有機(jī)肥對(duì)水稻鎘生物有效性的影響研究進(jìn)展

　　摘 要：有機(jī)肥在農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用，有機(jī)肥的應(yīng)用與土壤、植物的關(guān)系也是人們關(guān)注的熱點(diǎn)。本文綜合評(píng)述了有機(jī)肥施入農(nóng)田對(duì)土壤pH值、土壤有效態(tài)鎘(Cd)、Cd的不同賦存形態(tài)的變化以及對(duì)植物吸收Cd的影響，為Cd污染農(nóng)田有機(jī)肥的科學(xué)施用提供基礎(chǔ)依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞：有機(jī)肥;土壤污染;鎘;pH;鎘形態(tài)

　　熊建軍; 黃采文; 曾勇; 紀(jì)雄輝; 陳山; 官迪; 吳家梅， 湖南生態(tài)科學(xué)學(xué)報(bào) 發(fā)表時(shí)間：2021-11-08

　　肥料是我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)保障。有機(jī)肥是我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的一種肥料，起著越來(lái)越重要的角色;大量的研究證實(shí)了有機(jī)肥在培肥地力、保障作物生產(chǎn)、提高作物品質(zhì)等方面發(fā)揮著重要的作用。近年來(lái)的鄉(xiāng)村振興、沃土工程、強(qiáng)農(nóng)惠農(nóng)政策等，都強(qiáng)調(diào)了有機(jī)肥的應(yīng)用，實(shí)行有機(jī)肥代替化肥行動(dòng)，以此減少化肥投入、增加有機(jī)肥投入。隨著社會(huì)科技水平的提高和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，有機(jī)肥的大量施用在減緩農(nóng)業(yè)污染、保持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定增長(zhǎng)、保障糧食安全起到了積極的作用。

　　有機(jī)肥修復(fù)重金屬污染農(nóng)田是目前的研究熱點(diǎn)。有機(jī)肥通過(guò)改變土壤中重金屬的有效性而影響植物的吸收，土壤中重金屬的移動(dòng)和有效性與土壤性質(zhì)有關(guān)[1]，尤其是土壤pH值，對(duì)土壤中重金屬的形態(tài)和生物有效性的影響最重要[2-3]。本文從有機(jī)肥施入農(nóng)田后對(duì)土壤pH、Cd的不同賦存形態(tài)變化入手，分析水稻吸收積累Cd的情況，為有機(jī)肥的合理施用提供支撐。

　　1 有機(jī)肥施用對(duì)土壤pH值的影響

　　施用有機(jī)肥對(duì)土壤pH的影響不同，大量研究表明，有機(jī)肥能提高土壤pH值，一般能提高0.06-0.90 個(gè)pH值單位。與化肥相比，早稻施用雞糞有機(jī)肥，晚稻收獲時(shí)土壤pH值上升0.2-0.4個(gè)單位[4];施用牛糞有機(jī)肥，一季稻稻田 pH 值升高 0.62 個(gè) pH 單位(P<0.05)[5];施用中藥渣生物有機(jī)肥的土壤pH值平均提高0.06個(gè)單位 [6];連續(xù)4 a紫泥田土施用雞糞有機(jī)肥，能穩(wěn)定提升土壤 pH 值 0.1-0.3個(gè)單位[7];單獨(dú)施用有機(jī)肥的水稻根際土壤 pH 值升高 0.36-0.90 個(gè)單位[8]。可見無(wú)論是動(dòng)物源還是植物源的機(jī)肥，施入農(nóng)田土壤pH值均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

　　另有研究表明，施用有機(jī)肥后土壤pH下降。在第四紀(jì)紅色黏土發(fā)育的紅黃泥施用雞糞有機(jī)肥，當(dāng)年水稻土壤 pH 值降低 0.1-0.4 個(gè)單位[4];施用6 a豬糞和菌渣肥有機(jī)肥，菜地土壤pH值分別降低0.24-1.38 (0～10 cm)和 0.05-0.76(10～20 cm)[9];東北黑土的16 a的定位試驗(yàn)表明，化肥與以豬糞為原料的有機(jī)配合施用，土壤pH值下降2.25個(gè)單位(P<0.05)[10]; 37 a鈣質(zhì)紫色水稻土的定位試驗(yàn)可見，與化肥相比，化肥與有機(jī)肥配施土壤pH值下降[11]。

　　施用有機(jī)肥后土壤pH值增加，可能與施入農(nóng)田有機(jī)肥的pH值有關(guān)，施入農(nóng)田的有機(jī)肥pH值呈中堿性，比土壤中的pH值高，造成有機(jī)肥施入農(nóng)田后土壤pH值升高。施有機(jī)肥后土壤pH值下降，可能與土壤性質(zhì)和有機(jī)肥施入量有一定關(guān)系，可能是土壤陽(yáng)離子交換量較低，有機(jī)肥施入后土壤陽(yáng)離子交換量下降幅度比化肥處理更大[11]，造成的酸調(diào)控和緩沖能力較弱[12]，在土壤微生物作用下，有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生的有機(jī)酸達(dá)到高峰之前，在土壤中均以積累為主。

　　大量的研究表明，土壤pH值與土壤有效態(tài)Cd含量呈顯著負(fù)相關(guān)[7,9-10]，但也有研究表明，兩者無(wú)明顯相關(guān)性[4]，其他的研究表明，土壤pH值與可交換態(tài)Cd呈顯著負(fù)相關(guān)，與有機(jī)結(jié)合態(tài)Cd含量呈顯著正相關(guān)[6]，土壤有機(jī)質(zhì)含量、pH值是影響土壤不同形態(tài)Cd間相互轉(zhuǎn)化的重要因素[6]，也是影響Cd的有效性的最重要因素[10]。

　　有機(jī)肥改變土壤中pH值，pH值的變化導(dǎo)致土壤 Cd有效性變化，水稻對(duì)Cd的吸收很大程度上受土壤有效Cd含量的影響[13]，進(jìn)而引起植株各器官對(duì)Cd 的富集及轉(zhuǎn)移差異[14]。提高水稻根際土壤pH值，降低土壤有效Cd含量，能顯著抑制水稻對(duì)Cd的吸收[13]，而且能大幅度降低稻米Cd含量，糙米Cd 與pH值呈顯著負(fù)相關(guān)[15-17]。因此，有機(jī)肥的施用通過(guò)改變土壤 pH值，影響土壤有效態(tài)Cd含量，從而改變水稻對(duì)Cd 的吸收。

　　2 有機(jī)肥施用對(duì)有效態(tài)Cd的影響

　　不同的研究表明，土壤施用有機(jī)肥，對(duì)土壤有效態(tài)Cd有刺激作用、抑制作用或無(wú)明顯變化。

　　2.1 對(duì)土壤有效態(tài)鎘無(wú)影響

　　謝運(yùn)河等研究表明[18]，連續(xù)4 a施用豬糞、雞糞、稻草秸稈還田對(duì)土壤有效態(tài)Cd 含量無(wú)顯著影響。薛毅等研究表明第四紀(jì)紅色黏土發(fā)育的紅黃泥施用雞糞有機(jī)肥后，土壤有效態(tài)Cd含量變化不大[4]。

　　2.2 減少土壤有效態(tài)鎘含量

　　馬顥榴研究表明，連續(xù) 3 a 施用有機(jī)肥，早稻、晚稻土壤有效態(tài) Cd 含量分別降低 3%～12%和 4%～14% [19]。羅遙等[20]研究表明，添加≤20 t/hm2 的有機(jī)肥，降低土壤中有效態(tài)Cd的含量，當(dāng)有機(jī)肥添加量為20 t/hm2 時(shí)，土壤耕作層和犁底層中有效態(tài) Cd含量達(dá)到最小值，揚(yáng)花期和收獲期分別降低32%和66%。李順奇的研究證實(shí)[21]，當(dāng)有機(jī)肥用量達(dá) 8 g/kg，土壤有效態(tài)Cd較對(duì)照降低 4%～21%;中度污染土壤，施用有機(jī)肥使土壤 Cd 有效性均顯著降低，且隨有機(jī)肥的用量增加而降幅增大，其有效 Cd 含量較對(duì)照降低9%～47%。駱文軒的研究表明[5]，隨著水稻生育期的延長(zhǎng)，有機(jī)肥處理土壤有效態(tài)Cd含量呈先下降后上升的趨勢(shì)，水稻吸收積累Cd的重要時(shí)期是灌漿期，有機(jī)肥的施用均能降低灌漿期土壤中有效態(tài)Cd含量，有機(jī)肥用量高的成熟期土壤有效Cd 含量顯著減少24%(P<0.05)。段海芹等研究表明[9]，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥會(huì)提高土壤表層有效態(tài)Cd含量，特別是0～10 cm土壤有效態(tài) Cd 含量顯著高于對(duì)照。

　　2.3 增加土壤有效鎘

　　當(dāng)添加有機(jī)肥用量>30 t/hm2 ，水稻分蘗期土壤中有效態(tài)Cd含量比對(duì)照增加[20]。16 a的長(zhǎng)期豬糞處理，土壤有效態(tài)Cd達(dá)2.0～2.3 mg/kg，顯著高于對(duì)照處理的0.09～0.10 mg/kg[10]。35 a長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，有機(jī)肥處理顯著提高了土壤有效態(tài)Cd的含量[22]。30 a的定位試驗(yàn)表明，施用低量和高量廄肥有機(jī)肥，土壤有效態(tài)Cd顯著提高28.57%~71.43%[23]。

　　2.4 水稻不同時(shí)期有效態(tài)Cd含量不同

　　雙季稻稻田施有機(jī)肥處理的土壤有效態(tài)Cd含量，以分蘗盛期和孕穗期的降幅最大，分別比對(duì)照降低 13%和12%，早、晚稻黃熟期，施有機(jī)肥平均土壤有效態(tài) Cd 含量增加8%[4];連續(xù) 2 a 施有機(jī)肥，除第二年施有機(jī)肥齊穗期外，土壤有效態(tài)Cd 含量在水稻分蘗盛期和齊穗期降幅相對(duì)最高，比對(duì)照降低11%～16%;黃熟期土壤有效態(tài) Cd 含量增加，增幅達(dá)14%[24]。

　　可見，不同的研究結(jié)果，對(duì)土壤有效態(tài)Cd的影響不同。有機(jī)肥施入農(nóng)田增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量，而土壤有機(jī)質(zhì)中含有的活性基團(tuán)(—COOH、-OH、 —C=O等)，對(duì)重金屬離子具有較強(qiáng)的吸附能力[6]，還能與土壤中重金屬形成配位絡(luò)合物，降低土壤有效態(tài)含量;也有研究者證實(shí)，有機(jī)肥對(duì)土壤重金屬具活化效應(yīng)，會(huì)提高土壤重金屬的移動(dòng)性和生物有效性，因此造成施用有機(jī)肥后土壤有效態(tài)含量增加，另有研究證實(shí)，商品有機(jī)肥重金屬含量與所有使用的重金屬含量呈顯著正相關(guān)[25]，有機(jī)肥中較高的重金屬含量是造成稻田土壤重金屬累積和有效性顯著提高的主要原因[23]。

　　土壤重金屬有效態(tài)主要受到土壤陽(yáng)離子交換量、 pH值等的影響[22,26]。可能是土壤中的這些含量的變化造成了使用有機(jī)肥后，土壤的有效Cd含量增加、降低或者無(wú)變化。由此可見，土壤類型及肥源的不同，造成不同區(qū)域關(guān)于短期或長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤重金屬累積及其有效性影響的研究存在差異。

　　3 有機(jī)肥施用對(duì)土壤Cd賦存形態(tài)的影響

　　重金屬在土壤中的遷移、生物有效性與其存在的形態(tài)密切相關(guān)。土壤中Cd的形態(tài)可分為可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和土壤殘?jiān)鼞B(tài)，其中最容易被生物利用為土壤交換態(tài)，其次是碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)和有機(jī)結(jié)合態(tài)，殘留態(tài)是最難利用的形態(tài)。有機(jī)物施入農(nóng)田，直接或間接影響土壤中Cd的賦存形態(tài)。

　　有機(jī)肥施入農(nóng)田后對(duì)土壤Cd賦存形態(tài)的影響不同。有研究表明有機(jī)物料施用后提高了土壤中Cd的有效性及Cd的潛在有效含量，降低了土壤對(duì)Cd的吸附作用;還有研究表明結(jié)果相反。紫泥田連續(xù)4 a 施有機(jī)肥后，土壤交換態(tài) Cd 含量下降11%，土壤有機(jī)態(tài) Cd 含量則升高 14%，而土壤碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài) Cd 含量均未發(fā)生顯著的變化[7];施用中藥渣生物有機(jī)肥可降低土壤中的可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cd含量，增加有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)Cd 含量[6];輕度污染紫色土壤經(jīng)有機(jī)肥處理后，交換態(tài)Cd含量增加6%-20%，鐵錳氧化態(tài)Cd含量稍有上升，殘?jiān)鼞B(tài) Cd含量稍有下降;在中度污染、重度污染土壤經(jīng)有機(jī)肥處理后，交換態(tài)Cd含量下降 7%～ 28%，殘?jiān)鼞B(tài)Cd 含量顯著增加 20%～66%[21];在重度污染土壤經(jīng)有機(jī)肥處理后，交換態(tài)Cd 含量顯著下降，而鐵錳氧化態(tài) Cd 和殘?jiān)鼞B(tài) Cd 含量有小幅增加[21]。王艮梅等研究表明[27]，有機(jī)物料施用后土體與根際土壤中交換態(tài)及有機(jī)結(jié)合態(tài)的Cd含量都明顯高于對(duì)照施化肥的處理。有機(jī)肥施入農(nóng)田對(duì)Cd的賦存形態(tài)不相同，可能是不同有機(jī)肥施入土壤后腐殖質(zhì)含量的變化不同所致[6];也有學(xué)者認(rèn)為，有機(jī)質(zhì)對(duì)重金屬活性的影響與其組分和含量有關(guān)，小分子有機(jī)酸與重金屬生成溶解度較高的有機(jī)絡(luò)合物時(shí)有利于活化重金屬[28-29];而大分子有機(jī)酸與重金屬形成溶解度較低的有機(jī)螯合物時(shí)會(huì)鈍化重金屬[29]，有機(jī)質(zhì)對(duì)重金屬有效性的影響由兩者共同決定。

　　4 有機(jī)肥施用對(duì)水稻鎘含量的影響

　　有機(jī)肥施入農(nóng)田，通過(guò)影響土壤pH值，改變土壤Cd的不同形態(tài)，從而影響植物對(duì)Cd的吸收。大量的研究表明，有機(jī)肥施用能降低水稻籽粒對(duì)Cd的吸收。稻田施用有機(jī)肥，水稻根、葉、糙米Cd含量隨有機(jī)肥施用量的增大而降低，動(dòng)物源有機(jī)肥(蚓糞)和植物源有機(jī)肥(油餅)對(duì)糙米 Cd 的影響無(wú)顯著性差異[30];當(dāng)年施用牛糞有機(jī)肥能顯著降低糙米Cd含量，降Cd效果為高用量有機(jī)肥>低用量有機(jī)肥，高用量有機(jī)肥糙米Cd含量降低68%[5];單獨(dú)施用有機(jī)肥后，水稻各器官Cd含量顯著降低，糙米中Cd含量降低 16%～24%;當(dāng)年施有機(jī)肥，早、晚稻糙米 Cd 含量分別降低26%～41%和29%～56%，稻草和稻根 Cd 含量也分別下降 14%～72%和 24%～44% [4]。連續(xù) 2 a 施用商品有機(jī)肥，當(dāng)年糙米 Cd 含量降低 38%，但施有機(jī)肥提高了稻草 Cd 含量18%，第2 a糙米 Cd 含量降低 12%[24]。雙季稻田連續(xù) 3 a 施雞糞有機(jī)肥，早稻、晚稻糙米Cd含量分別降低16%～45%和 18%～ 53%[19];連續(xù) 4 a 施雞糞有機(jī)肥，早、晚稻糙米Cd 含量分別降低 28%～45%和 43%～56%[7];連續(xù) 4 a 施用豬糞、雞糞、稻草，稻米Cd下降8%～36%，豬糞、雞糞的莖葉Cd下降23%～44%，但是稻草的莖葉增加8.2%和22.7%[18]。可見不同的學(xué)者研究證實(shí)，施用不同類型的有機(jī)肥能降低稻米Cd含量，降幅為 8%～68%。但也有18 a的定位試驗(yàn)表明，施用豬糞有機(jī)肥，糙米Cd含量增加了800%[31]，糙米Cd的增加可能與長(zhǎng)期施用豬糞，豬糞中含有一定量的Cd[25]，長(zhǎng)期施用，增加土壤中Cd和有效Cd的含量，從而使糙米Cd含量顯著增加。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　我國(guó)綠色農(nóng)業(yè)正逐步發(fā)展成現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分。踐行農(nóng)業(yè)綠色，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，有機(jī)肥料在提高耕地質(zhì)量、提升農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量均發(fā)揮著重要的作用。特別是有機(jī)肥在降低稻米Cd污染方面取得了許多的研究成果，為有機(jī)肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。有機(jī)肥中Cd含量與不同污染水平稻田的稻米超標(biāo)年限、輸入輸出的平衡關(guān)系、有機(jī)肥中的何種有機(jī)肥與重金屬離子進(jìn)行吸附解析、影響其賦存形態(tài)等，都是今后研究的重點(diǎn);同時(shí)，還應(yīng)開展有機(jī)肥對(duì)農(nóng)田土壤質(zhì)量、生態(tài)環(huán)境和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。