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有机肥中镉的赋存状态与生物活性初探

陈洪敏  
【摘要】: 镉不是植物生长的必须元素,它具有很大的生物毒性。因此,环境镉污染受到普遍重视。有机肥是我国农业生产的重要肥源,施用有机肥对于提供作物养分,维持土壤肥力发挥了重要作用。长期以来有机肥一直被认为是一种安全肥料,在无公害食品、绿色食品、有机食品等安全农产品生产中,均强调有机肥的施用。然而,有机肥的重要作用是以其本身无污染为前提。近年来,随着社会经济的发展和环境压力的日益增加,有机肥本身的污染问题日显突出,对有机肥资源的不当利用造成环境污染的现象时有发生。长时间大量施用重金属含量高的有机肥将会造成重金属在土壤中的累积,而镉在土壤中又具有较强的生物活性,容易被植物根系吸收而进入人类食物链,危害人体健康。迄今,关于有机肥对土壤原有重金属形态和含量的影响及本身带入的重金属在土壤中的积累以及作物吸收转运情况还缺乏系统研究。 本文采用形态分级、化学分析、盆栽生物试验等方法,研究有机肥中镉的赋存状态与生物活性,初步探索外源镉在有机肥中的形态转化规律以及不同形态镉的生物活性。理论上,进一步完善并丰富有机肥中重金属的基础研究:在实践上,为生产中有机肥的合理安全使用提供科学参考。 供试有机肥包括猪粪、鸡粪和商品有机肥共三种典型有机肥,盆栽试验供试土壤为重庆市广泛分布的农业土壤—中性紫色土,供试作物为莴苣。按不同种类有机肥的比较、有机肥中添加外源镉的组合效应、外源镉不同用量的比较等原则设计试验,共设29个处理。分为土壤中直接添加外源镉、施用含相同水平外源镉的有机肥和不含镉有机肥对照三组,每组设置5个水平。各处理重复三次,研究不同处理对莴苣生长和镉吸收的影响;莴苣收获后按处理取样,对土壤中镉的形态进行分级测定。室内试验包括有机肥对镉的等温吸附试验和有机肥中镉的形态分级测定,探讨不同有机肥对镉的吸持能力和外源镉在有机肥中的形态转化。有机肥中镉的形态分级,借鉴现有土壤的重金属分级方法对有机肥中镉形态进行分级,初步将镉的形态分为水溶态、酸溶态、碱溶态、残余态等四种形态。 有机肥对镉的等温吸附试验表明,在Cd~(2+)含量<100μg时,有机肥对Cd~(2+)的吸附率都接近100%,当加入Cd~(2+)的含量为120μg时,吸附等温线斜率逐渐趋缓,吸附量逐渐接近饱和;供试猪粪,鸡粪和商品有机肥对镉的最大吸附量分别为200.00μg/g,123.46μg/g和117.65μg/g。 水溶性外源镉进入有机肥后形态发生了转化。在有机肥中加入3mg/g的水溶态镉经陈化稳定后,三种有机肥中各形态所占比例大小顺序为:残余态(54.77%~60.00%)酸溶态(19.32%~23.24%)>水溶态(11.62%~14.69%)碱溶态(2.45%~10.37%);在这三种有机肥中,猪粪中的酸溶态含量最低为0.51mg/g,鸡粪中的水溶态含量最低为0.28mg/g,商品有机肥中的碱溶态含量最低为.0.06mg/g。相关分析表明,与土壤中交换态镉关系最密切的是有机肥中的酸溶态镉,两者的相关系数达到显著水平r=0.8549,水溶态与土壤中水溶态也呈显著正相关r=0.8496。同时,发现有机肥中的残余态也与土壤中的水溶态和交换态呈显著正相关,r值分别为0.8299和0.8259,反映出有机肥中不同吸持状态的镉进入土壤后,均可能转化为对植物有效的形态。 不同处理对土壤中镉的存在形态和有效性产生了明显不同的影响。在选取的各处理的土壤中,占比重较大的形态是交换态和残留态,这两种形态之和占全量的百分比均在50%以上,其它形态所占比重则相对较少一些。在外源镉+有机肥的三号水平处理中(100mg有机肥中含0.3mg外源镉),土壤中的镉形态分配比例为:含镉猪粪残留态43.78%>含镉商品有机肥残留态35.19%>含镉鸡粪残留态35.03%;同样总量镉外源镉在不同有机肥中转化平衡后的存在形态有较大差异。以对植物有效性较高的水溶态和交换态为例,在不同有机肥中的分配比例高低顺序分别为:商品有机肥6.67%>猪粪4.42%>鸡粪2.04%和商品有机肥22.96%>鸡粪15.65%>猪粪13.25%,反映出不同有机肥中镉的生物活性存在明显差异。在不同水平的外源镉+猪粪的处理中,随着外源镉水平的提高,土壤中交换态镉所占比例有明显的提高,从10.69%增加到22.84%,水溶态镉所占比例从3.44%增加到5.77%,残留态镉所占比例则呈下降的趋势,从47.33%下降到37.5%。这说明随加入外源镉水平的升高,土壤中更多的镉以活性较高的水溶态和交换态的方式存在。直接添加镉和通过有机肥带入土壤镉(x,mg/kg)均使土壤有效镉(y,mg/kg)呈线性增加,两者之间的关系可用y=bx+a描述,但单位添加镉量增加的土壤有效镉量(b)差异很大。通过猪粪、鸡粪和供试商品有机肥带入土壤镉和直接施镉,单位添加镉量土壤有效镉增量分别为:0.1478,0.175,0.301和0.3217。可见,有机肥施用可抑制土壤中镉的有效性,使有效态镉含量下降,其中猪粪的抑制作用最明显,各水平对应的有效态镉下降幅度在3.76%~28.10%之间:添加外源镉+有机肥的处理与空白对照相比,有效态镉含量有所增加,但是却低于直接添加相同水平镉的各个处理的土壤有效态镉水平。 土壤中各形态镉对植物镉累积的影响各不相同。交换态镉对植物镉累积的影响最大,它与植株地上部分和地下部分镉含量的相关系数达到极显著水平,r在0.698~(**)~0.713~(**)(n=29),其次是水溶态和碳酸盐结合态,相关系数分别在0.391~*~0.405~*和0.372~*~0.389~*之间(n=29),而紧结合有机态、残留态与植株各部位镉都呈负相关关系,其中残留态与植株镉的相关系数为-0.412~*~-0.448~*(n=29),达显著水平。松结有机态和锰氧化物结合态与植株镉未达显著相关。用1mol/LNH_4Ac溶液提取的有效态镉与作物吸收的吻合程度较高,能综合反映镉的生物有效性,有效态镉与莴苣地上部分和地下部分镉含量的相关系数分别为r_1=0.6641~(**),r_2=0.6819~(**)(r_(0.01)=0.4785 n=28),均达极显著水平。 不同处理对作物生物量的影响差异很大。当各处理含镉水平为三水平0.3mg时:土壤中直接添加外源镉,使莴苣的生物量大大降低,每株比对照下降2.16g,下降幅度达45.38%;单独加入三种有机肥的处理使莴苣的生物量提高,提高幅度分别为猪粪7.56%、鸡粪4.41%、商品有机肥1.47%,因有机肥种类的不同表现出提高幅度猪粪>鸡粪>商品有机肥的差异;有机肥中添加了外源镉的处理都使莴苣生物量较无镉有机肥处理下降,下降幅度分别为含镉猪粪21.09%、含镉鸡粪36.82%、含镉商品有机肥43.06%,但是仍高于土壤中直接添加同水平外源镉的处理,此时外源镉对莴苣生长的抑制作用表现得更加突出,掩盖了有机肥对镉毒害的调控效应。以上结果与有机肥对土壤镉形态和有效性的影响存在一致性。


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