随着现代养殖业的飞速发展，畜禽粪对环境的污染和处置问题成为当今社会关注的热点.畜禽粪因其富含丰富有机质，故具有改善土壤肥力、增加作物产量等功效(Cang et al., 2004; Nicholson et al., 1999)，常被作为有机肥农用(Xi et al., 2013).然而，随着畜禽饲料中添加剂成分的改变，重金属污染问题日益显现.研究表明(吴二社等，2011；Petersen et al., 2007)，以牛粪、鸡粪和猪粪等为原料的畜禽有机肥已经成为土壤重金属污染的主要来源.Cu是作物生长所必需的微量元素，参与作物的生理代谢过程(刘小娟等，2010)，同时是几种氧化酶和抗坏血酸氧化酶、多酚氧化酶及超氧化物歧化酶的重要成分，与光合作用关系非常密切(刘文彰和孙典兰，1985).但同时，它又是一种重金属，在植物体内的过量积累会严重影响植物的生命活动(常红岩等，2000；李文庆等，2011).现有研究显示(Zhang et al., 2011)，东北三省规模化养殖场饲料中广泛使用Cu添加剂，导致了畜禽粪便中Cu含量出现超标现象.韩晓凯等研究表明，长期施用畜禽粪作为有机肥会导致Cu在黑土表层中累积，给土壤重金属污染带来了隐患(韩晓凯等，2008).由此可见，土壤重金属污染问题已经成为限制畜禽粪便使用的主要因素之一.

目前对土壤中Cu污染毒性的测定中，形态的分析越来越受到重视.土壤中重金属Cu的生物活性及环境行为不仅与其总量有关，更大程度由其在环境中的化学形态决定(钟晓兰等，2009).因此，研究Cu在土壤中的形态变化对于了解Cu的变化形式、迁移转化规律和对生物的毒害作用具有十分重要的意义.但目前对于畜禽粪便作为有机肥对土壤Cu影响的研究仍有许多不足之处，现有的研究大多都主要针对单施畜禽粪便对Cu的影响(姚丽贤等，2008)，对于畜禽粪与化肥配施对Cu影响的研究较少；此外，研究主要针对Cu总量的影响(李双异等，2010)，对Cu形态的影响研究仍需重视；另外值得注意的是，现有关于Cu形态的研究多关注的是单一年份形态变化，对于Cu在土壤中形态的长期动态变化研究较为罕见.即使是长期动态变化研究，也有采样间隔时间长、影响因素变化性大等不足(徐明岗等，2010；任顺荣等，2005).故本文针对以上不足进行了补充试验，通过培养试验对不同畜禽粪与化肥配施后土壤中Cu含量、形态3年内的动态变化进行了研究.且本研究只在试验初期进行施肥，试验期间不种植任何作物，目的是减少其它因素干扰，单纯了解畜禽粪与化肥配施对土壤中Cu总量及形态的动态变化影响情况.希望通过本研究可以为畜禽粪便的合理利用，降低土壤重金属污染风险和实现农业生产与环境之间的可持续发展提供理论依据.

供试土壤为黑土，取自吉林农业大学试验田.供试畜禽粪为牛粪、鸡粪、猪粪，取自吉林农业大学动物科学学院养殖场(该养殖场具有一定规模，且所用饲料均与长春其它养殖场无异，具有代表性).供试化肥选用尿素、磷酸二铵和氯化钾. 供试土壤及畜禽粪的主要理化性质见表 1.

表 1(Table 1)

表 1 土壤及3种畜禽粪的主要理化性质 Table 1 Physiochemical characteristics of the soil and three kinds of livestock manures

表 1 土壤及3种畜禽粪的主要理化性质 Table 1 Physiochemical characteristics of the soil and three kinds of livestock manures 供试材料 pH 有机质/(g · kg-1) 全氮/(g · kg-1) 全磷/(g · kg-1) 全钾/(g · kg-1) 全Cu(mg · kg-1) 土壤 6.76 20.97 1.19 0.97 2.89 22.70 牛粪 7.27 392.34 15.92 3.90 9.32 28.70 猪粪 7.63 308.91 21.10 7.93 10.22 213.76 鸡粪 8.03 270.11 21.37 8.19 15.03 58.44

本试验采用培养试验，于2010年5月在吉林农业大学培养场进行.试验共设5个处理，分别为①空白对照(CK)；②单施化肥(HF); ③猪粪+化肥(ZF)；④牛粪+化肥(NF)；⑤鸡粪+化肥(JF)，每个处理设置3个重复.培养试验每桶装入风干土14 kg(换算成烘干土为11.47 kg)，施入畜禽粪便的烘干重为每桶烘干土重的1.5%.每桶外施养分含量分别为：N 8.28 g;P₂O₅ 3.71 g；K₂O 6.79 g(其中包括有机肥和无机肥，有机肥施用后养分不足部分用无机肥补充).将畜禽粪便、化肥与土壤充分混合，然后装盆(盆底均有出水孔).试验只在装盆时施入畜禽粪便及化肥，之后3年内不做任何处理.每年5月份进行土壤样品采集，采回的土壤样品经风干、去除杂质后，过100目(0.149 mm)筛备用.

HZS-H水浴振荡器、LXJ-IIC型低速大容量多管离心机、PHS-3C型pH计、A3原子吸收分光光度计等.

试验所用的HF、HNO₃、HClO₄等均采用优级纯.

供试土壤及畜禽粪便的基本理化性质测定参照《土壤农业化学分析方法》(鲁如坤，2000).

全Cu的测定采用氢氟酸-硝酸-高氯酸(HF-HNO₃-HClO₄)消煮法，火焰原子吸收光谱法测定.

重金属Cu形态分级提取选用国际上通用的改进的BCR连续提取法，其在国内外已经得到普遍应用(Rauret et al., 1999；张朝阳等，2012).它将重金属元素分成4种形态逐级提取，分别为：①酸可提取态(相当于Tessier连续提取法中的可交换态和碳酸盐结合态)、②可还原态(Fe/Mn氧化物结合态)、③可氧化态(有机物及硫化物结合态)、④残渣态.

本文中测得数据均为3个重复的平均值，数据的统计分析与作图采用Excel 2003和DPS软件进行.

表 2为不同畜禽粪与化肥配施对土壤中Cu总量的影响.由表可知，3年内所有处理Cu含量均表现出一致的规律，即ZF>JF>NF、HF>CK.其中，畜禽粪与化肥配施处理较比单施化肥处理土壤中Cu总量的增长情况分别为：NF处理：2.2%~2.9%；ZF处理：85.0%~86.1%；JF处理：15.3%~17.8%.由此可见，畜禽粪与化肥配施均导致了土壤中Cu总量的增加，这与现有研究结果一致(王改玲等，2010).

表 2(Table 2)

表 2 不同处理对土壤中Cu总量影响 Table 2 Effect of different treatments on Cu contents in soil

表 2 不同处理对土壤中Cu总量影响 Table 2 Effect of different treatments on Cu contents in soil 年份 铜总量/(mg · kg-1) CK HF NF ZF JF 注：表中字母a~d表示同一年份、不同处理间存现显著性差异(p<0.05). 第1年 22.412±0.347d 25.665±0.246c 26.220±0.300c 47.722±0.421a 30.242±0.275b 第2年 22.239±0.212d 25.439±0.357c 26.187±0.230c 47.345±0.417a 29.622±0.739b 第3年 22.164±0.290d 25.328±0.202c 25.897±0.091c 46.850±0.650a 29.205±0.526b

就不同年份而言，所有处理3年间Cu总量均略减，这可能是由于部分可溶性Cu随着降雨或土壤中水分流失而从土壤中流失.但这种影响效果并不显著，3年内各处理Cu总量基本保持不变.

综上可见，畜禽粪与化肥配施增加了土壤中Cu的总量，且施肥后的3年内Cu总量基本不变.

由图 1可知，土壤中Cu的存在形式3年内均以残渣态为主(49.26%~65.45%)，其次是可还原态(23.78%~36.21%)，再次是可氧化态(8.96%~13.96%)和酸可提取态(0.57%~1.81%).

图 1(Fig.1)

图 1 不同处理对土壤中各形态Cu含量的影响(图中字母a~d表示同一年份、同一形态、不同处理间存在显著性差异(p<0.05)) Fig.1 Effects of different treatments on the contents of different fractions of Cu in soil

就不同处理而言，所有形态间基本上都呈现出ZF>JF>NF、HF>CK的特点.其中，以ZF处理增幅最为明显，其与单施化肥处理相比酸可提取态Cu增加101.77%~142.11%；可还原态Cu增加146.78%~151.86%；可氧化态Cu增加42.76%~55.98%；残渣态Cu增加57.41%~60.25%.其次是JF处理，酸可提取态Cu增加23.01%~37.07%；可还原态Cu增加11.13%~15.69%；可氧化态Cu增加18.84%~25.45%；残渣态Cu增加12.04%~15.94%.再次是NF处理，酸可提取态Cu增加0.73%~29.74%；可还原态Cu增加0.12%~0.22%；可氧化态Cu增加0.15%~21.43%；残渣态Cu增加-0.64%~5.52%.由以上增幅可见，猪粪与化肥配施显著提高了土壤中各形态Cu含量，其次是鸡粪与化肥配施，再次是牛粪与化肥配施.其中，牛粪与化肥配施对土壤Cu形态的影响基本与单施化肥相同.而就不同形态而言，ZF处理对可还原态Cu的增加效果最为明显，而JF、NF处理则对酸可提取态Cu的增加效果最明显.

就不同年份而言，酸可提取态、残渣态Cu含量3年内连年增长，而可还原态、可氧化态Cu含量则连年降低.其中，各处理①酸可提取态Cu增长情况如下：CK处理：-0.26% ~0.26%；HF处理：9.40%~19.2%；NF处理：7.63%~48.92%；ZF处理：2.14%~38.73%；JF处理：4.37%~8.75%.②可还原态Cu：CK处理：-6.85%~-8.10%；HF处理：-5.53%~-5.87%；NF处理：-5.50%~-5.97%；ZF处理：-6.21%~-7.10%；JF处理：-9.25%~-9.75%.③可氧化态Cu：CK处理：-9.88%~-11.92%；HF处理：-4.81%~-9.51%；NF处理：-4.97%~-8.15%；ZF处理：-6.43%~-12.88%；JF处理：-9.61%~-9.72%.④残渣态Cu：CK处理：0.40%~0.79%；HF处理：3.19%~4.05%；NF处理：-1.02%~2.15%；ZF处理：3.88%~5.06%；JF处理：1.31%~2.42%.由此可见，不论何种形态的Cu，ZF处理3年内对其影响都是较大的.也就是说，猪粪与化肥配施后土壤中Cu年份间变化程度较比其他处理要大.就不同形态而言，不论何种处理3年内均表现出酸可提取态Cu含量增幅最大、可氧化态Cu含量降幅最大的特点.

随着土壤环境因子的改变，土壤中Cu的形态始终处在一个动态平衡中(Smith，2009).一般认为：酸可提取态和可还原态为有效态，生物有效性高；可氧化态和残渣态为稳定态，生物有效性低(Zheljazkov and Warman， 2004；Bacon and Davidson， 2008).

图 2为不同处理3年内各形态Cu变化趋势图.由图可知，3年内所有处理均呈现出：酸可提取态、残渣态Cu增加；可还原态、可氧化态Cu减少的规律.

图 2(Fig.2)

图 2 不同处理对土壤中各形态Cu变化趋势的影响 Fig.2 Effects of different treatments on the trend changes of different fractions of Cu in soil

3年内所有处理的酸可提取态Cu增加趋势都较为明显.就不同处理而言，ZF、JF处理增加趋势基本相同，且与HF处理相比增加幅度均也基本相同(14.82%~22.98%).而NF处理则与HF处理变化趋势基本一致.同时，施肥的4种处理均比CK增幅明显，也就是说，不论是配施还是单施，都会导致土壤中酸可提取态Cu显著增加.就不同年份而言，不同处理3年内酸可提取态Cu增幅依次为：CK处理：0.57%、0.02%、0.01%；HF处理：1.27%、0.13%、0.22%；NF处理：1.23%、0.13%、0.24%；ZF处理：1.48%、0.06%、0.28%；JF处理：1.46%、0.12%、0.17%.由此可见，3年内所有处理在第1年变化幅度最大，其次是第3年.

可还原态Cu 3年内所有处理均呈降低趋势.与CK相比，所有施肥处理的可还原态Cu均明显降低，也就是说，不论配施还是单施，均会导致土壤中可还原态Cu明显降低.而不同施肥处理间降低程度依次为ZF>NF、HF>JF.这说明猪粪与化肥配施更显著地降低了土壤中的可还原态Cu.就不同年份而言，不同处理3年内可还原态Cu降幅依次为：CK处理：1.91%、2.39%、2.22%；HF处理：9.04%、1.93%、2.44%；NF处理：9.65%、1.56%、1.54%；ZF处理：11.14%、1.86%、1.35%；JF处理：8.48%、0.18%、1.03%.由此可见，3年内所有处理均在第1年出现最大降幅.

可氧化态Cu 3年内所有处理也均呈降低趋势.就不同处理而言，3年内可氧化态Cu降幅依次为ZF>JF>NF>HF>CK.由此可见，猪粪与化肥配施对土壤中可氧化态Cu降低程度最大，其次是鸡粪.而就不同年份而言，不同处理3年内可氧化态Cu降幅依次为：CK处理：0.23%、0.31%、0.60%；HF处理：0.77%、0.88%、0.53%；NF处理：1.48%、1.16%、0.57%；ZF处理：3.79%、0.52%、0.92%；JF处理：3.03%、1.00%、0.79%.由此可见，可氧化态Cu在第1年出现最大降幅.

残渣态Cu在3年内所有处理均呈现增加趋势.不同处理间对残渣态Cu的增加程度依次为：ZF>JF、NF、HF>CK.其中，JF、NF、HF 3种处理增加程度基本一致.就不同年份而言，不同处理3年内残渣态Cu增幅依次为：CK处理：1.58%、2.68%、2.81%；HF处理：8.54%、2.69%、2.75%；NF处理：9.91%、2.59%、1.86%；ZF处理：13.45%、2.33%、1.99%；JF处理：10.05%、1.06%、1.64%.由此可见，3年内所有处理残渣态Cu在第1年出现最大增幅.

综上所述，不同畜禽粪与化肥配施均导致了土壤中酸可提取态、残渣态Cu增加，可还原态、可氧化态Cu降低.其中，以猪粪与化肥配施对Cu形态变化趋势的影响最为显著，其次是鸡粪.就不同年份而言，4种形态的Cu基本都在第1年出现转化高峰.

现有研究已表明，土壤中Cu形态的变化跟土壤各项理化性质的变化息息相关.Walker等(2004)研究发现，土壤中Cu的形态与pH值有着显著地关系，一般随着土壤pH的升高，Cu的有效性降低.此外，土壤中有机质和氧化物含量也是影响Cu形态变化的重要原因.由于Cu的电子云结构使其容易接受配体的电子而形成稳定的内层络合物，所以随有机肥进入土壤的有机物提供的—OH和—COOH与Cu具有很强的亲和力(Bhattacharyya et al., 2006；陈世俭和胡霭堂，1995).也就是说，Cu与有机质具有及强的络合能力，故其形态变化与有机质含量间相关性显著.因此，本文根据以上结论对不同处理3年内土壤pH值和有机质变化情况进行了分析.

分析结果如图 3所示.由图可知，畜禽粪与化肥配施导致了土壤pH值降低，且就年份变化而言，3年内所有处理pH值逐年递减.同时，不同畜禽粪与化肥配施还导致了土壤有机质的变化，变化规律依次为NF>ZF、CK>HF>JF.同时也呈现出3年内逐年递减的趋势.

图 3(Fig.3)

图 3 不同处理对土壤pH和有机质含量的影响(图中字母a~d表示同一年份不同处理间存在显著性差异(p<0.05)) Fig.3 Effects of different treatments on pH and organic matter contents in soil

本文针对以上结果对各形态Cu与pH值和有机质含量间相关性进行了分析.分析结果如表 3、表 4所示.由表 3可知，土壤pH值对Cu各形态的影响并不十分显著，但总体而言酸可提取态、残渣态Cu与pH呈负相关，可还原态、可氧化态Cu与pH呈正相关.也就是说，随着pH的降低，酸可提取态、残渣态Cu增加，可还原态、可氧化态Cu减少.同时从表 3不难看出，畜禽粪与化肥配施在一定程度上增加了土壤各形态Cu与pH值间的相关性，其中以鸡粪与化肥配施的增加效果最为显著.

表 3(Table 3)

表 3 pH与各形态Cu的相关关系 Table 3 Relationship between pH and different fractions of Cu

表 3 pH与各形态Cu的相关关系 Table 3 Relationship between pH and different fractions of Cu 形态 pH CK HF NF ZF JF 注: *，**分别表示p<0.05和p<0.01的差异显著性水平. 酸可提取态 -0.9431 -0.8436 -0.8651 -0.8095 -0.9672* 可还原态 0.8978 0.8834 0.9330 0.9808* 0.8688 可氧化态 0.8020 0.9535* 0.9795* 0.9124 0.9959* * 残渣态 -0.8840 -0.9070 -0.9584* -0.9719* -0.9659*

表 4(Table 4)

表 4 有机质与Cu不同形态的相关关系 Table 4 Relationship between organic matter and different fractions of Cu

表 4 有机质与Cu不同形态的相关关系 Table 4 Relationship between organic matter and different fractions of Cu 形态 有机质含量 CK HF NF ZF JF 注: *，**分别表示p<0.05和p<0.01的差异显著性水平. 酸可提取态 -0.9971* * -0.9894* -0.9834* -0.9668* -0.9707* 可还原态 0.9991* * 0.9978* * 0.9997* * 0.9851* 0.8759 可氧化态 0.9747* 0.9934* * 0.9902* * 0.9986* * 0.9971* * 残渣态 -0.9974* * -0.9999* * -0.9986* * -0.9914* * -0.9695*

由表 4可以看出，土壤中各形态Cu与有机质含量间均有着显著的关系，其中，酸可提取态、残渣态Cu与有机质含量呈显著负相关，可还原态、可氧化态Cu与有机质含量呈显著正相关.由此可见，土壤中Cu的形态受土壤中有机质的影响比pH更为显著，这也印证了Cu与有机质具有亲和性这一结论.不同处理对Cu形态与有机质含量间的相关性没有明显影响.

本文通过培养试验研究了不同畜禽粪与化肥配施对土壤Cu总量及形态3年内动态变化的影响.由以上研究结果可知，畜禽粪与化肥配施增加了土壤中Cu的总量，导致了土壤中各形态Cu含量增加，使土壤中各形态Cu之间的变化趋势发生改变.

不同畜禽粪与化肥配施对土壤Cu总量的影响主要是由于：土壤中Cu的总量是由土壤中Cu的输入和输出决定的(谢忠雷等，2011)，就本研究而言，输入的Cu含量直接决定土壤中Cu总量.也就是说，土壤中Cu的总量与施入的畜禽粪便本身Cu含量有着密切的关系.由表 1可知，3种畜禽粪中Cu含量由大到小依次为猪粪>鸡粪>牛粪，这就导致了土壤中Cu总量出现ZF>JF>NF的规律.

不同畜禽粪与化肥配施对土壤各形态Cu含量影响的原因，钟晓兰等(2009)解释为：土壤中各形态Cu含量与土壤中Cu的总量呈显著正相关关系.由表 2可知，不同处理土壤中Cu总量呈ZF>JF>NF、HF>CK的顺序，这就导致了ZF处理显著增加了土壤中各形态Cu含量这一现象.而NF处理Cu总量就与HF处理相差无几，故其对土壤各形态Cu含量的影响也基本与HF处理相同.可以说，不同畜禽粪与化肥配施导致了土壤Cu总量的增加，这也就必然导致了土壤中各形态Cu含量的增加.

不同畜禽粪与化肥配施对土壤中Cu形态的影响主要是由于：不同畜禽粪与化肥配施导致土壤各理化性质的改变，理化性质的改变直接影响了土壤中Cu的形态变化.在众多理化性质中，土壤pH值和有机质含量是影响Cu形态变化最为主要的因素.就本文而言，3年内土壤pH值和有机质含量均呈降低趋势(pH值降低主要是因为：经过3年的分解，有机物料在矿化过程中产生了CO₂，在腐殖化过程中会产生有机酸，导致了土壤pH的降低(王意锟等，2010).有机质含量下降主要是因为：试验本身是一次性施肥，再无追肥，且pH的下降导致土壤中有机质分解，最终导致有机质含量的下降).随着土壤pH值的降低，土壤酸性增强，还原性增加，这就导致了土壤中部分Fe³⁺还原为Fe²⁺，氧化铁含量减少，氧化物结合态(可还原态)Cu也随之减少(刘平等，2013).之前也有许多研究(Smolders et al., 2009；Alva et al., 2000)发现pH减少会导致土壤可交换态和酸可提取态Cu增加，氧化物结合态Cu减少.对于施用畜禽粪对土壤中Cu形态影响的原因，胡美玲等(2012)还解释说：畜禽有机肥中含有大量的有机质，可以提供丰富的—OH和—COOH官能团，不仅如此，畜禽有机肥中还包含难分解的有机物质及不易氧化的硫化物，从而增加了Cu的结合位点，使Cu形成不易溶解和难移动的稳定络合体(Smith et al., 2008)；另一方面，畜禽有机肥含大量的可溶性有机配合体，与Cu离子结合成复合物以后其溶解能力增强(Madrid et al., 2007)，这就解释了本文中土壤酸可提取态、残渣态Cu增加这一现象.从以上分析可以看出，土壤中Cu形态的变化不是单一因素变化产生的结果，是多种因素共同作用下的结果.

根据本文的研究结果不难看出，畜禽粪便与化肥配施虽在一定程度上增加了土壤酸可提取态Cu比例，但由于酸可提取态Cu占土壤中Cu总量的比例很小，增加后的酸可提取态Cu占总量比例仍不足2%，所有这种增加效果对Cu有效性的影响并不大.而残渣态Cu占土壤中Cu总量的比例很大，畜禽粪与化肥配施导致了残渣态Cu增加，可还原态、可氧化态Cu的减少，这对土壤Cu有效性的影响是非常大的.也就是说，畜禽粪与化肥配施增加了土壤固持Cu的能力，降低了Cu的有效性.这对防治土壤Cu污染来说无疑是件好事.

1)不同畜禽粪与化肥配施导致了土壤中Cu总量的增加，增加效果依次为：猪粪与化肥配施>鸡粪与化肥配施>牛粪与化肥配施、单施化肥.其中，猪粪与化肥配施显著增加了土壤中Cu的总量，与单施化肥相比增幅达到85.0%~86.1%，而牛粪与化肥配施则与单施化肥基本相同.

2)不同畜禽粪与化肥配施导致了土壤中各形态Cu含量增加，增加幅度依次为：猪粪与化肥配施>鸡粪与化肥配施>牛粪与化肥配施.其中，猪粪与化肥配施对各形态Cu含量的增加效果显著高于其它处理.

3)不同畜禽粪与化肥配施均导致了土壤中酸可提取态、残渣态Cu增加，可还原态、可氧化态Cu减少.由于增加后的酸可提取态Cu占总量比例仍很小(不足2%)，所以酸可提取态Cu的增加对Cu整体有效性的影响不明显.而残渣态Cu的增加和可还原态、可氧化态Cu的减少都说明：畜禽粪与化肥配施降低了土壤中Cu的有效性，降低效果依次为：猪粪与化肥配施>鸡粪与化肥配施>牛粪与化肥配施.

4)对于影响Cu形态变化的相关因素分析发现，各形态Cu与pH值间相关性不显著，但其与有机质含量间相关性极其显著.酸可提取态、残渣态Cu与有机质含量呈显著负相关，可还原态、可氧化态Cu与有机质含量呈显著正相关.此外，畜禽粪与化肥配施增加了土壤中各形态Cu与pH值间的相关性，但对其与有机质含量间关系影响不大.