种 GM后同样可能是通过上述机理控砷促磷而改善了小葱的生长。对添加磷石膏 40 g/kg 并接种 AMF 的宿主植物比较研究发现，与未接种相比，接种 DS 均能显著降低玉米29和小葱植株的砷含量，并显著降低小葱硫含量，但提高了玉米植株的磷、硫含量；而接种 GM 也能显著降低玉米和小葱植株的砷含量，但仅能显著提高小葱植株的磷、硫含量及吸收量，却使玉米植株的磷含量及吸收量显著降低，这可能与 DS 和 GM 分属不同菌根菌属且与不同宿主作物的亲和性不同有关。3.2 菌根技术应用于云南磷石膏农业利用的可行性分析 据统计，云南省大部分土壤缺磷，缺硫土壤面积则占 1/340。研究结果显示，PG40-GM 处理对小葱的磷、硫吸收及生长促进效应最好，且 PG40-GM和 PG40-DS 处理的小葱砷含量显著低于其他相应处理，说明 PG40 添加水平时接种 GM 和 DS 明显强化了小葱的抗砷效果。不过由于中国食品砷含量限量标准为 0.7 mg/kg41，仅 PG40-DS 处理的小葱砷含量基本上能达标；此外，本试验中添加 PG20水平下所有接种处理的小葱砷含量均能达标，也显示出了一定的抗砷作用。所以从促进宿主植物生长及磷、硫吸收方面来看，PG40-GM 组合可为优势组合，但从抗砷效果及食品安全角度来看，PG40-DS组合以及 PG20 与本试验中任一 AMF 组合均存在推广利用的可能。在云南，小葱的种植方式多为带状种植，以面积为 667 m2，耕作层按厚 0.15 m（一般需按 20 cm）计算，土壤容重为 1.34 g/cm3，则每亩土壤质量为 134 067 kg，本研究得出的优势抗砷处理的磷石膏施用水平为 40 和 20 g/kg 土时，分别计算出每亩需要施用磷石膏的量约为 5 400 和2 700 kg，有望用于解决部分磷石膏的堆放问题。由于试验条件的限制，本研究仅选择了 1 种作物和 3 个菌种进行初步探讨 AMF 在磷石膏施用条件下对作物生长、养分及砷吸收的影响，如选用更多类型的作物和 AMF 进行优势菌株与宿主植物的组合筛选；以及考虑磷石膏中还可能存在其他重金属或放射性物质，和 AMF 能够减少宿主吸收上述有害元素和向上迁移的潜力而结合起来研究42，可为磷石膏农用奠定更坚实的理论基础，应用前景将会更为广阔。4 结 论 通过盆栽模拟研究了菌根技术强化磷石膏应用于小葱上的促生效应与前景分析，结论如下 1）添加磷石膏后接种 AMF 能不同程度改善小葱的生长。对比不同磷石膏处理水平下，PG40 处理时小葱生物量均最高，分别是 0.61、1.16、0.78和 0.8 g，而接种 GM 较 NM、GA、DS 对小葱的促生效果最好。2）随磷石膏添加水平的提高，小葱植株生物第 17 期 谷林静等：菌根技术对磷石膏农用的强化效应 157 量及磷、硫、砷含量均呈增加趋势。其中 PG40-GM组合对小葱植株磷、硫吸收促进的效果最好，分别达到 0.4 和 0.29 mg/g，同时 PG40-DS 组合的小葱抗砷效果相应较好且其植株砷含量基本能达到我国食品砷含量限量标准。3）通过对低硫缺磷土壤添加磷石膏和接种AMF 的协同研究发现，添加磷石膏 20 g/kg 水平下接种不同 AMF 处理均有一定的抗砷作用。参 考 文 献 1 杨沛浩.磷石膏的综合利用J.中国资源综合利用，2009，29(1)：1315，3537.Yang Peihao.Comprehensive utilization of phosphogypsumJ.China Resources Comprehensive Utilization,2009,29(1):1315,3537.(in Chinese with English abstract)2 杨跃华，舒艺周.关于云南省磷石膏利用的思考J.无机盐工业，2012，44(12)：68.Yang Yuehua,Shu Yizhou.Some suggestions about phosphogypsum utilization in Yunnan provinceJ.Inorganic Chemicals Industry,2012,44(1):68.(in Chinese with English abstract)3 钟本和，王辛龙，张志业，等.我国磷石膏利用途径的探讨J.磷肥与复肥，2010，25(3)：6163，66.Zhong Benhe,Wang Xinlong,Zhang Zhiye,et al.Discussion on utilization ways of phosphogypsum in ChinaJ.Phosphate and Compound 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