本文以国家紫色土肥力与肥料效益监测基地为平台,利用24年长期定位试验保存的土壤和植株样品,研究了长期不同施肥措施下紫色土铅镉铬的累积变化规律,估算了在目前的施肥管理条件下紫色土对铅镉铬的最高承载年限;研究了长期不同施肥对水稻-小麦秸秆和籽粒重金属铅镉铬富集和迁移的影响;利用4种模型模拟了长期不同施肥下紫色土镉吸附-解吸特征曲线,分析了长期不同施肥对重金属形态及对镉吸附解吸能力的影响;有效揭示了不同施肥对紫色土镉元素吸附-解吸能力的影响;为合理评价长期不同施肥对紫色土土壤重金属环境质量及农产品质量的影响提供科学依据。24年长期定位试验表明,所有处理(无论施肥与否)耕层土壤Cd、Pb、Cr具有明显富集。长期不施肥处理24年后土壤全量Cd、Pb、Cr含量比试验前分别提高47.34%、5.59%和4.31%,其中土壤全Cd随试验年限的增加显著上升,Pb和Cr与试验前差异不显著;说明土壤中重金属的累积一部分来自于大气沉降等其它非施肥因素。各施肥处理尤其是施用磷肥和有机肥的处理土壤Cd、Pb、Cr的年度累积速率显著高于不施肥处理,磷肥和有机肥对土壤Cd、Pb、Cr的富集具有显著贡献。与对照不施肥(CK)处理对比,24年后不施磷肥的NK化肥处理耕层土壤全量Cd、Pb、Cr的含量没有显著提高,NPK化肥处理土壤全量Cd、Pb和Cr含量比对照分别提高162%、15%和77%;化肥配施有机肥(NPKM)处理分别提高393%、37%和132%;与NPK处理对比,NPKM处理土壤Cd、Pb、Cr的含量分别提高88%、20%和32%,说明施用磷肥和有机肥提高了土壤重金属的累积。由于试验前紫色土Cd背景值含量较高,再加上大气沉降、磷肥及有机肥对土壤Cd富集的显著贡献,目前紫色土各施肥处理Cd的含量已超过国家土壤环境质量二级标准;但是Pb和Cr全量都在安全范围,按照目前的施肥管理紫色土对Pb和Cr的承载年限还很长,但施肥会缩短其承载年限。长期不同施肥影响了小麦、水稻籽粒及秸秆中重金属含量。与对照处理相比,有机肥处理和含氯化肥处理显著提高水稻籽粒Cd含量372%和460%,含氯化肥处理显著提高水稻秸秆Cd含量485%,1.5倍高倍施肥和含氯化肥使小麦籽粒Cd含量分别为0.1114mg/kg和0.1594mg/kg,超过国家标准(谷物Cd 0.1)。各处理小麦和水稻籽粒中Pb含量差异不显著,施肥对Pb在水稻和小麦籽粒中的累积没有影响,但施肥对其秸秆有显著性提高。Cr在水稻籽粒中的含量有机肥处理显著高于其他处理,而P肥处理与CK处理没有显著性差异;所有处理的水稻籽粒Cr含量均超过国家标准,施肥处理对cr在小麦籽粒中的累积没有影响。水稻和小麦对重金属的富集能力存在较大差异,小麦对cd的富集能力比水稻强35倍左右,cr在水稻籽粒的富集能力是小麦的58倍左右。重金属在水稻秸秆和籽粒的分配,总体而言是cd和pb在秸秆的分配高于籽粒,cr是籽粒高于秸秆。但是npkm处理提高了cd向水稻籽粒转运,籽粒cd的富集能力大于秸秆。而在小麦中,所有处理秸秆对重金属的富集能力都大于籽粒。从生产的角度,有利于粮食安全,保障人们健康食用。土壤重金属存在形态及有效性分析结果表明,随着年限的增加,施肥导致土壤有效cd含量增加。长期使用含氯化肥显著提高土壤dtpa-cd含量,比不施肥处理提高470%,长期使用p肥和有机肥土壤有效cd也增加,但是土壤有效cd上升幅度明显低于含氯化肥。单施nk肥处理会显著提高土壤dtpa-pb的含量,加入p肥以后,其dtpa-pb含量相对下降,说明p肥抑制pb有效性。用tessier修正法测定重金属形态结果表明,含氯化肥显著提高土壤cd交换态,npkm处理显著提高土壤cd有机态。施肥对pb和cr各形态的影响不明显。相关分析表明,ph与dtpa-cd和dtpa-pb的含量呈极显著负相关,有机质和速效磷含量与dtpa-cd和dtpa-pb的含量呈极显著正相关,其它各个因素与dtpa-cd未达到极显著水平。土壤ph的降低、有机质和速效磷含量的增加显著提高了土壤有效cd和pb的含量。当cd溶液的初始浓度很低的时候(5100mg/l),紫色土对cd的吸附量随浓度增加而快速增加,此时的吸附主要变现为专性吸附,吸附速率很大;当初始浓度超过100mg/l的时候,吸附量继续增加但吸附速率趋于平缓。cd的初始浓度从5mg/l至1000mg/l,每个处理的吸附率均从98%以上降到30%40%。当cd溶液的初始浓度为850mg/l的时候,npkm处理、(npk)1.5s处理和(npk)cls处理的吸附量到达最高,分别为npkm处理7821mg/kg、(npk)1.5s处理6759mg/kg、(npk)cls处理6938mg/kg;当cd初始浓度到达1000mg/l的时候,ck处理、nk处理和npk处理的吸附量到达最高,分别为ck处理7219mg/kg、nk处理8155mg/kg、npk处理7870mg/kg。ck处理和npkm处理的最优拟合模型为langmuir模型,其余处理的最优拟合模型为freundlich。在langmuir拟合过程中,qm最大吸附量与实际值基本相符合,只有(npk)cls处理高出实际值较多。将langmuir公式和freundlich公式的吸附常数与ph、som和olsen-p做相关性分析,发现只有kf与土壤ph呈极显著正相关,其余因子相关不显著。各处理解吸量随吸附量的增加而增加,吸附量与解吸量的关系呈极显著性二次抛物线相关关系。其中解吸率最大的为(npk)cls处理,其最大解吸率为13.95%,解吸率最低的为nk处理,其最大解吸率为10.07%。综上所述,长期不同施肥影响了重金属在土壤中的累积、存在形态和有效性。长期施用磷肥和有机肥显著提高了土壤重金属Cd、Pb、Cr累积,长期施用含氯化肥降低了土壤pH,降低了土壤对重金属的吸附能力,提高了土壤有效态重金属含量,增加了重金属的生物有效性。水稻和小麦对重金属的富集能力存在较大差异,小麦的富集能力远低于水稻,在稻田重金属潜在污染的情况下,可通过轮作方式的改变降低重金属对粮食作物的污染风险。