长期施用有机肥对稻田重金属含量的影响

陈钰佩，陆若辉，朱伟锋，沈月，孔海民

(浙江省耕地质量与肥料管理总站，浙江 杭州 310020)

我国耕地质量整体偏低、退化和污染严重、占优补劣现象普遍[1]，而农业生产对化肥的高度依赖又进一步加剧了耕地质量下降、环境污染、资源浪费等问题[2-3]。合理施用有机肥能从物理、化学、生物肥力方面综合提升土壤肥力水平，提高土壤养分供应能力[4]，降低化肥用量，提升作物产量，改善产品品质[5-6]，是解决耕地质量问题、发展绿色生态农业的重要途径之一。

畜禽粪便养分含量丰富，是有机肥料的重要原料，但随着养殖业集约化规模化发展，饲料添加剂的大量使用，致使畜禽粪便中重金属含量大幅上升，成为商品有机肥中重金属污染的主要来源[7-8]。有研究[9-10]指出，有机肥中携带的重金属直接施入土壤中会导致稻米重金属含量增加，需要从源头上控制主要污染元素在农田土壤中的积累，以降低农产品重金属富集风险。因此，探究长期施用不同有机肥对土壤重金属含量的影响，明确有机肥料中重金属对土壤存在的污染风险，对于合理施用有机肥、降低农业污染风险、保障农产品安全、维护农田生态系统健康具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验地于2008—2018年连续种植单季晚稻，地点为浙江省试验基地，包括萧山、台州、诸暨、金华等地。水稻品种包括秀水113、秀水134、甬优8号、甬优9号等。

1.2 处理设计

试验设4个处理：秸秆还田+化肥(T1)，每667 m2施N、P2O5、K2O化肥折18.69、3.39、8.18 kg，有机肥折1.18、0.54、1.14 kg，总养分33.12 kg；猪厩肥+化肥(T2)，每667 m2施N、P2O5、K2O化肥折16.00、2.10、2.80 kg，有机肥折3.38、1.43、4.50 kg，总养分30.20 kg；商品有机肥1+化肥(T3)，每667 m2施N、P2O5、K2O化肥折13.20、4.35、5.55 kg，有机肥折1.20、1.00、6.00 kg，总养分31.30 kg；商品有机肥2+化肥(T4)，每667 m2施N、P2O5、K2O化肥折16.38、3.60、4.50 kg，有机肥折3.60、2.00、2.50 kg，总养分32.58 kg。每组处理均各自设不施肥空白对照(CK1)和常规单施化肥对照(CK2)。

1.3 样品采集与测定

每年水稻收获后，每小区按“S”形随机选择5个样点，采集0～20 cm土壤样品。5点混合成1个约2 kg的土样，阴凉通风处风干，全部研磨后过2 mm尼龙筛，四分法取一半土样研磨过0.25 mm尼龙筛，过2 mm筛土样用于测定土壤pH，过0.25 mm筛土样用于重金属分析。

土壤重金属元素测定前处理方法按照GB 15618—1995标准执行，商品有机肥料检测5项有限量要求的重金属(As、Hg、Pb、Cr、Cd)，按照NY/T 1978—2010标准执行，利用电感耦合等离子体质谱仪ICP-MS测定重金属含量。

1.4 数据处理

采用Excel 2007软件完成数据处理及作图，采用IBM SPSS Statistics V22.0软件进行统计分析，肥料评价标准参照《有机肥料》(NY 525—2012)，土壤重金属污染的评价标准参照《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准》(GB 15618—2018)。

2 结果与分析

依据GB15618—2018的相关标准，本试验长期施用各类有机肥并未对稻田土壤造成重金属污染，各指标均处于正常范围(表1)，T3处理的试验地Cd含量基础值偏高，施用商品有机肥未增加Cd含量。经统计学分析，施用有机肥处理的各重金属含量与对照间无显著差异。

表1 长期施用不同有机肥处理的土壤金属元素含量

T2处理的Cu、Zn含量平均值分别比CK1增加1.05、2.61倍，比CK2增加0.06、0.88倍。猪厩肥养分含量复杂且不稳定，田间试验数据离散程度高，虽然平均数值较对照有所上升，但统计学分析并无显著差异。T3处理的Zn平均含量比CK1增加0.35倍，虽然整体结果显示无显著差异，但个别元素如Cu、Zn等含量在不同试验地中均出现上升趋势，尤其是Zn，虽然试验所得数据仍处于安全标准内，但部分试验地的重金属含量已接近限量阈值。

2.1 对土壤Fe、Mn、B含量的影响

有机肥处理下，土壤Fe、Mn、B含量较CK2高，其中Fe随着年份增加，差值逐渐增大。秸秆还田处理促进Fe、Mn在土壤中的累积，累积量随年份增加而增加。施用猪厩肥时，供试肥料成分不稳定，试验结果不一致。施用商品有机肥时，Fe、Mn、B在土壤中的积累量变化不明显(图1)。

含量差值为有机肥处理减去CK2，图2、3同。

2.2 对土壤Cd、Hg、As、Pb、Cr含量的影响

图2显示，有机肥处理下，土壤中Cd、As含量较CK2的差异不明显。秸秆还田处理下，As的累积量低于对照。施用猪厩肥时，Cd、As元素较对照变化不明显，数值不稳定。T3处理Cd元素在2013年数值偏高，结合表1数据可知，其含量与CK1无明显差异，数据偏高源于试验地本身，而非施用有机肥。T4处理中两元素累积现象均不明显。

图2 长期施用不同有机肥处理的土壤Cd、Hg、As、Pb、Cr含量差值变化

有机肥处理下，土壤Hg、Pb、Cr含量较CK2偏高，随着年份增加，差值变化不一。其中，秸秆还田处理下，Hg、Pb元素的累积量明显，随着年份增加，差值呈下降趋势，Cr元素无明显差异。施用猪厩肥时，Hg、Pb元素积累量结果不稳定，数值差异大，Cr元素出现积累，随着年份增加，差值呈下降趋势。施用商品有机肥时，只有T3处理的Hg积累量呈上升趋势，Pb、Cr累积现象均不明显。

2.3 对土壤Cu、Zn含量的影响

图3显示，有机肥处理下，土壤中Cu、Zn含量较CK2偏高，差值不大。其中，秸秆还田处理下，Cu、Zn元素的累积量变化不明显。施用猪厩肥时，Cu、Zn元素积累量随年份增加而增加。施用商品有机肥时，T3处理的Cu积累不稳定，Zn元素含量较对照无明显变化。相较于其他处理，施用猪厩肥易造成水稻田中Cu、Zn元素的积累。

图3 长期施用不同有机肥处理的土壤Cu、Zn含量差值变化

2.4 浙江省有机肥质量的抽检结果

检测2019年浙江省商品有机肥样品共347份，结果(表2)显示，重金属Pb、Cd、Cr、As、Hg超标率分别为0.58%、2.03%、0.29%、0.58%和0.02%。Pb、Cd、Cr、As、Hg最高检测值分别为198、17、618、31、14 mg·kg-1，达限量标准的4.0、5.6、4.1、2.1、7.0倍。抽检的有机肥样品中重金属超标率不高，但部分样品超标程度严重，尤其是Hg、Cd元素，超标5倍以上。对比2014—2016年抽检结果[8]，有机肥料的重金属超标率有所下降。

表2 浙江省商品有机肥的重金属含量情况

3 讨论

2018年试验结果表明，秸秆还田处理下，土壤重金属含量与对照无显著差异。长期定位试验发现，Fe、Mn、As、Pb、Hg在土壤中的累积量略高于对照，其中Fe、Mn的累积量随时间增长而增加。本试验选用的土壤背景值均处于正常范围内，秸秆还田的秸秆均来自于上一茬水稻，秸秆本身重金属含量少，对于土壤的潜在污染风险较低。目前，针对秸秆还田与重金属的研究多集中于秸秆自身的重金属富集、还田对土壤重金属活性的影响等方面。秸秆还田后产生的溶解有机碳可作为重金属的有机配体，可提高土壤中重金属的移动性和迁移性，增加污染土壤重金属的活度[11]，污染农田中长期进行秸秆还田可能导致土壤、水稻、蔬菜中积累Cr、Pb、Hg[12]，造成农产品的污染风险。

猪厩肥处理较其他有机肥更易累积重金属，2018年试验结果表明，猪厩肥处理的Cu、Zn含量分别比不施肥对照增加1.05、2.61倍，并且其积累量随年份增加而增长。有研究[13]指出，茶园常年施用规模化养殖场猪粪后，土壤中各形态Cu和Zn含量均显示增加。王开峰等[14]提出，施用厩肥明显提高了土壤Zn、Cu、Cd的有效态含量和活化率，有机肥的“激活”效应是导致长期施肥土壤有效态重金属含量显著提高的主要机制。各种重金属元素以畜禽饲料添加剂的形式进入有机肥生产链条，过量的添加剂是导致畜禽粪便中重金属超标的重要原因之一，重金属元素以Cu、Zn富集较多，各肥料种类中以猪厩肥超标最为严重[15-16]，农业生产中施用畜禽粪肥应注意防范Cu、Zn的污染风险。

商品有机肥处理与对照相比，土壤重金属含量无明显差异，但个别元素如Cu、Zn等含量在不同试验地中均出现上升趋势，长期定位观测下，施用商品有机肥处理的Hg、Pb元素较对照高。姚冬辉等[17]证实相同成果，土壤中重金属Pb、Cu和Zn等含量均随商品有机肥用量的增加表现为递增的趋势，但未超过土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准。施用有机肥需要适量合理，通过有机无机配施，既可在一定程度上防止微量营养元素的亏缺，也可有效地控制农田生态系统重金属的污染[18]。

4 小结

长期施用有机肥后，试验地各重金属指标均符合农用地土壤污染限量标准，其中Fe、Mn、Pb、Hg、Cr、Cu、Zn的含量较对照均有所增加，尤其是猪厩肥处理的Cu、Zn积累明显。浙江省市场供应商品有机肥Pb、Cd、Cr、As、Hg存在一定的超标现象。需注意合理适量施用有机肥，防范畜禽粪肥中的Cu、Zn积累，降低土壤的重金属污染风险。