長期施肥對稻田土壤鎘鋅銅積累及其有效性的影響

楊敏 ，何璐璐3，饒中秀 ，黃道友，田應兵，朱捍華，許超，張泉

（1. 中國科學院亞熱帶農業生態研究所/亞熱帶農業生態過程重點實驗室，湖南 長沙 410125；2. 長江大學農學院，湖北 荊州 434025；3. 中國科學院大學，北京 100049；4. 湖南省土壤肥料研究所，湖南 長沙 410125）

由采礦、冶煉、化石燃料燃燒和化肥農藥的不合理施用等人類活動造成的土壤重金屬污染、農作物生產力和農產品健康質量下降，已成為威脅農業可持續發展和人類健康的重要環境問題之一[1-4]。2014年發布的《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，Cd、Cu、Zn等無機污染物點位超標率分別為7.00%、2.10%、0.90%[5]，農田土壤重金屬污染問題備受學界和公眾關注。

施肥一方面可能是農田土壤重金屬積累的重要“源”，主要來自于有機肥和磷肥[6-9]。柳開樓等[10]研究發現，與單施化肥相比，長期施用有機肥（豬糞）使紅壤稻田中Cu、Zn、Cr和As含量分別增加了72.00%～82.60%、29.10%～55.20%、194.80%～262.60%和90.50%～192.70%。任順榮等[11]則報道，長期施用磷肥（25 a）后，土壤重金屬含量有所增加。此外，長期施肥還可通過改變土壤理化性質，進而影響土壤中重金屬的賦存形態和有效性。Guo等[12]研究表明，由于長期高強度施用氮肥，我國農田土壤普遍出現酸化現象。Zhu等[13]的調研結果顯示，湖南長株潭地區在過去30 a間，稻田土壤pH值降低了0.94個單位，從而導致土壤Cd的有效性大幅度提升。也有研究表明，施用有機肥是一種較為經濟有效降低土壤Cd等重金屬植物有效性的農藝管理措施[14-15]。然而，目前的研究主要集中在施肥成為土壤重金屬“源”的方面，對于其通過改變土壤理化性質間接影響重金屬有效性方面的研究還相對缺乏。

鑒于此，本研究以建立于1986年的湖南省長期定位施肥試驗為對象，對比分析長期單施化肥、秸稈還田和施用有機肥等方式下，耕層土壤重金屬含量（Cd、Cu、Zn）、形態和水稻重金屬吸收的變化及其與土壤理化性質間的關系，以期為防控農田土壤與農產品的重金屬積累風險，指導我國南方稻田的科學施肥提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

長期定位施肥試驗位于湖南省寧鄉市（111°53′～112°46′E，27°55′～28°29′N）。該地屬亞熱帶濕潤季風氣候，年均溫16.80 ℃，年均降雨量1 553.70 mm，無霜期平均274 d。供試土壤為發育于近代河流沖積物的潴育性水稻土，土種為河沙泥。基礎土壤pH值5.49、有機質（SOC）含量31.10 g/kg、全氮（TN）1.76 g/kg、全磷（TP）0.77 g/kg、全鉀（TK）20.90 g/kg[16]。

1.2 試驗設計

長期定位施肥試驗始建于1986年，選取其中5個施肥處理：不施肥（CK）、全化肥（NPK）、稻草還田配施化肥（ST）、低量廄肥配施化肥（LM）和高量廄肥配施化肥（HM）。試驗小區面積為66.70 m2（10 m×6.67 m），不設重復。小區之間用深埋（埋深＞30 cm）的水泥埂做隔斷，確保小區之間無相互影響。種植制度為稻-稻-冬閑[16]，氮肥和鉀肥分別用市售尿素（含N 46%）和氯化鉀（含K2O 60%）；磷肥用市售鈣-鎂-磷肥（含P2O512%）。試驗中所用廄肥主要為豬糞和雞糞，低量和高量廄肥供氮量分別占氮總投入量的30%和60%。各處理施肥量見表1。

表1 長期定位施肥試驗各處理施肥量（kg/hm2）Table 1 Fertilization amount in different treatments (kg/hm2)

1.3 樣品采集與預處理

樣品采集于2015年晚稻成熟期。為保證樣品的代表性，將每個小區等比例劃分為三個小區域（3.33 m×6.67 m），視為每個處理3次重復。每個小區域按照梅花五點法采集五株水稻樣品，并混合為一個植株樣品。在完成水稻樣品采集的同時，采用不銹鋼土鉆（半徑2 cm，高20 cm）采集植株對應的耕層（0～20 cm）土壤樣品，混合均勻后裝入聚乙烯塑料袋。

土壤樣品經自然風干、磨碎，分別過60目和100目篩后，裝入聚乙烯塑料封口袋，備用。水稻樣品用自來水沖洗后，再用去離子水沖洗干凈，并將其分為根、莖、葉和稻谷四部分，于105 ℃殺青30 min后，60 ℃烘干至恒重。烘干后的稻谷使用小型碾米機脫殼，分為谷殼和稻米兩部分。根、莖、葉、谷殼和稻米用粉碎機粉碎后保存備用。

1.4 測定指標與方法

參考《土壤農化分析》[17]測定土壤pH值、SOC、CEC、全氮、全磷、全鉀及土壤機械組成。土壤Cd、Zn和Cu全量用王水-高氯酸消化，有效態重金屬用DTPA-TEA-CaCl2溶液浸提（水∶土=2.5∶1）。Cd、Zn和Cu形態分級參照Tessier等[18]五步提取法，分為可交換態、碳酸鹽結合態、鐵錳氧化物結合態、有機物結合態和殘渣態。植物樣品采用硝酸-高氯酸消解，測定其中的Cd、Zn、Cu含量。溶液中Cd、Cu和Zn含量采用ICP-OES（5110，安捷倫，美國）測定。

試驗數據采用SPSS 20.0和OriginPro 9.0進行統計分析和制圖，以LSD法進行方差分析和多重比較（α=0.05）。圖、表中數據為平均值±標準誤。

2 結果與分析

2.1 耕層土壤理化性質

各施肥處理耕層土壤基本理化性質如表2所示。與CK相比，長期秸稈還田（ST）、施用低量（LM）和高量有機肥（HM）顯著提高了耕層土壤SOC、TN和TP，增幅分別為21.42%～60.16%、26.19%～79.17%和34.69%～351.02%，但TK和粘粒含量略有降低，降幅分別為8.59%～12.53%和7.32%～15.34%（P＜0.05）。同時，長期施用有機肥處理（LM和HM）還使土壤CEC顯著提高了50.50%～75.19%（P＜0.05）。而且HM處理對SOC、TN、TP和CEC的增幅較LM更大（P＜0.05）。然而，長期不同施肥方式對土壤pH值影響相對較小，僅長期秸稈還田處理pH值低于CK。

2.2 耕層土壤中Cd、Zn和Cu全量及其有效態含量

由表3可以看出，與CK相比，長期單施化肥顯著降低了耕層土壤Cd、Zn和Cu有效態，分別降低23.81%、44.57%和26.83%（P＜0.05），但施用低量（LM）和高量有機肥（HM）顯著升高了Cd、Zn和Cu全量及有效態含量，全量升幅分別為35.00%～80.00%、63.91%～82.55%、118.41%～180.21%，

有效態增幅分別為28.57%～71.43%、407.12%～783.15%、336.59%～573.17%（P＜0.05）。長期秸稈還田（ST）處理對耕層土壤重金屬Cd、Zn和Cu全量及有效態含量影響較小。

長期不同施肥方式下，重金屬有效態占全量的比例（簡稱“有效態比例”）發生顯著變化（表4）。長期不施肥處理（CK）土壤Cd、Zn和Cu的有效態比例分別為52.95%、2.50%和12.87%。與CK相比，長期單施化肥（NPK）處理顯著降低有效態Zn和Cu的比例，降幅分別為1.04%和2.99%，但施用低量（LM）和高量有機肥（HM）顯著升高Zn和Cu的有效態比例，升幅分別為5.23%～9.57%、12.88%～18.06%。秸稈還田（ST） Cd有效態比例顯著提高6.59%，而Cu的有效態比例顯著降低1.53%。

表2 長期施肥處理下耕層土壤基本理化性質Table 2 Physical and chemical properties of topsoil under long-term fertilization

表3 長期施肥處理下耕層土壤重金屬全量及有效態含量Table 3 Total and available concentrations of heavy metals in topsoil under different treatments

表4 不同施肥處理下耕層土壤重金屬有效態占全量的比例（%）Table 4 Proportion of soil available concentrations to total concentrations of heavy metals under different fertilization treatments (%)

2.3 耕層土壤中Cd、Zn和Cu的形態分布特征

長期不同施肥處理下耕層土壤重金屬各形態占比分布如圖1所示。長期單施化肥（NPK）、低量（LM）和高量有機肥（HM）后殘渣態Cd占比分別為56.99%、60.50%和65.73%，均較CK（56.51%）有所增加。但施用低量（LM）和高量有機肥（HM）處理的鐵錳氧化物結合態Cd占比分別下降至9.38%和8.26%，有機物結合態Cd占比分別下降至10.66%和5.63%，同時，施用高量有機肥（HM）處理的可交換態Cd下降至13.85%。施用低量（LM）和高量有機肥（HM）處理的Cu殘渣態占比為71.68%和80.68%，Zn殘渣態占比分別為89.37%和89.41%，均比CK（Cu: 90.68%, Zn: 94.92%）有所降低，而可交換態、碳酸鹽結合態、鐵錳氧化物結合態、有機物結合態均升高。與CK相比，長期秸稈還田（ST）處理的Zn和Cu可交換態占比分別提高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規律為根＞莖＞葉＞殼＞米，且施用高量有機肥（HM）處理＞施用低量有機肥（LM）處理＞秸稈還田（ST）處理＞CK（圖2a）。與CK相比，長期秸稈還田（ST）、施用低量（LM）和高量有機肥（HM）均分別顯著增加水稻根Cd含量35.90%、76.92%和94.87%，水稻莖Cd含量81.25%、112.50%和156.25%，水稻葉Cd含量100%、125%和250%，水稻殼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規律與Cd的分布規律一致，即根＞莖＞葉＞殼＞米，且HM＞LM＞ST＞CK（圖2b）。與CK相比，長期施用低量（LM）和高量有機肥（HM）均分別顯著提高水稻根Cu含量343.47%和418.01%，水稻莖Cu含量227.64%和241.83%（P＜0.05）。同時，與CK相比，長期秸稈還田（ST）、施用低量（LM）和高量有機肥（HM）均分別顯著增加稻米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規律為HM處理＞LM處理＞CK（圖2c）。與CK相比，施用低量（LM）和高量有機肥（HM）均分別顯著提高水稻根Zn含量110.86%和183.05%，水稻莖Zn含量95.58%和165.62%（P＜0.05）。同時，施用高量有機肥（HM）顯著增加水稻葉Zn含量327.14%（P＜0.05）。

2.5 土壤理化性質與重金屬含量及有效性的關系

耕層土壤Cd、Zn、Cu有效態和全量及稻米Cd、Cu含量分別與CEC、SOC、TN、TP含量之間呈顯著正相關，與TK、粘粒含量之間呈顯著負相關，且有效態Cd、Zn、Cu與全量之間呈顯著正相關，稻米Cd、Cu含量與土壤有效態Cd、Cu之間呈顯著正相關。土壤pH與Cd、Zn、Cu有效態和全量之間相關性不顯著（P＞0.05）（圖3）。

為進一步分析土壤理化性質對重金屬有效性的影響，以重金屬有效態比例（RM）和稻米重金屬富集系數（稻米重金屬含量/土壤重金屬全量，BCFM）為因變量，以土壤理化性質指標為自變量進行逐步回歸分析。結果如表5所示，除稻米Cd富集系數外，均建立了回歸方程（P＜ 0.01）。土壤pH值是有效態Cd比例的重要影響因素，而有效態Cu和Zn的比例則受到TP含量的影響。稻米Cu富集系數受TP影響，而稻米Zn富集系數則受到TP、pH值和TN的影響。

3 討論

3.1 長期施肥對稻田土壤Cd、Zn和Cu累積的影響

表5 土壤重金屬有效性比例及稻米重金屬富集系數與土壤理化性質指標回歸方程Table 5 Stepwise regression model for ratio of Cd, Cu, Zn and BCF of Cd, Cu, Zn with soil basical properties

研究結果顯示，與不施肥相比，長期單施化肥處理降低了土壤全Cd含量，但對全Cu和全Zn含量無顯著影響，而長期秸稈還田配施化肥處理則對土壤全量Cd、Cu和Zn均無顯著影響。非常遺憾的是，由于供試長期定位試驗由地方農業局系統管理，在土壤及農業投入品樣品保存機制方面還有待健全，未取得農業投入品及歷史土壤樣品數據。但不同施肥處理間的差異仍可在一定程度上說明長期施肥對稻田土壤重金屬積累的影響規律。就不施肥處理而言，雖然作物產量維持在一個比較低的水平，但隨著作物的收獲和秸稈的移除，土壤重金屬總體上應處于一個凈輸出的狀態。有研究結果顯示，由于磷肥帶入了一定量的重金屬，長期施用會造成土壤中Cd、Pb、As和Hg等的累積[19-20]。夏文建等[21]在江西開展的長期定位試驗（建于1984年）結果則顯示，長期施用化肥不會造成Cd和Zn的累積，但全Cu含量略有提升。王起超和麻壯偉[22]調研結果表明，我國市售氮肥和鉀肥中重金屬含量極低，而磷肥Cd、Cu和Zn的含量變異則極大，其范 圍分 別為0.00～0.87 mg/kg、0.56～20.50 mg/kg和22.12～122.30 mg/kg。由此可見，在不施用重金屬含量高磷肥的條件下，長期施用化肥或秸稈還田配施化肥并不會引發稻田耕層土壤Cd、Cu和Zn的累積。

然而，施用有機肥處理則顯著提高了土壤全量Cd、Cu和Zn的含量，而且這種累積效應隨有機肥用量的增大而增強。夏文建等[21]也發現，施用豬糞35 a后，稻田耕層土壤Cd、Cu和Zn明顯累積，而且其含量隨豬糞施用量的增大而升高。Zhou等[23]研究表明，連續22 a單獨施用豬糞或者豬糞與化肥配施均顯著提高了紅壤全Cd含量。國外的長期試驗結果也顯示，長期施用糞肥/廄肥會導致耕層土壤Cd、Cu和Zn的累積[24-26]，這主要是與有機肥中重金屬含量較高有關，據報道我國畜禽糞便中Cd含量的95%范圍區間為0.05～14.80 mg/kg、算術平均值2.31 mg/kg，Cu含量的95%范圍區間為13.30～1 146.00 mg/kg、算術平均值282 mg/kg，Zn含量的95%范圍區間為43.20～3 204.00 mg/kg、算術平均值656 mg/kg[27]，而我國有機肥的標準（NY 525-2012 有機肥料）中僅規定Cd≤3 mg/kg，對Cu和Zn的含量并未限定。而且有機肥施用量較大，本試驗中低量和高量處理的有機肥年施用量（以碳計）分別為3 t/hm2和6 t/hm2[28]，長期施用不可避免帶入大量重金屬元素。我國《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準（GB 15618-2018）》中明確規定，土壤pH值5.50～6.50區間，全Cd、Cu和Zn的風險篩選值分別為0.30 mg/kg、50 mg/kg和200 mg/kg，遠低于有機肥相關標準及畜禽糞便中的實際含量，因而長期施用畜禽糞便源有機肥帶來的Cd、Cu和Zn積累風險不容忽視。

3.2 長期施肥對稻田土壤Cd、Zn和Cu有效性的影響

土壤Cd、Zn和Cu的有效態含量與其全量的變化規律相似，相比于長期不施肥處理，長期單施化肥土壤有效態Cd、Zn和Cu含量顯著降低，秸稈還田配施化肥處理則無顯著影響，而施用有機肥處理顯著提高了有效態重金屬含量且其提高幅度隨有機肥用量增大而增強，重金屬的形態分析結果也證實了這一變化特征。夏文建等[21]也發現，長期單施化肥對土壤有效態Cd、Zn和Cu無顯著影響，而施用糞肥35 a則顯著提高了土壤有效態Cd、Cu和Zn的含量。相關性分析結果進一步表明，土壤有效態重金屬與其全量含量以及有機質含量之間顯著正相關，相關系數均在0.90以上。可見，由于以豬糞、雞糞為主要原料的有機肥中重金屬含量較高[29]，長期施用帶來的重金屬累積效應是導致有機肥化肥配施處理有效態Cd、Zn和Cu含量顯著升高的主要原因。

另一方面，長期不同施肥對土壤pH值、SOC和養分含量、CEC、粘粒含量等理化性質均產生了顯著影響（表2），而這些變化也可能會影響土壤對重金屬元素的固定和釋放，進而導致重金屬有效性發生改變。為消除重金屬累積效應的影響，以土壤重金屬有效態比例為因變量，以土壤理化性質為自變量進行的回歸分析，結果表明土壤Cd有效態比例隨pH值升高而顯著降低，而Zn和Cu有效態比例則受到TP含量的顯著影響。夏文建等[21]通過路徑分析也發現，除長期施用有機肥造成的重金屬累積效應外，土壤CEC和有效P含量變化也顯著影響重金屬的有效性。土壤pH值對Cd有效性的影響已得到廣泛證實[13]，然而P對土壤重金屬有效性的影響則較為復雜。從本試驗的結果來看，由于有機肥自身的P含量較高，長期施用有機肥同步帶來P的富集和重金屬的累積，二者呈現顯著正相關（表2）；同時P的富集還會改變土壤對Cu、Zn的吸附-解吸過程。宋正國等[30]研究結果顯示，非水溶性P肥顯著促進紅壤對Cu的吸附，而水溶性P肥在低、中用量時促進紅壤對Cu的吸附，在高用量時則抑制其對Cu的吸附。郭亮等[31]則發現，施用水溶性的KH2PO4促進Cu向有效性低的殘渣態轉化，同時可使殘渣態和有機結合態Zn向有效性較高的交換態轉化。但P與重金屬之間的相互作用機理還有待進一步研究。

3.3 長期施肥對水稻吸收Cd、Zn和Cu的影響

與長期不施肥相比，長期施用化肥對水稻各部位Cd、Zn和Cu含量影響較小，而施用有機肥則使其Cd和Cu含量成倍提高。溫明霞等[32]研究結果顯示，長期單施有機肥稻米Cu含量提高72%，而有機肥化肥配施稻米Cd含量提高24%。相關分析結果顯示，稻米Cd和Cu含量與土壤全量Cd和Cu關系密切（R＞ 0.80），雖然稻米Zn含量與土壤全Zn關系不強，但水稻根、莖、葉、殼的Zn含量均與土壤全Zn含量顯著正相關（數據未列出）。這表明長期施用有機肥引發的土壤重金屬累積效應，是導致水稻對Cd、Cu和Zn吸收顯著增加的重要原因。此外，稻米重金屬富集系數與土壤理化性質指標的逐步回歸分析結果還顯示，水稻Cu和Zn的富集系數均隨土壤TP升高而顯著降低，這和TP與土壤Zn、Cu形態之間的關系略有不同。正如前面所述，P與重金屬之間的相互作用機理較為復雜，在影響稻田土壤中重金屬賦存形態之外，還可能與其調控水稻根際酸化效應以及根表鐵膜形成及對重金屬的固定有關[20]。總體來看，長期施用有機肥會導致稻米積累Cd和Cu的大幅度升高，雖然按照國家食品衛生標準，稻米Cd和Cu尚未出現超標問題，但長期施用有機肥提高稻米重金屬含量的風險仍然不容忽視。

4 結論

1）長期施用有機肥的培肥效應明顯優于長期單施化肥或秸稈還田配施化肥，與單施化肥相比，連續施用有機肥30 a顯著提高了耕層土壤有機碳SOC、全氮、全磷含量和CEC。

2）長期單施化肥或秸稈還田配施化肥不會引起土壤Cd、Zn和Cu的累積，但長期施用有機肥（豬糞和雞糞）顯著提高了土壤中全量與有效態Cd、Zn和Cu含量，并顯著增加了水稻對Cd和Cu的吸收和在稻米中的累積，且其效應隨有機肥用量增大而增強。

3）長期不同施肥條件下，土壤中Cd、Cu和Zn的形態分布特征及有效性與土壤中相應重金屬元素的累積密切相關，也受到土壤磷和有機質含量等理化性質變化的影響。

4）長期施用有機肥帶來的累積風險不容忽視，在選取有機肥培肥稻田土壤的過程中，應科學選擇有機肥源，實現培肥與重金屬累積風險的有效控制的協調發展。