有機物料和鈍化劑對低Cd環境容量土壤黑麥草與桂牧1號輪作的Cd安全分析

謝運河，紀雄輝＊，黃涓，劉昭兵，朱堅

（1.中南大學研究生院隆平分院，湖南 長沙410125；2.湖南省土壤肥料研究所，湖南 長沙410125；3.農業部長江中游平原農業環境重點實驗室，湖南 長沙410125）

土壤是環境要素的重要組成部分，它處于自然環境的中心位置，承擔著環境中大約90%的來自各方面的污染物。美國、英國、德國、荷蘭等國家已經把治理土壤污染問題擺在與大氣污染和水污染問題同等重要的位置，土壤質量的研究與保護有助于整個生態環境質量的改善與提高，要做好大氣和水環境的保護工作，就必須同時做好土壤環境的防治與研究［1］。南方大面積農田土壤鎘（Cd）含量為0.2～0.3mg／kg，處于土壤超標的警戒限，土壤Cd環境容量低，如何確保其可持續利用具有重要意義。

黑麥草（Loliumperenne）－桂牧1號雜交象草（Pennisetumpurpureumcv.Guimu No.1，以下簡稱桂牧1號）輪作并配施有機肥是南方牧草最主要的生產方式，但隨有機肥、稻草秸稈等有機物料Cd含量逐年增加［2－4］，低Cd環境容量土壤上生產的牧草Cd超標風險也逐漸增大，并由畜牧業產品經過食物鏈逐級放大。尤其是近年來重金屬污染事件頻繁發生，人們對安全食品的生產更加重視，畜牧產品質量安全控制的源頭－牧草的質量安全也引起廣泛的社會關注，“安全的飼料＝安全的食品”，“飼料安全＝食品安全”在世界范圍內已成為共識。牧草既是飼料，又具有良好的生態保護與修復功能。特別是近年來，由于牧草具有生長快，生物量大等優點，將牧草作為重金屬土壤污染的修復植物也日益受到人們的青睞。而黑麥草和桂牧1號皆具有先鋒植物特性，生長快，產量高，可以多次刈割并再生，并且對重金屬有很強的抗性和蓄積作用［2，5］，也常用于治理和修復重金屬污染土壤，在土壤再利用過程中發揮著極其重要的作用。因此，在低Cd環境容量土壤上如何確保牧草Cd質量安全與確保土壤可持續利用具有同樣重要的現實意義。

本試驗針對南方典型酸性低Cd環境容量稻田土壤，以稻田改制黑麥草－桂牧1號輪作模式為對象，研究有機物料（有機肥、稻草），鈍化劑（石灰、赤泥）及其配施對牧草Cd生物有效性、土壤酸性、土壤有效態Cd含量的影響，并通過分析“土壤－植株”農田生態系統Cd平衡，估算有機肥、稻草的安全施用閾值，為南方典型酸性低Cd環境容量土壤的安全可持續利用和優質安全牧草的生產提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試黑麥草為一年生四倍體黑麥草“海灣”；供試桂牧1號由湖南省畜牧研究所提供。

供試土壤為花崗巖發育的麻砂泥，前茬作物為水稻（Oryzasativa），pH 5.05，有機質36.10g／kg，全氮2.04 g／kg，全磷0.54g／kg，全鉀28.70g／kg，堿解氮150.00mg／kg，速效磷7.20mg／kg，速效鉀67.02mg／kg，全量Cd 0.2205mg／kg，有效態Cd 0.1214mg／kg。

供試赤泥來自鄭州中國長城鋁業集團，為聯合法煉鋁殘渣。其化學性質為pH 12.20，CaO 399g／kg，SiO2217g／kg，Fe2O392g／kg，Al2O359g／kg，K2O 4.0g／kg，全量Cd 0.06mg／kg，全量Pb 173.22mg／kg，全量Zn 73.80mg／kg。赤泥風干過2mm篩待用。

供試有機肥購于長沙浩博生物技術有限公司，其全N、P2O5、K2O、有機C含量分別為7.1g／kg，21.3g／kg，6.5g／kg，283.4g／kg，全Cd含量為0.62mg／kg。

供試稻草取自長沙縣金井鎮試驗地周邊農田，其 N、P2O5、K2O、有機C含量分別為8.7g／kg，1.1g／kg，14.8g／kg，380g／kg，全Cd含量為0.72mg／kg。水稻收割后曬干切碎成5～8cm長的小段待用。

供試石灰購于長沙縣金井鎮，CaO含量545g／kg，全Cd含量0.41mg／kg。

供試尿素、過磷酸鈣、氯化鉀均由興湘科技開發有限公司提供，其中尿素、氯化鉀中Cd含量未檢出，過磷酸鈣Cd含量為0.55mg／kg。

1.2 試驗方法

試驗選擇桂牧1號與黑麥草輪作，設7個處理，3次重復，小區面積20m2，隨機區組排列。以單施化肥（CK）為對照、在施化肥的基礎上增施赤泥3000kg／hm2（R1）、增施石灰1500kg／hm2（L）、增施有機肥15000kg／hm2（M）、增施稻草7500kg／hm2（R2）、增施有機肥15000kg／hm2和石灰1500kg／hm2（LM）、增施稻草7500kg／hm2和石灰1500kg／hm2（LR2），共7個處理。

1.3 施肥管理

1）黑麥草

鈍化劑及有機物料于2012年9月20日分小區均勻撒施，并與土壤充分混勻。基肥于9月27日施入，N、P2O5、K2O施用量分別為150，90，90kg／hm2（施用有機物料的處理按有機物料N、P2O5、K2O養分含量的70%進行計算，并用化肥補足），耙勻后條播黑麥草（種子用量60kg／hm2），播幅5cm，行距20cm，播種后蓋土耙平并澆水。每次刈割后追施尿素37.5kg／hm2。

2）桂牧1號

鈍化劑及有機物料于2013年5月1日分小區于黑麥草行間開溝均勻撒施，并與土壤充分混勻。基肥于5月9日在黑麥草行間隔行條施，N、P2O5、K2O施用量分別為300，90，90kg／hm2（施用有機物料的處理按有機物料N、P2O5、K2O養分含量的70%進行計算，并用化肥補足），耙勻后覆薄土，5月10日在施肥行移栽桂牧1號，株距70cm。每次刈割后追施尿素150kg／hm2。

1.4 取樣與分析

黑麥草分別于2012年11月12日（第一茬）、12月24日（第二茬）、2013年3月5日（第三茬）、4月15日（第四茬）、5月25日（第五茬）共取樣5次，每次田間測定小區鮮草重，同時于長勢均勻處刈割0.25m2（行長1m）烘干進行測定水份含量，全部粉碎用封口袋保存備用測產；桂牧1號分別于2013年7月20日（第一茬）、9月11日（第二茬）、10月24日（第三茬）、12月3日（第四茬）共取樣4次，每次田間測定小區鮮草重，每次同時刈割5蔸烘干測產測定水份含量，全部粉碎用封口袋保存備用。所有植株樣測定前再次混勻測定Cd含量，每個樣品測3個平行，取其平均值。烘干粉碎后測定Cd含量，并于2013年5月25日、12月3日分兩次取土樣，土壤風干后過0.850mm篩測定土壤有效態Cd含量以及土壤pH值。

土壤中有效態Cd含量用DTPA（二乙三胺五醋酸）浸提（土∶水＝1∶5），石墨爐原子吸收分光光度計法測定（GB／T 23739－2009）；土壤 Cd全量用 HNO3－HClO4－HF消煮，石墨爐原子吸收分光光度計法測定（GB／T 17138－1997；17140－1997）；植株Cd含量用 HNO3－HClO4消煮，石墨爐原子吸收分光光度計法測定（GB／T 17138－1997；17140－1997）。

1.5 數據處理

2 結果與分析

2.1 有機物料和鈍化劑對黑麥草、桂牧1號產量的影響

增施不同有機物料和鈍化劑對黑麥草、桂牧1號產量影響顯著（表1）。黑麥草與桂牧1號總鮮重、總干重由高至低依次為：有機肥＞有機肥＋石灰＞赤泥＞對照＞稻草＋石灰＞稻草＞石灰。有機肥及其與石灰配施增產顯著，黑麥草鮮重分別為1.87×105，1.62×105kg／hm2，分別比單施化肥（對照）高52.99%，32.04%（P＜0.05）；桂牧1號鮮重分別為1.32×105，1.12×105kg／hm2，分別比對照高31.07%，11.40%（P＜0.05）；兩季總鮮重為3.19×105kg／hm2，比對照增產43.10%（P＜0.05）。增施石灰、稻草及其與石灰配施后，黑麥草、桂牧1號略有減產，但減產不顯著。表明有機肥及其與石灰配施能顯著增加黑麥草與桂牧1號產量，而石灰、赤泥、稻草等對黑麥草以及桂牧1號產量無顯著影響。

表1 施用不同有機物料和鈍化劑的黑麥草、桂牧1號產量Table 1 The yields of ryegrass and Guimu 1hybrid of applying different passivators and organic materials kg／hm2

2.2 有機物料和鈍化劑對黑麥草、桂牧1號Cd含量的影響

本試驗黑麥草、桂牧1號Cd含量分別為0.1999～0.2662mg／kg、0.2225～0.2989mg／kg（表2），低于飼料、飼料添加劑衛生指標GB13078－2001規定的0.5mg／kg，皆可安全飼用。與對照相比，增施有機肥和鈍化劑皆可降低黑麥草和桂牧1號Cd含量。其中黑麥草Cd含量最低的是有機肥處理，僅0.1525mg／kg，比對照低42.71%（P＜0.05）；桂牧1號Cd含量最低的是赤泥處理，為0.2225mg／kg，比對照低17.29%（P＜0.05）；而稻草及其與石灰配施增加了桂牧1號Cd含量，其Cd含量分別為0.2989，0.2729mg／kg，比對照分別高11.12%（P＜0.05），1.45%。

表2 施用不同有機物料和鈍化劑的黑麥草、桂牧1號Cd含量Table 2 The Cd content of ryegrass and Guimu 1hybrid of applying different passivators and organic materials

不同有機物料及鈍化劑對黑麥草、桂牧1號吸收積累Cd的效果也不同（表2）。對照處理桂牧1號Cd含量（0.2690mg／kg）與黑麥草Cd含量（0.2662mg／kg）相當，表明黑麥草－桂牧1號輪作下，兩者在低Cd環境容量下對Cd的吸收積累能力相近；赤泥處理桂牧1號Cd含量與黑麥草Cd含量皆顯著低于對照，且桂牧1號Cd含量低于黑麥草，表明增施赤泥可有效降低黑麥草－桂牧1號輪作系統的牧草Cd含量，且對后季桂牧1號效果優于黑麥草，其原因可能是由于黑麥草季施用赤泥具有一定的后效作用；而石灰、稻草、有機肥及稻草、有機肥與石灰配施處理黑麥草Cd含量分別比對照降低11.27%，12.43%，42.71%（P＜0.05），15.40%（P＜0.05），24.91%（P＜0.05），但對桂牧1號的降Cd效果不理想，甚至還促進桂牧1號對Cd的吸收（R2及LR2處理）。

增施有機物料和鈍化劑的黑麥草富集系數皆小于對照，其中有機肥及其與石灰配施2個處理黑麥草富集系數僅0.69，0.91，分別比對照低39.67%，24.79%，其余處理皆高于1。桂牧1號所有處理富集系數皆高于1，以增施赤泥效果最好，其富集系數僅1.01，比對照低17.21%；其次是有機肥及其與石灰配施處理，富集系數分別為1.19和1.11，略低于對照；但稻草及其與石灰配施處理桂牧1號的富集系數分別達1.36，1.24，分別比對照高11.48%，1.64%。

結果表明黑麥草、桂牧1號皆具有較高富集Cd的特性，且在低Cd環境容量土壤增施有機物料和鈍化劑有利于抑制黑麥草對Cd的吸收，降低黑麥草Cd含量，增施有機肥及其與石灰配施降Cd效果顯著；除赤泥處理外，增施石灰、有機物料及其與石灰配施對桂牧1號的降Cd效果并不明顯，且增施稻草及其與石灰配施反而增加桂牧1號對Cd的吸收積累，但施用有機物料時配施石灰可降低桂牧1號Cd含量。

2.3 有機物料和鈍化劑對土壤pH值及土壤有效態Cd含量的影響

增施有機物料和鈍化劑皆可提高土壤pH值（表3），黑麥草當季土壤pH值由高至低依次為石灰＞稻草＋石灰＞有機肥＋石灰＞赤泥＞有機肥＞稻草＞對照，石灰處理土壤pH值達5.54，比對照（pH＝4.75）高0.79；桂牧1號當季則為石灰＋有機肥＞石灰＞稻草＋石灰＞赤泥＞有機肥＞稻草＞對照，輪作桂牧1號后，有機肥與石灰配施處理土壤pH值為6.07，比對照（pH＝4.84）高1.23；稻田改制牧草后，黑麥草當季對照、有機肥、稻草3個處理土壤pH值較改制前（pH＝5.05）下降，再輪作桂牧1號后僅對照、稻草2個處理土壤pH值低于改制前，其余皆上升。表明石灰及其與有機物料配施對土壤pH值的提高幅度較大，赤泥次之，有機物料則對土壤pH值的影響較小；而增施鈍化劑、有機肥及其與石灰混施皆可有效提高土壤pH值，改良土壤酸性，但增施稻草或單施化肥則降低土壤pH值，易引起土壤酸化。

表3 施用不同有機物料和鈍化劑的黑麥草、桂牧1號收獲后土壤有效態Cd含量及土壤pH值Table 3 The soil available Cd content and soil pH value after harvesting ryegrass and Guimu 1 hybrid of applying different passivators and organic materials.

與對照相比，增施鈍化劑和有機物料均降低了黑麥草當季土壤有效態Cd含量（表3），石灰、有機肥＋石灰、有機肥、赤泥、稻草＋石灰、稻草處理分別比對照降低19.34%，17.01%，14.91%，13.53%，12.03%，7.39%；與稻田改制前（土壤有效態Cd含量為0.1214mg／kg）相比，所有處理土壤有效態Cd含量皆降低；輪作桂牧1號后，除稻草處理土壤有效態Cd含量高于對照外，其余處理土壤有效態Cd含量皆低于對照，且低于黑麥草當季。表明稻田改制黑麥草與桂牧1號輪作可降低土壤有效態Cd含量，且增施鈍化劑、有機肥及其與石灰配施皆可降低土壤有效態Cd含量。

可見，低Cd環境容量土壤改制黑麥草－桂牧1號輪作，土壤pH值增加，但土壤有效態Cd含量下降；增施石灰、赤泥等鈍化劑可有效增加土壤pH值，降低土壤有效態Cd含量；增施有機肥也能提高土壤pH值，降低土壤有效態Cd含量，但增施稻草降低了土壤pH值，提高了土壤有效態Cd含量；有機物料與石灰配施也具有增加土壤pH值、降低土壤有效態Cd含量的效果。

2.4 黑麥草－桂牧1號輪作下施用有機物料和鈍化劑的土壤Cd平衡分析

由于有機物料施用量大，有機肥、稻草施用量分別為15000，7500kg／hm2，且Cd含量高，其Cd含量分別為0.62，0.72mg／kg，有機肥、稻草單季帶入農田的Cd分別達9329，5783mg／hm2，其與石灰配施帶入農田的Cd更高，單季帶入量分別為9943，6397mg／hm2。土壤Cd輸出主要是黑麥草和桂牧1號作為飼草帶出（表4），Cd總累積量由高至低依次為：對照＞有機肥＞有機肥＋石灰＞稻草＞稻草＋石灰＞石灰＞赤泥，表明增施有機物料及其與石灰配施增加了牧草對Cd的累積，而石灰、赤泥等鈍化劑則降低了牧草對Cd的累積。

土壤Cd殘留量結果（表4）表明，赤泥、石灰處理及對照土壤Cd殘留量為負值，黑麥草－桂牧1號輪作下單施化肥（對照）、增施石灰、赤泥不會增加土壤Cd污染風險；稻草、有機肥處理土壤Cd年殘留量分別為4391，10958mg／hm2，按15cm耕層土壤2.25×106kg／hm2計算，其年增加土壤Cd含量分別為0.0020，0.0049mg／kg；其與石灰配施后土壤Cd殘留更嚴重，其年殘留量分別達5962，12422mg／hm2，按15cm耕層土壤2.25×106kg／hm2計算，其年增加土壤Cd含量分別為0.0026，0.0055mg／kg，長期累積則會加大土壤Cd污染風險。

本試驗采用的有機肥、稻草Cd含量分別為0.6219，0.7185mg／kg，通過控制有機肥、稻草施用量計算“農田－土壤”系統Cd平衡（土壤Cd殘留量＝0），可得有機肥、稻草單季最大施用量分別為6184，4444kg／hm2，且配施石灰1500kg／hm2后有機肥、稻草最大施用量分別為5007，3351kg／hm2；而在不改變有機肥15000kg／hm2、稻草7500kg／hm2施用量情況下，通過控制有機肥、稻草Cd含量來控制土壤Cd平衡，可計算得出有機肥、稻草最大Cd含量分別為0.2562，0.4258mg／kg，配施石灰1500kg／hm2時其最大 Cd含量分別為0.2074，0.3210 mg／kg。因此，在黑麥草－桂牧1號輪作中，應適當調減有機物料的Cd含量及用量，以促進牧草種植系統重金屬的循環減控。

表4 施用不同有機物料和鈍化劑的黑麥草、桂牧1號Cd積累及土壤Cd年殘留量Table 4 The Cd accumulation of ryegrass and Guimu 1hybrid and the soil Cd residue of applying different passivators and organic materials mg／hm2

3 討論

黑麥草－桂牧1號輪作是南方牧草的主要生產方式，且配合施用有機肥產量高，品質好，已經成為南方牧草主要栽培模式。近年來，隨著農業產業結構的調整和無公害食品產業的發展，有機肥已逐步成為我國肥料業生產和推廣應用的熱點，有機肥的使用已經成為我國農業生產不可或缺的部分，但由于有機肥、水稻秸稈等有機物料Cd含量逐年增加［2－4］，引起牧草Cd污染風險加大。土壤中有機質含量的多少不僅決定土壤的營養狀況，而且通過與土壤中重金屬元素進行絡合影響土壤中重金屬的移動性和生物有效性［6－7］。有機質具有大量的官能團和超大的比表面積，是土壤吸附Cd的重要載體，其對Cd的吸附能力遠超任何其他礦質膠體［8］，有機質分解過程中產生酸性物質可降低土壤pH，分解產生的富里酸等小分子物質可與Cd等形成溶解度大的絡合物，促進土壤中Cd的溶解，增加土壤Cd有效性［9－10］，而產生的分子量較大、結構復雜的胡敏酸等有機物質，同土壤中粘土礦物一起吸附Cd，形成沉淀而產生固定作用，限制Cd的移動性和生物有效性［11］。因此，在研究過程中，既有通過添加有機質提高土壤Cd有效性的報道［12－13］，也有通過增加有機質降低土壤Cd有效性的研究［7］。雖然有機物料在改良Cd污染土壤方面具有不確定性，既可能抑制土壤Cd的有效性，也可能提高土壤Cd的有效性，但它在改善土壤肥力、提高作物產量上具有穩定效果［14－15］。本研究結果也表明，有機物料、鈍化劑及其配施，可改良土壤酸性或減緩土壤酸化進程，土壤pH值皆比單施化肥（對照）增加，且土壤有效態Cd含量降低（表3），尤其是施用有機肥，黑麥草、桂牧1號皆增產顯著。

石灰、赤泥等鈍化劑則具有提高土壤pH值，通過抑制土壤中重金屬活性而減少作物對重金屬吸收的作用［16－17］，赤泥除能提高土壤pH值外，還含有大量的Si，與Cd產生拮抗作用，既可抑制Cd從土壤進入根系，也可減少Cd由根系向地上部的轉運［18］。因此，有機物料與石灰等鈍化劑配施的有機－中性化重金屬修復技術，既可發揮無機鈍化劑對重金屬有效性的鈍化效果，又可發揮有機物料的土壤培肥能力，達到控制重金屬含量與增產的雙重效果［19］。本研究結果表明，施用有機肥對黑麥草、桂牧1號增產顯著，但其配施石灰降低了黑麥草和桂牧1號產量，表明有機肥配施石灰對牧草產量具有一定的抑制作用，其原因可能是旱地土壤對石灰的緩沖性較弱及土壤混合不均勻所致；而單施石灰、稻草、有機肥及稻草、有機肥與石灰配施雖然降低了黑麥草Cd含量，但對桂牧1號的降Cd效果不理想，甚至還促進桂牧1號對Cd的吸收（R2及LR2處理），且皆表現為桂牧1號Cd含量高于黑麥草，表明單施石灰以及稻草、有機肥及有機肥與石灰配施都能有效降低黑麥草對Cd的吸收，且對后季桂牧1號吸收積累Cd的抑制作用下降，這可能是由于黑麥草生長期間處于低溫季節（冬季），土壤有機質分解速度慢，吸附較多的Cd，抑制了黑麥草對Cd的吸收積累，而桂牧1號生長期間處于高溫季節（夏季），土壤中有機物料分解加快，土壤解析出的Cd增加，但本研究中土壤有效態Cd含量并未見升高（表3），這可能是由于桂牧1號生長處于夏季，對水分的需求更旺盛，同時也帶動了其對Cd（主要是有效態Cd）的吸收，因而土壤有效態Cd含量相對下降，并增加了桂牧1號植株Cd含量（表2）。結果還表明，有機物料配施石灰抑制了黑麥草、桂牧1號對Cd的吸收，但處理間差異不顯著，表明在低Cd環境容量土壤上施用有機物料配施石灰具有抑制牧草吸收積累Cd的效果，但其效果不明顯。因此，從牧草質量安全上看，在低Cd環境容量土壤中種植黑麥草、桂牧1號施用有機肥時無需配施石灰、赤泥等鈍化措施。

“作物－土壤”為一個特殊的農田生態系統，不僅要考慮其當季的安全利用，也要考慮其可持續生產。施用石灰、赤泥能提高土壤pH值，有效改良酸性土壤，降低土壤有效態Cd含量（表3），降低了土壤Cd污染風險。而單施化肥（對照）、增施石灰、赤泥處理的土壤Cd為凈帶出，不存在增加土壤Cd污染風險；但稻草、有機肥含Cd量高，施用量大，土壤Cd殘留量增加（表4），土壤Cd污染風險加大，進而影響到土壤的安全可持續利用；此外，石灰、赤泥等鈍化劑雖有利于提高土壤質量，降低黑麥草、桂牧1號植株的Cd含量，但與有機肥配合施用時增加了土壤Cd殘留，因此，為促進南方牧草種植系統重金屬循環減控，達到“農田－土壤”系統Cd輸出輸入平衡，實現土壤的可持續利用，應適當調減有機肥和稻草等有機物料的Cd含量及其用量，且在低Cd環境容量土壤施用含Cd有機物料建議不施石灰等鈍化劑。

4 結論

1）有機肥及其與石灰配施皆能顯著增加黑麥草與桂牧1號產量，而石灰、赤泥、稻草等對黑麥草以及桂牧1號產量無顯著影響；

2）低Cd環境容量稻田土壤改制黑麥草－桂牧1號輪作后，土壤pH值增加，土壤有效態Cd含量下降；增施石灰、赤泥、有機肥及其與石灰配施可增加土壤pH值，降低土壤有效態Cd含量及其生物有效性，但增施稻草則降低了土壤pH值，增加了土壤有效態Cd含量及其生物有效性；

3）黑麥草－桂牧1號輪作配施含Cd有機肥和稻草，增加了土壤Cd的殘留，應適當調減其Cd含量及用量，且在低Cd環境容量土壤施用含Cd有機物料不建議施用石灰等鈍化劑，以達到促進南方牧草種植系統重金屬的循環減控的目的。

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