长期施用猪粪和化肥对稻田土壤Cu、Zn和Cd含量及有效性的影响

2022-10-14张丽芳夏文建张文学刘秀梅李祖章刘光荣

农业环境科学学报 2022年9期

张丽芳，夏文建*，张文学，刘秀梅，李祖章，刘光荣

（1.江西省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所/国家红壤改良工程技术研究中心/国家农业环境宜春观测实验站，南昌 330200；2.江西省农业科学院，南昌 330200）

施肥是提高作物产量和品质、培肥土壤地力的重要措施，然而长期施肥可能造成土壤重金属累积，其中畜禽粪便和磷肥等通常被认为是土壤重金属的主要农业来源。大量研究表明，长期施用猪粪等有机肥容易造成土壤中Cu、Zn和Cd全量累积，但对重金属有效性的影响结论不一。杨敏等发现稻田施用厩肥30 a后，土壤Cu、Zn和Cd全量显著提高118.4%～180.2%、63.9%～82.6%、35.0%～80.0%，有效态显著提高336.6%～573.2%、407.1%～783.2%、28.6%～71.4%，有机肥中较高的Cu、Zn和Cd含量是土壤重金属累积和有效性提高的主要原因；而何其辉等却发现施用猪粪后，红黄泥土壤Cu、Pb、Cd有效态含量比对照降低了22.1%、13.4%、20.0%，同时也降低了水稻秸秆中的Cd含量。众多研究发现作物对重金属的吸收与土壤重金属全量之间相关性较低，而主要受有效态含量影响。农田土壤中重金属有效性受肥料来源、用量和土壤环境等多因素影响，其含量并不一定随全量的增加而升高。

现有关于施肥对土壤重金属的影响研究，多侧重于重金属全量累积或有效态含量变化等方面，而对于重金属有效性的影响机制探索相对较少。土壤重金属有效态的提取和定量表征是土壤污染风险评估和修复技术效果评价的重要基础，但目前尚没有公认的土壤重金属有效性的测定与评价方法。当前应用较为广泛的方法是化学提取法，包括单一提取法和连续分级提取法，近年来梯度扩散薄膜技术（DGT）也被广泛应用到重金属有效性的评价中。陈莹等筛选评价了DGT技术和多种提取剂对酸性紫色土、中性紫色土、石灰性黄壤和钙质紫色土中重金属有效态的提取效果，认为土壤Cd提取以DGT技术最好，而化学提取剂中以HCl较为适宜。王美等使用BCR连续提取法分析了长期施肥对土壤Cu、Zn和Cd形态的影响，认为Cu、Zn、Cd的全量和EDTA-可提取态含量是黑土和红壤重金属形态的主要影响因子。土壤pH和有机质均会影响土壤Cu、Zn等重金属的有效性，杨敏等认为土壤磷会影响重金属的有效性，但其作用机制还有待研究。长期施用猪粪等有机肥虽然造成土壤Cu、Zn和Cd全量增加，但更重要的作用是增加了土壤有机质，提高了土壤氮、磷等养分含量，并改变了土壤pH等理化性状。长期施肥条件下土壤pH、土壤有机质、阳离子交换量、氮、磷等均会影响重金属有效性，但相关理化性质的变化对重金属有效性的贡献尚不清楚。长期施用猪粪和化肥处理之间的关键影响因子是否一致，以及环境因子对Cu、Zn和Cd有效性的影响机制还有待深入研究。

为了研究长期施用猪粪和化肥对稻田土壤Cu、Zn、Cd累积和有效性的影响，以及土壤环境作用机制，本文利用持续了35 a的长期定位试验，分析了土壤Cu、Zn和Cd的全量及有效态含量，通过相关分析、逐步回归方程、冗余分析和偏最小二乘路径模型（PLS-PM）等统计方法分析土壤Cu、Zn和Cd与环境因子之间的关系，以期解析土壤Cu、Zn和Cd有效性的关键影响因子，以及长期施用有机肥和化肥处理之间的差异，为减少红壤稻田Cu、Zn和Cd环境风险提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

长期定位试验于1984年开始，地点位于江西省农业科学院试验基地（28°34'N，115°56'E），该区域处于中亚热带，海拔高度25 m，年均温17.5℃，无霜期280 d，降雨量约1 600 mm，土壤为第四纪酸性红壤发育的中潴黄泥田。试验前土壤耕层基础理化状况为：pH 6.5，有机质25.6 g·kg，全氮1.36 g·kg，全磷0.49 g·kg，缓效钾240 mg·kg，速效氮81.6 mg·kg，速效磷20.8 mg·kg，速效钾35.0 mg·kg，阳离子交换量（CEC）7.54 cmol·kg。当地表层土壤中Cu、Zn、Cd的平均含量分别为47.0、115、0.171 mg·kg。

1.2 试验设计

长期定位试验共设置8个处理，分别为：不施肥（CK）、施用磷钾化肥（PK）、施用氮钾化肥（NK）、施用氮磷化肥（NP）、施用氮磷钾化肥（NPK）、70%化肥+30%有机肥（M1NPK）、50%化肥+50%有机肥（M2NPK）、30%化肥+70%有机肥（M3NPK）。试验区常年种植模式为早稻-晚稻-冬闲，小区面积33.3 m，水泥埂分隔，独立排灌。早稻季施用纯N 150 kg·hm，晚稻季施用纯N 180 kg·hm，早稻和晚稻季各施PO60 kg·hm、KO 150 kg·hm。各处理肥料用量详见表1。肥料品种：氮肥为尿素，磷肥为过磷酸钙（含PO12%），钾肥为氯化钾（含KO 60%），均为国内生产。有机肥：早稻为紫云英，晚稻为猪粪。猪粪含水率约85%，N 0.45%、PO0.19%、KO 0.6%；紫云英含水率约88%，N 0.3%、PO0.08%、KO 0.23%。猪粪中Cu、Zn、Cd含量分别为110、280、0.27 mg·kg，紫云英中分别为1.3、3.8、0.04 mg·kg，尿素中分别为0.13、2.31、0 mg·kg，氯化钾中分别为1.31、5.80、0 mg·kg，过磷酸钙中分别为5.80、22.80、0.33 mg·kg。磷肥和有机肥全作基肥，氮肥50%作基肥、25%作分蘖肥、25%作幼穗分化肥，钾肥全作追肥，50%作分蘖肥、50%作幼穗分化肥。所有小区的播种、移栽、灌溉和打药等日常管理措施与当地习惯相同。

表1 不同试验处理每年肥料纯养分用量（kg·hm-2）Table 1 Annual application rates of fertilizer net nutrients for different treatments（kg·hm-2）

1.3 研究方法

2018年晚稻收获后，采用5点取样法采集耕层（0～20 cm）土壤样品。样品风干磨细过2 mm和0.149 mm筛，用于土壤理化性质分析。土壤化学性质采用常规方法测定：土壤pH（2.5∶1）采用酸度计电位法；CEC采用乙酸铵（NHOAc）交换法；土壤有机质（SOM）采用重铬酸钾外加热法；全氮（TN）用凯式定氮法；全磷（TP）用高氯酸浓硫酸消解-钼锑抗比色法；速效氮（AN）采用碱解扩散法；速效磷（AP）用Olsen法；土壤重金属全量（THM）采用HCl-HNO-HClO消煮，重金属有效态采用0.1 mol·LHCl溶液浸提，Cu、Zn和Cd含量采用原子吸收分光光度计（PinAAcle 900T，美国PerkinElmer公司）测定。土壤重金属全量和有效态含量分析过程中分别采用国家标准样GSS-22及ASA-5a进行质量控制。水稻收获季，每个小区单打单收、单独记产，然后换算为每公顷产量，文中产量（GY）为2018年早稻和晚稻的合计总产量。

1.4 数据处理

试验数据利用Excel 2016进行整理、统计分析、计算和绘图，运用SPSS 17.0进行单因素方差分析和差异显著性检验（LSD法，＜0.05）；采用R（4.1.0）中的“pheatmap”包进行热图聚类分析，“corrplot”包进行相关性分析。采用“plspm”包进行偏最小二乘路径回归（PLS-PM）分析，其中隐变量土壤碳、氮、磷（CNP）由SOM、TN、TP、AN和AP构成，重金属全量（THM）由全铜（TCu）、全锌（TZn）和全镉（TCd）构成，重金属有效态（AHM）由有效铜（ACu）、有效锌（AZn）和有效镉（ACd）构成，化肥（CF）由化肥氮、磷和钾用量构成，猪粪（PM）为猪粪用量，模型拟合优度GoF大于0.7表明整体预测性能较优。聚类之前将数据进行归一化处理，距离算法采用欧几里德距离，聚类采用最大距离法，通过层次聚类获得聚类树；采用“vegan”包进行环境因子蒙特尔检验（mantel test）和共线性分析，利用Canoco 5.0软件进行冗余分析（RDA）制图。

2 结果与分析

2.1 长期不同施肥土壤Cu、Zn和Cd含量

长期施肥土壤全量Cu、Zn、Cd的含量范围分别为19.96～82.01、64.21～157.02、0.16～0.49 mg·kg（图1）。化肥处理（PK、NK、NP和NPK）下土壤Cu、Zn和Cd的含量与CK相比无显著差异，猪粪处理（M1NPK、M2NPK、M3NPK）下土壤Cu、Zn、Cd全量范围为56.5～82.01、110.24～157.02、0.28～0.49 mg·kg，比CK提高了134%～239%、57%～124%、58%～171%。根据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018），土壤pH 5.5～6.5时水田土壤Cu、Zn、Cd的风险筛选值分别为50、200、0.4 mg·kg，3个猪粪处理下的土壤Cu以及M3NPK处理下的土壤Cd含量均超过了筛选值。

图1 长期不同施肥处理土壤Cu、Zn和Cd全量和有效态含量Figure 1 Total and available contents of Cu，Zn and Cd in reddish paddy soil under long-term fertilization

化肥处理（PK、NK、NP和NPK）下土壤Cu、Zn、Cd有效态含量范围为5.53～9.53、3.50～5.56、0.06～0.09 mg·kg，与CK相比无显著差异。猪粪处理（M1NPK、M2NPK和M3NPK）下土壤Cu、Zn、Cd有效态含量范围为19.38～32.00、17.22～40.71、0.12～0.20 mg·kg，比CK提高了191%～380%、285%～811%、61%～184%。

2.2 长期施肥对土壤理化性质和水稻产量的影响

经过长达35 a不同施肥处理，多数土壤理化性质发生了显著变化（表2）。土壤pH范围为5.17～6.05，各施肥处理与CK相比差异不显著，但NPK和M3NPK处理之间差异达显著水平；SOM含量范围为37.34～58.38 g·kg，CEC范围为6.68～11.31 cmol·kg，与CK和化肥处理相比，猪粪处理（M1NPK、M2NPK和M3NPK）显著提高了土壤SOM和CEC。土壤氮、磷养分含量主要受施肥影响，施用猪粪全面提高了土壤氮、磷含量，而施用氮、磷等化肥提高了土壤中对应元素的含量。与CK相比，猪粪处理土壤TN、TP、AN和AP含量分别提高54%～66%、209%～361%、69%～104%、860%～1 057%，达显著水平；PK处理土壤TP和AP分别提高了139%和747%，NK处理土壤TN提高了18%，NP处理土壤TN、TP和AP提高了15%、117%和506%，NPK处理土壤TP、AN和AP分别提高了103%、29%和343%，均达显著水平。与CK和化肥处理相比，长期施用猪粪显著提高了双季水稻总产量。2018年CK处理水稻总产量为7 044 kg·hm，猪粪处理为12 060～12 488 kg·hm，比CK提高了71%～77%；化肥处理（PK、NK、NP和NPK）水稻总产量为8 226～11 569 kg·hm，比CK提高了17%～64%。

表2 长期施肥对土壤理化性质和产量的影响Table 2 Soil physiochemical properties and grain yield under long-term fertilizations

通过土壤理化性质的heatmap聚类分析（图2）发现，不同施肥处理可以分为两类：化肥及CK处理（CK、PK、NK、NP、NPK）和施用猪粪处理（M1NPK、M2NPK、M3NPK）。同时土壤理化指标可以分为三类：第一类为土壤pH，受施肥影响较小；第二类为TP和AP，受猪粪和磷肥影响较大；第三类包括SOM、CEC、TN和AN，受猪粪和氮肥影响较大。

图2 长期不同施肥土壤理化性质的heatmap聚类分析Figure 2 Cluster heatmap of the physiochemical properties of paddy soil under long-term fertilization

2.3 土壤重金属含量与土壤物理化学性质及产量之间的相关性

考虑到长期施用猪粪与化肥处理之间土壤Cu、Zn和Cd以及土壤理化性质存在显著差异，将数据分为猪粪组（NPK、M1NPK、M2NPK和M3NPK）和化肥组（CK、PK、NK、NP和NPK）以及全处理组分别进行相关性分析。

猪粪组和全处理组呈现一致的规律，除猪粪组TCu、ACu与土壤pH相关性不显著外，土壤重金属与各土壤理化指标及产量之间均呈显著正相关（图3A、图3C）。化肥组则呈现截然不同的规律，土壤TCu和ACu与土壤理化指标间相关性相对较高，其中与TP、CEC和AN呈显著正相关，而与土壤pH呈显著负相关；土壤TZn与SOM和产量呈显著负相关，而AZn与TP和AP呈显著正相关；土壤TCd受pH、AN、SOM和产量影响较大，其中与pH呈正相关，与SOM、AN和产量呈显著负相关，而ACd仅与AP呈显著正相关（图3B）。长期不同施肥处理影响土壤重金属与土壤理化指标之间的相关性，猪粪组与化肥组之间存在明显不同的规律，预示着两组不同施肥措施对重金属累积和有效性有着不同的影响机制。

图3 土壤Cu、Zn和Cd与土壤理化指标之间的相关关系Figure 3 Correlation between soil Cu，Zn，Cd and soil physiochemical properties

进一步利用逐步回归方程分析了土壤ACu、AZn和ACd含量与土壤理化指标及产量之间的关系，结果见表3。猪粪组和化肥组土壤重金属有效态含量的主要影响因素不一致，猪粪组主要受TP、SOM和CEC影响；而化肥组主要受AP、CEC和pH影响，同时ACu和ACd受到水稻生长吸收的影响较大，产量增加会造成ACu和ACd含量下降。全处理组显示土壤ACu、AZn和ACd含量主要受CEC、TP和AN影响，其中水稻产量对ACu含量影响较大。

表3 土壤有效态Cu、Zn和Cd含量与土壤理化指标及水稻产量之间的逐步回归方程Table 3 Stepwise regression models for available contents of Cu，Zn and Cd with soil physiochemical properties and grain yields

2.4 土壤Cu、Zn和Cd的冗余分析

为了更好地揭示土壤理化性质与重金属之间的相互作用关系，本研究将土壤Cu、Zn和Cd看作物种，将土壤理化指标作为环境因子，进行冗余分析（RDA）。结果表明，土壤重金属与土壤理化指标间存在较强的约束关系，不同处理组关键的影响因素不同。猪粪组土壤重金属变异主要受TN、CEC和AP影响，其分别解释了方差变异的89.1%、6.4%和2.0%，达到显著水平（图4A）；化肥组则主要受土壤pH和TP影响，其分别解释了方差变异的45.0%和22.2%，达到显著水平（图4B）；全处理组与猪粪组土壤重金属变异主要影响因子较为相似，土壤CEC、TN、AP和pH分别解释了方差变异的87.7%、4.4%、1.4%和1.1%，达到显著水平（图4C）。RDA结果反映了土壤Cu、Zn、Cd与土壤pH、CEC、TN、TP、AP之间有较强的关联，猪粪组和化肥组主要影响因子存在明显的差异。

图4 土壤Cu、Zn和Cd与土壤理化指标的冗余分析Figure 4 Redundancy analysis（RDA）of correlations between soil variables with Cu，Zn and Cd

2.5 土壤Cu、Zn和Cd有效性的PLS-PM分析

PLS-PM是一种研究多个观测变量因果关系的路径分析方法，本文通过PLS-PM构建了施肥影响水稻产量、土壤理化性质和THM，进而影响AHM的路径模型（图5），拟合优度达0.829 8，大于0.7，表明模型的整体预测性能较优。猪粪和化肥对Cu、Zn和Cd有效态的间接效应系数分别为0.969 0和-0.009 5，其中猪粪通过THM、CEC和CNP的间接效应系数较高，分别为0.608 3、0.291 4和0.176 5，而化肥通过各参数的效应系数均较低（表4）。施肥主要通过影响CEC和THM间接影响重金属有效性（图5），但两种肥料的影响机制存在差异。猪粪对CEC、CNP、GY和THM的影响较大，路径系数分别为0.986 8、0.999 9、0.916 9和0.978 5，达到显著水平。化肥主要通过CNP和GY影响AHM，路径系数分别为0.231 2和0.713 1，达到显著水平。CEC和THM对AHM的路径系数分别为0.295 3和0.621 7，达到显著水平；土壤pH和GY对AHM的路径系数为负，有降低AHM的作用，但未达显著水平。

表4 长期施肥通过不同参数影响土壤重金属有效态的间接效应系数Table 4 Indirect effect coefficient of long-term fertilization on soil heavy metal availability through different parameters

图5 长期施肥对土壤重金属有效性影响的偏最小二乘路径模型（PLS-PM）分析Figure 5 Directed graph of partial least squares path model（PLS-PM）on the effect of soil available heavy metals under long-term fertilization

3 讨论

3.1 长期不同施肥对土壤Cu、Zn和Cd累积的影响

施肥影响土壤重金属含量变化，一方面是由于肥料中含有少量重金属，长期施用可能会造成土壤重金属累积；另一方面是由于施肥促进了作物生长，作物的吸收使土壤重金属含量下降。化学氮肥和钾肥中重金属元素含量较低，而化学磷肥中重金属Cd含量相对较高。任顺荣等发现25 a长期不同施肥处理下土壤重金属Cu、Zn和Cd均呈增加趋势，磷肥使重金属含量有所增加，而有机肥使Cu和Zn增幅较大。本研究发现持续35 a化肥处理（PK、NK、NP和NPK）下土壤Cu、Zn、Cd的全量分别为19.96～32.04、64.21～69.83、0.16～0.20 mg·kg，与CK（24.17、70.02、0.18 mg·kg）相比变化较小，也与本团队前期持续23 a的CK处理结果（25.8、80.9、0.21 mg·kg）差异较小。一般认为长期施用磷肥可能会造成Cd的累积，但本研究并未发现施用磷肥处理（PK、NP和NPK）的土壤有Cd累积现象，可能与本研究施用的磷肥为国产磷肥，而我国磷矿的Cd含量较低有关。相比较而言，本研究中NK和NPK处理下土壤Cd有所下降，这可能与氮肥促进作物对Cd的吸收，钾、镉共存时降低了土壤对Cd的吸附有关。本研究中NK和NPK处理水稻产量分别为10 456 kg·hm和11 569 kg·hm，显著高于CK和其他化肥处理，因此作物吸收了土壤中更多的Cd。

有机肥施用对土壤重金属含量的影响与肥料的种类、来源和用量有关，有报道显示施用猪粪显著增加土壤Cu和Zn，而鸡粪显著增加土壤Cu、Zn和Cd。本研究发现持续35 a施用猪粪处理（M1NPK、M2NPK和M3NPK）下土壤Cu、Zn、Cd全量比CK提高了134%～239%、57%～124%、58%～171%，累积速率分别为0.92～1.65、1.15～2.49、0.003～0.009 mg·kg·a；本团队前期研究发现持续23 a施用猪粪（M2NPK和M3NPK）处理下土壤Cu和Zn全量比CK提高了101%～147%和58%～76%，而Cd全量无显著变化，累积速率分别为1.13～1.64、2.04～2.67 mg·kg·a和0～0.001 mg·kg·a，与本研究结果基本一致。土壤Cu和Zn含量大幅提高可能与江西省猪粪中Cu和Zn超过全国平均水平有关，长期施用猪粪等有机肥时需要考虑环境承载力和粮食安全风险。经过35 a长期施用猪粪的土壤Cu轻微超标，高量猪粪M3NPK处理土壤Cd超过了筛选值，籽粒中Cd含量（0.28 mg·kg）超过国家标准，MUHAMMAD等的研究也有相同的结论。可见在本试验条件下，该区域的猪粪用量不宜超过20 t·hm·a（M2NPK处理猪粪用量），一般应控制在15 t·hm·a以内。同时考虑到土壤中Cu的累积风险，猪粪在施用前需加工成有机肥并控制其中的重金属含量或进一步减少用量。

3.2 长期不同施肥下土壤理化性质与Cu、Zn和Cd的关系

长期不同施肥显著影响了土壤理化性质。与CK相比，施用化肥对土壤pH和CEC影响较小；NK和NPK处理下土壤SOM显著提升，与这两个处理水稻生物量较高，产生了较多的凋落物残留有关；化肥对土壤养分的影响主要与肥料品种有关，施用某种化肥通常都会提升土壤对应养分的全量和速效态含量。施用猪粪显著提高了土壤CEC、SOM和氮、磷养分含量，并且对土壤氮、磷养分的提高远大于化肥处理。通过对土壤理化指标的heatmap聚类分析发现，施肥处理可以分为化肥处理（CK、PK、NK、NP、NPK）和猪粪处理（M1NPK、M2NPK、M3NPK）两大类（图2），反映出猪粪和化肥对土壤理化性状的影响存在显著差异。

长期不同施肥处理通过肥料带入显著影响了土壤Cu、Zn和Cd的全量（图1），本研究中猪粪施用造成了土壤Cu、Zn和Cd大幅累积。同时长期施肥影响了土壤pH、SOM、CEC和氮、磷养分含量，并直接或间接影响了重金属的有效性。分组相关性分析结果显示猪粪组与化肥组具有明显不同的规律。猪粪组土壤Cu、Zn和Cd全量及有效态含量与土壤理化指标（pH除外）间均呈显著正相关（图3），可能是由于该组土壤中重金属主要来源于猪粪，同时该组各土壤理化指标也随猪粪用量增加而增加（表2），两者均由猪粪施用引起，由于同源关系而造成两者之间呈正相关关系。

化肥组由于肥料本身带入的重金属较少，相关性分析的结果可能更真实反映了土壤理化性质变化及产量对重金属的影响。总体上化肥组土壤重金属全量及有效态含量与土壤理化指标及产量间的相关性较低。土壤TCu、ACu与AN、TP、CEC呈显著正相关，可能是由于化学磷肥中带入了少量Cu，土壤Cu含量在一定范围内可以提高微生物对聚合类碳源的转化与利用能力，并促进水解酶活性，从而与AN呈现一定的正相关；NP和NPK处理下土壤pH相对较低，而TCu和ACu相对较高，可能是造成TCu和ACu与pH呈显著负相关的原因。土壤酸化导致Cd更容易被作物吸收，因此土壤Cd含量随pH下降而降低，表现出Cd与pH呈显著正相关。土壤SOM及水稻产量与Zn和Cd含量呈显著负相关，这是由于化肥组主要通过作物根系和凋落物残留提高土壤SOM，作物生长更好时会残留更多的有机物，同时也吸收更多土壤Zn和Cd。土壤AN含量受SOM影响，本研究中化肥组AN与SOM的相关系数达0.83，同时AN与pH相关系数达-0.88，可能是造成AN与TCd呈显著负相关的原因。提高土壤速效氮含量能否促进土壤Cd的移除还有待进一步研究。一般认为土壤中磷与重金属，特别是Zn具有拮抗作用，但张淑香等研究发现施磷有促进Cu、Zn有效性的趋势，并且土壤速效磷和有效Zn呈显著正相关，王美等研究发现红壤施磷肥提高了Zn酸提取态和有机结合态比例，磷锌肥施用可以减少土壤对Zn的固定。本研究中化肥组土壤AZn含量（0.1 mol·LHCl浸提）为3.50～5.56 mg·kg，占全量的4.7%～9.1%，磷和Zn的含量均较低，在低浓度条件下土壤中磷锌拮抗未起主导作用，反而由于无机磷的投入促进了根系生长和土壤微生物活动，根系分泌的有机酸和微生物活动使重金属有效性增强；同时本研究磷肥中Zn含量为22.8 mg·kg，长期施磷带入的Zn可能对土壤Zn有效性有较大影响。杨敏等也发现土壤磷会影响重金属有效性，相关机制还有待进一步探索。

逐步回归分析发现土壤重金属有效态含量主要受CEC、AP、TP和SOM影响，其次是土壤pH和AN，猪粪组与化肥组关键影响因子存在较大差异（表3）。同时逐步回归结果也显示化肥组ACu和ACd及全处理组ACu随着水稻产量提高而下降（表3），但相关性分析并未体现出此规律（图3），表明虽然水稻生长会吸收移除部分重金属，但并不是简单的直接关系，而是受到了其他土壤理化性质影响。通过RDA分析发现，猪粪组影响土壤Cu、Zn和Cd方差变异的关键因素为TN、CEC和AP，化肥组为土壤pH和TP，全处理组为土壤CEC、TN、AP和pH（图4）。化肥组与猪粪组差异较大，而全处理组与猪粪组基本一致。进一步通过PLS-PM分析发现，化肥对重金属有效态的间接效应系数为-0.009 5，猪粪的间接效应系数为0.969 0（表4），可见猪粪对重金属有效性的贡献远大于化肥，长期施用猪粪使土壤Cu、Zn和Cd发生累积，同时也通过影响土壤CEC而影响重金属有效性。稻田土壤中碳、氮、磷对重金属的固定和活化受到土壤pH、氧化还原条件和水稻根表铁膜等的影响，通过调节土壤理化性状可以降低重金属有效性。长期来看，施用化肥可促进作物生长移除，总体上会降低重金属有效态含量，但过程比较缓慢。本研究发现土壤CEC对Cu、Zn和Cd有效态起关键调控作用（图5），猪粪和化肥虽然对土壤碳、氮、磷（CNP）和产量（GY）的影响显著，但CNP和GY对重金属有效态的贡献较小，土壤碳、氮、磷与重金属有效态之间存在较为复杂的关系，相关调控机制还有待进一步研究。