不同施肥处理对设施黄瓜生产系统重金属Cd积累的影响

卢金海， 李博文， 杨志新， 赵 洪

(河北农业大学资源与环境学院/河北省农田生态环境重点实验室，河北保定 071000)

设施栽培作为一项提高蔬菜、花卉等作物产量的有效途径，近年来在我国迅猛发展，以日光温室和塑料大棚为主的设施栽培面积已超过100万hm2[1-2]。河北省永清县作为全国优质设施栽培蔬菜基地，设施蔬菜种植面积达到21 133 hm2，其中设施黄瓜面积为4 800 hm2。由于设施环境的特殊性，温室土壤常出现酸化、次生盐渍化、微生物区系失调和残留的硝酸盐、亚硝酸盐、重金属超标等问题，其中重金属含量超标尤为突出[3]。因此，设施蔬菜生产系统的生态安全问题越来越受到关注。

蔬菜生产系统的重金属平衡决定着土壤中重金属的变化趋势及污染积累，进而对蔬菜生长发育产生不利影响。目前，大多学者集中在对土壤重金属的评价分析上，而对系统中重金属净积累研究尚少。Dach等对比研究波兰、荷兰农业区的重金属平衡水平发现，高强度的种植模式会加大土壤生态系统对重金属的积累，从而严重影响土壤环境及农业系统的生产安全性[4]；王丽英等对河北省设施蔬菜土壤微量金属元素调查与评价表明，该地区土壤出现不同程度的重金属污染和微量元素积累[5]。

施肥是影响土壤重金属含量的重要因素，有研究表明，大量施肥的菜地土壤中某些重金属含量显著高于种植粮食作物的农田土壤[6-7]。目前，有关设施蔬菜生产系统控制重金属积累的安全施肥研究尚未见报道。本研究以具有代表性管理模式的河北省永清县日光温室黄瓜为对象，通过连续2年的定位试验，以建立减少重金属积累的安全施肥方案，为降低土壤环境质量风险提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于河北省廊坊市永清县永清镇北岔口村，116°25′37″～116°25′52″E、39°13′34″～39°19′51″N，为国家级无公害蔬菜生产基地，属北温带亚湿润气候区，大陆性季风气候，雨热同季，年平均日照2 740 h，年平均降水540 mm，年平均气温 11.5 ℃。试验选用种植10年黄瓜的廊坊40型日光温室大棚，土壤类型为潮褐土，质地为壤土，土壤有机质含量为 2.70%，速效氮、速效磷、速效钾含量分别为146.5、400.2、684.0 mg/kg，pH值为7.5左右。黄瓜管理模式在当地具有较强的代表性，生产茬口一般为每年的10月底到翌年6、7月份。

1.2 试验设计

试验在1个温室大棚内完成，共设5个不同的施肥处理(表1、表2)，灌水、喷施农药与菜农常规管理基本一致。每处理重复3次，试验小区随机排列。

表1 第1年设施黄瓜不同施肥处理及其用量

注：处理T2、T3、T4磷、钾肥施用量不变，P2O5、K2O用量分别为360、600 kg/hm2；有机氮由有机配方肥、鸡粪提供。表2同。表中农大的全称为河北农业大学，下同。

表2 第2年设施黄瓜不同施肥处理及其用量

1.3 样品采集与制备

采集温室的灌溉水样及施用的各种肥料；化肥样品磨碎，过100目筛，鸡粪带回实验室，称鲜质量和干质量，磨碎，过100目筛，备用。以每试验小区为采样单元，分别于黄瓜种植前、每年黄瓜收获后按“Z形布点法”等量采集深度为0～20 cm 的土壤，组成1个小区混合样品；去除生物残留及沙石，自然风干，过2 mm筛；取土样300 g，研磨，过0.150 mm筛，备用。采集黄瓜果实及瓜秧，称鲜质量；用自来水冲洗2次，用去离子水冲洗1次，晾干；黄瓜样品打成匀浆，经消煮浸提制备成浸提液，瓜秧烘干、粉碎，过100目筛，备用。黄瓜开始收获至采摘结束，记录每试验小区的收获产量。

1.4 样品测定

采用“四酸(盐酸、硝酸、氢氟酸、高氯酸)分解-电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法”测定土壤样品、化肥、鸡粪中的重金属Cd含量；采用“二酸(硝酸、高氯酸)分解-电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法”测定灌溉水样中的重金属Cd含量；采用“高压消解-电感耦合等离子体质谱法”测定植物样品Cd含量。设施黄瓜蔬菜系统Cd的输入量计算公式为：

式中：Q为输入重金属元素总量；n为施肥或灌溉的管理次数；Ci为施肥或灌溉水中Cd的含量；Mi为施肥或灌溉的量。

1.5 数据统计分析

采用Excel 2003、SPSS 18.0软件对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同肥料中Cd含量

试验结果表明，有机肥(鸡粪)、菌力宝、磷酸二铵、复合肥、三友菌肥、硫酸钾、农大固态肥、农大液肥、氨基酸水溶肥的Cd含量分别为(0.250 0±0.020 0)、(0.050 0±0.003 6)、(0.032 0±0.001 7)、(0.016 0±0.001 0)、(0.014 0±0.002 0)、(0.006 3±0.000 2)、(0.006 3±0.000 1)、(0.004 4±0.000 3)、(0.001 5±0.000 2) mg/kg，鸡粪、菌力宝、磷酸二铵的Cd含量显著高于其他肥料，且相互间差异显著(P<0.05)，氨基酸水溶肥的Cd含量显著低于鸡粪、菌力宝、二铵、复合肥(P<0.05)，而复合肥、三友菌肥、硫酸钾、农大固态肥、农大液肥的Cd含量相互间差异不显著(P<0.05)。

2.2 不同施肥处理下土壤Cd的输入量

日光温室大棚黄瓜生产系统土壤重金属的输入量主要由化肥与有机肥施入量、农药投入量、灌溉用水量决定，由于灌溉用水、农药的重金属含量极低(小于0.000 1 mg/kg)或无法检出，故二者对Cd的输入影响忽略不计。由图1可见，设施黄瓜生产系统中，有机肥Cd输入量占总施肥量Cd的输入比例相对较高，而施用化肥导致Cd的输入量相对较低；T2、T3、T4、T5处理第1年的化肥Cd输入量分别为0.001 5、0.001 7、0.001 6、0.022 1 mg/m2，有机肥Cd输入量分别为0.292、0.327、0.327、2.916 mg/m2，有机肥Cd输入量分别占总肥料量Cd输入量的99.49%、99.48%、99.51%、99.25%；T2、T3、T4、T5处理第2年的化肥Cd输入量分别为0.001 3、0.001 4、0.001 3、0.010 1 mg/m2，有机肥Cd输入量分别为0.361、0.361、0.361、1.492 mg/m2，有机肥Cd输入量分别占总肥料量Cd输入量的99.64%、99.61%、99.64%、99.33%；5个不同施肥处理中，T1、T2、T3、T4处理Cd输入量明显低于农民常规施肥处理(T5处理)，第1年Cd输入量分别比T5处理减少100.00%、90.01%、88.81%、88.82%，第2年分别比T5处理减少100%、75.88%、75.87%、75.88%；2年黄瓜种植期内，减氮施肥处理(T3、T4处理)之间Cd的输入量差异不明显。

2.3 不同施肥处理下土壤Cd的输出量

日光温室大棚黄瓜生产系统土壤重金属的输出量主要由黄瓜秸秆、产出黄瓜果实的量所决定。由表3、表4可见，不同施肥处理间黄瓜果实、秸秆Cd含量差异不显著，秸秆Cd含量明显高于黄瓜果实。由图2可见，2年内，不同施肥处理黄瓜秸秆的Cd输出量明显高于黄瓜果实；T1、T2、T3、T4、T5处理第1年的Cd输出量分别为0.098、0.194、0.133、0.161、0.085 mg/m2，其中黄瓜秸秆Cd输出量分别占输出总量的83.11%、80.47%、82.41%、83.80%、86.28%；T1、T2、T3、T4、T5处理第2年的Cd输出量分别为0.086、0.100、0.089、0.083、0.085 mg/m2，其中黄瓜秸秆Cd输出量均占输出总量的86.70%、97.54%、97.04%、97.24%、86.28%；T2处理的Cd输出量相对最高，2年内分别为T1、T3、T4、T5处理的 1.60、1.32、1.20、1.73倍。

表3 不同施肥处理第1年的黄瓜产量、秸秆干质量及其Cd含量

注：同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下表同。

2.4 不同施肥处理下土壤Cd的净积累量

重金属总平衡量是由总输入量、总输出量相减而确定的。由图3可见，除空白对照T1处理外，其他处理均有不同程度的Cd净积累，其中T5处理的Cd净积累量明显高于其他处理； 与T5处理相比， T2、T3、T4处理第1年Cd净积累分别比T5处理减少96.51%、93.12%、93.96%，第2年分别比T5处理减少81.48%、80.67%、80.30%。试验表明，T2处理(推荐氮肥用量)的Cd净积累量2年内均相对最低，第1年为 0.100 mg/m2，第2年为0.262 mg/m2。

表4 不同施肥处理第2年的黄瓜产量、秸秆干质量及其Cd含量

2.5 设施黄瓜系统不同施肥处理下的产投比

由表5可见，第1年T5处理的黄瓜产量显著高于其他施肥处理，而第2年T5处理的黄瓜产量与其他施肥处理T2、T3、T4差异不显著；处理T2、T3、T4的产投比明显高于T5处理，其中T2处理的产投比相对最高，第1、第2年产投比分别为53.5、73.7。

3 结论与讨论

对温室大棚黄瓜采取不同施肥处理，分析Cd的输出、输入量、净积累及黄瓜产投比等，结果表明，鸡粪的Cd含量相对最高，为(0.250 0±0.020 0) mg/kg，这可能是导致土壤重金属Cd输入高的重要因素，这与前人研究结论[8-9]较为一致；黄瓜2年种植期内，推荐氮肥用量、减氮施肥处理比常规施肥处理能够有效减少重金属Cd的输入，降低Cd的积累，相互间对Cd的净积累差异不明显；不同施肥处理的黄瓜秸秆Cd输出量明显高于黄瓜果实；推荐氮肥用量处理Cd的输出量相对最高，净积累量相对最低，产投比相对最高。

表5 设施黄瓜系统不同施肥处理下的黄瓜产量与产投比

有研究表明，有机肥施用量的增加，将会导致土壤有机质的逐渐增加，腐殖酸活化性能也增强，而有机物的分解使有机结合态重金属逐渐释放，重金属的生物有效性明显增强[10]，如长期施用畜禽粪便等有机肥，将极易造成土壤重金属的积累[11-13]。温室黄瓜虽然施用的肥料其重金属Cd含量均低于国家肥料限量标准，但长期施用大量农家肥确实会引起土壤Cd的积累，增加土壤重金属污染风险，而调整施肥方案，可有效控制或减轻土壤重金属Cd的污染。

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