植物殘體施用對土壤性質(zhì)的影響研究

郝中宇，李立平，韓 科，趙林林，邢維芹

(1.河南工業(yè)大學(xué) 環(huán)境工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.河南省環(huán)境污染修復(fù)與糧食質(zhì)量安全國際聯(lián)合實驗室，河南 鄭州 450001；3.河南省濟(jì)源生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，河南 濟(jì)源 459000)

1 引言

我國作物秸稈年產(chǎn)量為9×108t[1]，合理處理這些秸稈具有重要意義，秸稈還田是農(nóng)作物秸稈的處置方式之一。秸稈還田對于改善土壤性質(zhì)具有重要意義。然而，部分作物秸稈或植物殘體重金屬含量較高[2,3]，施用后可能會對土壤性質(zhì)產(chǎn)生不良影響。本文綜述了施用植物殘體，尤其是作物秸稈對土壤性質(zhì)的影響，以期為植物殘體的土壤施用提供參考。

2 植物殘體的重金屬含量

重金屬是土壤環(huán)境中來源廣泛、危害性大的一類污染物。隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，大量重金屬通過多種途徑進(jìn)入土壤生態(tài)系統(tǒng)中，導(dǎo)致近年來我國部分地區(qū)出現(xiàn)土壤重金屬積累現(xiàn)象[2,4,5]。土壤重金屬可隨地表徑流和淋溶作用進(jìn)入地表水、地下水，也可被植物吸收進(jìn)入食物鏈。以下根據(jù)已有調(diào)查研究對污染區(qū)和未污染區(qū)主要作物體中的重金屬含量進(jìn)行對比。

2.1 未污染區(qū)植物殘體重金屬含量

未污染區(qū)植物殘體中的重金屬含量一般較低。同時，由于不同重金屬的生物有效性及不同植物吸收重金屬能力有所差異，植物殘體中不同重金屬含量也存在差異。一般地，在鎘、銅、鉛和鋅4種元素中，以植物營養(yǎng)元素鋅在植物體中含量最高，銅含量次之，而鉛、鎘含量較低，表1列出了部分文獻(xiàn)中報道的植物體重金屬含量數(shù)據(jù)。另外，同一作物的不同品種之間重金屬吸收能力也存在差異[6,7]，這可能是表1中不同秸稈重金屬含量差異較大的原因。從表1數(shù)據(jù)可以看出，鋅元素在作物籽粒中含量高于秸稈，這對于增加人體鋅的攝入有重要意義。

表1 未污染區(qū)作物地上部(莖葉或莖稈)和籽粒重金屬含量(范圍及平均值) mg/kg

未污染區(qū)作物秸稈中重金屬含量較低，因此，未污染區(qū)秸稈施用對土壤重金屬性質(zhì)的影響主要是由秸稈對土壤性質(zhì)的影響引起，而非由秸稈自身重金屬釋放所引起。

2.2 污染區(qū)植物殘體重金屬含量

污染區(qū)植物地上部重金屬含量存在較大差別(表2)，這可能主要與不同物種吸收土壤重金屬的能力差異有關(guān)[3]。Xing等[3]調(diào)查了某大型鉛冶煉廠附近的43種野生植物地上部重金屬含量，結(jié)果表明：植物地上部分重金屬平均含量Pb > Zn > Cd > Cu，其中Cd的生物富集系數(shù)(BCF)值高于Pb、Cu和Zn，植物對Cd的 BCF平均值為1.42，而對Pb、Cu和Zn的BCF的平均值分別為0.128、0.256和0.560，堇菜地上部鎘含量最高(66.5 mg/kg)。王小平等[8]在甘肅省隴南市某礦區(qū)附近進(jìn)行了酸模、龍葵、月季、金盞菊、萬壽菊、油牡丹、鳳仙花7種植物的大田試驗，結(jié)果表明：植物體中Pb、Cd含量普遍較高，其中，龍葵根系Pb含量最高，為18.2 mg/kg，萬壽菊地上部分的Cd值最高，為8.16 mg/kg。從表2還可以看出，與Xing等[3]的結(jié)果相比，農(nóng)作物秸稈中的重金屬含量普遍較低，因此，可以推論，農(nóng)作物秸稈還田對土壤重金屬總量的增加作用較小。

表2 污染區(qū)作物地上部(莖葉或莖稈)和籽粒重金屬含量(范圍及平均值) mg/kg

3 植物體在土壤中的分解過程

植物體在土壤中的分解對于生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的營養(yǎng)循環(huán)、碳循環(huán)和能量傳遞至關(guān)重要。植物體進(jìn)入土壤后，同時進(jìn)行礦化及腐殖化兩方面的轉(zhuǎn)化。礦化作用將纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)等復(fù)雜有機(jī)物分解，同時釋放礦物離子，分解過程中，有機(jī)質(zhì)含量呈下降趨勢。

4 施用植物體對土壤性質(zhì)的影響

4.1 土壤Eh

有機(jī)質(zhì)是土壤中的主要電子供體，施用植物殘體會導(dǎo)致土壤Eh降低、還原性增強(qiáng)。土壤Eh的降低速率與植物體的類型、施用量、電子受體含量、溫度和水分狀況有關(guān)，秸稈越易分解，施用后土壤Eh下降越快[21,22]。陳琨等[23]向水稻土中添加水稻秸稈粉末，發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)4～8 d后土壤Eh迅速下降，在8～12 d時達(dá)到最低值，約為-100～100 mV，稻草粉的用量越大，土壤Eh值越低。向土壤中添加碳基材料(生物炭、花生藤、稻草)，土壤Eh值顯著下降，其中花生藤還田處理的鎘污染土壤Eh下降至-207 mV，稻草還田處理的鎘污染土壤Eh下降至-196 mV[24]。秸稈自身C/N比較高時較難被分解、還原性物質(zhì)產(chǎn)生較少，也會造成較高的Eh值[21]。向水稻土中添加Cd污染稻草(Cd含量為14.6 mg/kg)和污染秸稈生物炭，與對照相比，添加污染水稻秸稈時土壤Eh下降13.02%，與添加秸稈相比，添加生物炭會有更高的Eh值[22]，這可能是生物炭制作過程中大量易被氧化的碳化合物已經(jīng)被氧化所致。婁燕宏等[25]的研究表明，添加玉米秸稈與不添加秸稈相比，土壤Eh會降低，土壤 Eh下降的比例與玉米秸稈的添加量呈正相關(guān)。

4.2 土壤pH值

向酸性土壤中添加植物殘體有利于土壤pH值上升，而在石灰性土壤中施用作物秸稈后，pH值有下降趨勢。不同植物秸稈用量下土壤pH值的變化受植物種類、土壤初始pH值和電荷特性的影響。王嬌[26]向土壤(pH值分別為5.40、4.81、5.26、6.39)中添加玉米秸稈進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng)試驗。結(jié)果表明：土壤pH值均隨秸稈添加量的增加而增大，不同處理土壤pH值平均提高0.26～0.27個單位。向云南某酸化較嚴(yán)重的土壤中(pH=5.39)添加水稻秸稈，土壤pH值均隨著培養(yǎng)濕度的升高呈升高的趨勢，且隨著時間延長，土壤pH值逐漸趨于穩(wěn)定[27]。Wang等[28]向兩種可變電荷土壤(pH值為4.30、4.59)和一種恒電荷土壤(pH值為6.11)中添加3種作物秸稈，結(jié)果表明，兩種可變電荷土壤pH值在3 d培養(yǎng)時間內(nèi)迅速升高，隨后略有升高，恒電荷土壤pH值隨培養(yǎng)時間的延長呈下降趨勢。在酸性土壤中施用稻草、綠肥(0～23.2 t/hm2)后3個月測定，發(fā)現(xiàn)土壤pH值從6.04上升到6.12～6.91[29]。陜紅[30]向土壤中添加秸稈，45 d后石灰性潮土pH值開始顯著降低(p<0.05)，培養(yǎng)45 d時，添加2%和5%秸稈的石灰性潮土與對照相比，土壤pH值分別下降0.07和0.09個單位，秸稈用量較多的處理pH值降低更多。婁燕宏等[25]的研究表明，與對照相比，添加玉米秸稈會降低石灰性土壤(pH=8.17)的pH值，且用量增加pH值降幅增大。Rezig等[31]觀察到類似現(xiàn)象。

4.3 土壤有機(jī)質(zhì)性質(zhì)

土壤有機(jī)質(zhì)性質(zhì)是土壤的最重要的性質(zhì)之一，有機(jī)質(zhì)中含有多糖、蛋白質(zhì)、酯類、芳香族化合物等成分[32]，土壤有機(jī)質(zhì)性質(zhì)的變化會對土壤其它性質(zhì)產(chǎn)生重要影響[33]。植物殘體在土壤中的分解過程會導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)性質(zhì)發(fā)生變化，這些性質(zhì)包括總有機(jī)碳、有機(jī)碳儲量、水溶性有機(jī)碳、有機(jī)碳礦化速率、微生物生物量、活性有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳等[34]。土壤有機(jī)碳性質(zhì)的變化可能會影響土壤重金屬的形態(tài)和有效性。

秸稈還田有利于提高土壤總有機(jī)碳含量[34,35]。在遼寧省建平縣的研究表明，無秸稈還田、50%和100%秸稈還田10年后，土壤總有機(jī)碳含量分別為9.94 g/kg、13.96 g/kg和16.87 g/kg，土壤溶解性有機(jī)碳含量分別為462 mg/kg、620 mg/kg和788 mg/kg，但秸稈還田2年時，溶解性有機(jī)碳的變化較小，3個處理的數(shù)據(jù)分別是9.86 mg/kg、10.1 mg/kg和10.4 mg/kg[34]，Liang等[35]也觀察到秸稈還田對土壤溶解性有機(jī)碳的增加效果。

4.4 土壤重金屬

施用作物秸稈對土壤重金屬性質(zhì)的影響有兩個方面，一是如果秸稈重金屬含量較高，秸稈還田會增加土壤重金屬含量；二是秸稈對土壤性質(zhì)的影響會對土壤重金屬的形態(tài)、有效性和移動性產(chǎn)生影響。多個研究表明，秸稈還田對土壤重金屬有效性的影響受到秸稈用量、土壤pH值、重金屬含量及類型的影響[36,37]。一般地，土壤銅有效性易受到秸稈施用的抑制[36]；對于其它重金屬的有效性，不同研究中存在不同的結(jié)果。秸稈施入土壤后，隨著時間的延長，秸稈在土壤中發(fā)生變化，秸稈的作用也會隨之變化[31,37]。由于土壤有機(jī)質(zhì)對污染物的吸附性，多個研究表明秸稈還田或土壤中施用有機(jī)物料會增加土壤有機(jī)質(zhì)，從而可減少污染物被作物吸收或進(jìn)入地下水的數(shù)量[38,39]。在酸性土壤中施用秸稈，一般會導(dǎo)致土壤pH值明顯上升，這有利于土壤陽離子態(tài)重金屬有效性的降低。但總體來說，不同研究者對秸稈還田對土壤重金屬性質(zhì)影響的研究結(jié)果存在較大差異，秸稈還田影響土壤重金屬有效性的機(jī)理尚未完全弄清。

袁雪濤等[40]通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗施用玉米秸稈改良鉛鋅尾礦，鉛鋅尾鉛、鎘、銅和鋅含量分別為3566 mg/kg、40.42 mg/kg、162.5 mg/kg和7846 mg/kg，結(jié)果表明：施用秸稈顯著降低了尾礦重金屬有效性，5.0%秸稈添加量的處理第30 d和第60 d 時NH4NO3-Pb含量分別比對照降低59%和67%。Huang等[41]研究添加粉綠狐尾藻殘體(采自未污染土壤)對豆瓣菜生長和Cd積累的影響(土壤pH為7.02，總鎘為0.101 mg/kg)，結(jié)果表明，與對照相比，添加殘體使豆瓣菜根部和地上部Cd的含量分別降低了32.8%和30.0%，可能原因是添加殘體提高了土壤pH值，降低了土壤Cd的生物有效性。3個月的田間試驗表明，有機(jī)物料(稻草、綠肥、豬糞)施用量越大，土壤中水溶態(tài)/交換態(tài)鎘和銅的含量越小，而有機(jī)結(jié)合態(tài)鎘和銅的含量大幅度增加，當(dāng)?shù)静萦昧繛?3.2 t/hm2時，水溶態(tài)/交換態(tài)鎘含量從1.00 mg/kg降低到0.01 mg/kg[29]。Xu等[4]的研究也表明添加水稻和小麥秸稈可以增強(qiáng)土壤潛在有害元素的穩(wěn)定性。

Li等[42]將采集于未污染區(qū)的Cd富集植物紅果黃鵪菜、辣子草、豨薟和鬼針草的秸稈施用于未污染土壤(pH值為6.94，總鎘為0.103 mg/kg)后種植豆瓣菜，結(jié)果表明：與對照相比，施用作物秸稈使豆瓣菜根系Cd含量顯著升高，升高比例在12%～34%之間，除添加鬼針草的處理外，其他處理葉部Cd含量均顯著低于對照，植物產(chǎn)量也顯著增加，研究者認(rèn)為這是由于植物殘體釋放的養(yǎng)分促進(jìn)了豆瓣菜的生長和重金屬吸收。Rezig等[31]研究表明，向土壤中添加作物秸稈，發(fā)現(xiàn)秸稈對土壤鎂有一定的活化作用，且這種活化作用隨著時間的延長變得更加明顯(第五季作物時，對照和處理水溶性鎂含量分別為2.43 mg/kg和3.30 mg/kg)。曹陽等[37]采用大田試驗研究了添加秸稈對未污染土壤性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)隨著秸稈還田種植年限的增加，土壤中鉛和鎘含量呈現(xiàn)逐漸降低趨勢，2年秸稈還田處理后，土壤的重金屬含量有所下降，各處理土壤鉛、鎘和鉻含量平均分別下降了8.96%、11.08%和9.20%，這可能與秸稈導(dǎo)致重金屬移動性增加、淋出采樣層次有關(guān)。

5 結(jié)論與展望

植物殘體是一類重要的有機(jī)物料，重金屬是植物殘體中含量小、對環(huán)境影響大的污染物，作物殘體還田后的分解過程對于重金屬生物地球化學(xué)循環(huán)具有重要意義，同時，植物殘體還田對于土壤固碳、大氣質(zhì)量改善和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展均有重要意義。從目前的研究來看，植物殘體還田對土壤基本性質(zhì)(如pH值、Eh、有機(jī)質(zhì))的影響有較一致的結(jié)果，但對土壤重金屬有效性的影響在不同研究中的結(jié)論并不一致，這主要是對植物殘體施用影響重金屬有效性的機(jī)理尚不清楚所致。因而作者建議，在目前全球關(guān)注碳減排的大環(huán)境下，應(yīng)加強(qiáng)研究植物殘體還田對土壤性質(zhì)的影響、尤其是對土壤重金屬有效性影響的機(jī)理。