有機種植對土壤主要理化性質及重金屬含量的影響

李思萌， 于 軍， 周正立， 王宏燕， 孫 巖， 王 玲， 高敬堯

(1.塔里木大學，新疆阿拉爾 843300；2.東北農業大學，黑龍江哈爾濱 150030)

有機種植對土壤主要理化性質及重金屬含量的影響

李思萌1， 于 軍1， 周正立1， 王宏燕2， 孫 巖2， 王 玲2， 高敬堯2

(1.塔里木大學，新疆阿拉爾 843300；2.東北農業大學，黑龍江哈爾濱 150030)

對黑龍江省慶安、查哈陽、北安3個地區的有機種植基地與周邊常規農田的土壤進行取樣調查，旨在比較有機種植與常規種植2種種植方式對土壤主要理化性質以及土壤中重金屬含量的不同影響。結果表明，與常規種植相比，施用有機肥的有機種植能明顯提高土壤養分含量。其中，土壤有機質、總氮、總磷的含量最大提高6.97%～7.69%；而速效磷、速效鉀等養分含量提高18.52%～53.5%；且施用有機肥，對土壤物理性質有明顯的改良作用，能降低土壤容重，增加土壤中>0.25 mm水穩性團聚體含量。此外，有機種植對土壤中重金屬的富集有一定的抑制作用，其中土壤中As、Hg、Cd、Cr含量降低了51.46%～82.99%。

有機種植；重金屬；土壤肥力；土壤理化性質；水穩性團聚體；有機農業發展

我國是糧食大國，僅擁用全球8%的耕地，生產了全球21%的糧食，但同時化肥消耗量占全球的35%，人們對化肥有了越來越多的依賴。2015年聯合國糧農組織統計資料(FAOSTAT)顯示，糧食產量與氮、磷化肥的投入量有極顯著的線性正相關關系[1]。然而，由于化肥的過度使用和連年耕種，使耕作土壤有機質含量下降，土壤肥力降低，土壤板結[2]。“肥越用越多，地越種越饞”，這是我國糧食“十一連增”背后的尷尬現實。2015年農業部提出，將在全國范圍內實施化肥使用量零增長行動，力爭到2020年主要農作物化肥使用量實現零增長。有機農業是指在生產中完全或基本不用人工合成的肥料、農藥、生長調節劑和畜禽飼料添加劑，而采用有機肥滿足作物營養需求的種植業或采用有機飼料滿足畜禽營養需求的養殖業，強調農業發展的生態本質，尊重生態經濟規律，協調生產、發展與生態環境之間的關系。我國有機農業經歷了研究探索階段、奠定基礎階段和規范化快速發展階段，現已成為非常具有發展潛力的“朝陽產業”。土壤環境質量不僅影響土壤保持和供應水肥的能力，對調控土壤氣熱狀況以及水分入滲性能和地表徑流的產生也有重要作用，因而研究有機種植對土壤環境質量的影響、對推動有機農業的發展具有重要意義[3-4]。在有機種植與常規種植的比較研究方面，國內外專家進行了大量的長期定位試驗[5-7]。劉玉濤認為，連年施用有機肥可增加土壤有機質，改善土壤結構[8]。王健鸝等通過試驗證明有機種植可以改善土壤的pH值，在一定程度上調節土壤的酸堿度，改良土壤，大大提高土壤微生物量的碳氮含量，增強土壤生物活性，加速有機質的分解和轉化，從而改善土壤的肥力狀況[9]。國內外在有機種植與常規種植對土壤中重金屬含量的影響方面作了一定的比較研究[10-11]，大部分研究發現與常規種植相比，有機種植下土壤重金屬含量低，污染風險小。目前國內外的研究多是針對土壤肥力的某一單一指標，而全面比較有機種植與常規種植對土壤環境質量影響的研究相對較少。因此，本試驗選擇東北地區有機水稻、有機玉米農業種植基地，通過實地調查取樣，監測有機種植基地和常規種植地塊土壤環境質量，比較有機種植基地與周圍常規種植地塊土壤容重、土壤中水穩性團聚體含量、土壤中各養分含量及重金屬含量的差異，為發展有機農業、促進我國綠色產業的發展提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

本研究選取3個試驗地，即為黑龍江省慶安(A)有機水稻種植基地(127°50′E、46°87′N)、黑龍江省農墾齊齊哈爾管局查哈陽(B)農場有機水稻種植基地(123°86′E、48°15′N)、黑龍江省農墾北安(C)管局紅星農場有機玉米種植基地(126°74′E、47°85′N)。3個有機基地都屬于寒溫帶大陸性季風氣候，年均溫度0.8～1.7 ℃，年降水量470～577 mm，年均日照時數2 599～2 773 h(表1)。

慶安有機水稻種植基地有機地塊(A1)，施有機肥量為 2 950 kg/hm2，所施有機肥的有機質含量≥35%，總養分(N+P2O5+K2O)含量≥6%；常規施肥地塊(A2)，施復合肥，施肥量為295 kg/hm2。查哈陽有機水稻種植基地有機地塊(B1)，施有機肥量為2 100 kg/hm2，有機質含量≥30%，總養分(N+P2O5+K2O)含量≥4%；常規地塊(B2)施用復合肥，施肥量為205 kg/hm2。北安有機種植基地(C1)是玉米和大豆輪作，主要施用自產的有機肥，有機質含量≥40%，總養分(N+P2O5+K2O)含量≥4%，施肥量為2 780 kg/hm2；常規種植施用復合肥(C2)，施肥量為277 kg/hm2。2014年5月進行播種，10月收獲。所選的 3 個基地在實施有機種植以前與周圍相鄰常規種植基地的土壤性狀、土地利用方式以及種植作物等方面基本一致。

表1 供試土壤理化性質

1.2 土樣的采集與測定方法

1.2.1 土樣的采集 本研究土壤取樣期為2014年7月，每個基地有機地塊與常規地塊各設3個小區，采取棋盤式布點隨機取樣，采用四分法取土樣，每個處理3個重復，在采集和運輸過程中盡量減少對土樣的擾動，以免破壞團聚體。將取回的土樣于實驗室內自然風干，壓碎，磨平過篩(篩子孔隙分別為1.00、0.15、0.25 mm)，備用。容重等物理性質按照取樣要求用環刀等取土。

1.2.2 測定方法

1.2.2.1 土壤物理性質 土壤水穩性團聚體的測定采用濕篩法；土壤容重的測定采用環刀法。

1.2.2.2 土壤化學性質 土壤pH值的測定采用電位測定法；土壤有機質含量的測定采用重鉻酸鉀容量法；土壤全氮含量的測定采用凱氏定氮法；土壤全磷含量的測定采用比色法；土壤速效磷含量的測定采用比色法；土壤速效鉀含量的測定采用火焰光度法；土壤硝態氮含量的測定采用酚二磺酸比色法。土壤微生物量的測定采用熏蒸法[12]。1.2.2.3 土壤中全量重金屬的測定 過0.15 mm篩的土壤樣品在高壓消解罐中，用氫氟酸-雙氧水-硝酸前處理樣品，消解后用 ICP-MS 測定土壤中 Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、Hg、As的含量。

1.3 數據處理

數據的方差分析和相關分析均采用SPSS 22.0軟件完成，采用Excel作圖，試驗所得數據均為3次重復的平均值，誤差用標準差表示。所有的差異顯著性分析均采用新復極差法在α=0.05水平上進行檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同種植方式對土壤物理性質的影響

2.2.1 不同種植方式對土壤容重的影響 土壤容重是土壤肥力以及土壤質量的重要指標之一，不同類型土壤容重不同，所表現出來的物理性狀也有所差別，而不同施肥方式也會對耕層土壤容重產生重要影響。從圖1可以看出，與常規種植相比，施加有機肥處理土壤容重均有所下降，但下降幅度不大。其中，A1、B1、C1處理土壤容重分別為1.255、1.308、1.333 g/cm3，與A2、B2、C2處理相比分別下降1.88%、1.28%、1.04%。說明有機種植有利于改善土壤的孔隙結構，提高土壤的透氣性。

2.1.2 不同種植方式對土壤水穩性團聚體含量的影響 土壤團聚體是土壤結構的基本單元，土壤結構可以調節土壤的物理和生物過程，并影響土壤有機質的分解[13]。如圖2所示，有機種植土壤0～0.25 mm團聚體較常規種植有所降低，而>0.5 mm團聚體含量均有增加，其中B2處理的0.5～2 mm 團聚體含量為28.29%，而>2 mm團聚體含量為 6.66%，遠高于常規種植。說明有機種植能使土壤中小團聚體膠結起來形成大團聚體，能大大提高土壤團聚體的穩定性。

2.2 不同種植方式對土壤化學性質的影響

2.2.1 不同種植方式對土壤有機質的影響 土壤有機質含量是土壤重要的基礎指標，是衡量土壤肥力的重要標志，同時土壤有機質對于土壤的物理結構、保肥、保水等特性具有重要影響[14]。由圖3可知，施加有機肥對土壤有機質含量提高具有明顯的作用，各地區有機種植與常規種植均有顯著差異。其中，A1、A2處理有機質含量提升較大，A1處理較A2處理有機質含量高21.28%；B1、B2與C1、C2處理有機質含量提升較小，B1、C1處理較B2、C2處理有機質含量分別高 7.49%、4.68%。可能由于C地區土壤有機質含量C1為52.99 g/kg，C2為50.62 g/kg(高于A、B地區)，所以C地區有機種植較常規種植有機質含量提升最小

。

2.2.2 不同種植方式對土壤pH值的影響 從圖4可以看出，施用有機肥對于土壤pH值影響較小，有機種植與常規種植間不存在顯著差異。除A地區有機種植pH值略低于常規種植外，B、C地區有機種植pH值均略高于常規種植。這種pH 值的變化在一定程度上調節了土壤的酸堿度，改良了土壤，但受施肥量等因素影響，效果并不明顯。

2.2.3 不同種植方式對土壤全氮含量的影響 由圖5可以看出，有機種植與常規種植全氮含量有明顯差異，并且有機種植全氮含量高于常規種植。C1處理全氮含量最高，為 3.15 g/kg；A2處理全氮含量最低，為1.88 g/kg。B1與B2處理間全氮含量提升最小，提高了6.97%；而C1、C2和A1、A2處理間全氮含量均有較大提升。土壤有機質是氮素存在的主要場所，土壤表層中大約80%～90%的氮存在于有機質之中。在有機種植下，土壤有機質含量更高，土壤供氮能力更強。這主要是因為大量的施用有機肥能促進土壤中的礦物質風化，從而增加土壤中的全氮含量，另外有機肥本身也含有大量的氮素，有利于提高土壤中的全氮含量[15]。

2.2.4 不同種植方式對土壤全磷含量的影響 土壤中的磷元素是作物生長所需磷元素的主要來源，所以土壤中磷的含量與作物的生長有著密切的聯系。有機種植較常規種植能提高土壤全磷含量，從圖6中可知，B1與B2間存在顯著差異。B1處理全磷含量為 2.66 g/kg，B2處理全磷含量為 2.47 g/kg，上升了7.69%。由此可以看出，有機種植對于B地區土壤全磷含量的提高有明顯作用，其原理與有機種植對全氮含量的影響類似。

2.2.5 不同種植方式對土壤速效磷含量的影響 如圖7所示，不同地區有機種植對土壤速效磷含量均有一定的影響。B地區有機種植與常規種植有顯著差異，其他地區差異較小，其中A地區與C地區有機種植土壤速效磷含量分別為 29.33、33.33 mg/kg，與常規種植相比分別下降7.33%和 2.94%。B地區有機種植對土壤速效磷含量有顯著的提升作用，其含量為35.39 mg/kg，較常規種植提高18.52%。

2.2.6 不同種植方式對土壤速效鉀含量的影響 如圖8所示，有機種植對土壤速效鉀含量的提高具有明顯作用，3個地區有機種植與常規種植都存在顯著差異。A、B、C地區有機種植土壤速效鉀含量分別為227.4、258.51、249.37 mg/kg，其中A地區速效鉀含量提升幅度最小，提高9.92%；C地區速效鉀含量提升幅度最大，提高25.38%。總體來說，各地區有機種植均能顯著提高土壤速效鉀含量。

2.3 不同種植方式對土壤微生物量碳氮含量的影響

2.3.1 土壤微生物量碳 土壤微生物量碳氮既是土壤有機質和土壤養分轉化與循環的動力，又可作為土壤中植物有效養分的儲備庫，其對土壤環境因子的變化極為敏感，土壤的微小變動均會引起其活性變化[16]。由圖9可知，A、B地區有機種植土壤微生物量碳含量較常規種植有顯著提高，C地區有機種植與常規種植土壤微生物量碳含量基本持平。B地區有機種植土壤微生物量碳含量為263.01 mg/kg，較常規種植高58.83%；A地區有機種植也較常規種植提高28.44%。由此可知，A、B地區有機種植較常規種植土壤微生物量碳含量有顯著提高。

2.3.2 土壤微生物量氮 由圖10可知，各地區有機種植與常規種植土壤微生物量氮的含量存在顯著差異。A2、C2處理土壤微生物量氮含量較低，分別為29.83、27.46 mg/kg。A1、B1、C1土壤微生物量氮含量為39.76、43.07、42.15 mg/kg，分別較常規種植提高33.29%、12.99%、53.50%，均有較大幅度的提升。可見，有機種植能夠提高微生物量氮含量，改善土壤的供氮能力。

2.4 不同種植方式對土壤重金屬含量的影響

表層土壤重金屬積累的變化受成土母質和人為資源輸入的影響極大，而且重金屬累積目前是很受關注的土壤污染之一[17]。本試驗研究了A、B、C等3個地區不同種植土壤中重金屬的含量，測定了土壤中幾種主要重金屬污染物的含量，除常規種植地塊Hg含量外均未超過土壤環境質量國家一級標準[18]。如表1所示，A地區中有機種植土壤中重金屬含量均低于常規種植，其中Zn含量有機與常規差別較小，僅降低3.89%；而Cd、Cr含量下降幅度較大，分別降低51.46%、54.44%。在B地區中，有機種植重金屬含量(除Cu含量外)與常規種植均有顯著差異，尤其是As、Hg含量，下降幅度達82.99%、64.19%，其余均有不同程度下降。C地區中Cu、Pb含量無顯著差異，與常規種植相比，有機種植土壤中Zn含量出現一定程度的富集，含量提高了25.5%，但其他重金屬含量均有所下降。A、B、C等3個地區中常規種植土壤中Hg富集效果十分明顯，含量高于土壤環境質量國家一級標準，但沒有超過土壤環境質量國家二級標準；而有機種植中Hg含量低于土壤環境質量國家一級標準，符合國家農產品產地環境標準的要求。

表1 不同地區有機與常規種植土壤重金屬含量

3 結論與討論

3.1 結論

在A、B、C等3個地區的試驗結果表明，有機種植對于土壤物理性質具有一定的改善作用，能降低土壤容重，保持土壤pH值，并增加土壤大團聚體數量，提高水穩性團聚體穩定性，從而改良土壤結構，提高土壤抗侵蝕能力。與常規種植相比，有機種植在土壤有機質、土壤全氮、全磷含量方面有明顯的提高，并且速效磷、速效鉀、微生物量碳和微生物量氮含量也都有所提高，且對提高土壤基礎肥力有明顯作用。對3個地區土壤中Cu、Zn、Cd、Cr、As、Pb、Hg含量的研究結果表明，有機種植總體上能明顯降低土壤中的重金屬含量，尤其是Cd、Hg。

3.2 討論

本試驗同時選取2個有機水稻種植基地和1個有機玉米種植基地進行比較，雖然選擇的地點施肥量和施肥方式不同，有機種植開展的年限也不同，但可以在研究結果中發現有機種植方式整體上均有一定優勢。有機種植方式能夠有效降低土壤容重、增加土壤孔隙度、改善土壤的黏結性和黏著性，使耕性變好，保持土壤pH值穩定，緩解土壤酸堿度。與常規種植相比，有機種植土壤中的有機質含量有一定的提高，改善了土壤結構，大團聚體的數量和穩定性也提高了。可能是由于有機肥中有機物質分解形成了土壤腐殖質，微生物活動頻繁，促進了>0.25 mm團粒結構的形成[19]，使團聚體穩定性增加，這與高飛等的相關研究結果[20]一致。本研究表明，有機種植方式土壤中N、P、K含量較常規種植有明顯提高，土壤肥力增加，該結果與姜瑢等的研究結果[21-22]一致。在常規種植下，由于大量施用化肥導致土壤本身肥力下降，作物品質差，相對而言，土壤有機培肥歷來是農業生產中維持和提高地力的一項重要措施，土壤有機培肥后，改善了土壤的理化性質，增加了土壤的基礎肥力，從而提升了土壤的供肥能力，改善了作物品質。

試驗中測定了各地區土壤中重金屬含量，選擇的有機基地及周邊常規種植區土壤中重金屬含量均相對較低，但從結果中仍可以看出有機種植基本可以減少土壤中選定重金屬的含量，這與有機種植不使用化肥、農藥等有關。不同種類重金屬含量下降程度不盡相同，有研究表明，土壤中的有機質對重金屬離子有較強的親和勢，有機質能提供有機質基團和官能團與重金屬易形成絡合物[23]。不過也有研究表明，有機種肥中重金屬Cu、Zn等長期施用也有富集風險[24]，畜禽養殖業廣泛使用的飼料添加劑中含有大量的Cu、Zn、As等重金屬， 動物不能完全吸收，大部分隨糞便排出體外，所以有機肥中這些元素含量很高。本試驗中C地區有機種植的Zn含量高于常規種植、A地區中不同種植方式的Zn含量基本持平無明顯差距、3個地區中Cu含量均無明顯差異，這可能是由3個地區常規種植噴灑殺蟲劑、除草劑等含有Cu、As等重金屬的農藥導致的。黃青青等研究表明，化肥中含有大量的Cd、Cr，而在有機肥中含量相對較少，所以各地區中有機種植土壤Cd、Cr含量均明顯低于常規種植[25-26]。不同處理間(除A地區外)Pb含量均無明顯差距。本試驗著重比較分析了有機種植與常規種植的情況，有機種植對土壤物理結構改善以及土壤肥力提高均優于常規種植，但在不同施肥量、施肥方式及不同種植年限下，有機種植對土壤環境質量的影響還有待深入研究。

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10.15889/j.issn.1002-1302.2017.02.071

2016-03-06

公益性行業(環保)科研專項(編號：201309036)。

李思萌(1990—)，女，黑龍江哈爾濱人，碩士研究生，研究方向為農業生態學。E-mail：lisimeng0317@163.com。

于 軍，教授，研究方向為生態學。E-mail：tdakjc@163.com。

S157.4+32

A

1002-1302(2017)02-0253-05

李思萌，于 軍，周正立，等. 有機種植對土壤主要理化性質及重金屬含量的影響[J]. 江蘇農業科學，2017，45(2)：253-257.