长期施猪粪土壤As补给与水稻As吸收的量化关系

柳开楼，胡秋萍，胡惠文，吕丰娟，叶会财，黄庆海，李大明，余喜初

（1.江西省红壤研究所/国家红壤改良工程技术研究中心/农业部江西耕地保育科学观测实验站，江西 进贤 331717；2. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业部植物营养与肥料重点实验室，北京 100081；3. 江西省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所，江西 南昌 330200）

在水稻土上，畜禽粪便等有机肥的合理施用和管理对于提高土壤肥力起着至关重要的作用。陈义等通过计算得出，每年在施入16.5～49.5 t/hm2鲜厩肥的基础上，增施1 t/hm2鲜猪厩肥，就意味着有46.7 kg的CO2被土壤固定［1］。猪粪等畜禽粪便还田可以显著提高土壤肥力和作物产量。柳开楼等研究表明，与施化肥处理相比，猪粪配施化肥下水稻产量增加10.3%～12.0%，土壤有机碳含量提高18.8%～23.7%［2］。总之，有机肥的合理施用是提升红壤稻田肥力，保障作物产量的重要途径。

然而，由于饲养过程中大量使用含有机胂制剂的饲料，使得畜禽粪中砷（As）含量普遍较高，给畜禽粪还田利用带来了巨大的潜在风险［3-4］。柳开楼等研究表明，规模化养猪场猪粪中As含量为3.506 mg/kg［2］，因此，畜禽有机肥的施用带来的As增加而引起的土壤及地下水的污染问题受到人们的重视。在我国，研究者对北京、江苏7省市的畜禽粪便样品分析结果表明，猪粪中As含量普遍较高，最高浓度分别达到65.4 mg/kg，至少有20%～30%样品超出我国污泥农用标准（GB 4284-1984）［5］。猪粪施用将明显提高土壤中As的总含量、有效含量及有效含量占各自总量的百分数［6-7］，研究者对广东省长期使用阿散酸为饲料添加剂的15个大型猪场的周围环境及农田进行了调查，发现长期施用猪粪的稻田，大多数土壤As含量已超过国家规定的最高标准；另外，水稻有一定的As富集能力，而且水稻各种组织的As含量与土壤As含量也存在明显的正相关［8］。盆栽试验表明，随猪粪施用量的增加，土壤全As、有效态As和菜心As含量均提高，且均与猪粪施用量呈极显著的正相关［9］。柳开楼等研究表明，与施用化肥处理相比，长期施用猪粪处理的红壤稻田中As含量增加90.5%～192.7%［2］。黄治平等研究表明，连年施用猪粪土壤中As有效态含量增加［10］。同时，配施猪粪等畜禽粪便还可以增加农产品的As含量，进而危害人类健康［11-12］。

对As含量较高的高风险农田，施用猪粪等有机肥可能会在一定程度上提高土壤有效As含量和作物对As的吸收量，使农产品质量和环境风险增加，施用猪粪后土壤有效As含量增幅达394.9%～1033.6%［13］。但是，目前有关猪粪等畜禽粪便中As的研究主要集中在如何降低和钝化As的活性［14-17］。而有关猪粪等畜禽粪便施用后土壤As的形态变化及其在土壤-植物体系中的迁移机制则研究较少。因此，本研究拟借助始于1981年的红壤稻田有机肥长期定位试验，通过分析猪粪等有机肥长期施用下土壤As的形态分异规律以及水稻籽粒和秸秆中As的累积变化特征，以期揭示红壤稻田As在土壤-植株体系中的迁移规律及其对猪粪用量的响应机制。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验位于江西省进贤县江西省红壤研究所内（116°17′60″E、28°35′24″N），地处中亚热带，年均气温18.1℃，≥10℃积温6480℃，年降雨量1537 mm，年蒸发量1150 mm，无霜期约289 d，年日照时数1950 h。试验土壤为红壤性水稻土。1981年试验开始前耕层（0～20 cm）土壤有机质16.3 g/kg，全氮1.49 g/kg，全磷0.48 g/kg，全钾 10.39 g/kg，碱解氮 144 mg/kg，有效磷4.15 mg/kg，速效钾80.52 mg/kg，pH 6.90。土壤中全量As和有效As含量分别为3.93 mg/kg和0.21 mg/kg。试验于2015年进行，试验年度内的温度和降水量的季节性变化见图1。其中降水量主要集中在3～6月份，而7～9月份的降水量则显著较少，但其温度最高，从而表现出明显的季节性干旱特性。

图1 试验区2015年温度和降水量变化

1.2 试验设计

试验设不施肥（CK）、氮磷钾肥配施（NPK，早晚稻N、P2O5和K2O分别为90、45、75 kg/hm2）、氮磷钾肥+早稻猪粪（NPKM1，在NPK处理的基础上早稻施用鲜紫云英22500 kg/hm2）、氮磷钾肥+晚稻猪粪配施（NPKM2，在NPK处理的基础上早稻施用鲜猪粪22500 kg/hm2）4个处理，其中紫云英和猪粪的含水量分别为65%和73%。紫云英含C 400 g/kg、N 27.6 g/kg、P 2.00 g/kg、K 8.50 g/kg；鲜猪粪含 C 340 g/kg、N 28.3 g/kg、P 10.3 g/kg、K 9.80 g/kg。猪粪烘干后含As 3.5 mg/kg。每个处理3次重复，小区面积60 m2。化肥种类为尿素、钙镁磷肥、氯化钾，其中磷肥、钾肥、紫云英和猪粪作为基肥，氮肥用量的2/3为基肥、1/3为追肥。基肥在水稻移栽前施用，而追肥则在水稻移栽后10 d即返青期施用。

1.3 测定指标

于2015年晚稻收获后采集耕层（0～20 cm）土壤样品，每个处理3次重复，风干过筛后，采用 As 形态连续提取法，As的形态主要分为：Ex-As（交换态 As）、Al-As（铝型 As）、Fe-As（铁型 As）、Ca-As（钙型 As）、Res-As（残渣态As），其中前4种形态的浸提液分别为NH4Cl 1 mol/L、NH4F 0.5 mol/L、NaOH 0.1 mol /L和H2SO40.25 mol/L，浸提方法分别为1∶20的土液比、25℃振荡0.5 h，1∶20的土液比，25℃振荡1 h，1∶20的土液比，25℃振荡17 h，1∶20的土液比，25℃振荡1 h，而Res-As的测定采用差减法进行，具体浸提液和浸提方法见文献［18］。提取液中As的测定采用Ag-DDC比色法，该方法测定土壤As的检出限为0.5 mg/kg，测定过程中同一批次样品均用标准曲线控制，标准曲线吸光度与溶液As浓度的拟合方程为y= -3.3+137.9x，R2＞ 0.99，样品测定时设置空白样，3次重复，平行样品相对误差＜ 5%。

于2015年晚稻成熟期采集水稻样品，将籽粒和茎秆分开烘干过筛，采用浓硝酸、高氯酸和浓硫酸消煮，原子吸收分光光度计分析秸秆和籽粒中As的含量。详细步骤参照《土壤农化分析》［19］。

耕层土壤中不同As形态储量的计算公式为：

式中，iAsp为某一形态As的储量（g/hm2），iAsc为某一形态As的含量（mg/kg），d为耕层厚度（0.2 m），BD为土壤容重（g/cm3），10为单位转换系数。

籽粒和秸秆As吸收量的计算公式为：

式中，GAsu、SAsu为籽粒和秸秆As吸收量（g/hm2），GAsc、SAsc为籽粒和秸秆As含量（mg/kg），GYield、SYield为籽粒和秸秆产量（kg/hm2）。

采用线性拟合方程量化土壤As储量与籽粒、秸秆As吸收量的量化关系。采用Excel 2003进行数据分析，采用SPSS 16.0进行方差分析，采用Duncan多重比较方法进行差异显著性测验，采用Origin 8.1软件制图。

2 结果与分析

2.1 长期施猪粪的土壤As形态分布

长期猪粪施用可以显著提高红壤稻田的As含量（表1）。与CK相比，早稻猪粪施用（NPKM1）和晚稻猪粪施用（NPKM2）处理土壤总As含量分别提高148.71%和282.11%；与NPK处理相比，NPKM1和NPKM2处理土壤总As的增幅分别为90.48%和192.64%。同时，不同形态As含量也均呈现出猪粪施用处理显著增加，且与NPKM1处理相比，NPKM2处理的Ex-As、Al-As、Fe-As、Ca-As和 Res-As分别增加14.45%、48.96%、58.99%、52.58%和71.11%。

在红壤稻田上，土壤As形态中主要以Fe-As比例最高，其次为Al-As和Res-As，而Ca-As和Ex-As含量最少，但是，与CK相比，化肥和猪粪施用均显著提高Al-As和Ca-As的比例，却显著降低了Res-As的比例；与NPK相比，猪粪施用处理RES-As的比例显著增加，而其他比例则不存在显著差异。

表1 长期施猪粪土壤不同形态As的含量

2.2 长期施猪粪土壤As不同形态的储量变化

长期猪粪施用显著增加了耕层土壤中As的储量（表2）。NPKM1和NPKM2处理土壤As储量比CK分别增加120.35%和205.02%；比NPK处理分别增加83.28%和153.71%。同时，不同形态As的储量也均呈现出猪粪施用处理显著增加，且与NPKM1处理相比，NPKM2处理的 Ex-As、Al-As、Fe-As、Ca-As和 Res-As储量分别增加3.12%、34.21%、43.25%、37.47%和54.17%。

表2 长期施猪粪土壤不同形态As的储量

2.3 长期施猪粪的水稻籽粒和秸秆中As含量和吸收量变化

晚稻长期施用猪粪可以显著提高籽粒产量，但对秸秆产量则没有显著影响（表3）。秸秆中的As含量则明显高于籽粒，且猪粪还田显著增加了秸秆和籽粒的As含量和吸收量（图2），NPKM1和NPKM2处理秸秆As含量比CK分别增加61.29%和87.92%；比NPK处理增加41.73%和65.12%；籽粒中As含量也呈现出相似的增加趋势。同时，NPKM1和NPKM2处理籽粒和秸秆对As的吸收量也显著提高。

表3 不同施肥处理中晚稻的籽粒和秸秆产量

2.4 长期施猪粪土壤As储量与水稻As吸收量的量化关系

土壤中As储量与水稻As吸收量存在显著的正相关关系。表4结果显示，耕层土壤中各形态As的储量均与籽粒和秸秆及地上部的As吸收量呈显著的线性关系。通过拟合方程表明，土壤各形态As的储量每增加1 g/hm2，水稻籽粒As吸收量可以增加0.12～0.93 g/hm2，秸秆As吸收量可以增加3.45～6.06 g/hm2，地上部As吸收量可以增加1.03～6.99 g/hm2。其中以Ex-As对水稻As吸收的贡献率最高。

图2 长期施猪粪的水稻籽粒和秸秆中As含量和吸收量

3 结论与讨论

规模化养猪场产生的大量鲜猪粪的资源化利用一直是政府和企业关注的重要问题［5，8］。很多研究表明，将鲜猪粪直接还田可以在消纳废弃物的同时实现土壤培肥和作物增产［1-2］。但是，由于鲜猪粪中重金属Cu、Zn和As等含量较高［5］，其直接还田势必导致土壤中重金属累积［8-9］，威胁粮食安全和人类健康。本研究从猪粪施用后As在土壤和植株中的转化试验表明，鲜猪粪连续施用35年后，土壤中As含量显著增加，早稻猪粪还田和晚稻猪粪还田处理下土壤总As含量比化肥处理增加了90.48%和192.64%。且其各形态As含量也显著提高。与不施肥相比，化肥和猪粪施用显著提高了Al-As和Ca-As的比例，但却显著降低了Res-As的比例。这一方面与猪粪等有机肥通过土壤理化性质［20］改变了As在土壤中的形态有关，另一方面也可能与猪粪带入的As形态有关［5］，但具体原因还有待进一步研究。

表4 土壤As储量与水稻As吸收量的量化关系

在红壤稻田上，土壤中As含量的增加导致耕层土壤中As储量进一步提高。且晚稻季猪粪还田下土壤中 Ex-As、Al-As、Fe-As、Ca-As和Res-As储量显著高于早稻季，这主要与本研究是在晚稻收割后采集的样品有关。耕层中累积的大量As会进一步被水稻吸收，在水稻上，猪粪还田显著增加了秸秆和籽粒的As含量和吸收量，但主要集中在秸秆中，这与大量研究结果一致［21-22］。进一步通过线性拟合方程发现，虽然土壤各形态As的储量均可以增加水稻籽粒和秸秆的As吸收量，但在所有形态As中，主要以Ex-As对水稻As吸收的贡献率最高。这说明，Ex-As是影响水稻As的吸收的关键形态，在降低和阻控水稻As吸收的技术研究中，应重点从如何钝化和降低Ex-As的角度来开展相关技术的研发和集成。

因此，在红壤稻田上，虽然早稻季或晚稻季施用猪粪均可以显著增加了土壤中总As及各形态As的含量和储量，但水稻吸收的As主要集中在秸秆中。在土壤As污染阻控和修复中，应将交换态As含量作为重要的指标进行监测。

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