重金属和猪粪对土壤氮素转化的影响

论文总字数：11119字

目 录

1 引言 1

2 材料与方法 1

2.1 供试材料 1

2.2 培养试验 2

2.3 分析方法 2

2.4 数据处理 2

3 结果与分析 2

3.1 土壤中铵态氮含量随培养时间的变化规律 2

3.2 土壤中硝态氮含量随培养时间的变化规律 3

3.3 土壤中无机氮含量随培养时间的变化规律 4

3.4 净矿化速率 5

3.5 净硝化速率 5

4 讨论 6

5 结论 7

参考文献 7

致谢 9

重金属和猪粪对土壤氮素转化的影响

刘尔宁

, China

Abstract: A 35d laboratory incubation experiment was conducted to study the effects of Cu, Cd, and pig manure on nitrogen transformation in cultivated black soil under 25 ºC and 70% WHC conditions. The results showed that application of Cu and Cd significantly inhibited nitrification, denitrification, and mineralization in soil, as compared with the control. At the end of incubation, content of NH₄ -N in soil with heavy metals and pig manure added was increased by 5.3-8.5 folds, whereas content of NO₃^--N was decreased by 79.49%-94.80%. Adding pig manure with heavy metals in soil could decreased the toxicity of heavy metals and the inhibition degree on nitrification, and promoted the denitrification, as compared with the single heavy metals treatment. Application of pig manure and heavy metals increased the microbial immobilization of inorganic nitrogen, and inhibited mineralization. The net nitrogen mineralization rate was decreased by 1.65-2.92 folds at the end of incubation. Different dynamic changes of contents of NH₄ -N and NO₃^--N in soil of all the treatments were found during the whole incubate period.

Key words: Pig manure; Heavy metals; Nitrification; Denitrification; Mineralization

1 引言

作物生长所需的养分主要需要依靠施肥来供给，畜禽粪便因富含作物生长所需的养分而被广泛的用于农业生产。近30年来我国养猪业发展迅速，大型养殖场数量不断增加且养殖产业的集约化程度逐步提高。联合国粮食与农业组织 (FAO) 2012年统计数据显示，我国的生猪存栏量占到世界总量的50%^[1]。一些重金属元素如Cu、Zn等作为饲料添加剂广泛应用于畜禽养殖业中，用以预防畜禽疾病以促进其生长。然而，由于生物利用率有限，大部分重金属元素会随着动物粪便排出体外^[2-3]。有研究表明，我国用于制作有机肥的畜禽粪便中有不同程度的重金属含量超标的现象^[4]。Wang等^[5]对江苏省150个养殖场的调查结果显示，1990至2008年猪粪中Cu和Cd含量分别增加了771%、63%。小猪猪粪中，Cu、Zn、Cd含量最高，而Cr、As分别在种猪猪粪及育肥猪猪粪中的含量最高^[4]。农业生产中长期以富含重金属元素的猪粪作为肥料必然会增加土壤重金属含量，土壤重金属进而进入食物链危害人类健康。因此，作为农业肥料来源的重要一环，严格把控猪粪中重金属含量，降低其对生态环境和农产品安全的潜在危害是非常必要的。

作为植物生长发育所需要的三大营养元素之一，植物从土壤中吸收的氮含量要远高于其它矿质元素。土壤中氮循环过程主要包括矿化作用，硝化-反硝化作用，生物对有效态氮的吸收固定作用等。研究表明，重金属会抑制微生物生长以及酶的活性^[6]，进而会对土壤氮素转化产生影响。而进入土壤中的重金属易与土壤有机质发生络合，降低其生理毒性^[7]。现有研究多集中于有机质对重金属形态及其在植物体内累积的影响，而尚未见到关于重金属和有机质的复合作用影响土壤氮素转化的报道。本文通过对玉米地黑土进行恒温培养，研究重金属和猪粪对土壤氮素转化的影响，旨在为降低重金属毒性，提高氮肥利用率提供理论基础。

2 材料与方法

2.1 供试材料

供试土壤为采自黑龙江省哈尔滨市阿城区已开垦100年的耕作黑土，土壤主要种植玉米。该地区地处东经127°02′，北纬45°43′，海拔高度162 m，气候条件属于北温带大陆季风气候区，冬季寒冷干燥，夏季高温多雨，年平均温度1.5 ºC，年平均降水量530 mm，年有效积温2450 ºC，年日照时数2600-2800 h，无霜期125 d。土样于室温下风干研磨过2 mm筛后低温储存备用。土壤理化性质如表1所示。供试猪粪采自市郊畜禽养殖场。猪粪的有机碳含量为48.8%，全氮含量为1.22%，C/N为40。

表1 供试土壤的基本理化性质

2.2 培养试验

试验共设置5个处理，CK（不添加猪粪和重金属）、Cd (添加180 mg Cd kg^-1，CdSO₄·5H₂O)、FCd (添加180 mg Cd kg^-1和3%猪粪)、Cu (添加1000 mg Cu kg^-1，CuCl₂·2H₂O)、FCu (添加1000 mg Cu kg^-1和3%猪粪)，每个处理7个重复。称取相当于20 g烘干土重的风干土于105个150 ml三角瓶中。向土壤中按试验设计分别加入猪粪和重金属溶液使得水分达到50%田间持水量，盖紧塞子，于25 ºC下预培养14天，以便激活土壤微生物。预培养结束后，每个处理取3瓶加入60 ml 2M KCl溶液，振荡1小时，过滤，收集滤液于100 ml塑料瓶中，并于冰柜中冷冻保存。预培养结束后，向余下三角瓶中加入(NH₄)₂SO₄溶液，使铵态氮含量达到120 mg-N kg^-1，同时调节水分含量使得水分含量达到70%田间持水量。加完氮溶液后，将三角瓶称重，记录重量。以后每隔5天将三角瓶称重，用滴管补充损失的水分。分别在加硫酸铵溶液后的0、7、14、21、28、35天取样，加入60 ml 2M KCl溶液，振荡1小时，过滤，收集滤液于100 ml塑料瓶中，用凯氏定氮仪蒸馏提取液中的铵态氮和硝态氮。

2.3 分析方法

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