土壤重金属污染日趋严重，因其具有毒性大、易积累等的特点^[1]，有关重金属的环境化学行为备受关注。重金属的生物毒性除了与其总量有关外，更重要的是取决于重金属的形态分布。不同的形态产生不同的环境效应，直接影响到重金属的活性、迁移及在自然界的循环^{[2, 3]}。

施用有机物料是我国农业施肥中重要组成部分，在农业生产和农田土壤的改良上有着不可替代的作用^[4]。研究表明，施用有机物料会改变土壤的理化性质^[5]和重金属元素的形态^[6]，从而影响植物对重金属的吸收富集量^[7]，其主要原因是有机物料中的有机质成分与重金属元素形成络合物影响土壤重金属的迁移及其生物有效性^[8]。而不同有机物料所含有机质的数量、组分等自身的性质大不相同，因此其对土壤中重金属形态转化及生物有效性的影响也存在较大差异^[9]。有研究表明，有机物料降解转化成的化合物与土壤溶液中的金属离子形成络合物^[10]，增强重金属的移动性和有效性；但也可以和土壤粘土矿物一起吸附重金属，降低重金属的有效性^[11]。本试验通过研究施加不同有机物料和不同浓度外源锌对土壤中锌形态转化及生物有效性的影响，为重金属污染土壤上通过施用有机物料实现作物安全生产或增强重金属污染土壤植物修复效果提供理论和应用依据^[12]。

供试作物为小白菜（Brassica campestris L. ssp. Chinensis L.），品种为“四月蔓”，生育期40 d。供试土壤采自山西农业大学资源环境学院实验站大田耕层（0～20 cm）土壤，为石灰性褐土，其基本性质见表 1。

表 1 供试土壤和有机物料的基本性状 Table 1 Basic properties of experimental soil and organic materials

表选项

供试有机物料为草坪草、玉米秸、鸡粪、猪粪、牛粪、泥炭、风化煤。供试有机物料经过高温腐熟后备用，其基本性状见表 1。

本研究采用二因素完全组合设计盆栽试验，因素一为有机物料处理，分别为CK（不施有机物料）、草坪草（88 g·盆^-1）、玉米秸（169 g·盆^-1）、鸡粪（197 g·盆^-1）、猪粪（173 g·盆^-1）、牛粪（64 g·盆^-1）、泥炭（39 g·盆^-1）、风化煤（368 g·盆^-1）；有机物料按活性有机碳含量一致计算施入量。因素二为重金属锌处理，设0、50、150、450 mg·kg^-1 4个水平，完全组合共32个处理，4次重复。

试验在山西农业大学资源环境学院试验站内的日光温室大棚中进行。2010年秋季对供试有机物料进行粉碎和堆沤腐熟处理，2011年春季，进行小白菜育苗，同时称取过2 mm筛的风干土5 kg装入直径18 cm、内深22 cm的塑料盆中，按试验设计添加不同浓度的重金属锌和不同有机物料，混匀，浇水，放置稳定1周。2011年3月26日，选取长势大小一致的小白菜幼苗，每盆移栽10株，小白菜生长期间适时浇水并及时去除杂草和害虫。

2011年4月底试验结束时，植物样按地上部和地下部分别置于105 ℃烘箱中杀青30 min，降温至75 ℃继续烘干至恒重，粉碎后用于测定植物地上部和地下部锌含量。采集土样，风干后过0.149 mm尼龙筛，用于测定土壤重金属锌的含量和形态分布。

小白菜植株锌含量采用硝酸-高氯酸消解-原子吸收分光光度计法^[13]，土壤和有机物料全锌含量采用氢氟酸-高氯酸-硝酸消解-原子吸收分光光度法^[13]，有效锌含量采用DTPA浸提-原子吸收分光光度计法^[14]。有机质采用重铬酸钾容量法-外加热法^[14]；锌形态分级采用Tessier连续提取分离法^[15]。有机物料全氮、全磷、全钾采用H₂SO₄-H₂O₂消化，全氮含量采用AA3（AutoAnalyzer3）型流动分析仪测定，全磷含量采用钼锑抗比色法，全钾含量采用火焰光度计；速效磷含量采用柠檬酸浸提-钼锑抗比色法^[16]，速效钾含量采用稀硝酸浸提-火焰光度计法^[16]；有机物料活性有机碳含量采用高锰酸钾氧化法^[17]。

测定数据采用Microsoft Excel 2003和DPS 7.05版软件进行处理和分析，多重比较采用Duncan新复极差法。

不同有机物料处理与不同锌浓度处理对土壤全锌的影响均达到显著水平。由图 1可见，不同有机物料处理下土壤全锌含量随着施入外源锌浓度的增加而增加。当低浓度锌（0 mg·kg^-1和50 mg·kg^-1）时，不同有机物料处理下的土壤全锌含量与CK差异较小。而随着外源锌浓度的增加，不同有机物料处理下的土壤全锌含量与CK差异增加。草坪草和玉米秸处理下不同锌浓度平均土壤全锌含量低于CK，分别比CK减少了17.2%和11.0%，尤其在锌浓度为150 mg·kg^-1时均显著低于CK。鸡粪、猪粪和牛粪处理下不同锌浓度平均土壤全锌含量显著高于CK，分别比CK增加了13.2%、59.3%和14.8%，特别在高浓度外源锌处理下，且以猪粪处理差异最大。泥炭和风化煤处理下的不同锌浓度平均土壤全锌含量与CK相近。

图 1 不同有机物料和锌浓度对土壤全锌含量的影响 Figure 1 Effect of different organic materials and Zn concentrations on the total Zn contents of soil

图选项

不同有机物料处理与不同锌浓度处理对土壤有效锌的影响均达到显著水平。由图 2可见，不同有机物料处理下土壤有效锌含量随着施入外源锌浓度的增加而增加。猪粪处理的土壤有效锌含量最高，不同锌浓度处理平均比CK增加了53.4%，鸡粪处理的次之，平均比CK增加了31.8%，这与赵明等^[18]得出的禽畜粪便可降低土壤有效锌含量的试验结果不一致，原因可能与粪肥在分解过程中生成的腐殖质含有的活性基团与土壤锌产生复杂的螫溶作用有关，影响到土壤锌的有效性。草坪草、玉米秸和牛粪处理下的平均土壤有效锌含量与CK相比分别增加了19.9%、21.3%和24.1%，且高浓度锌处理下与CK的差异大于低浓度锌处理下与CK的差异。而泥炭和风化煤处理下的不同锌浓度平均土壤有效锌含量略低于CK，分别比CK降低了9.49%和15.0%。

图 2 不同有机物料和锌浓度对土壤有效锌含量的影响 Figure 2 Effect of different organic materials and Zn concentrations on the available Zn contents of soil

图选项

土壤中重金属的环境化学行为和生态效应主要取决于其化学形态，重金属进入土壤后与土壤组分发生复杂反应，包括吸附-解吸、沉淀-溶解、配合-解离等过程^[19]，并随着土壤理化性质的不同而发生形态的迁移和转化^[20]。根据Tessier等^[15]的分级方法对土壤锌进行形态分级分为5种形态，各形态活性大小顺序为可交换态＞碳酸盐结合态＞铁锰氧化态＞有机结合态＞残留态。虽然土壤中不同形态锌的活性顺序只能定性地说明其活性大小，但可以认为锌的非残留态比残留态的活性大，所以将除了残留态以外的所有形态锌统称为非残留态作为活性态，以评价土壤中锌的潜在活性。因此通过对土壤中锌的逐步提取来了解重金属锌在不同有机物料处理土壤中的形态分布。

不同有机物料处理与不同锌浓度处理对土壤各形态含量的影响均达到显著水平。由图 3可见，外源锌为0 mg·kg^-1时，草坪草和玉米秸处理下的土壤可交换态锌、碳酸盐结合态锌和铁锰氧化态锌的含量略高于CK，土壤有机结合态锌和残留态锌略低于CK；而鸡粪、猪粪和牛粪处理下的土壤可交换态锌、碳酸盐结合态锌和铁锰氧化态锌的含量显著高于CK，土壤有机结合态锌变化规律不明显，残留态锌显著低于CK；泥炭和风化煤处理的土壤可交换态锌和铁锰氧化态锌的含量高于CK，碳酸盐结合态锌低于CK，土壤有机结合态锌变化没有规律性，残留态锌高于CK。外源锌为50 mg·kg^-1时，泥炭和风化煤处理的土壤碳酸盐结合态锌含量低于CK，其他各种有机物料处理的土壤非残留态锌含量都高于CK。随着外源锌浓度的增加，草坪草和玉米秸处理的土壤非残留态锌含量高于CK，残留态锌含量略低于CK；鸡粪、猪粪和牛粪处理的土壤非残留态锌显著高于CK，残留态锌含量显著低于CK；泥炭和风化煤处理的可交换态锌含量低于CK，有机结合态略高于CK，残留态由低于CK转变为高于CK，而其他形态的锌含量由高于CK转变为略低于CK。总体来看，外源锌为0 mg·kg^-1时，土壤中残留态的比例最大，其次是铁锰氧化态锌＞有机结合态锌＞碳酸盐结合态锌＞可交换态锌，这与武文飞等^[21]研究的关于Cd、Pb、Zn、Ni复合污染中锌形态的含量及分布特征一致。随着外源锌的施入各种有机物料处理下的土壤可交换态锌、碳酸盐结合态锌和铁锰氧化态锌的含量在增加，比例也在增加，而土壤有机结合态锌和残留态锌含量在增加，但是其比例却在减小。尤其是锌浓度为450 mg·kg^-1时最为明显。

图 3 不同有机物料和锌浓度对土壤锌形态分布的影响 Figure 3 Effect of different organic materials and Zn concentrations on the Zn form of soil

图选项

植物在生长期间积累在组织中的锌的总量与土壤中锌的含量通常是成比例的，通常只分析植物地上部、地下部锌含量与土壤中锌含量关系，并不能体现锌在植株中的分布特征。植株锌含量/根部锌含量可以反映出锌在植物体内的运输和分配情况^[22]，以及植物受重金属污染的趋势和有机物料对重金属污染的修复效果。

由图 4可见，不同有机物料处理与不同锌浓度处理对小白菜植株锌和根部锌含量的影响均达到了显著水平。CK和有机物料处理下小白菜植株锌和根部锌含量均随着外源锌浓度的增加而增加，且植株锌含量高于根部锌含量。草坪草、玉米秸、鸡粪、猪粪、牛粪处理的小白菜植株锌和根部锌含量都显著高于CK，表明以上有机物料均促进了小白菜对锌的吸收。泥炭和风化煤处理的小白菜植株锌和根部锌含量略高于或等于CK，表明其未能促进小白菜对锌的吸收。

图 4 不同有机物料和锌浓度对小白菜锌含量及分布影响 Figure 4 Effect of different organic materials and Zn concentrations on the zinc content distribution of pak-choi

图选项

锌浓度为450 mg·kg^-1时，CK的植株锌比根部锌含量小于1，其他各浓度处理及其余有机物料处理的比均大于1。草坪草、玉米秸、鸡粪、猪粪、牛粪和风化煤处理下不同浓度锌处理的小白菜植株锌含量与根部锌含量的比值均明显大于CK相同浓度锌处理的小白菜植株锌含量与根部锌含量的比值，表明以上有机物料增强了锌在小白菜植株的积累。同时，除猪粪处理外，其余供试有机物处理以及CK，随着锌浓度增加，小白菜植株锌与根部锌的比值均呈下降趋势，表明随着锌浓度增加，小白菜根部锌累积量逐渐增加，而植株锌累积量逐渐下降。

土壤全锌、有效锌和锌各形态含量都是随着外源锌浓度的增加而增加。草坪草和玉米秸秆可以有效降低土壤全锌含量，且有效提高土壤中有效锌和非残留态锌的含量，促进植物对锌的吸收；鸡粪、猪粪和牛粪显著提高土壤全锌、有效锌和非残留态锌的含量，说明粪肥中本身含锌量高，除增加土壤全锌含量外，对土壤原有锌具有一定的活化作用，使重金属锌的活性增强，促进了小白菜对锌的吸收。而泥炭和风化煤能有效提高土壤有机结合态锌和残留态锌的含量，降低全锌和有效锌含量，对土壤锌起到钝化作用。

小白菜体内锌的积累量随外源锌浓度的增加而增加，植株锌与根部锌的比值随锌浓度的增加而降低。随着外源锌浓度增加，小白菜根部锌累积量逐渐增加，而植株锌累积量逐渐下降。