田 甜 ，王洞洞 ，赵丽丽 ，陈春乐

（1.福建省资源环境监测与可持续经营利用重点实验室,福建 三明 365004；2.福建省矿山生态修复工程技术研究中心,福建 三明 365004;3.三明学院 资源与化工学院,福建 三明 365004）

肥料的施用可以改变土壤的供肥水平而促进作物的生长，因此有大量的肥料施用在农业土壤上。近年来，微量元素对农业作物增产及品质提升的影响已经得到了认可[1-3]，其中尤以微量元素螯合肥在提高肥料使用效率，解决作物生长过程中的缺素问题，减少肥料的盲目施用，符合绿色农业发展需求而备受重视[4]。但是有研究表明肥料施用会对土壤的重金属的累积量和有效性产生影响，且不同肥料对其的影响存在差异[5-7]。土壤中重金属的有效性很大程度上取决于土壤中重金属的形态分配，一般把土壤重金属分为5个形态：可交换态（F1）、碳酸盐结合态（F2）、铁锰氧化物结合态（F3）、有机结合态（F4）以及残渣态（F5）[8]，各形态下重金属的移动性难易顺序依次为：可交换态＞碳酸盐结合态＞铁锰氧化态＞有机结合态＞残渣态。因此，在受重金属污染的土壤中，改变土壤中重金属的赋存形态会改变重金属的有效性和迁移性，在国内外已有研究表明肥料的施用会影响土壤中重金属的形态。汪海燕等[9]研究表明增施有机肥、无机肥对根际土壤Cu有活化作用，活性态(酸提取态、氧化物结合态、有机物结合态)Cu所占百分比均增加。潘逸等[10]研究表明，与施用无机肥相比，施用有机肥后耕地土壤中可交换态Cu、Cd含量显著增加，其大小顺序为：秸秆与无机肥处理＞猪粪与无机肥配施处理＞无机肥。因此，肥料施用对土壤重金属形态的影响会改变土壤中重金属的有效性和移动性。

此外，近年来研究发现螯合剂的施用对于重金属污染土壤有着一定的影响，螯合剂可以通过与土壤溶液中的重金属离子结合，改变重金属在土壤中的存在形态，使重金属从土壤颗粒表面解析，由不溶态转化为可溶态，从而大大活化土壤中的重金属[11]。当螯合剂进入土壤后，重金属会被活化而其生物有效性会增加[12-13]。微量元素在植物的生理功能中起到不可代替的作用，因此目前市场上销售的微量元素螯合肥种类越来越多（如聚磷酸铵螯合微量元素肥、氨基酸微量元素螯合肥）[4,14]，在农业上的利用备受青睐。但是正如前文所述，螯合剂会改变土壤重金属的有效性，而微量元素螯合肥施用后对土壤中重金属有效性、形态等的影响决定了微量元素螯合肥在重金属污染土壤上的适用性，然而目前国内外研究却少见相关报道。因此，鉴于我国目前土壤重金属污染严重，探明微量元素螯合肥施用对土壤重金属化学行为的影响具有重要的现实意义。本研究以三种螯合剂（EDTA、聚天门冬氨酸、三聚磷酸钾）和微量元素Zn螯合成的螯合Zn肥为研究对象，分析不同螯合Zn肥对铅锌矿区污染农田土壤中Cd和Pb有效性、形态分配和稳定性特征的影响，同时以复合肥作为对照，以期为螯合Zn肥在重金属污染土壤上的适用性提出科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤样品的采集及理化性质测定

供试土壤样品采集自福建省建瓯市南雅镇受某铅锌矿污染的农田土壤，采样时清除土壤表层杂草和其它杂物，去除明显的植被根茎后装入自封袋中，做好标记，及时带回实验室。采集的土壤样品放置在实验室通风处晾干，将大块土壤敲碎，期间注意翻动土壤，同时防止实验室中药品误混入土壤中。待土壤自然风干后，剔除石块和植物根茎，过0.149和2 mm筛，标记存放好备用并测定土壤理化性质。土壤pH值采用电位法测定，土壤有机质含量采用硫酸-重铬酸钾外加热法测定，土壤阳离子交换量（CEC）采用中性醋酸盐法测定，土壤颗粒组成采用比重计法测定，具体分析测定方法见鲍士旦的方法[15]。采用王水提取—电感耦合等离子体质谱法测定土壤中Cd和Pb的本底值含量[16]。供试土壤基本性质见表1。根据我国耕地污染风险筛选值 （土壤pH≤5.5，Cd为0.3 mg/kg；Pb为80 mg/kg）的规定[17]，供试土壤的重金属含量均超过风险筛选值的规定，说明该土壤对农产品安全、农作物生长或土壤生态环境可能存在风险。

表1 供试土壤基本性质

1.2 EDTA-Zn螯合肥的制备

本试验制备的螯合肥包括EDTA-Zn、聚天门冬氨酸-Zn（PASP-Zn）和三聚磷酸钾-Zn（KTPPZn）螯合肥。根据螯合剂与硫酸锌摩尔比为2∶1往烧杯中加入EDTA（或PASP或KTPP）和七水合硫酸锌，在恒温水浴锅中完全溶解后用稀硫酸和氨水调节pH5，在恒温磁力搅拌器（转速700 r/min）的搅拌下反应30 min，即合成螯合锌（EDTA-Zn或PASP-Zn或TPP-Zn）。然后将其均匀的喷洒在复合肥（N∶P∶K=15∶15∶15）上面，搅拌均匀后，放置于烘箱中烘干，即制成螯合肥。

1.3 肥料施用及土壤制备

取1.1步骤制备好的土壤（＜2 mm）3 kg装入脸盆中，分别加入1、2和3 g的螯合锌肥和复合肥（CK）， 分 别 标 记 为 EDTA1、EDTA2、EDTA3、PASP1、PASP2、PASP3、KTPP1、KTPP2、KTPP3、CK1、CK2、CK3。将土壤和肥料搅拌均匀后将其倒入花盆中，用超纯水调节土壤水分含量为70%田间持水量条件。培养周期设置为1个月，期间经常用超纯水调节水分含量使土壤维持70%田间持水量。培养结束后，将各个处理的土壤翻松多次，保证容器中的土壤均匀混合，取部分土壤自然干燥，研磨过0.149 mm和2 mm筛，装袋备用。

1.4 土壤重金属有效态含量的测定

土壤有效态Cd和Pb测定方法如下：准确称取土样5.00 g于100 mL塑料瓶中，加入25 mL DTPA（0.005 mol/L DTPA+0.01 mol/L CaCl2+0.1mol/L TEA，并调节浓液pH为7.30±0.05）浸提，盖紧盖子，于往返式振荡机上振荡2 h（振荡频率为180 r/min），取出立即用0.45 μm微孔滤膜过滤于50 mL的塑料瓶中，滤液即为待测液。用ICP测量Cd和Pb的浓度。

1.5 土壤重金属形态分析测定

土壤中Cd、Pb的形态测定采用BCR三步连续提取法[18]。具体提取步骤有如下4个。

（1）弱酸提取态(F1)用40 mL 0.1mol/L HOAc水溶液作为浸提剂，振荡16 h后离心20 min。将离心管中的上清液过0.45 μm滤膜至50 mL容量瓶中，摇匀。用ICP测定Cd、Pb的浓度。

（2）可还原态(F2)向弱酸提取态后的实验样品中加入40 mL 0.5 mol/L的NH4OH·HCl水溶液,其它步骤同上。

（3）可氧化态(F3)向可还原态后的实验样品中加入10 mL H2O2（pH值2～3），混合均匀后在常温下放置1 h后用水浴加热至（85±2）℃，再加入10 mL H2O2，在恒温水浴箱中保持（85±2）℃ 1 h。加入50 mL 1 mol/L NH4OAc水溶液，连续震荡16 h离心20 min。其它步骤同上。

（4）残余态(F4)土壤重金属残留态含量采用王水提取—电感耦合等离子体质谱法测定[16]。

1.6 土壤重金属移动性和结合强度的计算

土壤重金属的移动性（MF）有效反映了土壤重金属的移动性和生物可利用性，MF越高，重金属的移动性和生物可利用性也越高，其对外界环境存在的风险也越高[19]，计算过程见公式（1）。

土壤重金属结合强度（IR）可以表示土壤中重金属的稳定性[20]，计算过程见公式（2）。

式中i为连续提取的次数(1～4)，k=4，Fi为元素的第 i种形态的相对含量。IR值的范围为 0～1，能够定量地描述重金属与土壤的相对结合强度，也能反映重金属有效性的大小，IR值低表明重金属与土壤结合的强度弱，越容易被作物利用[12]。

1.7 数据处理与分析

对重复的3次实验结果进行取平均值，用Sigmaplot进行作图，用SPSS软件进行数据统计分析。

2 结果与讨论

2.1 肥料施用对土壤重金属Cd和Pb有效性的影响

由表2可知，施用复合肥和螯合Zn肥后土壤的pH均显著低于原土的pH（P＜0.05），pH由原土的5.01降低到4.15～4.48。同一种肥料处理条件下，土壤pH随着肥料施用量的增加而降低，此外不同肥料在相同施肥量条件下的土壤pH没有明显差异（P＞0.05）。土壤中重金属的吸附-解吸过程会影响重金属的形态以及有效性。土壤性质和土壤溶液的组成决定了土壤中重金属离子和土壤颗粒间的动态平衡[21]，土壤中的无机和有机配位离子以及pH通过影响重金属的吸附和解吸过程影响重金属在土壤溶液中的浓度[22-23]。因此，施加肥料后引起的土壤pH的变化以及配位体（EDTA、PASP、KTPP）进入土壤会对土壤重金属Cd和Pb的有效性造成影响。

表2 不同处理土壤Cd和Pb的有效性和pH

原土中有效态Cd浓度为0.86 mg/kg（表2），超过福建省农产品产地土壤重金属污染程度的分级标准中规定的高危值（0.65 mg/kg）[24]，说明原土已经遭受严重Cd污染，存在较大的严重生态环境风险。施加肥料后，EDTA3处理的有效Cd含量显著大于原土（P＜0.05），其它处理与原土之间不存在显著差异（P＞0.05），但也高于原土中有效Cd含量。同一肥料不同用量处理的Cd有效态含量之间也没有表现出显著差异（P＞0.05）。这可能是由于，土壤中Cd大部分是以弱酸提取态（F1）和可氧化态（F2）形式存在（图1），F1和F2形态的Cd均能够被DTPA所提取，虽然施肥处理后土壤pH有所下降促进土壤中Cd的解吸 （F2向F1转移），但是此过程不足以通过DTPA提取的Cd量而表现出来；另外，螯合配位体进入土壤后，可能会与土壤中的Cd形成螯合物，而此螯合物很难被DTPA提取出来[25]。由此可见，不论施复合肥还是螯合Zn肥，均会导致土壤Cd有效性的增加，加重土壤中Cd的生态环境风险，但是增加量有限。

从表2可知，原土中土壤有效态Pb含量为35.71 mg/kg，略微高于福建省农产品产地土壤重金属污染程度的分级标准中规定的限制值（35 mg/kg）[24]。CK处理后土壤中有效Pb含量均显著大于螯合Zn肥处理后和原土中有效Pb的含量，为49.61～51.29 mg/kg，增长幅度达到了42%，大幅度的提升了土壤中的Pb的有效性，CK处理导致的土壤pH值的减少是引起土壤Pb的活化的一个重要因素；KTPP1和KTPP2处理后土壤中有效Pb含量显著大于原土，可能的原因是KTPP螯合肥酸化了土壤，降低土壤pH值，此外KTPP会与Pb离子发生螯合作用，促进土壤中Pb向螯合态转移，从而增强了Pb的有效性；其它处理后土壤中有效态Pb虽然含量比原土大，但是没有表现出显著差异。

2.2 肥料施用对土壤重金属形态的影响

图1 土壤中Cd的形态分配

螯合锌肥施放对实验样品中重金属Cd形态的作用如图1所示。原土中大部分的Cd分布在F1形态，占比分别为56.83%，次之为F2形态（29.17%），F1和 F2形态是土壤重金属有效性最强的形态[26]，因此原土中 F1和F2形态占比高导致了Cd有较高的有效性。不同螯合Zn肥施用对土壤中Cd形态的影响较小。与原土相比相比，施用复合肥（CK）和螯合 Zn肥处理后，F1形态Cd均增加，从原土的56.83%增加到58.96%～62.33%，而 F2形态Cd均降低，由原土的29.17%降低到22.36%～26.03%，这说明了肥料的施用促进土壤Cd从F2向F1形态转移（图 1），可能是由于施肥降低了土壤的pH值，或者是螯合剂施用后与Cd产生了螯合作用，活化了土壤中的Cd。肥料施用对土壤中F3和F4形态Cd作用较小。结果还表明，螯合Zn肥施用与复合肥对土壤Cd形态的影响基本不存在差异，不同肥料用量对土壤中Cd形态的影响很小（图1）。

不同螯合Zn肥施用后对土壤中重金属Pb形态的作用如图2所示。原土中大部分的Pb是分布在F4形态（40.78%），次之为F2形态（32.86%），F1形态占比仅为4.75%，因此总体而言该土壤中Pb的有效性是较差的。不同螯合Zn肥施用对土壤中Pb形态的影响较小。添加螯合Zn肥和复合肥后，土壤中F1形态的Pb与原土相比都有增加，但增加量不明显 （图2），由原土的4.75%增加到5.37%～8.01%，F2形态Pb含量由32.86%降低到25.90%～31.75%，由此可见肥料施用引起了土壤中F2形态的Pb向F1形态Pb的转移，肥料施用对土壤F3和F4形态Cd的作用较小。

图2 土壤中Pb的形态分配

2.3 肥料施用对土壤重金属稳定性特征的影响

移动性指数（MF）通常被用于评价土壤中重金属的移动性，其指的是不稳定形态重金属含量的变化，结合强度值（IR）的大小反映了重金属与土壤的相对结合强度，可以通过MF和IR来评价肥料施用对土壤重金属稳定性特征的影响[27]。由表3可知，原土中重金属的移动性大小为Cd（56.83%）＞Pb（4.75%），这与土壤中F1形态所占比例的不同有关。此外，Cd和Pb自身电负性存在差异，由于Pb的电负性比Cd更高导致其移动性更低[28]。添加肥料后，土壤中Cd和Pb的移动性均显著增加了（P＜0.05），Cd由原土的56.83%增加到58.96%～63.22%，Pb由原土的4.75%增加到5.37%～8.01%。说明了肥料施用提高了土壤中不稳定形态Cd和Pb的含量，而不稳定形态重金属含量的大小决定了其对环境的危害风险程度的高低，因此肥料施用增加了土壤中Cd和Pb对环境的危害风险。另外，螯合Zn肥和复合肥施用对土壤Cd和Pb移动性的影响存在差异。总体上，施用不同肥料处理后土壤Cd的移动性大小为：EDTA-Zn＞CK＞PASP-Zn＞KTPP-Zn；CK处理后土壤Pb的移动性显著大于螯合Zn肥处理 （P＜0.05）。因此在考虑对土壤增施螯合肥时，土壤重金属污染情况的不同会决定了螯合Zn肥施用的可行性和科学性，需引起重视。

表3 肥料施用对土壤重金属移动性（MF）和稳定性（IR）的影响

结合强度值（IR）的大小可以在一定程度上反映重金属与土壤的相对结合强度。原土中不同重金属元素的IR值大小顺序为：Pb（0.61%）＞Cd（0.20%），IR值低表明重金属与土壤结合的强度弱，越容易被作物利用[12]，因此原土中Cd是较为容易被作物吸收利用的重金属。肥料施用对Cd的IR影响很小，不同处理之间没有存在显著差异 （P＞0.05）；对于Pb，肥料施用均显著增加了其IR值 （P＜0.05），但增幅较小（表3）。说明施用肥料对移动性较强重金属的活化或者钝化效果较差，可能原因由于本研究肥料施放量不足或者是肥料施放时间较短。因此，下一步可进一步开展研究，延长土壤肥料施用后的作用时间和调整肥料施用量，从而为螯合Zn肥在重金属污染土壤上的施用提供更为有意义的科学依据。

3 结论

本文研究了复合肥和3种螯合Zn肥施用对土壤重金属Cd和Pb的有效态含量、形态分配和稳定性特征的影响。结果表明，施加肥料会提高土壤中Cd和Pb的有效性，每公斤土壤施用1 g的EDTA-Zn螯合肥会显著增加Cd有效性，复合肥和三聚磷酸钾-Zn螯合肥会显著增加Pb有效性。施用复合肥和螯合Zn肥会引起土壤中Cd和Pb从F2向F1形态的转移。肥料施用对Cd和Pb的结合强度值（IR）影响很小，但是添加肥料可显著增加土壤中Cd和Pb的移动性，Cd由原土的56.83%增加到58.96%～63.22%，Pb由原土的4.75%增加到5.37%～8.01%。以上结果说明，肥料施用增加了土壤中Cd和Pb对环境的危害风险。研究结果可为重金属污染农田土壤的施肥管理提供依据。