施肥是提高作物产量和质量的必要措施，随着社会和经济的发展、生活水平的提高，人们对农产品产量和质量要求越来越高的同时，对农产品产地环境质量的关注度也日益提高，而且，农业投入品对农田生态环境的负面影响也引起了学者及政府部门的高度关注。例如化肥的过量、不合理的投入导致了农田土壤板结、酸化、次生盐渍化、以及重金属污染等土壤环境问题^[1]。近几年，有机肥因其可改良土壤、提高农产品品质而得到了广泛应用、推广^{[2, 3, 4]}，而有机肥的主要原材料之一是畜禽粪便，因饲料中各种添加剂的使用，造成畜禽粪便中部分重金属含量超标，同时，畜禽粪便在腐熟过程中，因有机物的分解，还会导致某些重金属含量进一步的增加。丛源等^[5]、王改玲等^[6]的研究都表明，长期施用化肥造成土壤中砷、铅、镉、汞等元素含量不同程度的增加。任顺荣等^[7]的研究表明，施入化肥、有机肥、化肥+有机肥，均使土壤中铬含量增加，施用以垃圾或畜禽养殖废弃物为原料的有机肥会使土壤中汞含量较大幅度增加。梁金凤等^[8]的调查结果表明，北京郊区传统有机肥中铬、镉、砷、汞等重金属含量较20世纪90年代有所增加。对畜禽粪便、商品有机肥的检测分析结果也表明，铜、锌、砷等重金属元素呈现超量累积，可以看出，施肥是土壤重金属污染的主要来源之一，不同肥源、不同施肥措施都会显著影响土壤重金属含量^{[9, 10, 11, 12, 13]}，当土壤中重金属富集到一定程度时，会阻碍作物生长，影响作物品质，并通过土壤-作物-食物系统威胁人体健康^{[7, 14]}。

因此，本文重点研究不同肥源、不同施肥措施条件下，露地菜田土壤中重金属镉、铬含量变化及蔬菜对镉、铬的吸收特征，研究结果为农业生产合理施肥、控制土壤重金属污染、提高蔬菜品质提供技术支持和科学依据。 1 材料与方法 1.1 试验地点与材料

试验在北京密云县太师屯镇露地菜田进行，2009—2010年连续进行2年试验，试验方案相同，样品采集及数据分析为2010年试验结果。供试土壤类型为褐土，质地为砂壤，供试土壤基本理化性质如下：全氮含量 0.98 g·kg^-1，有机质15.25 g·kg^-1，碱解氮133.83 g·kg^-1，速效磷17.08 mg·kg^-1，速效钾 67.73 mg·kg^-1，pH值 7.6（水土比=2.5∶1），供试作物为大白菜（品种是北京四号）。表 1是供试大田基础土样及供试有机肥中重金属全量分析。

表 1 基础土样和有机肥中重金属全量分析 Table 1 Analysis of total heavy metal contents in basic soil and organic fertilizer samples

表选项

试验采用随机区组设计，大田小区栽培方式，共设置7个施肥处理：对照，不施肥（N0）；过量施肥，纯化肥处理，施肥量是常规施肥量的2倍（按氮折纯量计）（N1）；常规施肥，纯化肥处理，按试验区当地农民的常用施肥量施肥（N2）；减量施肥，纯化肥处理，施肥量是常规施肥量的1/2（N3）；有机肥配施磷钾肥，有机肥施用量按氮折纯量算与常规施肥相同，再配施磷钾肥（N4）；有机肥配施氮、磷、钾肥，有机-无机配施处理，总氮量与常规施肥相同，有机肥、无机肥各施1/2（N5）；单施有机肥，纯有机肥处理，施氮量与常规施肥相同（N6）。试验共设置4次重复，小区面积为5 m×6 m。氮肥为尿素，磷肥为磷酸氢二铵，钾肥为硫酸钾，有机肥为当地产商品有机肥，磷钾肥均为底肥。其中，氮肥施用量以化肥和有机肥中的氮折纯量计算，过量施肥处理（N1）施氮量为常规施肥处理的2倍，减量施肥处理（N3）施氮量是常规施肥处理的1/2，其他施肥处理氮折纯量与常规施肥处理相同，各处理的具体施肥量见表 2。灌溉、病虫害防治等田间试验管理方法相同。

表 2 试验设置 Table 2 Experiment treatments

表选项

2010年11月完成最后1次试验，并采集当年的土壤样品和白菜样品进行分析。土壤样品分0~20 cm，20~40 cm 2层采集，每个试验小区采用“S”型7点混合法采样。土样风干后，研磨、制样备用。白菜样品在收获时，随机采集2~3颗白菜（地上部分），粉碎后用四分法取出部分样品烘干、研磨后备用。检测样品中重金属镉、铬的含量。土壤中全量重金属采用HNO3-HClO3-HF 消解（GB/T 1741—1997）、植株中全量重金属采用HNO3-HClO3消解（GB/T 5009.12—2003），采用原子吸收法测定。

试验数据用SAS统计软件分析，采用Office软件进行图表处理。 2 结果与分析 2.1 不同施肥处理下土壤重金属铬、镉的全量变化分析

图 1是不同处理下，表层（0~20 cm）和亚表层（20~40 cm）土壤中重金属全铬含量状况。从图 1中可以看出，不同施肥处理间土壤中全铬含量呈现不同幅度的变化，表层土（0~20 cm）全铬平均含量高于亚表层土（20~40 cm）。不同处理间分析可见，化肥不同施用量的3个处理间（N1、N2和N3）表层土和亚表层图全铬含量无显著差异，但与对照相比有升高的趋势；有机肥3个处理间（N4、N5和N6）两层土壤中全铬含量都无显著性差异，同样与对照相比有升高趋势。纯施有机肥处理（N6）下，表层、亚表层土壤全铬含量偏高于对照及其他处理，其中，N6处理比N0处理的亚表层土壤全铬含量升高7.86%，表层土全铬含量比对照的也升高8.51%（P＜0.05）。通过以上分析可见，土壤中重金属铬主要富集于表层土壤，施肥导致了土壤中全铬含量呈上升趋势，纯施有机肥处理下上升趋势更为明显。

图 1 不同处理下土壤中全铬含量变化 Figure 1 The concentraion of total chromium in soil with different treatments

图选项

图 2是不同施肥处理下表层和亚表层土壤中全镉含量变化状况。从图 2可以看出，土壤全镉平均含量变化趋势总体上与全铬相似，表层土高于亚表层土。不同处理间对比可以看出，与对照相比，3个化肥处理（N1、N2和N3）下土壤中全隔含量无显著差异，不同化肥施用量间也无显著差异。有机肥处理下，N4和N5处理下土壤中全隔含量与对照相比无显著差异，但N6处理下土壤中全镉含量显著高于对照及其他施肥处理（P＜0.05），比对照（N0）处理下表层土与亚表层土全镉含量分别增加了27.5%和35.4%（P＜0.05），其中，表层土全镉含量超出国家土壤环境质量标准（GB 15618—1995）一级标准10%。通过以上分析可见，土壤中重金属镉主要富集于表层。化学氮肥不同施肥量（N1、N2和N3）以及有机肥-化肥混施（N4和N5）的处理下，土壤中全镉含量与对照相比无显著变化，而单施有机肥处理（N6）下，土壤中全镉含量显著升高，高于对照及其他处理。

图 2 不同处理下土壤中全镉含量变化 Figure 2 The content of total cadmium in soil with different treatments

图选项

图 3是不同施肥处理下表层土壤pH值平均值。从图 3可以看出，施用化肥处理下（N1、N2和N3），表层土壤pH值要低于对照，并且随着化肥用量的降低，土壤pH值也呈增加趋势。而有机肥处理下（N4、N5和N6）表层土壤pH值明显高于对照，并且随着有机肥施用比例的增加，土壤pH值呈升高趋势。总的看来，有机肥处理下土壤pH值平均要高于化肥处理的。

图 3 不同施肥处理下表层土壤pH平均值分析 Figure 3The pH value in top-soil with different fertilization treatments

图选项

图 4是不同施肥处理下白菜中重金属铬含量状况分析。从图 4可以看出，不同处理下白菜中铬含量差异较大，其中N1处理下白菜中铬含量最高，达0.45 mg·kg^-1，参考食品安全国家标准（GB 2762—2012）中污染物限量规定，该含量已接近标准的限量值（0.50 mg·kg^-1）。并且随着化肥施用量的降低，白菜中全铬含量也呈降低趋势，这可能与过量施用化肥，导致土壤pH值降低（图 3），活化重金属，促进了白菜对铬的吸收富集。施用有机肥的3个处理下，随着有机肥施用比例的增加，白菜中重金属铬的含量也呈增加趋势，这可能与有机肥中携带重金属铬有关，随着有机肥施用量的增加，带入土壤的重金属铬也增加，从而增加了白菜对铬的吸收富集的可能性。

图 4 不同施肥处理下白菜中铬含量变化 Figure 4 The content of chromium in Chinese cabbage with different treatments

图选项

图 5是不同施肥处理下白菜中镉含量分析。由图 5可以看出，施肥类型的差异对白菜中镉含量影响显著。化肥处理下（N1、N2、N3）白菜中镉含量显著高于对照（N0），3个化肥处理下白菜镉含量分别比对照（N0）高出59.7%、41.1%和40.3%（P＜0.05）。有机肥处理下白菜中镉含量显著偏低于化肥处理（P＜0.05），其中，单施有机肥处理（N6）下白菜中镉含量显著低于对照和其他施肥处理，比对照降低了36.3%（P＜0.05）。同时，3个有机肥处理下的对比分析表明，N6处理下白菜中镉含量比N4和N5处理下降低了41.9%和38.8%（P＜0.05）。通过以上分析可见，化肥的使用导致pH值降低，这可能导致土壤重金属镉有效性增加，从而促进了白菜对镉的吸收富集，过量施肥（N1）处理下，白菜中镉含量最高，已经非常接近食品安全国家标准食品中污染物限量的标准（0.2 mg·kg-1）。有机肥的投入更好地抑制了白菜对镉吸收富集，并且随着有机肥施用比例的增加，白菜中镉含量显著降低。

图 5 不同施肥处理下白菜中镉含量变化 Figure 5 The content of cadmium in Chinese cabbage with different treatments

图选项

对比分析图 4和图 5中有机肥处理可以看出，随着有机肥施用量的增加，白菜中铬含量呈上升趋势，而镉含量则呈现下降趋势，这可能与有机肥本身携带重金属铬、镉有关，从而影响到白菜对铬、镉的吸收。然而，有机肥的投入，一定程度上升高了土壤的pH值，间接导致重金属镉的有效性下降，更好地抑制了白菜对镉的吸收富集。而重金属铬离子，因其在土壤中存在有二价、三价、六价等多个价态，不同的价态理化特性不同，土壤中有效态分布特征也不同，而土壤pH值的变化可能对多价态存在的铬的有效性影响不如重金属镉显著，可见，土壤中铬的生物有效性、有效态分布特征需要做进一步的探讨和分析，这可能是导致白菜中铬含量随着有机肥施用比例增加而升高的重要原因之一。 3 讨论

综合以上分析可见，不同的施肥类型和施肥措施对土壤和白菜中重金属镉、铬的含量造成了显著影响。施肥造成了表层土壤重金属铬和镉的不同程度的累积，也影响了作物对重金属镉、铬的吸收和富集。

对土壤中重金属铬、镉含量的分析结果表明，不同施肥措施条件下，都导致表层土壤中重金属铬、镉富集，且施用有机肥条件下富集趋势更为明显。随着有机肥施用比例的升高，表层土中重金属铬、镉的富集现象越显著。这种现象与有机肥肥源多为全国各大规模化养殖场的畜禽粪便关系密切，尤其是猪粪肥中重金属镉含量过高、甚至严重超标^{[15, 16, 17, 18]}，目前的有机肥制造工艺还不能有效去除原材料中的重金属，因此，如何安全、高效的施用有机肥，是亟需关注和解决的问题。对比N4和N5处理可见，磷、钾肥的施用并未显著影响土壤中重金属铬、镉的含量变化，这可能与磷肥品质的提高有关^{[19, 20, 21]}。

不同施肥处理下白菜对重金属铬的吸收、富集量变化差异较大。随着化肥施用量的降低，白菜对重金属铬的吸收也呈降低趋势，并且N3处理下白菜全铬含量显著低于N1处理下（图 4）。结合图 3分析可见，由于化肥过量投入，降低了土壤的pH值，影响到土壤中重金属铬有效态含量，增加了其向地上部的迁移、转化^{[22, 23, 24]}。有机肥处理下白菜中铬含量总体低于化肥处理的，由于有机肥本身携带重金属铬（表 1），施用比例越高，同样也造成白菜中铬含量升高。但有机-无机配施（N5）处理下白菜中铬含量显著低于对照（N0）和N1，可见，有机肥、无机肥的合理配施是阻止白菜吸收富集铬的有效途径之一（图 4）。

化肥、有机肥的施用，对白菜吸收富集重金属镉的影响更为显著。施用化肥可以显著增加白菜对重金属镉的吸收富集，有机肥的使用能有效控制重金属镉向地上部的转移。化肥的投入，降低了土壤pH值，增加了土壤中重金属镉的有效态含量，加大了其向作物体内转移的可能。施用有机肥，虽然也携带进入土壤部分重金属镉（表 1），但因土壤中有机物质的增加，土壤pH值的升高，都可导致土壤中有效态镉含量的降低，从而减少了土壤中镉向白菜中的迁移^{[25, 26, 27, 28]}。

综合分析可以看出，化肥的施用，活化了土壤中重金属铬、镉的有效性，促进了白菜对重金属的吸收富集，过量施用化肥的处理下白菜中铬、镉含量均非常接近食品安全国家标准的限量值。有机肥的投入施用，一定程度上提高了土壤pH值，抑制了白菜地镉的吸收，而对铬的抑制作用不明显，我国有机肥的原材料就决定了其本身含有一定量的重金属等污染物质，因此，有机肥的投入需要根据其品质控制施用。 4 结论

（1）化肥、有机肥的投入都可能造成菜地表层土壤重金属铬、镉的富集，其中有机肥的投入富集现象更为显著。

（2）化肥的施用，可降低土壤pH值，随着施用量的增加，这种效果显著，碱性土壤pH值的降低增加了重金属活性，从而促进了白菜对重金属铬、镉的吸收富集。

（3）有机肥的施用，增加了土壤中全铬、全镉含量，这种增加与有机肥的原料来源关系密切，在等氮量的施肥条件下，与施用化肥相比，有机肥的施用可提高土壤pH值，降低白菜对重金属铬、镉的吸收富集。

综上可得，施用化肥可活化土壤中重金属元素，增加其向地上部转移的风险，但化肥肥效快、供肥充足，是有机肥所不能达到的。施用有机肥，造成表层土壤重金属的富集，但同时也降低了土壤中重金属的生物有效性，抑制了作物对重金属的吸收，并且有提高作物的品质（比如可溶性糖、维生素C等）的效果，可见，有机肥、化肥的合理配施方可有效控制土壤中重金属元素向作物中的迁移、富集。