不同有机物料对灌漠土重金属累积特征及作物效应的影响

宋姿蓉，俄胜哲，袁金华，贾武霞，曾希柏，苏世鸣，白玲玉

不同有机物料对灌漠土重金属累积特征及作物效应的影响

宋姿蓉1，俄胜哲2，袁金华2，贾武霞1，曾希柏1，苏世鸣1，白玲玉1

（1中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业农村部农业环境与气候变化重点开放实验室，北京 100081；2甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所，兰州 730070）

【】探讨长期施用有机物料对灌漠土中重金属含量、形态赋存特征及作物重金属含量的影响，为有机物料农业安全利用及土壤有机培肥中重金属累积控制提供理论依据和技术支持。利用田间长期定位试验，研究鸡粪、牛粪、猪粪、菌渣、污泥和沼渣对灌漠土几种典型重金属元素含量、赋存形态及小麦植株中重金属含量的影响。长期（7年）施用鸡粪、猪粪、污泥的处理显著增加了灌漠土中Cu、Zn含量，增加量为猪粪＞鸡粪＞污泥，其中Cu含量分别增加了62.20%、20.10%和10.26%，Zn含量分别增加了79.98%、39.24%和18.31%，并与施用年限呈显著正相关关系。3种有机物料施用下Cu平均每年累积速率为4.16、1.25和0.97 mg·kg-1·a-1，Zn平均每年累积速率为11.04、4.86和2.59 mg·kg-1·a-1。但施用上述3种有机物料对Cd、Cr、Pb和Ni含量没有显著影响。施用牛粪、菌渣和沼渣对灌漠土中重金属含量亦无显著影响。施用鸡粪、猪粪、污泥还显著影响了土壤中Cu、Zn赋存形态，增加了土壤中Cu、Zn各有效赋存形态的含量和占总量的比例，显著提高了灌漠土中Cu、Zn有效态的含量，显著增加了小麦根和秸秆中Cu、Zn的含量，其中猪粪影响最大。猪粪、鸡粪、污泥长期施用可导致灌漠土中Cu、Zn快速累积并提高Cu、Zn的生物有效性，其中猪粪的作用尤为明显。在施用有机物料培肥土壤时，要特别关注其中Cu、Zn的含量，以确保土壤健康和可持续利用。

重金属；累积；赋存形态；有机物料；灌漠土；小麦；长期定位试验

0 引言

【研究意义】施用有机物料可以增加土壤有机质含量、改善土壤结构、提高土壤肥力，因而也常作为改良中低产田的有效措施。但是，由于现代畜禽养殖方式向集约化发展、城市化进程加快等，使有机物料中重金属的残留增加[1-5]，在资源化利用中可能导致土壤中重金属等污染物的累积，并产生潜在的污染风险[6-8]。【前人研究进展】鲁洪娟等[9]研究表明施加有机物料已经成为当前农业用地中重金属的重要来源，但因其原料及堆制工艺的不同，不同有机物料中残留的重金属含量也不同，对土壤中的重金属累积必然产生不同的影响。集约化养殖业中微量元素Cu、Zn、As 等被广泛应用于饲料添加剂，但由于其在动物体内的吸收非常低，大量重金属随粪便和尿排出，造成了重金属在畜禽粪便中的高残留[10-11]。污水处理厂每年产生的大量污泥，随着城市工业的发展，也造成了污泥中重金属残留问题，但不同区域城市污泥重金属含量存在一定差异[12]。重金属在土壤中的毒性及环境行为不仅与其总量有关，更大程度上是由其赋存形态所决定的。不同的形态产生不同的环境效应，直接影响到重金属的毒性、迁移及其在自然界的循环[13-14]。有机物料施用对土壤中重金属总量及赋存状态产生影响，从而影响重金属的生物有效性和环境生态风险[15-16]。【本研究切入点】灌漠土分布于我国漠境地区的内陆河流域和黄河流域，占国土面积一半以上，由于该区域生态脆弱而不稳定，干旱、贫瘠和板结是影响灌漠土农业发展的主要土壤障碍问题[17-18]。分布有大面积灌漠土的甘肃省张掖市是我国典型商品粮食、蔬菜基地，畜牧业发展良好，沼气建设成绩显著，每年都产生大量的鸡粪、牛粪、猪粪、菌渣、污泥和沼渣等有机废弃物料[19]。这些有机物料经过堆肥后还田，可以提高土壤的有机质含量、改良土壤结构、改善土壤理化性质和微生物环境，达到培肥地力的作用，同时还缓解了有机废弃物料对环境造成的压力。因此，利用田间小区定位试验研究长期施用不同有机物料灌漠土中重金属累积及其赋存形态的变化规律，对灌漠土地区有机废弃物料资源化利用和合理培肥土壤，防止土壤重金属过度累积导致土壤质量退化具有重要理论意义和实用价值。【拟解决的关键问题】阐明长期施用不同类型有机物料对灌漠土中重金属累积及赋存形态的影响，为灌漠土有机培肥中重金属累积的生态风险评价、预测及合理利用有机物料提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验时间、地点和材料

田间试验在甘肃省农业科学院张掖节水农业试验站进行。试验地土壤为灌漠土，试验初始 0—20 cm 土层土壤的重金属含量为Cd 0.22 mg·kg-1、Cr 121.39 mg·kg-1、Cu 32.40 mg·kg-1、Ni 58.13 mg·kg-1、Pb 24.23 mg·kg-1和Zn 73.56 mg·kg-1，其他基本理化性质见表1。

表1 试验区土壤基本理化性质

供试的有机物料为腐熟的鸡粪、牛粪、猪粪、菌渣、污泥和沼渣。其中几种畜禽粪肥取自试验站周边的养殖场，菌渣取自附近食用菌养殖户，污泥取自张掖市污水处理厂，沼渣取自附近农户沼气池，各种有机物料经充分腐熟后再施入土壤。试验2011—2017年施用的有机物料中重金属含量统计结果见表2。

表2 有机物料中重金属含量统计（2011—2017年）

1.2 试验设计

试验起始时间为2011年，共设置8个处理，分别为：（1）对照（CK），不施加有机物料与化肥；（2）施用化肥（NP），按当地常规施肥标准、长期定位试验结果及相关文献报道[20-21]，施加氮磷化肥；（3）化肥+鸡粪（NP+JF），70%常规施肥量+鸡粪；（4）化肥+牛粪（NP+NF），70%常规施肥量+牛粪；（5）化肥+猪粪（NP+ZF），70%常规施肥量+猪粪；（6）化肥+菌渣（NP+JZ），70%常规施肥量+菌渣；（7）化肥+污泥（NP+WN），70%常规施肥量+污泥；（8）化肥+沼渣（NP+ZZ），70%常规施肥量+沼渣。以上处理中常规施肥量为尿素391 kg·hm-2，重过磷酸钙（含P2O544%）273 kg·hm-2，不同类型有机物料按含有机质4 500 kg·hm-2的量施用。化肥和有机物料均作为基肥一次性施入。试验采用随机区组设计，各处理重复 3 次，每个小区面积为 5 m×6 m=30 m2。试验种植作物为春小麦，每年 3 月中旬播种，8 月初收获，田间管理同当地大田。

1.3 样品采集与处理

基础土样于布置试验前采取，每季小麦收获后各小区用五点法采集0—20 cm土层土样，均匀混合后按四分法留 l kg 混合土样，剔除石砾和植物残体，阴凉处风干并过 2 mm 筛后备用。从其中分取约50 g土样，用玛瑙研钵研磨并过100目筛，混匀后用于测定土壤重金属。小麦收获时每小区随机取 30 株进行考种，分别将籽粒、秸秆、根洗净，在70℃下烘至恒重、粉碎、过 1 mm 筛，装袋备用。

1.4 样品的测定

土壤重金属全量：称取0.5000 g左右100目土样于聚四氟乙烯消解罐中，在通风橱中与消解罐中加入9 mL硝酸和3 mL氢氟酸后，静置过夜，将消解罐放入微波消解仪中消解完全后，放入赶酸仪中160℃赶酸至近干，用5%的稀硝酸定容至25 mL，过滤，用ICP-MS测定溶液中Cu、Zn、Cd、Pb、Cr、Ni的浓度。

土壤重金属有效态：参照NY/T 890—2004。

土壤中重金属赋存形态：参照Tessier连续提取法[22]。

小麦植株重金属全量：称取干重为1 g过0.15 mm尼龙筛植株样品, 加入3 mL硝酸，1 mL高氯酸于微波消解仪上消解，定容，用ICP-MS测定溶液中Cu、Zn、Cd、Pb、Cr、Ni的浓度。

分析过程所用试剂均为优级纯，所用的水均为超纯水，同时加入国家标准土壤参比物质（GSS—1、GSS—4）和小麦标准物质（GSB—2）进行质量控制，分析结果符合质控要求。

1.5 数据分析

试验图表使用Microsoft Excel 2013及origin 8.0进行处理绘制，显著性差异分析采用软件SPSS进行多重比较，方差分析选用Duncan方法。

2 结果

2.1 有机物料类型对灌漠土重金属全量的影响

表3为连续施用鸡粪、牛粪、猪粪、菌渣、污泥和沼渣6种有机物料7年后土壤中Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn全量的变化。可以发现，长期施用鸡粪、猪粪、污泥显著增加了土壤中Cu和Zn的含量，且增加量为猪粪处理＞鸡粪处理＞污泥处理。与单施化肥处理（NP）相比，施用鸡粪、猪粪、污泥后土壤中Cu总量分别增加了20.10%、62.20%和10.26%，Zn分别增加了39.24%、79.98%和18.31%。施用有机物料对土壤Cd、Cr、Ni、Pb含量没有显著影响，且施用牛粪、菌渣和沼渣对土壤重金属全量的影响亦未达显著水平。

表3 不同有机物料长期施用对灌漠土重金属全量的影响

数据为平均值±标准差（=3）。同列不同小写字母表示处理间差异显著（＜0.05）。下同

The date are average values ± standard deviation (=3). Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among treatments (＜0.05). The same as below

图1为土壤中重金属全量随有机物料施用年限的变化。可以看出，土壤中Cd、Pb、Ni、Cr全量随有机物料施用年限的增加没有明显变化，但Cu、Zn含量随有机物料施用年限的增加呈现出逐年上升的趋势，其中施用鸡粪、猪粪和污泥处理尤为明显。应用相关结果进行回归分析，可以求得土壤中Cu、Zn含量随各种有机物料施用年限变化的回归方程（表4），其中，土壤全量Cu随鸡粪、猪粪、污泥和沼渣4种有机物料施用年限的增加呈显著线性上升的趋势，根据其回归关系式可以计算出土壤中Cu的累积速率分别为1.25、4.16、0.97和0.38 mg·kg-1·a-1，其累积速率为猪粪处理＞鸡粪处理＞污泥处理＞沼渣处理。土壤全量Zn随鸡粪、牛粪、猪粪、污泥和沼渣5种有机物料施用年限的增加呈显著线性上升，根据其回归方程式计算所得的土壤中Zn的累积速率分别为4.87、0.73、11.04、2.59和0.65 mg·kg-1·a-1，其累积速率为猪粪处理＞鸡粪处理＞污泥处理＞牛粪处理＞沼渣处理。

图1 土壤中重金属全量随有机物料施用年限的变化

表4 土壤中Cu、Zn全量（Y）随不同类型有机物料施用年限（X）的变化

**表示在0.01水平下差异显著 **Indicate significant difference at 0.01 levels

2.2 有机物料长期施用对灌漠土重金属赋存特征的影响

2.2.1 重金属有效态含量 表5为不同有机物料施用7年后土壤中重金属有效态含量。从表中可以看出有机物料的施用对土壤中Cd、Pb、Ni、Cr有效态含量没有显著的影响，牛粪、沼渣和菌渣对土壤中Cu、Zn有效态含量也没有显著的影响。但猪粪、鸡粪、污泥显著增加了土壤中有效态Cu、Zn（DTPA提取）含量，其在总量中所占的比例也随之增加。鸡粪、猪粪、污泥施用使土壤有效态Cu从单施化肥处理的1.88 mg∙kg-1分别增加到2.79、9.16和2.62 mg∙kg-1，分别提高了0.5、3.8和0.4倍，超过了Cu全量增加的比值，有效态Cu在总量中所占的比例也从单施化肥处理的5.89%分别提高到7.53%、17.56%和7.48%。鸡粪、猪粪、污泥施用使土壤有效态Zn从单施用化肥处理的0.97 mg∙kg-1分别增加到7.62、18.76和5.03 mg∙kg-1，分别提高了6.8、18.3和4.1倍，超过了Zn全量增加的比值，有效态Zn在总量中所占的比例从单施化肥处理的1.15%分别提高到8.52%、25.63%和6.11%。由此可见，鸡粪、猪粪、污泥的施用不仅提高了土壤中Cu、Zn含量，更显著增加了土壤中Cu、Zn的生物有效性，因此，长期施用高残留重金属的有机物料存在较大的环境风险。

表5 不同有机物料施用土壤中重金属有效态含量（DTPA提取）

2.2.2 Cu、Zn形态赋存特征 基于以上不同有机物料长期施用对灌漠土Cd、Pb、Ni、Cr总量及DTPA有效态没有显著性的影响，重金属赋存形态研究主要关注有显著影响的Cu、Zn元素。图2为长期施用6种有机物料土壤中Cu、Zn各赋存形态占总量的百分数。单施化肥处理土壤中Cu存在形态占总量的百分比大小顺序为残渣态（T7，61.41%）＞铁锰氧化态（T5，16.62%）＞腐殖酸结合态（T4，13.88%）＞强有机结合态（T6，6.49%）＞离子交换态（T2，0.88%）＞碳酸盐结合态（T3，0.73%），水溶态（T1）未检出，T1—T6合计占总量的38.59%。施用沼渣、菌渣对土壤中Cu赋存形态没有产生显著影响，但鸡粪、牛粪、猪粪和污泥显著影响了土壤中Cu赋存形态，显著增加了土壤中T1—T6形态Cu的含量和占总量的比例，T1—T6所占总量的比例从与单施化肥处理占总量的38.59%分别提高到了42.92%、42.43%、53.63%和41.03%，显著提高了土壤中Cu的有效性，增加量为猪粪处理＞鸡粪处理＞牛粪处理＞污泥处理。施用猪粪使土壤中Cu各赋存形态占总量的百分比从未检出（T1）、0.88%（T2）、0.73%（T3）、13.88%（T4）、16.62%（T5）和6.49%（T6）提高到0.50%、1.09%、1.87%、20.21%、21.52%和8.45%。施用鸡粪使土壤中的Cu各赋存形态占总量的百分比提高到0.21%（T1）、1.00%（T2）、19.3%（T5）和8.27%（T6）。施用牛粪虽然没有显著增加土壤中Cu总量，但显著增加了土壤中T2、T4形态Cu的含量和占总量的比例，分别提高到0.97%和16.43%。施用污泥增加了土壤中T1和T5形态Cu的含量和占总量的比例，分别提高到0.08%（T1）和18.80%（T5）。

单施化肥处理土壤中Zn主要存在形态占总量的百分比大小顺序为残渣态（T7，80.36%）＞铁锰氧化态（T5，11.82%）＞强有机结合态（T6，4.34%）＞腐殖酸结合态（T4，2.37%）＞碳酸盐结合态（T3，0.82%）＞离子交换态（T2，0.29%），所有试验处理水溶态Zn（T1）均未检出，T1—T6之和占总量的19.64%。与Cu形态变化趋势相似，施用沼渣、菌渣对土壤中Zn赋存形态没有产生显著影响，但鸡粪、牛粪、猪粪和污泥则显著影响了土壤中Zn赋存形态，显著增加了土壤中T2—T5形态Zn的含量和占总量的比例，对T6形态没有显著影响。T2—T5之和所占总量的比例从单施化肥处理的15.31%分别提高到了27.83%、21.51%、40.66%和22.85%，显著提高了土壤中Zn的有效性，增加量为猪粪处理＞鸡粪处理＞污泥处理＞牛粪处理，施用猪粪使土壤中Zn各赋存形态占总量的百分比从0.29%（T2）、0.82%（T3）、2.37%（T4）和11.82%（T5）提高到0.74%、12.99%、12.10%和14.82%, 鸡粪处理分别提高到0.45%、5.51%、7.07%和14.81%，污泥提高到0.36%、3.60%、4.74%和14.15%。施用牛粪虽然没有显著增加土壤中Zn含量，但显著增加了土壤中T2、T3和T4形态Zn占总量的比例，分别提高到0.48%、2.97%和4.78%。

图2 施入有机物料土壤中各形态Cu、Zn的分配情况

2.3 不同有机物料长期施用对小麦植株中Cu、Zn含量的影响

图3为不同有机物料施用后小麦植株各部分的Cu、Zn含量分布。从图中可以看出，不同有机物料施用7年后，与单施化肥处理相比，不同有机物料施用后对小麦植株各部分的Cu、Zn含量产生了不同影响。6种有机物料施用对小麦籽粒中Cu、Zn含量均没有显著影响，但猪粪、鸡粪、污泥施用提高了秸秆中Cu、Zn含量，Cu分别提高了46.6%、18.94%、21.75%，Zn分别提高了62.43%、31.21%和20.75%，其中猪粪处理达显著水平。猪粪、鸡粪处理也增加了小麦根中Cu、Zn含量，Cu分别提高了106.88%和9.75%，Zn分别提高了111.96%和33.32%，猪粪处理达显著水平。牛粪、菌渣、污泥和沼渣对小麦秸秆、根中的Cu和Zn含量均没有显著的影响。

不同小写字母表示处理间差异显著（P＜0.05） Different lowercase letters indicate significant differences among treatments (P＜0.05)

由表6可知，小麦籽粒Cu含量与土壤中各形态Cu含量没有相关关系，但小麦秸秆Cu含量与土壤中离子交换态、碳酸盐结合态、腐殖酸结合态、铁锰氧化态、强有机结合态及残渣态Cu存在极显著正相关关系（＜0.01）。小麦根Cu含量与土壤中离子交换态、碳酸盐结合态、腐殖酸结合态、铁锰氧化态、强有机结合态Cu存在极显著正相关关系（＜0.01），但与残渣态Cu无显著关系。

小麦籽粒Zn含量与土壤中各形态Zn含量同样没有相关关系，但小麦秸秆Zn与土壤中离子交换态、碳酸盐结合态、腐殖酸结合态、铁锰氧化态Zn存在极显著正相关关系（＜0.01），与强有机结合态和残渣态Zn无显著相关关系。小麦根Zn含量与土壤中离子交换态、碳酸盐结合态、腐殖酸结合态、铁锰氧化态Zn存在极显著正相关关系（＜0.01），与强有机结合态存在显著正相关关系（＜0.05），与残渣态Zn无显著关系。

表6 小麦植株中Cu、Zn含量与土壤中Cu、Zn赋存形态的相关关系

*和**分别表示在0.05和0.01水平下差异显著 * and ** Indicate significant difference at 0.05 and 0.01 level, respectively

3 讨论

在有机废弃物料资源化利用改良和土壤培肥过程中，由于有机废弃物料中可能存在的重金属高残留问题，会导致重金属在土壤中逐渐累积，造成潜在的环境和生态风险。我们通过在甘肃张掖灌漠土进行的7年连续定点小区试验结果表明，不同来源的有机物料对灌漠土中重金属含量及其赋存特征产生了不同的影响。其中集约化养殖场有机物料猪粪、鸡粪和城市污水处理厂的污泥均导致了Cu、Zn在土壤中的累积，且猪粪处理＞鸡粪处理＞污泥处理，并呈随施用年限延长而增加的趋势，但对Cd、Cr、Pb和Ni没有显著影响，而牛粪、菌渣和沼渣对灌漠土中重金属含量并没有显著影响，这与有机物料中重金属含量密切相关。表2为本研究连续7年所施用的不同有机物料中重金属含量统计数据。从表2中数值可以看出猪粪、鸡粪和污泥中的Cu、Zn含量均显著高于牛粪、菌渣和沼渣，且鸡粪、猪粪、污泥中Cu、Zn最小值均超过土壤的本底值（32.40 mg·kg-1和73.56 mg·kg-1），尤其是猪粪中Cu、Zn平均值为本底值的12倍，最大值为土壤的本底值的19倍和26倍，长期施用猪粪、鸡粪、污泥势必造成土壤中Cu、Zn的逐渐累积。牛粪、菌渣和沼渣中Cu、Zn平均值均低于土壤本底值，因此牛粪、菌渣和沼渣处理土壤中Cu、Zn没有明显累积。以上6种有机物料中Cd、Cr、Pb和Ni平均含量均接近或低于土壤本底值，因此所有处理土壤中Cd、Cr、Pb和Ni也没有明显累积。大量研究得到了与本试验相似的结果。董占荣等[23]发现，猪粪中Cu、Zn等重金属元素，随着猪粪的长期施用，在土壤表层不断积累，并且Cu、Zn的年增加浓度分别为2.57、2.69 mg·kg-1，本研究中猪粪施用处理土壤中Cu、Zn年增加浓度高于此值，分别为4.15、11.04 mg·kg-1，这与猪粪中Cu、Zn含量和施用量有关。叶必雄等[24]的研究也发现，长期施用不同畜禽粪便导致了农用区的土壤中重金属增加，但含量差异较大，Cu、Zn、As和Cd的含量为猪粪农用区＞鸡粪农用区＞牛粪农用区。国内外众多研究也表明含有高浓度重金属的畜禽粪便长期应用会增加生态环境的污染风险[25-30]。NICHOLSON等[31]认为畜禽粪便是土壤中Cu、Zn等重金属的主要来源，Cu、Zn在土壤中累积的年贡献率分别为40%和17%。通过对比最新实行的《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB15618—2018），尽管本试验各处理土壤中Cu、Zn的含量目前尚未超过农用地土壤风险筛选值，但按照目前的施肥方式及土壤中Cu、Zn的年累积速率，施用猪粪、鸡粪、污泥分别在16、54、70年和21、47、88年后，土壤中Cu和Zn全量将分别超过100 mg·kg-1（pH＞7.5）和300 mg·kg-1（pH＞7.5）的风险管控标准。

有机物料施用不仅造成土壤中重金属总量的累积，还影响了土壤中重金属的赋存形态，显著提高了土壤中重金属有效态含量，重金属在土壤中赋存形态直接影响重金属的毒性、迁移和环境效应[32-34]。本研究中，猪粪、鸡粪、污泥施用显著增加了土壤中有效态Cu、Zn（DTPA提取）含量，土壤中有效态Cu含量与单施化肥的处理相比分别提高了3.8、0.5和0.4倍，土壤中Cu有效态在总量中所占的比例也从单施化肥处理的5.89%分别提高到17.56%、7.53%和7.48%。而土壤中有效态Zn含量则分别提高了18.3、6.8和4.1倍，土壤中Zn有效态在总量中所占的比例也从单施化肥处理的1.15%分别提高到25.63%、8.52%和6.11%。本研究还表明，施用鸡粪、牛粪、猪粪和污泥显著影响了土壤中Cu、Zn赋存形态，显著增加了土壤中各有效赋存形态Cu、Zn的含量和占总量的比例，其中，猪粪的施用对土壤中Cu、Zn赋存形态及有效性影响最大。一般认为水溶态、离子交换态、碳酸盐结合态、腐殖酸结合态、铁锰氧化铁和强有机结合态为植物有效态或潜在有效态。猪粪施入灌漠土后，显著提高了土壤中腐殖酸结合态、铁锰氧化铁、强有机结合态、碳酸盐结合态、水溶态和离子交换态Cu的含量和占总量的比例，以上6种有效形态所占总量的比例从与单施化肥处理的38.59%提高到了53.63%。同时，也显著提高了碳酸盐结合态、腐殖酸结合态、铁锰氧化铁、强有机结合态和离子交换态形态Zn的含量和占总量的比例，以上5种有效形态所占总量比例从单施化肥处理的19.64%提高到了44.53%，促进了Cu、Zn在小麦根和秸秆中的累积，长期施用存在潜在的生态风险。大量的研究得到了和本研究相似的结果。杨子仪等[35]在黑土中研究表明，不同畜禽粪便的施用导致土壤中Zn由生物有效性低的残渣态和可氧化态向生物有效性高的酸可提取态和可还原态转化，提高了土壤中Zn的有效性。刘赫等[36]的研究也证实，含高Cu 的畜禽粪便长期施用土壤中，会导致DTPA 可提取态Cu 的浓度增加了3—4 倍。商和平等[37]研究发现，施入鸡粪和猪粪后，土壤中有效态Cu含量显著升高，并随施用量的增加而增加，其原因可能是施入有机肥导致土壤pH降低，使Cu向其活性较高的有效态转化，有效态Zn也有类似的变化，且比有效态Cu变化更明显。

从我们的研究结果还可以看出，过去重点关注的有机废弃物中Cd残留导致土壤污染的风险，在本研究中没有出现，这与近年来国家加强畜禽饲料中添加剂相关政策法规实施，使畜禽粪便中残留Cd浓度有较大幅度的下降有关。但值得关注的是，畜禽粪便中，尤其是猪粪中Cu、Zn含量一直维持在高浓度水平，薄录吉等[10]对我国21个省市集约化养猪场调查结果表明猪粪中Cu、Zn平均含量超标的省市分别占到95.2%和85.7%。而猪粪中Cu、Zn严重超标的原因来源于饲料中超标添加Cu、Zn等元素。在此次调查有猪饲料数据的11省市中，10个省（市）猪饲料样品中Cu含量全部超标，超标倍数在13.2—49之间。猪饲料Zn含量超标的样品数量占到60%—100%，超标倍数在1.3—9.5之间，猪粪和饲料间Cu、Zn达到极显著相关水平（＜0.01）。如果要保障有机肥施用不造成重金属Cu、Zn在土壤中累积，必须实现土壤中重金属输入和输出达到平衡。不考虑其他外源因素（如大气沉降、灌溉水、农药、化肥等）输入土壤中的重金属，单从有机物料输入因素考虑，作物收获为土壤中重金属输出的主要方式，建立基于肥料植物输入输出平衡的有机肥重金属控制限值的方程为y=a+b/x，其中y为有机肥重金属控制限值（mg·kg-1）； a为土壤重金属本底值（mg·kg-1）；b为作物收获携带输出的重金属总量（mg）；x为有机肥施用量（kg）。因此，是否造成重金属在土壤中累积，与有机肥中重金属含量、施用量以及作物携带输出量均有直接关系。在本试验条件下，小麦籽粒和秸秆最高产量分别为6 600和8 500 kg·hm-2，小麦籽粒和秸秆中Cu含量分别为6.39和4.18 mg·kg-1、Zn含量分别为27.22和8.69 mg·kg-1，小麦收获携带出土壤的Cu和Zn为77 704、25 3517 mg·hm-2，如果按每公顷土壤施入15 000 kg有机肥（干基），基于肥料作物输入输出平衡的有机肥Cu、Zn控制限值ycu=32.4+（77704/15000）和yZn=73.56 +（253517/15000），计算得出有机肥Cu、Zn控制限值分别为37.58和90.46 mg·kg-1，但目前我国大部分集约化养殖场猪粪、鸡粪中Cu、Zn残留量远远高于此估算值。本试验中施用的猪粪Cu、Zn含量均超过了此估算值，且平均值也超过了畜禽粪便安全使用准则中在蔬菜地使用限量标准和德国腐熟堆肥中部分重金属限量标准。

本研究中，虽然猪粪、鸡粪和污泥施用没有显著增加小麦籽粒Cu、Zn含量，小麦籽粒Cu、Zn含量与土壤中各形态Cu、Zn含量没有显著相关关系，但显著促进了小麦根和茎叶中Cu、Zn含量的增加，小麦根和茎叶中Cu、Zn含量与土壤中Cu、Zn各有效形态含量呈显著相关关系，这一结果可能与Cu、Zn在小麦各器官中运转受到外界土壤环境改变产生自我调控有关。从结果中还能看出，不施肥处理（CK）的小麦各部位Zn含量均较高，尤其是籽粒中含量显著高于其他施肥处理，这可能与不施肥造成的养分缺乏胁迫影响了小麦生长有关。作物根系通过主动和被动吸收土壤中重金属元素，并通过木质部运输至作物其他部位，而元素在作物体内不同器官中的运输分配是一个复杂的生理调控过程，元素竞争、植物的忍耐机制均影响到元素在各器官的含量，尤其是元素的长距离运输过程。本试验中不同有机物料施入使土壤中的元素种类及含量产生很大的变化，对小麦生长也产生了显著影响，因此会影响到Cu、Zn在小麦体内各器官的运转，这与许炼峰等[38]的研究结果相同。该研究表明水稻根和茎叶能有效地吸收和积累土壤中的Cu，水稻根和茎叶中的Cu与土壤中Cu含量呈显著正相关关系，但水稻籽粒中Cu含量与土壤中Cu含量无显著相关关系。虽然Cu、Zn是植物生长必需的微量元素，但Cu、Zn高残留的有机物料长期施用势必造成Cu、Zn在土壤中的大量累积，加上其较高的生物有效性，当土壤中含量超过一定阈值后将会影响作物生长，并带来严重的生态环境风险。因此，在施用有机物料培肥土壤时，除必须关注有毒有害重金属Cd、Pb等的变化外，也应重视其对土壤Cu、Zn含量的影响。

4 结论

4.1 不同有机物料长期施用对土壤中重金属累积有不同程度的影响，长期施用牛粪、菌渣和沼渣对灌漠土中重金属含量没有显著影响，但鸡粪、猪粪、污泥施用导致了Cu、Zn在土壤中的累积，增加值为猪粪处理＞鸡粪处理＞污泥处理，并随施用年限延长而呈现逐渐提高的趋势。

4.2 猪粪、鸡粪、污泥施用也显著影响了土壤中重金

属的赋存形态，显著提高了灌漠土中Cu、Zn的生物有效性。其中以猪粪施用对土壤中Cu、Zn赋存形态及有效性影响最大，显著促进了Cu、Zn在小麦根和秸秆中的累积，长期施用存在潜在的生态环境风险。

4.3 在施用有机物料培肥土壤时要关注有机肥中重金属含量，慎用重金属高残留的有机物料，防止重金属在土壤中的累积，保障土壤的健康和可持续利用。

[1] CANG L, WANG Y J, ZHOU D M, DONG Y H. Heavy metals pollution in poultry and livestock feeds and manures under intensive farming in Jiangsu Province, China., 2004, 16(3): 371-374.

[2] XIONG X, LI Y X, LI W, LIN C Y, HAN W, YANG M. Copper content in animal manures and potential risk of soil copper pollution with animal manure use in agriculture., 2010, 54(11): 985-990.

[3] 刘荣乐, 李书田, 王秀斌, 王敏. 我国商品有机肥料和有机废弃物中重金属的含量状况与分析. 农业环境科学学报, 2005, 24(2): 392-397.liu r l, li s t, wang x b, wang m. contents of heavy metal in commercial organic fertilizers and organic wastes., 2005, 24(2): 392-397. (in Chinese)

[4] 王飞, 邱凌, 沈玉君, 葛一洪, 候月卿. 华北地区饲料和畜禽粪便中重金属质量分数调查分析. 农业工程学报, 2015, 31(5): 261-267.

WANG F, QIU L, SHEN Y J, GE Y H, HOU Y Q. Investigation and analysis of heavy metal contents from livestock feed and manure in North China., 2015, 31(5): 261-267. (in Chinese)

[5] 朱泉雯. 重金属在猪饲料－粪污－沼液中的变化特征. 水土保持研究, 2014, 21(6): 284-289.

ZHU Q W. Distribution characteristics of heavy metals in feeds, pig manures and biogas slurry., 2014, 21(6): 284-289. (in Chinese)

[6] ATAFAR Z, MESDAGHINIA A, NOURI J, HOMAEE M, YUNESIAN M, AHMADIMOGHADDAM M, MAHVI A H. Effect of fertilizer application on soil heavy metal concentration., 2010, 160(1/4): 83-89.

[7] 陈芳, 董元华, 安琼, 钦绳武. 长期肥料定位试验条件下土壤中重金属的含量变化. 土壤, 2005, 37(3): 308-311. CHEN F, DONG Y H, AN Q, QIN S W. Variation of soil heavy metal contents in a long-term fertilization experiment., 2005, 37(3): 308-311. (in Chinese)

[8] 刘全东, 蒋代华, 高利娟, 李吉进, 孙钦平, 刘本生. 畜禽粪便有机肥源重金属在土壤-蔬菜系统中累积、迁移规律的研究进展. 土壤通报, 2014, 45(1): 252-256.

LIU Q D, JIANG D H, GAO L J, LI J J, SUN Q P, LIU B S. Research progress on heavy metal accumulation and migration of livestock dung organic fertilizer in soil-vegetable system., 2014, 45(1): 252-256. (in Chinese)

[9] 鲁洪娟, 马友华, 樊霆, 张国漪, 叶文玲, 陈海燕. 有机肥中重金属特征及其控制技术研究进展. 生态环境学报, 2014, 23(12): 2022-2030.

LU H J, MA Y H, FAN T, ZHANG G Y, YE W L, CHEN H Y. Research progress of heavy metals characteristics and control technology in organic fertilizers., 2014, 23(12): 2022-2030. (in Chinese)

[10] 薄录吉, 李彦, LUO Jiafa, 张英鹏, 井永苹, 刘兆辉. 我国规模化养猪场粪便重金属污染特征与农用风险评价. 农业机械学报, 2018, 49(1): 258-267.

BO L J, LI Y, LUO J F, ZHANG Y P, JING Y P, LIU Z H. Characteristics of heavy metals pollution in pig manures and environmental risks evaluation in intensive pig farming areas in China., 2018, 49(1): 258-267. (in Chinese)

[11] 黄玉溢, 陈桂芬, 刘斌, 熊柳梅. 广西集约化养殖猪饲料Cu和Zn含量及粪便Cu和Zn残留特性研究. 安徽农业科学, 2012, 40(17): 9280-9281.

HUANG Y Y, CHEN G F, LIU B, XIONG L M. Content of Cu and Zn in pig feeds and their residual character in pig manures from intensive piggery in Guangxi., 2012, 40(17): 9280-9281. (in Chinese)

[12] 郭广慧, 陈同斌, 杨军, 郑国砥, 高定. 中国城市污泥重金属区域分布特征及变化趋势. 环境科学学报, 2014, 34(10): 2455-2461.

GUO G H, CHEN T B, YANG J, ZHENG G D, GAO D. Distribution characteristics and changing trend of heavy metal in urban sludge in China., 2014, 34(10): 2455-2461. (in Chinese)

[13] 韩春梅, 王林山, 巩宗强, 许华夏. 土壤中重金属形态分析及其环境学意义. 生态学杂志, 2005, 24(12): 1499-1502.

HAN C M, WANG L S, GONG Z Q, XU H X. Chemical forms of soil heavy metals and their environmental significance., 2005, 24(12): 1499-1502. (in Chinese)

[14] 钱进, 王子健, 单孝全. 土壤中微量金属元素的植物可给性研究进展. 环境科学, 1995, 16(6): 73-75.

QIAN J, WANG Z J, SHAN X Q. Progress in the investigation on plant availability of soil trace metals., 1995, 16(6): 73-75. (in Chinese)

[15] 陈曦, 杨丽标, 王甲辰, 邹国元, 田自华, 左强, 肖强, 张琳. 施用污泥堆肥对土壤和小麦重金属累积的影响. 中国农学通报, 2010, 26(8): 278-283.

CHEN X, YANG L B, WANG J C, ZOU G Y, TIAN Z H, ZUO Q, XIAO Q, ZHANG L. effect of sewage sludge compost application on heavy metals accumulation in soil and wheat shoots., 2010, 26(8): 278-283. (in Chinese)

[16] 张云青, 张涛, 李洋, 苏德纯. 畜禽粪便有机肥中重金属在不同农田土壤中生物有效性动态变化. 农业环境科学学报, 2015, 34(1): 87-96.

ZHANG Y Q, ZHANG T, LI Y, SU D C. Bioavailability dynamics of heavy metal in livestock and poultry manures added to different farmland soils., 2015, 34(1): 87-96. (in Chinese)

[17] 郭天文, 谭伯勋. 灌漠土区吨粮田开发与持续农业建设. 西北农业学报, 1998, 7(4): 91-96.

GUO T W, TAN B X. Development and sustainable agricultural construction of tons of grain field in irrigated desert soil area., 1998, 7(4): 91-96. (in Chinese)

[18] 谭伯勋. 灌漠土的生态肥力及其展望. 甘肃农业科技, 1989(10): 22-27.

TAN B X. Ecological fertility of irrigated desert soil and its prospect., 1989(10): 22-27. (in Chinese)

[19] 王艺林, 贾玉琴, 赵维俊. 张掖市生态循环农业与经济发展模式. 草业科学, 2013, 30(9): 1488-1492.

WANG Y L, JIA Y Q, ZHAO W J. Ecological cycle of agriculture and economic development model in Zhangye., 2013, 30(9): 1488-1492. (in Chinese)

[20] 俄胜哲, 杨生茂, 郭永杰, 索东让, 杨思存, 崔云玲, 王成宝. 长期施肥对河西绿洲灌漠土作物产量及土壤养分自然供给能力的影响. 植物营养与肥料学报, 2010, 16(4): 786-793.

E S Z, YANG S M, GUO Y J, SUO D R, YANG S C, CUI Y L, WANG C B. Effects of long-term fertilization on crop yield and indigenous soil nutrient supply in Hexi Oasis of Gansu Province., 2010, 16(4): 786-793. (in Chinese)

[21] 索东让, 李多忠. 河西走廊灌漠土钾素状况及施钾效应. 磷肥与复肥, 2002(3): 70-71.

SUO D R, LI D Z. The potassium contents in Gansu corridor irrigated desert soil and its fertilization effect of current season.&, 2002(3): 70-71. (in Chinese)

[22] TESSIER A, CAMPBELL P G C, BISSON M. Sequential extraction procedure for the speciation of particular trace elements., 1979, 15(7): 844-851.

[23] 董占荣, 陈一定, 林咸永, 章永松, 倪丹华. 杭州市郊规模化养殖场猪粪的重金属含量及其形态. 浙江农业学报, 2008, 20(1): 35-39.DONG Z R, CHEN Y D, LIN X Y, ZHANG Y S, NI D H. Investigation on the contents and fractionation of heavy metals in swine manures from intensive livestock farms in the suburb of Hangzhou., 2008, 20(1): 35-39. (in Chinese)

[24] 叶必雄, 刘圆, 虞江萍, 杨林生, 王五一, 欧阳竹. 畜禽粪便农用区土壤—小麦系统中重金属污染及迁移. 地理研究, 2013, 32(4): 645-652.

YE B X, LIU Y, YU J P, YANG L S, WANG W Y, OUYANG Z. Heavy metal pollution and migration in soil-wheat system of different livestock manures agricultural areas., 2013, 32(4): 645-652. (in Chinese)

[25] HU Y, CHENG H, TAO S. Environmental and human health challenges of industrial livestock and poultry farming in China and their mitigation., 2017, 107(11): 111-130.

[26] LECLERC A, LAURENT A. Framework for estimating toxic releases from the application of manure on agricultural soil: National release inventories for heavy metals in 2000–2014., 2017, 590-591:452-460.

[27] AHMAD K, SHAHEEN M, KHAN Z I, BASHIR H. Heavy metals contamination of soil and fodder: A possible risk to livestock., 2016, 32(2): 140-148.

[28] LOGANATHAN P, HEDLEY M J, GRACE N D, LEE J, CRONIN S J, BOLAN N S, ZANDERS J M. Fertiliser contaminants in New Zealand grazed pasture with special reference to cadmium and fluorine-a review., 2003, 41(41): 501-532.

[29] MORAL R, PEREZ-MURCIA M D, PEREZ-ESPINOSA A, MORENO-CASELLES J, PAREDES C, RUFETE B. Salinity, organic content, micronutrients and heavy metals in pig slurries from South-eastern Spain., 2008, 28(2): 367-371.

[30] BOLAN N S, KHAN M A, DONALDSON J, ADRIANO D C, MATTHEW C. Distribution and bioavailability of copper in farm effluent., 2003, 309(1/3): 225-236.

[31] NICHOLSON F A, SMITH S R, ALLOWAY B J, CARLTON-SMITH C, CHAMBERS B J. Quantifying heavy metal inputs to agricultural soils in England and Wales., 2006, 20(2): 87-95.

[32] 王美, 李书田. 肥料重金属含量状况及施肥对土壤和作物重金属富集的影响. 植物营养与肥料学报, 2014, 20(2): 466-480.

WANG M, LI S T. Heavy metals in fertilizers and effect of the fertilization on heavy metal accumulation in soils and crops., 2014, 20(2): 466-480. (in Chinese)

[33] 刘秋萌, 徐楠楠, 谢忠雷, 陆文龙, 李文卓. 不同类型畜禽粪便Zn的形态分布及冻融作用对畜禽粪便Zn活性的影响. 农业环境科学学报, 2013, 32(8): 1664-1669.

LIU Q M, XU N N, XIE Z L, LU W L, LI W Z. Form distribution of Zn in livestock and poultry and influence of freezing and thawing on activity of Zn in livestock and poultry mature., 2013, 32(8): 1664-1669. (in Chinese)

[34] 徐聪珑, 贾丽, 张璐, 刘秋萌, 谢忠雷. 冻融作用对猪粪模拟施肥条件下东北黑土中重金属铜锌活性的影响. 农业资源与环境学报, 2015, 32(3): 229-234. XU C L, JIA L, ZHANG L, LIU Q M, XIE Z L. Effect of freezing and thawing on activity of Cu and Zn in black soil of Northeast China under simulated fertilization using pig manure., 2015, 32(3): 229-234. (in Chinese)

[35] 杨子仪, 吴景贵, 冯娜娜, 陈闯. 不同畜禽粪肥与化肥配施下黑土中Zn含量及形态变化特征. 农业环境科学学报, 2014, 33(9): 1728-1735.

YANG Z Y, WU J G, FENG N N, CHEN C. Effects of different livestock manures combined with chemical fertilizers on contents and fractions of zn in black soil., 2014, 33(9): 1728-1735. (in Chinese)

[36] 刘赫, 李双异, 汪景宽. 长期施用有机肥对棕壤中主要重金属积累的影响. 生态环境学报, 2009, 18(6): 2177-2182.

LIU H, LI S Y, WANG J K. Effects of long-term application of organic manure on accumulation of main heavy metals in brown earth., 2009, 18(6): 2177-2182. (in Chinese)

[37] 商和平, 李洋, 张涛, 苏德纯. 畜禽粪便有机肥中 Cu、Zn在不同农田土壤中的形态归趋和有效性动态变化. 环境科学, 2015, 36(1): 314-324.

SHANG H P, LI Y, ZHANG T, SU D C. Form tendency and bio-availability dynamics of Cu and Zn in different farm soils after application of organic fertilizer of livestock and poultry manures., 2015, 36(1): 314-324. (in Chinese)

[38] 陈怀满. 土壤-植物系统中的重金属污染. 北京: 科学出版社, 1996: 184-185.

CHEN H M.. Beijing: Science Press, 1996: 184-185. (in Chinese)

Heavy Metal Accumulation in Irrigated Desert Soils and Their Crop Effect after Applying Different Organic Materials

SONG ZiRong1, E ShengZhe2, YUAN JinHua2, JIA WuXia1, ZENG XiBai1, SU ShiMing1, BAI LingYu1

（1Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Agro-Environment, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100081;2Institute of Soil, Fertilizer and Water-saving Agriculture, Gansu Academy of Agricultural Sciences, Lanzhou 730070)

【】 This study aimed to explore the long-term effects of organic materials application on heavy metal content, fractionation, crop uptake in irrigated desert soil, and in further to provide a theoretical basis and technical support to control soil heavy metals accumulation during fertilization with organic materials. 【】 A long-term (7 years) positioning experiment was conducted by applied with 6 types of organic materials, including chicken manure, cattle manure, pig manure, sludge, biogas residue and mushroom residue, in irrigated desert soil. Subsequently, soil heavy metal content, fractionation and crop uptake were analyzed. 【】 Application with chicken manure, pig manure or sludge significantly increased the soil Cu and Zn content, which was in the order of pig manure treatment＞chicken manure treatment＞sludge treatment. No significant effect on soil heavy metals was observed for the other organic materials. After application with pig manure, chicken manure and sludge, soil Cu content increased by 62.20%, 20.10% and 10.26%, respectively, while soil Zn increased by 79.98%, 39.24% and 18.31%, respectively, showing an increasing trend with application year; the average annual cumulative rates of Cu were 4.16, 1.25 and 0.97 mg·kg-1·a-1, while which for Zn were 11.04, 4.86 and 2.59 mg·kg-1·a-1, respectively; No significant effect on soil Cd, Cr, Pb and Ni was observed. The application of cattle manure, mushroom residue and biogas residue had no significant effect on the total content of Cu and Zn in soil. Application with Pig manure, chicken manure, cow manure and sludge significantly affected the forms of Cu and Zn in soil, and significantly increased the proportion of the effective forms and total content of Cu and Zn in soil. 【】 Long-term application of pig manure, chicken manure and sludge could lead to the rapid accumulation of Cu and Zn and the increase in Cu and Zn bioavailability in irrigated desert soil, especially for pig manure. In the future, more concern is needed for the heavy metals in organic fertilizers during soil fertility improvement, so as to reduce heavy metal accumulation in soil and sustaining the soil healthy and agricultural use.

heavy metal; accumulation; fractionation; organic materials; irrigated desert soils; wheat; long-term positioning experiment

10.3864/j.issn.0578-1752.2019.19.008

2019-03-28；

2019-05-09

国家重点研发计划课题（2017YFD0801103）、国家科技支撑计划课题（2015BAD05B03）

宋姿蓉，E-mail：553761430@qq.com。

白玲玉，E-mail：bailingyu@caas.cn

（责任编辑 李云霞）