全 文 ：中国生态农业学报 2012年 10月 第 20卷 第 10期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Oct. 2012, 20(10): 1295−1302


* 国家重点基础研究发展计划(973 计划)项目(2011CB100506)、国家小麦产业技术体系项目(CARS-03-02A)和中国科学院知识创新工程
重大项目(KSCX2-EW-N-08)资助
** 通讯作者: 张佳宝(1957—), 男, 博士, 研究员, 主要从事土壤物理研究。E-mail: jbzhang@issas.ac.cn
王擎运(1979—), 男, 博士研究生, 主要从事生态系统物质循环与模拟研究。E-mail: qy_wang@issas.ac.cn
收稿日期: 2012-03-18 接受日期: 2012-06-28
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2012.01295
长期不同施肥方式对砷在典型壤质潮土
及作物中累积的影响*
王擎运1,2 张佳宝1** 信秀丽1 赵炳梓1 邓西海1 钦绳武1
(1. 中国科学院南京土壤研究所 土壤与农业可持续发展国家重点实验室 封丘农田生态系统国家试验站 南京 210008;
2. 中国科学院研究生院 北京 100049)
摘 要 本文研究了长期(1989—2009 年)不同施肥方式对砷在黄淮海地区典型壤质潮土及作物中累积的影
响。田间试验设置 7个处理: 有机肥(OM)、OM+无机化肥氮磷钾(NPK)、NPK、NP、PK、NK和不施肥(CK),
OM+NPK处理为有机肥和无机化肥氮磷钾各施一半。结果显示, 长期不同施肥方式下砷在表层(0~20 cm)及亚
表层(20~40 cm)土壤中的含量均有明显累积, 但含量较低(<25 mg·kg−1), 对农田生态环境安全的影响较小。土
壤中砷的累积主要与灌溉及沉降有关, 受施肥方式的影响相对较小。磷肥中砷的含量明显高于氮肥、钾肥及
有机肥, 磷肥的长期施用促进了砷在 PK 处理土壤中的累积, 但在作物产量较高的情况下, 对其在土壤中累积
趋势的影响较小, 而有机肥的添加则会减缓这种累积趋势。砷在小麦和玉米两种典型作物组织中的含量分布
表现为: 根系>茎叶>籽粒, 其中籽粒中砷的含量显著低于根系及国家食品安全相关标准。经过长期不同方式的
施肥处理, 砷在小麦组织中的含量表现为: PK>OM>OM+NPK>NPK>NP>NK>CK, 与土壤中有效磷含量的变
化基本一致, 并间接受到土壤有机质的影响。在 OM、OM+NPK、NPK和 NP施肥处理下, 土壤有机质含量及
作物产量均较高, 土壤有机质含量的提高促进了砷在小麦体内的富集, 但对其在玉米根系中含量的影响不明
显; 玉米生长期较短且产量较高, 对砷的需求量较大, 土壤中有效态砷含量的不足抑制了其在玉米根系中的
分布, 但玉米通过加强组织对砷的转移能力提高了其在茎叶中的含量。
关键词 农田生态系统 长期施肥 砷累积 生物累积 玉米 小麦
中图分类号: X53 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2012)10-1295-08
Effects of long-term fertilization on As (arsenate) accumulation in
typical fluvo-aquic soils and crops
WANG Qing-Yun1,2, ZHANG Jia-Bao1, XIN Xiu-Li1, ZHAO Bing-Zi1, DENG Xi-Hai1, QIN Sheng-Wu1
(1. State Experimental Station of Agro-Ecosystem in Fengqiu; State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture; Institute of
Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences,
Beijing 100049, China)
Abstract Huang-Huai-Hai Plain is a strategic grain production base in China with a wild distribution of fertile fluvo-aquic soils.
During the past 20 years, high-input intensive agriculture with excess chemical fertilizer application has sustained high grain yields.
However, unreasonable field management has resulted in potential pollution issues in the plain. In this study, the effects of long-term
differential fertilization practices on the accumulation of arsenate (As) in typical fluvo-aquic soils and crops were investigated. Field
experiments were launched in 1989, in which 7 treatments were established. The treatments included OM (organic manure),
OM+NPK (50% organic manure + 50% chemical fertilizer), NPK, NP, PK, NK and CK (the control experiment with no fertilizer).
With over 20 years (1989—2009) of cultivation, As in the surface (0~20 cm) and subsurface (20~40 cm) soil layers markedly
accumulated. The soil As content was, however, too low for loading negative effects on eco-agricultural safety. As accumulation in
1296 中国生态农业学报 2012 第 20卷


the plain was mainly affected by irrigation and deposition, and relatively less affected by different fertilizer applications. The content
of As in phosphorus (P) fertilizers was higher than in nitrogen (N) and potassium (K) fertilizers or in organic manure (OM). Hence P
fertilization was the main drive of soil As accumulation in the plain. Nevertheless, long-term P fertilization did not significantly
increase soil As content since it was largely used up by crops. Also As accumulation trend slowed with OM fertilization. Crop tissue
content of As was in the order of root > stalk > grain. Grain As content was not only significantly lower than that of root or stalk, but
also than that of China’s national standard. For different fertilization treatments, wheat tissue As content was in the order of PK > OM
> OM+NPK > NPK > NP > NK > CK. This was somehow similar to that of soil available P, which was indirectly affected by soil
organic matter content. Under OM, OM+NPK, NPK and NP treatments, there was high soil organic matter accumulation, which led
to high crop yields. Although soil organic matter promoted high As adsorption by wheat, it had no significant effect on maize root As
content. Since maize cultivation period was relatively short, low soil available As content inhabited maize root As content. More As
was adsorbed by maize stalk due to strengthened transferability.
Key words Farmland ecosystem, Long-term fertilization, As (arsenate) accumulation, Bio-accumulation, Maize, Wheat
(Received Mar. 18, 2012; accepted Jun. 28, 2012)
黄淮海平原是我国华北地区最主要的粮食生产
基地, 土壤类型以潮土为主[1]。在长期集约种植模式
下, 作物产量得到持续提升, 但农田生态环境也受
到显著影响。研究发现, 与 1984 年历史土壤相比,
该区域农田土壤中铜、锌、铅、镉等重金属含量均
已增加 60%以上, 有明显累积趋势[1]。研究认为肥
料的施用, 尤其磷肥的施用是农田土壤重金属的主
要来源, 但针对砷的相关研究较少, 其在农田土壤
中的累积趋势及影响机制均不明确。砷是一种典型
的重金属, 具有较强的生物毒性, 深入研究其在农
田土壤中的累积趋势及对作物生长的影响, 有助于
维护该区域农田生态环境安全, 保障农业的可持续
发展[2]。
砷在农田土壤中的含量变化主要与沉降、灌溉、
城镇污泥和畜禽养殖废弃物的不合理处置, 以及农
药化肥的大量施用有关[3−4]。近年来, 随着含砷制剂
农药的禁用, 沉降、灌溉及肥料的施用成为农田土
壤中砷的主要来源[5]。在我国北方, 重工业较为集中,
农业用水紧张, 灌溉对农田环境的影响也同样较为
明显[4,6]。持续而大量地投入无机化肥、增施有机肥
是维持农田作物持续高产的重要措施, 并有可能对
砷的环境行为产生影响。无机化肥尤其磷肥的大量
施用, 对砷在土壤中的含量产生了显著影响, 并有
可能通过竞争机制影响其在环境中的生物毒性, 及
在作物组织中的累积 [7−8]。这种竞争机制在碱性土
壤中表现更为明显, 但目前相关研究主要集中于淹
水环境下的水稻土, 而针对旱作土壤的研究相对较
少[9−10]。在常规农田管理模式下, 有机肥对砷在土壤
中含量的影响与其来源有关, 畜禽养殖废弃物因其
施用面较广, 更容易造成砷等重金属的农业面源污
染[3,11−12]。由于土壤有机质对砷的吸附−解吸行为有
明显影响, 长期施用有机肥可通过提高土壤有机质
含量, 直接或间接影响其在环境中的迁移、转化行
为及生物毒性[10,13−14]。作物对环境中重金属砷的富
集与作物种类有关, 并受土壤中砷酸根离子形态的
影响。水稻、小麦和玉米是我国主要的粮食作物, 其
中水稻以亚砷酸离子的吸收为主, 对环境中的砷有
较强富集能力; 而小麦和玉米则以砷酸根离子的吸
收为主, 更容易受土壤中磷酸盐的影响[2,7,9]。
本研究依托中国科学院封丘国家农田生态试验
站长期定位试验田, 通过分析 20年(1989—2009年)
不同施肥方式影响下砷在土壤中的含量变化, 及其
在小麦和玉米两种典型作物组织中含量的分布特征,
系统研究了砷在典型壤质潮土中的累积趋势、主控
因素及长期不同施肥方式对砷在小麦和玉米两种典
型作物中富集的影响机制, 为农业的可持续发展提
供依据。
1 材料与方法
1.1 田间试验设计
田间试验设置于中国科学院封丘国家农田生态
试验站(东经 114°24′, 北纬 35°00′)。该区年降雨量
615 mm且分布不均匀, 主要集中于 7、8两个月份;
年蒸发量 1 875.0 mm, 远大于降雨量; 年平均气温
13.9 ℃, 属于典型温带季风气候。土壤以轻质壤质
潮土为主, 0~34 cm为砂质壤土, 34~90 cm为黏土,
90 cm以下为砂土[15]。
田间试验正式开始于 1989 年, 试验采用小麦−
玉米一年两熟轮作制。设置 7 个不同施肥处理: 有
机肥(OM)、OM+无机化肥氮磷钾(NPK)、NPK、NP、
PK、NK和不施肥(CK), 其中 OM+NPK处理有机肥
和无机化肥氮磷钾各施一半。每个处理 4个重复, 单
个小区面积为 47.5 m2[16]。OM+NPK、NPK、NP和
NK处理小麦、玉米均施基肥和追肥, PK处理只施基
肥不施追肥。OM 处理当季肥料一次性以基肥的形
式施入。肥料品种为: 氮肥为尿素(含氮量 47%), 磷
第 10期 王擎运等: 长期不同施肥方式对砷在典型壤质潮土及作物中累积的影响 1297


肥为过磷酸钙(P2O5 含量 17%), 钾肥为硫酸钾(K2O
含量为 50%); 有机肥以站内小麦秸秆为主, 配以适
当的棉粕和豆粕, 按 100 40 45∶ ∶ 比例混合, 以提
高其中氮的含量, 使其与 NPK 处理含氮量相等, 有
机肥经发酵后施用。肥料年用量相当于当地大田肥
料施用量的中等水平(表 1), 分别为 : 氮肥(N)300
kg·hm−2, 磷肥 (P2O5)135 kg·hm−2, 钾肥 (K2O) 300
kg·hm−2。有机肥用量以氮的含量为基准, 与 NPK处
理相当, 磷、钾不足部分由磷肥和钾肥补充, 当季
(小麦或玉米)用量约为 4 500 kg·hm−2(鲜重)。灌溉水
源于浅层地下水, 年灌溉量约 4 000 m3·hm−2, 视具
体情况而定。
每间隔 4 年, 玉米季收获后(10 月前后)采集表
层土壤(0~20 cm)样品; 间隔 9年在相同时期采集不
同土层样品, 分 3 层取样(0~20 cm、20~40 cm 和
40~60 cm)。土壤样品经室温风干后, 密封置阴凉处
保存。2009年土壤基本理化性质见表 2。2010—2011
年作物收获后, 按照根系、茎叶及籽粒的形式采集
植株样品; 冬灌及夏灌期各采集地下水 1次, 4 ℃保
存带回实验室, 24 h内测定; 在小区 50 m范围内, 设
置沉降台, 收集全年干湿沉降, 6个重复。
沉降台设置区域较为开阔 , 周围无明显遮挡
物。沉降台高 1.7 m, 上置敞口容器(容积 5 L, 口直
径 20 cm)收集干湿沉降, 并覆盖防鸟、虫网。干湿
沉降收集后利用硝酸维持 10%(体积比)的酸度保存。
样品收集完成后, 带回实验室 45 ℃低温蒸干, 称
重、待测。沉降、灌溉水和肥料中砷的含量(氮肥和
钾肥中砷含量较低, 未检测出), 以及该农田土壤中
砷通量的计算详见表 3。沉降年引入量计算公式为:
2
2
(kg)(kg hm )=
(hm )
−⋅ 沉降接收量沉降年引入量
沉降接收器面积
(1)
1.2 测定方法
土壤基本理化性质测定[17]: 土壤 pH 采用电位
计法, 水土比 2.5∶1; 速效氮采用碱解扩散法; 有
效磷采用碳酸氢钠法 ; 速效钾采用乙酸铵提取法 ;
全氮采用半微量凯氏法 ; 全磷采用酸溶−钼锑抗比
色法; 全钾采用 NaOH熔融−火焰光度法; 土壤有机
质采用丘林法。

表 1 田间试验肥料施用量[16]
Table 1 Fertilization rates of the experimental plots kg·hm−2
作物 Crop 施肥时间 Fertilization time 氮肥(N) N fertilizer 磷肥(P2O5) P fertilizer 钾肥(K2O) K fertilizer
基肥 Basal fertilization 90 75 150 小麦
Wheat 追肥 Top dressing 60 0 0
基肥 Basal fertilization 60 60 150 玉米
Corn 追肥 Top dressing 90 0 0

表 2 0~20 cm表层试验土壤基本理化性质(2009年)
Table 2 Basic physicochemical properties of surface lay (0~20 cm) soil samples in 2009
处理
Treatment
pH
有机质
Organic matter
(g·kg−1)
全氮
Total N
(g·kg−1)
全磷
Total P
(g·kg−1)
全钾
Total K
(g·kg−1)
速效氮
Available N
(mg·kg−1)
有效磷
Available P
(mg·kg−1)
速效钾
Available K
(mg·kg−1)
OM 8.21b 98.3a 1.33a 0.64b 17.3cd 34.81a 12.38b 141.6c
OM+NPK 8.25b 76.5b 1.02b 0.64b 17.9b 24.30b 9.61c 120.2d
NPK 8.30ab 51.5c 0.68c 0.62b 17.4bcd 20.25bc 6.70d 125.5d
NP 8.32ab 48.6c 0.71c 0.63b 17.5bc 19.75bc 7.16d 47.2f
PK 8.50a 37.0d 0.55d 0.74a 18.5a 14.05cd 20.19a 275.8b
NK 8.46a 34.7d 0.54de 0.45c 16.8d 23.54b 1.12e 301.9a
CK 8.53a 33.9d 0.52e 0.46c 17.7bc 12.66d 1.10e 61.3e
OM为有机肥, 同列不同字母表示在 P<0.05水平上差异显著(n=4)。OM: organic matter. Different letters in the same column mean significant
difference at P < 0.05 (n=4).

表 3 2010—2011年典型壤质潮土中沉降、灌溉水及肥料砷通量
Table 3 As flux of deposition, irrigation and fertilization in typical fluvo-aquic soil in 2010−2011
项目 Item 年引入量 Input quantity 砷含量 As content (mg·kg−1) 砷通量 As flux (g·hm−2)
沉降 Deposition 901.96 kg·hm−2 13.92 12.90
灌溉水 Irrigation 4 000 m3·hm−2 0.004 22 16.88
磷肥 Phosphate fertilizer 794.121) kg·hm−2 4.52 3.59
有机肥 Organic manure 9 000 kg·hm−2 0.075 0.672
1)磷肥的实际施用量 Input quantity of phosphate fertilizer in soil.

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土壤及沉降中砷含量的测定: 称取过 100 目风
干样品 0.25 g于 25 mL比色管, 加入 1∶1王水 10
mL于 100 ℃沸水浴 2 h, 冷却后定容待测[18]。无机
化肥中砷含量的测定: 称量 5.00 g肥料于 100 mL高
脚烧杯中, 加入 20 mL 体积比(1∶1)的王水, 加盖
100 ℃消煮 2 h, 定容至 100 mL, 冷却待测。植株样
品采用 HNO3-H2O2-HClO3消解[19]。灌溉水中砷含量
的测定: 取 10 mL水样加入 1 mL硝酸(HNO3), 加盖
沸水浴消煮 0.5 h后, 冷却待测。土壤标准物质采用
GSS-1(GBW07401)、 GSS-2(GBW07402)和 GSS-3
(GBW07403), 植物标准物质采用GSV-1(GBW07602)、
GSV-2(GBW07603)和 GSV-3 (GBW07604), 标准物
质及空白均设置 3个重复。
砷的测定仪器为原子荧光(AF-610D2; 瑞利分
析仪器有限公司: 北京)。所需试剂均为优级纯, 试
验用水为去离子水。
1.3 数据处理方法
数据处理采用 SPSS 17.0(P<0.05), 图形处理软
件为 Origin 7.5。
2 结果与分析
2.1 农田土壤中砷的累积趋势
1989—2009 年 , 经过长期不同施肥方式的处
理, 砷在表层(0~20 cm)及亚表层(20~40 cm)壤质潮
土中的累积均较为明显(表 4), 但各施肥处理间无
明显差异。
经过长达 20年不同施肥方式的处理, 表层土壤
中砷的含量(2009 年)均出现了明显累积, 显著高于
本底土壤(1989 年)。其中, 即使在不施磷肥(NK)或
完全不施肥(CK)情况下, 土壤中砷的含量依然出现
了明显累积, 且累积量高于其余施肥处理(表 4)。虽
然砷在本底表层土壤中的含量有一定差异, 但随着
不同施肥方式处理年限的增加, 处理间的差异越来
越小。经过 20年的累积, 砷在表层土壤中的累积量
明显高于因不同施肥处理所造成的处理间的差异。
这也表明在常规农田管理模式下, 不同肥料的施用
已经对该试验土壤中砷的含量产生了一定影响 [20],
但不是造成其在土壤中累积的主要原因。
在该农田生态系统中, 沉降、灌溉水和肥料的施
用是农田土壤中砷的主要来源, 而随作物收获后地
上部分移除的流失则是土壤中砷的主要去向[4,6,20−21]。
为进一步探讨影响该农田土壤中砷累积趋势的主控
因子, 本文重点分析了 2010—2011年砷在该农田生
态系统中的输入−输入平衡。表 5显示, 2010—2011
年 , 该农田土壤中砷的输入−输出平衡处于累积状
态。其中, 灌溉水及沉降对土壤中砷的贡献量较大,
明显高于不同肥料施用和作物生产对其在土壤中含
量的影响, 是打破该农田生态系统中砷累积平衡的

表 4 1989—2009年不同施肥处理土壤中砷的含量及累积量
Table 4 Contents and accumulation of As in soil under different fertilization treatments in 1989—2009 mg·kg−1
试验处理 Treatment 土层
Soil layer (cm)
年份
Year OM OM+NPK NPK NP PK NK CK
砷含量 As content (mg·kg−1)
1989 8.80±0.41Fa 8.66±0.30Eab 8.49±0.40Fab 9.00±0.53DEa 8.53±0.48Eab 8.37±0.66Dab 8.07±0.14Eb
1994 8.66±0.23Fab 8.29±0.59Eb 8.75±0.47EFab 8.65±0.25Fab 8.99±0.20DEa 8.95±0.34CDa 8.56±0.42DEab
1999 9.48±0.59EFa 9.29±0.44DEa 9.32±0.30DEa 9.67±0.57CDa 9.36±0.44DEa 9.77±0.59Da 9.12±0.66CDa
2004 9.16±0.27EFa 9.18±0.32DEa 9.41±0.38DEa 9.32±0.30DEa 9.11±0.28DEa 9.35±0.24CDa 9.29±0.99CDa
0~20
2009 9.89±0.30Ea 10.27±0.67CDa 9.95±0.13Da 10.21±0.35Ca 9.97±0.23Da 10.20±0.85Ca 9.93±0.64Ca
1989 11.00±1.01Da 11.40±0.87BCa 11.62±0.82Ca 12.34±0.96Ba 11.28±1.46Ca 11.91±0.72Ba 12.18±0.89Ba
1999 11.40±0.55CDa 12.25±0.51Ba 12.18±0.54Ca 12.22±0.80Ba 11.57±1.06Ca 11.81±0.65Ba 12.23±0.17Ba
20~40
2009 11.94±0.75Ca 12.35±1.37Ba 12.08±1.06Ca 13.02±0.50Ba 12.75±0.80Ba 12.49±1.61Ba 12.60±0.30Ba
1989 16.58±0.58Ba 16.98±0.89Aa 16.94±0.32ABa 17.12±0.42Aa 17.07±0.77Aa 17.19±0.82Aa 17.02±0.80Aa
1999 17.83±0.52Aa 17.04±1.85Aa 17.70±0.38Aa 17.56±0.78Aa 17.89±0.44Aa 17.42±0.93Aa 17.44±0.66Aa
40~60
2009 16.76±0.58Ba 16.61±0.54Aa 16.69±0.50Ba 16.70±0.42Aa 16.88±0.49Aa 17.55±0.96Aa 16.91±0.20Aa
土壤砷累积量 Amounts of As accumulated in soil (mg·kg−1)
0~20 1.09±0.36a 1.61±0.58a 1.46±0.29a 1.21±0.26a 1.45±0.41a 1.83±1.27a 1.86±0.72a
20~40 0.95±0.28a 0.96±0.88a 0.46±0.96a 0.68±1.07a 1.47±1.21a 0.58±1.14a 0.42±0.92a
40~60
1989—
2009
0.18±0.42a −0.38±1.13a −0.24±0.62a −0.42±0.30a −0.19±0.90a 0.36±0.99a −0.11±0.67a
同列不同大写字母表示相同施肥处理不同年份间在 P<0.05水平上差异显著(n=4) Different capital letters affixed to same treatment in dif-
ferent years mean significant difference at P<0.05 (n=4). 同行不同小写字母表示相同年份不同处理间在 P<0.05水平上差异显著(n=4) Different
small letters affixed to same year in different treatments mean significant difference at P<0.05 (n=4).
第 10期 王擎运等: 长期不同施肥方式对砷在典型壤质潮土及作物中累积的影响 1299


主要原因。磷肥中砷的含量相对较高, 对土壤中砷
的贡献明显高于有机肥、氮肥及钾肥(表 4), 但砷在
该农田生态系统中输入−输出平衡后处理间的差异
主要与作物产量有关。经过长期不同施肥方式处理,
土壤生产力有明显差异, 其中 OM、OM+NPK、NPK
和 NP 处理土壤肥力较高, 作物产量明显高于其余
施肥处理(PK, NK 和 CK)[22]。在作物产量较高的情
况下, 土壤砷因作物生产所造成的流失量明显高于
肥料施用的输入量, 尤其 OM 处理。在几种作物产
量较低的施肥处理中, 砷的流失量有限, 作物生产
对其在土壤中的生态平衡影响较小, 而磷肥的施用
导致更多的砷累积于 PK 处理土壤中。通过对比 20
年来土壤中砷的累积量(表 4)与 2010—2011 年土壤
中砷的累积平衡(表 5)可发现, 不同施肥处理间的变
化趋势基本一致, 再次表明不同施肥方式已经对砷
在土壤中的含量产生影响 , 随着施肥年限的增加 ,
处理间的差异也会趋于明显化。
经过长期不同施肥方式的处理, 砷在壤质潮土
亚表层土壤中的累积趋势同表层土壤, 但累积量相
对较少, 且不同施肥处理间同样无明显差异。虽然
砷在底层土壤(40~60 cm)中的含量有一定变化, 但
这种变化并无明显规律。因此, 砷在亚表层土壤中
的含量与其在表层土壤中的含量有关, 间接受到外
源性砷输入及作物生产的影响。该类型土壤 0~34 cm
以砂质壤土为主, 34~90 cm则主要以黏性土壤为主,
而砂质壤土与黏性土壤相比, 对砷的吸附能力相对
较弱[10]。在长期淋溶作用下, 砷在不同土层中以向
下迁移为主, 但随着土层深度及黏性土壤百分含量
的增加, 砷的迁移能力明显下降, 而滞留于亚表层
土壤中, 并对其在底层土壤中含量的影响较小。砷
在底层土壤中的含量变化, 一方面有可能与地下水
中的砷在蒸腾作用下随着毛细管水的上升有关; 另
一方面, 也有可能受到农田灌溉对浅层地下水位提
升的影响。此外, 作物根系 70%以上的生物量集中
于表层土壤, 在作物产量较高的情况下(OM, OM+
NPK, NPK, NP), 不同土层中的砷通过根系吸收向表
层土壤的迁移运动同样不容忽视, 值得进一步探讨。
通过上面的分析可发现, 虽然经过长达 20年不
同施肥方式的处理, 土壤中砷含量依然较低, 明显
低于国家农田土壤环境二级标准值(25 mg·kg−1)[23],
但出现了持续的累积。这种累积趋势的演变, 对农
田环境的影响更值得关注[1]。以国家农田土壤环境
二级标准值为最大值, 通过对 3 种典型施肥方式下
表层土壤中砷累积趋势的一次性线性拟合可发现
(表 6), 不施肥料(CK)并不能影响其在土壤中的累积
趋势 , 而有机肥的施用 (OM)与无机化肥平衡施用
(NPK)相比, 则会抑制这种上升趋势。由于该类型土
壤砷的背景值较低, 且沉降、灌溉和肥料的施用对
土壤中砷的贡献量有限, 在较长时期内土壤中砷的
累积将不会明显影响该农田生态环境安全。

表 5 2010—2011年典型壤质潮土中砷的输入−输出平衡
Table 5 Input-output balance of As in typical fluvo-aquic soil in 2010—2011 g·hm−2
项目 Item OM OM+NPK NPK NP PK NK CK
沉降 1) Deposition 12.90
灌溉水 2) Irrigation 16.88
输入量
Input
肥料 3) Fertilization 0.68 2.13 3.59 3.59 3.59 0 0
输出量 4) Output 4.55 4.69 3.87 3.26 1.23 0.49 0.50
平衡 Balance 25.90 27.22 29.50 30.10 32.13 29.29 29.27
1)沉降为干湿沉降总量; 2)灌溉水输入指灌溉水中砷的平均含量×年灌溉量; 3)肥料输入指肥料中砷的含量×年施用量; 4)输出量指作物地
上部分砷含量×产量。1) Deposition means the sum amount of As in dry and wet deposition per year; 2) Irrigation input means the sum amount of As
in irrigation water per year; 3) Fertilizer input means the sum amount of As in fertilizer applied in different treatment per year; 4) Output means the
lost of soil As by harvest crop stalk and grain

表 6 表层土壤中砷累积趋势的一次线性拟合
Table 6 Parameters and determination coefficients of soil As fitted by liner model in surface soil
方程 Equation (y=ax+b)1) 试验处理
Treatment a b R2 预测年份 Predicted year 时差 Delta-t (a)
OM 0.054 −98.28 0.71 2291 279
NPK 0.072 −134.40 0.97** 2220 208
CK 0.089 −169.11 0.98** 2178 167
1) y: 土壤中砷的含量 As content in soil; x: 年份 Different years; **: 土壤中砷的含量与年份在 0.01水平上显著相关(双尾检验) Corre-
lation of soil As and different years is significant at 0.01 level (2-tailed).
1300 中国生态农业学报 2012 第 20卷


在本研究中, 磷肥采购于当地市场, 磷肥的施
用对土壤环境的影响同当地大田管理, 灌溉水主要
源于站内浅层地下水的抽取, 有机肥以站内小麦茎
叶为主, 灌溉水和有机肥中砷的含量(表 3)较为稳定,
且明显低于国家农田灌溉用水及商品有机肥的相关
标准(灌溉水: 0.10 mg·L−1; 有机肥: 30 mg·kg−1)[24−25]。
黄淮海平原年蒸发量明显大于降雨量, 土壤有机质
含量偏低, 农田灌溉及有机肥的施用可提高土壤有
机质含量, 改善土壤质量, 是保障农田作物持续高产
的重要措施[1]。这也表明在实际农田生产中, 砷在土
壤中的累积情况有可能比本研究结果明显得多[1]。以
秸秆还田的方式增施有机肥, 不仅有助于改善土壤
质量, 并有效控制了砷在农田土壤中的累积。
2.2 长期施肥对砷在小麦体内含量的影响
砷在小麦不同组织中的含量表现为 : 根系>茎
叶>籽粒(图 1)。在 NK及 CK施肥处理下, 根系中的
砷与其在茎叶及籽粒中的含量相差较小, 而其余施
肥处理则相差较大。经过长期不同施肥方式的处理,
砷在根系中的含量表现为 : PK>OM>OM+NPK>



图 1 不同施肥处理下小麦体内砷的含量
Fig. 1 As contents in different wheat organs under different
fertilization treatments
NPK>NP>NK>CK, 总体趋势与其在茎叶及籽粒中
含量较为一致, 但其在茎叶及籽粒中的含量各处理
间差异相对较小。砷在小麦籽粒中的含量较低
[(0.084±0.035) mg·kg−1], 远低于国家食品安全相关
标准值(≤0.7 mg·kg−1)[26]。
经过长期不同施肥方式的处理, 土壤有效磷和
有机质含量均发生了显著变化, 并与小麦根系中砷
的含量显著正相关(表 7), 是影响砷生物有效性的两
个关键因素。壤质潮土是一种典型的碱性旱作土壤,
pH 相对较高(表 2), 砷在土壤中大部分以砷酸根离
子的形式存在, 其生物有效性容易受到可竞争性离
子, 尤其磷酸根离子的影响[7−8]。在土壤有效磷含量
较高的情况下, 通过竞争吸附提高了砷的生物有效
性及其在作物体内的含量, 尤其砷在 PK 处理小麦
根系中的含量(图 1, 表 7)。NPK 与 NP 施肥处理相
比, 土壤有效磷含量相似, 但小麦根系中砷含量差
异较为明显, 这表明土壤有效磷的变化并不是影响
其生物有效性的惟一原因。在 OM、OM+NPK、NPK
和 NP 施肥处理下, 土壤有机质与小麦根系中砷含
量的变化较为一致, 是影响土壤砷生物有效性的另
一重要因素(图 1, 表 7)。土壤有机质可通过抑制砷
在土壤中的吸附及提高土壤有效磷的含量, 直接或
间接地活化环境中的砷, 促进其在小麦根系中的富
集 [10,13−14]。在该农田系统中, 有机肥的施用(OM、
OM+NPK)与无机化肥的平衡施用(NPK、NP)相比显
著提高了土壤有机质的含量(表 2); 无机化肥平衡施
用时, 作物产量较高, 通过提高作物地下部分的生
物量, 同样维持了较高的土壤有机质含量[22]。NP处
理土壤有机质含量略低于 NPK处理, 这主要由于壤
质潮土是一种典型的富钾土壤, 但经过长期的作物
生产, 钾素的流失已经对作物产量产生了一定的影
响, 间接抑制了土壤有机质的积累[16,22]。

表 7 作物体内砷的含量与土壤性质及作物产量之间的相关性
Table 7 Coefficients of As in crops with physicochemical properties of soil or crops’ yields
速效养分
Available nutrient
作物器官
Crop organ
作物产量
Crop yield 作物器官
Crop organ
pH 有机质
Organic matter
N P K 根系
Root
茎叶
Stalk
茎叶
Stalk
籽粒
Grain
根系 Root −0.297 0.433* 0.207 0.853** 0.234 — −0.172 0.387* 0.326
茎叶 Stalk −0.215 0.372 0.155 −0.284 −0.607** −0.172 — 0.235 0.199
小麦
Wheat
籽粒 Grain −0.092 0.278 0.296 0.453* 0.437* 0.658** −0.159 0.061 −0.011
根系 Root 0.432* −0.354 −0.275 0.359 0.568** — −0.196 −0.403* −0.430*
茎叶 Stalk −0.557** 0.449* 0.330 0.125 −0.209 −0.196 — 0.553** 0.553**
玉米
Corn
籽粒 Grain −0.441* 0.606** 0.639** 0.305 0.122 −0.401* 0.095 0.306 0.311
*: 相关性在 0.05水平上显著相关(双尾检验) Correlation is significant at 0.05 level (2-tailed). **: 相关性在 0.01水平上显著相关(双尾检验)
Correlation is significant at 0.01 level (2-tailed).
第 10期 王擎运等: 长期不同施肥方式对砷在典型壤质潮土及作物中累积的影响 1301


小麦地上部分砷含量总体与其在根系中的含量
呈现一致趋势, 尤其籽粒中的砷与其在根系中的含
量显著正相关(表 7), 间接受到了土壤有效磷及有机
质的影响。砷在作物组织中的吸收、转运均与磷离子
通道有关, 但并非作物生长必需的微量元素。在土壤
砷含量相对较低的情况下, 土壤有效磷含量的提高,
并不一定会对砷的根系吸收及其在作物组织中的转
运产生拮抗作用, 而是通过对土壤砷的活化作用促
进了其在作物组织中的累积[7−8]。土壤有机质含量的
升高提高了土壤中砷的生物毒性和磷的有效性(表 2),
直接或间接影响了作物体内的砷含量[10,13−14]。
经过不同施肥方式的处理, 小麦根系中砷含量
差异较大 , 并明显高于其在茎叶及籽粒中的含量 ,
尤其在根系中砷含量较高的情况下(图 1)。这表明小
麦组织对砷的转运有着较强的选择性, 与根系相比,
较少的砷累积于小麦地上部分。这种较强的选择性
导致砷在小麦茎叶及籽粒中的含量均较低, 且处理
的差异相对较小。
2.3 长期施肥对砷在玉米体内的影响
砷在玉米不同组织中的含量同样表现为: 根系>
茎叶>籽粒 , 在根系中的含量显著高于其在茎叶及
籽粒中的含量(图 2)。经过不同施肥处理, 砷在根系
中的含量表现为 : PK>NK>CK>OM≈OM+NPK≈
NPK≈NP; 在 OM、OM+NPK、NPK和 NP施肥处理
下, 砷在茎叶中的含量相似, 高于 PK、NK及 CK处
理; 砷在籽粒的含量变化较小, 其中 OM 处理砷的
含量相对较高, 其余处理间则无明显差异。玉米籽
粒中砷的含量[(0.048±0.024) mg·kg−1]同样显著低于
国家食品安全相关标准(0.7 mg·kg−1)[26]。
经过不同施肥处理, 土壤有效磷及有机质的变
化是影响小麦根系中砷含量的两个重要因素, 同样
明显影响了其在玉米根系中的含量, 但影响机制有



图 2 不同施肥处理下玉米体内砷的含量
Fig. 2 As contents in different corn organs under different
fertilization treatments
较大差异, 这主要与作物生长特性有关。在 OM、
OM+NPK、NPK 和 NP 施肥处理下, 作物产量较高,
但玉米根系中砷的含量较低, 且处理间差异不明显;
而在 PK、NK和 CK 3种施肥处理下, 虽然作物产量
较低, 但根系中砷的含量相对较高, 且与土壤中有
机质的变化较为一致(图 2)。玉米与小麦相比生长周
期较短, 对砷的吸收期较为集中, 土壤中生物有效
性砷的含量成为制约其在根系中分布的主要因素。
在作物产量较高的情况下 , 土壤有机质含量较高 ,
并通过与砷的螯合作用抑制了其在环境中的迁移及
其在作物根系中的分布, 与土壤有效磷相比更能影
响环境中砷的生物有效性; 在作物产量较低的情况
下 , 作物生长对生物有效性砷的需求量相对较低 ,
土壤有机质及有效磷含量的增加通过提高砷的生物
有效性, 促进其在作物根系中的富集。
图 2 显示, 在作物产量较高(OM、OM+NPK、
NPK 和 NP)及较低(PK、NK 和 CK)情况下, 砷在茎
叶中的含量也有着明显变化, 但与其在根系中含量
的变化规律相反。这一方面进一步证明在作物产量
较高的情况下, 作物对砷的需求量较大, 土壤中砷
的供应不足, 是影响其在作物根系中含量分布的主
要原因; 另一方面也表明, 作物产量的不同也是影
响砷在玉米组织中转运的主要原因。在作物产量较
高情况下, 通过加强对砷的转运能力, 提高了其在
茎叶中的含量。砷在玉米籽粒中的含量显著低于其
在茎叶及根系中的含量, 虽然各施肥处理间的差异
相对较小, 但与土壤速效养分、有机质含量及作物
产量正相关(表 7)。在该农田生态系统中, 速效养分
与其全量相比更能影响作物产量, 间接表明籽粒中
砷的含量分布同样受到了作物产量的影响。
砷在玉米组织中的含量分布趋势总体与小麦一
致, 均表现为: 根系>茎叶>籽粒。其中, 在玉米茎叶
中的含量略高于小麦茎叶, 对环境中的砷有相对较
强的富集能力, 但在籽粒中的含量则明显低于小麦。
3 结论
经过长达 20年不同施肥方式处理, 典型壤质潮
土中砷的含量依然较低, 明显低于国家农田土壤环
境标准二级值, 但与历史土壤相比出现了明显累积,
主要受到了灌溉水及沉降的影响。虽然磷肥施用有
助于这种累积趋势的加速, 但不是造成砷在农田土
壤中累积的主要原因; 而以秸秆还田的方式增施有
机肥, 有助于减少砷在农田土壤中的累积, 维护研
究区域农田生态环境的安全。
砷在小麦和玉米体内的含量均表现为 : 根系>
1302 中国生态农业学报 2012 第 20卷


茎叶>籽粒。两种作物籽粒中砷的含量显著低于其在
茎叶和根系中的含量及国家食品安全相关标准。小
麦与玉米相比, 根系和籽粒对环境中砷的富集能力
相对较强, 但茎叶中砷的含量略低于玉米。
在不同施肥方式处理下, 土壤有机质和有效磷
含量的增加, 促进了砷在作物体内的富集, 尤其对
砷在小麦体内含量分布的影响较为明显。玉米生长
期较短, 在作物产量较高的情况下对砷的需求量较
大, 土壤中有效态砷含量的不足抑制了其在玉米根
系中的分布, 但作物通过加强组织对砷的转移能力,
提高了其在茎叶中的含量。
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