全 文 ：第 35 卷第 3 期
2015年 2月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.35,No.3
Feb.,2015
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:公益性行业(农业)科研专项(201203030, 201003016); 国家自然科学基金(41301269); 国家重点基础研究发展计划(973 计划)子课
题(2011CB100501鄄S06)
收稿日期:2013鄄04鄄08; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄04鄄03
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: hqh0791@ vip.sina.com
DOI: 10.5846 / stxb201304080636
李大明,柳开楼,黄庆海,余喜初,叶会财,胡惠文,徐小林.长期施用猪粪红壤稻田土壤 Cu、Zn累积规律.生态学报,2015,35(3):709鄄716.
Li D M, Liu K L, Huang Q H, Yu X C, Ye H C, Hu H W, Xu X L.Accumulation dynamic of soil Cu and Zn under long鄄term application of pig manure in
red paddy field.Acta Ecologica Sinica,2015,35(3):709鄄716.
长期施用猪粪红壤稻田土壤 Cu、Zn累积规律
李大明,柳开楼,黄庆海*,余喜初,叶会财,胡惠文,徐小林
江西省红壤研究所,国家红壤改良工程技术研究中心,南昌摇 331717
摘要:为揭示长期施用猪粪红壤稻田土壤 Cu、Zn累积规律,以设立于 1981年的红壤稻田有机肥定位试验为载体,选取 PM1(早
稻施猪粪和紫云英)、PM2(早稻施紫云英+晚稻施猪粪)、GMS(早稻施紫云英+晚稻秸秆还田)和 NPK(早稻施化肥)等处理为
对象,分析了不同试验年限土壤全量和有效态 Cu、Zn含量。 结果表明:长期施用猪粪显著提高了土壤 Cu、Zn含量;连续施用猪
粪 30 a后,土壤全量 Cu、Zn含量分别增加了 7.69—9.52 mg / kg和 22.42—35.46 mg / kg;生物有效性显著增加,有效态 Cu、Zn 含
量占全量 Cu、Zn的比例分别由 15%和 5%增加到 51%和 27%。 猪粪年度内的施用时间对土壤 Cu的累积没有显著影响,早稻施
用猪粪加剧了土壤 Zn的累积。 土壤铜、锌累积分为两个差异显著的阶段,1981—2002 年为缓慢增长期,2002—2010 年为快速
增长期,这可能与 2002年后施用的猪粪中 Cu、Zn含量增高有关。 以研究的结果推算,红壤稻田鲜猪粪施用量在 9.5 t hm-2 a-1
以下, 50 a内不会造成土壤 Cu、Zn含量超标。
关键词:Cu; Zn;累积规律;猪粪;长期定位试验;红壤稻田
Accumulation dynamic of soil Cu and Zn under long鄄term application of pig
manure in red paddy field
LI Daming, LIU Kailou, HUANG Qinghai*, YU Xichu, YE Huicai, HU Huiwen, XU Xiaolin
National Engineering and Technology Research Center for Red Soil Improvement, Jiangxi Institute of Red Soil, Nanchang 331717, China
Abstract: As an organic fertilizer, pig manure has long history of application in paddy fields and. it can increase soil
organic carbon content, improve soil nutrient and increase crop yield. With the development of rural economics and the
sharply increased demand for pig meat, intensive pig farms have become the main style of raising pigs and the resulting large
amounts of pig manure have became a potential risk to the rural environment. The reuse of the pig manure was the inevitable
choice to alleviate this environment risk. However, the plentiful application of feedstuffs with additives high in Cu and Zn
bring a threat in the use of pig manure in agriculture. So, it is important to discover the accumulation dynamics and
chemical characteristics of Cu, Zn and evaluate the carrying capacity of pig manure in paddy fields. The present study
analyzed the total and available soil Cu and Zn content after different application times of pig manure in an organic fertilizer
field experiment carried out from 1981. The treatments included combined green manure (22500 kg / hm2) and pig manure
(22500 kg / hm2) in early rice (PM1), combined green manure (22500 kg / hm2) in early rice and pig manure (22500 kg /
hm2) in later rice (PM2), combined green manure (22500 kg / hm2) in early rice and rice straw returning (4500 kg / hm2)
in later rice (GMS), nitrogen鄄 phosphorus鄄 potassium fertilization (NPK). The results showed that long鄄term application of
pig manure increased soil Cu and Zn content significantly, total Cu and Zn increased 7.69—9.52 mg / kg and 22.42—35.46
mg / kg after 30 year continuous application of pig manure, respectively. The proportion of available Cu and Zn content
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increased from 15% and 5% to 51% and 25% from 1981 to 2010. The pig manure application in early rice or later rice had
no significant effect on the accumulation of soil Cu content, but it affected the accumulation of soil Zn significantly, the
increase rate was much higher when the pig manures were applied in early rice than that of later rice. The available content
of soil Cu, Zn increased more than 10 mg / kg from 2002 to 2010, which far higher than that accumulation in the former 22
years (1981 to 2002). This maybe the result of the higher content of Cu and Zn in the pig manure applied in this period
and / or the saturation of soil stable state Cu and Zn. Based on the result of this study, the proper application amount of pig
manure in red鄄soil paddy鄄fields is less than 9.5 t hm-2 a-1, which could maintain the soil Cu, Zn content below the national
standard of second grade standard (pH<6.5) after 50 year continuous application of pig manure.
Key Words: Cu; Zn; accumulation dynamic; pig manure; long鄄term field experiment; red paddy field
猪粪作为有机肥还田具有悠久的历史,众多研究表明:施用含有丰富有机质和氮、磷养分的猪粪可以显著
提高土壤肥力[1],促进作物的生长,提高作物产量[2鄄3]。 但是随着农村经济发展和猪肉需求的不断提高,规模
化养殖已成为当前农村养猪的主体,而规模化养殖过程中产生的大量猪粪(尿)给地区生态环境带来的巨大
的环境风险,实现猪粪(尿)的资源化利用则成为减轻这一环境风险的必然选择,而猪粪还田仍是最经济有效
的资源化利用方法之一。 然而,规模化养猪过程中大量使用含有 Cu、Zn 的饲料及添加剂使得猪粪中 Cu、Zn
含量普遍较高,这给猪粪还田利用带来了巨大的潜在风险[4]。 研究者对北京、江苏 7 省市的畜禽粪便样品分
析结果表明,猪粪中的 Cu、Zn含量普遍较高,最高浓度分别达到了 1591 和 8710 mg / kg,至少有 20%—30%样
品超出我国污泥农用标准(GB鄄4284—1984) [5]。 而有关猪粪农用的研究也显示,长期施用规模养殖场猪粪的
农田(菜地),表层土壤中 Cu、Zn总量升高,生物可利用态比例增加,这给农产品安全和生态环境带来了巨大
的威胁[6鄄9]。 因此,揭示长期施用猪粪农田土壤 Cu、Zn 累积规律及形态变化特征,估算不同土壤类型农田猪
粪的承载力对于制定合理的猪粪还田模式及维护区域生态环境安全具有重要意义[10]。 然而,现有大部分研
究都集中在施用猪粪后土壤及作物重金属含量变化上[6鄄9],仅有的关于长期施用猪粪农田重金属累积规律也
集中在旱地[11],尚缺乏长期施用猪粪红壤稻田土壤 Cu、Zn 含量演变规律研究。 因此,本研究拟以设立于
1981年的红壤稻田有机肥定位试验(包含猪粪、绿肥和水稻秸秆等有机肥种类)为对象,重点分析不同猪粪施
用年限土壤 Cu、Zn含量,旨在揭示长期施用猪粪红壤稻田土壤 Cu、Zn累积规律,为制定合理的红壤稻田猪粪
利用模式、维护地区生态环境提供理论依据。
1摇 材料与方法
1.1摇 试验地概况
试验地设在江西省红壤研究所(116毅20忆24义 E,28毅15忆30义 N),属中亚热带季风气候,年均降雨量 1537 mm,
年蒸发量 1100—1200 mm;年均气温 17郾 7—18.5益,最冷月(1 月)平均气温为 4.6益,最热月(7 月)平均气温
为 28.0—29.8益。 海拔高度 25—30 m,为典型的低丘红壤地区,土壤类型为第四纪红黏土发育的潴育型水稻
土,1981年试验开始前该试验地为常规种植稻田,种植水稻年限在 20a以上。 试验开始时耕层土壤 pH值 6郾 9
(试验 6a后,所有处理耕层土壤 pH值均降到 6.5以下),有机碳 16.22 g / kg,全氮 0.95 g / kg,全磷 1.02 g / kg,全
钾 15.41 g / kg,碱解氮 143.70 mg / kg,速效磷 10.30 mg / kg,速效钾 125.10 mg / kg。
1.2摇 试验设计
以 1981年开始的红壤有机肥定位试验为基础,选取其中的 4 个典型处理:(1)早稻施用猪粪(PM1): 早
稻施紫云英 22500 kg / hm2和猪粪 22500 kg / hm2;(2)晚稻施用猪粪(PM2): 早稻施紫云英 22500 kg / hm2晚稻
施猪粪 22500 kg / hm2;(3)施用绿肥和稻草(GMS): 早稻施紫云英 22500 kg / hm2晚稻施用稻草 4500 kg / hm2;
(4)化肥(NPK):早稻施 N 90 kg / hm2、P 2O5 45 kg / hm2、K2O 75 kg / hm2(NPK),有机肥施用量均为鲜重。 试验
小区面积 60 m2,顺序排列,3 次重复,小区间用宽 5 cm,深 50 cm 的水泥田埂隔开。 另外,1981—1988 年,
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PM1鄄GMS处理每季(NPK处理为晚稻季)补施化肥 N 45 kg / hm2、P 2O5 30 kg / hm2;1989—1995 年,PM1鄄GMS
每季(NPK处理为晚稻季)在上述化肥的基础上,每季补施 K2O 37.5 kg / hm2;1996 年早稻开始,PM1鄄GMS 每
季(NPK处理为晚稻季)补施的 N、P 2O5、K2O施用量分别增至 69,30,67.5 kg / hm2。 有机肥、磷肥和钾肥作基
肥,氮肥分两次施(其中基肥 50%,追肥 50%)。 2010 年施用的有机肥样品风干后 Cu、Zn 含量及养分状况见
表 1。
表 1摇 不同有机肥 Cu、Zn含量及养分指标
Table 1摇 The content of Cu, Zn and nutrient of the organic manure
有机肥种类
Organic manure
鲜样含水率
Water content /
%
Cu /
(mg / kg)
Zn /
(mg / kg)
有机碳
Organic carbon /
(g / kg)
全氮
Total N /
(g / kg)
全磷
Total P /
(g / kg)
全钾
Total K /
(g / kg)
猪粪 Pig manure 70.6 879.5 1271.4 340 6.0 4.5 5.0
稻草 Rice straw 70.0 17.3 65.4 421 3.3 1.2 7.6
紫云英 Milk vetch 85.5 27.6 47.4 467 4.0 1.1 3.5
摇 摇 有机肥样品为 2010年施用的有机肥, Cu、Zn及养分含量均为风干后含量
1.3摇 测定指标和参数计算方法
利用有机肥定位试验保存的原始土样(1981 年)和 1985 年(试验 5a)、1996 年(试验 16a)、2002 年(试验
22a)、2010年(试验 30a)采集的耕层土壤样品进行土壤 Cu、Zn含量分析,用于表示连续施用猪粪 n 年后土壤
Cu、Zn含量,土壤样品采集于每年晚稻收获后。 分析方法如下:
(1)土壤全量 Cu、Zn含量采用王水回流消煮,电感耦合等离子发射光谱(ICP)测定(参照农业部行业标
准:NY鄄T 1613—2008) [12]。
(2)土壤有效 Cu、Zn含量采用 0.1 mol / L 盐酸溶液浸提,浸提液采用电感耦合等离子发射光谱( ICP)测
定(参照农业部行业标准:NY鄄T 1613—2008) [12]。
(3)有机肥养分和有机碳含量测定均采用常规方法,具体参见《土壤农化分析》 [13]。
(4)土壤 Cu、Zn累积速率和稻田猪粪承载力的计算方法:
HMI=
HMx-HMy
x-y
(1)
HMT=
HMs-HMx
HMI
(2)
HME=
HMIm-HMIo
AM
(3)
AMs50 =
HMmax-HMz
50伊HME
(4)
式中,HMx表示在第 x年的土壤 Cu、Zn 含量(mg / kg),HMy表示在第 y 年的土壤 Cu、Zn 含量(mg / kg),HMI 表
示土壤 Cu、Zn累积速率(mg kg-1 a-1);HMT表示土壤 Cu、Zn超标时间(a),HMs表示土壤 Cu、Zn 含量国标超
标值(mg / kg),HME表示单位用量猪粪对稻田重金属累积的效应(mg kg-1 a-1),AM 为猪粪实际用量( t hm-2
a-1),HMIm 表示施用猪粪下土壤 Cu、Zn累积速率(mg kg
-1 a-1),HMIo 表示不施用猪粪下土壤 Cu、Zn 累积速
率(mg kg-1 a-1); HMmax表示允许的土壤最大 Cu、Zn含量(即国标二级标准允许的最大含量,mg / kg),HMz 表
示当前土壤的 Cu、Zn含量(mg / kg),50表示施用时间为 50a,AMs50表示 Cu、Zn含量 50a 不超标时土壤承载的
最大鲜猪粪量(t hm-2 a-1)。
1.4摇 数据分析与统计
所有数据均采用 Excel 2003进行处理,统计分析采用 SPSS 11.0软件进行,差异显著性检验采用最小显著
差法(Fisher忆s LSD)于 P < 0.05水平上进行,图表采用 Origin 8.0作图软件完成。
117摇 3期 摇 摇 摇 李大明摇 等:长期施用猪粪红壤稻田土壤 Cu、Zn累积规律 摇
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2摇 结果分析
2.1摇 长期施用猪粪红壤稻田土壤全量铜和有效铜含量变化规律
图 1摇 不同猪粪施用年限土壤全铜含量变化规律
摇 Fig. 1 摇 The dynamic of soil total copper content in different
experiment time
PM1:早稻施猪粪 22500 kg / hm2和紫云英 22500 kg / hm2;PM2:晚
稻施猪粪 22500 kg / hm2+早稻施紫云英 22500 kg / hm2;GMS:早稻
施紫云英 22500 kg / hm2 +晚稻施用稻草 4500 kg / hm2;NPK:早稻
施 N 90 kg / hm2、P2O545 kg / hm2、K2O 75 kg / hm2
施用猪粪对红壤性水稻土的全量铜和有效铜含量
均有显著影响(图 1,图 2)。 试验前 22a 连续施用猪粪
尚未对土壤全量铜造成显著影响(图 1)。 而在施用猪
粪 30a后,土壤全铜含量显著增加,分别为 29.64 mg / kg
和 31.47 mg / kg,显著高于不施猪粪处理(P<0.05)。 不
施猪粪处理(GMS和 NPK)土壤全量铜的含量没有显著
变化(P>0.05)。 猪粪年度内的施用时间对土壤全量铜
的累积没有显著影响。 因此,长期持续施用猪粪显著增
加了红壤稻田表层土壤全量铜含量,且主要归因于最近
8年的猪粪施用,而不施猪粪稻田土壤全铜含量基本保
持稳定。
在试验 30a后,施用猪粪处理土壤有效铜的含量显
著增加, PM1 和 PM2 处理分别增加了 13.55 mg / kg 和
10.94 mg / kg(图 2),而不施猪粪处理土壤有效铜含量
虽有增加的趋势,但差异不显著。 连续施用猪粪 22a
后,土壤有效铜的含量显著大于不施猪粪处理,并且这
种差异在试验 30a 后进一步扩大,施用猪粪的 PM1 和
PM2处理土壤有效铜含量分别比单施化肥处理高
图 2摇 不同猪粪施用年限土壤有效铜含量变化规律
摇 Fig.2摇 The dynamic of soil available copper content in different
experiment time
11郾 03 mg / kg 和 8.42 mg / kg。 猪粪年度内的施用时间
(早稻施用或晚稻施用)对土壤有效铜的累积也没有显
著影响。 随着试验年限的增加,各个处理土壤有效铜含
量占土壤全铜含量的比例均呈现逐步增加的趋势,其中
连续施用猪粪 30a后 PM1和 PM2处理土壤有效铜含量
占全铜含量比例分别为 57%和 45%,显著高于对应的
不施猪粪处理(表 2)。 这表明长期施用猪粪可以显著
增加土壤有效铜的含量,且增加速度在连续施用 22a 后
显著加快;长期施用猪粪土壤有效铜含量占全铜含量比
例明显上升。
2.2摇 长期施用猪粪红壤稻田土壤全锌和有效锌含量变
化规律
施用猪粪显著影响红壤稻田土壤全锌和有效锌的
含量(图 3,图 4)。 随着试验年限的增加,施用猪粪处
理稻田土壤全锌含量显著增加,而不施猪粪处理稻田土壤全锌含量没有显著变化;在连续施用猪粪 30a 后,
PM1和 PM2处理土壤全锌含量分别为 66.78 mg / kg 和 55.54 mg / kg,显著高于对应的不施猪粪处理(图 3)。
与土壤全铜含量变化趋势不同的是,土壤全锌累积还受到猪粪施用时间的影响,早稻施猪粪处理土壤全锌累
积量更大,在施用 16a后和 30a后差异达到显著性;而施用化肥也对土壤全量锌累积有明显影响,在连续施肥
30a后,施化肥处理的土壤全量锌含量显著高于不施猪粪有机肥处理(GMS)。 结果表明:长期施用猪粪显著
增加土壤全锌含量,不施猪粪处理土壤全锌没有显著变化;早稻施用猪粪土壤全锌的累积量要高于对应的晚
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稻施用猪粪。
表 2摇 不同试验年限土壤有效态 Cu、Zn分别占全量 Cu、Zn比例
Table 2摇 The proportion of available Cu and Zn in total Cu and Zn at different experiment time, respectively
重金属种类
Heavy medal species
试验年限
Experiment time / a
土壤有效态 Cu、Zn占全量 Cu、Zn比例
The proportion of available Cu, Zn in total Cu, Zn / %
PM1 PM2 GMS NPK
Cu 0 14.9 14.9 14.9 14.9
5 18.6 16.7 13.8 16.1
22 33.7 33.9 24.8 23.7
30 56.7 45.1 39.8 33.6
Zn 0 5.3 5.3 5.3 5.3
5 5.6 5.0 3.7 3.5
22 9.8 7.4 5.0 4.8
30 27.9 27.4 7.0 5.9
摇 摇 PM1:早稻施猪粪 22500 kg / hm2和紫云英 22500 kg / hm2;PM2:晚稻施猪粪 22500 kg / hm2+早稻施紫云英 22500 kg / hm2;GMS:早稻施紫云英
22500 kg / hm2+晚稻施用稻草 4500 kg / hm2;NPK:早稻施 N 90 kg / hm2、P2O545 kg / hm2、K2O 75 kg / hm2
图 3摇 不同猪粪施用年限土壤全锌含量变化规律
Fig.3摇 The dynamic of soil total Zinc in different experiment time摇
图 4摇 不同猪粪施用年限土壤有效锌含量变化规律
Fig.4摇 The dynamic of soil available Zinc in different experiment
time
与土壤全量锌累积规律基本一致,施用猪粪处理的土壤有效锌含量呈现逐步增加的趋势,而不施猪粪的
有机肥处理和化肥处理土壤有效锌含量基本保持稳定(图 4)。 在连续施用猪粪 22a后,土壤有效锌的含量呈
现快速增长的趋势,8a间 PM1和 PM2处理土壤有效锌含量分别增加:14.43 mg / kg和 12.14 mg / kg,显著高于
此前 22a增加的 2.52 mg / kg和 1.44 mg / kg(图 4)。 试验 30a后,施用猪粪的 PM1 和 PM2 处理土壤有效锌的
含量分别比单施化肥处理高 16.06 mg / kg和 12.69 mg / kg(P<0.01)。 早稻施用猪粪比晚稻施用猪粪土壤有效
锌的累积量没有显著差异(P<0.05)。 本研究中,随着试验年限的增加,各个处理土壤有效锌含量占土壤全锌
含量的比例也呈现出逐步增加的趋势,其中以施用猪粪处理更为明显,连续施用猪粪 30a后 PM1和 PM2处理
土壤有效锌含量占全锌含量比例分别为 28%和 27%,显著高于对应的不施猪粪处理(表 2)。 这一结果表明:
长期施用猪粪显著增加土壤有效锌含量,尤其是在连续施用 22a后(2002年以后)有效锌的累积量显著增加;
长期施用猪粪红壤稻田土壤有效锌含量占全锌含量比例显著提高。
2.3摇 长期施用猪粪红壤稻田土壤铜、锌累积速率
从土壤 Cu、Zn的累积速率来看,在试验 30a间,存在两个差异明显的阶段,从 1981—2002 年施用猪粪处
理土壤 Cu、Zn含量变化幅度较小,而 2002—2010年间,土壤 Cu、Zn含量呈现快速增长的现象,Cu、Zn 的累积
速率分别为 1.49—1.54 mg kg-1 a-1和 1.69—3.02 mg kg-1 a-1,显著高于此前的累积速率(表 3)。 本研究中,不
317摇 3期 摇 摇 摇 李大明摇 等:长期施用猪粪红壤稻田土壤 Cu、Zn累积规律 摇
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施猪粪处理土壤铜未出现明显的累积现象;而单施化肥处理(NPK)的土壤锌在 2002—2010 年也出现较为明
显的累积现象,累积速率为 1.58 mg kg-1 a-1,这可能与化肥中含有一定量的锌有关,对应的施绿肥和秸秆处理
土壤锌未出现明显的累积现象(表 3)。
本研究中两个每年施用猪粪 22500 kg / hm2处理的红壤稻田土壤 Cu、Zn 含量均未超过我国土壤环境质量
标准中的二级标准(GB15618—1995),尚未形成明显的重金属污染。 但是土壤 Cu、Zn在连续施用猪粪 22a 后
(即 2002年以后)快速增长的现象也暗示,长期持续施用猪粪可能会造成土壤 Cu、Zn的快速累积。
2.4摇 长期施用猪粪红壤稻田 Cu、Zn超标风险分析
以本定位试验中 2002—2010 年土壤重金属的年均累积速率为依据, 按照现有猪粪施用量(即 22. 5
t hm-2 a-1),常规施肥(以本试验 NPK处理为参考值)稻田的 Cu和 Zn含量分别在 21.6年和 66.5年后达到国
家土壤质量二级标准,即达到污染水平(表 4)。 从本试验的结果可以看出,长期施用猪粪土壤 Cu超标的风险
较大,而锌超标的风险相对较小。 以本试验土壤 Cu的累积速率为依据,要维持土壤 Cu含量在 50a内不超标,
红壤稻田最多施用猪粪 9.73 t hm-2 a-1。
表 3摇 不同试验阶段土壤铜、锌累积速率
Table 3摇 The accumulation speed of soil Copper and Zinc in different experiment period
试验阶段
Experiment period
年份
Year
土壤铜、锌累积速率
Accumulation speed of soil Copper and Zinc (mg kg-1 a-1)
PM1 PM2 GMS NPK
全铜 Total Copper 1981—2002
2002—2010 1.490 1.541
1981—2010 0.256 0.317
全锌 Total Zinc 1981—2002 0.512 0.485 0.176
2002—2010 3.024 1.693 1.583
1981—2010 1.182 0.807 0.098 0.390
摇 摇 “ 冶表示累积速率为负值
表 4摇 长期施用猪粪红壤稻田 Cu、Zn超标时间及猪粪承载力
Table 4摇 The time to exceed the standard of soil Cu and Zn and pig manure bearing capacity of red paddy field
重金属种类
Heavy medal species
土壤 Cu、Zn累积速率
Accumulation speed of soil Copper
and Zinc / (mg kg-1 a-1)
土壤 Cu、Zn超标时间
The time to exceed the
standard of soil Copper
and Zinc(a)
红壤稻田鲜猪粪承载力
The pig manure bearing capacity
of red paddy field /
( t hm-2 a-1)
Cu 1.52 21.6 9.73
Zn 2.36 66.5 29.94
摇 摇 土壤重金属累积速率和超标时间以本试验 2002—2010 年的土壤 Cu、Zn 变化规律为依据计算,土壤 Cu、Zn 超标值为国标二级标准( pH<
6郾 5),红壤稻田承载的最大鲜猪粪用量为连续施用 50a土壤 Cu、Zn含量不超标的估测值
3 摇 讨论
3.1摇 长期施用猪粪对土壤 Cu、Zn含量的影响
猪粪作为重要的有机肥资源在培肥土壤及提高作物产量等方面的显著作用已成为共识[14鄄16]。 然而,长
期施用猪粪带来的潜在的环境风险也逐渐引起研究者的关注,而对土壤重金属累积的影响则是研究者关注的
焦点之一[8鄄10]。 本研究中,连续施用猪粪 30a 后,土壤全量 Cu、Zn 含量增加,土壤有效态 Cu、Zn 含量占全量
Cu、Zn含量的比例显著上升,生物有效性明显增强,这与此前报道一致[6鄄8,17]。 不过,施用猪粪 30a 后,土壤
Cu、Zn的含量均低于我国土壤环境质量标准中的二级标准(GB 15618—1995),尚未形成污染;但值得注意的
是,2002—2010年间土壤 Cu、Zn含量快速增加的现象暗示存在较大的 Cu、Zn 污染的风险。 以本定位试验中
2002—2010年土壤重金属的年均累积速率为依据,再连续施用猪粪 12a(猪粪施用量为 22.5 t hm-2 a-1)土壤
417 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 35卷摇
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铜含量将达到我国土壤环境质量标准中的二级标准(GB 15618—1995);而 Zn 则在 44a 后达到污染水平,污
染风险相对较小。 因此,控制土壤 Cu的累积是制定红壤稻田猪粪施用标准重点考虑的因素。 红壤稻田施用
鲜猪粪 9.5 t hm-2 a-1以下,在 50a 内不会造成土壤 Cu 污染;并可以提供 N、P 养分和水稻生长所需的 Cu、Zn
等土壤微量元素,改善土壤微量元素供应特征,有助于实现红壤稻田的养分平衡[17],实现猪粪的资源化利用。
研究还发现,早稻施猪粪处理土壤全锌累积量要大于对应的晚稻施用猪粪处理,这可能与晚稻生长季水
稻的生物量大、产量高,随水稻收获而离开稻田的锌相对较多有关。 此外,早稻生长季,气温相对偏低,水稻吸
收有效态锌的量相较于晚稻偏少,导致有效锌转换为稳定态锌的比例加大,这可能也是导致早稻施用猪粪土
壤全锌的累积量偏大的原因之一。
3.2摇 长期施用猪粪红壤稻田土壤 Cu、Zn累积速率变化特征
无论是土壤全量 Cu、Zn含量还是有效态 Cu、Zn 含量的累积都存在两个差异显著的阶段,即缓慢增长期
(1981—2002年)和快速增长期(2002—2010 年)。 造成这一现象的原因可能有以下 3 点:1)施用的猪粪中
Cu、Zn的含量发生明显变化,使得土壤 Cu、Zn 施入量增加,相应的土壤累积量增加[18]。 该定位试验在 2002
年以前施用的猪粪主要来自于当地农户散养猪的猪粪,这时期猪粪中 Cu、Zn 的含量相对较少;而 2002 年以
后,散养猪数量急剧减少,施加的猪粪转变为集约化养猪场的猪粪,而这些猪粪的 Cu、Zn 含量明显偏高,这可
能是导致 2002年以后土壤 Cu、Zn含量快速上涨的最主要原因;2)长期施用猪粪后土壤稳定态 Cu、Zn 的含量
趋于稳定,新输入的有效态 Cu、Zn缺少形成结合态 Cu、Zn的电子供体,容易在土壤中以有效态的形式长期存
在[19];3)猪粪腐解过程对土壤中强结合态 Cu、Zn 的活化效应。 研究发现,施用有机肥或作物秸秆能将大量
可溶性有机质带入土壤之中,而 DOM能抑制土壤对重金属的吸附,进而提高重金属的生物有效性[6,20鄄22]。 因
此,红壤稻田施用集约化养殖场猪粪时,用量应适当降低。
4摇 结论
长期施用猪粪显著提高红壤稻田土壤 Cu、Zn含量,大幅度提升土壤有效态 Cu、Zn 的比例。 土壤铜、锌累
积速率在近 8a(2002—2010)快速增加,污染风险加大。 长期施用猪粪红壤稻田土壤铜污染的风险大于锌污
染。 猪粪年度内的施用时间对土壤 Cu 的累积没有显著影响;但早稻施用猪粪加剧了土壤 Zn 的累积。 红壤
稻田鲜猪粪施用量在 9.5 t hm-2 a-1以下, 50a内不会造成土壤 Cu、Zn含量超标。
致谢:感谢江西省畜牧兽医局黄峰岩先生对本研究的帮助,感谢南京农业大学刘满强副教授对文章修改给予
的帮助。
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