不同耕作方式对民勤绿洲耕层土壤理化性状及重金属含量的影响

2019-02-26张英英施志国李彦荣王军强周彦芳

生态环境学报 2019年1期

张英英，施志国，李彦荣, ，王军强，常瑛, ，周彦芳,

1. 甘肃省农业工程技术研究院，甘肃武威 733006；2. 甘肃省特种药源植物种质创新与安全利用重点实验室，甘肃武威 733006

当前，中国面临生态环境恶化的严峻形式，土壤重金属污染已成为中国治理环境污染的重大挑战。特别是农田土壤重金属污染，对农田生态系统和粮食安全造成巨大威胁（樊霆等，2013；宋伟等，2013）。重金属在土壤中的含量不仅受成土母质的影响，还受施肥、灌溉、耕作方式等人为活动的影响，特别是农药、化肥的过量施用，使重金属进入土壤（王昌全等，2007；周利强等，2013；常同举等，2014），而重金属具有高毒性、不被降解及生物蓄积等特点，不仅造成土壤污染危害生态环境，而且通过食物链将对人体健康造成巨大威胁（杨军等，2011；汤文光等，2011）。

土壤重金属的有效性不仅受土壤重金属总量的影响，而且受土壤有机质、pH等土壤理化性质和其他重金属元素、土壤微生物、植物根系分泌物共同作用的影响（高明等，2004；江立庚等，2009）。耕作是重要的农田管理措施，是调理和遏制土壤耕层退化的最直接手段（胡钧铭等，2018）。耕作方式一方面影响土壤的理化性状，如深松耕作能打破犁底层，降低深层土壤紧实度，显著增强土壤接纳灌溉和降水能力，扩大土壤水库容（孔晓民等，2014）；免耕可以降低土壤pH值，增加土壤固碳量，提高耕作层土壤有机碳含量（崔孝强等，2012；成臣等，2015；陈娟等，2016），也可以提高土壤微生物量和土壤酶活性（陈娟等，2016）；免耕/深松轮耕处理可以增加土壤有机碳和全氮储量（王淑兰等，2016）。另一方面，虽然不同耕作方式对重金属总量的剖面分布状况影响不显著（常同举等，2014），但其可通过影响土壤 pH和有机质含量进而影响土壤重金属的有效量，成为影响土壤重金属含量、有效性及垂直分布的重要因素之一（崔孝强等，2012；常同举等，2014）。土壤有机质对重金属有明显的“活化作用”（崔孝强等，2012），免耕能降低pH值，提高土壤有机质含量，使某些金属元素在表层富集（Shuman et al.，1985，Lavado et al.，1999），致使土壤重金属有效含量增加；水旱轮作可提高表层土壤 Fe、Mn活性，降低土壤Zn、Pb和Cd活性；长期不合理的耕作会造成农田土壤盐基离子大量流失，增加农作物对重金属的累积（陈卫平等，2018）。目前鲜有关于西北绿洲灌区该领域的研究报道，因此，研究不同耕作方式对绿洲灌区玉米耕层土壤重金属的影响具有重要的意义。本研究以2015－2017年连续两年的试验为依托，通过研究不同耕作方式对土壤重金属总量及有效态含量的影响，分析土壤重金属总量及有效态含量与土壤理化性质的内在联系，以期为农田土壤改良和重金属污染治理提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验位于民勤绿洲区的苏武乡（103°07′00.16″E，38°37′10″N），属典型的温带干旱荒漠气候区，平均海拔 1400 m，冬季寒冷夏季炎热，昼夜温差可达25.2 ℃，多年均温7.8 ℃，年均无霜期162 d，日照时间长，全年的平均日照时数为2799.40 h。该区平均年降水量113.2 mm，蒸发量高达2644 mm。耕作土壤为灌淤土，试验前（CK）耕层土壤的基本性状为：pH 8.8，有机质8.37 g·kg-1，重金属 Cr、Ni、Cu、Cd、Pb、As、Hg的总量分别为55.04、25.52、19.03、0.15、20.39、7.85、0.02 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验于2015年10月秋收后连续实施2年，设4个处理：（1）免耕（NT)，对土地不做耕翻，直至试验结束才更换地膜；（2）少耕（MT），收获后到播种前不搅动土壤，播种前1周左右进行旋耕整地7.5－10 cm，覆膜播种；（3）秋翻（MPT），秋收后耕翻土地，翻动土层深度大约为20 cm，春季旋耕整地7.5－10 cm，覆膜播种；（4）深松（ST），秋收后利用深松铲对耕地进行耕翻30 cm，春季旋耕整地7.5－10 cm，覆膜播种。

每处理小区面积为535 m2，随机区组排列，3次重复。种植作物为玉米，供试品种为甘鑫2818，播种时间为每年4月20日左右，株距20 cm，行距30 cm，定植密度为 7.2×104plant·hm-2。除耕作方式不同外，其他施肥、灌水等田间管理均相同，施用化肥为尿素、磷酸二氢铵、普钙、氯化钾，各处理化肥用量统一为每年施用N 180 kg·hm-2、P2O595 kg·hm-2、K2O 45 kg·hm-2。磷酸二氢铵、普钙、氯化钾全部基施，尿素基施20%，拔节期至抽穗期追施 20%，抽穗期至开花期追施 10%，灌浆期追施50%。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 样品采集

于2017年9月24日玉米收获后，在各小区利用五点取样法分别采集耕层（0－20 cm）土样并混合均匀，除去土壤样品中的动、植物残体和砂砾。土样在室内风干后研磨粉碎，分别过2 mm筛和0.25 mm筛，并装入塑料袋备用，分别用于测定土壤中有机质、电导率和全氮等理化指标，重金属总量及有效态含量等。

1.3.2 测定项目及分析方法土壤理化性质测定（鲍士旦，2011）30-49

有机质（OM）：采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法；pH：水土比 2.5∶1的土壤悬浊液振荡后用 pH仪测定；电导率（EC）：水土比5∶1，用电导率仪测定；全氮（TN）：采用在加速剂参与下浓硫酸消煮，用凯氏定氮仪测定。

土壤重金属总量测定：镉（Cd）、镍（Ni）、铜（Cu）、铬（Cr）、铅（Pb）、砷（As）、汞（Hg）7种重金属总量均参照区域地球化学样品分析方法，Cr、Ni、Cu、Cd、Pb用 HCl-HNO3-HF-HClO4消解，其中Ni、Cd、Pb采用电感耦合等离子体质谱法（中华人民共和国国土资源部，2016a；中华人民共和国国土资源部，2016b），Cr、Cu采用电感耦合等离子体发射光谱法（中华人民共和国国土资源部，2016c），As、Hg用王水水浴法消解，As采用氢化物发生-原子荧光光谱法（中华人民共和国国土资源部，2016d），Hg采用蒸气发生-冷原子荧光光谱法（中华人民共和国国土资源部，2016e）。

土壤重金属有效态含量测定：土壤重金属有效态含量参照《岩石矿物分析》（《岩石矿物分析》编委会，2011）892-894，用 CaCL2法提取，质谱仪分析有效Cr、有效Ni，原子荧光仪测定有效As、有效Hg；采用DTPA法提取，光谱仪分析有效Cd、Cu、Pb。

1.4 数据处理与分析

试验数据采用Excel 2010和SPSS 19.0，多重比较采用Duncan法，其中显著性水平a=0.05，采用Pearson相关系数进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同耕作方式对耕层土壤理化性状的影响

耕作方式对土壤理化性状有一定影响，由于耕作方式对土壤理化性状的影响是一个长期效应，连续2年的不同耕作方式对耕层土壤理化性状的影响不显著，但表现出一定的趋势（表1）。4种不同耕作方式的 pH值范围在 8.75－8.83之间，表现为NT＜ST＜MT＜MPT，NT最低，免耕有利于降低土壤pH；OM、TN 含量表现为 NT＞MT＞MPT＞ST，NT最高，ST最低，NT与ST比较，OM、TN含量分别提高了18.93%、30.3%，与秋翻和深松相比，免耕和少耕有利于 OM、TN含量提高；EC表现为NT＞ST＞MT＞ MPT，说明免耕利于提高土壤EC。

表1 不同耕作方式下耕层土壤理化性状Table1 Soil physical and chemical properties of different tillage measures

表2 不同耕作方式下耕层土壤重金属总量Table2 Total amount of heavy metals in cultivated soil under different tillage measures mg·kg-1

表3 不同耕作方式下耕层土壤重金属有效含量比较Table3 Effects of different tillage measures on available heavy metals in plough layer

2.2 不同耕作方式对耕层土壤重金属总量的影响

耕作方式是人为活动对农田土壤最重要的影响因素之一，直接影响土壤重金属含量分布状况、有效性及重金属的迁移（崔孝强等，2012）。经过2年连续的不同耕作方式处理，各处理对耕层土壤重金属总量的影响差异均不显著（表2）。但相比较而言，不同耕作方式下，土壤重金属Ni和As的总量均以 ST为最高，MPT最低，Ni总量表现为ST＞NT＞MT＞MPT，As 总量表现为 ST＞MT＞NT＞MPT，说明深松会提高土壤耕层重金属 Ni、As总量；免耕的土壤重金属Cu、Cd总量均高于翻耕处理，Cu总量表现为NT＞ST＞MT＞MPT，Cd总量则表现为NT高于其他处理，说明免耕有利于土壤耕层重金属Cu、Cd的富集；Cr总量为MPT＞NT＞ST＞MT；Pb总量表现为 MT＞NT＞ST＞MPT，少耕、免耕土壤耕层Pb含量高于深松与秋翻；4种耕作方式下，土壤重金属Hg总量均为0.02 mg·kg-1。

2.3 不同耕作方式对耕层土壤重金属有效含量的影响

耕作方式是影响土壤重金属有效性的重要因素，有效态重金属能被植物直接吸收利用。重金属有效态含量高低是了解和预测重金属污染程度及其对是否生态系统造成影响的重要信息（王昌全等，2007）。由表3可知，连续2年的不同耕作方式处理，耕层有效Cd含量表现为NT、MPT、MT显著高于ST，但NT、MPT、MT之间差异不显著；有效As含量则表现为MT显著高于MPT，其他处理间差异均不显著。与试验前（CK）土壤有效性重金属Cd、As量比较，有效Cd含量除ST降低外，其他各处理均有所增加，表现为 MPT＞NT＞MT＞CK＞ST；有效As含量除MT外，其他各处理均有所下降，表现为MT=CK＞ST＞NT＞MPT。

不同耕作方式对土壤有效性重金属Cr、Ni、Cu、Pb、Hg的影响均不显著。与试验前土壤有效性重金属含量比较，有效 Cr、Ni含量变化很小；有效Cu除ST略有降低外，其他各处理均有所提高，表现为 NT＞MPT＞MT＞CK＞ST；有效 Pb、Hg 含量均有所降低，分别表现为 CK＞MT＞NT＞ST＞MPT 和CK＞ST＞NT＞MT＞MPT。

2.4 耕层土壤重金属总量与土壤理化性状的关系

土壤理化性状与土壤重金属含量关系十分密切，其中土壤OM、PH、EC均是影响土壤重金属的重要因素。由表4可知，除土壤pH值与OM相关性不显著外，pH与TN和EC分别达到显著和极显著负相关，土壤OM与EC、TN之间达到极显著正相关。pH与Ni、Cu、Cd总量达到极显著负相关，与Cr、Pb达到显著负相关；土壤OM与Cr达极显著正相关，与Ni、Cu、Cd、Pb达到显著正相关，土壤pH、OM含量与As、Hg总量相关性均不显著。除As与土壤EC达到显著相关外，其他6种土壤重金属总量与土壤EC呈极显著正相关关系。土壤TN与土壤重金属Ni、Cu、Cd、Pb总量均呈极显著正相关关系，与Cr、As、Hg呈显著正相关关系。本研究所涉及的7种重金属元素总量中，除Hg与Cr、As未达到显著相关外，其余重金属元素总量两两之间均达到极显著正相关关系。

表4 不同耕作方式下土壤重金属总量与土壤理化性质的相关性分析Table4 Correlation analysis of total amount of heavy metals and soil physical and chemical properties under different tillage measure

2.5 耕层土壤重金属有效态含量与土壤理化性状的关系

不同耕作方式下土壤的理化性状与7种有效态重金属含量之间的相关性分析如表5所示，土壤pH与有效Cu含量呈极显著负相关；土壤OM与有效态重金属 Cu、Pb含量呈显著正相关，与有效 Hg含量呈显著负相关；土壤EC、TN含量与土壤有效Cu呈极显著正相关，与土壤有效Pb呈显著正相关。土壤有效态Cr、Ni、Cd、As与土壤pH值、OM、EC、TN之间的相关性均不显著。7种土壤重金属有效态含量之间的相关关系表现为：土壤有效 Cu与土壤有效 Ni呈显著负相关，土壤有效态重金属Cr、Cu与土壤有效 Pb呈显著正相关，土壤有效Ni与有效Pb之间呈显著负相关，其余土壤重金属有效态含量之间的相关性均不显著。

表5 不同耕作方式下土壤重金属有效态含量与土壤理化性质的相关性分析Table5 Correlation analysis of available heavy metals and soil physical and chemical properties under different tillage measures

3 讨论

3.1 不同耕作方式对耕层土壤理化性状的影响

本研究结果表明，短期内不同耕作方式对耕层土壤理化性状没有显著性影响。但免耕条件下，耕层土壤OM、TN、EC均高于其他处理，与其他耕作处理相比，免耕能提高土壤表层有机质含量，但未达到显著水平，这与王碧胜等（2015）、杨艳等（2018）研究结果一致。然而，大量研究表明，免耕能显著提高土壤耕层有机质、全氮含量，由于免耕使土壤耕层受到较少的物理扰动，不仅能保持良好的土壤结构，还能保持原土壤通气透水性，减缓了土壤有机质矿化；深松、翻耕改善了土壤通气能力，促进有机质分解与矿化（王昌全等，2001；崔孝强等，2012）。这与本研究结果有所不同，可能是耕作方式对土壤理化性质的影响是一个长期的效应，本试验耕作处理年限较短，虽表现出一定的趋势，但差异不显著。本研究表明，4种耕作方式pH值范围在8.75－8.83之间，表现为秋翻＞少耕＞深松＞免耕，免耕处理最低，但与其他处理差异不显著。而崔孝强等（2012）研究表明，长期免耕对耕层土壤pH有显著影响，免耕显著低于常规平作，研究结果有所不同，可能是由于耕作处理年限较短所致。

3.2 不同耕作方式对耕层土壤重金属总量的影响

土壤中重金属来源较为复杂，成土母质及人类活动是影响其来源的主要因素（Lv et al.，2013）。成土母质影响土壤重金属含量为不可控因素，但是随着人类经济社会的发展，人类活动已经成为影响土壤重金属含量的最主要因素（刘春早等，2012；于洋等，2013）。作为人类活动中人为可控的耕作对土壤重金属含量的影响，常同举等（2014）通过20余年的长期定位试验研究表明不同耕作条件下，耕作方式对紫色水稻土剖面Fe、Cu、Zn、Pb、Cd总量的影响不显著。但汤文光等（2015）研究表明，在双季稻田因水稻植株地下部分富集Cd能力较强，加之将秸秆中富集的Cd重新归还到稻田土壤中，耕作措施与秸秆还田结合，长期（8年）翻耕和长期旋耕能显著提高土壤Cd含量。本研究区域内无明显的污染，所施肥料均满足国家标准，尽管当地灌溉用水中的除 Ni、Hg、As、Pb、Zn等重金属元素含量均低于国家标准外，Cd、Cr、Cu等重金属含量略高于国家灌溉用水重金属含量标准（李多辉，2016），由于试验年限较短，连续2年的不同耕作方式对耕层土壤重金属总量的影响不显著。

3.3 不同耕作方式对耕层土壤重金属有效态含量的影响

有效态重金属是能够被植物吸收利用的部分，研究表明，土壤pH值和OM是影响土壤重金属有效态含量的重要因素（季辉等，2013）。本研究表明，短期内不同耕作方式对土壤重金属有效 Cr、Ni、Cu、Pb、Hg的影响均不显著，仅对有效Cd、As有显著影响，深松处理土壤有效Cd含量显著低于免耕、秋翻、少耕，秋翻处理有效 As含量显著低于少耕，但其他处理间差异均不显著。常同举等（2014）研究认为，耕作方式对表层土壤重金属有效态Pb含量有显著影响，对土壤重金属有效Cu含量影响不显著。崔孝强等（2012）研究认为，与翻耕相比，免耕能提高耕层有效Cd、Cu和Zn含量，降低有效Pb含量。Edwards et al.（1992）认为免耕能提高土壤表层 Pb有效态含量，对 Cu、As、Ni的有效态含量没有显著影响。原因可能是由于免耕条件下，化肥农药等在表层聚集及大气沉降作用使一些重金属元素在土壤表层富集，另一方面可能是由于免耕能改变土壤pH值，提升有机质含量促使土壤重金属有效态含量升高（Shuman et al.，1985；Lavado et al.，1999）。这与本研究存在差异，原因可能是由于本研究所涉及的耕作处理年限较短、土壤母质与上述研究地区存在差异所致。

3.4 耕层土壤重金属总量、有效态含量与土壤理化性质的关系

本研究结果表明，不同耕作处理下，Ni、Cu、Cd、Cr、Pb 5种土壤重金属总量与土壤pH值达到显著或极显著负相关，与土壤OM达到极显著或显著正相关。本研究所涉及的7种重金属元素总量中，除Hg与Cr、As未达到显著水平外，其余重金属元素两两之间均达到极显著正相关关系，这与李红伟等（2007）长期耕作条件下的研究结果基本一致。原因可能是重金属的形态分布与土壤pH值密切相关，特别是pH能改变土壤重金属的吸附位、吸附表面稳定性、存在形态及配位性能所致（龚健东，2007）。长期不同耕作条件下土壤有机质与土壤重金属有效Cd、有效Zn含量呈极显著正相关关系，与土壤有效Pb、有效 Cu呈显著正相关，土壤pH值与有效Pb含量呈显著正相关（常同举等，2014）。本研究连续耕作两年后，虽然土壤有效态Cr、Ni、Cd、As含量与土壤 pH、OM、EC、TN之间的相关性均不显著，但土壤OM与有效Cu、Pb呈显著正相关，与有效Hg呈显著负相关，土壤pH与有效Cu呈极显著负相关，土壤TN、EC与有效Cu、有效 Pb呈极显著正相关或显著正相关。土壤重金属有效Cu与有效Ni呈显著负相关，有效Cr、有效Cu与有效Pb呈显著正相关，有效Ni与有效Pb之间呈显著负相关，这与崔孝强等（2012）研究结果相似。