有机肥和农作物秸秆是重要的土壤改良剂^[1-2]，它们对土壤质量有重要的影响。在过去的60多年中，我国就有机肥施用和秸秆还田对农田土壤的培肥作用进行过大量而广泛的研究^[3-5]，众多的研究表明，长期施用有机肥或秸秆还田可降低化肥使用量，增加土壤中有机质、钾素、磷素的积累^[6-8]，改善土壤物理性状^[9-10]。然而，由于近年来农田土壤污染问题的日益突出及因有机肥料来源复杂而常常含有一定数量的污染物^[11-13]，施用有机肥或秸秆还田在把营养物质带入土壤的同时也可能把有机物料中的有害物质带入土壤^[14-15]，因此，近年来有关施用有机肥对农田系统重金属污染的影响已引起了人们的关注。一些研究表明，长期施用规模化养殖场畜禽粪、城市垃圾源的有机肥可促进土壤中重金属的累积，增加农产品中重金属含量^[16-17]。但对有机物料施用是否会活化土壤中重金属尚有不同的看法。Alvarenga等^[18]和Susan等^[19]认为，在重金属污染土壤中秸秆还田或施用有机肥可降低可提取态重金属含量；但贾乐等^[20]和陈国华^[21]的研究则认为有机物料可活化土壤中的重金属，显著增加土壤中有效态铅和镉的水平，增加水稻对镉的吸收。以上研究结论的不同除与试验土壤差异有关外，可能还与有机肥的组成及有机肥与土壤作用时间上的差异有关。为此，本文通过田间小区试验，研究了6种类型有机肥施用对土壤水溶性重金属的水平、田面水中重金属含量及水稻对重金属吸收等的影响，目的是为在重金属污染农田中科学施用有机肥提供依据。

田间试验在浙江省西部某一中度污染农田土壤上进行（其含镉约为土壤环境质量二级标准的2倍以上），土壤类型为水稻土。试验地表层（0~15 cm）土壤的性状见表 1。

表 1　试验前土壤基本性质 Table 1　Properties of the tested soils

表选项

供试有机物料共6种，分别为新鲜水稻秸秆、新鲜鸡粪、鸡粪堆肥、新鲜猪粪、猪粪堆肥和商品有机肥。其中，新鲜鸡粪和新鲜猪粪直接采自某规模化畜禽养殖场，施用前在室温下放置3 d。鸡粪堆肥和猪粪堆肥由新鲜鸡粪和新鲜猪粪经过35 d堆制而成。供试6种有机物料性状见表 2。供试水稻品种为甬籼15。

表 2　试验的有机物性状 Table 2　Characteristics of the tested organic wastes

表选项

田间小区试验设对照（不施有机肥）、施水稻秸秆、新鲜鸡粪、鸡粪堆肥、新鲜猪粪、猪粪堆肥和商品有机肥等7个处理。小区面积为30 m²，（3 m×10 m），每一处理重复3次。小区间用高60 cm的塑料档板隔离（其中30 cm插入地下），每一小区灌溉与排水自成一体，相互不连通。有机肥料用量（干重）相当于750 kg·667 m^-2，秸秆施用前切割至2~5 cm。每一小区施用NH4NO3、KH2PO4、KCl各450 g作底肥，与有机肥一起在耕翻前均匀混入土壤中。灌水至土表保持10 cm左右，选择大小、长势基本一致的3~4叶水稻秧苗进行移栽，密度15 cm×15 cm，每穴栽3~5株。1个月后加施追肥1次，施用量同底肥。用常规方法进行田间管理，分别于施肥后第5、10、20、40、60 d和90 d采集土样和田面水样（因试验第87 d降雨，第90 d田面仍有少量积水），用于分析土壤中水溶性重金属和水样中重金属含量，同时分析水溶性碳（DOC）。采集的土壤样品和水样为混合样，其中土样由一竹制的柱状（内径5 cm）采样器从每小区中采集7个柱状土样混合而成。采样深度0~15 cm。水稻成熟时（第90 d）收获稻谷，测定产量；同时采集谷物样品用于分析谷物中重金属含量。试验区年降水量约1 600 mm，年均温16.8 ℃。

土壤pH值采用常规方法测定^[22]。土壤有机质含量采用Vario.EL元素分析仪测定。水溶性有机碳（DOC）用0.5 mol·L^-1K₂SO₄溶液浸提，用Shimadzu TOC自动分析仪测定。土壤腐殖质含量用常规方法测定^[22]。稻米和有机物样品重金属测定用高氯酸消化法消化，用石墨炉-原子吸收光谱法测定Cu、Zn、Cd、Pb，冷原子吸收光谱法测定Hg，硼氢化钾－硝酸银分光光度法测定As。测定时，每测定10个样品用标准溶液验证结果，各重金属元素测试误差控制在5%以内；重复样间相对误差控制在10%以下。土壤中重金属含量采用标准方法测定^[23]，其中，Cd、Cu、Zn用盐酸－硝酸－高氯酸消解，用石墨炉原子吸收分光光度法测定Cd，用原子光谱吸收法测定Cu、Zn；Pb用盐酸－硝酸－氢氟酸－高氯酸消解，石墨炉原子吸收分光光度法测定。Hg用硝酸－高锰酸钾消解，冷原子吸收光谱法测定；As用盐酸－硝酸－高氯酸消解，硼氢化钾－硝酸银分光光度法测定。土壤中水溶性重金属含量用去离子水提取，方法如下^[24]：称取相当于烘干土10 g的潮湿土样，加入10 mL去离子水湿润土样，在室温下培养24 h让土壤与水作用平衡后，再加适量去离子水使土水比1:10，振荡2 h后用定量滤纸过滤。田面水样取回后立即过0.45 μm滤膜，并加1滴浓硝酸进行酸化处理。浸提液、田面水样中Cu、Zn、Cd和Pb用石墨炉-原子吸收光谱法测定，冷原子吸收光谱法测定Hg，硼氢化钾－硝酸银分光光度法测定As。

分析数据采用Microsoft Excel 2003处理，差异显著性统计分析在DPS 3.0软件实现。

田间试验结果表明（表 3），在试验的前40 d，有机肥施用对土壤中水溶性重金属含量产生了较大的影响，影响程度因有机肥种类和重金属不同有所差异。在试验的第5、10、20 d，除施用商品有机肥处理（COF）外，施用其他有机肥处理的土壤水溶性Pb均显著高于对照，其中，试验的第5 d施用有机肥处理的土壤水溶性Pb平均含量高出对照处理6.97%~24.74%，试验的第10 d和第20 d，施用其他有机肥的土壤水溶性Pb平均含量分别高出对照15.50%~29.46%和7.63%~25.00%；在试验的第40 d，只有施用新鲜水稻秸秆和新鲜鸡粪的土壤水溶性Pb显著高于对照（分别高出6.42%和7.34%）；而在试验第60 d和第90 d，施各类有机肥与对照之间土壤水溶性Pb均无显著的差异。不同处理之间土壤水溶性Cd含量的变化与水溶性Pb变化较为相似，在试验初期（第5 d），除施用商品有机肥处理外，施用其他有机肥处理的土壤水溶性Cd均显著高于对照，施用新鲜水稻秸秆、新鲜鸡粪、鸡粪堆肥、新鲜猪粪和猪粪堆肥等5个处理的土壤水溶性Cd高出对照21.92%~32.88%；在试验的第10 d，只有施用新鲜鸡粪和新鲜猪粪的土壤水溶Cd显著高于对照，分别高出对照14.86%和17.57%；在试验的第20 d，只有施用新鲜鸡粪的土壤水溶Cd显著高于对照，高出对照22.39%；40 d后，各处理之间土壤水溶性Cd含量无显著差异。

不同处理之间土壤水溶性Zn和Cu含量在试验的前10 d的变化与水溶性Pb、水溶性Cd的变化也较为相似，除试验第5 d的施商品有机肥和新鲜水稻秸秆处理的水溶性Zn、试验第10 d施新鲜水稻秸秆处理的水溶性Cu与对照无显著差异之外，其他有机肥处理土壤的水溶性Zn和Cu含量均显著高于对照，水溶性Zn和Cu分别高出对照10.10%~23.18%和19.39%~52.58%。第20 d后施用水稻秸秆和商品有机肥处理的土壤水溶性Zn和Cu及第40 d后施用新鲜鸡粪处理土壤的水溶性Zn和Cu与对照之间差异逐渐变得不明显，但施用鸡粪堆肥、新鲜猪粪及猪粪堆肥处理的土壤水溶性Zn和Cu至试验结束前始终高于对照，即施用鸡粪堆肥、新鲜猪粪及猪粪堆肥对土壤水溶性Zn和Cu的影响可至试验结束。施用有机肥对土壤水溶性Hg和As的含量影响不明显，它们与对照之间的差异没有达到显著水平（表 3）。

6次采样分析测得的土壤水溶性重金属平均含量均以对照为最低，其水溶性Pb、Zn、Cu、Cd、Hg、As平均含量分别为240 μg·kg^-1、2.84 mg·kg^-1、0.90 mg·kg^-1、66 μg·kg^-1、26 μg·kg^-1和95 μg·kg^-1。施有机物料处理的土壤水溶性Pb、Zn、Cu、Cd、Hg、As的含量分别在258~275 μg·kg^-1、3.01~3.38 mg·kg^-1、1.00~1.27 mg·kg^-1、68~76 μg·kg^-1、24~28 μg·kg^-1和91~97 μg·kg^-1之间，多数情况下以鸡粪或猪粪为最高，以商品有机肥、猪粪堆肥或新鲜水稻秸秆为最低。

表 3　施用不同有机肥土壤中水溶性重金属含量的动态变化 Table 3　Dynamic changes of water-soluble heavy metals in soils amended with different organic fertilizers

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施用有机肥对田面水中重金属含量也产生了一定的影响（表 4），其影响也与有机肥种类和重金属元素不同而异。从表 4可知，有机肥对田面水中Hg和As含量的影响较小，整个试验期间不同处理间田面水中Hg含量均无显著差异；除试验第5 d施用鸡粪堆肥处理田面水中As含量明显高于对照外（高出对照52.53%），其他采样时间及施用其他有机肥处理与对照之间的田面水中As浓度均无明显差异。有机肥对田面水中Cd浓度的影响也较小，整个试验期间只有在第5 d施新鲜鸡粪和新鲜猪粪处理、第20 d施水稻秸秆、新鲜鸡粪和猪粪难肥处理的田面水中Cd浓度显著高于相应的对照，分别比对照高25.83%、16.55%、20.80%、30.92%、32.73%。

表 4　施用不同有机肥农田田面水中重金属浓度的动态变化（μg·L^-1） Table 4　Dynamic changes of dissolved heavy metals in floodwater from fields amended with different organic fertilizers(μg·L^-1)

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有机肥对田面水中Pb浓度的影响主要出现在试验的前10 d。其中，在试验第5 d时，所有施有机肥处理田面水中Pb浓度均高于对照，高出对照15.91%~37.88%；在试验第10 d时，除施用商品有机肥处理外，其他施有机肥处理的田面水中Pb浓度均高于对照，高出对照28.07%~37.72%；在试验第20 d时，只有施用新鲜鸡粪处理的田面水中Pb浓度高于对照（高出对照22.22%）；40 d后，所有施有机肥处理的田面水中Pb浓度与对照之间均无显著的差异。

施用有机肥对田面水中Zn和Cu浓度的影响比Pb、Cd等的明显（表 4），且与有机肥种类关系更为密切，其中对Cu浓度的影响大于对Zn浓度的影响。施用水稻秸秆只对试验第5 d的田面水中Zn和Cu浓度产生显著影响，分别比对照增加19.57%和30.36%，10 d后与对照无显著的差异。施用商品有机肥只对试验第5 d的田面水中Zn浓度有显著的影响，对Cu无明显的影响。施用新鲜鸡粪和鸡粪堆肥，除个别情况外，对整个试验期间田面水Zn、Cu浓度均有显著的影响，但影响程度随试验时间增加有所减弱。其中，施用新鲜鸡粪处理田面水中Zn和Cu浓度分别高出对照13.60%~31.88%和30.77%~67.86%；施用鸡粪堆肥处理田面水中Zn和Cu浓度分别高出对照10.40%~25.62%和29.41%~55.36%。施用新鲜猪粪处理的试验前60 d田面水中Zn浓度和试验前20 d田面水中Cu浓度均显著高于对照，但影响也随试验时间的增长有所减弱。其中施用新鲜猪粪处理前60 d田面水中Zn和Cu浓度分别高出对照21.60%~28.99%和11.48%~46.43%；施用猪粪堆肥的处理在试验前20 d田面水中Zn和Cu浓度分别高出对照8.82%~19.53%和11.48%~46.43%。总体上，施用有机肥对田面水中重金属浓度的影响持续时间要小于对土壤水溶性重金属含量的影响。

小区试验表明，7个处理中水稻产量以对照为最低（358.34 kg·667 m^-2），施用商品有机肥、鸡粪堆肥、新鲜鸡粪和猪粪堆肥的产量显著高于对照，分别为397.34、392.33、388.67、381.43 kg·667 m^-2，分别比对照增加10.88%、9.48%、8.46%、6.44%。施用新鲜猪粪和水稻秸秆的产量分别比对照增加4.87%和2.69%，但它们与对照之间的产量差异在统计上无显著差异。

表 5结果表明，除施用鸡粪堆肥和猪粪堆肥处理的稻米中Zn和Cu含量高于对照处理外，其他施有机肥处理的稻米Zn和Cu含量与对照之间无明显差异。施用有机肥对稻米中Pb、Cd、Hg和As含量均无显著的差异。

表 5　有机肥对稻米中重金属积累的影响（mg·kg^-1） Table 5　Effects of organic fertilizer application on concentrations of heavy metals in rice grain(mg·kg^-1)

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影响土壤中重金属的活性的因素大致包括2个方面，一是重金属全量水平，二是土壤环境因素，后者包括土壤pH值、Eh、质地、有机物种类和数量、氧化物种类和数量、CEC、粘粒矿物类型等^[25]。本研究在相同的土壤上进行，由于供试有机肥中重金属Pb、Cd、Hg和As含量相对较低，因此施有机肥后不同处理土壤间Pb、Cd、Hg和As含量基本接近，但畜禽粪有机肥中含有相对较高的Zn和Cu，因此施用新鲜鸡粪、鸡粪堆肥、新鲜猪粪和猪粪堆肥的土壤Zn和Cu含量比对照略有增加，但施用水稻秸秆和商品有机肥的土壤与对照之间仍较为接近。因此，从重金属全量变化来看，施用畜禽粪源的有机肥可能对土壤中Zn、Cu的活性增加有一定的贡献。由于供试土壤相同，因此不同处理之间的土壤质地、氧化物种类和数量、粘粒矿物类型等基本没有发生变化；而CEC虽然因有机肥的施用而略有发生改变，但因试验中有机肥施用量有限，因有机肥施用引起的CEC变化也是有限的。所以，本研究的处理之间的重金属活性差异可基本排除土壤质地、氧化物种类和数量、粘粒矿物类型及CEC等的影响。

表 6的结果表明，有机肥的施用的确改变了有机肥施用前期土壤中水溶性碳的含量，但这种影响随时间增加逐渐变得不明显。对所有处理土壤样品中水溶性重金属含量与DOC的相关分析表明（n=42），土壤水溶性Pb、Zn、Cu、Cd、Hg和As与DOC的相关系数分别为0.945、0.758、0.648、0.931、0.201、0.701，除Hg外均达到显著水平。对采集的田面水重金属浓度与DOC的相关分析表明（n=42），田面水中Pb、Zn、Cu、Cd、Hg和As浓度与DOC的相关系数分别为0.925、0.877、0.771、0.748、0.318、0.294，除Hg和As外相关性都达到显著水平。

表 6　施用不同有机肥后土壤中水溶性碳（DOC）和田面水中水溶性碳（DOC）的动态变化 Table 6　Dynamic changes of soil water soluble organic C and concentrations of dissolved organic C of floodwater from fields amended with different organic fertilizers

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结果表明，施用有机肥引起的土壤DOC的增加可能是土壤中重金属活性增加的重要原因。新鲜鸡粪、鸡粪堆肥、新鲜猪粪和猪粪堆肥含有较高的铜与锌的含量，它们在土壤中矿化也可释放出一定量的铜和锌，因此它们对土壤中水溶性重金属含量和田面水中铜和锌浓度的提高也有一定的影响。但这种因施入有机物料增加的DOC可随时间逐渐降解，相应地土壤中重金属的活性也随之下降。因此因有机物料施入引起的土壤重金属活性增加是暂时的。不同种类有机物对活化土壤重金属的差异可能与不同类型有机物中有机物本身的分解程度及其包含的可分解有机物质含量差异有关，新鲜鸡粪和新鲜猪粪含较高的DOC，秸秆中有机物质的分解程度较低易在土壤中矿化，因此它们在土壤中矿化过程中易释放出DOC，从而对土壤重金属的活化产生较大的影响。已有许多研究证明，污染土壤中DOC可改变重金属的活性^[26-27]。Ludwig等^[28]的研究表明，在污染的矿区土壤中施用有机肥可增加土壤中重金属的移动性，其原因有：（1）产生的低分子有机酸可与土壤中的重金属离子作用形成水溶性的络合物；（2）产生的有机酸可能降低土壤的pH值从而增加重金属的溶解度^[29]。

本研究的结果也表明，施用有机肥并没有明显增加籽粒中重金属含量，其原因可能有多个方面：第一，后期土壤中DOC浓度降低，土壤中重金属活性下降，因此，施用有机物质对水稻生长后期水稻吸收重金属的影响明显下降；第二，因有机肥料的施用，土壤中腐殖质也有一定程度的提高，对照、新鲜水稻秸秆、新鲜鸡粪、鸡粪堆肥、新鲜猪粪、猪粪堆肥和商品有机肥处理的土壤腐殖质含量分别为9.3、10.2、10.3、10.5、10.3、10.6、10.7 g·kg^-1，而腐殖质的生成在一定程度上增加了土壤对重金属的吸附，这也有一定程度上降低了土壤中重金属的活性^[30]；第三，水稻前期积累的重金属主要积累在水稻的茎叶中，在水稻生殖生长期中，前期积累在茎叶中的重金属向籽粒迁移能力有限，因此对籽粒中重金属含量影响较小。然而，有关前期茎叶中积累的重金属对籽粒重金属的影响及影响程度还有待进一步试验加以研究。

田间试验表明，施用有机物可增加水稻生长前期土壤中重金属的活性，主要原因是施入土壤中的有机物质可在土壤中分解产生DOC，活化土壤中重金属，活化能力以施用秸秆和新鲜猪粪的最高，其次为新鲜鸡粪，施用商品有机肥的较低。不同有机物对土壤重金属活性影响的差异可能与有机物本身的分解程度及可释放DOC大小有关。因施用有机物产生的DOC可随时间下降，相应地土壤中重金属的活性也随之下降，因此施有机肥引起的农田土壤重金属活化是暂时的，对水稻生长后期谷物中重金属积累的影响不明显。