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添加固废赤泥对过量施肥下油菜的生长及品质影响 * 李鹏1， 2彭先佳1栾兆坤1张成军2赵同科2 1． 中国科学院生态环境研究中心 环境水质学国家重点实验室， 北京 100085; 2． 北京市农林科学院植物营养与资源研究所， 北京 100097 摘要 为探索赤泥对蔬菜生产的影响， 开展了高肥料投入条件下， 原状赤泥及焙烧赤泥掺混土壤对油菜生长影响的盆 栽试验。结果表明 在较高肥料投入条件下添加 2， 4 g/kg 赤泥不仅未造成油菜减产， 而且赤泥的施用使油菜地上部 的全氮含量提高 16. 5， Vc 含量提升 4. 5 ～20. 9， 虽然存在油菜地上部全磷含量降低的趋势， 但降低程度未对油 菜生长产生明显影响。 关键词 高肥料投入; 赤泥; 油菜; 全氮; 全磷; Vc DOI 10. 13205/j． hjgc． 201406023 EFFECTS OF ＲED MUD ON THE GＲOWTH AND QUALITY OF COLE UNDEＲ HIGH FEＲTILIZATION CONDITIONS Li Peng1， 2Peng Xianjia1Luan Zhaokun1Zhang Chengjun2Zhao Tongke2 1． State Key Laboratory of Environmental Aquatic Chemistry，Ｒesearch Center for Eco- Environmental Sciences， Chinese Academy of Sciences，Beijing 100085，China; 2． Institute of Plant Nutrition and Ｒesources，Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences，Beijing 100097，China AbstractIn order to find out the influences of addition of red mud，a waste tailing from the alumina production，on the growth and quality of cole，pot experiments of cole planting under the conditions of high fertilization were carried out． The results indicated that by adding red mud with the weight proportion of 2 g/kg or 4 g/kg，the yield of cole was not decreased while the total nitrogen in cole above ground was increased by 16. 5 and the vitamin C in cole above ground was increased by 4. 5 to 20. 9． The total phosphorus in cole above ground was decreased slightly by the addition of red mud in the experiment condition which had no essential effect on cole growth． Keywordshigh fertilization; red mud;cole;total nitrogen;total phosphorus; vitamin C * 国家高技术研究发展计划 863 资助项目 2011AA060701 。 收稿日期 2013 －09 －15 0引言 我国人多地少， 粮食增产压力大， 某些地区为提 高农作物产量盲目过量施肥， 已引起作物品质降低、 环境污染、 甚至危害人体健康 ［1- 2 ］。蔬菜因其需肥量 大、 经济效益高， 易发生过量施肥现象。有报道表明， 氮肥用量过高往往会导致蔬菜维生素 C 急剧下 降 ［3 ］， 降低了蔬菜的营养品质和食用价值。 赤泥是氧化铝生产过程中铝土矿经强碱浸出所 产生的残矿渣， 因其富含氧化铁 20 ～ 50 呈红 褐色而称为赤泥， 每产 1 t 氧化铝排放 1. 0 ～ 1. 8 t赤 泥。随着铝工业的发展， 赤泥产生量逐年增加， 截至 2010 年累计堆放量达数亿吨 ［4 ］， 利用率仅为 15 左 右。赤泥一般采用海洋排放、 陆地堆存等方法处 置 ［5 ］， 浪费资源的同时产生的环境污染已经成为阻 碍铝工业可持续发展的一项难题。 赤泥中含有多种农作物需要的常量元素 Si、 Ca、 Mg、 Fe、 K、 S、 P 和微量元素 Mo、 Zn、 V、 B ， 可 用作微量元素复合肥料， 改良酸性土壤、 合成硅钙 肥料、 填土造田［6］。赤泥的综合利用一直受到人 们的关注［4， 6- 12］， 国内外对赤泥在粮食作物、 绿化 植物及贫瘠土壤改良方面的应用均有报道［7- 10］ ， 但 高肥料投入下土壤掺混赤泥对蔬菜生长的影响在 国内外鲜有报道， 本文尝试将原状赤泥及经焙烧 活化的赤泥与土壤掺混栽培油菜， 研究其对油菜 79 固废处理与处置 Solid Waste Treatment and Disposal 产量、 营养元素及品质的影响， 为探索赤泥原料对 蔬菜生产的促进作用及其合理资源化利用提供科 学依据。 1试验部分 1. 1试验材料 取未受污染且肥力较低的农田耕层土壤 0 ～ 20 cm 为供试土壤， 风干过 2 mm 尼龙筛备用。土壤 有机质含量为 14. 5 g/kg， 全氮、 全磷含量分别为 3. 15、 0. 018， 有效磷和速效钾含量分别为 8. 83， 144. 67 mg/kg， pH 为 8. 52。供试土壤有效磷含量小 于 10 mg/kg， 速效钾高于 125 mg/kg， 属于缺磷高钾 土壤。 供试作物为油菜 品种为绿威 F1 。供试赤泥为 烧结赤泥， 取自某铝业公司副产品堆置场。赤泥的主 要化学组成为 Fe2O3 25.68 、 CaO MgO 13.88 、 TiO2 12. 94 、 SiO2 12. 45 、 Al2O3 10. 98 、 Na2O 5. 76 、 K2O 0. 33 ， 烧失量为 15. 41。 赤泥经过焙烧预处理后， 其中游离及络合态铁、 铝氧 化物含量明显增加， 同时微孔孔隙、 比表面积增大， 可 以更好地固定土壤中的磷酸盐， 保证土壤中的磷具有 更好的缓释效应。 1. 2试验方法 1. 2. 1试验设计 开展室内盆栽试验， 设置以下 4 个处理 1 空白 对照 CK， 不掺混肥料及赤泥 。2 高于常规用量的 肥料投入 CT， 施用常规化学肥料， 不掺混赤泥 。 3 掺混原状赤泥 ＲM， 掺混比例为每千克土 4 g 赤 泥， 施用常规化学肥料 。4 掺混焙烧赤泥 BＲM， 赤 泥在 700 ℃煅烧 2 h 形成焙烧赤泥， 掺混比例为每千 克土 2 g 赤泥， 施用常规化学肥料 ， CK、 CT 处理3 次 重复， ＲM、 BＲM 处理为 6 次重复。 除 CK 处理外， 各处理在油菜生长期间模拟高施 肥条件均施用等量肥料， 其中尿素 1. 1 g/kg、 磷酸二 氢钾 0. 88 g/kg 保证氮 0. 53 g/kg， 磷 0. 20 g/kg， 钾 0. 25 g/kg 。尿素分1 次基肥 2. 8 g/盆 和2 次追肥 1. 3 g/盆和 1. 4 g/盆 ， 磷酸二氢钾以基肥形式 4. 4 g/盆 全部施入， 基肥、 赤泥与土壤充分混匀后 装盆， 所有处理每盆装土量 5 kg。 盆中播 6 ～10 颗种子， 在温室自然光照下生长， 视墒情浇水， 保持土壤湿度为田间持水量的 60 ～ 70。油菜出苗后在 2 片子叶展开时进行间苗， 每盆 留苗 3 株。 1. 2. 2样品的采集与处理 该油菜品种生长期为40 d， 生长期满后分地上部 和主根进行收获， 样品用蒸馏水冲洗干净后用无磷滤 纸吸干并称鲜重， 每个处理留出 20 g 鲜样测定地上 部 Vc 含量， 剩余样品于 105 ℃下杀青 0. 5 h， 70 ℃烘 干至恒重， 测干重后晾干研磨过筛。油菜收获后取盆 栽土样测定 pH、 有机质、 全氮、 全磷、 有效磷、 硝态氮 含量， 其中土壤硝态氮在取鲜样后立即测定， 其余土 壤指标在风干过筛后测定。 1. 2. 3样品的分析测定 土壤 pH 值采用玻璃电极电位法， 土壤有机质采 用高温外热重铬酸钾氧化 － 容量法测定， 土壤全氮采 用凯氏蒸馏法测定， 土壤全磷采用酸溶 － 钼锑抗比色 法， 土壤有效磷采用 NaHCO3浸提 － 钼锑抗比色法测 定， 土壤硝态氮采用酚二磺酸比色法测定。植株全氮 采用凯氏定氮法测定， 植株全磷采用钒钼黄法测定， 植株中 Vc 采用 2， 6 － 二氯靛酚滴定法测定。 2结果与讨论 2. 1赤泥掺混对油菜生长发育的影响 2. 1. 1赤泥对油菜地上部生物量的影响 BＲM 处理油菜地上部生物量最高， CK 处理油菜 地上部生物量最小， BＲM、 ＲM 及 CT 处理油菜地上部 生物量均显著高于 CK 处理 图 1 。CT 处理油菜地 上部生物量与 BＲM 和 ＲM 处理间差异不显著， 由此 可知赤泥的添加未对油菜地上部生物量产生明显影 响， 未造成油菜的减产。CT、 ＲM 和 BＲM 处理油菜收 获后土壤 pH 值均低于 CK 处理 表 1 ， 这与前 3 个 处理施用大量肥料有关， 施入的尿素进入土壤后大部 水解为铵盐 ［13 ］， 植物吸收土壤中的 NH 4 ， 同时进行 H 的释放， 使根际土壤明显酸化 ［14 ］， 加之磷酸二氢 钾的施入也使介质变酸， 两种肥料均致土壤 pH 值降 低。油菜种植的最适宜土壤 pH 为 5. 8 ～ 6. 7［15 ］， BＲM 处理土壤 pH 最接近适宜范围， CT 处理土壤次 之， CK 处理土壤 pH 最高， 与适宜范围相差较大， 虽 然掺混至土壤中的赤泥本身呈碱性［16- 17 ］， 但由于掺 混比例较小， 同时土壤具有一定的酸碱缓冲能力， 因 此本试验掺混比例下的赤泥添加未对土壤 pH 造成 明显影响， 保证了油菜生长的稳定环境， 不会对作物 吸收营养元素造成较大影响。 2. 1. 2赤泥对油菜根冠比的影响 根冠比指植物地下部分与地上部分的鲜重或干 重的比值， 油菜根冠比在一定程度上既能反映植株的 89 环境工程 Environmental Engineering 图 1油菜地上部生物量 Fig． 1The yields of cole above ground of different treatments 表 1不同处理土壤 pH Table 1Soil pH of different treatments 处理CKCTＲMBＲM 土壤 pH8. 67 0. 08a 8. 15 0. 03bc 8. 21 0. 03b 8. 03 0. 04c 注 每行中不同字母表示该行代表指标处理间差异显著 P ＜ 0. 05 ， 下同。 生长状况， 也能反映土壤的养分供应关系。适宜的根 冠比可保证植株地上部分生长良好， 在土壤营养缺乏 条件下植株易形成较大的根冠比， 这是植物根系的一 种适应性反应 ［18 ］。比较不同处理油菜根冠比 表 2 可知， CK 处理油菜根冠比最高， 即不施肥情况下表现 出营养亏缺， 这是油菜为了满足生存的需要被迫对营 养缺乏的环境进行的积极适应。与 CK 处理相比， 其 他处理油菜根冠比均较小， ＲM、 BＲM 处理油菜根冠 比与 CT 处理油菜根冠比之间几乎无差异。 表 2不同处理油菜根冠比 Table 2The root- cap ratio of cole of different treatments 处理CKCTＲMBＲM 根冠比 0. 051 0. 0042a0. 027 0. 0001a0. 027 0. 0014a0. 025 0. 0007a 2. 2赤泥掺混对油菜氮磷元素的影响 2. 2. 1赤泥对油菜地上部全氮含量的影响 从处理间差别趋势分析， ＲM 和 BＲM 处理油菜 地上部全氮含量相差不大， 均高于 CT 和 CK 处理 见 图 2 。CT 处理地上部全氮含量较 CK 高出 25. 4， ＲM 和 BＲM 处理油菜地上部全氮含量均较 CT 处理 高出 16. 5。有研究表明， 土壤 pH 值和 Ca2 均可 影响植物对硝态氮的吸收， pH 升高， 硝态氮吸收减 少， Ca2 对硝态氮吸收有促进作用， 能加速硝态氮迁 移到质膜的吸收位置上， Ca2 也影响着硝态氮的运输 系统 ［14 ］。由于肥料施用有降低 pH 的作用， 同时赤泥 的施入还带入一定量的 Ca， 两个因素均促进了油菜 对硝态氮的吸收。 图 2油菜地上部全氮含量 Fig． 2Total nitrogen content in cole above ground 掺混赤泥处理土壤硝态氮有增加趋势， 使油菜有 更多的机会吸收硝态氮 见图 3 。 图 3土壤中的硝态氮含量 Fig．3Nitrate nitrogen content in soil 掺混赤泥处理油菜收获后土壤有机质有高于 CT 处理的趋势， 赤泥烧失量为 15. 41， 供试土壤有机 质含量仅为 14. 5 g/kg 见图 4 ， 赤泥与土壤间存在 的有机质含量差异很可能是造成这种结果的原因。 Skiba U 等提出腐殖质含量高的肥沃土壤的脲酶含量 比贫瘠土壤高 ［13， 19 ］， 尿素分解速度随脲酶用量和作 用时间增加而加快， 随着有机质的增加， 尿素更易短 时间分解， 促成油菜吸收大量铵态氮， 这同样是造成 油菜全氮增加的可能原因。氮是作物体内许多重要 有机化合物如蛋白质、 核酸、 叶绿素、 酶等的组分， 同 时也是遗传物质的基础 ［14 ］， 对植物生命活动以及作 物产量和品质均有极其重要作用。一般植物含氮量 占干重的 0. 3 ～ 5， 本研究中赤泥掺混使得油菜 地上部全氮含量提高到 4 以上， 且未造成氮素过多 而形成危害， 说明掺混 2 ～4 g/kg 的赤泥对油菜氮元 素含量的提升具有较好的正效应。 2. 2. 2赤泥对油菜地上部全磷含量的影响 CT 处理油菜地上部全磷含量最高， 显著高于 ＲM 和 BＲM 处理的油菜地上部全磷含量， 而 ＲM 和 BＲM 处理油菜地上部全磷含量显著高于 CK 处理。 99 固废处理与处置 Solid Waste Treatment and Disposal 图 4土壤有机质含量 Fig．4Organic matter content in soil ＲM 和 BＲM 处理油菜地上部全磷含量间无显著差 异， BＲM 处理略高 见图 5 。赤泥的添加使油菜地 上部全磷含量略有降低， 刘平等以绿化用的黑麦草及 高羊茅作为研究对象， 也得到了相似的结论［20 ］。 图 5油菜地上部全磷含量 Fig． 5Total phosphorus content in cole above ground 油菜收获后土壤有效磷含量见表 3。由表 3 可 知 同油菜地上部全磷含量间的差异趋势， CT 处理土 壤有效磷含量高于 BＲM 和 ＲM 处理， 但差异未达显 著水平， ＲM 和 BＲM 处理油菜土壤有效磷含量显著 高于 CK 处理。各处理土壤全磷含量之间差异不显 著， 为 0. 014 ～ 0. 017。有报道称土壤有效磷含 量随赤泥加入量的增加和培养时间的延长而减 少 ［21 ］， 可见赤泥的添加使土壤有效磷含量降低可能 会影响到油菜对磷元素的吸收， 这可能是因为赤泥中 含有的某些金属氧化物对土壤有效磷产生吸附作用， 或者溶出的金属元素与磷在土壤中发生化学沉淀反 应， 形成难溶性化合物并积累在土壤中［21 ］， 从而使植 物较难吸收。本研究中赤泥的加入未使土壤有效磷 显著下降， 主要原因在于研究的土壤进行了油菜种 植， 油菜在缺磷情况下， 根系能自动调节其阴阳离子 吸收比例， 使根际土壤酸化 ［14 ］， 从而使土壤磷的浓度 提高， 有效磷被固定的趋势得到了缓解。植物体含磷 量为干重的 0. 2 ～1. 1， 研究结果表明 掺混赤泥 处理油菜地上部全磷含量接近 0. 5， 且油菜产量及 根冠比未较 CT 处理产生明显变化， 因此掺混2 ～4 g/ kg 赤泥并未真正影响油菜生长。 表 3各处理对土壤磷含量的影响 Table 3Soil phosphorus content in different treatments 处理CKCTＲMBＲM 土壤有效磷 含量/ mg kg－1 3.83 0.43b52.67 7.07a47.55 4.11a48.35 2.64a 土壤全磷含 量/ 0.014 0.0002a0.016 0.0004a 0.017 0.0018a0.015 0.0003a 2. 3赤泥掺混对油菜 Vc 含量的影响 赤泥掺混后各处理组地上部 Vc 含量见图 6。由 图 6 可知 差异主要表现为 CK 处理油菜地上部 Vc 含量显著 α 0. 05 高于其他处理， 这与 CK 处理油 菜地上部生物量显著小于其他处理而产生的浓缩效 应 ［22 ］密切相关。ＲM 和 BＲM 处理油菜地上部 Vc 含 量存在高于 CT 处理趋势， 二者分别较 CT 处理高出 20. 9和 4. 5， 这可能与赤泥的添加带入一定量的 Mg 有关， 有关研究表明 ［15 ］镁能促进维生素 A 和维生 素 C 的合成， 有利于提高作物品质。而且铵态氮对 Vc 合成具有的抑制作用是由伴随 NH 4 的阴离子特 性决定的， 如 SO2 － 4 、 Cl － 、 HPO2 － 4 等离子的存在能显著 抑制 Vc 合成 ［23 ］。本研究中赤泥掺混使油菜地上部 磷含量显著下降， 减少了 CT 处理因 HPO2 － 4 大量存在 对 Vc 合成的抑制作用， 这也可能是造成赤泥掺混增 加油菜地上部 Vc 含量的原因之一。本研究同邓日 烈等的相关研究结论相似［24 ］。 图 6地上部 Vc 含量 Fig． 6Vitamin C content in cole above ground 3结论 在较高化学肥料投入的条件下添加赤泥可使油 菜全氮含量升高 16. 5， 并使得油菜地上部 Vc 含量 升高 4. 5 ～20. 9。高肥料投入条件下， 添加赤泥 对油菜产量无明显影响， 虽然赤泥掺混具有降低油菜 地上部磷含量的作用， 但降低程度有限， 并未对油菜 001 环境工程 Environmental Engineering 生长产生明显影响。 参考文献 ［1］孙先良． 盲目过量施肥的危害及新型肥料的开发［J］ ． 中氮 肥， 2005 6 1- 4. ［2］周淑清，刘丽霞，付时丰，等． 化肥与农产品质量及过量施肥 问题的探讨［ J］ ． 中国农村小康科技， 2006 3 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为二氧化碳和水， 基本不对外界环境产生二次污染。 3在保证锅炉热效率的前提下， 有机污染物的 总净化效率不低于 95。 4基于安全性分析， 根据管道材质、 废气成分、 温度、 可燃气体浓度和现有锅炉运行参数等因素， 建 立了有机废气锅炉热力焚烧的安全控制系统， 效果通 过了工程验证。 5日常维护纳入锅炉运行系统， 运行费用低。 6该技术有利于有机废气的深度处理， 对化工 企业有机物总量减排， 改善厂区整体环境具有积极有 效的作用。 参考文献 ［1］易灵． 有机废气治理技术的研究进展［J］ ． 四川环境， 2011， 30 5 103- 107． ［2］伍建军， 梁灿钦， 林锦权． 有机废气治理技术的研究进展［J］． 东莞理工学院学报， 2012， 19 1 61- 65． ［3］蔡春雷． 用锅炉焚烧法处理生产中的含有机物废气［J］． 宁波 化工， 2001 2 28- 30. ［4］赵立中． 试论空气湿度对锅炉的影响［J］ ． 江西电力， 1998， 22 2 43- 45． 第一作者 陈建海 1982 － ， 男， 本科， 工程师， 主要从事有机废气治理 工艺设计工作。ljh_zjshky hotmail． com 101 固废处理与处置 Solid Waste Treatment and Disposal