耕作措施与有机肥施用对旱地麦田土壤重金属污染特征的影响*

2024-01-20杨志国张建诚温云杰席吉龙

中国生态农业学报(中英文) 2024年1期

杨娜 ,王珂 ,杨志国 ,张建诚** ,温云杰 ,席吉龙

(1.山西农业大学棉花研究所运城 044000;2.省部共建有机旱作农业国家重点实验室(筹) 太原 030031;3.山西农业大学有机旱作农业研究院太原 030031)

我国农田重金属污染问题形式严峻,重金属不仅会对土壤环境造成污染,还会通过食物链进入人体,威胁人体健康[1-2]。重金属在土壤中的含量和有效性,不仅与成土母质密切相关,还受农业生产中施肥、耕作方式等人为因素的影响,特别是化肥、畜禽粪便等肥料的不合理施用,加速了重金属在土壤中的累积[3-4]。土壤重金属的污染程度不仅与重金属全量有关,更与其有效性密切相关。土壤重金属的有效性一方面受重金属的总量决定,另一方面更易受土壤pH、氧化还原状况、有机物质、根际环境以及微生物活性等诸多因素的影响[5]。

耕作是农业生产最基本的管理措施,可有效改善土壤耕层构造,防止耕层退化。耕作方式一方面能够对土壤理化性状产生影响[6-7],例如保护性耕作可以提高土壤有机质含量,增加土壤蓄水量,降低土壤pH;深松耕作可以打破土壤犁底层,增加耕作层厚度,改善土壤结构,提高土壤的通气性和蓄水能力。不同的耕作措施主要通过影响土壤理化性状进而影响重金属含量。崔孝强等[8]研究发现,垄作免耕较翻耕能够显著提高土壤有机质含量,降低土壤pH,显著增加0～20 cm 和20～40 cm 土层Cd、Cu 和Zn 等重金属的有效性,并认为土壤有机质对重金属的有效性具有明显的促进作用。长期不合理的耕作制度也会导致农田土壤盐基离子大量流失,增加了重金属在农作物中的累积风险[9]。有机肥具有提高土壤肥力[10]、改善土壤结构等作用,但随着集约化养殖的快速发展,畜禽粪便作为有机肥施用于农田,已成为农田重金属污染的主要来源之一[11]。饲料中广泛使用含有重金属的添加剂,多数随粪便排出体外,长期施用畜禽粪便有机肥会造成重金属在土壤和作物中富集[12]。李可等[13]研究发现,长期施用鸡粪有机肥显著提高设施菜地土壤中Cd、Cr、Cu、Zn 和As 的含量,且随着鸡粪施用量的增加而升高。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在山西农业大学棉花研究所水头试验基地(35°11′22″N,111°05′17″E,海拔407.5 m)的长期定位试验地进行,该区属温带大陆性季风气候。年平均降雨量525 mm,降雨量年内分布不均匀,6—9 月降雨量占全年总降雨量的64.2%;年平均气温13.5℃,无霜期205 d,年日照时长2293.4 h。长期定位试验开始于2007 年,为一年一作小麦(Triticum aestivum),每年10 月播种,次年6 月上旬收获。小麦生育期内不灌水,6—9 月休闲。土壤为黄褐土;0～20 cm 土壤养分含量为碱解氮0.89 mg·kg−1、有机质10.9 g·kg−1、速效磷13.1 mg·kg−1、速效钾159.6 mg·kg−1,pH 为8.4;土壤重金属含量分别为Pb 22.35 mg·kg−1、Cd 0.22 mg·kg−1、Cr 92.00 mg·kg−1、Hg 0.11 mg·kg−1、As 11.10 mg·kg−1、Cu 26.00 mg·kg−1、Zn 63.50 mg·kg−1、Ni 57.00 mg·kg−1。每年肥料施入量为: 纯N 165 kg·hm−2、P2O5150 kg·hm−2、鸡粪30 m3·hm−2。试验所用化肥为尿素(N 46%)和重过磷酸钙(P2O546%)。鸡粪从当地养殖户购买,覆膜堆肥腐熟,于小麦播种前施入试验田,其中含碱解氮18.6 mg·kg−1、P2O536.7 mg·kg−1、K2O 17.4 g·kg−1,重金属含量为Pb 38.00 mg·kg−1、Cd 0.27 mg·kg−1、Cr 105.00 mg·kg−1、Hg 0.14 mg·kg−1、As 3.31 mg·kg−1、Cu 74.00 mg·kg−1、Zn 812.00 mg·kg−1、Ni 44.00 mg·kg−1。

1.2 试验设计

试验共设4 个处理: 1)深翻+化肥(T),小麦收获时留茬15 cm,7 月中旬深翻,8 月中下旬耙耱平整土地,10 月旋耕播种,同时施入化肥;2)深翻+鸡粪+化肥(TM),田间操作与T 处理相同,施入化肥和鸡粪;3)免耕+化肥(NT),收获时留茬15 cm,小麦休闲期内不扰动土壤,播种、施肥一次完成;4)免耕+鸡粪+化肥(NTM),田间操作与NT 处理相同,播种时施入化肥和鸡粪。每个处理3 次重复,小区面积60 m2。试验中免耕处理为夏闲期不进行田间操作,深翻为每年7 月中下旬进行翻耕,深度约25 cm 左右,8 月进行耙耱保墒。各处理小麦生长季田间管理措施相同。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 样品采集

2020 年6 月小麦收获后,在各小区用多点取样法分别采集耕层(0～20 cm)土样并混合均匀,土样在室内风干后研磨粉碎,用于测定土壤理化性状和重金属总量和有效态含量。

1.3.2 测定项目及分析方法

土壤理化性状测定: pH 用pH 计测定,电导率(EC)采用电导率仪测定,有机质(OM)含量采用重铬酸钾法测定,全氮(TN)含量采用自动定氮仪法测定。

1.理念先行，提高风险防范意识。开展风险管理审计，要求企业管理层转变观念，正确处理风险与效益的关系，增强对风险的敏锐度，将风险意识纳入企业的经营管理之中，把风险管理理念渗透到每个部门、每个岗位和每个环节，并内化为员工的职业态度和工作习惯。与此同时审计人员也要更新理念，从传统的内部财务审计扩展至参与企业的价值创造，当好企业风险管理的参与者、协调者、监督者，真正置身于企业的公司治理和风险管理过程之中。

重金属总量测定: 总As 和总Hg 含量采用原子荧光法测定,总Cd 含量采用原子吸收分光光度法测定,总Pb、Cr、Cu、Zn、Ni 含量采用火焰原子吸收分光光度法测定[15]。

重金属有效态含量测定: 采用DTPA 浸提后利用原子吸收分光光度法测定[8]。

1.4 重金属污染评价

1.4.1 地累积指数法

采用德国科学家Muller 提出的地累积指数法进行土壤重金属污染分级评价[19-20]。地累积指数是反映沉积物中重金属富集程度的常用定量指标,不仅考虑了人为污染因素和环境地球化学背景值,还特别考虑到自然成岩作用对背景值的影响,被广泛应用于重金属(大气沉降、土壤和现代沉积物)的污染评价。公式如下:

式中:Iego为地累积指数;Cn为重金属元素n在土壤中的含量;Bn为重金属元素n的背景值(本研究按山西省背景值计算[16]);α 为修正指数,通常取1.5。地累积指数分级及污染程度见表1。

表1 基于地累积指数(Iego)的农田土壤重金属污染程度分级[21]Table 1 Heavy metal pollution classification of farmland soil based on the geo-accumulation index (Iego)

1.4.2 土壤重金属潜在生态风险评价

潜在生态指数法将重金属含量、重金属生态效应、环境效应和毒理学效应均联系起来,计算公式如下:

式中: RIs为综合潜在生态风险指数,即潜在风险系数之和;为重金属的单项潜在生态风险指数;为重金属的单项污染指数;Ci为土壤中污染物的实测值(mg·kg−1);为该地区土壤重金属背景值(mg·kg−1),此处为试验地定位前土壤重金属含量;为某重金属的毒性响应参数,各重金属毒性系数为: Zn=1

表2 基于潜在生态危害系数()和危害指数(RIs)的土壤重金属污染程度分级Table 2 Relationship of pollution levels with the potential ecological hazard quotients () and indexes (RIs)

1.5 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2007 进行数据汇总,多重比较采用DPS 7.05 统计分析软件的Duncan 新复极差法。

2 结果与分析

2.1 不同处理方式对耕层土壤理化性状的影响

由表3 可知,连续13 年不同耕作措施和施鸡粪对土壤的pH、EC 和有机质产生显著影响。4 种处理的pH 为8.237～8.453,表现为NTMTM>NT>T,其中NTM 处理较TM、NT 和T处理分别显著提高29.65%、47.93%和57.08% (P<0.05);有机质含量表现为NTM>NT>TM>T,其中NTM处理较TM、NT 和T 处理分别提高25.09%、7.91%和33.22% (P<0.05);与T 处理相比,其他处理的全氮含量略有增加,但差异不显著。由此说明,长期免耕和施鸡粪可以降低土壤pH,提高土壤电导率、全氮和有机质含量。

表3 不同耕作和施肥处理下0～20 cm 土壤理化性状Table 3 Physicochemical properties of soil (0−20 cm) under different tillage and fertilization treatments

2.2 不同处理方式对土壤重金属全量的影响

参照GB 15618—2018[23]可知,经过13 年的耕作和施肥,各处理对土壤重金属总量有不同的影响。当前试验地各处理重金属总量尚未超过国家农用地土壤污染风险管控标准的筛选值和管控值(表4)。通过差异显著性分析可知,与T 处理相比,NT 处理显著降低了土壤Pb 和Cr 含量,增加了Hg、Cu、Zn和Ni 含量,其中Hg 和Ni 的增加幅度达到显著水平(P<0.05),比T 处理分别增加28.09%和6.24%。施鸡粪的TM 和NTM 处理的Hg 含量分别比T 处理显著增加123.60%和150.56% (P<0.05);NTM 处理的Cu含量较T 处理显著增加11.11% (P<0.05),但与TM、NT 处理差异不显著;NTM 处理的Zn 含量较T、TM 和NT 处理分别显著增加11.62%、8.11%和9.10%(P<0.05)。4 种处理间土壤Cd 和As 含量没有显著差异。由此可知,长期不同耕作措施对土壤Pb、Hg、Cr 含量影响显著,而长期鸡粪投入可造成土壤中Hg、Cu、Zn 和Ni 含量的累积。

表4 不同耕作和施肥处理下0～20 cm土壤重金属总量Table 4 Total contents of heavy metalsinsoil (0−20cm)underdifferenttillageand fertilization treatments mg·kg−1

2.3 不同处理对土壤重金属有效态含量的影响

由表5 可知,连续13 年耕作和施肥方式对土壤重金属有效态含量有显著影响。与T 处理相比,NT处理的有效态Cd 含量显著升高7.25% (P<0.05),而有效态Cu、Zn、Pb 含量并无显著差异。施鸡粪TM处理的有效态Cu、Zn、Pb 和Cd 含量相较于T 处理分别显著增加16.89%、219.04%、122.22%和2.90%(P<0.05)。施鸡粪NTM 处理的有效态Cu、Zn 和Cd含量相较于NT 处理显著增加33.10%、490.21%和12.16% (P<0.05),有效Pb 含量显著降低14.29% (P<0.05)。表明免耕可以提高Cd 的有效性,而长期施用鸡粪会导致Cu、Zn 和Cd 重金属的有效性升高。

表5 不同耕作和施肥处理下0～20 cm 土壤重金属有效态含量Table 5 Available heavy metals contents of soil (0−20 cm) under different tillage and fertilization treatments mg·kg−1

由表6 可知,有机质含量与有效Cd 的含量呈显著正相关关系(P<0.05),pH 与有效Zn、Cd 的含量呈显著负相关关系(P<0.05),4 种重金属有效态含量与全氮含量的相关性均不显著,电导率与有效Zn 的含量呈极显著正相关关系(P<0.01)。表明免耕和有机肥可以通过引起土壤理化性状的改变,进而影响土壤重金属的有效性。

表6 土壤理化性状与重金属有效态含量相关性分析Table 6 Relationship between soil physicochemical properties and available heavy metals contents

2.4 不同处理的土壤重金属污染分析评价

地累积指数(表7)结果表明,4 种处理的Cd、As、Cr、Cu、Zn、Ni 总量为无污染级别;T 处理的Pb 总量为轻度-中等污染,TM 和NTM 处理下的Hg 均为轻度-中等污染。

表7 不同耕作和施肥处理下0～20 cm 土壤重金属地累积指数Table 7 Heavy metal geo-accumulation indexes of soil (0−20 cm) under different tillage and fertilization treatments

由表8 可知,8 种重金属单项潜在生态风险指数平均值从小到大依次为Zn (1.18)

表8 不同耕作与施肥处理下土壤重金属污染指数比较Table 8 Soil heavy metals pollution indexes under different tillage and fertilization treatments

3 讨论

3.1 免耕和鸡粪对土壤理化性状和重金属总量的影响

研究表明,免耕能够改善土壤理化性状[24]。13 年的免耕和有机肥施用结果表明,免耕使土壤有机质含量显著增加,这是由于长期免耕使土壤耕层受到较少的扰动,可以保持良好的土壤团粒结构,减缓了有机质的矿化速率[25-26]。而常规深翻土壤扰动频繁,增加土壤的通气性,有机质矿化速率比免耕更快,不利于有机质在土壤中累积。长期的免耕和有机肥投入显著提高了土壤有机质含量,导致土壤有机酸增加,进而引起pH 降低。并且鸡粪有机肥中的盐分在土壤中长期累积,最终导致鸡粪处理的土壤EC 值显著高于不施鸡粪处理(表3)。

本研究结果表明,鸡粪的长期投入显著提高了土壤Hg、Cu、Zn 和Ni 总量,而免耕增加了Hg 总量,并且8 种重金属以Hg 的富集度最高,说明免耕和鸡粪均使耕层土壤Hg 存在一定程度富集,一方面是由于耕作改变土壤理化性状进而影响土壤重金属含量,免耕降低土壤pH 和提高土壤有机质含量,并且较少的土壤翻动使某些金属元素在表层富集;另一方面是由于鸡粪的长期施入所导致。陕西合阳长期定位施肥研究表明,长期施肥能增加垆土Pb、As、Cu 和Zn 的含量,降低土壤Hg 含量,但对Cd 和Cr含量无明显影响[27]。25 年连续施用磷肥使土壤重金属含量增加,施用鸡粪和垃圾堆腐后有机肥的土壤Hg 含量超过自然背景值[28]。灰漠土长期不同施肥处理的Cr、Pb 和Cd 含量在17 年间持平,红壤和黑土中 Pb 和Cr 含量处理间也没有显著差异,但施用有机肥处理的Cd 含量则显著增加[29]。刘树堂等[30]通过25 年长期定位施肥试验发现高量有机肥或有机无机配施能降低Pb 在土壤中的积累程度。有研究表明施用等量鸡粪和猪粪,施用鸡粪处理土壤Zn 含量较高[31]。说明土壤重金属含量因地域、土质、年限和施肥等因素的影响而表现不同结果。因此在土壤培肥过程中,应控制鸡粪的施用量,同时选择符合国家标准的有机肥。施鸡粪、免耕或两者结合显著降低了土壤Pb 和Cr 全量,这与刘树堂等[30]的研究结论一致,其具体原因需在后续研究中结合植株携走量等因素进行综合分析。

3.2 免耕和鸡粪对土壤重金属有效态含量的影响

重金属有效态含量受土壤理化性状、利用方式、有机肥等多方面影响。本研究中,仅施化肥条件下,耕作层土壤有效态Cu、Zn、Pb 含量受耕作措施的影响较小,与常同举[32]的研究结论一致。免耕+鸡粪+化肥处理的有效态Pb 含量较深翻+鸡粪处理显著降低,其原因可能是: 1)免耕改善土壤理化性状,使土壤有机质含量和微生物类群显著增加,提高了土壤对重金属的固持能力[33-34];2)腐殖质含有的官能团,细菌、真菌细胞壁上的活性基团等能与重金属离子形成稳定的络合物或螯合物[35-36]。施鸡粪的深翻和免耕处理的有效态Cu、Zn 含量较不施有机肥处理显著增加,这可能是因为Cu、Zn 等微量元素是鸡饲料常用添加剂,且多随粪便排出,长期施入土壤会增加Cu、Zn 等重金属生态风险[37]。李可[38]对长期定位小油菜(Brassica campestrisvar.chinensis)地重金属分析结果同样发现,施用鸡粪有机肥增加了土壤Cd、Cu、Zn 的有效态含量。可见,长期施用鸡粪等动物粪肥会导致重金属在土壤中富集。并且,王飞等[39]调查发现肉鸡粪Cu、Zn 含量分别超标66.7%和50.0%。因此,从源头上严格控制饲料中重金属含量对预防土壤重金属污染具有重要作用。

土壤重金属的有效性受土壤有机质、pH 等理化性状的影响,有机质表面的有机官能团能够吸附、络合重金属[40-41],pH 是影响重金属的吸附-解吸、溶解-沉淀等过程的关键因子。本研究中,免耕和施鸡粪显著降低土壤pH 和提高有机质含量;有效态Cd的含量与土壤pH 呈显著负相关关系,和有机质含量呈显著的正相关关系,此结果与谭长银等[42]的结论一致,其原因是有机质降解产生的低分子量可溶性有机物质与Cd2+有较强的络合能力,能够减少土壤胶体对Cd 的吸附量,造成土壤中Cd 的有效性显著增加;同时较低的pH 使土壤黏土矿物和有机质表面的负电荷减少,对Cd 的吸附能力减弱,并且较低的pH使Cd 的溶解度升高,增加了土壤中Cd 的有效性。欧芙容等[43]研究认为随着pH 由酸性到碱性的升高,土壤Pb 含量先降低后增加,中性土壤含量最低。本研究中土壤为弱碱性,pH 和有效态Pb 含量正相关,说明土壤有效态Pb 含量随pH 升高呈增加趋势,免耕和鸡粪能够降低土壤pH,从而减少有效态Pb 的积累。研究表明,土壤重金属多种元素间存在协同、拮抗等交互作用[44]。本研究4 种重金属有效态含量间Zn 和Cu、Cd 存在正相关性,其中Zn 和Cu 之间相关性达显著水平,说明二者间可能存在较强的伴生关系[8]。

3.3 不同处理重金属污染风险评价及应对措施

本研究中不同处理土壤重金属总量测定值均未超过国家农用地土壤污染风险管控标准的筛选值和管控值,但各处理间存在差异。通过地累积指数法可知,施鸡粪处理Hg 为轻度-中等程度污染,其余7种重金属处于低风险水平。从单项潜在生态风险指数看,4 个处理Hg 污染程度为轻微-强级别。从综合生态风险指数看,深翻+鸡粪+化肥处理土壤的风险指数增加与鸡粪的施用有关,而免耕措施减少了土壤的翻动,使鸡粪在土壤耕作层累积,进一步增加免耕+鸡粪+化肥处理的重金属污染风险。因此,应加强对施用鸡粪的重金属风险监控。一方面选用符合国家标准的鸡粪,加强源头防控,农家腐熟鸡粪施入田间前应进行处理,以减少土壤重金属的输入;另一方面,应进一步明确作物对重金属的累积量、还田量,以确定利于农田可持续发展的鸡粪施用量。