畜禽粪便有机肥中重金属在农田土壤中的形态归趋及生物有效性演变机理

Intensive poultry and livestock production produced a large amount of manure. Due to abuse of mineral additives, high residues of Cu, As, Cd and Zn in manure have been reported. Large quantities of animal manures were annually applied to soil especially contributed to vegetable production in China. This has caused the public to worry about food safety and the potential risks of heavy metals. Pot experiments, soil incubation experiments and long term field plot experiments will be conducted with different sources of manures containing heavy metals were applied to different soil at various rates to evaluate the heavy metals bioavailability and their speciation transformation. Dynamics of soil heavy metal forms and heavy metals in the soil solution were determined. Stability isotope technology and sequential extraction technology will be used also. This study may assist in understanding the risk of manure land application, aid in developing strategies to reduce the heavy metals bioavailability in agricultural soils and promote policies to protect soil quality.

规模化养殖集中产生了大量畜禽粪便，其利用的主要途径是作为有机肥料进入农田土壤。由于矿物质饲料添加剂的普遍使用，集约化养殖场畜禽粪便中含有高量重金属元素，农田土壤特别是蔬菜地上畜禽粪便有机肥的大量施用已经成为土壤重金属污染的重要原因之一，控制和治理农田土壤重金属污染是保障农产品质量安全的首要环节。本研究以畜禽粪便有机肥中重金属在不同农田土壤中的形态归趋过程及生物有效性演变为研究主线，通过在不同土壤、不同农业种植方式下培养试验、土壤重金属形态动态分析、土壤溶液中重金属动态监测、重金属与有机物作用过程、稳定性同位素技术及生物盆栽和田间小区试验，系统研究畜禽粪便带入土壤的重金属在不同土壤中归趋和形态演变过程，重金属进入土壤不同重金属"库"的比例及动态变化规律，探明畜禽粪便有机肥中重金属在不同土壤中生物有效性演变机理，为合理确定农田土壤重金属负荷，科学评价畜禽粪便有机肥中重金属风险提供理论依。

集约化养殖产生的畜禽粪便中含有高量重金属，畜禽粪便有机肥的施用已成为农田土壤重金属污染的重要原因之一。本研究以畜禽粪便有机肥中重金属在不同农田土壤中的形态归趋过程及生物有效性演变为研究主线，通过重金属形态分析、土壤溶液中重金属动态监测、重金属与有机物作用过程及生物盆栽和田间试验，系统研究畜禽粪便带入土壤的重金属在不同土壤中归趋和形态演变过程，重金属进入土壤不同"库"的比例及动态变化。为合理确定农田土壤重金属负荷，科学评价畜禽粪便有机肥中重金属风险提供理论据。. 研究结果表明:石灰性和酸性土壤上鸡粪和猪粪中Cu、Zn、Cd的生物有效性显著低于等量重金属无机盐。施用鸡粪和猪粪后的不同时间段，Cu、Zn、Cd、Pb的生物有效性存在显著性差异，在施用后呈现先下降然后再上升规律，施用后2个月时生物有效性最低，为等量该重金属无机盐的3.4%-47%；在水稻土上，等量重金属无机盐处理土壤溶液中Cu、Zn、Cd、Pb的含量分别是鸡粪处理的2.4、3.1、3.9和327.3倍，分别是猪粪处理的2.0、2.2、15.6和4.0倍。重金属的生物有效性施用后呈现先升高后降低再升高规律，在施用后2个月时畜禽粪便有机肥中重金属的生物有效性最低，相当于等量重金属无机盐的13.0%~30.0%。通过畜禽粪便有机肥进入土壤中的重金属在土壤中主要以交换态、碳酸盐结合态以及有机结合态的形式存在。畜禽粪便带入石灰性和酸性土壤土壤中的Cu主要以交换态和有机结合态的形式存在，Zn则主要以碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态和有机结合态的形式存在。畜禽粪便带入水稻土中Cu、Zn的量较低时，Cu优先积累在有机质结合态中，Zn优先积累在碳酸盐结合态中。连续施用畜禽粪便有机肥的田间试验表明，Cu、Zn、Cd、Pb与有机碳、易氧化有机碳在土壤剖面分布与积累过程中表现出同步性。连续4年施用猪粪显著增加表层土壤Cu、Cd含量，高用量猪粪和鸡粪处理Cu可迁移到15-60cm土层，Zn可迁移到30-60cm土层。猪粪带入的Cu、Zn在耕层土壤中的积累率分别为76.4%~119%和14.2%~20.4%，鸡粪带入Cu、Zn在耕层土壤中的积累率分别为72.1%~88.7%和63.9%~78.9%。施有机肥时土壤中Cu、Zn、Cd、Ni的重要输入源为畜禽粪便，占总输入量的比例分别是：86.1%、83.8%、76.6%、72.5%。