据统计，我国约有19.4%的农田土壤重金属含量超标，主要污染元素为镉（Cd）、汞（Hg）、砷（As）、铜（Cu）和铅（Pb）^[1]。土壤重金属污染不仅会影响土壤质量与作物产量，还能通过食物链危害人体健康，如骨痛病和水俣病^[2]。设施土壤是我国城郊典型的商业化旱耕土，由于重金属累积程度逐年加深，引起设施土壤生产力逐年下降和生态环境破坏，导致农产品品质和经济效益也逐渐降低。因此，改善设施土壤重金属污染和环境健康状况，对提高城郊区生态环境功能和设施农业经济效益具有重要的现实意义。

有机肥施用是设施农业生产中改善土壤地力的重要方式之一，可显著提高土壤中有机质含量，改善土壤物理化学特性，促进微生物生长繁育，提高土壤微生物活性^[3-5]。同时，有机肥本身也携带一定量重金属，长期施用会提高土壤重金属的投入。索琳娜等^[6]研究认为有机肥施用是土壤Cd、铬（Cr）累积的主要原因之一。王珂等^[7]和王腾飞等^[8]研究发现长期施用有机肥（猪粪、牛粪）会增加土壤Cd全量。严露等^[9]研究发现施用有机肥不仅会增加土壤Cd累积，还会促使土壤Cd向较高生物活性的赋存形态转化。也有研究表明，有机肥含有大量的有机物质，会减少土壤重金属的生物有效性，降低土壤重金属的生物毒性以及作物体内重金属的含量，改善作物产量和品质。谢运河等^[10]研究发现施用有机肥（猪粪、鸡粪）有减少土壤有效态Cd含量和降低活性的趋势，可降低稻米中Cd含量。李顺江等^[11]研究表明施用有机肥会降低土壤中Cd和Cr的生物有效性，抑制小白菜对Cd和Cr的吸收，并且有提高小白菜品质的效果。但也有学者认为，有机肥对土壤重金属具有活化效应，会提高土壤重金属的移动性和生物有效性。谭长银等^[12]通过长期定位试验研究发现，有机肥施用显著增加了有效态Cd在黑土中的累积并提高了Cd的生物有效性。可见，现有有机肥对土壤重金属累积和重金属活性影响的研究结果不一，而且关于相对封闭、无雨水冲淋、易造成土壤重金属累积的设施土壤研究较少。与其他重金属元素相比，重金属Cd已被证实具有较高移动性，极强的生物活性、累积性和毒性^[13]，我国农田土壤被Cd污染的现象时有报道^[14]，导致每年均有一定数量的农产品被Cd污染^[15]。再者，多位学者通过调查研究，发现设施土壤Cd超标问题比较突出^[16-17]。因此，本研究以连续六年的长期田间定位试验为基础，研究长期有机肥不同施肥方式对设施土壤Cd全量和有效态含量的影响，其结果可为设施农业生产合理施用有机肥、控制土壤重金属污染、提高设施农产品品质及经济效益提供理论指导。

供试土壤：试验点位于上海市奉贤区庄行镇上海市农业科学院综合实验站设施大棚（30 °53 ′419 ″N，121 °23 ′158 ″E），供试土壤为潮土，质地砂壤，初始土壤理化性质为：pH 7.21、有机质18.9 g·kg^-1、全氮1.50 g·kg^-1、有效磷66.53 mg·kg^-1、速效钾150 mg·kg^-1，全Cd 0.12 mg·kg^-1，有效态Cd 0.05 mg·kg^-1。

供试肥料：本试验中施用的有机肥料由慧塔实业有限公司提供，主要原料为猪粪和菌渣；化肥为尿素、硫酸钾及复合肥，购于上海奉贤庄行种子场，其理化性质见表 1。

表 1 Table 1

表 1 供试肥料基本理化性质 Table 1 Basic physical and chemical properties of tested fertilizers and manure 肥料 pH 有机质 Organic matter/（g·kg-1） 含水量 Water content/（g·kg-1） N/（g·kg-1） P2O5/（g·kg-1） K2O/（g·kg-1） Cd/（mg·kg-1） 有机肥① 6.37 476.6 401.1 16 19.7 19.7 0.07 尿素② / / / 460 / / 未检出⑤ 硫酸钾③ / / / / / 520 0.04 复合肥④ / / / 150 150 150 0.27 注：/ 表示未检测指标。下同。Note：/ indicates not tested. The same below. ①Organic manure，②Urea，③Potassium sulfate，④Compound fertilizer，⑤Not detectable.

表 1 供试肥料基本理化性质 Table 1 Basic physical and chemical properties of tested fertilizers and manure

本试验于2013年开始，种植模式为西瓜连作，共设4个处理：对照（不施肥，CK）；有机肥常量（M1），有机肥减量（M2）及有机肥减量配施化肥（M3），每个处理设置3次重复，每个小区面积为22 m²，各小区随机排列，各处理的肥料施用量见表 2。其中，有机肥和钾肥作为基肥一次性施入；复合肥72%作为基肥，余下28%在西瓜彭果期作为追肥施入，氮肥作为追肥在西瓜苗期施入。灌溉及病虫害防治等其他田间管理措施相同，均参照当地习惯进行。施肥后与耕层土壤（0~20 cm）用小型旋耕机充分混匀。试验期6年，每年均按相同方法和用量施用肥料。

表 2 Table 2

表 2 各处理的肥料施用量 Table 2 Fertilizers(or manure)application rate relative to treatment/(kg·hm-2) 处理 Treatment 编号 No. 有机肥 Organic manure/（N-P2O5-K2O） 尿素 Urea/（N） 硫酸钾 Potassium sulfate/（K2O） 复合肥 Compound fertilizer/（N-P2O5-K2O） 不施肥① CK / / / / 有机肥常量② M1 18 000（288-355-355） / / / 有机肥减量③ M2 14 000（224-276-276） / / / 有机肥减量配施化肥④ M3 9 000（144-177-177） 150（69） 182（95） 527（79-79-79） 注：括号内为有机肥或化肥总量换算成的养分纯量。Note：The values in the brackets were the nutrient contents converted from the total amount of organic manure or chemical fertilizer. ① No fertilizer, ② Organic manure application at a conventional rate，③ Organic manure application at a reduced rate，④ Organic manure application at a reduced rate supplemented with a certain rate of chemical fertilizer.

表 2 各处理的肥料施用量 Table 2 Fertilizers(or manure)application rate relative to treatment/(kg·hm-2)

在2018年8月7日栽培作物收获后，采用“S”型5点混合采样法采集土壤样品，采样深度为0~10 cm、10~20 cm、20~40 cm三个土层。去除植物残体等杂物后，将土壤样品置于干燥通风处自然风干，研磨、过筛备用。

土壤pH采用无二氧化碳蒸馏水浸提（水∶土= 2.5∶1），酸度计测定；全氮采用凯氏定氮法测定；有效磷采用0.5 mol·L^-1碳酸氢钠溶液浸提，钼锑抗比色法测定；速效钾采用1 mol·L^-1醋酸铵溶液浸提，火焰光度计法测定；有机质采用重铬酸钾容量法-外加热法分析测定^[18]。土壤重金属Cd全量采用王水-高氯酸法消解（GB/T 17141-1997）后，用火焰原子吸收分光光度法测定；土壤有效态Cd含量采用二乙基三胺五乙酸（DTPA）提取法浸提后，用火焰原子吸收分光光度法测定^[19]。

数据结果均为3次重复的平均值±标准差表示。采用SPSS 21.0和Microsoft Excel 2012对数据结果进行统计分析，选取最小显著差异法（LSD）进行多重比较，差异显著性水平设为P < 0.05。

由表 3可知，不同施肥处理间设施土壤pH呈现不同幅度的变化，表层土壤（0~20 cm）pH总体上低于亚表层土壤。与对照（CK）相比，施肥处理（M1、M2、M3）土壤表层（0~20 cm）pH均显著降低（P < 0.05），降幅分别为0.24~1.38（0~10 cm）和0.05~0.76（10~20 cm）。其中，纯有机肥处理（M1和M2）偏低于有机肥减量配施化肥处理（M3）。与此相反，在20~40 cm亚表层，有机肥减量配施化肥处理下土壤pH要高于对照，且纯有机肥处理土壤pH偏低于配施化肥处理。由此可见，施用有机肥易造成设施土壤表层（0~20 cm）酸化，有机肥减量配施化肥会降低土壤表层酸化程度。

表 3 Table 3

表 3 有机肥不同施用方式下的土壤理化性质 Table 3 Effects of organic manure on soil physicochemical properties 处理 Treatment pH 有机质 Organic matter/（g·kg-1） 全氮 Total nitrogen/（g·kg-1） 有效磷 Available phosphorus/（mg·kg-1） 速效钾 Readily available potassium /（mg·kg-1） 0~10 cm CK 8.21±0.01a 17.20±0.10c 1.24±0.01b 43.56±0.01b 247.00±0.71a M1 6.83±0.01d 21.10±0.11b 1.53±0.01a 47.61±0.01b 204.00±0.71b M2 7.90±0.02c 17.30±0.11c 1.13±0.01c 32.42±0.01c 102.00±0.71d M3 7.97±0.01b 23.50±0.14a 1.63±0.01a 53.88±0.07a 153.00±0.01c 10~20 cm CK 8.14±0.01a 16.50±0.10c 1.15±0.01a 22.50±0.01b 216.00±0.71a M1 7.38±0.01d 22.50±0.12a 1.16±0.01a 25.14±0.01a 78.00±0.71c M2 7.80±0.01c 15.70±0.11c 1.10±0.01b 15.01±0.07c 54.00±0.01d M3 8.09±0.01b 20.10±0.10b 1.19±0.01a 15.42±0.01c 87.00±0.01b 20~40 cm CK 8.47±0.01b 12.90±0.13b 0.83±0.01a 15.42±0.07a 296.00±0.71a M1 8.07±0.01d 15.20±0.11a 0.88±0.01a 10.96±0.07b 65.00±0.01c M2 8.23±0.01c 12.20±0.12b 0.85±0.01a 6.10±0.07c 42.00±0.71c M3 8.63±0.01a 13.70±0.11a 0.95±0.01a 8.13±0.07c 103.00±0.71b 注：同列数据后不同小写字母表示同一土层不同处理间差异显著（P < 0.05）。Note：Different lower-case letters affixed to the data in the same column show significant differences between treatments the same in soil layer（P < 0.05）.

表 3 有机肥不同施用方式下的土壤理化性质 Table 3 Effects of organic manure on soil physicochemical properties

同样，由表 3可知，施肥差异对设施土壤养分含量也具有显著影响。与对照相比，有机肥常量或者有机肥减量配施化肥处理后，土壤有机质、全氮和上表层（0~10 cm）有效磷含量均有大幅提升，而纯有机肥减量处理土壤养分含量均无显著增加。与对照相比，纯有机肥减量处理土壤有效磷、速效钾和表层全氮含量均显著降低，仅上表层土壤（0~10 cm）有机质有一定增加趋势。

由图 1可以看出，有机肥不同施用方式处理下设施土壤Cd全量呈现不同幅度的变化，表层土壤（0~20 cm）Cd全量多数高于亚表层土壤（20~40 cm）。在0~10 cm土层，有机肥不同施用方式处理下土壤Cd全量差异显著，纯有机肥减量处理土壤Cd全量显著低于常量处理，而有机肥减量配施化肥处理后土壤Cd全量显著升高，甚至显著高于有机肥常量处理，但全Cd平均含量均显著低于对照。在10~20 cm和20~40 cm土层中，有机肥不同施用方式处理间土壤Cd全量均无显著差异（P > 0.05），且与对照相比也同样无显著增加趋势。由此可见，设施土壤中Cd主要富集于表层，施用有机肥土壤中Cd全量总体无明显累积现象。

注：不同字母表示相同土层不同处理间差异显著（P < 0.05）。下同。  Note: Different letters indicate significant differences between treatments the same in soil layer (P < 0.05). The same below. 图 1 有机肥不同施用方式处理下土壤中全镉变化 Fig. 1 Variation of total cadmium content in the soil relative to treatment

对不同施肥方式处理的设施土壤Cd有效态含量比较发现，有机肥处理后上表层（0~10 cm）土壤Cd有效态含量显著高于对照（28.81%~55.93%），有机肥施用方式的差异对0~10 cm上表层土壤Cd有效态含量影响显著（图 2）。与有机肥常量处理相比，纯有机肥减量或者有机肥减量配施化肥处理土壤上表层（0~10 cm）有效态Cd含量显著降低（P < 0.05），分别较有机肥常量处理下降17.56%和14.04%。在10~20 cm下表层，施有机肥（M1、M2、M3）土壤Cd有效态含量较对照无显著差异（P > 0.05），而且有机肥不同施肥方式间差异也不显著。与表层土壤相反，施肥（M1、M2、M3）土壤亚表层（20~40 cm）Cd有效态含量与对照相比呈下降趋势，但纯有机肥减量或有机肥减量配施化肥处理土壤有效态Cd含量与有机肥常量间无显著差异（P > 0.05）。整体上，设施土壤表层Cd有效态含量均偏高于亚表层。

图 2 有机肥不同施用方式处理下土壤中有效态镉含量变化 Fig. 2 Variation of available cadmium content in the soil relative to treatment

由表 4可看出，施有机肥（M1、M2、M3）土壤pH与土壤有效态Cd含量均呈极显著负相关，而与Cd全量之间无显著相关性，说明施用有机肥土壤pH降低的同时也会增加Cd在土壤中的活性。与土壤pH不同，施有机肥（M1、M2、M3）土壤重金属Cd含量虽与土壤养分存在一定相关性，但相关程度与有机肥施用方式有关。有机肥常量处理土壤养分含量与土壤Cd有效态含量呈极显著正相关，而与土壤Cd全量之间无显著的相关性。单纯有机肥减量后，土壤速效钾、有效磷和有机质与土壤Cd全量呈极显著正相关，相关系数均大于0.900，这说明重金属全Cd可能与土壤养分有相同的来源，土壤养分因有机肥减量而降低时，土壤中全Cd的携入量也会在一定程度上减少；有机肥减量配施化肥后，除土壤速效钾、有效磷和有机质外，土壤全氮也与土壤Cd全量存在良好的相关性，相关系数高达0.981，说明含氮化肥的施用也可能会从源头携入一定量的Cd，而土壤有效态Cd与土壤全氮、有效磷、有机质均存在极显著正相关，其中与有机质的相关系数最大。

表 4 Table 4

表 4 有机肥不同施用方式处理下设施土壤重金属Cd与土壤理化性质的相关性 Table 4 Correlation analysis of total and available cadmium contents with soil physical and chemical properties 处理 Treatment 指标 Index pH 有机质 Organic matter 全氮 Total nitrogen 有效磷 Available phosphorus 速效钾 Readily available potassium M1 全镉Total Cd 0.558 -0.551 -0.432 -0.386 -0.088 有效态镉Available Cd -0.994** 0.995** 0.962** 0.957** 0.922** M2 全镉Total Cd -0.281 0.997** 0.570 0.938** 0.979** 有效态镉Available Cd -0.938** 0.660 0.956** 0.838* 0.748 M3 全镉Total Cd -0.754 0.967** 0.981** 0.958** 0.924** 有效态镉Available Cd -0.992** 0.946** 0.924* 0.825* 0.554 注：*为相关性达显著水平（P < 0.05）；**为相关性达极显著水平（P < 0.01）。Note：* is significant correlation（P < 0.05）；** is extremely significant correlation（P < 0.01）.

表 4 有机肥不同施用方式处理下设施土壤重金属Cd与土壤理化性质的相关性 Table 4 Correlation analysis of total and available cadmium contents with soil physical and chemical properties

随着设施栽培产业的不断发展，土壤被高度集约利用，其土壤特性和肥力特征均发生了深度变化。为了满足生产需求，保证土壤可持续利用，施肥（尤其是有机肥）通常是改善设施土壤特性和肥力的主要措施。诸多研究表明，随着有机肥施用年限的增加，土壤pH和有机质、全氮、有效磷等养分含量呈上升趋势^[20-21]。同样，本研究结果也表明长期施用有机肥对设施土壤有机质、全氮和有效磷均具有显著增加效果，但会降低表层（0~20 cm）土壤pH（表 3），这与谭长银等^[12]研究结果一致。纯有机肥减量处理后除土壤有机质外，氮、磷养分均呈下降趋势，说明长期有机肥施用不足会造成设施土壤氮、磷养分耗竭严重，最终造成土壤肥力下降。但有机肥减量配施化肥处理后设施土壤有机质、全氮和有效磷养分含量均大幅增加，表层土壤pH也偏高于有机肥常量处理，表明合理有机-无机配施对缓解设施土壤表层酸化、增加土壤养分，最终对提升土壤肥力具有一定的效果。

由于特殊的种植环境，设施土壤长期处于相对封闭的状态，有机肥在改善土壤特性和提升土壤肥力的同时也是土壤中重金属的主要来源之一^{[11, 22]}。多数研究认为，有机肥肥源多为全国各大规模化养殖场的畜禽粪便，致使有机肥中一般具有较高含量的Cd，长期连续施用必然会造成设施土壤Cd累积^{[8, 23-24]}。然而，在本研究中，各有机肥处理的设施土壤表层和亚表层（有机肥常量除外）Cd全量均偏低于对照（图 1），原因可能是长期施用有机肥提高了栽培作物对Cd的吸收，使设施土壤中部分Cd因作物吸收而离开土体^{[8, 25]}。不同有机肥施用方式均对设施土壤上表层（0~10 cm）Cd全量造成了显著影响（图 1）。例如，纯有机肥减量，Cd源头携入量下降，设施土壤Cd全量显著降低，而有机肥减量配施化肥处理土壤Cd全量却呈上升趋势（图 1），结合相关性分析，认为这一方面可能是由于有机-无机配施大幅增加了土壤0~10 cm表土层有机质、全氮和有效磷等养分含量（表 3），影响到重金属Cd在设施土壤中的移动性所致^[26-27]；另一方面也可能是由于含氮化肥的输入从源头携入一定量的Cd而增加了Cd在土壤中的累积，具体原因尚需结合长期有机-无机肥配施土壤理化特性和全Cd累积状况的动态变化做进一步分析。整体上，长期施用有机肥使设施土壤中Cd主要富集于表土层，这与其他研究^{[11, 25]}一致，主要是由于有机肥的长期施用提高了表层有机质含量（表 3），致使Cd与大量有机质发生络合而累积于表层。

重金属对植物的毒害程度主要取决于土壤中重金属的有效态含量。谭长银等^[12]等研究发现，长期施用猪粪可显著提高黑土表层（0~20 cm）有效态Cd含量。王开峰和彭娜^[23]研究表明，施用有机肥可提高红壤稻田土壤表层（0~20 cm）重金属的有效态含量。王腾飞等^[8]对比分析表明，长期施用猪粪肥会增加土壤表层（0~20 cm）和亚表层（20~40 cm）重金属Cd的有效态含量。本研究结果表明，施用有机肥会提高设施土壤表层（0~20 cm）Cd有效态含量，而对土壤亚表层（20~40 cm）Cd有效态含量无显著增加（图 2）。其中，有机肥常量处理土壤表层Cd有效态含量最高，而纯有机肥减量或有机肥减量配施化肥处理土壤表层Cd有效态含量较低，可见，纯有机肥减量或者与化肥合理配施对降低设施土壤Cd有效性具有一定的效果，其原因可能与有机肥减量从源头降低了高生物有效性Cd元素的带入以及土壤基本特性的改变有关。

Kirkham^[28]研究认为，土壤pH和有机质含量是影响土壤Cd有效态含量的2个最重要因素。本研究结果表明，土壤Cd有效态含量与土壤pH呈极显著负相关，与土壤有机质呈极显著正相关（表 4），表明土壤pH和有机质含量均对设施土壤有效态Cd累积程度产生极显著影响。本研究中，长期施用有机肥降低了设施土壤表层pH（表 3），致使施肥土壤中水合氧化物和有机质表面的负电荷减少，对重金属Cd离子吸附力减弱，增加了土壤中重金属Cd活性。同时，长期施用有机肥（减量除外）也显著增加了设施土壤表层（0~20 cm）有机质含量，有机质分解产生还原性物质，能够与重金属Cd形成络合物，从而减少了土壤吸附量，致使重金属Cd的有效态含量显著增加^[29]。此外，本研究中设施土壤有效态Cd含量也与土壤全氮和有效磷含量呈显著甚至极显著正相关（表 4），表明土壤氮、磷养分含量对设施土壤有效态Cd含量也具有一定影响。

李顺江等^[11]通过田间试验研究了施用有机肥对土壤-作物系统中重金属Cd生物有效性的影响，结果表明有机肥的施用明显降低了表层土壤Cd的生物活性，抑制了白菜对Cd的吸收。华珞等^[30]及Chang和Entz^[31]研究表明，有机肥中的有机物质可通过吸附、螯合等作用固定重金属或者与重金属形成不可溶性盐，进而降低重金属的有效态含量，因此有机物作为重金属污染土壤改良剂被推广应用。本研究中长期施用有机肥可提高表层土壤有效态Cd含量的结果与上述研究产生差异的原因可能有三方面：一方面，有机物的短期和长期影响不同，致使其对土壤表层有效态重金属含量影响不同。谭长银等^[12]认为短期有机物可能以固定土壤重金属为主，而随着有机物被分解（特别是缺少雨水淋溶且温、湿度高的设施土壤内），有机结合态重金属逐渐释放，提高了土壤重金属的有效态含量。杨叶晨等^[22]和张云青等^[32]研究发现，土壤中有效态重金属含量的高低与施用有机肥的时间进程和分解程度紧密相关，施用有机肥6个月后，Cd、Cu、Zn等有效态重金属含量呈先下降后上升的趋势。吴清清等^[33]研究发现，有机肥在腐解过程中对土壤强结合态重金属Cd具有活化效应，从而提高了Cd的生物有效性。另一方面，土壤自身理化特性的差异致使有机肥对土壤表层有效态重金属含量影响结果不同。王怡雯等^[4]研究表明，施用不同有机肥后土壤剖面中有机碳分布与Cd具有显著正相关。有机肥中含有有机酸，能降低土壤pH，增加重金属Cd可溶性。也有研究认为，pH是对土壤Cd溶解性影响最大的土壤特性，在土壤Cd含量处于临界值附近或已受Cd污染的土壤上，应避免施用高量的酸性肥料以及其他酸性物料^[34]。王晶等^[35]研究结果表明，土壤有机质的C/N和土壤pH对土壤有机态Cd活化过程均起到一定的辅助作用。再者，所施有机肥料种类的差异也会造成其对土壤表层重金属有效态含量影响结果不同。吴清清等^[33]对比分析了两种Cd含量及肥效差异的有机肥料，发现施用鸡粪有机肥土壤中Cd有效态含量略有下降趋势，而施用垃圾有机肥土壤Cd有效态含量明显增加。谢运河等^[10]研究认为有机肥料中有机质来源及组分差异会影响土壤Cd活性，如施用猪粪和鸡粪有降低Cd活性的趋势，而稻草则有增加土壤Cd活性的趋势。

设施土壤Cd主要富集于土壤表层（0~20 cm）。长期连续施用有机肥后，设施土壤表层和亚表层Cd全量均无明显累积趋势，但表层土壤有效态Cd含量却显著增加。单纯有机肥减量可降低表层土壤有效态Cd累积程度，同时也会降低土壤有效磷、速效钾和表层全氮等养分含量，而有机肥减量配施化肥不仅可降低土壤有效态Cd累积程度，同时也可提升土壤pH，增加土壤有机质、全氮和有效磷等养分含量。相关分析表明，土壤有机质、全氮和有效磷含量均与土壤Cd有效态含量呈显著或极显著正相关，土壤pH与土壤Cd有效态含量呈极显著负相关。可见，有机肥适当减施并辅以化肥，对改善设施土壤特性、提升土壤肥力进而控制重金属Cd累积具有重要作用。

致谢 向上海市农业科学院生态环境保护研究所庄行综合试验站设施农业长期肥料试验的设计者郑宪清副研究员对设施大棚内初始土壤样品的提供表示衷心感谢！