長期定位施肥對土壤中重金屬影響的相關研究進展

尹航 劉菡

（吉林農業大學 資源與環境學院，吉林 長春 130118）

土壤是人類生存和發展的基本物質基礎,也是農業生產的基礎，土壤環境質量直接影響農產品的質量及人類健康。土壤污染使本來就緊張的耕地資源更加短缺，土壤中的污染物具有遷移性和滯留性，有可能繼續造成新的土地污染，給農業發展帶來很大的不利影響[1]。土壤污染再造成嚴重的經濟損失的同事，也給人民的身體健康帶來極大的威脅，不單單損害到當下人們的身體健康，甚至嚴重危及后代子孫的利益，不利于經濟的可持續發展。隨著農業的發展,肥料用量的增加，肥料中重金屬在土壤中累積成了土壤中重金屬污染的重要部分,施肥引起的土壤環境污染已引起廣泛關注。其中，肥料中報道較多的一類污染物,主要包括鎘、鉻、鉛、銅、鋅、鎳等[2]。長期定位試驗以長期固定的管理模式管理土壤,具有時間的長期性、信息豐富、準確可靠等優點,是研究不同施肥制度和耕作條件下土壤環境質量演變的重要手段。

1 土壤中的重金屬的來源

土壤重金屬的來源主要有兩類,即自然源和人為源。自然源主要來自大氣降塵；人為源主要來自污水灌溉、工業廢棄物得不當堆置、礦業活動、農藥和化肥等。 其中 Cd、Cr、Cu、K、Ni、Pb、Zn 等金屬元素是我國土壤環境質量標準中有著明確限量指標的元素,這些元素及其化合物是土壤中最常見的污染物質。

2 土壤中重金屬對人類的影響

土壤從古至今一直是人類生存和發展不可或缺的物質基礎，經濟蕭條過，但是人們對土壤的熱愛和渴望一點沒有因為其他因素有過任何的改變，土壤環境質量的好壞直接影響農業生產的產品的質量及其間接使用者的健康[3]。土壤的過度使用及污染使得本來就供給不足的耕地資源更是捉襟見肘，土壤資源的損失給人們的生產生活帶來了巨大的壓力。更重要的是，土壤中的污染物具有遷移性和滯留性，也就是說，在現有土壤已經被污染的同時，極有可能繼續造成新的土壤污染，給農業發展帶來很打的不利。土壤污染損失在造成嚴重的經濟損失的同時，也給人民的身體健康帶來的極大的威脅，不單單威脅到人民現在的身體健康，也對子孫后代的生產生活健康帶去極大的安全隱患，不利于經濟的可持續發展。

土壤污染也對其他方面存在一定程度上的影響[4]，例如，土壤污染直接體現在地下水的水質；農作物的生長即糧食，蔬菜的產量；食品質量安全費用等等，土壤污染造成嚴重且長久的損失。國內外學者對重金屬的研究一直沒有間斷過，研究的重點不約而同的選擇了對重金屬有效性的研究上[5],傳統研究重金屬有效性的思路主要集中在重金屬全量的有效性及如何利用高等植物的毒理試驗、微生物的活性等評價重金屬的生物有效性[6],但不可否認的是，土壤中重金屬元素的存在形態才應是衡量其環境效應的關鍵參數[7]。因此,對重金屬形態的研究才是打破現有研究瓶頸的重要因素。

3 土壤中重金屬污染的特點及危害

重金屬進入土壤,其難移動性導致大量積累，造成土壤環境污染,從而影響到植物的生長,對動物、微生物、土壤酶的活動產生潛在威脅,關系到人類的健康[8]。重金屬的積累必然影響到土壤理化性質和生物效應的變化,致使土壤肥力和質量降低。土壤重金屬的含量及活性受施肥影響較大,許多重金屬既是植物生長必需元素,又是環境污染元素。這些元素一旦過量,就會對土壤生物和植物生長產生毒害。在土壤環境中重金屬污染特點可以分為兩部分：一是土壤環境中重金屬自身的特點，二是區別與水體和大氣等介質中的特點[9]。

重金屬的性質使然，其在土壤中具有難移動，污染危害周期性長的特點，所以關于重金屬在土壤中環境行為的研究越來越收到重視。重金屬的污染主要與其移動性息息相關，但重金屬的傳輸和遷移都是以特定的形態來完成的[10-15]。從重金屬理化性來分析，土壤中重金屬不同形態間能力特性都是有差異的。在土壤中的遷移表現也各不相同，其遷移能力大小有直接決定了重金屬生物的有效性以及對生態環境的危害程度。有些重金屬是植物生長所需要的，但是過量的重金屬則會引起植物體生理功能的紊亂[16]。植物體會產生營養不良，發生病變等異常。土壤微生物不能通過生物作用降解土壤中的重金屬。所以重金屬在土壤中不斷的積累，被微生物吸收富集后通過食物鏈在人體體內積累，以此來危害人體健康。農作物中重金屬主要來自土壤，這種污染具有隱蔽性高，長期存在并且不可逆轉的特點，作物中重金屬通過食物鏈的傳遞，給人體帶來健康的風險。現有的研究結果表明，植物體能夠吸收累積多少土壤中的重金屬，主要取決于重金屬元素的有效態，而農業生產中大量使用的化肥農藥會改變土壤理化性質，從而影響到土壤中重金屬有效態含量的變化，使有效態重金屬比重增加，重金屬移動性提高，毒性危害性提高，是產生農業面源污染的主要途徑[17]。對于現代經濟型農業而言，施肥可以有效的提高產能，提高土地利用效率，但是隨著施肥總量的累積，土壤中重金屬含量也必然隨之增加，對土壤的本體有極大的破壞嚴重，對植物體及人體的危害也隨之增大。

4 長期定位施肥對土壤中重金屬影響的研究現狀

長期定位試驗有著其他如短期培養，定位培養等試驗所不具備的解釋問題的能力[18]。因為種種針對特定實驗的需求人們對長期定位試驗至今依然有著濃厚的興趣。英、美等發達國家早已建立了多個時間長達50年以上的定位試驗基地,其中興建于1843年的英國洛桑試驗站的長期定位試驗至今已持續160多年的實驗操作。有些長期定位試驗項目常延續數十年乃至上百年之久[19]，為了解某新興農業耕作方式在同一條件下反復長期采用可能帶來的后果提供了寶貴的科學資料，便于我們在農耕施肥選種方面做出更有益的選擇。我國于20世紀70年代末至80年代初在全國化肥試驗網中布置了一批肥料長期定位試驗[20]。1987年又在全國重點農區和主要土壤類型上建立了9個土壤肥力和肥料效益長期定位監測基地[21]。到1994年共有超過10年的定位試驗60多個。吉林農大試驗田便是較早的一批重點農區和主要土壤類型的實驗基地[22]。這些試驗基本上反映了我國長期施肥的作物產量和土壤肥力變化規律，為我國不同地區肥料的宏觀需求,合理配比和施用,以及因地因作物制宜生產專用肥料提供了依據。

5 土壤中重金屬污染的防治及修復

對土壤污染的預防：控制和減少土壤對污染源的接觸，是最有利快捷的方式。修復方式有以下幾點：

（1）加大工業上三廢排放的監管；

（2）加強土壤污灌區的監測和管理；

（3）合理的使用化肥及農藥；

（4）增加土壤容量和提高土壤凈化能力。

6 總結

就目前來看，對于土壤中重金屬有效性的研究主要集中在兩點。（1）土壤中全量的有效性；（2）怎樣有效的利用高等作物的毒理研究以及運用微生物的活性去評價重金屬的生物有效性。在整個過程中，衡量土壤中重金屬對環境影響的效應，單單考慮重金屬的總量是不足以全面說明其環境效應的，重金屬元素的形態才是衡量的關鍵參數。

［1］A.Navas,H.Lindhorfer.Geochemical speciation of heavy metals in semiarid soils of the central Ebro Valley(Spain)[J].Environment International,2003,29(1):61-68.

［2］IMPELLITTERI C A,SAXE J K,COCHRAN M,et al.Predicting the bioavaillability of copper and zinc in soils:Modeling the artitioning[Z].of potential bilavailable copper and zinc from solid to soil solution[J].Environmental Toxicology and Chemistry,2003,22(6):1380-1386.

［3］FERNANDEZ A J,TERNERO M,BARRAGAN F J,et al.An approach to haracterization of sources ofurban airborneparticlesthrough heavy metal speciation[J].Chemosphere-Global Change Science,2000(2):23-136.

［4］SASTRE J,HERNANDEZ E,RODRIGUEZ R,et al.Use of sorption and extraction tests to predict the dynamics of the interaction of trace elements in agricultural soils contaminated by a mine tailing accident[J].Science of the Total Environment,2004,329:261-281.

［5］韓春梅,王林山,鞏宗強,等.土壤中重金屬形態分析及其環境學意義[J].生態學雜志,2005,24(12):1499-1502.HAN Chunmei,WANG Linshan,GONG Zongqiang,et al.Chemicalforms of soil heavy metals and theirvironmental significance[J].Chinese Journal of Ecology,2005,24(12):1499-1502.

［6］周生路,李江濤,等.長江三角洲地區土壤重金屬生物有效性的研究:以江蘇省昆山市為例[J].土壤學報,2008,45(2):240-248.

［7］ZHONG Xiaolan,ZHOU Shenglu,LI Jiangtao,et al.Bioavailability of soil heavy metals in the Yangtze River Delta:A case study of Kunshan City in Jiangsu Province[J].Acta Pedologica Sinica,2008,45(2):240-248.

［8］萬紅友,周生路,趙其國.蘇南典型區土壤基本性質時空變化:以昆山市為例[J].地理研究,2006,25(2):303-310.

［9］WAN Hongyou,Zhou Shenglu,ZHAO Qiguo.Study on spatial and temporal variability of soil basic properties in typical area of southern Jiangsu Province:A case study in Kunshan City[J].Geographical Research,2006,25(2):303-310.

［10］QUEVAUVILLER P,RAURET G.,LOPEZ-SANCHEZ J F.Certification of trace metal extractable contents in a sediment reference material(CRM 601)following a three-step sequential extraction procedure[J].The Science of the Total Environment,1997,205:223-234.

［11］SAHQUILLO A,LOPEZ-SANCHEZ J F,RUBIL R,et al.Use of a certified reference material for extractable trace metals to assess sources of uncertainty in the BCR three-stage sequential extraction[Z].

［12］Sheppard S C,Grant C A,Sheppard M I,et al.Heav y metals in the environment risk indicato r f or ag ricultural inputs of trace elements to Canadian soils[J].J EnvironQua l,2009,38(3):919-932.

［13］L.Fanfani,P.Zuddas,A.Chessa.Heavy metals speciation analysis as a tool for studying mine tailings weathering[J].Journal of Geochemical Exploration,1997,58(2-3):241-248.

［14］A.Barona,F.Romero,C.Elejalde.Speciation of selected heavy metals in soils and plant availability[J].Journal of Hazardous Materials,1994,37(1):233-239.

［15］A.Kot,J.Namiesńik.The role of speciation in analytical chemistry[J].TrAC Trends in Analytical Chemistry,2000,19(2-3):69-79.

［16］陳懷滿.土壤中化學物質的行為與環境質量[M].北京:科學出版社,2002,10.

［17］劉志紅,劉麗,李英.進口化肥中有害元素砷、鎘、鉛、鉻的普查分析[J].磷肥與復肥,2007,22(2):77-78.

［18］陳芳,董元華,安瓊,等.長期肥料定位試驗條件下土壤中重金屬的含量變化[J].土壤,2005,37(3):308-311.

［19］任順榮,邵玉翠,高寶巖,等.長期定位施肥對土壤重金屬含量的影響[J].水土保持學報,2005,19(4):96-99.

［20］魯洪娟,孔文杰,張曉玲,等.有機無機肥配施對稻-油系統中重金屬污染風險和產品質量的影響[J].浙江大學學報,2009,35(1)：111-118.LU Hong-juan,KONG Wen-jie,ZHANG Xiao-ling,et al.Risk of heavy metal pollution and product quality in rice-rape cropping system as affected by integrated fertilization with commercial organic manure and chemical fertilizers[J].Journal of Zhe jiang University,2009,35(1)：111-118.

［21］胡美玲,關天霞,何紅波,等.Cu在黑土中形態特性分析及施用有機肥的影響[J].環境科學學報,2012,32(9):2189-2196.

［22］李志軍,李平儒,史銀光,等.長期施肥對關中婁土微量元素有效性的影響[J].植物營養與肥料學報,2010,16(6):1456-1463.