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有机培肥在中国历史悠久,是中国最普遍的保持土壤良好结构和肥力的施肥方式,是维持几千年中国农业可持续发展最有效的农业措施之一。然而近年来,随着饲养业添加剂和兽药的广泛应用,动物畜禽粪便中重金属积累增加,使我国畜禽粪便用作农肥的风险逐渐加大。因此需对有机肥中重金属以及施肥土壤和作物中的重金属行为和转化进行监测和研究。 通过调查猪饲料和猪粪中重金属含量,明确其超标情况及猪粪对饲料重金属的富集规律。以两组长期定位试验:不同有机肥用量试验(CK,M1,M2和M3)和不同有机肥施用制度试验(CK,M和NPKM)为平台研究不同有机肥施用量对土壤重金属的积累及其淋溶特征,比较不同来源有机肥中重金属含量及其对土壤和作物重金属积累影响的差异。 调查农户家猪饲料和猪粪样品数据显示饲料中Cu和Zn含量的超标率分别为90%和40%(GB13078-2001; NY/T65-2004),猪粪中超标率分别为67.5%和40%(德国未腐熟堆肥中重金属的限制标准)。Cr和Cd均在标准范围之内。小猪猪粪中Cu、Zn和Cd的含量较高,种猪猪粪中Cr的含量最高。猪粪对饲料中Cu、Zn、Cr和Cd的富集作用明显,Cu、Zn和Cd的富集倍数分别为1~29、1~23和1~10倍(饲料中Cr未检出)。 不同有机肥施用量试验处理分别为CK(不施有机肥),M1(施10 t·ha-1有机肥),M2(施用量25 t·ha-1)和M3(施用量50 t·ha-1),所施用的有机肥中Cu和Zn的含量逐年增加,从2004年开始,已经超过德国未腐熟堆肥中重金属的限制标准。Cd在有机肥中的含量先升后降,2004年达到最高值且超标,其余年份均在标准之内,有机肥中Cr含量均在标准范围之内。对于M1,M2和M3处理土壤而言,Cu、Zn和Cd的年平均残留量2283、5763、11585;2483、6771、13848;328.6、829.3、1668和4.831、13.91、29.45 g·ha-1·a-1,年平均增长率分别为6.56%、7.54%、8.96%;3.44%、4.53%、6.64%和8.01%、10.27%、16.08%,耕层土壤Cr未见明显积累。对照国家土壤质量标准(GB15618-1995)可知,Zn和Cr未达污染标准,Cu和Cd积累较快,到2013年已经降为符合国家三级土壤质量标准。对Cu而言,由于有机肥中Cu的含量还在继续增高,很快就会达到或超过国家三级土壤质量标准的限制阈值;对于Cd而言,尽管有机肥中Cd的含量呈下降趋势,但高量有机肥处理土壤Cd含量已非常接近国家三级土壤质量标准的限制阈值,应引起足够的重视。 有机肥中重金属含量变化会引起土壤中有效态重金属含量的相应变化,本研究体现在有机肥中重金属含量和施用量的增高会使土壤中有效态重金属含量相应增高,反之下降。 不同有机肥用量试验Cu、Zn、Cr和Cd在植物秸秆中的含量远大于籽实中的含量,籽实中的含量均远小于国家食品污染标准。表明虽然土壤中重金属逐年积累,有效态重金属含量也逐年升高,但籽实中Cu、Zn、Cd和Cr含量均远低于国家食品污染标准,生产的食品还是安全的。 土柱淋溶试验淋溶液样品只有个别Cu和Cd的浓度属于国家Ⅲ类水质标准,其余均达到国家Ⅱ类及以上水质标准,尤其是Cr的含量都符合国家Ⅰ类水质标准,不会对地下水造成污染风险。淋溶液中Cu、Zn和Cd含量均随土层深度增加而呈现下降趋势,表现出重金属表聚的特点。相对来说,Cu和Cd较Zn和Cr更容易在土壤表层积累。 NPKM(NPK+循环有机肥),M(循环有机肥)两种施肥制度对土壤中Cu、Zn、Cr和Cd含量的影响差异不显著,其中Cr的含量减少,Cu、Zn和Cd的含量随着年份的增加略有升高,其原因可能是降尘造成。根据国家土壤环境质量标准(GB15618-1995)规定来看,两种施肥制度处理的土壤质量较好,均达到国家二级土壤质量标准,大多数达到国际一级土壤质量标准。 不同有机肥用量试验施用的有机肥由于饲料添加剂和兽药的使用,导致Cu、Zn、Cr和Cd的平均含量大于NPKM和M处理有机肥中重金属含量,为其几倍或十几倍,导致土壤重金属积累速度加快。但是对于作物中重金属含量影响不大,除了NPKM和M处理减少了籽实中Cu的含量外,对其它重金属影响差异均不显著。