论文部分内容阅读
目前我国面临严重的农田镉污染现状，由施肥带来的环境问题也日益凸显。为探明长期施肥对土体镉分布及有效性的影响，以30年的长期定位施肥为基础，选取不施肥(CK)、化肥(NPK)、高氮化肥(HN)、稻草还田配施化肥(ST)、低量和高量厩肥配施化肥(LM和HM)六个处理，分析了耕层(0～20cm)土样、剖面土样(0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60cm)和不同粒径团聚体样品(＞2、1～2、0.5～1、0.25～0.5、0.053～0.25、＜0.053mm)中的全镉(T-Cd)、DTPA提取态镉(DTPA-Cd)含量、镉赋存形态以及水稻各部位镉含量，并探讨了镉的土体分布与水稻吸收镉的关系。研究结果可为指导稻田的合理施肥和防控稻田镉污染风险提供理论支撑。主要研究结果有: (1)长期施用含镉厩肥导致水稻土镉累积，并显著提高了镉的有效性。与CK相比，NPK处理镉的全量和有效态含量都略有降低;HN和ST对耕层土壤镉全量和有效态含量无显著影响;LM和HM处理则导致了镉在耕层土壤中的累积和有效性的提升，T-Cd分别显著增加36.2％和81.2％，DTPA-Cd含量分别显著提升了28.5％和73.6％，可交换态镉的含量分别提高16.7％和18.1％，同时铁锰氧化物结合态略有升高（6.7％和6.9％），残渣态则显著增加了70.6％和86.4％。 (2)长期施用厩肥导致了镉在土壤剖面的累积和有效性的提升，其剖面分布特征与SOC变化高度一致。各施肥处理均呈现出0～20cm层的镉聚集现象，与表层SOC含量显著相关，30cm以下层次镉含量则趋于一致。与CK相比，NPK、HN和ST处理镉的剖面分布无显著变化;厩肥处理则出现镉累积，其中:LM的0～10cm层镉潜在生态风险等级明显提升，T-Cd和DTPA-Cd分别显著上升23.1％和48.7％;而HM处理镉潜在生态风险等级的提高则达到40cm层，其0～40cm层T-Cd显著提高28.3％～225.8％，0～30cm层DTPA-Cd显著增加69.3％～157.7％。 (3)长期施肥导致土壤团聚体各粒径的分配比例和各粒径中SOC的分布发生变化，进而导致其中镉及其形态产生再分配。CK的大团聚体组比例为49.6％，NPK、ST、HN、LM和HM将比例提升至52.1％～71.1％。大团聚体组中T-Cd和DTPA-Cd的贡献率也相应提高，0.5～1mm和1～2mm中DTPA-Cd的贡献率提升幅度较大，分别为16.4％～62.7％和25.4％～135.2％。长期施肥处理团聚体各粒径中DTPA-Cd与SOC显著正相关，LM和HM处理所有粒径中的DTPA-Cd较CK显著增加17.3％～87.8％和41.1～75.9％，可交换态镉分别上升了3.7％～44.1％和34.4％～70.6％，碳酸盐结合态分别增加41.1％～177.8％和29.9％～99.8％，铁锰氧化物结合态分别上升了8.0％～65.7％和15.1％～79.2％，同时还大幅提升了大团聚体组中残渣态镉含量。 (4)长期施肥提升了水稻根系的镉吸收能力及茎秆和叶片对根系镉的转移能力，稻草还田和厩肥更易导致镉在水稻植株中的累积。与CK相比，HN、ST、LM和HM的根部镉富集系数以及茎秆和叶片对根部镉的转移系数均升高;ST处理的镉在水稻各个部位增加了38.0％～98.1％，LM和HM则在水稻各个部位均显著增加59.8％～120.8％和95.1％～152.6％;水稻各部位镉含量与0～20cm层SOC和团聚体各粒径中SOC的含量密切相关。 (5)长期施肥导致镉在剖面和团聚体中的分布和有效性发生变化，进而影响水稻对镉的吸收累积。水稻各部为镉含量与耕层中可交换态镉和DTPA-Cd显著正相关，与剖面0～30cm层DTPA-Cd正相关，与所有团聚体中DTPA-Cd和可交换态、碳酸盐结合态镉正相关，且受1～2mm中DTPA-Cd的影响较大。长期施肥除直接对水稻吸收镉产生影响外，还通过影响0～30cm层和0.053～0.25mm、0.25～0.5mm及1～2mm中镉的有效性而对其产生间接影响，其中，10～20cm层和0.25～0.5mm粒径中有效镉是影响水稻吸收镉的最直接因素。 综上所述，0～20cm层土壤中T-Cd、DTPA-Cd与SOC的重叠发生促进了水稻对镉的吸收累积，同时团聚体中SOC的再分配改变了团聚体各粒径的分配比例，进而导致镉在团聚体中的分布和有效性发生改变，从而影响水稻对镉的吸收。另外，厩肥可能是土壤镉的重要来源，高量厩肥提升了镉在表层和深层剖面的累积量和有效性，大大增加了镉的潜在生态风险，并显著提升了水稻对镉的吸收转移能力。 本研究明确了高量厩肥大幅提升剖面镉的潜在生态风险，揭示了团聚体各粒径中镉的分布特征和赋存形态，并探析了长期施肥对土体镉分布和水稻吸收镉的影响，构建了三者间的关系网络，为进一步了解稻田系统镉的行为特征和合理施肥及稻田的安全利用提供了理论支撑。