有机肥对土壤重金属生物有效性影响研究进展

黄文粤+张清海+林紹霞+何腾兵+林昌虎

摘 要：随着土壤重金属污染的日益严重，土壤重金属污染问题受到人们广泛关注。如何降低土壤重金属毒害，是现今需要研究的重要问题，而重金属生物有效性是所需研究的重要指标。施肥和耕作方式对重金属生物有效性的影响已有很多研究，但关于有机肥对重金属生物有效性的影响研究还比较少。本文参考了近年来关于有机肥与土壤重金属的相关文献，对土壤重金属生物有效性的概念，生物有效性的影响因素以及有机肥对土壤重金属生物有效性的影响进行了归纳总结，并对今后开展有机肥与土壤生物有效性的研究提出了展望。

关键词：有机肥；土壤重金属；生物有效性

中图分类号：X53 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2017.02.006

Abstract：With the increasing concern of soil heavy metal pollution， it is necessary to do the research on reducing the heavy metal toxicity of soil， while the bioavailability of heavy metals is an important index for researching. There were many researchers have done the researches on the effects of fertilization and tillage on bioavailability of heavy metals， however only a few have been focusing on the effect of organic fertilizer.This dissertation have referenced many literatures in relation to organic fertilizer and soil heavy metals in recent years， the conception of soil heavy metals bioavailability， and the related infecting factors of bioavailability， as well as the effects of fertilization on bioavailability of heavy metals was conclused. It also gave a conceivable prospect of relationship between organic fertilizer and the soil bioavailability to improve the research on organic fertilizer and soil heavy metals bioavailability.

Key words：organic fertilizer；heavy metals in soils；bioavailability

随着工业化和城市化的快速发展，各种工业污染、人为活动以及不合理施肥等原因导致的有毒有害重金属（Pb、As、Cd、Hg等）通过各种途径进入土壤，使重金属污染程度不断加深。调查显示，全世界各国的土壤都存在着不同程度的污染。土壤中重金属含量的上升，使土壤发生质量退化、农产品的产量和品质降低，并且经食物链等方式被带入到人的身体内，影响危害着人类的身体健康[1-2]。在关于土壤重金属有效性的研究方面，科学家们更加关注的是添加改良剂与修复改良等，而对施用有机肥与重金属生物有效性方面研究较少。本研究主要综合了现有有机肥对土壤重金属有效性研究的相关文献，从土壤重金属生物有效性的概念、影响因素、有机肥对土壤性状及重金属有效性的影响3个方面进行了归纳总结。

1 土壤重金属生物有效性的概念

关于土壤重金属生物有效性的定义，第一次被提出是基于物理化学的概念，它是指污染物在水体中生物传输或生物反应被利用的程度。后来，又被应用到固体环境，例如土壤和污泥以及大气环境中的生物可给性问题[3]。环境化学概念中，生物有效性是指能够被生物所吸收利用的那部分物质。而生物学概念中的生物有效性，则是指能够经细胞膜而进入生物体，并参与生物新陈代谢过程的物质[4]。除此之外，由于研究对象和研究环境的不同，生物有效性的定义也不相同，如生物吸收物质的途径和方式，生物吸收物质的量，潜在的能被生物吸收的部分[5]。土壤重金属生物有效性不仅与土壤环境有关，也与生物自身的特征有关，这也就导致了土壤重金属生物有效性概念的复杂性。

2 影响土壤重金属生物有效性的因素

影响土壤中重金属生物有效性的因素很多，主要有重金属形态、总量，土壤理化性质和土壤环境条件等。除此之外，土壤类型、土壤生物等因素都会对其产生一定影响。

2.1 土壤重金属形态

土壤重金属形态是最重要的因素。重金属和土壤中的不同成分结合成不同的形态，各个形态的含量影响着重金属生物有效性。重金属在土壤中的存在形态研究主要有以下几种。Tessier 等[6]在1979年提出可以把重金属在土壤或者沉积物中的形态划分为5种形态：可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态、残渣态。这种划分也是到现在为止学者们所认为的最常见、最有代表性的。Shuman[7]在1985年提出把其划为交换态、水溶态、碳酸盐结合态、氧化锰结合态、紧结合有机态、不定性氧化铁结合态、松结合有机态、硅酸盐矿物态。Gambrell[8]则将其划分为水溶态、易交换态、大分子腐殖质结合态、无机化合物沉淀态、硫化物沉淀态、氢氧化物沉淀吸收态（吸附态）和残渣态等7种形态。它们中有的形态如残渣态，其迁移性较小，不被植物所吸收，因此，它的生物有效性小；有的能与土壤有机质、铁锰氧化物吸附结合，形成结合态沉淀物，在土壤條件发生改变时，迁移活性较大；有的吸附于土壤颗粒表面，与土壤液相离子进行吸附解析化学活动，属于可交换态重金属，迁移活性强，容易被植物所吸收利用。

2.2 土壤重金属总量

土壤重金属总量对生物有效性的影响虽然不能与形态相比，但总量更能够说明重金属富集程度和潜在危害等，因此，总量的研究被普遍应用到各国的土壤环境质量标准中。第一，土壤中的重金属形态和重金属总量两者之间有着相互关联及影响。例如，Sauve等[9]对几种不同类型的土壤进行了试验研究，元素Cu的全量与可交换态的Cu、水溶态Cu都有着很好的相关性，并且发现全量也是影响土壤中Cu2+活度的因素之一。Sauve等人[10]还对某铅矿周围的不同类型（88种）的土壤进行了研究，在对元素铅进行分析时发现，影响土壤中水溶态和可交换态铅以及铅离子活度的重要因素之一就是元素铅的总量。第二，在一定的条件下，土壤重金属的生物有效性可以用重金属总量来评估。

2.3 土壤理化性质

2.3.1 有機质土壤的理化性质 能够影响重金属的生物有效性的因素中，土壤中有机质的含量是主要的影响因素[11]。土壤中的有机质和重金属元素形成的络合物，影响土壤重金属的迁移性以及生物有效性。有机质对生物有效性的影响主要有以下两个方面。一是通过加入有机质来影响对重金属元素的吸附能力。有机质作为一种天然的吸附剂，能够在很大程度上降低离子活度。二是土壤中有机质含量的多少改变着土壤中重金属元素各形态的分布，能够影响重金属元素的迁移性。例如王浩等[12]通过研究发现，受到铅和铜污染的土壤在加入有机质后，随着有机质积累的增加，会使土壤中水可提取铅和铜的含量显著减少，这一结果说明有机质可稳定土壤中的铅和铜。同样，钟晓兰等[13]也发现，除了元素Cr，其余重金属元素的各个形态和土壤有机质之间都有着显著相关性。

2.3.2 pH值 土壤溶液的pH值影响了土壤溶液中的各种离子在固相上的吸附程度，各种土壤矿物质的溶解度及其元素离子活性。因此，土壤pH值是土壤重金属元素解吸、吸附、溶解、沉淀离子化学过程的重要控制条件。如廖敏等[14]研究发现，随着土壤pH值升高，元素镉的吸附能力及其吸附量都明显增强，并且最终会产生沉淀。赵雅婷[15]研究发现：随着土壤pH值的上升，土壤中元素Zn的铁锰氧化物结合态及碳酸盐结合态含量增加，而可交换态Zn的含量减少；随着pH值的升高，土壤铁锰氧化物结合态Cd、碳酸盐结合态Cd的含量增多，而可交换态Cd含量减少。句炳新[16]研究发现，Cu的可交换态量会随着pH值的升高而减少，Cu的碳酸盐态则会随着pH值的升高而增加，这与廖敏、赵雅婷等研究相同。

2.3.3 氧化还原电位 土壤氧化还原电位是通过影响重金属在土壤中的价态来影响重金属的形态和分布的。土壤中重金属元素在氧化环境下，一般处于较高的氧化态。例如汞元素可以从单质汞转化为汞离子，从而甲基化成为甲基汞，大大地增强了它的有害性[17]。曹媛媛等[18]研究水稻田中重金属情况发现，土壤在还原环境中含有大量的二价铁离子，能和还原态的硫离子结合形成FeS。FeS再和CuS /ZnS反应产生沉淀，CuS /ZnS在土壤中大量累积，以此来降低重金属Cu或Zn的生物有效性。

2.3.4 粘土含量 在理化性质中，土壤中的粘土含量也影响其生物性。粘土矿物主要是通过进行离子交换来吸附溶液中的重金属离子，因此，粘土含量对重金属生物有效性影响深远。有研究发现，土壤中粘土含量影响着锌元素的生物有效性，但是这种影响会因为时间的长短而发生变化，而且有学者对土壤矿物学进行了相关研究，发现可交换态Cd的含量和粘土含量有较好的相关性[19-20]。因此，可知在研究重金属生物有效性时，粘土含量这一内容也是不可忽视的。

2.4 其他因素

除以上的因素之外，影响因素还包括重金属元素的种类、土壤类型和生物种类差异、农业活动等。如不同的耕作强度也影响着土壤的结构，不合理的耕作方式会使有机质大量的流失，从而产生重金属毒害；同种植物种植在不同类型的土壤中，所吸附重金属能力也有着很大差异，相同的植物对不同的元素的富集吸收能力又不相同。并且，各影响因素之间也存在相互关联，因此，在研究土壤重金属生物有效性时，应当综合考虑各个影响因素，进行全面的研究分析。

3 有机肥对土壤重金属生物有效性的影响

有机肥的施用不仅可以改善土壤的理化性质，增加土壤营养元素，减轻土壤次生盐渍化[21]，提高作物产量和品质[22-24]，增加土壤中的有益微生物种类[25-26]，还可以对土壤重金生物有效性产生影响。有机肥对生物有效性产生影响，最主要的方面是通过改变土壤中的有机质和pH值。

3.1 有机肥对有机质的影响

一般土壤中有机质的含量范围约在0.5%至20%之间，它影响土壤的理化性质，同时也是植物所必需营养元素的重要来源[27]。大量的研究显示，长期施用有机肥或者有机无机肥配比施用都会促进土壤中有机质的积累。如汪红霞等[28]采用10年长期肥料定位试验后发现，单施有机肥或P肥与有机肥混合施用能使土壤有机质增加，增加范围在8.4%～17.3%之间，而单独施用P肥反而会引起土壤有机质的下降。王彩绒等[29]采用6年定位试验后发现，在单施有机肥或者与无机肥配施下，都能明显地促进耕作层土壤有机质的积累。田小明等[30]对3种类型的土壤施用有机肥后发现，不同类型及有机质含量土壤中的有机质组分含量与不施有机肥相比，都有不同程度的提高。同时随着施肥量的增加，土壤有机质总量和活性有机质组分（活性有机质、中活性有机质、高活性有机质） 都有所增加，这与汪红霞等[28]研究结果大致一致，有机肥对土壤有机质确实有着深远的影响。

3.2 有机肥对pH值的影响

在当今世界，土壤酸化已成为一个严重的环境问题，引起了全世界人民的广泛关注。大量的研究表明，由于当今农业施肥缺乏科学合理的指导，并且施入的肥料品种过于单一，偏爱无机肥，且投入量较大。这一现象不仅使肥料被大量浪费，并且使土壤溶液中pH值下降及次生盐碱化[31-33]。蔡泽江[34]等研究发现，单独施用有机肥或有机无机肥配施后，土壤的pH值与试验之前相比，呈现出稳定或者有所升高。其中，以单施有机肥的处理pH值升幅最大，升高了1.0个单位。Wang 等[35]研究结果显示，施用玉米秸秆能改善土壤酸度。丁玉梅等[36]在研究不同施肥对烟株根际土壤pH值的影响时发现，在不同土质条件下，不同油菜含量的有机肥对植株根际土壤的pH值具有一定的调节作用。肖辉等[37]研究得出，设施土壤施用化肥降低了土壤的pH值，而施用鸡粪等有机肥能够使土壤的pH值适当上升，从而避免土壤酸化。

3.3 有机肥对生物有效性的影响

有机肥料在农业中的施用，常被当作控制以及改良土壤重金属污染的重要方法，其主要表现为两个方面。

3.3.1 有机肥对土壤重金属形态的影响 土壤中重金属形态是研究生物有效性时最为主要的指标。有大量研究表明，有机肥能影响土壤中重金属的形态。大部分研究表明，施用有机肥能降低土壤重金属的有效性，如张琴[38]连续施用有机肥后发现：土壤中重金属Hg、Zn、Cd的有效态含量较试验前都有所降低，并且各处理之间呈显著性差异；重金属Hg、Zn、Cd的有效态含量随着有机肥施用量的增加逐渐减少，各个处理之间差异均达到显著水平，并且连续施用有机肥料还会增大重金属有效态的含量的递减率。PEREZ-DE-MORA 等[39]向受到重金属污染的土壤中施加生物堆肥，結果显示随着土壤中有机质的含量增加，有效态重金属的比例降低。胡星明等[40]研究得出，在土壤里施用稻草能够改变重金属元素铜、镉、锌和铅在土壤中的化学形态分布。华珞等[41]在受Cd、Zn污染的土壤里施入了不同数量的有机肥后，发现土壤中有效态Cd、Zn的含量明显降低，Cd、Zn的总量也明显下降，所以可以显著地减少Cd2+和Zn2+对农作物的毒害。这与张琴[38]、胡星明等[40]研究结果相一致。同时，也有少部分研究指出，有机肥对重金属生物有效性没有产生作用甚至会加重重金属污染风险。如谭长银等[42]、王开峰等[43]研究发现，在稻田土壤长期施用有机肥会提高Zn和Cd 的有效性，增加土壤重金属污染风险。Zhang 等[44]研究发现，在东北地区的农田土壤中施用了畜禽粪便后，反而增加了该地区土壤受重金属元素铜污染的风险。宋琳琳等[45]施用有机肥后发现，土壤中生物有效态的Cd和Zn 含量显著增加，生物有效态Pb含量显著下降，残渣态Pb的含量也有所增加。出现这一结果的原因可能是，地区差异和各类型的土壤对重金属的富集吸附水平也存在着差别，另外，同一土壤对不同重金属元素的富集吸附能力也不相同，所以在研究重金属有效性时，要结合当地实际情况综合考虑。

3.3.2 有机肥对土壤重金属植物有效性的影响 因为各种植物对各重金属元素的吸附能力也存在着差异，所以研究重金属生物有效性，在研究土壤重金属形态之外，植物的有效性也是不容忽视的重要内容。近年来“镉米”等事件的发生，使水稻的重金属污染状况备受关注，谢运河等[46]把施用有机肥3 000，6 000 kg·hm-2和单独施用无机肥的稻米中镉的含量进行了对比，发现两个有机肥施用水平镉的含量分别下降了14. 3%和21. 4%，虽然施用有机肥对土壤有效态镉含量并无显著影响，但有机肥使镉在水稻中的分配率发生明显变化。唐明灯等[47]通过对生菜进行有机肥与化肥混合施用后发现，不管是单施有机肥或与化肥配施，花生麸及鸡粪处理都降低了生菜地上部镉的含量，并且施用鸡粪能够有效地降低生菜地上部铅的含量。牛粪和花生麸配比施用对降低生菜中铅含量的效果，要远远超过单独施用任何一种有机肥。祖艳群等[48]在对两种作物施用有机肥后发现，施用有机肥（猪粪）能导致小花南芥中铅和锌的含量增加，在施用猪粪14 g·kg-1时的含量及累积量达到最大。而施用猪粪后使中华山蓼里铅的含量和累积量上升，锌的含量和累积量减少。吴清清等[49]研究发现：在潮土中施入鸡粪或者垃圾有机肥后，潮土中苋菜内铜和锌的含量增加数分别为26.3%至36.0%和 1.2%至20.3%，但它们的含量都在国家食品卫生标准对铜和锌的规定含量之下；同时植株中镉、铅的含量与对照试验相比，都有所下降。红壤中苋菜植株中Zn、Cd和Pb分别下降 42.7%～59.9%，0～48.9%和4.1%～71.3%，达到显著水平。从以上的研究数据可知，虽然各种植物与土壤对重金属元素的吸收富集存在着差异，但都证明了有机肥的施用对植物有效性的影响。在研究有机肥与植物有效性的相关性问题上，要充分考虑土壤类型和作物的自身特性。

4 总结与展望

综上所述，有机肥对土壤性状和土壤重金属生物有效性都有着不同程度的影响，有机肥是现代农业中减少或防止土壤重金属污染的重要手段，国内外学者也做了相关方面的研究，也取得了一定成果。但由于受到地区差异、土壤类型、有机肥种类等差异，样品分析方法的多样性、影响因素的复杂性的影响，得出的研究结果也不尽相同，导致许多研究数据之间缺乏对比性。对有机肥与重金属污染防治方面也远没有其它措施研究得多，有机肥对土壤重金属的影响研究停滞不前。有机肥对不同类型土壤、生物及元素种类的作用，各种影响因素之间的相互影响等问题，都还需要进行更深入的研究，以推动有机肥对土壤重金属生物有效性研究的发展。

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