Cu在黑土中形态特性分析及施用有机肥的影响

第32卷第9期2012年9月环　境　科　学　学　报　ActaScientiaeCircumstantiaeVol.32,No.9Sep.,2012基金项目:国家重点基础研究发展(973)计划(No.2005CB121104)SupportedbytheNationalBasicResearchProgramofChina(No.2005CB121104)作者简介:胡美玲(1987—),女,E-mail:[e-mail];∗通讯作者(责任作者),E-mail:[e-mail]:HUMeiling(1987—),female,E-mail:[e-mail];∗Correspondingauthor,E-mail:[e-mail]胡美玲,关天霞,何红波,等.2012.Cu在黑土中形态特性分析及施用有机肥的影响[J].环境科学学报,32(9):2189-2196HuML,GuanTX,HeHB,etal.2012.FormsandstabilizationofCuinMollisolandeffectofmanureapplications[J].ActaScientiaeCircumstantiae,32(9):2189-2196Cu在黑土中形态特性分析及施用有机肥的影响胡美玲1,关天霞1,何红波1,∗,张旭东1,21.中国科学院沈阳应用生态研究所森林与土壤国家重点实验室,沈阳1100162.辽宁沈阳农田生态系统国家野外科学观测研究站,沈阳110016收稿日期:2011-11-04　　　修回日期:2011-12-21　　　录用日期:2011-12-22摘要:通过小麦盆栽试验研究了黑土中Cu的分布特征、动态变化及有机肥施用的影响.结果表明,无论外源Cu添加量高或低,土壤中Cu的形态均主要以可氧化态为主,所占比例为40.4%~65.0%.随着外源Cu添加量的增加,弱酸溶解态Cu所占比例稍有增加,可还原态Cu含量及其所占比例均显著增加,残渣态Cu所占比例显著降低,可见外源Cu添加量的增加能提高土壤中Cu的生物有效性.与2009年相比,黑土中弱酸溶解态Cu的分配比例在2010年迅速下降,而残渣态Cu的比例显著上升,表明随着时间的变化Cu的稳定化作用不断加强,生物有效性降低.1%有机肥施用明显降低了Cu的移动性,弱酸溶解态Cu的下降幅度和残渣态Cu的上升幅度都明显增大.低剂量Cu(200mg·kg-1)可促进小麦的生长,使其生物量增加,但高剂量Cu(高于600mg·kg-1)对小麦有显著的毒害作用.且当Cu添加量很高时,小麦对Cu的吸收量在2010年高于2009年,表明Cu在黑土中的短期稳定作用对Cu的生物有效性和作物吸收并未产生显著影响.关键词:Cu;形态;活性;生物有效性;有机肥文章编号:0253-2468(2012)09-2189-08　　　中图分类号:X53　　　文献标识码:AFormsandstabilizationofCuinMollisolandeffectofmanureapplicationsHUMeiling1,GUANTianxia1,HEHongbo1,∗,ZHANGXudong1,21.KeylaboratoryofTerrestrialEcologicalProcess,InstituteofAppliedEcology,ChineseAcademyofSciences,Shenyang1100162.NationalFieldObservationandResearchStationofShenyangAgro-Ecosystems,Shenyang110016Received4November2011;　　　receivedinrevisedform21December2011;　　　accepted22December2011Abstract:TheformdistributionandtemporaldynamicsofCuinMollisolaswellastheeffectofmanureapplicationswereinvestigatedthroughwheatpotexperiments.Theresultsshowedthattheoxidablefractionaccountedforthelargestproportion(40.4%~65.0%)ofCuregardlessoftheadditionamount.WithincreasingCuaddition,theproportionofacid-extractablefractionsincreasedslightlyandthatofreducibleportionincreasedsignificantly.Incontrast,thatthefractionofresidualsdecreasedsignificantly,suggestingtheincreasedbioavailabilityofCuwithincreasingCuinput.Comparedwith2009,theproportionofacid-extractablefractiondeclinedwhilethatofresidualCuincreasedatalllevelsofCuaddition,indicatingthatCutendedtobestabilizedinsoilandthusitsbioavailabilitydeclined.Theapplicationofmanureat1%rate(basedondrymatter)declinedthemobilityofCusignificantlycomparedtothatat3%rate.Theproportionofreduciblefractiondeclinedtohigherdegreewhilethatofresidualfractionincreasedmoresignificantly.ThelowconcentrationofCu(200mg·kg-1)canpromotethegrowthofwheattoincreasethebiomass,butthehighconcentrationofCu(600mg·kg-1)wasevidentlytoxic.Comparedwith2009,theuptakeofCuinwheatincreasedin2010,thustheshort-termstabilization(foronegrowingseason)ofCuinsoildidnotexhibitsignificantinfluenceontheCubioavailabilityinsoilaswellastheuptakebywheat.Keywords:Cu;fractionation;activity;bioavailability;manure1　引言(Introduction)土壤是人类生存和发展不可或缺的自然资源,但重金属污染已成为严重制约农田土壤可持续利用的重要因素(范拴喜等,2010;杨红飞等,2006).近年来,随着对重金属积累与迁移行为研究的深入,人们已经认识到重金属的生物毒性不仅与其总量有关,其形态分布特征还会直接影响到重金属的迁移及在自然界的循环(韩春梅等,2005),从而产生不同的环境毒性效应.因此,在评价重金属污染环　　境　　科　　学　　学　　报32卷程度及潜在生态危害程度时,土壤中重金属的含量和化学形态信息就显得非常重要(钟晓兰等,2009).重金属在土壤中的存在形态比较复杂,提取和分离方法也尚未统一.相较而言,由欧盟参比署(TheCommunityBureauofReference,BCR)提出的三步连续提取程序(即BCR提取法)应用比较广泛(陈世俭等,2004;Rauretetal.,1999;Kimetal.,2006;Longetal.,2009).利用这种方法可将重金属的形态分为可交换态(包括水溶态、交换态及部分与碳酸盐结合较弱的金属)、可还原态(包括较易还原的Fe-Mn氧化物结合态、锰氧化物及小部分铁氧化物结合态)、可氧化态(有机物及一些易氧化的硫化物结合态)和残渣态(层状硅酸盐形态)(陈守莉等,2007),能较好地反映土壤中重金属的形态分布情况,同时也可反映并评价土壤中重金属的生物有效性(李非里等,2005).Cu是生物生长必需的微量营养元素,参与生物的生理代谢过程(刘小娟等,2010).但当Cu含量超过土壤自净能力时,会在土壤中积累,甚至造成土壤污染(韩晓凯等,2008),进而影响土壤生态安全.同时,Cu在土壤中滞留时间长且难降解,极易转移到作物中去,会影响作物的生长和质量,并可在作物中积累进而通过食物链传递给动物或人类,给人类健康带来严重的危害(夏立江等,2001).畜禽有机肥的农田施用近年来变得越来越广泛,成为处理这些畜禽废弃物最经济有效的方式之一(张学政等,2009).然而,由于其中含有大量的Cu,范围在46~1112mg·kg-1之间(普锦成等,2011),有的甚至高达1776.6mg·kg-1(姚丽贤等,2008),因此,长期重复施用过高含量Cu的畜禽有机肥后,会造成大量Cu在土壤中积累(普锦成等,2011).同时由于Cu和土壤基质的相互作用,其在土壤中的化学形态可能会不断发生变化,而不同的化学形态会表现出不同的活性和生物毒性,从而影响作物对Cu的吸收(温明霞等,2010).故通过对施入有机肥后土壤中Cu形态分配时间动态的研究,有助于了解Cu在土壤中的分散富集过程、迁移转化规律、稳定化作用和有效性的变化(段昌群等,1992;高怀友等,2005),并可为预测农业或污染土壤中Cu的临界含量、生物有效性、生物毒性及其动态转化提供更准确的科学依据(刘霞等,2003).因此,本文采用盆栽试验,设置一系列剂量(100、200、400、600、800mg·kg-1)的富Cu有机肥施入,并以游离Cu添加(不添加有机肥)为对照,通过了解Cu在黑土-小麦系统中两年的形态分布变化,评价并预测Cu在土壤中的稳定化作用及其生物有效性变化.2　材料与方法(Materialsandmethods)2.1　供试土壤、作物和有机肥供试土壤为黑龙江省海伦市中国科学院海伦农业生态试验站(126o38′E,47o26′N)0~20cm耕层的黑土样品(采集于2009年),自然风干后过5mm筛备用.猪粪有机肥由浙江大学资源与环境学院提供.土壤和有机肥的基本理化性质见表1.盆栽作物为春小麦,品种为辽春9号.表1　供试土壤、有机肥的基本理化性质Table1　Characteristicsofthetestedsoilsampleandlivestockmanure(onadryweightbasis)usedintheexperiment材料pH粘粒含量(0.002mm)总C/(g·kg-1)总N/(g·kg-1)总P/(g·kg-1)总K/(g·kg-1)总Cu/(mg·kg-1)干物质含量黑土6.2230.11%40.102.871.0816.9037.45-有机肥7.06345.6027.309.999.08375.9791.24%2.2　盆栽试验设计盆栽试验一共包括18个处理(每个处理4个重复),分为3组,不添加有机肥(对照CK)和添加有机肥(添加量为1%和3%,为有机肥(干物质)占风干土的质量百分数),每组6个处理,分别对应Cu(以CuSO4溶液的形式施入)的6个不同添加剂量:0、100、200、400、600和800mg·kg-1(表2).具体试验过程:于2009年开始试验,每盆(高20cm,直径17cm)装入4.5kg风干土样,施入肥量相当于150kg·hm-2N(尿素)、80kg·hm-