长期秸秆还田和地下水位对土壤镉积累及有效性的影响

吴佳琪，黄运湘*，尹力初，梁玉文，黄玲，向艳艳，施强

（1.湖南农业大学资源环境学院，长沙410128；2.湘西州土壤肥料工作站，湖南 吉首416000）

土壤镉来源包括自然源及人为源。由于工业的发展和人类活动的影响，人为源已成为农田土壤镉输入的主要途径，并在一定程度上危害农田生态环境，影响农产品质量安全[1]。施肥对农田土壤镉含量的影响最早被报道的是含镉化学磷肥[2-3]，随着养殖业饲料中微量营养元素的添加，家畜粪肥、厩肥等对农田土壤重金属含量的影响引起了广泛的关注[4-6]。茹淑华等[7]研究表明，连续7 a施用猪粪显著增加0～15 cm土层砷、镉含量，增幅分别在41.74%～46.19%和14.53%～22.09%。近年来，关于秸秆还田对增加土壤镉污染的风险有较多报道[8-9]。郑顺安等[10]研究表明，对镉污染农田实施秸秆还田，土壤镉含量较秸秆不还田土壤增加16.25%。潘逸等[11]研究表明，秸秆还田处理耕层土壤中交换性镉含量较无机肥处理高出43.2%。但也有与之相反的研究结论，即施用秸秆等有机物料可以原位钝化土壤中重金属并降低其在土壤中的活性[12-14]。水分是影响土壤镉有效性的一个重要因素，有关水分管理对土壤镉有效性的影响目前也有较多报道，淹水还原环境可促进土壤有机质的积累和铁的活化，增加有机质和游离氧化铁对镉的吸附，同时导致硫的还原和CdS沉淀的生成，降低镉的有效性，减少作物中镉的积累[15-16]。我国南方水田土壤因地形部位和排水条件的差异常处于不同的地下水位,高、低地下水位水分状况的差异会影响土壤的基本理化性质，从而影响土壤镉的有效性。目前有关水分管理的研究大多以灌溉方式为主要对象[17],而涉及地下水位的报道甚少。本文依托湖南农业大学资源环境学院37 a的长期定位试验，选取3种施肥方式（高量秸秆还田HS、常量秸秆还田MS、化肥CF）和2个地下水位（-20 cm和-80 cm）的红壤性水稻土，研究长期秸秆还田和不同地下水位对土壤镉积累及有效性的影响,并通过施肥方式的变更进一步探明秸秆还田对土壤镉积累的响应机制，为农田土壤的施肥管理和安全生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 长期定位试验概况

1.1.1 试验设计

湖南农业大学资源环境学院长期定位试验始建于1982年，供试土壤为第四纪红色黏土发育的水稻土（定位试验开始前1年将耕型第四纪红土红壤分层填入，然后淹水种稻）。试验占地面积128 m2，由3组双排平行的水泥池组成，半地下式，每排设6个小区，每小区1.44 m2，共计36个小区。组内中间设有水槽控制地下水位在-20 cm（高水位）和-80 cm（低水位），组间及四周设有2 m深的排水沟，试验区四周及顶部围有永久性不锈钢围网。试验设3种施肥方式：高量秸秆还田（HS）、常量秸秆还田（MS）、化肥（CF），各处理重复3～12次。在保证地下水位不变和原有定位试验有足够重复的前提下，2012年变更部分试验处理，将-20 cm地下水位中的12个MS处理变更3个为CF处理（即：常改化），3个为HS处理（即：常改高），6个HS处理中的3个变更为CF处理（即：高改化），6个CF处理中的3个变更成MS处理（即：化改常）。变更施肥方式旨在探讨有机肥对土壤碳固定及团聚体形成的响应机制[18]。定位试验设计、变更及其分布见图1。

1.1.2 田间管理与施肥方案

每小区施肥量以CF处理为标准，每季施N 150 kg·hm-2，N∶P∶K=1∶0.5∶0.67，化肥N、P、K分别以尿素、氯化钾、过磷酸钙为肥源。试验变更前，所施用秸秆早稻为紫云英，晚稻为水稻秸秆；MS处理有机N为总N量的1/3，HS处理有机N为总N量的2/3。为保持各处理间施肥水平的基本一致，秸秆还田处理N、P、K不足部分用化肥补足[19]。2012年定位试验变更后，早稻和晚稻施用的秸秆均变更为玉米秸秆（粉碎并过10 mm筛），玉米秸秆的N、P、K含量分别为10.4、5.9、12.6 g·kg-1，MS、HS处理下每年的秸秆用量分别为9 600 kg·hm-2和19 200 kg·hm-2。近5 a来种植的早稻、晚稻品种分别为湘早籼15和VY46。

图1长期定位试验设计及分布图Figure 1 Design and distribution of long-termpositioning experiment

本文选择3种施肥方式（HS、MS、CF）和2个地下水位深度（-20、-80 cm），建立二因素多水平试验方案，每处理重复3次，共计18个处理。变更后的4个处理（即：常改高、常改化、高改化、化改常），每处理重复3次，共计12个处理。

1.2 样品采集与测定方法

1.2.1 样品采集

2018年晚稻收获后，按五点法采集供试小区耕作层混合土壤样品，采样深度0～20 cm。土样采回后于室内自然风干，除去砂砾及动、植物残体，分别磨碎过10目和100目筛，混合均匀后装袋保存。

1.2.2 测定项目与分析方法

土壤总镉含量采用盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸四酸消化，有效态镉采用DTPA溶液浸提，ICP-MS测定。同时采用空白试验和GBW08303国家标准土样进行质量控制。土壤pH采用蒸馏水提取（液∶土=2.5∶1）-电位法测定；阳离子交换量（CEC）采用中性乙酸铵提取-蒸馏定氮法测定；土壤全磷采用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定；土壤有机质采用硫酸重铬酸钾外加热-容量法测定；土壤颗粒组成（或＜0.002 mm黏粒含量）采用吸管法测定。土壤游离氧化铁采用DCB提取-邻啡罗啉比色法测定；土壤络合态铁采用焦磷酸钠提取-邻啡罗啉比色法测定；土壤非晶质氧化铁采用草酸-草酸铵缓冲液提取-邻啡罗啉比色法[20]测定。土壤基本理化性状测定参照《土壤农业化学分析方法》[21]。

1.3 数据处理与统计分析

采用Excel 2007对数据进行统计分析，采用SPSS Statistics 22.0进行方差分析和Duncan多重比较，检验不同处理间的差异显著性（P＜0.05为差异显著）。

2 结果与分析

2.1 长期秸秆还田和地下水位管理土壤总镉及有效态镉含量

由表1可知，高水位条件下，连续37 a秸秆还田处理土壤总镉及有效态镉含量均高于CF处理，分别高出9.8%～21.8%和49.2%～59.9%。其中HS处理显著高于CF处理，HS与MS处理之间差异不显著。低水位条件下，HS处理土壤总镉及有效态镉含量分别较CF处理升高11.2%和31.6%，其中有效态镉含量差异达显著水平；MS处理土壤总镉及有效态镉含量分别较CF处理下降8.8%和14.3%，但均未达显著差异水平。

表1长期秸秆还田和地下水位管理土壤总镉及有效态镉含量Table 1 Total and available cadmium contents in soil of long-term straw returning and groundwater level management

相同施肥处理，高水位土壤总镉含量均高于低水位土壤，其中MS处理土壤总镉含量高水位显著高于低水位；土壤有效态镉含量HS和CF处理高水位低于低水位，但未达显著差异水平，而MS处理则是高水位显著高于低水位。方差分析结果表明，施肥方式和地下水位均影响土壤总镉及有效态镉含量，施肥方式对土壤总镉含量影响显著，对有效态镉含量影响极显著；地下水位对土壤总镉含量影响极显著，对有效态镉含量影响不显著；地下水位和施肥方式的交互作用对土壤有效态镉含量影响显著，对总镉含量影响不显著。

2.2 试验处理变更对土壤总镉及有效态镉含量的影响

从表2可知，HS和MS变更为CF处理5 a后，土壤总镉和有效态镉含量前者分别降低2.5%和5.7%，后者分别提高1.7%和5.4%，但均未达显著差异水平。MS处理变更为HS处理5 a后，土壤总镉和有效态镉含量分别增加22.3%和29.3%，处理间差异达显著水平。CF处理变更为MS处理后，土壤总镉和有效态镉含量分别增加16.5%和58.9%，有效态镉含量处理间差异显著。从变更前、后土壤总镉和有效态镉含量的变化幅度可知，秸秆还田特别是大量秸秆还田，不仅增加土壤镉的积累，同时提高土壤镉的有效性。降低秸秆施用量，在一定程度上可以控制土壤镉的积累，降低镉的有效性。

2.3 长期秸秆还田和地下水位管理对土壤基本理化性质的影响

从表3可知，长期施用秸秆有机肥，土壤pH较CF处理降低，且低水位条件下差异达显著水平，HS、MS处理土壤pH分别较CF处理降低0.35个和0.24个单位；有机质含量较CF处理升高，HS处理高、低水位条件下均达显著差异水平，MS处理高水位条件下达显著差异水平。高水位条件下，HS、MS处理有机质含量分别较CF处理提高47.9%和46.5%，低水位条件下则分别提高45.2%和7.0%。CEC、粉粒含量及铁的结合形态等各处理之间未达显著差异水平。

表2试验处理变更前、后土壤总镉及有效态镉含量Table 2 The contents of total and available cadmium in soil before and after experiment treatment change

表4表明，HS、MS处理改为CF处理5 a后，土壤pH较变更前分别升高0.15个和0.18个单位，有机质含量分别下降8.7%和16.5%。游离氧化铁、非晶质氧化铁、络合态铁含量等变化较小。

2.4 土壤总镉和有效态镉含量与土壤理化性质的相关性

从表5可知，土壤总镉与有机质、CEC、黏粒含量、非晶质氧化铁、络合态铁呈正相关关系，其中与有机质、络合态铁呈极显著正相关；与pH、全磷、粉粒含量、游离氧化铁呈负相关关系，其中与pH、粉粒含量呈显著负相关。土壤有效态镉与有机质、CEC、络合态铁呈正相关关系，其中与有机质、CEC呈极显著和显著正相关；与pH、全磷、黏粒、粉粒含量、游离氧化铁、非晶质氧化铁呈负相关关系，其中与pH、游离氧化铁极显著负相关。

3 讨论

秸秆是土壤有机碳的重要来源，也是提升土壤有机质的重要途径[22]。近年来有关秸秆还田对土壤镉积累及生物有效性的影响引起学者们高度关注。一方面作物吸收的镉主要贮存在秸秆中，且向籽粒转运较少，秸秆还田将作物吸收的大部分镉归还到土壤中，还田量越大，土壤镉积累越多[23]。另一方面，秸秆分解过程中释放质子和有机酸，降低土壤pH，活化难溶态镉，致使土壤有效态镉含量增加[10，14，24]。本研究基于长期定位试验，以化肥为对照，探明37 a长期秸秆还田对土壤总镉及有效态镉含量的影响。结果表明，-20 cm水位，相当于排水不畅的潜育型水稻土，HS处理（秸秆年施用量为19 200 kg·hm-2）土壤总镉及有效态镉含量较CF处理显著升高，升高幅度达21.8%和59.9%；MS处理（秸秆年施用量9 600 kg·hm-2）土壤总镉含量较CF处理仅提高9.8%，有效态镉提高49.2%，达显著差异水平。-80 cm水位，相当于水分状况良好的潴育型水稻土，HS处理土壤总镉较CF处理仅提高11.2%，有效态镉提高31.6%，达显著差异水平；MS处理，土壤总镉及有效态镉含量较CF处理降低，但未达显著差异水平。表明在镉轻度污染的土壤中，大量秸秆还田有增加土壤镉积累、提高镉活性的风险。究其原因，长期大量秸秆还田，一方面归还了作物吸收的大部分镉，同时有利于腐殖质的合成，增加了土壤对镉的吸附，土壤总镉含量在37 a内较CF处理有一定幅度上升（11.2%～21.8%）；同时秸秆在分解过程中产生大量的有机酸，降低了土壤的pH，活化了土壤镉，有效态镉含量较CF处理提高31.6%～59.9%。减少秸秆用量，同时降低地下水位，土壤总镉及有效态镉含量较CF处理降低，这可能与镉的淋洗下移及吸附固定有关，后续将进一步开展研究。从试验处理变更后土壤总镉和有效态镉含量的变化分析，进一步证实秸秆还田特别是大量秸秆还田，有增加土壤镉积累的风险，在中度和重度镉污染农田，应实施秸秆离田技术。

表3长期秸秆还田和地下水位管理土壤基本理化性质Table 3 The basic physical and chemical properties in soil of long-term straw returning and groundwater level management

表4试验处理变更前、后土壤的基本理化性质Table 4 The basic physical and chemical properties in soil before and after the change of test treatment

表5土壤理化性质与土壤总镉及有效态镉含量的相关性Table 5 Correlation analysis of soil physical and chemical propertieswith soil total and available cadmium contents

土壤水分状况直接影响土壤的发生发育过程、物质的淋溶、沉积及迁移转化特征，同时通过影响土壤的物理、化学与生物学性质，间接影响地壳元素的化学形态及生物有效性[25]。高水位条件下，稻田排水不畅，还原作用加强，Eh下降。一方面硫化物还原生成的S2-与土壤中的Cd2+直接形成稳定、难溶的CdS沉淀，同时S2-与土壤铁结合生成铁的硫化物，与土壤中Cd2+发生共沉淀作用，导致镉的生物有效性降低[26]。另一方面，土壤的还原环境促进了有机质的腐殖化过程，增加其对土壤镉的吸附，降低其有效性，这与朱丹妹等[27]的研究结果一致。本研究表明，高水位条件下，土壤铁的活性增强，HS、MS、CF处理土壤活性氧化铁（也称非晶质氧化铁）含量较低水位土壤分别高出4.4%、15.3%和18.4%。活性氧化铁具有更多的吸附点位和更大的比表面积，这些均提高了对镉的吸附能力，土壤总镉含量增加，由于镉的移动性下降，有效态镉含量降低，与朱丹妹等[27]和Tack等[28]的研究结果一致。相关分析结果表明，土壤有机质含量、CEC、pH和铁的结合形态是影响土壤镉积累及其有效性的最主要因素。以上进一步表明了不同施肥方式与水分管理，通过改变土壤的基本理化性质，从而影响土壤镉的积累及其有效性，这与李慧敏等[29]和张会民等[30]的研究结果相似。

4 结论

（1）高地下水位（-20 cm）条件下，长期秸秆还田土壤总镉及有效镉含量分别较化肥处理升高；低地下水位（-80 cm）条件下，高量秸秆还田处理土壤总镉及有效态镉含量较化肥处理升高，而常量秸秆还田处理土壤总镉及有效态镉含量较化肥处理下降。施肥方式变更后，土壤总镉和有效态镉含量随秸秆施用量的增加而增加，随化肥施用量的增加而减少。

（2）高地下水位处理土壤总镉含量均高于低地下水位处理；有效态镉含量在常量秸秆还田处理下，高地下水位＞低地下水位，高量秸秆还田和化肥处理下则表现为高地下水位＜低地下水位。

（3）方差分析表明，施肥方式对土壤总镉和有效态镉含量表现出显著和极显著影响；地下水位对土壤总镉含量影响显著，对有效态镉含量影响不显著。

（4）相关分析表明，土壤有机质含量、CEC、pH和铁的结合形态是影响土壤镉积累及其有效性的最主要因素。