柳開樓，胡秋萍，胡惠文，呂豐娟，葉會(huì)財(cái)，黃慶海，李大明，余喜初

（1.江西省紅壤研究所/國(guó)家紅壤改良工程技術(shù)研究中心/農(nóng)業(yè)部江西耕地保育科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，江西 進(jìn)賢 331717；2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)部植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3. 江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與資源環(huán)境研究所，江西 南昌 330200）

在水稻土上，畜禽糞便等有機(jī)肥的合理施用和管理對(duì)于提高土壤肥力起著至關(guān)重要的作用。陳義等通過計(jì)算得出，每年在施入16.5～49.5 t/hm2鮮廄肥的基礎(chǔ)上，增施1 t/hm2鮮豬廄肥，就意味著有46.7 kg的CO2被土壤固定［1］。豬糞等畜禽糞便還田可以顯著提高土壤肥力和作物產(chǎn)量。柳開樓等研究表明，與施化肥處理相比，豬糞配施化肥下水稻產(chǎn)量增加10.3%～12.0%，土壤有機(jī)碳含量提高18.8%～23.7%［2］?？傊?，有機(jī)肥的合理施用是提升紅壤稻田肥力，保障作物產(chǎn)量的重要途徑。

然而，由于飼養(yǎng)過程中大量使用含有機(jī)胂制劑的飼料，使得畜禽糞中砷（As）含量普遍較高，給畜禽糞還田利用帶來了巨大的潛在風(fēng)險(xiǎn)［3-4］。柳開樓等研究表明，規(guī)模化養(yǎng)豬場(chǎng)豬糞中As含量為3.506 mg/kg［2］，因此，畜禽有機(jī)肥的施用帶來的As增加而引起的土壤及地下水的污染問題受到人們的重視。在我國(guó)，研究者對(duì)北京、江蘇7省市的畜禽糞便樣品分析結(jié)果表明，豬糞中As含量普遍較高，最高濃度分別達(dá)到65.4 mg/kg，至少有20%～30%樣品超出我國(guó)污泥農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)（GB 4284-1984）［5］。豬糞施用將明顯提高土壤中As的總含量、有效含量及有效含量占各自總量的百分?jǐn)?shù)［6-7］，研究者對(duì)廣東省長(zhǎng)期使用阿散酸為飼料添加劑的15個(gè)大型豬場(chǎng)的周圍環(huán)境及農(nóng)田進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期施用豬糞的稻田，大多數(shù)土壤As含量已超過國(guó)家規(guī)定的最高標(biāo)準(zhǔn)；另外，水稻有一定的As富集能力，而且水稻各種組織的As含量與土壤As含量也存在明顯的正相關(guān)［8］。盆栽試驗(yàn)表明，隨豬糞施用量的增加，土壤全As、有效態(tài)As和菜心As含量均提高，且均與豬糞施用量呈極顯著的正相關(guān)［9］。柳開樓等研究表明，與施用化肥處理相比，長(zhǎng)期施用豬糞處理的紅壤稻田中As含量增加90.5%～192.7%［2］。黃治平等研究表明，連年施用豬糞土壤中As有效態(tài)含量增加［10］。同時(shí)，配施豬糞等畜禽糞便還可以增加農(nóng)產(chǎn)品的As含量，進(jìn)而危害人類健康［11-12］。

對(duì)As含量較高的高風(fēng)險(xiǎn)農(nóng)田，施用豬糞等有機(jī)肥可能會(huì)在一定程度上提高土壤有效As含量和作物對(duì)As的吸收量，使農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)增加，施用豬糞后土壤有效As含量增幅達(dá)394.9%～1033.6%［13］。但是，目前有關(guān)豬糞等畜禽糞便中As的研究主要集中在如何降低和鈍化As的活性［14-17］。而有關(guān)豬糞等畜禽糞便施用后土壤As的形態(tài)變化及其在土壤-植物體系中的遷移機(jī)制則研究較少。因此，本研究擬借助始于1981年的紅壤稻田有機(jī)肥長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，通過分析豬糞等有機(jī)肥長(zhǎng)期施用下土壤As的形態(tài)分異規(guī)律以及水稻籽粒和秸稈中As的累積變化特征，以期揭示紅壤稻田As在土壤-植株體系中的遷移規(guī)律及其對(duì)豬糞用量的響應(yīng)機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)位于江西省進(jìn)賢縣江西省紅壤研究所內(nèi)（116°17′60″E、28°35′24″N），地處中亞熱帶，年均氣溫18.1℃，≥10℃積溫6480℃，年降雨量1537 mm，年蒸發(fā)量1150 mm，無霜期約289 d，年日照時(shí)數(shù)1950 h。試驗(yàn)土壤為紅壤性水稻土。1981年試驗(yàn)開始前耕層（0～20 cm）土壤有機(jī)質(zhì)16.3 g/kg，全氮1.49 g/kg，全磷0.48 g/kg，全鉀 10.39 g/kg，堿解氮 144 mg/kg，有效磷4.15 mg/kg，速效鉀80.52 mg/kg，pH 6.90。土壤中全量As和有效As含量分別為3.93 mg/kg和0.21 mg/kg。試驗(yàn)于2015年進(jìn)行，試驗(yàn)?zāi)甓葍?nèi)的溫度和降水量的季節(jié)性變化見圖1。其中降水量主要集中在3～6月份，而7～9月份的降水量則顯著較少，但其溫度最高，從而表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性干旱特性。

圖1 試驗(yàn)區(qū)2015年溫度和降水量變化

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)不施肥（CK）、氮磷鉀肥配施（NPK，早晚稻N、P2O5和K2O分別為90、45、75 kg/hm2）、氮磷鉀肥+早稻豬糞（NPKM1，在NPK處理的基礎(chǔ)上早稻施用鮮紫云英22500 kg/hm2）、氮磷鉀肥+晚稻豬糞配施（NPKM2，在NPK處理的基礎(chǔ)上早稻施用鮮豬糞22500 kg/hm2）4個(gè)處理，其中紫云英和豬糞的含水量分別為65%和73%。紫云英含C 400 g/kg、N 27.6 g/kg、P 2.00 g/kg、K 8.50 g/kg；鮮豬糞含 C 340 g/kg、N 28.3 g/kg、P 10.3 g/kg、K 9.80 g/kg。豬糞烘干后含As 3.5 mg/kg。每個(gè)處理3次重復(fù)，小區(qū)面積60 m2?；史N類為尿素、鈣鎂磷肥、氯化鉀，其中磷肥、鉀肥、紫云英和豬糞作為基肥，氮肥用量的2/3為基肥、1/3為追肥。基肥在水稻移栽前施用，而追肥則在水稻移栽后10 d即返青期施用。

1.3 測(cè)定指標(biāo)

于2015年晚稻收獲后采集耕層（0～20 cm）土壤樣品，每個(gè)處理3次重復(fù)，風(fēng)干過篩后，采用 As 形態(tài)連續(xù)提取法，As的形態(tài)主要分為：Ex-As（交換態(tài) As）、Al-As（鋁型 As）、Fe-As（鐵型 As）、Ca-As（鈣型 As）、Res-As（殘?jiān)鼞B(tài)As），其中前4種形態(tài)的浸提液分別為NH4Cl 1 mol/L、NH4F 0.5 mol/L、NaOH 0.1 mol /L和H2SO40.25 mol/L，浸提方法分別為1∶20的土液比、25℃振蕩0.5 h，1∶20的土液比，25℃振蕩1 h，1∶20的土液比，25℃振蕩17 h，1∶20的土液比，25℃振蕩1 h，而Res-As的測(cè)定采用差減法進(jìn)行，具體浸提液和浸提方法見文獻(xiàn)［18］。提取液中As的測(cè)定采用Ag-DDC比色法，該方法測(cè)定土壤As的檢出限為0.5 mg/kg，測(cè)定過程中同一批次樣品均用標(biāo)準(zhǔn)曲線控制，標(biāo)準(zhǔn)曲線吸光度與溶液As濃度的擬合方程為y= -3.3+137.9x，R2＞ 0.99，樣品測(cè)定時(shí)設(shè)置空白樣，3次重復(fù)，平行樣品相對(duì)誤差＜ 5%。

于2015年晚稻成熟期采集水稻樣品，將籽粒和莖稈分開烘干過篩，采用濃硝酸、高氯酸和濃硫酸消煮，原子吸收分光光度計(jì)分析秸稈和籽粒中As的含量。詳細(xì)步驟參照《土壤農(nóng)化分析》［19］。

耕層土壤中不同As形態(tài)儲(chǔ)量的計(jì)算公式為：

式中，iAsp為某一形態(tài)As的儲(chǔ)量（g/hm2），iAsc為某一形態(tài)As的含量（mg/kg），d為耕層厚度（0.2 m），BD為土壤容重（g/cm3），10為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。

籽粒和秸稈As吸收量的計(jì)算公式為：

式中，GAsu、SAsu為籽粒和秸稈As吸收量（g/hm2），GAsc、SAsc為籽粒和秸稈As含量（mg/kg），GYield、SYield為籽粒和秸稈產(chǎn)量（kg/hm2）。

采用線性擬合方程量化土壤As儲(chǔ)量與籽粒、秸稈As吸收量的量化關(guān)系。采用Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用SPSS 16.0進(jìn)行方差分析，采用Duncan多重比較方法進(jìn)行差異顯著性測(cè)驗(yàn)，采用Origin 8.1軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)期施豬糞的土壤As形態(tài)分布

長(zhǎng)期豬糞施用可以顯著提高紅壤稻田的As含量（表1）。與CK相比，早稻豬糞施用（NPKM1）和晚稻豬糞施用（NPKM2）處理土壤總As含量分別提高148.71%和282.11%；與NPK處理相比，NPKM1和NPKM2處理土壤總As的增幅分別為90.48%和192.64%。同時(shí)，不同形態(tài)As含量也均呈現(xiàn)出豬糞施用處理顯著增加，且與NPKM1處理相比，NPKM2處理的Ex-As、Al-As、Fe-As、Ca-As和 Res-As分別增加14.45%、48.96%、58.99%、52.58%和71.11%。

在紅壤稻田上，土壤As形態(tài)中主要以Fe-As比例最高，其次為Al-As和Res-As，而Ca-As和Ex-As含量最少，但是，與CK相比，化肥和豬糞施用均顯著提高Al-As和Ca-As的比例，卻顯著降低了Res-As的比例；與NPK相比，豬糞施用處理RES-As的比例顯著增加，而其他比例則不存在顯著差異。

表1 長(zhǎng)期施豬糞土壤不同形態(tài)As的含量

2.2 長(zhǎng)期施豬糞土壤As不同形態(tài)的儲(chǔ)量變化

長(zhǎng)期豬糞施用顯著增加了耕層土壤中As的儲(chǔ)量（表2）。NPKM1和NPKM2處理土壤As儲(chǔ)量比CK分別增加120.35%和205.02%；比NPK處理分別增加83.28%和153.71%。同時(shí)，不同形態(tài)As的儲(chǔ)量也均呈現(xiàn)出豬糞施用處理顯著增加，且與NPKM1處理相比，NPKM2處理的 Ex-As、Al-As、Fe-As、Ca-As和 Res-As儲(chǔ)量分別增加3.12%、34.21%、43.25%、37.47%和54.17%。

表2 長(zhǎng)期施豬糞土壤不同形態(tài)As的儲(chǔ)量

2.3 長(zhǎng)期施豬糞的水稻籽粒和秸稈中As含量和吸收量變化

晚稻長(zhǎng)期施用豬糞可以顯著提高籽粒產(chǎn)量，但對(duì)秸稈產(chǎn)量則沒有顯著影響（表3）。秸稈中的As含量則明顯高于籽粒，且豬糞還田顯著增加了秸稈和籽粒的As含量和吸收量（圖2），NPKM1和NPKM2處理秸稈As含量比CK分別增加61.29%和87.92%；比NPK處理增加41.73%和65.12%；籽粒中As含量也呈現(xiàn)出相似的增加趨勢(shì)。同時(shí)，NPKM1和NPKM2處理籽粒和秸稈對(duì)As的吸收量也顯著提高。

表3 不同施肥處理中晚稻的籽粒和秸稈產(chǎn)量

2.4 長(zhǎng)期施豬糞土壤As儲(chǔ)量與水稻As吸收量的量化關(guān)系

土壤中As儲(chǔ)量與水稻As吸收量存在顯著的正相關(guān)關(guān)系。表4結(jié)果顯示，耕層土壤中各形態(tài)As的儲(chǔ)量均與籽粒和秸稈及地上部的As吸收量呈顯著的線性關(guān)系。通過擬合方程表明，土壤各形態(tài)As的儲(chǔ)量每增加1 g/hm2，水稻籽粒As吸收量可以增加0.12～0.93 g/hm2，秸稈As吸收量可以增加3.45～6.06 g/hm2，地上部As吸收量可以增加1.03～6.99 g/hm2。其中以Ex-As對(duì)水稻As吸收的貢獻(xiàn)率最高。

圖2 長(zhǎng)期施豬糞的水稻籽粒和秸稈中As含量和吸收量

3 結(jié)論與討論

規(guī)?；B(yǎng)豬場(chǎng)產(chǎn)生的大量鮮豬糞的資源化利用一直是政府和企業(yè)關(guān)注的重要問題［5，8］。很多研究表明，將鮮豬糞直接還田可以在消納廢棄物的同時(shí)實(shí)現(xiàn)土壤培肥和作物增產(chǎn)［1-2］。但是，由于鮮豬糞中重金屬Cu、Zn和As等含量較高［5］，其直接還田勢(shì)必導(dǎo)致土壤中重金屬累積［8-9］，威脅糧食安全和人類健康。本研究從豬糞施用后As在土壤和植株中的轉(zhuǎn)化試驗(yàn)表明，鮮豬糞連續(xù)施用35年后，土壤中As含量顯著增加，早稻豬糞還田和晚稻豬糞還田處理下土壤總As含量比化肥處理增加了90.48%和192.64%。且其各形態(tài)As含量也顯著提高。與不施肥相比，化肥和豬糞施用顯著提高了Al-As和Ca-As的比例，但卻顯著降低了Res-As的比例。這一方面與豬糞等有機(jī)肥通過土壤理化性質(zhì)［20］改變了As在土壤中的形態(tài)有關(guān)，另一方面也可能與豬糞帶入的As形態(tài)有關(guān)［5］，但具體原因還有待進(jìn)一步研究。

表4 土壤As儲(chǔ)量與水稻As吸收量的量化關(guān)系

在紅壤稻田上，土壤中As含量的增加導(dǎo)致耕層土壤中As儲(chǔ)量進(jìn)一步提高。且晚稻季豬糞還田下土壤中 Ex-As、Al-As、Fe-As、Ca-As和Res-As儲(chǔ)量顯著高于早稻季，這主要與本研究是在晚稻收割后采集的樣品有關(guān)。耕層中累積的大量As會(huì)進(jìn)一步被水稻吸收，在水稻上，豬糞還田顯著增加了秸稈和籽粒的As含量和吸收量，但主要集中在秸稈中，這與大量研究結(jié)果一致［21-22］。進(jìn)一步通過線性擬合方程發(fā)現(xiàn)，雖然土壤各形態(tài)As的儲(chǔ)量均可以增加水稻籽粒和秸稈的As吸收量，但在所有形態(tài)As中，主要以Ex-As對(duì)水稻As吸收的貢獻(xiàn)率最高。這說明，Ex-As是影響水稻As的吸收的關(guān)鍵形態(tài)，在降低和阻控水稻As吸收的技術(shù)研究中，應(yīng)重點(diǎn)從如何鈍化和降低Ex-As的角度來開展相關(guān)技術(shù)的研發(fā)和集成。

因此，在紅壤稻田上，雖然早稻季或晚稻季施用豬糞均可以顯著增加了土壤中總As及各形態(tài)As的含量和儲(chǔ)量，但水稻吸收的As主要集中在秸稈中。在土壤As污染阻控和修復(fù)中，應(yīng)將交換態(tài)As含量作為重要的指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

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