全 文 ：施用有机肥对高砷红壤中小白菜砷吸收的影响*
李莲芳摇 耿志席摇 曾希柏**摇 白玲玉摇 苏世鸣
(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所 /农业部农业环境与气候变化重点开放实验室,北京 100081)
摘摇 要摇 通过盆栽试验,研究了施用猪粪和鸡粪条件下红壤中的砷对小白菜生长和吸收的影
响及土壤有效态砷含量的变化.结果表明:向高砷红壤中施用猪粪和鸡粪两种有机肥均使小
白菜的生物量有不同程度的增加,其中,施用猪粪处理的小白菜生物量显著高于对照处理
(P<0郾 05);猪粪和鸡粪两种有机肥的施用可导致土壤有效砷含量明显提高,施用猪粪后土壤
有效砷含量增幅达 394郾 9% ~ 1033郾 6% ,而施用鸡粪的土壤有效砷含量增幅为 30郾 4% ~
94郾 1% ; 施用有机肥明显促进了小白菜对砷的吸收,其中猪粪处理下小白菜的砷吸收量比对
照增加 20郾 7% ~53郾 9% . 根据本研究结果,对砷含量较高的高风险农田,施用猪粪、鸡粪等有
机肥可能会在一定程度上提高土壤有效砷含量和作物对砷的吸收量,使农产品质量和环境风
险增加.
关键词摇 猪粪摇 鸡粪摇 土壤有效砷摇 小白菜
文章编号摇 1001-9332(2011)01-0196-05摇 中图分类号摇 X592摇 文献标识码摇 A
Effects of organic fertilization on arsenic absorption of pakchoi (Brassica chinensis) on arse鄄
nic鄄contaminated red soil. LI Lian鄄fang, GENG Zhi鄄xi, ZENG Xi鄄bai, BAI Ling鄄yu, SU Shi鄄
ming (Ministry of Agriculture Key Laboratory of Agro鄄Environment & Climate Change, Institute of
Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences,
Beijing 100081, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2011,22(1): 196-200.
Abstract: A pot experiment with arsenic鄄contaminated red soil was conducted to study the effects of
applying pig dung and chicken manure on the growth and arsenic absorption of pakchoi (Brassica
chinensis), and on soil available arsenic. Applying pig dung and chicken manure to the arsenic鄄
contaminated red soil increased the biomass of pakchoi to some extent. Comparing with the control,
applying pig dung increased the pakchoi biomass significantly (P<0郾 05). The soil available arsenic
content after applying pig dung increased by 394郾 9% -1033郾 6% (P<0郾 05), and that after apply鄄
ing chicken manure increased by 30郾 4% -94郾 1% . Organic fertilization promoted the arsenic ab鄄
sorption of pakchoi, with the arsenic uptake after applying pig dung increased by 20郾 7% -53郾 9% .
The application of pig dung and chicken manure to arsenic鄄contaminated red soil could somewhat in鄄
crease the soil available arsenic content and the arsenic uptake by crops, and thus, increase the
risks of agricultural product quality and environment.
Key words: pig dung; chicken manure; soil available arsenic; pakchoi (Brassica chinensis).
* 国 家 “ 十 一 五 冶 科 技 支 撑 计 划 项 目 ( 2007BAD89B03,
2006BAD05B01)和国家自然科学基金项目(41001187)资助.
**通讯作者. E鄄mail: zengxb@ ieda. org. cn
2010鄄05鄄28 收稿,2010鄄10鄄18 接受.
摇 摇 蔬菜是十分重要、也是生产和交易量大的农产
品,与人类生活和健康密切相关. 近年来,由于受一
系列人类活动和自然因素的影响,部分区域土壤中
作物的重金属超标问题突出[1],导致农产品的安全
风险增加[2] .尤其是近些年来,从提高蔬菜产量的
角度出发,菜农常大量施用化肥和有机肥,部分地区
甚至过量施用,并由此引发蔬菜品质和土壤质量等
一系列问题,已受到国内外研究者的广泛关注[3-5] .
随着养殖业的快速发展,集约化养殖场畜禽粪便的
产生量急剧增加,其直接施入农田可导致土壤 Cu、
Zn、As等多种重金属的累积. 有关山东寿光设施菜
地重金属含量状况的研究表明[6-8],设施土壤中重
金属 As、Cd、Cu、Zn均有明显的累积趋势,且发现有
机肥的大量施用是导致重金属累积的主要原因之
一,而白玲玉等[9]对吉林四平土壤重金属的研究亦
得出类似的规律,含重金属有机肥的施用使得土壤
应 用 生 态 学 报摇 2011 年 1 月摇 第 22 卷摇 第 1 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jan. 2011,22(1): 196-200
质量的安全风险增加. 李双异等[10]通过 20 年的长
期定位试验,发现长期施用有机肥不仅可导致土壤
中 Cu、Zn、Pb、Cd 的含量增加,且土壤 Cu、Zn 和 Cd
有效态含量也明显增加.一般来说,畜禽粪便的有机
物质中因含有多种活性组分和功能团,能与重金属
发生络合等作用,尤其是可溶性有机质( dissolved
organic matter)的存在,往往对土壤中的重金属具有
一定的活化作用[11-12],可能提高土壤重金属的有效
性,并导致作物体内重金属含量增加甚至超标,进而
通过食物链威胁人类健康[13-15] . 基于此,本研究采
用生物学模拟试验,选取对砷吸收能力较强的小白
菜为供试作物,将其种植于砷含量较高的污染红壤
中,研究畜禽粪便施用导致的土壤有效砷含量的变
化,以及小白菜对砷的吸收特征,为高风险土壤中蔬
菜的安全生产以及产品质量保障等提供科学依据.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 试验材料
供试土壤取自湖南郴州,为自然状态下受砷污
染的菜地土,其基本理化性质为 pH 6郾 03、有机质
14郾 37 g·kg-1、全氮 2郾 27 g·kg-1、全磷 0郾 48 g·
kg-1、全钾 16郾 21 g·kg-1、总砷 42郾 03 mg·kg-1,所
采集的土壤于室内自然风干并过 2 mm 筛,均匀混
合后备用.
1郾 2摇 试验设计
参照目前大田有机肥施用水平等实际情况,本
试验共设计以下 5 个处理,即:1)不施肥(CK);2)
低量猪粪(A1,24郾 17 g·kg-1 );3)高量猪粪(A2,
48郾 33 g·kg-1);4)低量鸡粪(B1,10郾 94 g·kg-1);
5)高量鸡粪(B2,21郾 88 g·kg-1),每处理重复 3 次,
所施用的猪粪和鸡粪均经过腐熟并自然风干,猪粪
中 N、 P2O5 和有机质含量分别为 6郾 02、 2郾 94 和
283 g·kg-1,总砷含量为 9郾 07 mg·kg-1;鸡粪的 N、
P2O5 和有机质含量为 16郾 1、14郾 9 和 255 g·kg-1,总
砷含量为 4郾 62 mg·kg-1 .
试验过程中,用衡量法加入一定量的去离子水,
维持土壤含水量为田间持水量的 70% ,试验采用聚
乙烯塑料盆(上下直径分别为 25 cm和 20 cm,高 30
cm),每盆装风干土 2郾 0 kg,供试作物为小白菜
(Brassica chinensis),小白菜生长期(本试验为 50 d)
结束时,测定各处理的生物量,同时采集植物和土壤
样品进行室内分析.
1郾 3摇 分析方法
土壤总砷的测定采用美国国家环保局推荐的
USEPA 3050B 方法,即先用 1 颐 1 的 HNO3 颐 H2O2
(V / V)进行预消化,然后用 H2O2 进一步消化,冷却
后过滤,定容至 50 ml 后,采用氢化物发生鄄原子荧
光光谱法(HG鄄AFS)测定待测液中的砷;土壤有效
态砷采用 1 mol·L-1 NH4Cl 提取[16],25 益恒温振
荡,离心过滤,用 HG鄄AFS 测定砷含量;植物样品总
砷的前处理采用修改后的 USEPA 3010A 方法
(HNO3 颐 HClO4 =4 颐 1(V / V))进行消化,采用 HG鄄
AFS测定,试验所用的试剂均为优级纯.
1郾 4摇 数据处理
相关试验数据采用 Excel 2003 处理,显著性检
验采用 Fisher LSD方法.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 施用猪粪和鸡粪对砷污染红壤中小白菜生长
的影响
从表 1 可见,与不施畜禽粪肥的对照(CK)处理
相比,施用猪粪后小白菜的生物量显著提高(P <
0郾 05),其中低量和高量处理下小白菜生物量分别
比对照(CK)处理提高了 209郾 6%和 243郾 9% ;施用
鸡粪处理下小白菜生物量也有一定程度的提高,其
在低量和高量处理下的生物量比 CK处理分别提高
了 25郾 5%和 71郾 8% ,但施用鸡粪与 CK 处理的生物
量间差异不显著.由此可见,即使在砷含量较高的土
壤中,施用畜禽粪肥仍有助于提高小白菜的产量,且
施用猪粪对小白菜的增产效果远远好于鸡粪. 将不
同施用量进行比较,高量施用处理下的小白菜生物
量均较低量施用处理有不同程度的提高,其中,高量
施用猪粪的处理比低量施用猪粪的处理每盆高出
1郾 44 g,增幅达 11郾 1% ;而施用鸡粪时高量处理比低
量处理每盆高出 1郾 94 g,提高幅度达 36郾 9% . 表明
在高砷含量的土壤中,尽管施用猪粪导致作物(小
白菜)生物量的增加量显著高于鸡粪,但提高有机
肥施用量对小白菜生物量的影响则是鸡粪的效果相
对明显.
2郾 2摇 施用猪粪和鸡粪对土壤有效态砷含量的影响
施用有机肥除显著影响高砷土壤中作物的生长
和生物量外,对土壤中有效态砷的含量也造成了一
定影响.从小白菜收获后取各处理土壤分析的结果
(表 2)可以看出,施用畜禽有机肥后,土壤有效态砷
含量均有明显提高,与 CK处理相比,施用低量和高
量猪粪的处理中,土壤有效态砷含量分别增加了
0郾 100 和 0郾 262 mg·kg-1,增幅分别高达 394郾 9%和
1033郾 6% ,与试验前、CK及施用鸡粪处理之间差异
7911 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 李莲芳等: 施用有机肥对高砷红壤中小白菜砷吸收的影响摇 摇 摇 摇 摇
表 1摇 施用猪粪和鸡粪对砷污染土壤中小白菜生长的影响
Table 1摇 Effects of pig and chicken manures application on the growth of phkchoi in As鄄contaminated soils
施肥处理
Fertilization treatment
生物量
Biomass
(g·pot-1)
变幅
Range
(g·pot-1)
比对照的增幅
Increased percentage
comparing to CK(% )
猪粪 A1 12郾 97依2郾 16a 10郾 49 ~ 14郾 38 209郾 6
Pig manure A2 14郾 41依0郾 73a 13郾 57 ~ 14郾 91 243郾 9
鸡粪 B1 5郾 26依1郾 56b 3郾 62 ~ 6郾 73 25郾 5
Chicken manure B2 7郾 20依0郾 16b 7郾 09 ~ 7郾 38 71郾 8
对照 CK 4郾 19依0郾 69b 3郾 51 ~ 4郾 89 -
同列数据后不同字母表示差异显著(P<0郾 05)Data with different letters in the same column meant significant difference at 0郾 05 level. 下同 The same
below.
表 2摇 施用猪粪和鸡粪对土壤有效态砷含量的影响
Table 2摇 Effects of pig and chicken manures application on the content of available As in soils
施肥处理
Fertilization treatment
有效态砷 Available As (mg·kg-1)
含量 Content 变幅 Range
pH
猪粪 A1 0郾 125依0郾 006b 0郾 121 ~ 0郾 131 6郾 13依0郾 13ab
Pig manure A2 0郾 287依0郾 024a 0郾 265 ~ 0郾 312 6郾 26依0郾 20a
鸡粪 B1 0郾 033依0郾 005c 0郾 028 ~ 0郾 036 5郾 34依0郾 13c
Chicken manure B2 0郾 049依0郾 008c 0郾 041 ~ 0郾 057 5郾 45依0郾 10c
对照 CK 0郾 025依0郾 002c 0郾 024 ~ 0郾 027 6郾 11依0郾 04abc
试验前风干土 Air dried soil before experiment 0郾 028依0郾 001c 0郾 028 ~ 0郾 029 6郾 03依0郾 25bc
显著,猪粪的高、低施用量之间亦存在显著差异;而
施用鸡粪的低量和高量处理的土壤中有效砷含量亦
分别提高了 0郾 008 和 0郾 024 mg·kg-1,增幅分别为
30郾 4%和 94郾 1% ,但与试验前风干土及 CK 的差异
均不显著. 将 2 种有机肥不同施用量进行比较,无
论是施用猪粪还是鸡粪,土壤有效态砷含量均有随
施用量提高而增加的趋势,施用猪粪的高量处理比
低量处理土壤有效态砷含量提高 0郾 162 mg·kg-1,
增幅为 129郾 1% ,两者差异达显著水平,而施用鸡粪
的高量处理比低量处理的土壤有效态砷含量亦有明
显提高;同一施肥水平比较,低量施用猪粪时土壤有
效态砷含量比施用鸡粪提高了 279郾 4% ,高量有机
肥处理下施用猪粪比施用鸡粪提高了 484郾 1% . 与
试验前比较,CK处理土壤有效态砷含量有所降低,
这可能与作物生长吸收了一定量的砷有关,与此同
时,施用有机肥也会带来土壤 pH 值的变化,与 CK
处理相比,施用猪粪后土壤的 pH 值略有上升,而施
用鸡粪后土壤的 pH 值则明显下降,且与施用猪粪
时的差异达到显著水平.
2郾 3摇 施用猪粪和鸡粪对小白菜砷吸收量的影响
有机肥的施用可影响小白菜植株对土壤中砷的
吸收,导致植株体内砷浓度及植株吸收砷总量的变
化.从表 3 可以看出,随着畜禽有机肥的施用,植株
体内砷浓度相比于 CK 处理均有不同程度的下降,
将两种有机肥同一施用水平的处理比较,猪粪处理
相对于鸡粪处理的小白菜体内砷浓度降低的幅度较
大,其中高量、低量猪粪处理下植物体内砷浓度分别
降低了 38郾 0%和 30郾 4% ,而鸡粪处理降低的幅度仅
4郾 0% ~7郾 9% .在施用高量、低量有机肥时,鸡粪处
理比猪粪处理的植株体内砷含量分别提高了
48郾 7%和 37郾 9% ,但将植物的生物量与砷浓度结合
考虑即从小白菜植株吸收砷的总量来看,各施肥处
理下的植株吸收砷的总量均比 CK 有显著提
高(P<0郾 05),但不同施肥量处理间差异不显著,其
表 3摇 施用猪粪和鸡粪对小白菜砷吸收量的影响
Table 3摇 Effects of pig and chicken manures application on As uptake in phkchoi
施肥处理
Fertilization treatment
植株砷吸收量 As uptake content (滋g·pot-1)
总量 Total amount
(滋g·pot-1)
变幅 Range
(滋g·pot-1)
植物体内砷含量
As content of plant
(mg·kg-1)
猪粪 A1 11郾 61依3郾 51a 8郾 20 ~ 15郾 20 0郾 884
Pig manure A2 11郾 37依2郾 08a 10郾 08 ~ 13郾 77 0郾 787
鸡粪 B1 6郾 61依2郾 95ab 3郾 79 ~ 9郾 67 1郾 219
Chicken manure B2 8郾 43依2郾 11a 6郾 01 ~ 9郾 86 1郾 170
对照 CK 5郾 48依2郾 24b 3郾 41 ~ 7郾 85 1郾 270
891 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
中,施用猪粪的高量、低量处理下小白菜吸收砷的总
量每盆分别比对照提高了 5郾 89 和 6郾 13 滋g,增幅分
别为 107郾 5%和 111郾 9% ,而施用鸡粪的高量、低量
处理下小白菜植株吸收砷的总量则比对照分别提高
53郾 8%和 20郾 6% .因而,植物体内砷浓度的下降可
能与小白菜生物量增加导致的稀释效应有关. 总体
来看,虽然有机肥的施用均导致小白菜植株体内砷
浓度的下降,但却导致小白菜从土壤中吸收砷的总
量大幅增加,且猪粪处理的小白菜吸收砷量要明显
高于鸡粪处理,这主要与猪粪处理下小白菜的生物
量较高有关.
摇 摇 为进一步探讨土壤有效态砷含量对植株吸收砷
的影响,对施用有机肥后各处理土壤中有效态砷含
量与小白菜砷吸收量间的相互关系进行了探讨(图
1),结果表明,土壤中有效态砷含量与小白菜植株
砷吸收量间呈现出极显著的正相关关系(P<0郾 01),
且其相互关系可用线性方程 y = 0郾 0294x+0郾 0061 来
表示,式中: y 为每盆小白菜植株砷吸收量(mg);x
为土壤有效态砷含量(mg·kg-1). 研究结果进一步
说明,小白菜对砷的吸收在很大程度上决定于土壤
中有效砷的含量,施用有机肥在影响土壤中有效态
砷含量的同时,也必将对作物吸收砷的量产生相应
的影响.
图 1摇 土壤有效态砷含量与小白菜砷吸收量的关系
Fig. 1摇 Relationship between available As content in soils and
As uptake content in phkchoi.
3摇 讨摇 摇 论
猪粪、鸡粪等畜禽粪便富含有机质、氮、磷、钾及
植物生长必需的营养元素,在农业生产中被广泛使
用,施用有机肥也是提高土壤肥力、促进作物高产稳
产的必要手段之一. 畜禽粪便的施用对小白菜生长
有明显的促进作用,尤其是猪粪,本试验中,施用猪
粪处理小白菜长势较好,叶色深绿,且生物量也较
高;而施鸡粪处理则植株叶片略有缺绿现象,叶色较
黄,且生物量也明显较低. 导致该现象的原因,可能
是由于猪粪的营养成分相对均衡、且含量和有效性
较高,对提高土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾
含量的作用较大[14],而鸡粪中有机质和养分的含量
相对较低、且释放也较慢. 已有研究结果也表明,畜
禽粪便、特别是猪粪中含有丰富的有机质、氮磷钾及
Ca、Fe、Mg、Na、Mn、Co等中微量元素,具有补充和平
衡土壤养分的作用[15],长期施用可改善土壤理化性
状,提高土壤肥力.
施用猪粪和鸡粪均提高了土壤有效态砷的含
量,并使砷的生物累积量提高,其原因可能是施入土
壤的畜禽粪便在腐殖化过程中产生了大量的有机酸
和无机离子,导致土壤 pH 值下降,导致被土壤胶体
吸附的砷解吸而释放[17];同时,有机质的组成成
分———胡敏酸、富里酸和胡敏素中含有大量的功能
基团,对砷具有较强的络合和富集作用[18],加入有
机物料,对土壤的氧化还原电位 Eh 值也产生很大
影响,并进而影响砷在土壤中的吸附与解吸过程.有
研究表明,在富含有机质的还原环境中,砷化合物的
溶解性增强,原来被土壤胶体吸附的砷被释放出来,
导致可溶性砷的浓度提高[19],而将施用猪粪与鸡粪
两种情况比较,施用猪粪对土壤有效态砷含量的提
高幅度明显高于施用鸡粪,且与 CK比较差异显著,
其可能原因是二者有机物的组成及分解速度等的差
异,导致其与土壤中的砷以不同的方式结合所致,其
具体机理尚待进一步探讨.
现代规模化养殖过程中,出于防虫、防病等方面
的需要,在饲料中一般要加入一定量的含砷、锌、铜
等的添加剂,因此,畜禽粪便中重金属、兽药残留、盐
分及有害微生物等的含量也有所增加.有研究指出,
猪粪的重金属超标较为严重,且主要为 Cu、Zn、As
的含量超标,鸡粪中 Cu 和 As 的含量也常出现超标
现象[20],因此必须予以充分关注,在有条件的前提
下,建议将畜禽粪便先进行无害化处理,去除其中的
重金属元素,或使其降低至允许范围内,才能进行资
源化利用,在有机肥的施用量方面,建议与无机肥配
合施用,这样既保证供给作物必要的养分,又考虑了
其养分的释放速度与作物需求相一致,同时也尽量
使其中重金属等有害物质的量降低到最小限度,以
降低其施用到农田后的潜在风险[15] .
4摇 结摇 摇 论
施用猪粪和鸡粪两种有机肥有利于小白菜增
产,其中,施用猪粪可显著提高小白菜的生物量(P<
9911 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 李莲芳等: 施用有机肥对高砷红壤中小白菜砷吸收的影响摇 摇 摇 摇 摇
0郾 05),而施用鸡粪与不施用鸡粪的小白菜生物量
间差异不显著.
畜禽有机肥的施用可提高土壤中有效态砷含
量,施用猪粪的土壤中有效态砷含量显著升高,高砷
土壤中猪粪等的施用可能会增加土壤中砷的环境
风险.
与不施肥的对照相比,高、低量猪粪及高量鸡粪
处理均导致小白菜对砷的吸收量显著增加,小白菜
砷吸收量与土壤中有效态砷含量间呈极显著正
相关.
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作者简介 摇 李莲芳,女,1975 年生,博士,副研究员. 主要从
事农业环境演变与调控研究,发表论文 30 余篇. E鄄mail: lil鄄
ianfang@ ieda. org. cn
责任编辑摇 肖摇 红
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