施肥與農田重金屬累積的關聯性分析

李振國+余光輝+張勇+李文慧+宋焱+蘇明燕

摘要：肥料是農業土壤中重金屬的主要來源之一。本文收集了主要肥料中重金屬的含量，以及湖南省1989年～2012年耕地面積和農田施肥量，計算了湖南省單位面積耕地重金屬元素的累積量，評價了農業生產中施肥對農田重金屬污染的貢獻。結果發現，肥料中重金屬含量最高的為磷肥和復合肥。農田重金屬輸入量最多的是Zn，達到了2.5151 kg·hm-1，其次是Cr，輸入量為1.3683 kg·hm-1，Cu的輸入量為0.1573 kg·hm-1，As為0.1103 kg·hm-1，Pb、Ni、Hg和Cd的輸入量分別為0.0855 kg·hm-1、0.0617 kg·hm-1、0.0220 kg·hm-1和0.0023 kg·hm-1。磷肥和復合肥是農田重金屬的重要來源。

關鍵詞：重金屬；土壤；肥料；湖南省

基金項目：湖南省教育廳資助科研項目16A068；地理空間信息湖南省工程實驗室開放基金資助項目2014GISNELJJ003

中圖分類號： X825 文獻標識碼： A DOI編號： 10.14025/j.cnki.jlny.2017.16.029

肥料在為農作物提供生長所需的養分元素的同時，也會向土壤中輸入一定量的重金屬元素[1-3]。中國農業土壤的重金屬元素超標呈現面積擴大和程度加重的趨勢。2000年對湖南農田保護區進行了有害金屬抽樣檢測，結果顯示，在30萬公頃農田中，有3.6萬公頃土壤重金屬超標[4]。國外對化肥中的重金屬已有較多的研究[5-8]，但國內的研究起步較晚。我國是一個農業大國，農業產業的安全狀況對國家經濟安全和人民健康至關重要，因而研究施肥與農田重金屬超標的關聯性具有重要的現實意義。本文主要基于1989年以來湖南省的農田施肥量，分析農田重金屬隨時間變化的累積情況，估算了施肥對農田重金屬的貢獻，為合理施肥提供參考依據。

1 研究區概況

湖南省位于中國中南部，長江以南，南嶺以北，地處東經108°47′～114°05′和北緯24°38′～30°08′之間，總面積21.18萬公頃。自古以來，湖南就有“九州糧倉”“魚米之鄉”的美譽。近年來，由于不合理的利用耕地資源，導致湖南省局部地區農業生態環境惡化[9]。湖南省25.83%的農田灌溉水、26.38%的耕地和18.29%的農田均受到不同程度的污染，土壤重金屬超標嚴重，致使土壤環境質量下降，有的甚至不得不棄耕[10-12]。

2 數據采集

本文數據來源為《湖南統計年鑒》和《湖南年鑒》，整理了有化肥施用記錄開始1952年到2012年期間，每年的化肥施用量，其中自1980年開始有氮肥、磷肥、鉀肥及復合肥的分類數據統計。同時，收集整理了公開發表文獻中的肥料重金屬含量。

3 結果分析

3.1 施肥量快速增長，氮肥施用量最多

湖南省農田施用化肥的記錄可追溯至1952年。1952年～1963年的11年間，化肥使用的實物量由0.2萬噸增加至23.91萬噸，平均每年增加2.16萬噸；1964年以后化肥施用量迅速增加，到2012年，化肥年使用量達到855.23萬噸，平均每年增加17.135萬噸（如圖1）。

常見化肥中，氮肥的施用量最多，1980年為217.34萬噸，2012年增長至420.76萬噸，增長了203.42萬噸，年均增長6.37萬噸，增長率為93.6%；磷肥由127.85萬噸增長至199.32萬噸，增長了71.47萬噸，年均增長2.23萬噸，增長率為55.9%；鉀肥由12.82萬噸增長至86.06萬噸，增長了73.24萬噸，年均增長2.29萬噸，增長率為571.29%；復合肥由3.03萬噸增長至149.09萬噸，增長了146.06萬噸，年均增長4.56萬噸，增長率為4820.46%。

3.2 土壤中重金屬的輸入量及累積量

通常情況下，氮肥和鉀肥中的重金屬含量較低，而磷肥和有機肥中重金屬的含量較高[13]。以下分別分析氮肥、磷肥、鉀肥和復合肥中的重金屬含量情況，進而得出其對土壤中重金屬輸入量的貢獻值。

3.2.1 肥料中重金屬的含量情況 肥料中各種重金屬的含量如表1所示，各種肥料中重金屬含量的差別很大。Cu的含量復合肥中最多，達10.97 mg·kg-1，其次是磷肥和鉀肥，氮肥中的含量最少，為0.41 mg·kg-1；Cr在磷肥中的含量最多，數值遠遠大于其他肥料，且鈣鎂磷肥中的含量遠大于過磷酸鈣中的含量，達到156.93 mg·kg-1，而氮肥中Cr的含量最少，僅為0.245 mg·kg-1；Cd在復合肥和磷肥中的含量較多，均超過0.1 mg·kg-1，在鉀肥中含量較少，氮肥中最少，最多僅為0.0005 mg·kg-1；Hg在過磷酸鈣中的含量最多，為2.31 mg·kg-1，其次是復合肥、鈣鎂磷肥和鉀肥，在氮肥中的含量僅為0.094 mg·kg-1；As的含量復合肥中最多，達10.02 mg·kg-1，其次是磷肥，氮肥中含量最少；Zn的含量依然在復合肥中最多，達348.2 mg·kg-1，遠大于其他肥料中的含量，鉀肥和氮肥中Zn的含量較少；Ni的含量在復合肥中最多，為11.74 mg·kg-1，氮肥中最少，為0.22 mg·kg-1，磷肥和鉀肥中的含量不詳；Pb在磷肥中的含量最多，過磷酸鈣和鈣鎂磷肥中的含量分別達到了8.35 mg·kg-1和6.20 mg·kg-1，復合肥和氮肥中的含量較少，鉀肥中最少，最多僅為0.0008 mg·kg-1[14-16]。

化肥中重金屬的含量與化肥生產原料中的重金屬含量及其生產工藝有關，氮肥與鉀肥中的重金屬元素含量低，主要是由于氮肥和鉀肥的生產原料中重金屬含量較低，合成過程中產生的廢棄物又帶走了一部分重金屬元素。生產磷肥的磷礦石原料中通常含有較多的Cd、Pb、Hg、As等重金屬元素，并且國外的磷礦石原料中Cd的含量普遍高于國內磷礦石的重金屬含量，因而磷肥中重金屬元素的含量較高。復合肥為人工配制，不同復合肥的各種原料使用量可能會有較大的差異，另外，復合肥中可能會摻入有機肥料，故而復合肥中的重金屬元素含量最高，且差異較大。

3.2.2 施肥造成的重金屬累積不容忽視 對比國家有機、無機復混肥料標準（GB18877-2002），市售肥料中重金屬含量均未超標，但因施肥造成的重金屬累積不容忽視。根據湖南省統計年鑒，自1989年～2012年（不包括2006年和2009年）各種肥料的累積施用量，其中施用量最多的是氮肥，共施用了8451.11萬噸；其次是磷肥，累積施用了3898.30萬噸；復合肥和鉀肥的施用量比氮肥和磷肥少得多，復合肥共施用了1589.46萬噸，鉀肥共施用了1315.33萬噸；氮肥、磷肥、鉀肥和復合肥共施用了15254.20萬噸。湖南省耕地共計積累Cu 596150.68公斤，Cr 5184951.64公斤，Cd 8542.77公斤，Hg 83327.87公斤，As 418166.06公斤，Zn 9530491.73公斤，Ni 233851.53公斤，Pb 323842.94公斤；單位面積耕地累積量最多的是Zn，達到了2.5151 kgohm-1，其次是Cr，單位面積的累積量也達到了1.3683 kgohm-1，單位面積Cu的累積量為0.1573 kgohm-1，As為0.1103 kgohm-1，Pb、Ni、Hg和Cd的單位面積累積量分別為0.0855 kgohm-1、0.0617 kgohm-1、0.0220 kgohm-1和0.0023 kgohm-1。

不同肥料輸入土壤中的重金屬的含量存在著相當大的差異。Cu的輸入量磷肥中最多，達314716.91公斤，其次是復合肥，輸入量為196191.87公斤，鉀肥和氮肥的輸入量較少，分別為47249.80公斤和37992.10公斤；Cr的輸入量在磷肥中也是最多的，達到4645495.29公斤，復合肥中為516753.76公斤，氮肥中Cr的輸入量最少，為22702.59公斤；Cd通過磷肥和復合肥輸入土壤中的量較多，分別為4489.85公斤和3272.90公斤，通過鉀肥輸入的量較少，為733.69公斤，氮肥的輸入最少，僅為46.33公斤；Hg通過磷肥的輸入量最多，為55160.98公斤，其次是復合肥，通過復合肥輸入土壤的重金屬含量為16419.02公斤，通過氮肥輸入的量為8710.38公斤，通過鉀肥輸入的量為3037.49公斤；As的輸入量中，磷肥和復合肥所占比重最多，通過磷肥輸入的量為186863.17公斤，通過復合肥輸入的量為182191.16公斤，通過氮肥輸入的量較少，為49111.73公斤；Zn的輸入量在復合肥中最多，達6331233.55公斤，其次是磷肥，輸入量為2606677.03公斤，通過氮肥和鉀肥輸入的Zn較少，分別為451271.98公斤和141309.18公斤；Ni的輸入量在復合肥中最多，為213465.53公斤，氮肥中最少，為20386.00公斤，磷肥和鉀肥中Ni的含量不詳，因而通過磷肥和鉀肥向土壤中輸入的Ni的含量也不詳；Pb通過磷肥的輸入量最多，為311082.27公斤，復合肥和氮肥中的含量較少，分別為11636.96公斤和1111.96公斤，通過鉀肥的輸入量最少，僅為11.74公斤。

4 討論

磷肥由于主要來源于天然礦物，因此重金屬含量最高，且由于產地不同重金屬含量變化很大。所以，施用磷肥時尤其應關注其重金屬的累積問題。另外，農家有機肥的重金屬含量較化肥還要嚴重，在各種禽畜廢棄物生產的有機肥料中，雞糞有機肥中Cu、Zn、Hg的含量較高；豬糞有機肥中As的含量超過或接近限定值，Cu和Zn的含量很高；牛糞有機肥中重金屬的含量最少[15]。由于缺少有機肥使用的統計數據，本文未加計算，農田中因施肥造成的重金屬累積問題更加嚴重。

5 結論

農田中施肥量在逐年增多，磷肥和復合肥對農田重金屬的積累貢獻較大，而氮肥和鉀肥輸入土壤中的重金屬較少。農田輸入量最多的重金屬是Zn，達到了2.5151 kg·hm-1，其次是Cr，輸入量為1.3683 kg·hm-1，Cu的輸入量為0.1573 kg·hm-1，As為0.1103 kg·hm-1，Pb、Ni、Hg和Cd的輸入量分別為0.0855 kg·hm-1、0.0617 kg·hm-1、0.0220 kg·hm-1和0.0023 kg·hm-1。

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作者簡介：李振國，博士，講師，研究方向：環境保護與污染治理的研究和教學。