謝運河，紀雄輝，劉昭兵，黃 涓

（(1.中南大學研究生院隆平分院，湖南長沙410125；2.湖南省土壤肥料研究所，湖南長沙410125；3.農(nóng)業(yè)部長江中游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，湖南長沙410125）

近年來重金屬污染事件頻繁發(fā)生，人們對安全食品的生產(chǎn)尤為重視，畜牧產(chǎn)品質(zhì)量安全控制的源頭——牧草的質(zhì)量安全也引起廣泛關(guān)注。飼料安全、食品安全的概念在世界范圍內(nèi)已成為共識，即“安全的飼料=安全的食品”。飼料產(chǎn)品中存在生物、化學等不安全因素，必然影響家畜正常健康生長，其殘留物的轉(zhuǎn)移和積蓄，通過食物鏈傳遞，最終會影響到人類健康[1]，因此，飼料安全和食品安全具有同一性。

隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及畜牧業(yè)的發(fā)展，黑麥草作為冬種牧草在南方農(nóng)區(qū)種植面積迅速擴大，其在農(nóng)牧產(chǎn)業(yè)中的作用和地位也愈顯突出。黑麥草不僅具有先鋒植物特性，生長快、產(chǎn)量高、可以多次刈割并再生，對重金屬有很強的抗性和蓄集作用[2]。通過黑麥草對污染土壤進行修復，并輔以物理、化學措施已有大量研究[3,4]，尤其是采用強化措施時黑麥草富集系數(shù)更高[5]。由于黑麥草對鎘（Cd）具有高富集的特點，南方大面積農(nóng)田土壤Cd含量處于0.2-0.3mg/kg警戒限，其土壤環(huán)境容量相對較低，即使在Cd不超標土壤上種植黑麥草也可能存在黑麥草Cd含量超標風險，影響飼草質(zhì)量安全。本試驗針對南方典型酸性低環(huán)境容量土壤種植黑麥草，輔以有機物料、鈍化劑（石灰、赤泥）進行土壤調(diào)酸、Cd鈍化處理，研究黑麥草增產(chǎn)及降Cd效果，并通過分析“植株-土壤”系統(tǒng)Cd平衡，為南方典型酸性低環(huán)境容量土壤的安全可持續(xù)利用及優(yōu)質(zhì)安全飼用黑麥草的生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試黑麥草：一年生四倍體黑麥草“海灣”。

供試土壤：砂壤土，pH 5.05，有機質(zhì)36.10 g/kg，全氮2.04 g/kg，全磷 0.54 g/kg，全鉀 28.70 g/kg，堿解氮 150.00mg/kg，速效磷 7.20mg/kg，速效鉀 67.02mg/kg，全量 Cd 0.2205mg/kg，有效態(tài)Cd 0.1214mg/kg。

供試赤泥：取自鄭州中國長城鋁業(yè)集團尾砂壩赤泥，為聯(lián)合法煉鋁殘渣。其化學性質(zhì)：pH 12.20，CaO 39.90%，SiO221.70%，F(xiàn)e2O39.20%，A12O35.90%，K2O 0.40%，全量 Cd 0.0607mg/kg，全量 Pb 173.22mg/kg，全量 Zn 73.80mg/kg。赤泥風干過2mm篩待用。

供試有機肥：由長沙浩博生物技術(shù)有限公司提供，其全氮、P2O5、K2O、有機碳含量分別為 0.71%、2.13%、0.65%、28.34%，全Cd含量為0.6219mg/kg。

供試稻草：采自長沙縣金井鎮(zhèn)試驗地周邊農(nóng)田，其N、P2O5、K2O、有機碳含量分別為 0.87%、0.11%、1.48%、38.00%，全Cd含量為0.7185mg/kg。水稻收割后曬干切碎成5-8 cm長的小段待用。

供試石灰：購于長沙縣金井鎮(zhèn)，CaO含量54.50%，全Cd含量0.4094mg/kg。

供試尿素、過磷酸鈣、氯化鉀：由興湘科技開發(fā)有限公司提供，其中尿素、氯化鉀中Cd含量未檢出，過磷酸鈣Cd含量為0.5486mg/kg。

1.2 試驗方法

試驗設計7個處理，3次重復，小區(qū)面積20m2，隨機區(qū)組排列。以施化肥（CK）為對照、設置增施赤泥3000 kg/hm2（R1）、石灰1500 kg/hm2（L）、有機肥15000 kg/hm2（M）、稻草7500 kg/hm2（R2）、有機肥15000 kg/hm2+石灰1500 kg/hm2（LM）、稻草7500 kg/hm2+石灰1500 kg/hm2（LR2）共7個處理。

2012年9月20日分小區(qū)均勻撒施鈍化劑及有機物料，并與土壤充分混勻后蓋薄土。9月27日施基肥（N、P2O5、K2O施用量分別為 150 kg/hm2、90 kg/hm2、90 kg/hm2），耙勻后撒施黑麥草種（種子用量60 kg/hm2），蓋土耙平，澆水使土壤濕透。施用有機物料的處理按有機物料含N、P2O5、K2O養(yǎng)分的70%進行計算，再用化肥補足。

2012年11月12日（第一茬）、12月24日（第二茬）、2013年3月5日（第三茬）、4月15日（第四茬）、5月25日（第五茬）共5次刈割黑麥草，每次刈割后追施尿素37.5 kg/hm2。每次刈割0.25m2黑麥草稱量鮮重和干重，并烘干后粉碎測定植株Cd含量。

1.3 分析方法

土壤中有效態(tài)Cd含量：以DTPA(二乙三胺五醋酸)浸提(土∶水=1∶5)，用石墨爐原子吸收分光光度計法測定（GB/T 23739-2009）。土壤Cd全量：采用HNO3-HClO4-HF消煮，石墨爐原子吸收分光光度計法測定 (GB/T 17138-1997；17140-l997)。植株Cd含量：采用HNO3-HClO4消煮，石墨爐原子吸收分光光度計法測定 (GB/T 17138-1997；17140-1997)。其他土壤基本理化性質(zhì)：按《土壤農(nóng)業(yè)化學分析方法》[6]進行測定。

數(shù)據(jù)處理采用SPSS 10.0及Microsoftexcel2003進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機物料和鈍化劑對黑麥草產(chǎn)量的影響

黑麥草產(chǎn)量（表1）處理間差異顯著，以有機肥、有機肥+石灰處理較高，產(chǎn)量分別為22158 kg/hm2和20337 kg/hm2，比對照分別增產(chǎn)35.76%和24.61%，增產(chǎn)顯著；赤泥、石灰處理黑麥草產(chǎn)量略低于對照，差異不顯著；稻草、稻草+石灰處理產(chǎn)量略低于對照，差異也不顯著，稻草+石灰處理前期黑麥草產(chǎn)量比對照低，后期則比對照高。施用有機肥對黑麥草的生長具有顯著的促進作用，赤泥、石灰及稻草對黑麥草產(chǎn)量無顯著影響，而稻草抑制黑麥草生長可能是因為稻草C/N比高，微生物分解時需消耗大量的氮素等養(yǎng)分，進而影響黑麥草的生長；而稻草+石灰處理出現(xiàn)黑麥草產(chǎn)量前期低后期高，可能是前期石灰的堿化效用促進了稻草的分解[7]，并因稻草秸稈分解加快，微生物所消耗的氮素等養(yǎng)分更多，對黑麥草生長產(chǎn)生抑制，而后期則因稻草分解后土壤養(yǎng)分含量增加，促進了黑麥草的生長。在本試驗中，施用有機肥使黑麥草增產(chǎn)顯著，而單施赤泥、石灰和稻草對黑麥草產(chǎn)量無顯著影響，稻草或有機肥配施石灰均導致黑麥草產(chǎn)量下降。

表1 施用不同有機物料和鈍化劑的黑麥草干重 （單位：kg/hm2）

2.2 有機物料和鈍化劑對黑麥草Cd含量的影響

黑麥草對重金屬有很強的抗性和蓄集作用[2]，常規(guī)管理下（CK）黑麥草植株各茬對Cd的富集系數(shù)（富集系數(shù)=植株Cd含量/土壤Cd含量）為1.11-1.26，平均富集系數(shù)1.21。在本試驗中（表2），除有機肥、有機肥+石灰2個處理外，其他處理黑麥草植株Cd含量均超過土壤背景值含量(0.2205 kg/hm2)，但都低于國家標準GB13078-2001（飼料、飼料添加劑衛(wèi)生指標）規(guī)定的0.5mg/kg，可安全飼用。

各處理對黑麥草降Cd效果依次為：有機肥>有機肥+石灰>稻草+石灰>赤泥>稻草>石灰，其富集系數(shù)依次分別為 0.693、0.909、1.024、1.046、1.060、1.074，皆低于對照。有機肥、有機肥+石灰處理降Cd效果較明顯，植株平均Cd含量比對照分別降低42.71%和24.91%；赤泥和石灰也能有效降低黑麥草植株Cd含量，5茬平均Cd含量顯著低于對照；而稻草、稻草+石灰處理的植株Cd含量略低于對照，差異不顯著?？梢?，添加有機物料和鈍化劑后能有效降低土壤Cd的生物有效性，抑制黑麥草對Cd的吸收，以施用有機肥效果最好。

表2 施用不同有機物料和鈍化劑的黑麥草植株Cd含量 （單位：mg/kg）

2.3 有機物料和鈍化劑對黑麥草土壤有效Cd含量及pH值的影響

鈍化劑的施用使土壤有效態(tài)Cd含量均有不同程度降低（表3），石灰、有機肥+石灰、有機肥、赤泥、稻草+石灰、稻草分別比對照降低 19.34%、17.01%、14.91%、13.53%、12.03%、7.39%，其中石灰、有機肥+石灰、有機肥、赤泥4個處理土壤有效Cd含量降低顯著?？梢?，赤泥、石灰及有機肥的施用均能降低土壤有效態(tài)Cd含量；而稻草則對土壤有效態(tài)Cd含量的影響不明顯。

表3 施用不同有機物料和鈍化劑下土壤有效態(tài)Cd含量及pH值

種植黑麥草后測定土壤pH值結(jié)果表明（表3），施用赤泥、石灰、有機肥+石灰、稻草+石灰的4個處理土壤pH值較種植前（pH=5.05）上升，其余處理土壤pH值皆有不同程度下降；與對照相比，所有處理土壤pH值皆有不同程度的提高，其中石灰、稻草+石灰、有機肥+石灰處理土壤pH值提高顯著，升幅分別為0.79、0.61、0.43?？梢?，種植黑麥草時單施稻草、有機肥或不施鈍化劑皆使土壤pH值下降，易引起土壤酸化；而施用石灰、赤泥以及有機肥、稻草與石灰配施時土壤pH值上升，可以有效改良土壤酸性或緩解土壤酸化進程。

2.4 黑麥草植株Cd含量、土壤有效Cd含量與產(chǎn)量、土壤pH值之間的關(guān)系

相關(guān)分析表明（表4），黑麥草產(chǎn)量與植株平均Cd含量、土壤有效態(tài)Cd含量皆呈極顯著負相關(guān)，表明土壤有效態(tài)Cd含量、黑麥草植株Cd含量越高，對黑麥草生長的抑制作用越強，導致產(chǎn)量下降[2,3]。有機物料、鈍化劑的合理施用，土壤中有效態(tài)Cd含量下降，黑麥草生長條件得到改善，由于產(chǎn)量增加、生物量增大而形成“稀釋效應”，降低黑麥草植株中Cd含量，同時減少了Cd在黑麥草地上部的分布[4,5]。可見，采取適當調(diào)控措施以控制土壤有效Cd含量不僅可降低植株Cd含量，還能提高黑麥草產(chǎn)量。

表4 黑麥草植株Cd含量、土壤有效Cd含量與產(chǎn)量、pH值之間的相關(guān)系數(shù)

植株平均Cd含量與土壤有效態(tài)Cd含量呈極顯著正相關(guān)，表明土壤有效態(tài)Cd含量越高，黑麥草植株Cd含量也越高；但土壤有效態(tài)Cd含量與pH值呈極顯著負相關(guān)，而植株平均Cd含量與pH值呈負相關(guān)，但相關(guān)不顯著，表明提高土壤pH值能有效降低土壤有效Cd含量，但對植株Cd含量下降的貢獻率下降。

2.5 有機物料和鈍化劑對土壤Cd平衡的影響

從表5可以看出，黑麥草各茬Cd累積量處理間差異顯著，所有處理黑麥草植株Cd總累積量皆小于對照，Cd總累積量從高到低依次為：對照＞有機肥+石灰＞石灰＞赤泥＞稻草+石灰＞稻草＞有機肥，有機肥、稻草、稻草+石灰、赤泥、石灰、有機肥+石灰處理Cd總累積量分別比對照少23.17%、17.98%、16.57%、15.69%、13.34%、7.33%。單施有機肥或稻草黑麥草植株Cd總累積量較少，而施用石灰、赤泥鈍化劑的處理Cd總累積量較多。

以Cd總帶入量（肥料帶入Cd量及鈍化劑帶入Cd量之和）與黑麥草植株累積量之差計算土壤Cd平衡，結(jié)果表明（表5），除施用赤泥、石灰及對照外，其余處理都會增加土壤Cd殘留量，土壤Cd殘留量從高到低依次為有機肥＞有機肥+石灰＞稻草+石灰＞稻草＞石灰＞赤泥＞對照，有機肥處理年殘留量達6002.25mg/hm2。石灰、赤泥因施用量較小，Cd帶入量也小，土壤Cd為凈流出，對土壤Cd安全具有保護作用；稻草、有機肥單施時，因其施用量大，Cd帶入量較多，土壤Cd污染風險大；稻草、有機肥與石灰混施時，Cd總帶入量增加，但植株Cd總累積量也增加，其凈殘留量更少，但土壤Cd污染風險增加。因此，在高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)黑麥草生產(chǎn)的同時，必須控制有機肥及稻草的施用量并降低其Cd含量，同時配施低Cd含量的石灰、赤泥等堿性鈍化劑，以達到飼草安全生產(chǎn)、土壤可持續(xù)利用的雙重目的。

表5 施用不同有機物料和鈍化劑下的黑麥草植株Cd積累量及土壤Cd殘留量 （單位：mg/hm2）

3 討論

土壤中Cd按形態(tài)分級方法可分為：可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化結(jié)合態(tài)、有機態(tài)和殘余態(tài)，其中交換態(tài)Cd對農(nóng)作物生長和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)影響最大，其含量多少受土壤pH、有機質(zhì)、礦物組成、土壤表面吸附能力等因素影響，這些影響因子中，最重要的是土壤pH值和有機質(zhì)含量[8-10]。

提高土壤pH值可有效降低土壤中Cd的有效性[10]，尤其是酸性土壤，pH每增加0.5，Cd的吸附可增加一倍[11]，廖敏等[12]的研究表明，隨pH值的升高，Cd的吸附量和吸收能力急劇上升，最終發(fā)生沉淀。石灰、赤泥為酸性土壤最常用的鈍化劑，大量研究表明，土壤pH值隨石灰、赤泥用量增加而增加，石灰、赤泥的施用皆能有效降低土壤有效態(tài)Cd含量[13-16]，因此，在Cd全量較低，但有效性較高的南方典型酸性土壤進行飼草安全生產(chǎn)，提高土壤pH值是降低土壤有效態(tài)Cd含量最直接有效的途徑之一。本試驗結(jié)果表明，酸性土壤施用石灰、赤泥后土壤pH值較對照顯著提高，通過對土壤有效Cd含量與pH值進行相關(guān)分析表明，兩者間呈極顯著負相關(guān)，表明土壤pH值變化是影響土壤Cd活性的一個重要因素，通過赤泥、石灰的施用能直接有效的降低土壤有效態(tài)Cd含量。本試驗結(jié)果還表明，植株Cd含量與土壤有效Cd含量呈極顯著負相關(guān)，土壤有效Cd含量與pH值也呈極顯著負相關(guān)，而土壤pH值與植株Cd含量之間也呈負相關(guān)，但相關(guān)性不顯著，可能在土壤Cd含量相對較低時土壤pH值對Cd生物有效性的影響權(quán)重下降，單靠提高土壤pH值雖能有效降低土壤有效Cd含量，但難以顯著降低Cd的生物有效性。Cd生物有效性的降低是多種因素共同作用的結(jié)果，如石灰、赤泥中高含量的Ca也是影響Cd生物有效性的因素之一，因為進入土壤溶液后大量的Ca2+可與Cd2+競爭植物根表的吸收位點，添加Ca可顯著提高植物中的Ca含量，同時減少植物對Cd的吸收累積量[17,18]。此外，赤泥還具有較大的比表面積，施入土壤后可在一定程度上增強土壤對Cd的吸附能力[19]，從而導致土壤Cd活性降低，赤泥具有較高含量的Si也是影響Cd生物有效性的因素之一[20]。因此，在土壤Cd全量相對較低，但有效態(tài)含量較高的南方酸性砂壤土中施用石灰、赤泥以降低Cd的生物有效性是土壤pH值和Ca2+效應等多種因素共同作用的結(jié)果。

關(guān)于有機物料對土壤Cd的有效性及Cd的生物有效性影響的研究結(jié)果不盡相同，詹紹軍等[13]研究認為土壤pH隨豬糞用量增加而增加，土壤中有機質(zhì)溶解度也隨之增加，絡合能力增強，有機態(tài)增多，有效態(tài)減少，張亞麗等[21]的研究表明，土壤添加有機物料后土壤有效Cd明顯降低，稻谷中Cd的吸收量明顯下降。在酸性土壤上添加有機物料能明顯降低土壤中Cd有效性和植株Cd濃度[16]。在現(xiàn)實生產(chǎn)實踐和研究中，既有通過施用有機肥提高土壤中Cd生物有效性的報道，也有通過施用富含腐殖物質(zhì)的材料來消除土壤Cd污染的報道[22-24]。主要原因是小分子有機化合物可以增加Cd的有效性、毒性和移動性，而大分子的腐殖質(zhì)則通過與Cd形成穩(wěn)定性很高的絡合物從而具有鈍化Cd的作用[25,26]。雖然有機物料在改良Cd污染土壤方面具有不確定性，既可能抑制土壤Cd的有效性，也可能提高土壤Cd的有效性[27,28]，但它在改善土壤肥力方面具有穩(wěn)定的效果[29-31]。因此，施用一定量的有機肥或稻草雖不能顯著提高土壤pH值（表2），但可以保持土壤pH值穩(wěn)定，減緩土壤酸化進程[32]；本研究結(jié)果表明，施用稻草和有機肥皆可使黑麥草植株Cd含量下降，尤其是施用有機肥，土壤肥力得到增強，黑麥草增產(chǎn)顯著，而在植株Cd總吸收量相近時（表6），單位產(chǎn)量植株積累的Cd減少，即植株Cd含量降低，其飼用安全性提高。

有機物料+石灰是一種普遍采用的有機-中性化技術(shù)(有機物料和中性化材料共同施用的改良方法)，既可發(fā)揮無機鈍化劑對重金屬有效性的抑制作用、又可發(fā)揮有機物料對土壤肥力的改善作用，獲得抑制污染和培肥土壤的雙重效果[33]。本研究結(jié)果表明，有機肥與石灰配施降低黑麥草產(chǎn)量，且增加黑麥草Cd含量，而稻草配施石灰前期對黑麥草生長有一定抑制作用，后期則促進黑麥草生長，但對黑麥草植株Cd含量的影響不明顯，可能有機物料與石灰配施后的作用與有機物料的種類及其配施方法有關(guān)，但其影響機理及機制還有待深入研究。由于本試驗在Cd非超標土壤種植黑麥草，在不加改良劑的情況下，其Cd為凈帶出，不會出現(xiàn)Cd污染問題，但種植一季黑麥草后，土壤pH值由原來的5.05下降到4.75，酸化現(xiàn)象明顯，而單施有機肥或稻草也促使土壤pH值小幅下降，因此，在實際生產(chǎn)過程中添加石灰、赤泥等堿性物質(zhì)，既可對南方典型酸性土壤進行改良，同時還可抑制土壤重金屬Cd等的活性，進行飼草安全生產(chǎn)。單施石灰、赤泥能有效改良土壤酸性，降低土壤Cd有效性，但對產(chǎn)量也有一定影響，而采用有機肥、稻草配施石灰處理不僅能有效改良土壤酸性、降低土壤有效Cd含量、對Cd的生物有效性也有一定抑制作用，同時還能促進黑麥草高產(chǎn)，因此，有機-中性化技術(shù)成為高產(chǎn)高效飼草生產(chǎn)技術(shù)首選，但由于稻草、有機肥中含Cd量高，施用量大，長期施用易造成土壤Cd積累，加大土壤Cd污染風險，進而影響土壤的安全利用。

在本試驗生產(chǎn)條件下，通過控制有機肥、稻草施用量，計算“農(nóng)田-土壤”系統(tǒng)Cd輸出輸入平衡（土壤Cd殘留量為零）時，有機肥、稻草最大施用量分別為5348.53 kg/hm2、4393.87 kg/hm2；添加石灰1500 kg/hm2后有機肥、稻草最大施用量分別為5463.98 kg/hm2、3624.02 kg/hm2。在有機肥15000 kg/hm2、稻草7500 kg/hm2施用量水平時，計算“農(nóng)田-土壤”系統(tǒng)Cd輸出輸入平衡時有機肥、稻草最大Cd含量分別為0.2218 kg/hm2、0.3391 kg/hm2；配施石灰 1500 kg/hm2時，其最大Cd含量分別為0.2265 kg/hm2、0.2653 kg/hm2。在南方Cd環(huán)境容量較低的土壤上生產(chǎn)黑麥草，為達到飼草安全生產(chǎn)的同時改良土壤酸性，且不增加土壤Cd污染風險，可選擇低Cd含量(0.2mg/kg)的有機物料，也可采取調(diào)減有機物料施用量，或者兩者兼用的方法。

4 結(jié)論

在南方典型酸性砂壤土上種植黑麥草，有機肥增產(chǎn)效果顯著；有機肥與鈍化劑皆可有效降低土壤有效態(tài)Cd含量和Cd的生物有效性，以石灰、赤泥鈍化效果較佳；施用石灰、赤泥還可顯著提高土壤pH值，改良土壤酸性，單施有機肥、稻草也可有效緩解土壤酸化進程；采用有機-中性化技術(shù)，可達到飼草安全生產(chǎn)的同時改良土壤酸性，實現(xiàn)土壤可持續(xù)生產(chǎn)利用，但同時必須控制有機物料的Cd含量（<0.2mg/kg），或適當減少施用量。

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