重金属污染农田区域的肥料管理与推广

1、重金属污染农田区域的肥料管理与推广摘要：肥料在现代农业生产当中,得到了越来越广泛的运用。但其施用还可能增加了土壤中重金属的含量，影响土壤重金属的形态、迁移转化和生物有效性等。基于此,本文概述了农田土壤重金属污染的现状，分析了施用肥料对土壤重金属的影响，指出重金属污染农田区域的肥料管理与分析新型肥料的推广。关键词：重金属污染、肥料、管理与推广 土壤中的常量营养元素氮、磷、钾通常不能满足作物生长的需求，需要施用含氮、磷、钾的化肥来补足。而微量营养元素中除氯在土壤中不缺外，另外几种营养元素则需施用微量元素肥料。施肥是提高作物产量的必要措施。施肥可以提供植物必需的营养元素，改善土壤性质、提高土壤肥力水

2、平。但是肥料的不合理使用导致土壤富营养化、养分的流失等生态环境问题，而且还会增加土壤重金属含量、改变土壤中重金属的化学形态，从而对农作物产生毒害作用，通过食物链危害人体健康。从化肥的原料开采到加工生产，总是给化肥带进一些重金属元素或有毒物质，其中以磷肥为主。中国施用的化肥中，磷肥约占20%，磷肥的生产原料为磷矿石，它含有大量有害元素F和As。磷矿石的加工过程还会带进其它重金属Cd、Cr、Hg、As、F，特别是Cd。研究表明，无论是酸性土壤、微酸性土壤还是石灰性土壤，长期施用化肥都会造成土壤中重金属元素的富集。比如，长期施用硝酸铵、磷酸铵、复合肥，可使土壤中As的含量达5060 mg/kg。同时

3、，随着进入土壤Cd的增加，土壤中有效Cd含量也会增加，作物吸收的Cd量也随之增加。因为肥料施用影响土壤重金属的形态、迁移转化和生物有效性等，从而加剧了土壤重金属污染。本文综述了农田土壤重金属污染的现状和施用肥料对土壤重金属的影响，并指出肥料管理与推广中存在的主要问题和制约因素并提出了肥料推广的策略。1. 农田土壤重金属污染的现状 农业部农产品污染防治重点实验室对全国24 个省市土地调查显示，320 个严重污染区，约548×104 hm2，重金属超标的农产品占污染物超标农产品总面积的80%以上。2006 年前，环境保护部对30×104 hm2 基本农田保护区土壤的重金属抽测了

4、3.6×104 hm2，重金属超标率达12.1%1。我国大多数城市近郊农田都受到了不同程度的重金属污染，如南京市土壤已受到Pb、Hg、Cd污染，其中Hg污染比较严重2；黄浦江中上游地区2010年农用土中Cd、Hg、As、Cr、Pb质量分数分别超过土壤背景值的60%、68%、19%、67%、45%3；北京市连续5 a（20052009年）的土壤样品中，近郊农田土壤中Hg、Cd和Pb平均质量分数均高于远郊4；深圳市2010年土壤Hg质量分数有37%的采样点超过土壤背景值，6%的样品点处于中度以上污染水平5。此外，在贵州、福建、河北、广西、江西、海南、重庆、香港等许多省市地区都发现了不同程

5、度Hg、Cd、Pb、Cr、As、Cu、Zn和Ni污染6。农田重金属污染是由于废弃物中重金属在土壤中过量沉积而引起的土壤污染。污染农田土壤的重金属主要包括汞、镉、铅、铬和类金属砷等生物毒性显著的元素，以及有一定毒性的锌、铜、镍等元素。有毒重金属在农田土壤系统中的污染过程具有隐蔽性、长期性和不可逆性的特点。重金属污染物在土壤中移动性很小，不易随水淋滤，不为微生物降解，通过食物链进入人体后，潜在危害极大，因此农田土壤重金属污染不容忽视。2. 施用肥料对土壤重金属的影响 2.1增加土壤重金属的含量虽然肥料尤其是化肥在增加作物产量、提高品质和保证粮食安全方面起到了不可替代的作用，但其在补充作物生长必需营

6、养元素的同时，不可避免地会将一些有毒有害物质如重金属带入到土壤中，而且影响土壤和导致土壤重金属污染的恶化。磷酸钙含有大量的游离酸，连续大量施用，会造成土壤酸化。钙镁磷肥含有25%-30%的石灰，大量施用会使土壤碱性加重和理化性质恶化。土壤中的阳离子以2价的钙、镁离子为主，向土壤中过量施入磷肥时，磷肥中的磷酸根离子与土壤中钙、镁等阳离子结合形成难溶性磷酸盐，即浪费磷肥，又破坏了土壤团粒结构，致使土壤板结。磷肥的生产原料为磷矿石，它含有大量有害元素F和As，同时磷矿石的加工过程还会带进其它重金属Cd、Cr、Hg、As、F，特别是Cd，从而导致土壤重金属污染的恶化。有机肥料畜禽粪便中猪粪的Cu、Zn

7、、As、Cd 含量较高，鸡粪中铬( Cr) 含量较高，污泥堆肥和垃圾堆肥中Cu、Zn、Pb 的含量较高7，施用有机肥、污泥堆肥和垃圾堆肥也会导致土壤中重金属含量增加，从而污染土壤。化肥的利用率偏低,只有35%左右,其余则被农田土壤吸收,大部分随雨水、灌溉进人水域,造成农田污染。田间使用的含微量元素的化肥可转化累积重金属。使用化肥是农田重金属污染的主要来源之一。因此使用肥料不当会增加土壤中重金属的含量。 2.2 影响土壤重金属的形态、迁移转化和生物有效性长期施用化肥加速土壤酸化。一方面与氮肥在土壤中的硝化作用产生硝酸盐的过程相关。首先是铵转变成亚硝酸盐，然后亚硝酸盐再转变成硝酸盐，形成H+，导致

8、土壤酸化。另一方面，一些生理酸性肥料，比如磷酸钙、硫酸铵、氯化铵在植物吸收肥料中的养分离子后，土壤中H+增多，许多耕地土壤的酸化和生理性肥料长期施用有关。相关分析研究表明, 土壤中交换态重金属随pH升高而减少, 且呈极显著负相关,碳酸盐结合态重金属与pH 呈显著正相关, 铁锰化物结合态重金属与pH 呈正相关 8。可交换态重金属对环境变化敏感, 易于迁移转化, 能被植物吸收 9，土壤酸化会导致壤中交换态重金属增加。可交换态重金属反映人类近期排污影响及对生物毒性作用10。添加磷肥可改变土壤中重金属Cu、Cd、Zn 和Pb 的形态分布，使土壤中重金属高植物有效性的酸提取态比例降低11;施用厩肥却明显

9、提高了土壤Zn, Cu和Cd的有效态含量和活化率12。3. 重金属污染农田区域的肥料管理重金属元素是肥料中报道最多的污染物质,化肥的连年施用会造成重金属在土壤中的积累。而且,化肥中的重金属通常比土壤中的重金属有较高的可溶性,容易被作物吸收,因而危害更大。调查研究结果证明,氮、钾肥料中重金属含量较低,磷肥中含有较多的重金属,另外,日益兴起的垃圾肥、污泥肥以及来自畜禽的有机肥都含有一定数量重金属尤其是Cu, Zn, Cd, P等13、14。那么，对于重金属污染农田区域，不合理利用肥料将会加剧土壤的重金属污染。因此，必须对重金属污染农田区域的肥料进行严格管理和控制，避免土壤的重金属污染的加剧。污染农

10、田土壤的重金属主要包括镉、汞、铅、铬和类金属砷等生物毒性显著的元素，以及有一定毒性的锌、铜、镍等元素。对于污染的农田，应限制磷肥中镉含量。因为磷肥是以磷矿为原料生产的含有作物营养元素磷的化肥，它含有大量有害元素F和As，同时磷矿石的加工过程还会带进其它重金属Cd、Cr、Hg、As、F，特别是Cd。而磷肥对重金属的间接影响主要是降低重金属的活性，磷肥的施用增加了土壤的负电荷和CEC,因而增加了土壤对重金属离子的吸附15、16。但是HeQs et al.17试验表明施磷肥可显著降低菠菜、胡萝卜、燕麦和黑麦草等植物对Cd的吸收和积累;曹仁林等18证实了钙镁磷肥可抑制植物吸收Cd;过磷酸钙也被证明可以

11、减少土壤中汞在糙米中的积累。但是相反的报道并不少见,singh.19试验得出土壤施用磷肥(本身含Cd)较高时可促进油菜和燕麦对Cd的吸收;刘启东等20也有相关方面的结论。以上可归纳为,钙镁磷肥、磷酸二氢钙的施用可降低作物对Cd的吸收;过磷酸钙的施用可降低植株对Cu的吸收,但因其本身为酸性肥料而且含一定的Cd,因此当用量较高时反而会增加植物的Cd吸收量。因此必须控制磷肥的用量，而且要限制磷肥中镉含量。对施用磷肥的农田土壤，需要进行长期监控，定期测定土壤以及农作物中重金属的含量，避免由于长期施用磷肥导致重金属的污染。对于污染的农田城市污泥农用与垃圾堆肥，应该严格控制城市污泥与垃圾中的重金属含量，防

12、止城市污泥农用与垃圾堆肥把重金属带入土壤中。陈同斌等21研究表明,Zn是我国城市污泥中平均含量最高的重金属元素,其次是Cu、Cr,而毒性较大的元素Hg、Cd、As含量较低。Walter等5研究城市污泥农用过程中发现铜、锌只在0-20 cm有显著积累,并随施肥量的增加而增加,土壤中大量的铜、锌的积累与污泥中铜、锌高含量相关。高的污泥施用量和重金属含量会对植物的生长产生抑制甚至毒害作用22。垃圾堆肥除了含有丰富的氮、磷、钾等营养元素外，还含有钼、硼、锌、铜等微量元素23。在施用垃圾堆肥的过程中, 不同的土壤对垃圾堆肥的最大承纳量有所不同, 黄棕壤的承纳量为225 900t/hm2 , 潮土的承纳量

13、为450t /hm2 , 红壤的承纳量为900t /hm2 , 当垃圾堆肥施用量大于以上标准时, 由于重金属危害等原因, 将导致作物和蔬菜产量的增幅减小24。因此，城市污泥与垃圾堆肥的不合理利用，会增加土壤中重金属的含量。因此在使用前，必须对城市污泥与垃圾堆肥中的含量进行检测，控制其重金属含量。除此之外，还可以使用其他肥料代替磷肥，如雷等鸣研究试验表明硅肥既能促进水稻生长发育，又能减低污染稻田稻米对Cd 的积累量，改良效果相对稳定，是修复Cd 污染农田的优选改良剂25。4. 新型肥料的推广 4.1推广使用硅肥 硅肥是一种微碱性、枸溶性玻璃体肥料, 是指以有效硅为主要标志量的各种肥料。硅肥使用在

14、控制作物的重金属镉26和砷27的吸收方面具有重要作用。硅肥中所含的硅酸根离子与Cd、Hg、Pb 等重金属发生化学反应，形成新的不易被植物吸收的硅酸化合物而沉淀下来；硅肥中的硅能提高土壤和植物根际pH，降低重金属的活性，增加了植物根际氧化能力，从而改变土壤中重金属的赋存形态，最终改变其在土壤中的生物有效性28。 4.2推广使用微生物肥料 微生物肥料是指含有一定量特定功能的有效活体微生物制品;其通过微生物种群的生命活动促使作物得到特定的肥料效应29。微生物肥料可以将土壤中难溶的磷、钾分解出来，转变为作物能吸收利用的磷、钾化合物；协助农作物吸收营养增强植物抗病和抗旱能力；许多用作微生物肥料生产的微生

15、物种类在生长繁殖过程中可以产生对植物有益的代谢产物，如生长素、吲哚乙酸、赤霉素、多种维生素、氨基酸等等，能够刺激和调节作物生长，使植物生长健壮，营养状况改善， 进而有增产效果；有的微生物种类还能产生抗菌素类物质，有的则由于在植物根区形成优势种群，使病原微生物难以生长繁殖而降低了作物病虫害的发生。微生物肥料的使用可减少化肥的使用量，提高化肥利用率，使用微生物肥料还可充分利用再生资源30。 4.3推广使用生物质炭 生物质炭也称生物质焦或生物炭，是秸秆、枯枝落叶、粪便和污泥等生物质高温裂解的固体产物，一般具有高度芳香化结构，疏松多孔，具有巨大的比表面积，能够吸持大量的水分和养分31、32 。生物质炭

16、可以提高土壤对营养元素的吸持能力和阳离子交换量(CEC)、降低土壤的酸度和有毒元素对植物的毒性、提高土壤养分的利用率、增强土壤的保湿能力、改善土壤结构和其它物理性质、促进土壤微生物种群的发展并增强土壤微生物的活性、减少水稻土N2O 和CH4 的排放、促进土壤养分的循环，并且可以增加土壤有机碳的含量，从而可以促进植物的生长33-37。 农民由于文化水平和理解的差异性， 对于新型肥料还需要一个接受和认识的过程。对于销售、推广的企业和农技推广部门,一方面，需要有选择性的加大对使用者的培训和宣传；另一方面， 通过开展、组织更多的试验示范推广活动， 让农民在眼见为实的环境下逐渐去了解它、接纳它。参考文献

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