有机肥对水稻镉生物有效性的影响研究进展

　　摘 要：有机肥在农业的可持续发展中发挥着重要的作用，有机肥的应用与土壤、植物的关系也是人们关注的热点。本文综合评述了有机肥施入农田对土壤pH值、土壤有效态镉(Cd)、Cd的不同赋存形态的变化以及对植物吸收Cd的影响，为Cd污染农田有机肥的科学施用提供基础依据。

　　关键词：有机肥;土壤污染;镉;pH;镉形态

　　熊建军; 黄采文; 曾勇; 纪雄辉; 陈山; 官迪; 吴家梅， 湖南生态科学学报 发表时间：2021-11-08

　　肥料是我国农业可持续发展的物质保障。有机肥是我国农业生产中广泛应用的一种肥料，起着越来越重要的角色;大量的研究证实了有机肥在培肥地力、保障作物生产、提高作物品质等方面发挥着重要的作用。近年来的乡村振兴、沃土工程、强农惠农政策等，都强调了有机肥的应用，实行有机肥代替化肥行动，以此减少化肥投入、增加有机肥投入。随着社会科技水平的提高和农业生产的发展，有机肥的大量施用在减缓农业污染、保持农业生产稳定增长、保障粮食安全起到了积极的作用。

　　有机肥修复重金属污染农田是目前的研究热点。有机肥通过改变土壤中重金属的有效性而影响植物的吸收，土壤中重金属的移动和有效性与土壤性质有关[1]，尤其是土壤pH值，对土壤中重金属的形态和生物有效性的影响最重要[2-3]。本文从有机肥施入农田后对土壤pH、Cd的不同赋存形态变化入手，分析水稻吸收积累Cd的情况，为有机肥的合理施用提供支撑。

　　1 有机肥施用对土壤pH值的影响

　　施用有机肥对土壤pH的影响不同，大量研究表明，有机肥能提高土壤pH值，一般能提高0.06-0.90 个pH值单位。与化肥相比，早稻施用鸡粪有机肥，晚稻收获时土壤pH值上升0.2-0.4个单位[4];施用牛粪有机肥，一季稻稻田 pH 值升高 0.62 个 pH 单位(P<0.05)[5];施用中药渣生物有机肥的土壤pH值平均提高0.06个单位 [6];连续4 a紫泥田土施用鸡粪有机肥，能稳定提升土壤 pH 值 0.1-0.3个单位[7];单独施用有机肥的水稻根际土壤 pH 值升高 0.36-0.90 个单位[8]。可见无论是动物源还是植物源的机肥，施入农田土壤pH值均呈现上升趋势。

　　另有研究表明，施用有机肥后土壤pH下降。在第四纪红色黏土发育的红黄泥施用鸡粪有机肥，当年水稻土壤 pH 值降低 0.1-0.4 个单位[4];施用6 a猪粪和菌渣肥有机肥，菜地土壤pH值分别降低0.24-1.38 (0～10 cm)和 0.05-0.76(10～20 cm)[9];东北黑土的16 a的定位试验表明，化肥与以猪粪为原料的有机配合施用，土壤pH值下降2.25个单位(P<0.05)[10]; 37 a钙质紫色水稻土的定位试验可见，与化肥相比，化肥与有机肥配施土壤pH值下降[11]。

　　施用有机肥后土壤pH值增加，可能与施入农田有机肥的pH值有关，施入农田的有机肥pH值呈中碱性，比土壤中的pH值高，造成有机肥施入农田后土壤pH值升高。施有机肥后土壤pH值下降，可能与土壤性质和有机肥施入量有一定关系，可能是土壤阳离子交换量较低，有机肥施入后土壤阳离子交换量下降幅度比化肥处理更大[11]，造成的酸调控和缓冲能力较弱[12]，在土壤微生物作用下，有机质分解产生的有机酸达到高峰之前，在土壤中均以积累为主。

　　大量的研究表明，土壤pH值与土壤有效态Cd含量呈显著负相关[7,9-10]，但也有研究表明，两者无明显相关性[4]，其他的研究表明，土壤pH值与可交换态Cd呈显著负相关，与有机结合态Cd含量呈显著正相关[6]，土壤有机质含量、pH值是影响土壤不同形态Cd间相互转化的重要因素[6]，也是影响Cd的有效性的最重要因素[10]。

　　有机肥改变土壤中pH值，pH值的变化导致土壤 Cd有效性变化，水稻对Cd的吸收很大程度上受土壤有效Cd含量的影响[13]，进而引起植株各器官对Cd 的富集及转移差异[14]。提高水稻根际土壤pH值，降低土壤有效Cd含量，能显著抑制水稻对Cd的吸收[13]，而且能大幅度降低稻米Cd含量，糙米Cd 与pH值呈显著负相关[15-17]。因此，有机肥的施用通过改变土壤 pH值，影响土壤有效态Cd含量，从而改变水稻对Cd 的吸收。

　　2 有机肥施用对有效态Cd的影响

　　不同的研究表明，土壤施用有机肥，对土壤有效态Cd有刺激作用、抑制作用或无明显变化。

　　2.1 对土壤有效态镉无影响

　　谢运河等研究表明[18]，连续4 a施用猪粪、鸡粪、稻草秸秆还田对土壤有效态Cd 含量无显著影响。薛毅等研究表明第四纪红色黏土发育的红黄泥施用鸡粪有机肥后，土壤有效态Cd含量变化不大[4]。

　　2.2 减少土壤有效态镉含量

　　马颢榴研究表明，连续 3 a 施用有机肥，早稻、晚稻土壤有效态 Cd 含量分别降低 3%～12%和 4%～14% [19]。罗遥等[20]研究表明，添加≤20 t/hm2 的有机肥，降低土壤中有效态Cd的含量，当有机肥添加量为20 t/hm2 时，土壤耕作层和犁底层中有效态 Cd含量达到最小值，扬花期和收获期分别降低32%和66%。李顺奇的研究证实[21]，当有机肥用量达 8 g/kg，土壤有效态Cd较对照降低 4%～21%;中度污染土壤，施用有机肥使土壤 Cd 有效性均显著降低，且随有机肥的用量增加而降幅增大，其有效 Cd 含量较对照降低9%～47%。骆文轩的研究表明[5]，随着水稻生育期的延长，有机肥处理土壤有效态Cd含量呈先下降后上升的趋势，水稻吸收积累Cd的重要时期是灌浆期，有机肥的施用均能降低灌浆期土壤中有效态Cd含量，有机肥用量高的成熟期土壤有效Cd 含量显著减少24%(P<0.05)。段海芹等研究表明[9]，长期施用有机肥会提高土壤表层有效态Cd含量，特别是0～10 cm土壤有效态 Cd 含量显著高于对照。

　　2.3 增加土壤有效镉

　　当添加有机肥用量>30 t/hm2 ，水稻分蘖期土壤中有效态Cd含量比对照增加[20]。16 a的长期猪粪处理，土壤有效态Cd达2.0～2.3 mg/kg，显著高于对照处理的0.09～0.10 mg/kg[10]。35 a长期定位试验，有机肥处理显著提高了土壤有效态Cd的含量[22]。30 a的定位试验表明，施用低量和高量厩肥有机肥，土壤有效态Cd显著提高28.57%~71.43%[23]。

　　2.4 水稻不同时期有效态Cd含量不同

　　双季稻稻田施有机肥处理的土壤有效态Cd含量，以分蘖盛期和孕穗期的降幅最大，分别比对照降低 13%和12%，早、晚稻黄熟期，施有机肥平均土壤有效态 Cd 含量增加8%[4];连续 2 a 施有机肥，除第二年施有机肥齐穗期外，土壤有效态Cd 含量在水稻分蘖盛期和齐穗期降幅相对最高，比对照降低11%～16%;黄熟期土壤有效态 Cd 含量增加，增幅达14%[24]。

　　可见，不同的研究结果，对土壤有效态Cd的影响不同。有机肥施入农田增加了土壤有机质含量，而土壤有机质中含有的活性基团(—COOH、-OH、 —C=O等)，对重金属离子具有较强的吸附能力[6]，还能与土壤中重金属形成配位络合物，降低土壤有效态含量;也有研究者证实，有机肥对土壤重金属具活化效应，会提高土壤重金属的移动性和生物有效性，因此造成施用有机肥后土壤有效态含量增加，另有研究证实，商品有机肥重金属含量与所有使用的重金属含量呈显著正相关[25]，有机肥中较高的重金属含量是造成稻田土壤重金属累积和有效性显著提高的主要原因[23]。

　　土壤重金属有效态主要受到土壤阳离子交换量、 pH值等的影响[22,26]。可能是土壤中的这些含量的变化造成了使用有机肥后，土壤的有效Cd含量增加、降低或者无变化。由此可见，土壤类型及肥源的不同，造成不同区域关于短期或长期施肥对土壤重金属累积及其有效性影响的研究存在差异。

　　3 有机肥施用对土壤Cd赋存形态的影响

　　重金属在土壤中的迁移、生物有效性与其存在的形态密切相关。土壤中Cd的形态可分为可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态和土壤残渣态，其中最容易被生物利用为土壤交换态，其次是碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态和有机结合态，残留态是最难利用的形态。有机物施入农田，直接或间接影响土壤中Cd的赋存形态。

　　有机肥施入农田后对土壤Cd赋存形态的影响不同。有研究表明有机物料施用后提高了土壤中Cd的有效性及Cd的潜在有效含量，降低了土壤对Cd的吸附作用;还有研究表明结果相反。紫泥田连续4 a 施有机肥后，土壤交换态 Cd 含量下降11%，土壤有机态 Cd 含量则升高 14%，而土壤碳酸盐结合态、铁锰氧化结合态和残渣态 Cd 含量均未发生显著的变化[7];施用中药渣生物有机肥可降低土壤中的可交换态和碳酸盐结合态Cd含量，增加有机结合态和残渣态Cd 含量[6];轻度污染紫色土壤经有机肥处理后，交换态Cd含量增加6%-20%，铁锰氧化态Cd含量稍有上升，残渣态 Cd含量稍有下降;在中度污染、重度污染土壤经有机肥处理后，交换态Cd含量下降 7%～ 28%，残渣态Cd 含量显著增加 20%～66%[21];在重度污染土壤经有机肥处理后，交换态Cd 含量显著下降，而铁锰氧化态 Cd 和残渣态 Cd 含量有小幅增加[21]。王艮梅等研究表明[27]，有机物料施用后土体与根际土壤中交换态及有机结合态的Cd含量都明显高于对照施化肥的处理。有机肥施入农田对Cd的赋存形态不相同，可能是不同有机肥施入土壤后腐殖质含量的变化不同所致[6];也有学者认为，有机质对重金属活性的影响与其组分和含量有关，小分子有机酸与重金属生成溶解度较高的有机络合物时有利于活化重金属[28-29];而大分子有机酸与重金属形成溶解度较低的有机螯合物时会钝化重金属[29]，有机质对重金属有效性的影响由两者共同决定。

　　4 有机肥施用对水稻镉含量的影响

　　有机肥施入农田，通过影响土壤pH值，改变土壤Cd的不同形态，从而影响植物对Cd的吸收。大量的研究表明，有机肥施用能降低水稻籽粒对Cd的吸收。稻田施用有机肥，水稻根、叶、糙米Cd含量随有机肥施用量的增大而降低，动物源有机肥(蚓粪)和植物源有机肥(油饼)对糙米 Cd 的影响无显著性差异[30];当年施用牛粪有机肥能显著降低糙米Cd含量，降Cd效果为高用量有机肥>低用量有机肥，高用量有机肥糙米Cd含量降低68%[5];单独施用有机肥后，水稻各器官Cd含量显著降低，糙米中Cd含量降低 16%～24%;当年施有机肥，早、晚稻糙米 Cd 含量分别降低26%～41%和29%～56%，稻草和稻根 Cd 含量也分别下降 14%～72%和 24%～44% [4]。连续 2 a 施用商品有机肥，当年糙米 Cd 含量降低 38%，但施有机肥提高了稻草 Cd 含量18%，第2 a糙米 Cd 含量降低 12%[24]。双季稻田连续 3 a 施鸡粪有机肥，早稻、晚稻糙米Cd含量分别降低16%～45%和 18%～ 53%[19];连续 4 a 施鸡粪有机肥，早、晚稻糙米Cd 含量分别降低 28%～45%和 43%～56%[7];连续 4 a 施用猪粪、鸡粪、稻草，稻米Cd下降8%～36%，猪粪、鸡粪的茎叶Cd下降23%～44%，但是稻草的茎叶增加8.2%和22.7%[18]。可见不同的学者研究证实，施用不同类型的有机肥能降低稻米Cd含量，降幅为 8%～68%。但也有18 a的定位试验表明，施用猪粪有机肥，糙米Cd含量增加了800%[31]，糙米Cd的增加可能与长期施用猪粪，猪粪中含有一定量的Cd[25]，长期施用，增加土壤中Cd和有效Cd的含量，从而使糙米Cd含量显著增加。

　　5 结束语

　　我国绿色农业正逐步发展成现代农业的重要组成部分。践行农业绿色，实现农业的可持续发展，有机肥料在提高耕地质量、提升农产品质量均发挥着重要的作用。特别是有机肥在降低稻米Cd污染方面取得了许多的研究成果，为有机肥在农业生产中的广泛应用奠定基础。有机肥中Cd含量与不同污染水平稻田的稻米超标年限、输入输出的平衡关系、有机肥中的何种有机肥与重金属离子进行吸附解析、影响其赋存形态等，都是今后研究的重点;同时，还应开展有机肥对农田土壤质量、生态环境和农产品质量安全的风险评估，以实现农业的可持续发展。