有機(jī)肥長期施用對設(shè)施土壤全鎘和有效態(tài)鎘含量的影響*

段海芹，秦 秦，呂衛(wèi)光，薛 永，孫麗娟，宋 科

有機(jī)肥長期施用對設(shè)施土壤全鎘和有效態(tài)鎘含量的影響*

段海芹1，2，秦 秦2，3，呂衛(wèi)光2，薛 永2?，孫麗娟2，宋 科2

（1. 上海海洋大學(xué)海洋生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，上海 201306；2. 上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究所，農(nóng)業(yè)部上海農(nóng)業(yè)環(huán)境與耕地保育科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站，上海市農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站，上海低碳農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海市設(shè)施園藝技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201403；3. 時(shí)科生物科技（上海）有限公司，上海 201108）

應(yīng)用長期田間定位試驗(yàn)方法，比較研究了長期有機(jī)肥不同施肥方式（不施肥、有機(jī)肥常量、有機(jī)肥減量及有機(jī)肥減量配施化肥）對設(shè)施土壤鎘（Cd）全量及有效態(tài)含量的影響，同時(shí)考察了其對土壤特性的影響及二者的相關(guān)性。結(jié)果表明：與不施肥的設(shè)施土壤（對照）相比，長期定量施用有機(jī)肥土壤表層（0～20 cm）Cd全量顯著降低，且隨著施用量下降，該效果更顯著，但對亞表層（20～40 cm）Cd全量無顯著影響。長期施用有機(jī)肥會(huì)提高設(shè)施土壤表層Cd有效態(tài)含量，特別是0～10 cm土壤有效態(tài)Cd含量顯著高于對照，但與有機(jī)肥常量處理相比，有機(jī)肥減量和有機(jī)肥減量配施化肥處理土壤有效態(tài)Cd含量分別顯著降低了17.56%和14.04%；同時(shí)，有機(jī)肥減量配施化肥對設(shè)施土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、表層有效磷均有大幅提升，且pH偏高于有機(jī)肥常量。相關(guān)分析表明，設(shè)施土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷含量均與土壤Cd全量和有效態(tài)含量之間呈顯著或極顯著正相關(guān)，土壤全氮含量與Cd有效態(tài)含量呈顯著正相關(guān)，pH與有效態(tài)含量之間呈極顯著負(fù)相關(guān)。上述結(jié)果表明有機(jī)肥適當(dāng)減施，同時(shí)輔以適量化肥，可進(jìn)一步改善設(shè)施土壤特性，進(jìn)而控制設(shè)施土壤表層Cd累積。

設(shè)施土壤；長期施有機(jī)肥；鎘；土壤特性；富集

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國約有19.4%的農(nóng)田土壤重金屬含量超標(biāo)，主要污染元素為鎘（Cd）、汞（Hg）、砷（As）、銅（Cu）和鉛（Pb）[1]。土壤重金屬污染不僅會(huì)影響土壤質(zhì)量與作物產(chǎn)量，還能通過食物鏈危害人體健康，如骨痛病和水俁病[2]。設(shè)施土壤是我國城郊典型的商業(yè)化旱耕土，由于重金屬累積程度逐年加深，引起設(shè)施土壤生產(chǎn)力逐年下降和生態(tài)環(huán)境破壞，導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益也逐漸降低。因此，改善設(shè)施土壤重金屬污染和環(huán)境健康狀況，對提高城郊區(qū)生態(tài)環(huán)境功能和設(shè)施農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

有機(jī)肥施用是設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中改善土壤地力的重要方式之一，可顯著提高土壤中有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤物理化學(xué)特性，促進(jìn)微生物生長繁育，提高土壤微生物活性[3-5]。同時(shí)，有機(jī)肥本身也攜帶一定量重金屬，長期施用會(huì)提高土壤重金屬的投入。索琳娜等[6]研究認(rèn)為有機(jī)肥施用是土壤Cd、鉻（Cr）累積的主要原因之一。王珂等[7]和王騰飛等[8]研究發(fā)現(xiàn)長期施用有機(jī)肥（豬糞、牛糞）會(huì)增加土壤Cd全量。嚴(yán)露等[9]研究發(fā)現(xiàn)施用有機(jī)肥不僅會(huì)增加土壤Cd累積，還會(huì)促使土壤Cd向較高生物活性的賦存形態(tài)轉(zhuǎn)化。也有研究表明，有機(jī)肥含有大量的有機(jī)物質(zhì)，會(huì)減少土壤重金屬的生物有效性，降低土壤重金屬的生物毒性以及作物體內(nèi)重金屬的含量，改善作物產(chǎn)量和品質(zhì)。謝運(yùn)河等[10]研究發(fā)現(xiàn)施用有機(jī)肥（豬糞、雞糞）有減少土壤有效態(tài)Cd含量和降低活性的趨勢，可降低稻米中Cd含量。李順江等[11]研究表明施用有機(jī)肥會(huì)降低土壤中Cd和Cr的生物有效性，抑制小白菜對Cd和Cr的吸收，并且有提高小白菜品質(zhì)的效果。但也有學(xué)者認(rèn)為，有機(jī)肥對土壤重金屬具有活化效應(yīng)，會(huì)提高土壤重金屬的移動(dòng)性和生物有效性。譚長銀等[12]通過長期定位試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥施用顯著增加了有效態(tài)Cd在黑土中的累積并提高了Cd的生物有效性?？梢?，現(xiàn)有有機(jī)肥對土壤重金屬累積和重金屬活性影響的研究結(jié)果不一，而且關(guān)于相對封閉、無雨水沖淋、易造成土壤重金屬累積的設(shè)施土壤研究較少。與其他重金屬元素相比，重金屬Cd已被證實(shí)具有較高移動(dòng)性，極強(qiáng)的生物活性、累積性和毒性[13]，我國農(nóng)田土壤被Cd污染的現(xiàn)象時(shí)有報(bào)道[14]，導(dǎo)致每年均有一定數(shù)量的農(nóng)產(chǎn)品被Cd污染[15]。再者，多位學(xué)者通過調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)設(shè)施土壤Cd超標(biāo)問題比較突出[16-17]。因此，本研究以連續(xù)六年的長期田間定位試驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究長期有機(jī)肥不同施肥方式對設(shè)施土壤Cd全量和有效態(tài)含量的影響，其結(jié)果可為設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)合理施用有機(jī)肥、控制土壤重金屬污染、提高設(shè)施農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)及經(jīng)濟(jì)效益提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤：試驗(yàn)點(diǎn)位于上海市奉賢區(qū)莊行鎮(zhèn)上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院綜合實(shí)驗(yàn)站設(shè)施大棚（30°53′419″N，121°23′158″E），供試土壤為潮土，質(zhì)地砂壤，初始土壤理化性質(zhì)為：pH 7.21、有機(jī)質(zhì)18.9 g·kg–1、全氮1.50 g·kg–1、有效磷66.53 mg·kg–1、速效鉀150 mg·kg–1，全Cd 0.12 mg·kg–1，有效態(tài)Cd 0.05 mg·kg–1。

供試肥料：本試驗(yàn)中施用的有機(jī)肥料由慧塔實(shí)業(yè)有限公司提供，主要原料為豬糞和菌渣；化肥為尿素、硫酸鉀及復(fù)合肥，購于上海奉賢莊行種子場，其理化性質(zhì)見表1。

注：/ 表示未檢測指標(biāo)。下同。Note：/ indicates not tested. The same below. ①Organic manure，②Urea，③Potassium sulfate，④Compound fertilizer，⑤Not detectable.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)于2013年開始，種植模式為西瓜連作，共設(shè)4個(gè)處理：對照（不施肥，CK）；有機(jī)肥常量（M1），有機(jī)肥減量（M2）及有機(jī)肥減量配施化肥（M3），每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)，每個(gè)小區(qū)面積為22 m2，各小區(qū)隨機(jī)排列，各處理的肥料施用量見表2。其中，有機(jī)肥和鉀肥作為基肥一次性施入；復(fù)合肥72%作為基肥，余下28%在西瓜彭果期作為追肥施入，氮肥作為追肥在西瓜苗期施入。灌溉及病蟲害防治等其他田間管理措施相同，均參照當(dāng)?shù)亓?xí)慣進(jìn)行。施肥后與耕層土壤（0～20 cm）用小型旋耕機(jī)充分混勻。試驗(yàn)期6年，每年均按相同方法和用量施用肥料。

1.3 樣品采集與預(yù)處理

在2018年8月7日栽培作物收獲后，采用“S”型5點(diǎn)混合采樣法采集土壤樣品，采樣深度為0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm三個(gè)土層。去除植物殘?bào)w等雜物后，將土壤樣品置于干燥通風(fēng)處自然風(fēng)干，研磨、過篩備用。

表2 各處理的肥料施用量

注：括號內(nèi)為有機(jī)肥或化肥總量換算成的養(yǎng)分純量。Note：The values in the brackets were the nutrient contents converted from the total amount of organic manure or chemical fertilizer. ① No fertilizer，②Organic manure application at a conventional rate，③Organic manure application at a reduced rate，④Organic manure application at a reduced rate supplemented with a certain rate of chemical fertilizer.

1.4 分析方法

土壤pH采用無二氧化碳蒸餾水浸提（水︰土= 2.5︰1），酸度計(jì)測定；全氮采用凱氏定氮法測定；有效磷采用0.5 mol·L–1碳酸氫鈉溶液浸提，鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用1 mol·L–1醋酸銨溶液浸提，火焰光度計(jì)法測定；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法分析測定[18]。土壤重金屬Cd全量采用王水-高氯酸法消解（GB/T 17141-1997）后，用火焰原子吸收分光光度法測定；土壤有效態(tài)Cd含量采用二乙基三胺五乙酸（DTPA）提取法浸提后，用火焰原子吸收分光光度法測定[19]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)結(jié)果均為3次重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。采用SPSS 21.0和Microsoft Excel 2012對數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，選取最小顯著差異法（LSD）進(jìn)行多重比較，差異顯著性水平設(shè)為<0.05。

2 結(jié) 果

2.1 有機(jī)肥不同施用方式對設(shè)施土壤理化性質(zhì)的影響

由表3可知，不同施肥處理間設(shè)施土壤pH呈現(xiàn)不同幅度的變化，表層土壤（0～20 cm）pH總體上低于亞表層土壤。與對照（CK）相比，施肥處理（M1、M2、M3）土壤表層（0～20 cm）pH均顯著降低（<0.05），降幅分別為0.24～1.38（0～10 cm）和0.05～0.76（10～20 cm）。其中，純有機(jī)肥處理（M1和M2）偏低于有機(jī)肥減量配施化肥處理（M3）。與此相反，在20～40 cm亞表層，有機(jī)肥減量配施化肥處理下土壤pH要高于對照，且純有機(jī)肥處理土壤pH偏低于配施化肥處理。由此可見，施用有機(jī)肥易造成設(shè)施土壤表層（0～20 cm）酸化，有機(jī)肥減量配施化肥會(huì)降低土壤表層酸化程度。

同樣，由表3可知，施肥差異對設(shè)施土壤養(yǎng)分含量也具有顯著影響。與對照相比，有機(jī)肥常量或者有機(jī)肥減量配施化肥處理后，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和上表層（0～10 cm）有效磷含量均有大幅提升，而純有機(jī)肥減量處理土壤養(yǎng)分含量均無顯著增加。與對照相比，純有機(jī)肥減量處理土壤有效磷、速效鉀和表層全氮含量均顯著降低，僅上表層土壤（0～10 cm）有機(jī)質(zhì)有一定增加趨勢。

2.2 有機(jī)肥不同施用方式對設(shè)施土壤鎘全量的影響

由圖1可以看出，有機(jī)肥不同施用方式處理下設(shè)施土壤Cd全量呈現(xiàn)不同幅度的變化，表層土壤（0～20 cm）Cd全量多數(shù)高于亞表層土壤（20～40 cm）。在0～10 cm土層，有機(jī)肥不同施用方式處理下土壤Cd全量差異顯著，純有機(jī)肥減量處理土壤Cd全量顯著低于常量處理，而有機(jī)肥減量配施化肥處理后土壤Cd全量顯著升高，甚至顯著高于有機(jī)肥常量處理，但全Cd平均含量均顯著低于對照。在10～20 cm和20～40 cm土層中，有機(jī)肥不同施用方式處理間土壤Cd全量均無顯著差異（>0.05），且與對照相比也同樣無顯著增加趨勢。由此可見，設(shè)施土壤中Cd主要富集于表層，施用有機(jī)肥土壤中Cd全量總體無明顯累積現(xiàn)象。

表3 有機(jī)肥不同施用方式下的土壤理化性質(zhì)

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同一土層不同處理間差異顯著（< 0.05）。Note：Different lower-case letters affixed to the data in the same column show significant differences between treatments the same in soil layer （< 0.05）.

2.3 有機(jī)肥不同施用方式對設(shè)施土壤鎘有效態(tài)含量的影響

對不同施肥方式處理的設(shè)施土壤Cd有效態(tài)含量比較發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥處理后上表層（0～10 cm）土壤Cd有效態(tài)含量顯著高于對照（28.81%～55.93%），有機(jī)肥施用方式的差異對0～10 cm上表層土壤Cd有效態(tài)含量影響顯著（圖2）。與有機(jī)肥常量處理相比，純有機(jī)肥減量或者有機(jī)肥減量配施化肥處理土壤上表層（0～10 cm）有效態(tài)Cd含量顯著降低（<0.05），分別較有機(jī)肥常量處理下降17.56%和14.04%。在10～20 cm下表層，施有機(jī)肥（M1、M2、M3）土壤Cd有效態(tài)含量較對照無顯著差異（>0.05），而且有機(jī)肥不同施肥方式間差異也不顯著。與表層土壤相反，施肥（M1、M2、M3）土壤亞表層（20～40 cm）Cd有效態(tài)含量與對照相比呈下降趨勢，但純有機(jī)肥減量或有機(jī)肥減量配施化肥處理土壤有效態(tài)Cd含量與有機(jī)肥常量間無顯著差異（>0.05）。整體上，設(shè)施土壤表層Cd有效態(tài)含量均偏高于亞表層。

2.4 設(shè)施土壤重金屬鎘與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

由表4可看出，施有機(jī)肥（M1、M2、M3）土壤pH與土壤有效態(tài)Cd含量均呈極顯著負(fù)相關(guān)，而與Cd全量之間無顯著相關(guān)性，說明施用有機(jī)肥土壤pH降低的同時(shí)也會(huì)增加Cd在土壤中的活性。與土壤pH不同，施有機(jī)肥（M1、M2、M3）土壤重金屬Cd含量雖與土壤養(yǎng)分存在一定相關(guān)性，但相關(guān)程度與有機(jī)肥施用方式有關(guān)。有機(jī)肥常量處理土壤養(yǎng)分含量與土壤Cd有效態(tài)含量呈極顯著正相關(guān)，而與土壤Cd全量之間無顯著的相關(guān)性。單純有機(jī)肥減量后，土壤速效鉀、有效磷和有機(jī)質(zhì)與土壤Cd全量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均大于0.900，這說明重金屬全Cd可能與土壤養(yǎng)分有相同的來源，土壤養(yǎng)分因有機(jī)肥減量而降低時(shí)，土壤中全Cd的攜入量也會(huì)在一定程度上減少；有機(jī)肥減量配施化肥后，除土壤速效鉀、有效磷和有機(jī)質(zhì)外，土壤全氮也與土壤Cd全量存在良好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.981，說明含氮化肥的施用也可能會(huì)從源頭攜入一定量的Cd，而土壤有效態(tài)Cd與土壤全氮、有效磷、有機(jī)質(zhì)均存在極顯著正相關(guān)，其中與有機(jī)質(zhì)的相關(guān)系數(shù)最大。

表4 有機(jī)肥不同施用方式處理下設(shè)施土壤重金屬Cd與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

注：*為相關(guān)性達(dá)顯著水平（<0.05）；**為相關(guān)性達(dá)極顯著水平（<0.01）。Note：* is significant correlation （<0.05）；** is extremely significant correlation （<0.01）.

3 討 論

3.1 有機(jī)肥長期施用對設(shè)施土壤特性和肥力的影響

隨著設(shè)施栽培產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，土壤被高度集約利用，其土壤特性和肥力特征均發(fā)生了深度變化。為了滿足生產(chǎn)需求，保證土壤可持續(xù)利用，施肥（尤其是有機(jī)肥）通常是改善設(shè)施土壤特性和肥力的主要措施。諸多研究表明，隨著有機(jī)肥施用年限的增加，土壤pH和有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷等養(yǎng)分含量呈上升趨勢[20-21]。同樣，本研究結(jié)果也表明長期施用有機(jī)肥對設(shè)施土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和有效磷均具有

顯著增加效果，但會(huì)降低表層（0～20 cm）土壤pH（表3），這與譚長銀等[12]研究結(jié)果一致。純有機(jī)肥減量處理后除土壤有機(jī)質(zhì)外，氮、磷養(yǎng)分均呈下降趨勢，說明長期有機(jī)肥施用不足會(huì)造成設(shè)施土壤氮、磷養(yǎng)分耗竭嚴(yán)重，最終造成土壤肥力下降。但有機(jī)肥減量配施化肥處理后設(shè)施土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和有效磷養(yǎng)分含量均大幅增加，表層土壤pH也偏高于有機(jī)肥常量處理，表明合理有機(jī)-無機(jī)配施對緩解設(shè)施土壤表層酸化、增加土壤養(yǎng)分，最終對提升土壤肥力具有一定的效果。

3.2 有機(jī)肥長期施用對設(shè)施土壤全鎘含量的影響

由于特殊的種植環(huán)境，設(shè)施土壤長期處于相對封閉的狀態(tài)，有機(jī)肥在改善土壤特性和提升土壤肥力的同時(shí)也是土壤中重金屬的主要來源之一[11,22]。多數(shù)研究認(rèn)為，有機(jī)肥肥源多為全國各大規(guī)模化養(yǎng)殖場的畜禽糞便，致使有機(jī)肥中一般具有較高含量的Cd，長期連續(xù)施用必然會(huì)造成設(shè)施土壤Cd累積[8,23-24]。然而，在本研究中，各有機(jī)肥處理的設(shè)施土壤表層和亞表層（有機(jī)肥常量除外）Cd全量均偏低于對照（圖1），原因可能是長期施用有機(jī)肥提高了栽培作物對Cd的吸收，使設(shè)施土壤中部分Cd因作物吸收而離開土體[8,25]。不同有機(jī)肥施用方式均對設(shè)施土壤上表層（0～10 cm）Cd全量造成了顯著影響（圖1）。例如，純有機(jī)肥減量，Cd源頭攜入量下降，設(shè)施土壤Cd全量顯著降低，而有機(jī)肥減量配施化肥處理土壤Cd全量卻呈上升趨勢（圖1），結(jié)合相關(guān)性分析，認(rèn)為這一方面可能是由于有機(jī)-無機(jī)配施大幅增加了土壤0～10 cm表土層有機(jī)質(zhì)、全氮和有效磷等養(yǎng)分含量（表3），影響到重金屬Cd在設(shè)施土壤中的移動(dòng)性所致[26-27]；另一方面也可能是由于含氮化肥的輸入從源頭攜入一定量的Cd而增加了Cd在土壤中的累積，具體原因尚需結(jié)合長期有機(jī)-無機(jī)肥配施土壤理化特性和全Cd累積狀況的動(dòng)態(tài)變化做進(jìn)一步分析。整體上，長期施用有機(jī)肥使設(shè)施土壤中Cd主要富集于表土層，這與其他研究[11,25]一致，主要是由于有機(jī)肥的長期施用提高了表層有機(jī)質(zhì)含量（表3），致使Cd與大量有機(jī)質(zhì)發(fā)生絡(luò)合而累積于表層。

3.3 有機(jī)肥長期施用對設(shè)施土壤有效態(tài)鎘含量的影響

重金屬對植物的毒害程度主要取決于土壤中重金屬的有效態(tài)含量。譚長銀等[12]等研究發(fā)現(xiàn)，長期施用豬糞可顯著提高黑土表層（0～20 cm）有效態(tài)Cd含量。王開峰和彭娜[23]研究表明，施用有機(jī)肥可提高紅壤稻田土壤表層（0～20 cm）重金屬的有效態(tài)含量。王騰飛等[8]對比分析表明，長期施用豬糞肥會(huì)增加土壤表層（0～20 cm）和亞表層（20～40 cm）重金屬Cd的有效態(tài)含量。本研究結(jié)果表明，施用有機(jī)肥會(huì)提高設(shè)施土壤表層（0～20 cm）Cd有效態(tài)含量，而對土壤亞表層（20～40 cm）Cd有效態(tài)含量無顯著增加（圖2）。其中，有機(jī)肥常量處理土壤表層Cd有效態(tài)含量最高，而純有機(jī)肥減量或有機(jī)肥減量配施化肥處理土壤表層Cd有效態(tài)含量較低，可見，純有機(jī)肥減量或者與化肥合理配施對降低設(shè)施土壤Cd有效性具有一定的效果，其原因可能與有機(jī)肥減量從源頭降低了高生物有效性Cd元素的帶入以及土壤基本特性的改變有關(guān)。

Kirkham[28]研究認(rèn)為，土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量是影響土壤Cd有效態(tài)含量的2個(gè)最重要因素。本研究結(jié)果表明，土壤Cd有效態(tài)含量與土壤pH呈極顯著負(fù)相關(guān)，與土壤有機(jī)質(zhì)呈極顯著正相關(guān)（表4），表明土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量均對設(shè)施土壤有效態(tài)Cd累積程度產(chǎn)生極顯著影響。本研究中，長期施用有機(jī)肥降低了設(shè)施土壤表層pH（表3），致使施肥土壤中水合氧化物和有機(jī)質(zhì)表面的負(fù)電荷減少，對重金屬Cd離子吸附力減弱，增加了土壤中重金屬Cd活性。同時(shí)，長期施用有機(jī)肥（減量除外）也顯著增加了設(shè)施土壤表層（0～20 cm）有機(jī)質(zhì)含量，有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生還原性物質(zhì)，能夠與重金屬Cd形成絡(luò)合物，從而減少了土壤吸附量，致使重金屬Cd的有效態(tài)含量顯著增加[29]。此外，本研究中設(shè)施土壤有效態(tài)Cd含量也與土壤全氮和有效磷含量呈顯著甚至極顯著正相關(guān)（表4），表明土壤氮、磷養(yǎng)分含量對設(shè)施土壤有效態(tài)Cd含量也具有一定影響。

李順江等[11]通過田間試驗(yàn)研究了施用有機(jī)肥對土壤-作物系統(tǒng)中重金屬Cd生物有效性的影響，結(jié)果表明有機(jī)肥的施用明顯降低了表層土壤Cd的生物活性，抑制了白菜對Cd的吸收。華珞等[30]及Chang 和Entz[31]研究表明，有機(jī)肥中的有機(jī)物質(zhì)可通過吸附、螯合等作用固定重金屬或者與重金屬形成不可溶性鹽，進(jìn)而降低重金屬的有效態(tài)含量，因此有機(jī)物作為重金屬污染土壤改良劑被推廣應(yīng)用。本研究中長期施用有機(jī)肥可提高表層土壤有效態(tài)Cd含量的結(jié)果與上述研究產(chǎn)生差異的原因可能有三方面：一方面，有機(jī)物的短期和長期影響不同，致使其對土壤表層有效態(tài)重金屬含量影響不同。譚長銀等[12]認(rèn)為短期有機(jī)物可能以固定土壤重金屬為主，而隨著有機(jī)物被分解（特別是缺少雨水淋溶且溫、濕度高的設(shè)施土壤內(nèi)），有機(jī)結(jié)合態(tài)重金屬逐漸釋放，提高了土壤重金屬的有效態(tài)含量。楊葉晨等[22]和張?jiān)魄嗟萚32]研究發(fā)現(xiàn)，土壤中有效態(tài)重金屬含量的高低與施用有機(jī)肥的時(shí)間進(jìn)程和分解程度緊密相關(guān)，施用有機(jī)肥6個(gè)月后，Cd、Cu、Zn等有效態(tài)重金屬含量呈先下降后上升的趨勢。吳清清等[33]研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥在腐解過程中對土壤強(qiáng)結(jié)合態(tài)重金屬Cd具有活化效應(yīng)，從而提高了Cd的生物有效性。另一方面，土壤自身理化特性的差異致使有機(jī)肥對土壤表層有效態(tài)重金屬含量影響結(jié)果不同。王怡雯等[4]研究表明，施用不同有機(jī)肥后土壤剖面中有機(jī)碳分布與Cd具有顯著正相關(guān)。有機(jī)肥中含有有機(jī)酸，能降低土壤pH，增加重金屬Cd可溶性。也有研究認(rèn)為，pH是對土壤Cd溶解性影響最大的土壤特性，在土壤Cd含量處于臨界值附近或已受Cd污染的土壤上，應(yīng)避免施用高量的酸性肥料以及其他酸性物料[34]。王晶等[35]研究結(jié)果表明，土壤有機(jī)質(zhì)的C/N和土壤pH對土壤有機(jī)態(tài)Cd活化過程均起到一定的輔助作用。再者，所施有機(jī)肥料種類的差異也會(huì)造成其對土壤表層重金屬有效態(tài)含量影響結(jié)果不同。吳清清等[33]對比分析了兩種Cd含量及肥效差異的有機(jī)肥料，發(fā)現(xiàn)施用雞糞有機(jī)肥土壤中Cd有效態(tài)含量略有下降趨勢，而施用垃圾有機(jī)肥土壤Cd有效態(tài)含量明顯增加。謝運(yùn)河等[10]研究認(rèn)為有機(jī)肥料中有機(jī)質(zhì)來源及組分差異會(huì)影響土壤Cd活性，如施用豬糞和雞糞有降低Cd活性的趨勢，而稻草則有增加土壤Cd活性的趨勢。

4 結(jié) 論

設(shè)施土壤Cd主要富集于土壤表層（0～20 cm）。長期連續(xù)施用有機(jī)肥后，設(shè)施土壤表層和亞表層Cd全量均無明顯累積趨勢，但表層土壤有效態(tài)Cd含量卻顯著增加。單純有機(jī)肥減量可降低表層土壤有效態(tài)Cd累積程度，同時(shí)也會(huì)降低土壤有效磷、速效鉀和表層全氮等養(yǎng)分含量，而有機(jī)肥減量配施化肥不僅可降低土壤有效態(tài)Cd累積程度，同時(shí)也可提升土壤pH，增加土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和有效磷等養(yǎng)分含量。相關(guān)分析表明，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和有效磷含量均與土壤Cd有效態(tài)含量呈顯著或極顯著正相關(guān)，土壤pH與土壤Cd有效態(tài)含量呈極顯著負(fù)相關(guān)?？梢?，有機(jī)肥適當(dāng)減施并輔以化肥，對改善設(shè)施土壤特性、提升土壤肥力進(jìn)而控制重金屬Cd累積具有重要作用。

致 謝 向上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究所莊行綜合試驗(yàn)站設(shè)施農(nóng)業(yè)長期肥料試驗(yàn)的設(shè)計(jì)者鄭憲清副研究員對設(shè)施大棚內(nèi)初始土壤樣品的提供表示衷心感謝！

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Effects of Long-term Application of Organic Manure on Contents of Total and Available Cadmium in Greenhouse Soil

DUAN Haiqin1, 2, QIN Qin2, 3, Lü Weiguang2, XUE Yong2?, SUN Lijuan2, SONG Ke2

(1. College of Marine Ecology and Environment, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China; 2. Eco-environmental Protection Research Institute, Shanghai Academy of Agricultural Sciences, Shanghai Scientific Observation and Experimental Station for Agricultural Environment and Land Conservation, Ministry of Agriculture, Shanghai Agricultural Environmental Protection Monitoring Station, Shanghai Engineering Research Center of Low-carbon Agriculture, Shanghai Key Laboratory of Protected Horticultural Technology, Shanghai 201403, China; 3. SEEK Bio-Technology (Shanghai) Co., Ltd, Shanghai 201108, China)

【Objective】Greenhouse soil is a typical commercial upland soil in suburban areas of China. With heavy metals, especially cadmium, accumulating year by year the greenhouse soil gradually loses its productivity, while degrading in ecological environment and agricultural product quality. Application of organic manure is one of the main measures to improve soil fertility and soil microbial activity in greenhouse agriculture, however, the manure often carries a certain amount of heavy metals. Consequently, long-term application of organic manure will increase the input of heavy metals in soil. In order to rationalize application organic manure for better soil properties and less heavy metal pollution in greenhouse soil, it is essential to study effects of long-term application of organic manure on the contents of total and available cadmium (Cd) and physicochemical properties of the greenhouse soil, as well as their correlations. 【Method】 Soil samples were collected from 0–10 cm, 10–20 cm and 20–40 cm soil layers of greenhouses different in fertilization, that is, application organic manure at a conventional rate (M1), application of organic manure at less than the conventional rate (M2), application of organic manure at less than the conventional rate plus chemical fertilizer at a certain rate (M3) and no fertilizer or manure (the control, CK), at the Zhuanghang Experimental Station of the Shanghai Academy of Agricultural Science, China for analysis of soil physicochemical properties, total Cd and available Cd, and further relationships between soil (total and available) Cd contents and physicochemical properties. 【Result】As compared to the control, the greenhouse applied with organic manure significantly decreased the content of total Cd in the surface (0–20 cm) soil layer, and the reduction was more significant with less manure application. However, the effect was not observed in the subsurface (20–40 cm) soil layer, and how to apply organic manure did not have any effect either. The content of available Cd in the surface soil layer was higher than that in the subsurface soil layer. Long-term application of organic manure did increase the content of available Cd content in the surface soil layer, especially the 0–10 cm soil layer, where the content of available Cd was significantly higher than that in the control. Compared with Treatment M1, Treatment M2 and Treatment M3 was significantly or 17.56% and 14.04% lower than Treatment M1, respectively, in available Cd content in the 0–10 cm soil layer. Treatment M3 was significantly higher than CK in contents of soil organic matter, soil total nitrogen, and surface soil available phosphorous, and than Treatment M1 in pH. Correlation analysis shows that the contents of organic matter and available phosphorus were significantly and positively related to the contents of total and available Cd, and so was the content of total nitrogen to the content of available Cd, however pH ultra-significantly and negatively related to the content of available Cd. 【Conclusion】All the above findings show that application of organic manure at a properly reduced rate, while applying appropriate amount of chemical fertilizer, can further improve greenhouse soil properties, and reduce accumulation and availability of Cd in the surface soil of the greenhouses.

Greenhouse soil; Long-term application of organic manure; Cadmium; Soil properties; Accumulation

X53

A

10.11766/trxb202003030088

段海芹，秦秦，呂衛(wèi)光，薛永，孫麗娟，宋科. 有機(jī)肥長期施用對設(shè)施土壤全鎘和有效態(tài)鎘含量的影響[J]. 土壤學(xué)報(bào)，2021，58（6）：1486–1495.

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*上海市農(nóng)委科技興農(nóng)重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目（202002080012F01457）、上海市自然科學(xué)基金項(xiàng)目（17ZR1431200）和上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院卓越團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目（2017（A-03））資助Supported by the Agricultural Applied Technology Development Program of Shanghai Agricultural Committee of China（No. 202002080012F01457），the Natural Science Foundation of Shanghai of China（No. 17ZR1431200）and the Excellent Team Program of Shanghai Academy of Agricultural Sciences（No. 2017（A-03））

Corresponding author，E-mail：exueyong@163.com

段海芹（1994—），女，山西省長治市人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橥寥乐亟饘傥廴九c修復(fù)。E-mail：1965104241@qq.com

2020–03–03；

2020–07–07；

2020–10–20

（責(zé)任編輯：陳榮府）