长期施肥对稻田土壤镉锌铜积累及其有效性的影响

2021-05-02杨敏何璐璐3饶中秀黄道友田应兵朱捍华许超张泉

农业现代化研究 2021年2期

杨敏，何璐璐3，饶中秀，黄道友，田应兵，朱捍华，许超，张泉

（1. 中国科学院亚热带农业生态研究所/亚热带农业生态过程重点实验室，湖南长沙 410125；2. 长江大学农学院，湖北荆州 434025；3. 中国科学院大学，北京 100049；4. 湖南省土壤肥料研究所，湖南长沙 410125）

由采矿、冶炼、化石燃料燃烧和化肥农药的不合理施用等人类活动造成的土壤重金属污染、农作物生产力和农产品健康质量下降，已成为威胁农业可持续发展和人类健康的重要环境问题之一[1-4]。2014年发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，Cd、Cu、Zn等无机污染物点位超标率分别为7.00%、2.10%、0.90%[5]，农田土壤重金属污染问题备受学界和公众关注。

施肥一方面可能是农田土壤重金属积累的重要“源”，主要来自于有机肥和磷肥[6-9]。柳开楼等[10]研究发现，与单施化肥相比，长期施用有机肥（猪粪）使红壤稻田中Cu、Zn、Cr和As含量分别增加了72.00%～82.60%、29.10%～55.20%、194.80%～262.60%和90.50%～192.70%。任顺荣等[11]则报道，长期施用磷肥（25 a）后，土壤重金属含量有所增加。此外，长期施肥还可通过改变土壤理化性质，进而影响土壤中重金属的赋存形态和有效性。Guo等[12]研究表明，由于长期高强度施用氮肥，我国农田土壤普遍出现酸化现象。Zhu等[13]的调研结果显示，湖南长株潭地区在过去30 a间，稻田土壤pH值降低了0.94个单位，从而导致土壤Cd的有效性大幅度提升。也有研究表明，施用有机肥是一种较为经济有效降低土壤Cd等重金属植物有效性的农艺管理措施[14-15]。然而，目前的研究主要集中在施肥成为土壤重金属“源”的方面，对于其通过改变土壤理化性质间接影响重金属有效性方面的研究还相对缺乏。

鉴于此，本研究以建立于1986年的湖南省长期定位施肥试验为对象，对比分析长期单施化肥、秸秆还田和施用有机肥等方式下，耕层土壤重金属含量（Cd、Cu、Zn）、形态和水稻重金属吸收的变化及其与土壤理化性质间的关系，以期为防控农田土壤与农产品的重金属积累风险，指导我国南方稻田的科学施肥提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

长期定位施肥试验位于湖南省宁乡市（111°53′～112°46′E，27°55′～28°29′N）。该地属亚热带湿润季风气候，年均温16.80 ℃，年均降雨量1 553.70 mm，无霜期平均274 d。供试土壤为发育于近代河流冲积物的潴育性水稻土，土种为河沙泥。基础土壤pH值5.49、有机质（SOC）含量31.10 g/kg、全氮（TN）1.76 g/kg、全磷（TP）0.77 g/kg、全钾（TK）20.90 g/kg[16]。

1.2 试验设计

长期定位施肥试验始建于1986年，选取其中5个施肥处理：不施肥（CK）、全化肥（NPK）、稻草还田配施化肥（ST）、低量厩肥配施化肥（LM）和高量厩肥配施化肥（HM）。试验小区面积为66.70 m2（10 m×6.67 m），不设重复。小区之间用深埋（埋深＞30 cm）的水泥埂做隔断，确保小区之间无相互影响。种植制度为稻-稻-冬闲[16]，氮肥和钾肥分别用市售尿素（含N 46%）和氯化钾（含K2O 60%）；磷肥用市售钙-镁-磷肥（含P2O512%）。试验中所用厩肥主要为猪粪和鸡粪，低量和高量厩肥供氮量分别占氮总投入量的30%和60%。各处理施肥量见表1。

表1 长期定位施肥试验各处理施肥量（kg/hm2）Table 1 Fertilization amount in different treatments (kg/hm2)

1.3 样品采集与预处理

样品采集于2015年晚稻成熟期。为保证样品的代表性，将每个小区等比例划分为三个小区域（3.33 m×6.67 m），视为每个处理3次重复。每个小区域按照梅花五点法采集五株水稻样品，并混合为一个植株样品。在完成水稻样品采集的同时，采用不锈钢土钻（半径2 cm，高20 cm）采集植株对应的耕层（0～20 cm）土壤样品，混合均匀后装入聚乙烯塑料袋。

土壤样品经自然风干、磨碎，分别过60目和100目筛后，装入聚乙烯塑料封口袋，备用。水稻样品用自来水冲洗后，再用去离子水冲洗干净，并将其分为根、茎、叶和稻谷四部分，于105 ℃杀青30 min后，60 ℃烘干至恒重。烘干后的稻谷使用小型碾米机脱壳，分为谷壳和稻米两部分。根、茎、叶、谷壳和稻米用粉碎机粉碎后保存备用。

1.4 测定指标与方法

参考《土壤农化分析》[17]测定土壤pH值、SOC、CEC、全氮、全磷、全钾及土壤机械组成。土壤Cd、Zn和Cu全量用王水-高氯酸消化，有效态重金属用DTPA-TEA-CaCl2溶液浸提（水∶土=2.5∶1）。Cd、Zn和Cu形态分级参照Tessier等[18]五步提取法，分为可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态和残渣态。植物样品采用硝酸-高氯酸消解，测定其中的Cd、Zn、Cu含量。溶液中Cd、Cu和Zn含量采用ICP-OES（5110，安捷伦，美国）测定。

试验数据采用SPSS 20.0和OriginPro 9.0进行统计分析和制图，以LSD法进行方差分析和多重比较（α=0.05）。图、表中数据为平均值±标准误。

2 结果与分析

2.1 耕层土壤理化性质

各施肥处理耕层土壤基本理化性质如表2所示。与CK相比，长期秸秆还田（ST）、施用低量（LM）和高量有机肥（HM）显著提高了耕层土壤SOC、TN和TP，增幅分别为21.42%～60.16%、26.19%～79.17%和34.69%～351.02%，但TK和粘粒含量略有降低，降幅分别为8.59%～12.53%和7.32%～15.34%（P＜0.05）。同时，长期施用有机肥处理（LM和HM）还使土壤CEC显著提高了50.50%～75.19%（P＜0.05）。而且HM处理对SOC、TN、TP和CEC的增幅较LM更大（P＜0.05）。然而，长期不同施肥方式对土壤pH值影响相对较小，仅长期秸秆还田处理pH值低于CK。

2.2 耕层土壤中Cd、Zn和Cu全量及其有效态含量

由表3可以看出，与CK相比，长期单施化肥显著降低了耕层土壤Cd、Zn和Cu有效态，分别降低23.81%、44.57%和26.83%（P＜0.05），但施用低量（LM）和高量有机肥（HM）显著升高了Cd、Zn和Cu全量及有效态含量，全量升幅分别为35.00%～80.00%、63.91%～82.55%、118.41%～180.21%，

有效态增幅分别为28.57%～71.43%、407.12%～783.15%、336.59%～573.17%（P＜0.05）。长期秸秆还田（ST）处理对耕层土壤重金属Cd、Zn和Cu全量及有效态含量影响较小。

长期不同施肥方式下，重金属有效态占全量的比例（简称“有效态比例”）发生显著变化（表4）。长期不施肥处理（CK）土壤Cd、Zn和Cu的有效态比例分别为52.95%、2.50%和12.87%。与CK相比，长期单施化肥（NPK）处理显著降低有效态Zn和Cu的比例，降幅分别为1.04%和2.99%，但施用低量（LM）和高量有机肥（HM）显著升高Zn和Cu的有效态比例，升幅分别为5.23%～9.57%、12.88%～18.06%。秸秆还田（ST） Cd有效态比例显著提高6.59%，而Cu的有效态比例显著降低1.53%。

表2 长期施肥处理下耕层土壤基本理化性质Table 2 Physical and chemical properties of topsoil under long-term fertilization

表3 长期施肥处理下耕层土壤重金属全量及有效态含量Table 3 Total and available concentrations of heavy metals in topsoil under different treatments

表4 不同施肥处理下耕层土壤重金属有效态占全量的比例（%）Table 4 Proportion of soil available concentrations to total concentrations of heavy metals under different fertilization treatments (%)

2.3 耕层土壤中Cd、Zn和Cu的形态分布特征

长期不同施肥处理下耕层土壤重金属各形态占比分布如图1所示。长期单施化肥（NPK）、低量（LM）和高量有机肥（HM）后残渣态Cd占比分别为56.99%、60.50%和65.73%，均较CK（56.51%）有所增加。但施用低量（LM）和高量有机肥（HM）处理的铁锰氧化物结合态Cd占比分别下降至9.38%和8.26%，有机物结合态Cd占比分别下降至10.66%和5.63%，同时，施用高量有机肥（HM）处理的可交换态Cd下降至13.85%。施用低量（LM）和高量有机肥（HM）处理的Cu残渣态占比为71.68%和80.68%，Zn残渣态占比分别为89.37%和89.41%，均比CK（Cu: 90.68%, Zn: 94.92%）有所降低，而可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态均升高。与CK相比，长期秸秆还田（ST）处理的Zn和Cu可交换态占比分别提高6.78%～101.69%和10.00%～100.00%。

2.4 水稻各部位Cd、Zn和Cu含量

Cd在水稻各部位中的含量分布规律为根＞茎＞叶＞壳＞米，且施用高量有机肥（HM）处理＞施用低量有机肥（LM）处理＞秸秆还田（ST）处理＞CK（图2a）。与CK相比，长期秸秆还田（ST）、施用低量（LM）和高量有机肥（HM）均分别显著增加水稻根Cd含量35.90%、76.92%和94.87%，水稻茎Cd含量81.25%、112.50%和156.25%，水稻叶Cd含量100%、125%和250%，水稻壳Cd含量50%、50%和100%，稻米Cd含量50%、100%和150%（P＜0.05）。

Cu在水稻各部位中的含量分布规律与Cd的分布规律一致，即根＞茎＞叶＞壳＞米，且HM＞LM＞ST＞CK（图2b）。与CK相比，长期施用低量（LM）和高量有机肥（HM）均分别显著提高水稻根Cu含量343.47%和418.01%，水稻茎Cu含量227.64%和241.83%（P＜0.05）。同时，与CK相比，长期秸秆还田（ST）、施用低量（LM）和高量有机肥（HM）均分别显著增加稻米Cd含量37.23%、63.30%和85.64%（P＜0.05）。

Zn在水稻各部位中的含量分布规律为HM处理＞LM处理＞CK（图2c）。与CK相比，施用低量（LM）和高量有机肥（HM）均分别显著提高水稻根Zn含量110.86%和183.05%，水稻茎Zn含量95.58%和165.62%（P＜0.05）。同时，施用高量有机肥（HM）显著增加水稻叶Zn含量327.14%（P＜0.05）。

2.5 土壤理化性质与重金属含量及有效性的关系

耕层土壤Cd、Zn、Cu有效态和全量及稻米Cd、Cu含量分别与CEC、SOC、TN、TP含量之间呈显著正相关，与TK、粘粒含量之间呈显著负相关，且有效态Cd、Zn、Cu与全量之间呈显著正相关，稻米Cd、Cu含量与土壤有效态Cd、Cu之间呈显著正相关。土壤pH与Cd、Zn、Cu有效态和全量之间相关性不显著（P＞0.05）（图3）。

为进一步分析土壤理化性质对重金属有效性的影响，以重金属有效态比例（RM）和稻米重金属富集系数（稻米重金属含量/土壤重金属全量，BCFM）为因变量，以土壤理化性质指标为自变量进行逐步回归分析。结果如表5所示，除稻米Cd富集系数外，均建立了回归方程（P＜ 0.01）。土壤pH值是有效态Cd比例的重要影响因素，而有效态Cu和Zn的比例则受到TP含量的影响。稻米Cu富集系数受TP影响，而稻米Zn富集系数则受到TP、pH值和TN的影响。

3 讨论

3.1 长期施肥对稻田土壤Cd、Zn和Cu累积的影响

表5 土壤重金属有效性比例及稻米重金属富集系数与土壤理化性质指标回归方程Table 5 Stepwise regression model for ratio of Cd, Cu, Zn and BCF of Cd, Cu, Zn with soil basical properties

研究结果显示，与不施肥相比，长期单施化肥处理降低了土壤全Cd含量，但对全Cu和全Zn含量无显著影响，而长期秸秆还田配施化肥处理则对土壤全量Cd、Cu和Zn均无显著影响。非常遗憾的是，由于供试长期定位试验由地方农业局系统管理，在土壤及农业投入品样品保存机制方面还有待健全，未取得农业投入品及历史土壤样品数据。但不同施肥处理间的差异仍可在一定程度上说明长期施肥对稻田土壤重金属积累的影响规律。就不施肥处理而言，虽然作物产量维持在一个比较低的水平，但随着作物的收获和秸秆的移除，土壤重金属总体上应处于一个净输出的状态。有研究结果显示，由于磷肥带入了一定量的重金属，长期施用会造成土壤中Cd、Pb、As和Hg等的累积[19-20]。夏文建等[21]在江西开展的长期定位试验（建于1984年）结果则显示，长期施用化肥不会造成Cd和Zn的累积，但全Cu含量略有提升。王起超和麻壮伟[22]调研结果表明，我国市售氮肥和钾肥中重金属含量极低，而磷肥Cd、Cu和Zn的含量变异则极大，其范围分别为0.00～0.87 mg/kg、0.56～20.50 mg/kg和22.12～122.30 mg/kg。由此可见，在不施用重金属含量高磷肥的条件下，长期施用化肥或秸秆还田配施化肥并不会引发稻田耕层土壤Cd、Cu和Zn的累积。

然而，施用有机肥处理则显著提高了土壤全量Cd、Cu和Zn的含量，而且这种累积效应随有机肥用量的增大而增强。夏文建等[21]也发现，施用猪粪35 a后，稻田耕层土壤Cd、Cu和Zn明显累积，而且其含量随猪粪施用量的增大而升高。Zhou等[23]研究表明，连续22 a单独施用猪粪或者猪粪与化肥配施均显著提高了红壤全Cd含量。国外的长期试验结果也显示，长期施用粪肥/厩肥会导致耕层土壤Cd、Cu和Zn的累积[24-26]，这主要是与有机肥中重金属含量较高有关，据报道我国畜禽粪便中Cd含量的95%范围区间为0.05～14.80 mg/kg、算术平均值2.31 mg/kg，Cu含量的95%范围区间为13.30～1 146.00 mg/kg、算术平均值282 mg/kg，Zn含量的95%范围区间为43.20～3 204.00 mg/kg、算术平均值656 mg/kg[27]，而我国有机肥的标准（NY 525-2012 有机肥料）中仅规定Cd≤3 mg/kg，对Cu和Zn的含量并未限定。而且有机肥施用量较大，本试验中低量和高量处理的有机肥年施用量（以碳计）分别为3 t/hm2和6 t/hm2[28]，长期施用不可避免带入大量重金属元素。我国《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（GB 15618-2018）》中明确规定，土壤pH值5.50～6.50区间，全Cd、Cu和Zn的风险筛选值分别为0.30 mg/kg、50 mg/kg和200 mg/kg，远低于有机肥相关标准及畜禽粪便中的实际含量，因而长期施用畜禽粪便源有机肥带来的Cd、Cu和Zn积累风险不容忽视。

3.2 长期施肥对稻田土壤Cd、Zn和Cu有效性的影响

土壤Cd、Zn和Cu的有效态含量与其全量的变化规律相似，相比于长期不施肥处理，长期单施化肥土壤有效态Cd、Zn和Cu含量显著降低，秸秆还田配施化肥处理则无显著影响，而施用有机肥处理显著提高了有效态重金属含量且其提高幅度随有机肥用量增大而增强，重金属的形态分析结果也证实了这一变化特征。夏文建等[21]也发现，长期单施化肥对土壤有效态Cd、Zn和Cu无显著影响，而施用粪肥35 a则显著提高了土壤有效态Cd、Cu和Zn的含量。相关性分析结果进一步表明，土壤有效态重金属与其全量含量以及有机质含量之间显著正相关，相关系数均在0.90以上。可见，由于以猪粪、鸡粪为主要原料的有机肥中重金属含量较高[29]，长期施用带来的重金属累积效应是导致有机肥化肥配施处理有效态Cd、Zn和Cu含量显著升高的主要原因。

另一方面，长期不同施肥对土壤pH值、SOC和养分含量、CEC、粘粒含量等理化性质均产生了显著影响（表2），而这些变化也可能会影响土壤对重金属元素的固定和释放，进而导致重金属有效性发生改变。为消除重金属累积效应的影响，以土壤重金属有效态比例为因变量，以土壤理化性质为自变量进行的回归分析，结果表明土壤Cd有效态比例随pH值升高而显著降低，而Zn和Cu有效态比例则受到TP含量的显著影响。夏文建等[21]通过路径分析也发现，除长期施用有机肥造成的重金属累积效应外，土壤CEC和有效P含量变化也显著影响重金属的有效性。土壤pH值对Cd有效性的影响已得到广泛证实[13]，然而P对土壤重金属有效性的影响则较为复杂。从本试验的结果来看，由于有机肥自身的P含量较高，长期施用有机肥同步带来P的富集和重金属的累积，二者呈现显著正相关（表2）；同时P的富集还会改变土壤对Cu、Zn的吸附-解吸过程。宋正国等[30]研究结果显示，非水溶性P肥显著促进红壤对Cu的吸附，而水溶性P肥在低、中用量时促进红壤对Cu的吸附，在高用量时则抑制其对Cu的吸附。郭亮等[31]则发现，施用水溶性的KH2PO4促进Cu向有效性低的残渣态转化，同时可使残渣态和有机结合态Zn向有效性较高的交换态转化。但P与重金属之间的相互作用机理还有待进一步研究。

3.3 长期施肥对水稻吸收Cd、Zn和Cu的影响

与长期不施肥相比，长期施用化肥对水稻各部位Cd、Zn和Cu含量影响较小，而施用有机肥则使其Cd和Cu含量成倍提高。温明霞等[32]研究结果显示，长期单施有机肥稻米Cu含量提高72%，而有机肥化肥配施稻米Cd含量提高24%。相关分析结果显示，稻米Cd和Cu含量与土壤全量Cd和Cu关系密切（R＞ 0.80），虽然稻米Zn含量与土壤全Zn关系不强，但水稻根、茎、叶、壳的Zn含量均与土壤全Zn含量显著正相关（数据未列出）。这表明长期施用有机肥引发的土壤重金属累积效应，是导致水稻对Cd、Cu和Zn吸收显著增加的重要原因。此外，稻米重金属富集系数与土壤理化性质指标的逐步回归分析结果还显示，水稻Cu和Zn的富集系数均随土壤TP升高而显著降低，这和TP与土壤Zn、Cu形态之间的关系略有不同。正如前面所述，P与重金属之间的相互作用机理较为复杂，在影响稻田土壤中重金属赋存形态之外，还可能与其调控水稻根际酸化效应以及根表铁膜形成及对重金属的固定有关[20]。总体来看，长期施用有机肥会导致稻米积累Cd和Cu的大幅度升高，虽然按照国家食品卫生标准，稻米Cd和Cu尚未出现超标问题，但长期施用有机肥提高稻米重金属含量的风险仍然不容忽视。