有機肥對水稻鎘生物有效性的影響研究進展

　　摘 要：有機肥在農業的可持續發展中發揮著重要的作用，有機肥的應用與土壤、植物的關系也是人們關注的熱點。本文綜合評述了有機肥施入農田對土壤pH值、土壤有效態鎘(Cd)、Cd的不同賦存形態的變化以及對植物吸收Cd的影響，為Cd污染農田有機肥的科學施用提供基礎依據。

　　關鍵詞：有機肥;土壤污染;鎘;pH;鎘形態

　　熊建軍; 黃采文; 曾勇; 紀雄輝; 陳山; 官迪; 吳家梅， 湖南生態科學學報 發表時間：2021-11-08

　　肥料是我國農業可持續發展的物質保障。有機肥是我國農業生產中廣泛應用的一種肥料，起著越來越重要的角色;大量的研究證實了有機肥在培肥地力、保障作物生產、提高作物品質等方面發揮著重要的作用。近年來的鄉村振興、沃土工程、強農惠農政策等，都強調了有機肥的應用，實行有機肥代替化肥行動，以此減少化肥投入、增加有機肥投入。隨著社會科技水平的提高和農業生產的發展，有機肥的大量施用在減緩農業污染、保持農業生產穩定增長、保障糧食安全起到了積極的作用。

　　有機肥修復重金屬污染農田是目前的研究熱點。有機肥通過改變土壤中重金屬的有效性而影響植物的吸收，土壤中重金屬的移動和有效性與土壤性質有關[1]，尤其是土壤pH值，對土壤中重金屬的形態和生物有效性的影響最重要[2-3]。本文從有機肥施入農田后對土壤pH、Cd的不同賦存形態變化入手，分析水稻吸收積累Cd的情況，為有機肥的合理施用提供支撐。

　　1 有機肥施用對土壤pH值的影響

　　施用有機肥對土壤pH的影響不同，大量研究表明，有機肥能提高土壤pH值，一般能提高0.06-0.90 個pH值單位。與化肥相比，早稻施用雞糞有機肥，晚稻收獲時土壤pH值上升0.2-0.4個單位[4];施用牛糞有機肥，一季稻稻田 pH 值升高 0.62 個 pH 單位(P<0.05)[5];施用中藥渣生物有機肥的土壤pH值平均提高0.06個單位 [6];連續4 a紫泥田土施用雞糞有機肥，能穩定提升土壤 pH 值 0.1-0.3個單位[7];單獨施用有機肥的水稻根際土壤 pH 值升高 0.36-0.90 個單位[8]。可見無論是動物源還是植物源的機肥，施入農田土壤pH值均呈現上升趨勢。

　　另有研究表明，施用有機肥后土壤pH下降。在第四紀紅色黏土發育的紅黃泥施用雞糞有機肥，當年水稻土壤 pH 值降低 0.1-0.4 個單位[4];施用6 a豬糞和菌渣肥有機肥，菜地土壤pH值分別降低0.24-1.38 (0～10 cm)和 0.05-0.76(10～20 cm)[9];東北黑土的16 a的定位試驗表明，化肥與以豬糞為原料的有機配合施用，土壤pH值下降2.25個單位(P<0.05)[10]; 37 a鈣質紫色水稻土的定位試驗可見，與化肥相比，化肥與有機肥配施土壤pH值下降[11]。

　　施用有機肥后土壤pH值增加，可能與施入農田有機肥的pH值有關，施入農田的有機肥pH值呈中堿性，比土壤中的pH值高，造成有機肥施入農田后土壤pH值升高。施有機肥后土壤pH值下降，可能與土壤性質和有機肥施入量有一定關系，可能是土壤陽離子交換量較低，有機肥施入后土壤陽離子交換量下降幅度比化肥處理更大[11]，造成的酸調控和緩沖能力較弱[12]，在土壤微生物作用下，有機質分解產生的有機酸達到高峰之前，在土壤中均以積累為主。

　　大量的研究表明，土壤pH值與土壤有效態Cd含量呈顯著負相關[7,9-10]，但也有研究表明，兩者無明顯相關性[4]，其他的研究表明，土壤pH值與可交換態Cd呈顯著負相關，與有機結合態Cd含量呈顯著正相關[6]，土壤有機質含量、pH值是影響土壤不同形態Cd間相互轉化的重要因素[6]，也是影響Cd的有效性的最重要因素[10]。

　　有機肥改變土壤中pH值，pH值的變化導致土壤 Cd有效性變化，水稻對Cd的吸收很大程度上受土壤有效Cd含量的影響[13]，進而引起植株各器官對Cd 的富集及轉移差異[14]。提高水稻根際土壤pH值，降低土壤有效Cd含量，能顯著抑制水稻對Cd的吸收[13]，而且能大幅度降低稻米Cd含量，糙米Cd 與pH值呈顯著負相關[15-17]。因此，有機肥的施用通過改變土壤 pH值，影響土壤有效態Cd含量，從而改變水稻對Cd 的吸收。

　　2 有機肥施用對有效態Cd的影響

　　不同的研究表明，土壤施用有機肥，對土壤有效態Cd有刺激作用、抑制作用或無明顯變化。

　　2.1 對土壤有效態鎘無影響

　　謝運河等研究表明[18]，連續4 a施用豬糞、雞糞、稻草秸稈還田對土壤有效態Cd 含量無顯著影響。薛毅等研究表明第四紀紅色黏土發育的紅黃泥施用雞糞有機肥后，土壤有效態Cd含量變化不大[4]。

　　2.2 減少土壤有效態鎘含量

　　馬顥榴研究表明，連續 3 a 施用有機肥，早稻、晚稻土壤有效態 Cd 含量分別降低 3%～12%和 4%～14% [19]。羅遙等[20]研究表明，添加≤20 t/hm2 的有機肥，降低土壤中有效態Cd的含量，當有機肥添加量為20 t/hm2 時，土壤耕作層和犁底層中有效態 Cd含量達到最小值，揚花期和收獲期分別降低32%和66%。李順奇的研究證實[21]，當有機肥用量達 8 g/kg，土壤有效態Cd較對照降低 4%～21%;中度污染土壤，施用有機肥使土壤 Cd 有效性均顯著降低，且隨有機肥的用量增加而降幅增大，其有效 Cd 含量較對照降低9%～47%。駱文軒的研究表明[5]，隨著水稻生育期的延長，有機肥處理土壤有效態Cd含量呈先下降后上升的趨勢，水稻吸收積累Cd的重要時期是灌漿期，有機肥的施用均能降低灌漿期土壤中有效態Cd含量，有機肥用量高的成熟期土壤有效Cd 含量顯著減少24%(P<0.05)。段海芹等研究表明[9]，長期施用有機肥會提高土壤表層有效態Cd含量，特別是0～10 cm土壤有效態 Cd 含量顯著高于對照。

　　2.3 增加土壤有效鎘

　　當添加有機肥用量>30 t/hm2 ，水稻分蘗期土壤中有效態Cd含量比對照增加[20]。16 a的長期豬糞處理，土壤有效態Cd達2.0～2.3 mg/kg，顯著高于對照處理的0.09～0.10 mg/kg[10]。35 a長期定位試驗，有機肥處理顯著提高了土壤有效態Cd的含量[22]。30 a的定位試驗表明，施用低量和高量廄肥有機肥，土壤有效態Cd顯著提高28.57%~71.43%[23]。

　　2.4 水稻不同時期有效態Cd含量不同

　　雙季稻稻田施有機肥處理的土壤有效態Cd含量，以分蘗盛期和孕穗期的降幅最大，分別比對照降低 13%和12%，早、晚稻黃熟期，施有機肥平均土壤有效態 Cd 含量增加8%[4];連續 2 a 施有機肥，除第二年施有機肥齊穗期外，土壤有效態Cd 含量在水稻分蘗盛期和齊穗期降幅相對最高，比對照降低11%～16%;黃熟期土壤有效態 Cd 含量增加，增幅達14%[24]。

　　可見，不同的研究結果，對土壤有效態Cd的影響不同。有機肥施入農田增加了土壤有機質含量，而土壤有機質中含有的活性基團(—COOH、-OH、 —C=O等)，對重金屬離子具有較強的吸附能力[6]，還能與土壤中重金屬形成配位絡合物，降低土壤有效態含量;也有研究者證實，有機肥對土壤重金屬具活化效應，會提高土壤重金屬的移動性和生物有效性，因此造成施用有機肥后土壤有效態含量增加，另有研究證實，商品有機肥重金屬含量與所有使用的重金屬含量呈顯著正相關[25]，有機肥中較高的重金屬含量是造成稻田土壤重金屬累積和有效性顯著提高的主要原因[23]。

　　土壤重金屬有效態主要受到土壤陽離子交換量、 pH值等的影響[22,26]。可能是土壤中的這些含量的變化造成了使用有機肥后，土壤的有效Cd含量增加、降低或者無變化。由此可見，土壤類型及肥源的不同，造成不同區域關于短期或長期施肥對土壤重金屬累積及其有效性影響的研究存在差異。

　　3 有機肥施用對土壤Cd賦存形態的影響

　　重金屬在土壤中的遷移、生物有效性與其存在的形態密切相關。土壤中Cd的形態可分為可交換態、碳酸鹽結合態、鐵錳氧化物結合態、有機結合態和土壤殘渣態，其中最容易被生物利用為土壤交換態，其次是碳酸鹽結合態、鐵錳氧化物結合態和有機結合態，殘留態是最難利用的形態。有機物施入農田，直接或間接影響土壤中Cd的賦存形態。

　　有機肥施入農田后對土壤Cd賦存形態的影響不同。有研究表明有機物料施用后提高了土壤中Cd的有效性及Cd的潛在有效含量，降低了土壤對Cd的吸附作用;還有研究表明結果相反。紫泥田連續4 a 施有機肥后，土壤交換態 Cd 含量下降11%，土壤有機態 Cd 含量則升高 14%，而土壤碳酸鹽結合態、鐵錳氧化結合態和殘渣態 Cd 含量均未發生顯著的變化[7];施用中藥渣生物有機肥可降低土壤中的可交換態和碳酸鹽結合態Cd含量，增加有機結合態和殘渣態Cd 含量[6];輕度污染紫色土壤經有機肥處理后，交換態Cd含量增加6%-20%，鐵錳氧化態Cd含量稍有上升，殘渣態 Cd含量稍有下降;在中度污染、重度污染土壤經有機肥處理后，交換態Cd含量下降 7%～ 28%，殘渣態Cd 含量顯著增加 20%～66%[21];在重度污染土壤經有機肥處理后，交換態Cd 含量顯著下降，而鐵錳氧化態 Cd 和殘渣態 Cd 含量有小幅增加[21]。王艮梅等研究表明[27]，有機物料施用后土體與根際土壤中交換態及有機結合態的Cd含量都明顯高于對照施化肥的處理。有機肥施入農田對Cd的賦存形態不相同，可能是不同有機肥施入土壤后腐殖質含量的變化不同所致[6];也有學者認為，有機質對重金屬活性的影響與其組分和含量有關，小分子有機酸與重金屬生成溶解度較高的有機絡合物時有利于活化重金屬[28-29];而大分子有機酸與重金屬形成溶解度較低的有機螯合物時會鈍化重金屬[29]，有機質對重金屬有效性的影響由兩者共同決定。

　　4 有機肥施用對水稻鎘含量的影響

　　有機肥施入農田，通過影響土壤pH值，改變土壤Cd的不同形態，從而影響植物對Cd的吸收。大量的研究表明，有機肥施用能降低水稻籽粒對Cd的吸收。稻田施用有機肥，水稻根、葉、糙米Cd含量隨有機肥施用量的增大而降低，動物源有機肥(蚓糞)和植物源有機肥(油餅)對糙米 Cd 的影響無顯著性差異[30];當年施用牛糞有機肥能顯著降低糙米Cd含量，降Cd效果為高用量有機肥>低用量有機肥，高用量有機肥糙米Cd含量降低68%[5];單獨施用有機肥后，水稻各器官Cd含量顯著降低，糙米中Cd含量降低 16%～24%;當年施有機肥，早、晚稻糙米 Cd 含量分別降低26%～41%和29%～56%，稻草和稻根 Cd 含量也分別下降 14%～72%和 24%～44% [4]。連續 2 a 施用商品有機肥，當年糙米 Cd 含量降低 38%，但施有機肥提高了稻草 Cd 含量18%，第2 a糙米 Cd 含量降低 12%[24]。雙季稻田連續 3 a 施雞糞有機肥，早稻、晚稻糙米Cd含量分別降低16%～45%和 18%～ 53%[19];連續 4 a 施雞糞有機肥，早、晚稻糙米Cd 含量分別降低 28%～45%和 43%～56%[7];連續 4 a 施用豬糞、雞糞、稻草，稻米Cd下降8%～36%，豬糞、雞糞的莖葉Cd下降23%～44%，但是稻草的莖葉增加8.2%和22.7%[18]。可見不同的學者研究證實，施用不同類型的有機肥能降低稻米Cd含量，降幅為 8%～68%。但也有18 a的定位試驗表明，施用豬糞有機肥，糙米Cd含量增加了800%[31]，糙米Cd的增加可能與長期施用豬糞，豬糞中含有一定量的Cd[25]，長期施用，增加土壤中Cd和有效Cd的含量，從而使糙米Cd含量顯著增加。

　　5 結束語

　　我國綠色農業正逐步發展成現代農業的重要組成部分。踐行農業綠色，實現農業的可持續發展，有機肥料在提高耕地質量、提升農產品質量均發揮著重要的作用。特別是有機肥在降低稻米Cd污染方面取得了許多的研究成果，為有機肥在農業生產中的廣泛應用奠定基礎。有機肥中Cd含量與不同污染水平稻田的稻米超標年限、輸入輸出的平衡關系、有機肥中的何種有機肥與重金屬離子進行吸附解析、影響其賦存形態等，都是今后研究的重點;同時，還應開展有機肥對農田土壤質量、生態環境和農產品質量安全的風險評估，以實現農業的可持續發展。