施肥与农田重金属累积的关联性分析

1、    施肥与农田重金属累积的关联性分析    李振国+余光辉+张勇+李文慧+宋焱+苏明燕摘要：肥料是农业土壤中重金属的主要来源之一。本文收集了主要肥料中重金属的含量，以及湖南省1989年2012年耕地面积和农田施肥量，计算了湖南省单位面积耕地重金属元素的累积量，评价了农业生产中施肥对农田重金属污染的贡献。结果发现，肥料中重金属含量最高的为磷肥和复合肥。农田重金属输入量最多的是zn，达到了2.5151 kg·hm-1，其次是cr，输入量为1.3683 kg·hm-1，cu的输入量为0.1573 kg·hm-1，as为0.11

2、03 kg·hm-1，pb、ni、hg和cd的输入量分别为0.0855 kg·hm-1、0.0617 kg·hm-1、0.0220 kg·hm-1和0.0023 kg·hm-1。磷肥和复合肥是农田重金属的重要来源。关键词：重金属；土壤；肥料；湖南省基金项目：湖南省教育厅资助科研项目16a068；地理空间信息湖南省工程实验室开放基金资助项目2014gisneljj003： x825 ： a doi编号： 10.14025/ki.jlny.2017.16.029肥料在为农作物提供生长所需的养分元素的同时，也会向土壤中输入一定量的重金属元素1-3。中

3、国农业土壤的重金属元素超标呈现面积扩大和程度加重的趋势。2000年对湖南农田保护区进行了有害金属抽样检测，结果显示，在30万公顷农田中，有3.6万公顷土壤重金属超标4。国外对化肥中的重金属已有较多的研究5-8，但国内的研究起步较晚。我国是一个农业大国，农业产业的安全状况对国家经济安全和人民健康至关重要，因而研究施肥与农田重金属超标的关联性具有重要的现实意义。本文主要基于1989年以来湖南省的农田施肥量，分析农田重金属随时间变化的累积情况，估算了施肥对农田重金属的贡献，为合理施肥提供参考依据。1 研究区概况湖南省位于中国中南部，长江以南，南岭以北，地处东经108°47114°

4、05和北纬24°3830°08之间，总面积21.18万公顷。自古以来，湖南就有“九州粮仓”“鱼米之乡”的美誉。近年来，由于不合理的利用耕地資源，导致湖南省局部地区农业生态环境恶化9。湖南省25.83%的农田灌溉水、26.38%的耕地和18.29%的农田均受到不同程度的污染，土壤重金属超标严重，致使土壤环境质量下降，有的甚至不得不弃耕10-12。2 数据采集本文数据来源为湖南统计年鉴和湖南年鉴，整理了有化肥施用记录开始1952年到2012年期间，每年的化肥施用量，其中自1980年开始有氮肥、磷肥、钾肥及复合肥的分类数据统计。同时，收集整理了公开发表文献中的肥料重金属含量。3

5、结果分析3.1 施肥量快速增长，氮肥施用量最多湖南省农田施用化肥的记录可追溯至1952年。1952年1963年的11年间，化肥使用的实物量由0.2万吨增加至23.91万吨，平均每年增加2.16万吨；1964年以后化肥施用量迅速增加，到2012年，化肥年使用量达到855.23万吨，平均每年增加17.135万吨（如图1）。常见化肥中，氮肥的施用量最多，1980年为217.34万吨，2012年增长至420.76万吨，增长了203.42万吨，年均增长6.37万吨，增长率为93.6%；磷肥由127.85万吨增长至199.32万吨，增长了71.47万吨，年均增长2.23万吨，增长率为55.9%；钾肥由12

6、.82万吨增长至86.06万吨，增长了73.24万吨，年均增长2.29万吨，增长率为571.29%；复合肥由3.03万吨增长至149.09万吨，增长了146.06万吨，年均增长4.56万吨，增长率为4820.46%。3.2 土壤中重金属的输入量及累积量通常情况下，氮肥和钾肥中的重金属含量较低，而磷肥和有机肥中重金属的含量较高13。以下分别分析氮肥、磷肥、钾肥和复合肥中的重金属含量情况，进而得出其对土壤中重金属输入量的贡献值。3.2.1 肥料中重金属的含量情况 肥料中各种重金属的含量如表1所示，各种肥料中重金属含量的差别很大。cu的含量复合肥中最多，达10.97 mg·kg-1，其次是

7、磷肥和钾肥，氮肥中的含量最少，为0.41 mg·kg-1；cr在磷肥中的含量最多，数值远远大于其他肥料，且钙镁磷肥中的含量远大于过磷酸钙中的含量，达到156.93 mg·kg-1，而氮肥中cr的含量最少，仅为0.245 mg·kg-1；cd在复合肥和磷肥中的含量较多，均超过0.1 mg·kg-1，在钾肥中含量较少，氮肥中最少，最多仅为0.0005 mg·kg-1；hg在过磷酸钙中的含量最多，为2.31 mg·kg-1，其次是复合肥、钙镁磷肥和钾肥，在氮肥中的含量仅为0.094 mg·kg-1；as的含量复合肥中最多，达10.

8、02 mg·kg-1，其次是磷肥，氮肥中含量最少；zn的含量依然在复合肥中最多，达348.2 mg·kg-1，远大于其他肥料中的含量，钾肥和氮肥中zn的含量较少；ni的含量在复合肥中最多，为11.74 mg·kg-1，氮肥中最少，为0.22 mg·kg-1，磷肥和钾肥中的含量不详；pb在磷肥中的含量最多，过磷酸钙和钙镁磷肥中的含量分别达到了8.35 mg·kg-1和6.20 mg·kg-1，复合肥和氮肥中的含量较少，钾肥中最少，最多仅为0.0008 mg·kg-114-16。化肥中重金属的含量与化肥生产原料中的重金属含量及其

9、生产工艺有关，氮肥与钾肥中的重金属元素含量低，主要是由于氮肥和钾肥的生产原料中重金属含量较低，合成过程中产生的废弃物又带走了一部分重金属元素。生产磷肥的磷矿石原料中通常含有较多的cd、pb、hg、as等重金属元素，并且国外的磷矿石原料中cd的含量普遍高于国内磷矿石的重金属含量，因而磷肥中重金属元素的含量较高。复合肥为人工配制，不同复合肥的各种原料使用量可能会有较大的差异，另外，复合肥中可能会掺入有机肥料，故而复合肥中的重金属元素含量最高，且差异较大。 3.2.2 施肥造成的重金属累积不容忽视 对比国家有机、无机复混肥料标准（gb18877-2002），市售肥料中重金属含量均未超标，但因施肥造成

10、的重金属累积不容忽视。根据湖南省统计年鉴，自1989年2012年（不包括2006年和2009年）各种肥料的累积施用量，其中施用量最多的是氮肥，共施用了8451.11万吨；其次是磷肥，累积施用了3898.30万吨；复合肥和钾肥的施用量比氮肥和磷肥少得多，复合肥共施用了1589.46万吨，钾肥共施用了1315.33万吨；氮肥、磷肥、钾肥和复合肥共施用了15254.20万吨。湖南省耕地共计积累cu 596150.68公斤，cr 5184951.64公斤，cd 8542.77公斤，hg 83327.87公斤，as 418166.06公斤，zn 9530491.73公斤，ni 233851.53公斤，p

11、b 323842.94公斤；单位面积耕地累积量最多的是zn，达到了2.5151 kgohm-1，其次是cr，单位面积的累积量也达到了1.3683 kgohm-1，单位面积cu的累积量为0.1573 kgohm-1，as为0.1103 kgohm-1，pb、ni、hg和cd的单位面积累积量分别为0.0855 kgohm-1、0.0617 kgohm-1、0.0220 kgohm-1和0.0023 kgohm-1。不同肥料输入土壤中的重金属的含量存在着相当大的差异。cu的输入量磷肥中最多，达314716.91公斤，其次是复合肥，输入量为196191.87公斤，钾肥和氮肥的输入量较少，分别为4724

12、9.80公斤和37992.10公斤；cr的输入量在磷肥中也是最多的，达到4645495.29公斤，复合肥中为516753.76公斤，氮肥中cr的输入量最少，为22702.59公斤；cd通过磷肥和复合肥输入土壤中的量较多，分别为4489.85公斤和3272.90公斤，通过钾肥输入的量较少，为733.69公斤，氮肥的输入最少，仅为46.33公斤；hg通过磷肥的输入量最多，为55160.98公斤，其次是复合肥，通过复合肥输入土壤的重金属含量为16419.02公斤，通过氮肥输入的量为8710.38公斤，通过钾肥输入的量为3037.49公斤；as的输入量中，磷肥和复合肥所占比重最多，通过磷肥输入的量为1

13、86863.17公斤，通过复合肥输入的量为182191.16公斤，通过氮肥输入的量较少，为49111.73公斤；zn的输入量在复合肥中最多，达6331233.55公斤，其次是磷肥，输入量为2606677.03公斤，通过氮肥和钾肥输入的zn较少，分别为451271.98公斤和141309.18公斤；ni的输入量在复合肥中最多，为213465.53公斤，氮肥中最少，为20386.00公斤，磷肥和钾肥中ni的含量不详，因而通过磷肥和钾肥向土壤中輸入的ni的含量也不详；pb通过磷肥的输入量最多，为311082.27公斤，复合肥和氮肥中的含量较少，分别为11636.96公斤和1111.96公斤，通过钾肥

14、的输入量最少，仅为11.74公斤。4 讨论磷肥由于主要来源于天然矿物，因此重金属含量最高，且由于产地不同重金属含量变化很大。所以，施用磷肥时尤其应关注其重金属的累积问题。另外，农家有机肥的重金属含量较化肥还要严重，在各种禽畜废弃物生产的有机肥料中，鸡粪有机肥中cu、zn、hg的含量较高；猪粪有机肥中as的含量超过或接近限定值，cu和zn的含量很高；牛粪有机肥中重金属的含量最少15。由于缺少有机肥使用的统计数据，本文未加计算，农田中因施肥造成的重金属累积问题更加严重。5 结论农田中施肥量在逐年增多，磷肥和复合肥对农田重金属的积累贡献较大，而氮肥和钾肥输入土壤中的重金属较少。农田输入量最多的重金属

15、是zn，达到了2.5151 kg·hm-1，其次是cr，输入量为1.3683 kg·hm-1，cu的输入量为0.1573 kg·hm-1，as为0.1103 kg·hm-1，pb、ni、hg和cd的输入量分别为0.0855 kg·hm-1、0.0617 kg·hm-1、0.0220 kg·hm-1和0.0023 kg·hm-1。参考文献1王起超，麻壮伟.某些市售化肥的重金属含量水平及环境风险j.农村生态环境，2004，20（02）：62-64.2徐明岗，武海雯，刘景.长期不同施肥下我国3种典型土壤重金属的累积特征j

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