长期定位施肥下设施土壤重金属积累及生态风险的研究

沃惜慧，杨丽娟，曹庭悦，李 军

（沈阳农业大学土地与环境学院，沈阳 110866）

设施农业是我国农业发展中的重点。至2002年，我国已是世界第一大设施农业国[1]。2013年，我国设施蔬菜种植面积和总产量分别占蔬菜种植面积的18%和蔬菜总产量的34%以上[2]。设施土壤的环境质量会直接影响设施蔬菜作物的品质与产量。而长年作物连作及长期大量肥料投入，导致设施土壤质量下降、土壤结构退化等问题。张玥琪等[3]研究表明施用鸡粪、稻草和石灰可促进设施土壤中＞0.25 mm团聚体的形成，增加土壤全碳含量，提高团聚体的稳定性，有效缓解土壤结构退化与土壤富营养化。而鸡粪、稻草与K2SO4的施用可提高土壤微生物功能多样性，降低土壤酚酸类物质含量，减缓连作障碍[4]。但同时畜禽粪便的施用是农田土壤重金属污染的主要来源之一[5]。畜禽饲料中通常存在Cu、Zn等重金属添加剂，而重金属不易被畜禽吸收，大部分都随畜禽粪便排出[6]。我国鸡粪、猪粪、羊粪、牛粪中均存在重金属元素超标[7]。秸秆还田虽可有效增加土壤中有机质及微量元素的含量[8-9]，但秸秆中富集的重金属会重新释放到土壤中[10]，且其还田初期可活化土壤中重金属[11-12]。有研究发现长期秸秆还田与施用猪粪会导致土壤Cd、Cu、Zn全量与有效态含量的增加[13-14]。因此在向设施土壤中施入不同物质改善土壤的同时，可能会产生土壤重金属积累甚至超标的问题。

许多学者都对长期施肥条件下大田土壤的重金属积累问题开展了研究。有研究表明化肥与有机肥长期配施可增加土壤重金属含量，有污染土壤的风险[15-28]。有研究发现长期施用化肥对土壤重金属的影响不明显，而长期施用有机肥后土壤中重金属含量增加[19]。目前对设施土壤这方面的研究还不多，因此本文将针对长期定位施肥的设施土壤，分析在长期不同施肥处理下改良土壤的同时，设施土壤中重金属的含量与污染状况，进行土壤重金属污染评价及潜在生态风险评价。旨在为设施农业的安全生产与可持续发展提供一定的参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

本研究的供试土样于2016年11月采自沈阳农业大学温室番茄长期施肥定位试验基地（建于2009年），2009年该土壤理化性质如表1所示。该长期定位施肥试验共设10种处理，如表2所示，每一处理设3次重复。除CK外，其余处理都根据辽宁省保护地生产常规用量施入等量复合肥。秸秆切成约3 cm长度，与生石灰、鸡粪、40%复合肥在番茄定植前一个月作为基肥均匀翻入20 cm耕层以下。剩余的60%复合肥分别于番茄定植后30、60 d等量追施。鸡粪、生石灰、K2SO4与复合肥每年分别购自同一厂家，秸秆为沈阳农业大学水稻试验田自然风干的水稻秸秆。各物料的养分含量与重金属含量如表3所示。

表1 供试土壤基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of the tested soil

表2 试验处理及其肥料施用量Table 2 Test treatments and fertilizer application rate

1.2 分析方法

1.2.1样品分析

1.2.2 土壤重金属污染评价方法

本文采用了单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法，对土壤重金属污染程度进行了评价。计算公式分别如下：

本文选取《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）中的农用地土壤污染风险管控标准（以下简称为筛选值）作为基准值，如表4所示。Pi＜1表示土壤未受该评价因子污染，Pi＞1表示该土壤受到该评价因子的污染，且Pi值越大，污染越严重。P综合≤0.7，土壤污染等级为安全级，0.7＜P综合≤1.0，为警戒级；1.0＜P综合≤2.0，土壤轻度污染；2.0＜P综合≤3.0，土壤中度污染；P综合＞3.0，土壤重度污染。

1.2.3 土壤重金属风险评价方法

本文采用瑞典科学家Hakanson提出的潜在生态风险指数法[20]（The potential ecological risk index，RI）对设施土壤进行重金属风险评价，计算公式如下：

式中：Eir为评价区域土壤中某一污染物的潜在生态危害指数；Tri为评价区域内某一污染物的毒性响应系数（Zn=1，Cr=2，Cu=Ni=Pb=5，Cd=30[21]）；Cir为污染物的污染系数；RI为评价区域土壤的潜在生态危害指数；Ci测为污染物的实测浓度，mg·kg-1；Cin为该元素的评价标准，本文采用筛选值作为评价标准。

由于污染物潜在生态风险评价的分级标准与所研究的污染物的种类和数量密切相关，而本文研究涉及的污染物种类、数量与Hakanson当年的研究不尽相同，因此参考Fernández等[22]、徐姗楠等[23]、张倩等[24]及其他文献[25-27]中的方法对Eir和RI的分级标准进行了适当的调整，本文的分级标准如表5所示。

观察组中检出24例,诊断率为96.0%;对照组中检出19例,诊断率为76.0%,组间计算x2值为8.996,P值为0.001,观察组显著高于对照组,P<0.05,差异有统计学意义。

1.2.4土壤重金属积累速率计算

土壤中重金属元素含量的积累速率的计算参考李恋卿等[28]研究中的计算方法：

k=(Ct-C0)/t

式中：k为土壤中重金属元素的积累速率，mg·kg-1·a-1；Ct为t时间的土壤环境重金属元素的含量，mg·kg-1；C0为背景含量或变化起始时含量，mg·kg-1，本文以CK值作为起始值；t为经历的时间，a。同时利用土壤重金属积累速率预测未来该土壤中重金属的含量。

表3 肥料中重金属含量与养分含量Table 3 Heavy metal and nutrient content in fertilizer

表4 《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）（mg·kg-1）Table 4 Soil environmental quality risk control standard for soil contamination of agricultural land（GB 15618—2018）（mg·kg-1）

1.3 数据处理

本文采用Excel 2010与SPSS 18.0对数据进行整理与处理。

2 结果与分析

2.1 长期定位施肥土壤中重金属含量分析

如表6所示，鸡粪、秸秆、K2SO4与生石灰不同组合施入后，土壤中6种重金属含量较CK处理，均有不同程度的增加，且Cd、Pb、Zn含量在9种处理下较CK均显著增加。但除Cd以外的5种重金属含量在10种处理下均未超出《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）中相应的农用地土壤污染风险筛选值。而Cd含量仅在CK处理下未超出该标准值，其他9种处理下土壤中Cd含量均超出该标准值。说明本试验中，鸡粪、秸秆、K2SO4与生石灰不同组合的长期施入对设施土壤中Cd元素含量影响较大。

除MRKCa处理外，其余9种处理中，土壤中Cr、Cu、Ni、Pb与Zn含量均为在MR处理下最高，并且MR处理下土壤中6种重金属含量均高于M与R处理。说明本研究中，鸡粪与秸秆同时施入对土壤中重金属积累的影响较大。MCa处理下土壤中各重金属含量较M处理均变化不大，说明本试验中在施入鸡粪的基础上，单独施入生石灰对土壤中重金属含量的影响并不显著。MRKCa处理较MRK处理，土壤中Cd、Cr、Ni、Pb、Zn均有所增加，其中Cr达到显著水平。而MRCa处理下，土壤中各重金属含量较MR处理均有所减少，其中Ni、Pb达到显著水平。MK处理下，土壤中除Pb外其他5种重金属含量较M处理均有小幅增加。MRK处理下，土壤中各重金属含量较MK处理均有所增加。这可能是因为秸秆的加入增加了土壤中重金属的含量。而该处理下，土壤中除Cd以外的重金属含量较MR处理均有不同程度的减少。

土壤重金属积累速率计算结果如表7所示，同时根据该积累速率计算10年及20年后该设施土壤中重金属的含量，结果如表8所示。由表可知，Cu、Ni、Pb的积累速率在MR处理下最大，Cd、Cr、Zn的积累速率在MRKCa处理下最大。10年及20年后，该设施土壤中Cr、Cu、Ni、Pb含量均远低于标准值。而由上文分析可知，当前各处理下土壤中Cd含量均已不同程度超标，未来20年各处理下土壤Cd的积累及污染情况将更为严重。另外，在MRKCa处理下，土壤中Zn的积累速率达到最高的6.74 mg·kg-1·a-1。按该速率计算，20年后该处理下的土壤Zn含量便将超标，同时MR处理下的土壤Zn含量也将逼近标准值。

表5 本研究Eir与RI的分级标准Table 5 The grading standard ofEirand RI in this study

表6 长期定位施肥土壤中重金属含量（mg·kg-1）Table 6 Heavy metal content in the long-term located fertilization soil（mg·kg-1）

表7 不同施肥方式设施土壤重金属积累速率（mg·kg-1·a-1）Table 7 Accumulation rate of heavy metals in soils with different treatments（mg·kg-1·a-1）

表8 10年与20年后各处理下土壤重金属含量（mg·kg-1）Table 8 Heavy metal content under different treatments after 10 years and 20 years（mg·kg-1）

2.2 长期定位施肥土壤中重金属污染指数评价

如表9所示，由单因子污染指数评价结果可知，土壤Cd仅在CK处理下无污染，其他处理下均有不同程度的污染，其中MRKCa处理下污染指数最大，为1.25，污染最严重。而其他5种重金属在各处理下均无污染。由内梅罗综合污染指数评价结果可知，仅在CK处理下，土壤达到安全级，土壤为清洁。其他9种处理下土壤均为警戒级，土壤尚且清洁，其中MRKCa处理下土壤的综合污染指数最大。

由表10可知，10年及20年后土壤Cd污染将更为严重。另外，20年后MRKCa处理下的土壤Zn也将处于污染状态。其余元素在各处理下均仍未产生污染。由内梅罗综合污染指数可知，10年后各处理下设施土壤均将具有轻度污染，20年后MRKCa处理下的设施土壤将达到中度污染。

2.3 长期定位施肥土壤重金属生态风险评价

由土壤重金属潜在生态风险评价结果可知（表11），Cr、Cu、Ni、Pb、Zn的单项污染风险均较为微弱，目前产生的生态危害较小。而Cd仅在CK处理下为轻微生态危害，其他处理下均为中等生态危害。由此可见，在长期不同施肥处理下，设施土壤中Cd元素的积累产生的生态危害较为严重。而各处理下土壤的RI值均小于60，生态危害较为轻微。

由表12可知，土壤Cd的生态风险将随年限的增加而加剧。10年后，各处理下土壤Cd虽仍为中等生态危害，但MRKCa处理下已接近强生态危害。20年后，R、MR、MK、MRK、MKCa、MRKCa处理下土壤Cd将变为强生态风险；而其他重金属元素在各处理下的生态风险虽均有所增加，但仍较为轻微。由未来20年各处理下土壤的RI值可知，10年后MR、MRK、MKCa、MRKCa处理下设施土壤将均有中等生态危害，20年后各处理下土壤的生态风险均有不同程度的增加，各处理下土壤的生态风险均将变为中等生态危害。

表9 长期定位施肥土壤单因子污染指数与内梅罗综合污染指数评价结果Table 9 The results of long-term fertilization soil single factor pollution index and Nemerow pollution index

表10 10年与20年后设施土壤重金属单因子污染指数与内梅罗综合污染指数评价结果Table 10 Single factor and Nemero comprehensive pollution index of greenhouse soil after 10 years and 20 years

表11 长期定位施肥土壤重金属潜在生态风险评价结果Table 11 The results of long-term fertilization soil potential ecological index

3 讨论

畜禽粪便与秸秆作为有机肥施入土壤，可增加土壤有机质与微量元素的含量，提高土壤质量，增加作物产量。但畜禽粪便与秸秆中的重金属会随之进入土壤，同时秸秆可钝化土壤中的重金属，减少作物对重金属的吸收[10]，长期大量施用可导致土壤中重金属的积累。本研究中，鸡粪与秸秆长期的分别单独施入或两者混合施入均可大幅增加设施土壤中重金属的含量，因此施用鸡粪与秸秆对土壤中重金属积累、富集的影响不可忽视。另外，复合肥中含有一定量的重金属，长期施入土壤也可能导致土壤重金属的积累[29-30]。

表12 10年与20年后长期定位施肥土壤重金属潜在生态风险Table 12 The results of long-term fertilization soil potential ecological index after 10 years and 20 years

本研究中，MRCa处理较MR处理，土壤中各重金属含量均有所减少，且Ni、Pb减少显著。这可能是由于生石灰的施入增加了土壤中Ca元素的含量，促进了作物的生长[31]，从而增加了作物对重金属的吸收。也可能是因为秸秆与生石灰的同时施入增加了土壤中大团聚体（5～2 mm）的含量[3]。而土壤中的重金属优先富集于小粒径的土壤团聚体[32]，有研究发现在黄泥土与乌珊土中均为黏粒级团聚体（粒径＜2 μm）对重金属的吸附量最高[33]。因而大团聚体含量的增加减少了土壤对重金属的吸附。

K2SO4作为钾肥施入土壤，可增加蔬菜产量，提高蔬菜品质[34-35]，同时还可降低土壤中有效态Cd含量[36-37]。MK处理下土壤中Cd、Cr、Cu、Ni、Zn含量较M处理均有小幅增加，这可能是由于K2SO4的施入增加了土壤对重金属的固定。黑亮等[38]研究发现，K2SO4作为重金属固定剂加入污泥中，可有效地将Zn固定在污泥中。Zhang等[39]认为，向土壤中加入SO2-4可增加土壤中负电荷的密度并增加土壤负电位，从而增加土壤对Cd和Zn的吸附量。但在MRK处理下，除Cd以外的重金属含量较MR处理均有不同程度的减少。这可能是由于K2SO4可促进作物的生长[35]，从而增加了作物对土壤中各营养元素及重金属的吸收。

由土壤污染评价及生态风险评价结果可知，鸡粪、秸秆、K2SO4、生石灰与复合肥不同组合的长期施入可增加土壤重金属污染的程度及生态风险。并且在五者同时施入时，土壤受污染程度最为严重，生态风险最强。一方面，这可能是因为复合肥中含有一定量的重金属，同时鸡粪与秸秆中的重金属在土壤中释放，极大增加了土壤中重金属的含量。另一方面，K2SO4对土壤中的重金属具有一定的固定作用。而秸秆在其分解过程中生成腐殖质也可吸附固定重金属[11]。同时有机物料与石灰配施可提高土壤pH，同时减少土壤中重金属的有效态含量[40]，从而减少作物对土壤中重金属元素的吸收。上述对土壤中重金属总量与有效态含量的影响作用，随物料的施入共同产生了土壤重金属的积累效应。

因此，多种物质同时施入土壤后，会在土壤中产生一系列复杂多样的反应，对土壤中重金属的积累产生不同的影响。该过程与反应机理，及其对土壤中重金属含量的影响都有待于进一步更深入的研究与探索。

4 结论

（1）长期向设施土壤中施入鸡粪、秸秆、生石灰与K2SO4可引起土壤重金属不同程度的积累。Cu、Ni、Pb的积累速率在MR处理下最大，Cd、Cr、Zn的积累速率在MRKCa处理下最大。目前各处理下土壤Cd已超标，产生污染。而各处理下土壤综合污染状况均为警戒级，土壤尚且清洁，其生态危害均较为轻微。其中MRKCa处理下的土壤综合污染指数与潜在生态风险指数最大。

（2）20年后，土壤Cr、Cu、Ni、Pb均未超标，而Cd污染情况将更为严重，MRKCa处理下的土壤Zn将在近20年后产生污染。土壤重金属的综合污染水平与生态风险也将随之增强，20年后各处理下的土壤均将变为中等污染，具有中等生态危害。