（土壤学专业论文）猪粪农用对土壤小麦系统中镉迁移的影响.pdf

煳煳 华中农业大学学位论文独创性声明及使用授权书 学位论文 名 如需保密，解密时间年月 日 是否保密 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华中农业大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料，指导教师对此进行了审定。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明，并表示了谢意。 研究生签名：彻椎 帆讪年1 5 f 月多日 学位论文使用授权书 本人完全了解华中农业大学关于保存、使用学位论文的规定，即学生必须按 照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本：学校有权保存提交论文的印刷版 和电子版，并提供目录检索和阅览服务，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。本人同意华中农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容，同时本人保留在其他媒体发表论文的权力。 注：保密学位论文( 即涉及技术秘密、商业秘密或申请专利等潜在需要提交保 密的论文) 在解密后适用于本授权书 学位做作者躲幂韵砸翩虢桷庸 签名日期： 年 月 日签名日期：( o 年月夕 日 猪粪农用对土壤一小麦系统中镉迁移的影响 目录 摘要i a 】j ；s t r a c t i i l 前言1 1 1 土壤中重金属的来源。1 1 2c d 的环境行为2 1 3 畜禽粪便农用和土壤重金属污染4 1 3 1 我国畜禽粪便产生利用现状4 1 3 2 畜禽粪便农用的环境风险5 1 4c d 在土壤作物系统中的迁移转化6 1 4 1c d 对植物的影响。6 1 4 1 1c d 对植物生理生化的影响6 1 4 1 2c d 在植物体内的运输及分布7 1 4 1 3 降低植物体内重金属浓度的途径7 1 4 2c d 对食物链的影响7 1 4 2 ，1c d 对作物籽粒中c d 积累的影响8 1 4 2 2c d 对人体健康的影响8 1 5 研究目的和意义9 2 研究内容与试验设计1 0 2 1 研究内容1 0 2 2 材料与方法1 0 2 2 1 供试材料及基本性质10 2 2 2 温室盆栽试验设计1 1 2 2 3 技术路线1 2 2 2 4 样品的采集与制备1 2 2 3 分析方法l3 2 4 数据分析。1 3 3 结果与分析1 4 3 1 分蘖期土壤小麦系统中c d 的迁移。1 4 华中农业大学2 0 1 0 届硕士研究生学位论文 3 1 1 分蘖期土壤水溶态c d 含量特征。1 4 3 1 2 猪粪、c d 添加量对小麦分蘖期生物量的影响1 7 3 1 3 猪粪、c d 添加量对分蘖期小麦植株c d 含量的影响1 9 3 1 3 1 猪粪对分蘖期小麦植株c d 含量的影响1 9 3 1 3 2c d 添加量对分蘖期小麦地上部、根中c d 含量的影响2 1 3 1 3 33 种土壤上分蘖期小麦地上部、根中c d 含量比较2 2 3 1 4 小结2 3 3 2 成熟期土壤小麦系统中c d 的迁移2 3 3 2 1 小麦成熟期土壤水溶态c d 含量特征2 3 3 2 2 猪粪、c d 添加量对成熟期小麦各部位生物量的影响2 6 3 2 3 猪粪、c d 添加量对小麦成熟期各部位c d 含量的影响3 2 3 2 3 1 猪粪对小麦成熟期各部位c d 积累的影响3 2 3 2 3 33 种土壤上成熟期小麦各部位c d 含量比较3 7 3 2 4 小结3 9 4 讨论。4 1 5 结论4 4 参考文献4 5 j 1 5 谢5 ：1 猪粪农用对土壤- 4 , 麦系统中镉迁移的影响 摘要 集约化养殖业中饲料添加剂过量使用重金属的现象较为突出。重金属在畜禽 体内的吸收利用率较低，大部分会随粪便排出。当畜禽粪便作为有机肥在农田中 施用时，可能会导致环境和健康风险。东北、黄淮海、长江中下游地区是我国的 粮食主产区，本文以黑龙江黑土、河南潮土、浙江水稻土为供试材料，通过在盆 栽试验中施用不同镉( c d ) 含量猪粪，研究了土壤中c d 积累对小麦不同生长季 ( 分蘖期和成熟期) 各部位生物量、c d 含量，尤其是籽粒中c d 含量的影响，探 讨了猪粪农用对c d 在不同土壤小麦系统中迁移的效果。研究结果表明： 1 ) 猪粪的施用能够显著增加潮土上小麦籽粒产量。c d 添加量为0 6m g k g 时， 施加猪粪3 与不施猪粪相比，潮土上小麦籽粒产量增加4 5 4 。施加猪粪对 黑土、水稻土上小麦籽粒产量无显著影响。 2 ) 本试验体系内，施加猪粪可在一定程度上降低土壤小麦系统中c d 的食物链 健康风险。施加猪粪，黑土、潮土和水稻土上籽粒中c d 含量均显著降低。 c d 添加量为1m g k g ，施加猪粪3 时，与不施猪粪相比，黑土、潮土和水稻 土上籽粒中c d 含量分别降低5 1 8 、1 6 7 和7 4 2 。施加猪粪，3 种土壤 中c d 的食物链健康风险均降低。 3 ) 镉添加量是影响小麦各部位c d 含量的最重要因素，远远大于猪粪施用量以 及3 种土壤间的差异。猪粪农用是否造成c d 的食物链健康风险，取决于猪 粪中c d 含量。当猪粪中c d 含量超过3 0m g k g ，一次施用就可能造成小麦籽 粒c d 含量超标。 4 ) 不施猪粪时，与黑土、潮土相比，水稻土中c d 更易向小麦地上部迁移。在 c d 添加量为0 6m g k g ，不施猪粪时，水稻土上小麦籽粒中c d 含量比黑土上 的高2 5 3 ，比潮土上的高3 7 4 ；施加猪粪后，黑土、潮土和水稻土上小 麦籽粒中c d 含量无显著差异。 研究结果可用来模拟多年施用猪粪或施用高c d 猪粪后土壤中c d 的积累， 以及由此所导致的食物链健康风险，为猪粪等养殖业废弃物的农业利用提供决策 依据，也能为建立适宜的土壤环境标准提供参考。 关键词：猪粪，镉，黑土，潮土，水稻土，土壤小麦系统，健康风险 华中农业人学2 0 1 0 届硕士研究生学位论文 a b s t r a c t e x c e s s i v eu s eo fh e a v ym e t a l smf e e da d d i t i v e sl sp r o m i n e n tmi n t e n s i v e b r e e d i n gi n d u s t r y s i n c et h eu t i l i z a t i o no fh e a v y m e t a l si na n i m a lb o d yi sm i n o r , m o s t o ft h e ma r ee x c r e t e dw i t hf e c e s u n d e rt h ec i r c u m s t a n c e so fl i v e s t o c km a n u l eu s e da s f e r t i l i z e r si nf a r m i n g , h e a v ym e t a lm a yc a u s ee n v i r o n m e n t a la n dh e a l t hr i s k s t h e n o r t h e a s tp l a i n , h u a n g - h u a ip l a i n ，a n dy a n g t z er i v e rd e l t aa r e aa r em a j o r g r a i n p r o d u c i n ga r e a so fc h i n a t h u s ，t h r e es o i l sf r o mt h e s ea r e a s ，i e ，b l a c ks o i li n h e i l o n g j i a n gp r o v i n c e ，f l u v o - a q u i cs o i l i nh e n a np r o v i n c e ，a n dp a d d ys o i l i n z h e j i a n gp r o v i n c e ，w e r ec h o s e na st h ee x p e r i m e n tm a t e r i a l s p o te x p e r i m e n t sw e r e c o n d u c t e dw i md i f f e r e n tc da d d i t i o nl e v e li nm a n u r et os t u d yt h ee f f e c t so fs o i lc do n t h eb i o m a s sa n dc dc o n t e n t si nd i f f e r e n tp a r t so fw h e a ta td i f f e r e n ts t a g e s ( t i l l e r i n g s t a g ea n dm a t u r es t a g e ) ，e s p e c i a l l yt h o s ei ng r a i n s t h ea i mo ft h i ss t u d yi st o i n v e s t i g a t et h ee f f e c t so fp i gm a n u r ea p p l i c a t i o no nt h et r a n s f e ro fc di nd i f f e r e n t s o i l - w h e a ts y s t e m s t h er e s u l t ss h o w e d ： 1 ) p i gm a n u r ec a ns i g n i f i c a n t l yi n c r e a s eg r a i ny i e l di nf l u v o - a q u i cs o i l c o m p a r e d w i t ht h ec o n t r o l ，g r a i ny i e l do f3 p i gm a n u r et r e a t m e n ti nf l u v o - a q u i cs o i l i n c r e a s e db y4 5 4 f o r0 6m g k gc da p p l i c a t i o n p i gm a n u r ea p p l i c a t i o nh a v en o s i g n i f i c a n te f f e c to ng r a i ny i e l di nb l a c ks o i la n dp a d d y s o i l 2 ) i nt h i se x p r i m e n t ，p i gm a n u r ea p p l i c a t i o nc a nr e d u c e df o o dc h a i nh e a l t hr i s k so f c di ns o i l w h e a ts y s t e mt os o m ee x t e n t c dc o n t e n t so fg r a i nr e d u c e ds i g n i f i c a n t l y a f t e rt h ea p p l i c a t i o no fp i gm a n u r ei nb l a c ks o i l ，f l u v o - a q u i cs o i la n dp a d d ys o i l c o m p a r e dw i t ht h ec o n t r o l ，c dc o n t e n t so fg r a i no f3 p i gm a n u r et r e a t m e n ti n b l a c ks o i l ，f l u v o a q u i cs o i la n dp a d d ys o i lr e d u c e dr e s p e c t i v e l yb y51 8 ，16 7 a n d7 4 2 f o r1m g k gc da p p l i c a t i o n p i gm a n u r ea p p l i c a t i o nr e d u c e df o o dc h a i n h e a l t hr i s ko fc di n3s o i l s 3 )c d ，w h o s ee f f e c tw a sf a rm o r et h a nm a n u r e ，i st h em o s ti m p o r t a n te l e m e n tw h i c h c a l la f f e c tc dc o n t e n t si nd i f f e r e n tp a r t so fw h e a t a n dt h ee f f e c tf o rt h et h r e es o i l s w a sd i f f e r e n ti n s i g n i f i c a n t l y w h e t h e rp i gm a n u r ea p p l i c a t i o nc a nc a u s ef o o d c h a i nh e a l t hr i s ko fc dd e p e n d so nt h ec dc o n t e n to fp i gm a n u r ea p p l i e d a p p l i c a t i o no fm a n u r ew i t h3 0m g k gc dm a yc a u s ef o o dc h a i nh e a l t hr i s ko n c e 4 ) w h e nn om a n u r ei sa p p l i e d , c x i 啪t r a n s f e rm o r ee a s i l yt os h o o to fw h e a ti n p a d d ys o i lt h a nb l a c ks o i la n df l u v o - a q u i cs o i l w h e nn om a n u r ei sa p p l i e d , c d h 猪粪农用对土壤- 4 , 麦系统中镉迁移的影响 c o n t e n t so fg r a i ni np a d d ys o i la r eh i g h e rt h a nt h o s ei nb l a c ks o i lb y2 5 3 a n d h i g h e rt h a nf l u v o a q u i cs o i lb y3 7 4 f o r0 6m g k gc da p p l i c a t i o n t h e r ei sn o d i f f e r e n c e sb e t w e e nb l a c ks o i l ，f l u v o - a q u i cs o i la n dp a d d ys o i l t h er e s u l t sc a ns i m u l a t et h ea c c u m u l a t i o no fs o i lc da f t e rl o n g t e r ma p p l i c a t i o n o fm a n u r e ，o ra f t e rt h ea p p l i c a t i o no fp i gm a n u r ew i t hh i g hc dc o n t e n t s ，w h i c hi s h e l p f u lt op r o v i d eas c i e n t i f i cb a s i st op l a nt h el a n du s em o d eo fs o l i dw a s t ei nt h e b r e e d i n gi n d u s t r ya n de s t a b l i s hs o i le n v i r o n m e n t a lq u a l i t yc r i t e r i a k e yw o r d s ：p i gm a n u r e ，c a d m i u m ，b l a c ks o i l ，f l u v o - a q u i cs o i l ，p a d d y s o i l ， s o i l w h e a ts y s t e m ，h e a l t hr i s k i i i 猪粪农用对土壤一小麦系统中镉迁移的影响 1 前言 重金属指密度大于或等于4 5g c m 3 的金属，包括生物必需元素( c u 、m n 、 z n 等) 和非必需元素( c d 、p b 、h g 等) 。土壤重金属污染是指由于人类活动将 重金属带入土壤中，致使土壤中重金属含量明显高于背景含量，从而造成生态环 境质量恶化的现象( 陈怀满，1 9 9 6 ) 。当前我国土壤环境重金属污染十分严重， 会影响生态健康，制约国民经济和社会可持续发展。更重要的是，可能会带来食 物链健康风险，对人类的健康造成隐患。 1 1 土壤中重金属的来源 土壤中重金属的来源是多方面的，成土母质中含重金属，不同母质、成土过 程所形成的土壤中重金属含量差异很大。此外，人类活动也会造成重金属对土壤 的污染。造成土壤重金属污染的人类活动有： ( 1 ) 大气沉降：大气中重金属主要来源于工业生产、矿产开采、汽车尾气 排放及汽车轮胎磨损产生的大量含重金属的有害气体和粉尘等污染物。它们主要 分布在工矿周围和公路、铁路两侧。大气中的大多数重金属是经自然沉降和雨淋 沉降进入土壤的( 张辉，1 9 9 7 ) 。如俄罗斯某硫酸生产厂由于工厂烟囱排放，造 成a s 的污染( m e s h a l k i n a , 1 9 9 6 ) 。公路、铁路两侧土壤中的重金属污染主要以 z n 、c d 、c r 、c o 、c u 的污染为主。 ( 2 ) 农药、化肥和塑料薄膜使用：使用含p b 、h g 、c d 、a s 等的农药，以 及不合理施用化肥，都可能导致土壤中重金属污染。般过磷酸盐中含有较多的 h g 、c d 、a s 、p b 、z n ，磷肥中重金属含量次之，氮肥和钾肥中的含量较低，但 氮肥中p b 含量较高，其a s 和c d 污染严重( 王焕校，2 0 0 0 ) 。此外，农用塑料 薄膜的使用也会造成土壤重金属污染。其中生产中用的热稳定剂中含有c d 、p b ， 故在大量使用塑料大棚和地膜过程中都可能造成土壤重金属的污染。 ( 3 ) 污水灌溉：近年来污灌已成为农业灌溉水的重要组成部分，尤其是北 方旱作区的污灌面积约占全国的9 0 以上( 陈怀满和郑春荣，1 9 9 9 ) 。污灌导致 土壤中重金属含量增加。淮阳污灌区自污灌以来，h g 、c d 、c r 、p b 、a s 等重金 属含量逐渐增高，1 9 9 5 1 9 9 7 年已超过警戒级( 张书海和沈跃文，2 0 0 0 ) 。太原污 灌区的重金属p b 、c d 、c r 含量远超过当地背景值，且积累量逐年增高( 张乃明， 华中农业大学2 0 1 0 届硕士研究生学位论文 1 9 9 6 ) 。但是，污灌导致的土壤重金属积累与污水水质有很大关系，因而并不意 味着污灌就一定会导致重金属累积。 ( 4 ) 污泥、有机肥等有机废弃物的使用：污泥中含大量氮、磷、钾等营养 元素，但同时含有某些重金属，随着大量的市政污泥进入农田，使农田中重金属 含量增加。污泥施肥可导致土壤中c d 、h g 、c r 、c u 、z n 、n i 、p b 含量的增加， 且污泥施用越多，污染就可能越严重，c d 、h g 可引起小麦、玉米的污染；污泥 用量增加，青菜中的c d 、c u 、z n 、n i 、p b 也增加( 乔显亮等，2 0 0 0 ) 。a n t h o n y ( 1 9 9 7 ) 研究表明，用城市污水、污泥改良土壤，重金属h g 、c d 、p b 等的含量 也明显增加。污泥等农用所导致的土壤污染问题，尤其是重金属污染问题目前还 没有很明确的结论，不同研究所得到的结果也不尽相同。 1 2c d 的环境行为 重金属污染一方面对农作物、农产品和地下水等产生影响，并可通过食物链 危害人体健康；另一方面因大多数重金属在土壤中较难迁出，对土壤理化性质及 生物学特性造成影响，从而影响土壤生态结构和功能的稳定性( 滕应和黄昌勇， 2 0 0 2 ) 。 镉是自然界中广泛存在的重金属。地壳中含量一般在o 1 8m g k g ，土壤中为 0 0 1 - 0 7m g k g 。国际上公认的土壤本底值是o 3 一o 4m g k g 。我国主要农业土壤 中c d 的背景值在0 0 1 1 3 4m g k g 之间，平均值为o 1 2m g k g 。c d 是一种毒性强 的重金属，它可通过食物链进入人体，造成危害。1 9 7 1 年的国际会议将c d 列为 环境中最危险的五种物质之一，世界卫生组织提出每个成年人每天对c d 可耐受 的最大摄入量为6 0 - 7 0 嵋( 赵中秋，2 0 0 5 ) 。 土壤中的c d 主要来源于母质，其次是人类活动。一般情况下，土壤中自然 存在的c d 不会对人体造成危害，造成危害的土壤c d 主要是人为因素引入的( 鲁 如坤等，1 9 9 2 ) 。与其他重金属的来源相比，引起土壤c d 污染的主要人为活动 十分类似，包括大气沉降、矿产开采、污水灌溉、各种土壤增肥物质、含c d 磷 肥的施用等。例如，c d 最早就是在分离z n 矿时发现的，其往往与铅锌矿伴生， 因而铅锌矿的开采可能会导致c d 污染问题。而工业废水含有包括c d 在内的一 些重金属等污染物质，将这些工业废水直接引入农田灌溉就会导致c d 在农田土 2 猪粪农用对土壤一小麦系统中镉迁移的影响 壤中积累。如沈阳张士污灌区，该区表层土壤( 1 - 1 0c m ) 平均含c d4 6m g k g ( 周启星，高拯民，1 9 9 4 ) 。 影响c d 在土壤中行为的因素有： ( 1 ) p h ：土壤p h 值是土壤所有参数中影响c d 形态和有效性的最重要因素 ( s i n g hc ta 1 ，1 9 9 8 ；m u r r a ye ta 1 ，2 0 0 2 ) 。土壤中c d 的有效性取决于c d 在土壤 中的化学形态与含量，以及其在土壤中的吸附解吸行为，在很大程度上受土壤 p h 值的调节。提高土壤p h 值，导致土壤胶体负电荷增加，h + 竞争能力减弱， 使重金属被结合得很牢固，多以难溶的氢氧化物或碳酸盐及磷酸盐的形式存在， c d 的有效性降低( s i n g he ta 1 ，1 9 9 8 ) 。 ( 2 ) 有机质：土壤有机质可通过吸附或络合作用吸持c d ( 鲁如坤等，1 9 9 2 ) 。 这是因为土壤有机质具有大量功能团，对c d 等重金属离子的吸附能力远远高于 其他任何矿质胶体，更重要的是，有机质分解后形成的小分子有机酸、腐殖酸可 与重金属结合形成稳定的络合物，从而降低c d 的活性。研究表明，添加有机肥 后，c d 污染的土壤中有机络合态c d 明显增加，而水溶态和交换态c d 含量明显降 低，即土壤中有效态c d 的质量分数降低( 华珞等，2 0 0 2 a ，2 0 0 2 b ) 。 ( 3 ) c e c ：一般来说，土壤c e c 越高，c d 的溶解性就越差( s a n t i l l a n m e d r a n o e ta 1 1 9 7 5 ) ，土壤中有效态c d 含量就越低，植物吸收c d 量就越少( 鲁如坤等， 1 9 9 2 ) 。 ( 4 ) 质地：土壤粘粒含量越高，对c d 的吸附越多，但是其对c d 的吸附作 用一般低于土壤有机质对c d 的吸附作用。 ( 5 ) e h ：c d 在e h 值高( 即氧化条件) 时比e h 值低( 即还原条件) 时更 容易由无效态转化为水溶态和交换态。e h 对c d 的活性有明显影响，在土壤淹水 时，由于物理、化学和微生物作用，土壤中的f e 、m n 以f e s ，m n s 等不溶物形 式存在，结果使c d 共沉淀，c d 活性降低( 陈涛等，1 9 8 0 ) ，根系对c d 的吸收 减少，且不能向地上部运输( 鲁如坤等，1 9 9 2 ) 。 ( 6 ) 陪伴离子及互补离子：s p a r r o w 等( 1 9 9 4 ) 和g r a n t 等( 1 9 9 6 ) 分别 对马铃薯和大麦进行试验的结果表明，以k c l 的形式施入钾肥，马铃薯块茎和 大麦籽实中c d 质量分数均上升。研究证实，c l 。在溶液中能与c d 形成相对稳定 华中农业人学2 0 1 0 届硕士研究生学位论文 的复合物，如c d c l + 和c d c l 2 ，使c d 由固态向土壤溶液迁移，从而提高了c d 的溶解性及生物有效性( n o r v e l le ta 1 ，2 0 0 0 ) 。 大量研究表明，缺z n 时，植物极易吸收和积累土壤中的c d ( a b d e l s a b o u r e ta 1 ，19 8 8 ；m o r a g h 0 1 1 ，19 9 3 ；o l i v e re ta 1 ，19 9 4 ) 。而在土壤中尤其是缺z n 的土壤 中施z n ，会明显降低植物对c d 的吸收和积累( o l i v e r e t a l ，1 9 9 4 ) ；然而，a b d e l i l a h 等( 1 9 9 7 ) 用大豆做水培试验，发现2 、5 岬o ll 1 的c d 和1 0 、2 5p m o ll - 1 的 z n 之间并未表现出拮抗作用，而是表现为协同作用，z n 促进了c d 的吸收和向 地上部的迁移。 磷肥特别是含c d 磷肥的大量施用，导致作物体内c d 积累。g r a n t 和b a i l e y ( 1 9 9 7 ) 进行的大田试验表明，施用磷肥增加了亚麻种子中c d 的积累。m a i r e 等 ( 2 0 0 2 ) 进行的大田和盆栽试验，发现磷肥显著提高了马铃薯块茎中c d 含量。 此外，c u 、p b 等重金属也会影响到c d 在土壤中的行为。 综上所述，土壤p h 、有机质、c e c 等因素主要影响c d 在土壤中的溶解性 和移动性，其本质是影响c d 在土壤中的形态，即c d 在土壤中的缔合方式。 1 3 畜禽粪便农用和土壤重金属污染 。 畜禽粪便是畜禽养殖中的副产品，是一种有价值的资源，它包含农作物所必 需的氮、磷、钾等多种营养元素，经过处理后可作为肥料，具有很大的经济价值。 1 3 1 我国畜禽粪便产生利用现状 随着集约化养殖业的发展，1 9 9 9 年我国畜禽粪便产生量己达1 9 亿t ，是我 国其它固体废弃物产生量的2 4 倍( 万小红等，2 0 0 0 ) 。到2 0 0 3 年，我国畜禽 养殖业共产生3 1 9 0t 粪便，是当年工业产生固体废弃物的3 2 倍( 王方浩等， 2 0 0 6 ) 。 畜禽粪便的利用主要有以下方式： ( 1 ) 用作肥料：在我国传统的农业生产中，主要将畜禽粪便直接施用于农 田；还可以采用堆肥技术，将作物秸秆与养殖场粪便一起堆沤发酵后施于农田； 或生产有机复合肥( 宋秀杰，1 9 9 7 ) 。畜禽粪便的农用有利于改善土壤养分和有 机质的循环，提高作物产量，保持和改善土壤质量( 李庆康等，2 0 0 0 ) 。 4 猪粪农用对土壤一小麦系统中镉迁移的影响 ( 2 ) 作畜禽( 鱼) 的饲( 饵) 料：鸡粪含水量较少，有机质、氮、磷、钾 含量较高，较适合加工生产饲料。由于鸡的肠道短，吸收能力差，在排泄的鸡粪 中，含粗蛋白2 3 , - , 3 1 3 ，粗脂肪8 1 0 ，还有各种必需的氨基酸和大量维 生素，可以烘干、消毒后做鱼、猪的饲料( 蔡小葵，1 9 9 1 ) 。 ( 3 ) 厌氧处理生产沼气：猪、牛粪中含大量有机物，在高温厌氧条件下经 微生物降解成沼气，同时杀灭粪水中的大肠杆菌、蠕虫卵等。这样既可以有效控 制污染，改善环境，同时又可以获得充分的能源和资源。此外，沼渣、沼液可掺 入饲料喂猪、养鱼( 董克虞，1 9 9 8 ) 。 其中，畜禽粪便作为肥料施入土壤是其主要的利用方式。畜禽粪便的施用会 提高土壤的有机质含量，有助于改良土壤结构。此外，畜禽粪便中含有植物所必 需的养分元素，为植物的生长提供了营养( k a b a t a - p e n d i a sa n dp e n d i a s ，2 0 0 1 ) 。 1 3 2 畜禽粪便农用的环境风险 刘荣乐等( 2 0 0 4 ) 对我国畜禽粪便中重金属的含量状况进行调查与分析，结 果发现，参照德国腐熟堆肥标准( c d 、c u 、z n 的最高限量分别为1 5 、1 0 0 、4 0 0 m g k g ) ，所采的猪粪、鸡粪、牛粪等畜禽粪便中都有一种或多种重金属超标，猪 粪的c d 、z n 、c u 超标最为突出，超标率分别为5 1 7 、5 8 6 、6 9 o ，牛粪存 在c d 超标问题，超标率达3 8 1 ，鸡粪的c d 超标达6 6 o 。谭晓冬等( 2 0 0 6 ) 对商品有机肥的重金属测定结果表明，以畜禽粪便为原料生产的有机肥中存在 c d 、h g 超标现象。畜禽粪便中高含量的重金属可能会导致以畜禽粪便为有机肥 的农田中重金属的积累。 陕红等( 2 0 1 0 ) 通过室内培养试验表明，猪粪可降低土壤交换态c d 含量。 华珞等( 2 0 0 2 ) 对苗期玉米的盆栽试验表明，施入猪粪后土壤中有效态c d 含量 明显降低。虽然有大量的研究证明，畜禽粪便对重金属有固定作用，但也有试验 结果表明，添加畜禽粪便提高了土壤中有效态c d 含量，增加了植物体内c d 的 积累。n a r w a l 等( 1 9 9 8 ) 通过盆栽试验结果表明，施用猪粪，降低了小麦的产 量，土壤中可交换态c d 含量增加，籽粒中c d 含量增加。s a r a h 等( 2 0 0 7 ) 迸行 了5 7 年的野外试验，结果表明，长期施用猪粪，提高了c d 的植物有效性，增 加了小麦和大麦体内c d 含量。m o n i c a 等( 2 0 0 8 ) 的田间试验结果表明，施用牛 粪2 5 年后，土壤总c d 含量并没有显著增加，而有效态c d 含量显著增加。李本 5 华中农业大学2 0 1 0 届硕士研究生学位论文 银等( 2 0 1 0 ) 长期定位试验分析表明，长期施用猪粪，土壤全c d 、有效态c d 含量均增加，且明显地增加了糙米中c d 含量。此外，有研究表明，畜禽粪便农 用提高了土壤中c d 、c u 、z n 的溶解性( b o l a ne ta 1 ，2 0 0 4 ) 。水溶态c d 含量和 小麦籽粒c d 含量有显著的线性相关关系，从而容易对食物链造成风险( c h a u d r i e ta 1 ，2 0 0 1 ；a m a rm c h a u d r i ，2 0 0 1 ) 。 1 4c d 在土壤一作物系统中的迁移转化 当土壤中c d 含量超过一定浓度时，作物生长就会受到影响。在c d 毒害的情 况下，其对作物主要代谢过程如呼吸、光合、蒸腾作用等，均有显著影响。 1 4 1c d 对植物的影响 当作物组织中c d 积累到一定含量时，就会出现毒害症状，包括生长迟缓、 褪绿、矮化、产量下降等症状，严重时甚至会导致作物死亡( 马海涛等，2 0 0 7 ) 。 1 4 1 1c d 对植物生理生化的影响 c d 与s h 有很强的亲和力，进入植物体内可与功能蛋白质相结合，可取代 许多z n 酶中的z n ，或取代m g 激活酶中的m g ，这些金属离子往往是它们活性 中心的组成部分，c d 进入后妨碍了许多酶的活性。包括根系的脱氢酶、过氧化 物同工酶等，从而减少根系对水分和养分的吸收，也抑制根系对氮的固定( 孙赛 初等，1 9 8 5 ；刘海亮等，1 9 9 1 ；鲁如坤等，1 9 9 2 ) 。此外，c d 对叶绿素含量、 光合、呼吸和蒸腾作用的影响也相当明显，叶绿素含量随植物体内c d 含量的增 加而显著下降( 李元等，1 9 9 2 ) 。 c d 对植物生理生化方面的影响呈现在完全相反的2 个方面，即小剂量加速 某些生理生化反应，而大剂量则会对植物产生毒害。有人把此解释为c d 在低浓 度时对植物有积极的“刺激作用( 刘海亮等，1 9 9 1 ：董克虞，1 9 9 8 ) 。主要表 现在c d 促进植物体内的过氧化氢酶、酸性磷酸酶等的活性。但段昌群等( 1 9 9 2 ； 1 9 9 5 ) 则认为，重金属浓度无论水平高低，对植物的生理生化过程都是有害的， 只不过植物对金属的反应是一个过程中的两种作用的复合效应。在重金属的作用 下，一方面植物应激产生自身保护作用，通过加速生理生化活动，产生大量代谢 产物同重金属缔合以解毒；另一方面，激活的代谢系统也加速了重金属的吸收， 6 猪粪农用对土壤- d , 麦系统中镉迁移的影响 反过来又抑止了植物的代谢活动，对植物产生毒害。其中哪个占上风是由重金属 浓度、植物的不同代谢活动等综合因素所决定的( 夏汉平，1 9 9 7 ) 。 1 4 1 2c d 在植物体内的运输及分布 土壤中c d 被根系吸收后，通过木质部运输到植物的其他部位，c d 2 + 可沿半 径相似的c a 2 + 路径被根系吸收，也可在植物体内沿c a 2 + 运输路径运输。c d 在木 质部以自由离子或阳离子化合物形式运输，且在茎内呈明显的浓度梯度规律，即 越往上，浓度越低( p e t i te ta 1 ，1 9 7 8 ) 。c d 在植物体内长距离运输的速率为o 3 5 0 6 m h ( p e t i te ta 1 ，1 9 7 8 ) ，且受蒸腾作用的影响，蒸腾越强，向茎叶中的运输就越 快( h a r d i m a ne ta l ，1 9 8 4 ) 。 c d 在植物体内的分布通常是根 茎 叶 籽实( 夏增禄，1 9 8 8 ；周启星等，1 9 9 4 ； 王新等，1 9 9 5 ) ，但是胡萝b 则是叶中的浓度高于根( g u t t o r m s e ne ta 1 ，1 9 9 5 ) 。 有些植物的根对c d 有很强的富集能力，可使富集的c d 量为环境中c d 量的几倍 至几十倍，且根中的c d 往往很难向地上部迁移。例如，c d 在水稻体内的分布是 根系：茎叶：糙米约8 0 ：5 ：1 ( 夏增禄，1 9 8 8 ) 。豆科作物吸收的c d 绝大部分 滞留在根部，仅有2 被运送到茎叶，结实期间也只有8 迁移到种子中( 杨居 荣等，1 9 9 3 ) 。莫争等( 2 0 0 2 ) 大田试验发现，重金属在水稻植株不同部位的积 累分布是根部 根基茎 主茎 穗 籽实 叶部。水稻分蘖期重金属在根部、 茎和叶中的积累量达到最大，随着时间的延长，在根部积累的重金属越来越少； 在茎杆部积累的重金属在拔节期降至最小，随后含量又稍升高；叶片上的重金属 含量在拔节期迅速下降，随后趋于稳定( 杨居荣等，1 9 9 3 ) 。 1 4 1 3 降低植物体内重金属浓度的途径 降低植物体内重金属浓度可以从两个方面入手：改变土壤重金属的浓度和活 性，如客土、换土、清洗、电化法和施用石灰、有机物、粉煤灰、粘土矿物等； 选用在食用部位累积量小的作物品种( 傅显华等，1 9 9 5 ) 。 1 4 2c d 对食物链的影响 土壤中c d 通过植物的吸收而在植物可食部位积累，人类通过摄取食物及其 农副产品，从而导致c d 在人体中的积累( o b a t ae ta 1 ，1 9 9 7 ) 。通过食物进入人 体的c d 量随食物性质不同而异( 郭笃发，1 9 9 4 ) 。 7 华中农业大学2 0 1 0 届硕士研究生学位论文 1 4 2 1c d 对作物籽粒中c d 积累的影响 何勇强等( 2 0 0 0 ) 采用水培试验，得出c d 在大豆籽粒中的含量随水培溶液 中c d 处理浓度的提高而显著增高。杨春刚等( 2 0 0 6 ) 采用田问试验结果表明， 土壤中c d 含量与水稻糙米中c d 含量之间呈显著正相关关系。随着土壤中c d 含量 的增加，水稻糙米中c d 含量显著增加。 1 4 2 2c d 对人体健康的影响 尽管有些报道认为，c d 对某些动物的生长发育可能是有益的( 杨文正， 1 9 9 6 ) ，如在生理剂量内，c d 能促进某些动物的生长，降低和消除黄曲霉素对动 物的毒害作用等( 任继平等，2 0 0 3 ) 。然而，到目前为止，也没有找到c d 对动 物必需的科学证据，相反，c d 被动、植物吸收进入食物链，最终对动物和人体 造成危害的问题已有很多报道( a d r i a n o ，2 0 0 1 ；p r i n c ee ta 1 ，2 0 0 2 ) 。c d 在小麦和 水稻中的生物积累对动物与人体健康都会产生严重影响( n o g a w a & k i d o ，1 9 9 6 ) 。 食物和水中高浓度的c d 含量会引起骨科疾病和肾脏功能障碍( s e n e s ie ta 1 ， 1 9 9 9 ) 。施加畜禽粪便的土壤中，增加的c d 和z n 与一些类型的癌症等人类疾病 有关( m o n i c ae ta 1 ，2 0 0 8 ) 。有文献表明，c d 在人体中吸收性较差，对人来说仅 有3 - 8 被吸收，但这些c d 却被人体长期紧紧地保持着，散布于身体各组织，以 肾皮层积累最多( 郭笃发，1 9 9 4 ) 。 世界卫生组织现规定容许摄c d 量为4 0 0 5 0 0 微克人周。对大多数成年人来 说，相当于6 0 微克人日，假若成年人每天消耗4 0 0 克干物质，这就意味着食物 c d 的最高允许浓度为0 2m g k g ( 以干物质计)( 郭笃发，1 9 9 4 ) 。如果长时间 摄入含c d 量超过每周暂时耐受摄取量( 7p 眺g 体重) 的饮食就会增加机体对c d 的负荷( w h o ，1 9 9 3 ) 。 从上述分析可以发现： ( 1 ) 土壤本身的性质影响到重金属的毒性。 ( 2 ) 土壤中重金属污染，主要由人类活动引起，人类活动改变了土壤中重 金属总量及形态。 ( 3 ) 畜禽粪便的农用可能会导致一定的食物链健康风险。 ( 4 ) 实际情况下，农田中多种重金属相互作用，因此难以判断单独一种重 8 猪粪农用对土壤- d , 麦系统中镉迁移的影响 金属的作用，也很难为某一种重金属限定阈值( m a c d o n a l de ta 1 ，2 0 0 7 ) 。 1 5 研究目的和意义 畜禽粪便既可以治理重金属污染，同时也是土壤中重金属来源之一，畜禽粪 便农用是导致重金属污染，还是治理重金属污染，可能取决于畜禽粪便本身的重 金属含量。此外，畜禽粪便中重金属在不同土壤上的行为也有差异。目前，关于 畜禽粪便对c d 在土壤植物系统中行为的研究主要集中在某一种土壤上，缺乏同 时进行多种土壤相比较的研究。由于实验条件不同，在不同土壤上得到的结果往 往有较大差异，有的甚至相反。因此，有必要在同一个试验体系内开展研究，考 察不同土壤类型下，猪粪施用对c d 在土壤植物系统中迁移的影响，从而解决不 同研究体系之间的结果难以进行对比的问题。 我国地域