有机种植对土壤主要理化性质及重金属含量的影响

李思萌， 于 军， 周正立， 王宏燕， 孙 岩， 王 玲， 高敬尧

(1.塔里木大学，新疆阿拉尔 843300；2.东北农业大学，黑龙江哈尔滨 150030)

有机种植对土壤主要理化性质及重金属含量的影响

李思萌1， 于 军1， 周正立1， 王宏燕2， 孙 岩2， 王 玲2， 高敬尧2

(1.塔里木大学，新疆阿拉尔 843300；2.东北农业大学，黑龙江哈尔滨 150030)

对黑龙江省庆安、查哈阳、北安3个地区的有机种植基地与周边常规农田的土壤进行取样调查，旨在比较有机种植与常规种植2种种植方式对土壤主要理化性质以及土壤中重金属含量的不同影响。结果表明，与常规种植相比，施用有机肥的有机种植能明显提高土壤养分含量。其中，土壤有机质、总氮、总磷的含量最大提高6.97%～7.69%；而速效磷、速效钾等养分含量提高18.52%～53.5%；且施用有机肥，对土壤物理性质有明显的改良作用，能降低土壤容重，增加土壤中>0.25 mm水稳性团聚体含量。此外，有机种植对土壤中重金属的富集有一定的抑制作用，其中土壤中As、Hg、Cd、Cr含量降低了51.46%～82.99%。

有机种植；重金属；土壤肥力；土壤理化性质；水稳性团聚体；有机农业发展

我国是粮食大国，仅拥用全球8%的耕地，生产了全球21%的粮食，但同时化肥消耗量占全球的35%，人们对化肥有了越来越多的依赖。2015年联合国粮农组织统计资料(FAOSTAT)显示，粮食产量与氮、磷化肥的投入量有极显著的线性正相关关系[1]。然而，由于化肥的过度使用和连年耕种，使耕作土壤有机质含量下降，土壤肥力降低，土壤板结[2]。“肥越用越多，地越种越馋”，这是我国粮食“十一连增”背后的尴尬现实。2015年农业部提出，将在全国范围内实施化肥使用量零增长行动，力争到2020年主要农作物化肥使用量实现零增长。有机农业是指在生产中完全或基本不用人工合成的肥料、农药、生长调节剂和畜禽饲料添加剂，而采用有机肥满足作物营养需求的种植业或采用有机饲料满足畜禽营养需求的养殖业，强调农业发展的生态本质，尊重生态经济规律，协调生产、发展与生态环境之间的关系。我国有机农业经历了研究探索阶段、奠定基础阶段和规范化快速发展阶段，现已成为非常具有发展潜力的“朝阳产业”。土壤环境质量不仅影响土壤保持和供应水肥的能力，对调控土壤气热状况以及水分入渗性能和地表径流的产生也有重要作用，因而研究有机种植对土壤环境质量的影响、对推动有机农业的发展具有重要意义[3-4]。在有机种植与常规种植的比较研究方面，国内外专家进行了大量的长期定位试验[5-7]。刘玉涛认为，连年施用有机肥可增加土壤有机质，改善土壤结构[8]。王健鹂等通过试验证明有机种植可以改善土壤的pH值，在一定程度上调节土壤的酸碱度，改良土壤，大大提高土壤微生物量的碳氮含量，增强土壤生物活性，加速有机质的分解和转化，从而改善土壤的肥力状况[9]。国内外在有机种植与常规种植对土壤中重金属含量的影响方面作了一定的比较研究[10-11]，大部分研究发现与常规种植相比，有机种植下土壤重金属含量低，污染风险小。目前国内外的研究多是针对土壤肥力的某一单一指标，而全面比较有机种植与常规种植对土壤环境质量影响的研究相对较少。因此，本试验选择东北地区有机水稻、有机玉米农业种植基地，通过实地调查取样，监测有机种植基地和常规种植地块土壤环境质量，比较有机种植基地与周围常规种植地块土壤容重、土壤中水稳性团聚体含量、土壤中各养分含量及重金属含量的差异，为发展有机农业、促进我国绿色产业的发展提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

本研究选取3个试验地，即为黑龙江省庆安(A)有机水稻种植基地(127°50′E、46°87′N)、黑龙江省农垦齐齐哈尔管局查哈阳(B)农场有机水稻种植基地(123°86′E、48°15′N)、黑龙江省农垦北安(C)管局红星农场有机玉米种植基地(126°74′E、47°85′N)。3个有机基地都属于寒温带大陆性季风气候，年均温度0.8～1.7 ℃，年降水量470～577 mm，年均日照时数2 599～2 773 h(表1)。

庆安有机水稻种植基地有机地块(A1)，施有机肥量为 2 950 kg/hm2，所施有机肥的有机质含量≥35%，总养分(N+P2O5+K2O)含量≥6%；常规施肥地块(A2)，施复合肥，施肥量为295 kg/hm2。查哈阳有机水稻种植基地有机地块(B1)，施有机肥量为2 100 kg/hm2，有机质含量≥30%，总养分(N+P2O5+K2O)含量≥4%；常规地块(B2)施用复合肥，施肥量为205 kg/hm2。北安有机种植基地(C1)是玉米和大豆轮作，主要施用自产的有机肥，有机质含量≥40%，总养分(N+P2O5+K2O)含量≥4%，施肥量为2 780 kg/hm2；常规种植施用复合肥(C2)，施肥量为277 kg/hm2。2014年5月进行播种，10月收获。所选的 3 个基地在实施有机种植以前与周围相邻常规种植基地的土壤性状、土地利用方式以及种植作物等方面基本一致。

表1 供试土壤理化性质

1.2 土样的采集与测定方法

1.2.1 土样的采集 本研究土壤取样期为2014年7月，每个基地有机地块与常规地块各设3个小区，采取棋盘式布点随机取样，采用四分法取土样，每个处理3个重复，在采集和运输过程中尽量减少对土样的扰动，以免破坏团聚体。将取回的土样于实验室内自然风干，压碎，磨平过筛(筛子孔隙分别为1.00、0.15、0.25 mm)，备用。容重等物理性质按照取样要求用环刀等取土。

1.2.2 测定方法

1.2.2.1 土壤物理性质 土壤水稳性团聚体的测定采用湿筛法；土壤容重的测定采用环刀法。

1.2.2.2 土壤化学性质 土壤pH值的测定采用电位测定法；土壤有机质含量的测定采用重铬酸钾容量法；土壤全氮含量的测定采用凯氏定氮法；土壤全磷含量的测定采用比色法；土壤速效磷含量的测定采用比色法；土壤速效钾含量的测定采用火焰光度法；土壤硝态氮含量的测定采用酚二磺酸比色法。土壤微生物量的测定采用熏蒸法[12]。1.2.2.3 土壤中全量重金属的测定 过0.15 mm筛的土壤样品在高压消解罐中，用氢氟酸-双氧水-硝酸前处理样品，消解后用 ICP-MS 测定土壤中 Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、Hg、As的含量。

1.3 数据处理

数据的方差分析和相关分析均采用SPSS 22.0软件完成，采用Excel作图，试验所得数据均为3次重复的平均值，误差用标准差表示。所有的差异显著性分析均采用新复极差法在α=0.05水平上进行检验。

2 结果与分析

2.1 不同种植方式对土壤物理性质的影响

2.2.1 不同种植方式对土壤容重的影响 土壤容重是土壤肥力以及土壤质量的重要指标之一，不同类型土壤容重不同，所表现出来的物理性状也有所差别，而不同施肥方式也会对耕层土壤容重产生重要影响。从图1可以看出，与常规种植相比，施加有机肥处理土壤容重均有所下降，但下降幅度不大。其中，A1、B1、C1处理土壤容重分别为1.255、1.308、1.333 g/cm3，与A2、B2、C2处理相比分别下降1.88%、1.28%、1.04%。说明有机种植有利于改善土壤的孔隙结构，提高土壤的透气性。

2.1.2 不同种植方式对土壤水稳性团聚体含量的影响 土壤团聚体是土壤结构的基本单元，土壤结构可以调节土壤的物理和生物过程，并影响土壤有机质的分解[13]。如图2所示，有机种植土壤0～0.25 mm团聚体较常规种植有所降低，而>0.5 mm团聚体含量均有增加，其中B2处理的0.5～2 mm 团聚体含量为28.29%，而>2 mm团聚体含量为 6.66%，远高于常规种植。说明有机种植能使土壤中小团聚体胶结起来形成大团聚体，能大大提高土壤团聚体的稳定性。

2.2 不同种植方式对土壤化学性质的影响

2.2.1 不同种植方式对土壤有机质的影响 土壤有机质含量是土壤重要的基础指标，是衡量土壤肥力的重要标志，同时土壤有机质对于土壤的物理结构、保肥、保水等特性具有重要影响[14]。由图3可知，施加有机肥对土壤有机质含量提高具有明显的作用，各地区有机种植与常规种植均有显著差异。其中，A1、A2处理有机质含量提升较大，A1处理较A2处理有机质含量高21.28%；B1、B2与C1、C2处理有机质含量提升较小，B1、C1处理较B2、C2处理有机质含量分别高 7.49%、4.68%。可能由于C地区土壤有机质含量C1为52.99 g/kg，C2为50.62 g/kg(高于A、B地区)，所以C地区有机种植较常规种植有机质含量提升最小

。

2.2.2 不同种植方式对土壤pH值的影响 从图4可以看出，施用有机肥对于土壤pH值影响较小，有机种植与常规种植间不存在显著差异。除A地区有机种植pH值略低于常规种植外，B、C地区有机种植pH值均略高于常规种植。这种pH 值的变化在一定程度上调节了土壤的酸碱度，改良了土壤，但受施肥量等因素影响，效果并不明显。

2.2.3 不同种植方式对土壤全氮含量的影响 由图5可以看出，有机种植与常规种植全氮含量有明显差异，并且有机种植全氮含量高于常规种植。C1处理全氮含量最高，为 3.15 g/kg；A2处理全氮含量最低，为1.88 g/kg。B1与B2处理间全氮含量提升最小，提高了6.97%；而C1、C2和A1、A2处理间全氮含量均有较大提升。土壤有机质是氮素存在的主要场所，土壤表层中大约80%～90%的氮存在于有机质之中。在有机种植下，土壤有机质含量更高，土壤供氮能力更强。这主要是因为大量的施用有机肥能促进土壤中的矿物质风化，从而增加土壤中的全氮含量，另外有机肥本身也含有大量的氮素，有利于提高土壤中的全氮含量[15]。

2.2.4 不同种植方式对土壤全磷含量的影响 土壤中的磷元素是作物生长所需磷元素的主要来源，所以土壤中磷的含量与作物的生长有着密切的联系。有机种植较常规种植能提高土壤全磷含量，从图6中可知，B1与B2间存在显著差异。B1处理全磷含量为 2.66 g/kg，B2处理全磷含量为 2.47 g/kg，上升了7.69%。由此可以看出，有机种植对于B地区土壤全磷含量的提高有明显作用，其原理与有机种植对全氮含量的影响类似。

2.2.5 不同种植方式对土壤速效磷含量的影响 如图7所示，不同地区有机种植对土壤速效磷含量均有一定的影响。B地区有机种植与常规种植有显著差异，其他地区差异较小，其中A地区与C地区有机种植土壤速效磷含量分别为 29.33、33.33 mg/kg，与常规种植相比分别下降7.33%和 2.94%。B地区有机种植对土壤速效磷含量有显著的提升作用，其含量为35.39 mg/kg，较常规种植提高18.52%。

2.2.6 不同种植方式对土壤速效钾含量的影响 如图8所示，有机种植对土壤速效钾含量的提高具有明显作用，3个地区有机种植与常规种植都存在显著差异。A、B、C地区有机种植土壤速效钾含量分别为227.4、258.51、249.37 mg/kg，其中A地区速效钾含量提升幅度最小，提高9.92%；C地区速效钾含量提升幅度最大，提高25.38%。总体来说，各地区有机种植均能显著提高土壤速效钾含量。

2.3 不同种植方式对土壤微生物量碳氮含量的影响

2.3.1 土壤微生物量碳 土壤微生物量碳氮既是土壤有机质和土壤养分转化与循环的动力，又可作为土壤中植物有效养分的储备库，其对土壤环境因子的变化极为敏感，土壤的微小变动均会引起其活性变化[16]。由图9可知，A、B地区有机种植土壤微生物量碳含量较常规种植有显著提高，C地区有机种植与常规种植土壤微生物量碳含量基本持平。B地区有机种植土壤微生物量碳含量为263.01 mg/kg，较常规种植高58.83%；A地区有机种植也较常规种植提高28.44%。由此可知，A、B地区有机种植较常规种植土壤微生物量碳含量有显著提高。

2.3.2 土壤微生物量氮 由图10可知，各地区有机种植与常规种植土壤微生物量氮的含量存在显著差异。A2、C2处理土壤微生物量氮含量较低，分别为29.83、27.46 mg/kg。A1、B1、C1土壤微生物量氮含量为39.76、43.07、42.15 mg/kg，分别较常规种植提高33.29%、12.99%、53.50%，均有较大幅度的提升。可见，有机种植能够提高微生物量氮含量，改善土壤的供氮能力。

2.4 不同种植方式对土壤重金属含量的影响

表层土壤重金属积累的变化受成土母质和人为资源输入的影响极大，而且重金属累积目前是很受关注的土壤污染之一[17]。本试验研究了A、B、C等3个地区不同种植土壤中重金属的含量，测定了土壤中几种主要重金属污染物的含量，除常规种植地块Hg含量外均未超过土壤环境质量国家一级标准[18]。如表1所示，A地区中有机种植土壤中重金属含量均低于常规种植，其中Zn含量有机与常规差别较小，仅降低3.89%；而Cd、Cr含量下降幅度较大，分别降低51.46%、54.44%。在B地区中，有机种植重金属含量(除Cu含量外)与常规种植均有显著差异，尤其是As、Hg含量，下降幅度达82.99%、64.19%，其余均有不同程度下降。C地区中Cu、Pb含量无显著差异，与常规种植相比，有机种植土壤中Zn含量出现一定程度的富集，含量提高了25.5%，但其他重金属含量均有所下降。A、B、C等3个地区中常规种植土壤中Hg富集效果十分明显，含量高于土壤环境质量国家一级标准，但没有超过土壤环境质量国家二级标准；而有机种植中Hg含量低于土壤环境质量国家一级标准，符合国家农产品产地环境标准的要求。

表1 不同地区有机与常规种植土壤重金属含量

3 结论与讨论

3.1 结论

在A、B、C等3个地区的试验结果表明，有机种植对于土壤物理性质具有一定的改善作用，能降低土壤容重，保持土壤pH值，并增加土壤大团聚体数量，提高水稳性团聚体稳定性，从而改良土壤结构，提高土壤抗侵蚀能力。与常规种植相比，有机种植在土壤有机质、土壤全氮、全磷含量方面有明显的提高，并且速效磷、速效钾、微生物量碳和微生物量氮含量也都有所提高，且对提高土壤基础肥力有明显作用。对3个地区土壤中Cu、Zn、Cd、Cr、As、Pb、Hg含量的研究结果表明，有机种植总体上能明显降低土壤中的重金属含量，尤其是Cd、Hg。

3.2 讨论

本试验同时选取2个有机水稻种植基地和1个有机玉米种植基地进行比较，虽然选择的地点施肥量和施肥方式不同，有机种植开展的年限也不同，但可以在研究结果中发现有机种植方式整体上均有一定优势。有机种植方式能够有效降低土壤容重、增加土壤孔隙度、改善土壤的黏结性和黏着性，使耕性变好，保持土壤pH值稳定，缓解土壤酸碱度。与常规种植相比，有机种植土壤中的有机质含量有一定的提高，改善了土壤结构，大团聚体的数量和稳定性也提高了。可能是由于有机肥中有机物质分解形成了土壤腐殖质，微生物活动频繁，促进了>0.25 mm团粒结构的形成[19]，使团聚体稳定性增加，这与高飞等的相关研究结果[20]一致。本研究表明，有机种植方式土壤中N、P、K含量较常规种植有明显提高，土壤肥力增加，该结果与姜瑢等的研究结果[21-22]一致。在常规种植下，由于大量施用化肥导致土壤本身肥力下降，作物品质差，相对而言，土壤有机培肥历来是农业生产中维持和提高地力的一项重要措施，土壤有机培肥后，改善了土壤的理化性质，增加了土壤的基础肥力，从而提升了土壤的供肥能力，改善了作物品质。

试验中测定了各地区土壤中重金属含量，选择的有机基地及周边常规种植区土壤中重金属含量均相对较低，但从结果中仍可以看出有机种植基本可以减少土壤中选定重金属的含量，这与有机种植不使用化肥、农药等有关。不同种类重金属含量下降程度不尽相同，有研究表明，土壤中的有机质对重金属离子有较强的亲和势，有机质能提供有机质基团和官能团与重金属易形成络合物[23]。不过也有研究表明，有机种肥中重金属Cu、Zn等长期施用也有富集风险[24]，畜禽养殖业广泛使用的饲料添加剂中含有大量的Cu、Zn、As等重金属， 动物不能完全吸收，大部分随粪便排出体外，所以有机肥中这些元素含量很高。本试验中C地区有机种植的Zn含量高于常规种植、A地区中不同种植方式的Zn含量基本持平无明显差距、3个地区中Cu含量均无明显差异，这可能是由3个地区常规种植喷洒杀虫剂、除草剂等含有Cu、As等重金属的农药导致的。黄青青等研究表明，化肥中含有大量的Cd、Cr，而在有机肥中含量相对较少，所以各地区中有机种植土壤Cd、Cr含量均明显低于常规种植[25-26]。不同处理间(除A地区外)Pb含量均无明显差距。本试验着重比较分析了有机种植与常规种植的情况，有机种植对土壤物理结构改善以及土壤肥力提高均优于常规种植，但在不同施肥量、施肥方式及不同种植年限下，有机种植对土壤环境质量的影响还有待深入研究。

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10.15889/j.issn.1002-1302.2017.02.071

2016-03-06

公益性行业(环保)科研专项(编号：201309036)。

李思萌(1990—)，女，黑龙江哈尔滨人，硕士研究生，研究方向为农业生态学。E-mail：lisimeng0317@163.com。

于 军，教授，研究方向为生态学。E-mail：tdakjc@163.com。

S157.4+32

A

1002-1302(2017)02-0253-05

李思萌，于 军，周正立，等. 有机种植对土壤主要理化性质及重金属含量的影响[J]. 江苏农业科学，2017，45(2)：253-257.