豬糞-秸稈還田對土壤、作物重金屬銅鋅積累及環(huán)境容量影響研究

王瓊瑤，李　森，周　玲，王貴胤，張楚兒，張世熔

（1．四川省自然資源科學(xué)研究院，成都 610015；2．四川農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，成都 611130）

豬糞-秸稈還田對土壤、作物重金屬銅鋅積累及環(huán)境容量影響研究

王瓊瑤1，李森1，周玲1，王貴胤2，張楚兒2，張世熔2

（1．四川省自然資源科學(xué)研究院，成都 610015；2．四川農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，成都 611130）

為評價畜禽養(yǎng)殖廢棄物和種植業(yè)廢棄物還田對土壤、作物安全性的影響，通過水稻-小麥輪作田間試驗，設(shè)置不同豬糞-秸稈還田處理，研究土壤、作物重金屬Cu、Zn的含量變化，開展污染評價和農(nóng)田土壤重金屬靜態(tài)環(huán)境容量及豬糞最高施用量研究，以期為養(yǎng)殖業(yè)與種植業(yè)廢棄物的農(nóng)田利用和農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)提供合理建議。結(jié)果表明：在豬糞-秸稈還田下，稻麥兩季表層土壤重金屬Cu、Zn含量略有升高，但處理間的差異性不顯著（P＞0.05），且均在土壤環(huán)境質(zhì)量一級標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，土壤地累積指數(shù)Igeo均小于0；稻麥籽粒重金屬Cu、Zn含量均在食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量之內(nèi)，單因子污染指數(shù)PI均小于1。因此，豬糞-秸稈還田對土壤、作物的Cu、Zn污染影響不顯著。稻麥輪作后，土壤Cu、Zn靜態(tài)環(huán)境容量均降低，最小靜態(tài)環(huán)境容量分別為11.32、135.06 kg·hm-2。綜合考慮土壤銅鋅的污染安全問題，在稻麥輪作后建議豬糞還田的最高施用量為1 028.77 t·hm-2。

豬糞；秸稈；小麥；水稻；銅；鋅；環(huán)境容量

王瓊瑤，李森，周玲，等.豬糞-秸稈還田對土壤、作物重金屬銅鋅積累及環(huán)境容量影響研究［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2016，35（9）：1764-1772.

WANG Qiong-yao，LI Sen，ZHOU Ling，et al.Accumulation and environmental capacity of Cu and Zn in soil-crop with swine manure applying and straw returning［J］.Journal of Agro-Environment Science，2016，35（9）：1764-1772.

隨著我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)的規(guī)?；焖侔l(fā)展［1］，由此帶來的環(huán)境問題日益突出，目前已成為農(nóng)村面源污染的主要來源之一［2-3］。畜禽糞便是農(nóng)業(yè)中常用的有機(jī)肥料，富含氮磷鉀和有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分［4］，還田施用能減少環(huán)境污染，提高土壤肥力，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展［5-6］。但近年來，國內(nèi)外畜禽養(yǎng)殖中濫用或超量使用Cu、Zn等微量元素作為飼料添加劑，這些元素在畜禽體內(nèi)的消化吸收利用率低，致使糞便中重金屬Cu、Zn增高，經(jīng)還田積累在土壤中造成環(huán)境污染［7-9］。Zhang等［10］報道了東北地區(qū)畜禽糞便施用增加了農(nóng)田土壤Cu污染的風(fēng)險，且豬糞中Cu含量高于牛糞和雞糞；葉必雄等［11］研究指出長期施用畜禽糞便的土壤剖面中Cu、Zn、Pb等重金屬含量高于未施用畜禽糞便的土壤。當(dāng)土壤重金屬含量超過土壤臨界值時，將對農(nóng)作物、農(nóng)產(chǎn)品等造成嚴(yán)重污染［12-13］，并通過食物鏈危害人類健康［14］。目前，關(guān)于畜禽糞便施用后對土壤-農(nóng)作物重金屬含量影響的研究較多，但主要集中于盆栽試驗?zāi)M［15］，或僅單一畜禽糞便施用對重金屬遷移轉(zhuǎn)化及對形態(tài)的影響［12，16］等方面。而關(guān)于畜禽糞便-秸稈還田條件下土壤-農(nóng)作物體系中重金屬的遷移轉(zhuǎn)化、污染評價和環(huán)境容量研究相對較少［17］。成都平原秸稈資源豐富，秸稈還田施用可增加農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量，還能促進(jìn)土壤微生物繁殖和活性增強(qiáng)［18-19］，有效提高土壤有機(jī)碳的含量，對提高土壤肥力和作物產(chǎn)量、增強(qiáng)固碳能力都具有重要的科學(xué)意義［20］。同時，秸稈還田有利于提高資源利用效率、減少環(huán)境污染和實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展［21］。因此，在本區(qū)域開展畜禽糞-秸稈還田對農(nóng)田土壤、作物重金屬含量影響的研究，評價污染情況、了解土壤環(huán)境容量，可為科學(xué)有效地幫助和指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

1　材料與方法

1.1試驗處理設(shè)置

試驗小區(qū)：試驗區(qū)選在崇州市榿泉鎮(zhèn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研發(fā)基地，采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，每個處理設(shè)置3個重復(fù)，小區(qū)面積為70.0 m2，小區(qū)間隔0.5 m。

供試材料：供試豬糞采自崇州市養(yǎng)殖場，試驗用氮肥為尿素（N含量46.3%），磷肥為過磷酸鈣（P2O5含量12%），鉀肥為氯化鉀（K2O含量60%）。水稻品種為岡優(yōu)系列，小麥品種為內(nèi)麥836，水稻季所用為上一季小麥秸稈，其N、P2O5、K2O含量分別為0.72%、0.19%、1.01%，Cu和Zn含量分別為0.76、8.89 mg·kg-1；小麥季所用秸稈為上一季水稻秸稈，其N、P2O5、K2O含量分別為0.84%、0.25%、1.05%，Cu和Zn含量分別為0.74、9.32 mg·kg-1；豬糞含N、P2O5、K2O分別為0.82%、0.55%、0.48%，Cu和 Zn分別為 11.00、73.96 mg·kg-1。

水稻季試驗處理設(shè)置：按水稻產(chǎn)量9000～10 500 kg·hm-2，各處理施肥量N、P2O5、K2O分別為180、90、90 kg·hm-2，其中豬糞和秸稈還田量以純化肥為標(biāo)準(zhǔn)，計算兩者N、P2O5、K2O含量，不足由化肥補(bǔ)充。試驗共設(shè)計6個處理，施肥方案見表1。

表1　水稻季試驗方案設(shè)計（kg·hm-2）Table 1 The experimental design for the rice season（kg·hm-2）

小麥季試驗處理設(shè)置：按小麥產(chǎn)量6750～7500 kg·hm-2，各處理施肥量N、P2O5、K2O分別為180、90、90 kg·hm-2，其中豬糞和秸稈還田量以純化肥為標(biāo)準(zhǔn)，計算兩者N、P2O5、K2O含量，不足由化肥補(bǔ)充。試驗共設(shè)計6個處理，施肥方案見表2。

表2　小麥季試驗方案設(shè)計（kg·hm-2）Table 2 The experimental design for the wheat season（kg·hm-2）

1.2樣品采集與測定

樣品采集：分別在作物種植前和收割期采集0～20 cm和20～40 cm土層土樣測定重金屬含量，植物收獲后測定各器官（根、莖葉和籽粒）中重金屬含量。

測定方法：將收獲后的植物樣清洗后65℃恒溫烘干，磨碎（0.5 mm）并用HNO3-HClO4進(jìn)行消煮，過濾后備測。土樣風(fēng)干、研磨過0.2 mm篩后用HNO3-HF-HClO4三酸進(jìn)行消煮、過濾。植物樣和土樣過濾液通過原子吸收分光光度計測定重金屬Cu、Zn含量。

1.3研究方法

1.3.1數(shù)據(jù)常規(guī)統(tǒng)計分析

采用SPSS17.0軟件統(tǒng)計分析豬糞-秸稈還田處理下土壤和作物重金屬Cu、Zn含量的差異，通過單因素方差分析（ANOVA）模塊檢驗重金屬含量差異顯著性，進(jìn)一步利用最小顯著差數(shù)法（LSD）在P＜0.05水平上做多重比較。

1.3.2土壤-植物重金屬污染評價及環(huán)境容量分析

為確定不同施肥處理對農(nóng)田土壤的污染情況，本文以中國土壤元素背景值為評價標(biāo)準(zhǔn)，采用地累積指數(shù)法，評價重金屬的污染程度及其分級情況［22］。

根據(jù)Muller（1969）將Igeo分為7個等級，指數(shù)越大表明污染越嚴(yán)重，即：無污染（Igeo≤0），輕-中等污染（0＜Igeo≤1），中等污染（l＜Igeo≤2），中-強(qiáng)污染（2＜Igeo≤3），強(qiáng)污染（3＜Igeo≤4）、強(qiáng)-極強(qiáng)污染（4＜Igeo≤5）、極嚴(yán)重污染（Igeo＞5）。

以國家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)為評價標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用單因子指數(shù)法對兩種作物籽粒重金屬污染水平進(jìn)行評價。

式中：PI為單一重金屬污染指數(shù)；Cn為樣品中元素n的實測濃度；Bn為元素n的背景值。

重金屬單因子污染等級劃分：PI＜1為清潔，1≤PI＜2為輕度污染，2≤PI＜3為中度污染，PI≥3為重度污染。

1.3.3土壤重金屬靜態(tài)容量及廢棄物施用量分析

根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—1995）和研究區(qū)內(nèi)農(nóng)田土壤現(xiàn)有重金屬含量，計算養(yǎng)殖廢棄物的最高施用量。

土壤重金屬靜態(tài)容量計算方法如下：

本次對區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法下穿客運(yùn)專線橋梁進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬，計算結(jié)果顯示隧道施工對橋梁結(jié)構(gòu)控制參數(shù)影響較小，推薦較為經(jīng)濟(jì)的加強(qiáng)隧道內(nèi)注漿方案。在實際施工過程中距橋梁樁基150 m范圍進(jìn)行類似地層盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)分析，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗優(yōu)化各項施工參數(shù)，并對盾構(gòu)隧道同步注漿量及注漿壓力進(jìn)行合理控制，并及時進(jìn)行二次注漿，較好的控制了橋梁樁基及上部結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)變形。

式中：Qi為土壤重金屬i的靜態(tài)環(huán)境容量，kg·hm-2；Si為土壤重金屬i的臨界值，mg·kg-1；Ci為土壤重金屬i的含量，mg·kg-1。

廢棄物的最高施用量按下式計算：

式中：Smax為廢棄物最高施用量，kg·hm-2；Wsi為廢棄物中重金屬i的平均含量，mg·kg-1。

2　結(jié)果與討論

2.1豬糞-小麥秸稈（水稻季）還田重金屬銅鋅含量變化及環(huán)境容量研究

2.1.1豬糞-小麥秸稈還田對土壤銅鋅含量的影響

研究結(jié)果表明，在水稻種植前，農(nóng)田表層土壤（0～20 cm）重金屬Cu、Zn含量略低于下層土壤（20～40 cm），見圖1、圖2。這可能是由于灌溉水下滲作用使得下層土壤重金屬含量富集相對較高，表層土壤Cu平均含量為29.20 mg·kg-1，下層土壤Cu平均含量29.27 mg·kg-1；表層土壤Zn平均含量為39.72 mg·kg-1，下層土壤Zn平均含量39.78 mg·kg-1。在不同處理的水稻收割期，土壤Cu含量除T5以外，均表現(xiàn)為表層土壤略低于下層土壤，T5表層土壤Cu平均含量為30.37 mg·kg-1，略高于下層土壤Cu平均含量29.53 mg·kg-1。這可能是由于T5處理加入的豬糞和秸稈量最高，土壤Cu累積量略高于其他各處理，且表層土壤Cu累積量也略高于下層土壤。土壤Zn含量則表現(xiàn)為表層土壤略低于下層土壤（T4、T5持平除外），表層土壤Zn平均含量為39.88 mg·kg-1，下層土壤Zn平均含量為39.90 mg·kg-1。

圖1　不同處理下水稻季土壤Cu含量Figure 1 The Cu concentrations of soil in different treatments

圖2　不同處理下水稻季土壤Zn含量Figure 2 The Zn concentrations of soil in different treatments

經(jīng)過豬糞-秸稈還田處理，農(nóng)田土壤Cu、Zn含量均表現(xiàn)為收割期略高于種植前。水稻種植前土壤Cu、Zn平均含量分別為29.23、39.75 mg·kg-1，收割期土壤Cu、Zn平均含量分別為29.46、39.89 mg·kg-1，表明豬糞-秸稈還田處理后對土壤Cu、Zn含量具有一定的累積作用。不同還田處理土壤Cu（平均含量29.35 mg·kg-1）、Zn（平均含量39.82 mg·kg-1）均高于對照（Cu平均含量29.04 mg·kg-1，Zn平均含量39.53 mg· kg-1），且均在土壤環(huán)境質(zhì)量一級標(biāo)準(zhǔn)（GB 15618—2008）范圍內(nèi)。在不同還田處理下，隨著施入豬糞量的增加，土壤Cu、Zn含量均呈現(xiàn)出增加趨勢，但處理之間差異性均不顯著（P＞0.05），表明豬糞-秸稈還田處理對土壤Cu、Zn含量影響不顯著。

2.1.2豬糞-小麥秸稈還田對水稻銅鋅含量的影響

圖3　不同處理下水稻Cu含量Figure 3 The Cu concentrations of rice in different treatments

不同豬糞-小麥秸稈還田處理下，水稻植物體各部分的Cu、Zn含量表現(xiàn)為各處理（T1～T5）均高于CK（圖3、圖4），其中T1水稻植株Cu、Zn平均含量最高，分別為0.77、21.78 mg·kg-1，CK水稻植株Cu、Zn平均含量分別為0.72、20.43 mg·kg-1，這表明豬糞-秸稈還田模式與純化肥種植相比，在一定程度上減少了水稻植株中Cu、Zn的累積。水稻植株Cu、Zn含量均表現(xiàn)為根＞莖葉＞籽粒，表明水稻的根對Cu、Zn的累積能力大于莖葉和籽粒。各處理水平下水稻根、莖葉、籽粒中Cu、Zn含量的差異性均不顯著（P＞0.05），表明豬糞-小麥秸稈還田對水稻植株中重金屬的累積影響不顯著。對照《食品中污染物限量》（GB2762—2012）中Cu、Zn的臨界值（Cu≤10 mg·kg-1，Zn≤50 mg·kg-1），水稻各器官Cu、Zn含量均在保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、維護(hù)人體健康的標(biāo)準(zhǔn)限量值以內(nèi)。

2.1.3豬糞-小麥秸稈還田土壤、水稻銅鋅污染評價

以土壤元素背景值為標(biāo)準(zhǔn)，采用地累積指數(shù)法對水稻農(nóng)田土壤進(jìn)行評價，結(jié)果如表3所示。水稻農(nóng)田土壤評價中Cu、Zn的地累積指數(shù)Igeo均小于0，表明在豬糞-秸稈還田處理下水稻農(nóng)田土壤沒有受到Cu、Zn污染。土壤Zn的平均地累積指數(shù)為-1.915，Cu的平均地累積指數(shù)為-0.211。與水稻播種前相比，水稻收割期土壤Cu、Zn的地累積指數(shù)略有升高，由地累積指數(shù)相比可見，Cu比Zn對農(nóng)田的污染危害更大。

圖4　不同處理下水稻Zn含量Figure 4 The Zn concentrations of rice in different treatments

表3　不同還田處理下水稻季土壤銅鋅地累積指數(shù)（Igeo）Table 3 The cumulative index（Igeo）of soil Cu and Zn under different treatments in rice season

從重金屬單因子污染指數(shù)分析結(jié)果（表4）來看，水稻植株內(nèi)重金屬Cu、Zn污染指數(shù)PI均小于1，表明水稻未受到重金屬污染，其中水稻籽粒Cu、Zn污染指數(shù)PI與根和莖葉相比為最小。水稻植株Cu污染指數(shù)PI在0.07～0.08之間，Zn污染指數(shù)PI在0.37～0.49之間，相對而言Zn比Cu對水稻的污染危害更大。在還田處理下，各處理之間的重金屬單因子污染指數(shù)差異性不顯著，表明豬糞-秸稈還田對水稻植株中重金屬的污染危害不顯著。

表4　不同還田處理下水稻銅鋅單項因子污染指數(shù)（PI）Table 4 The single factor pollution index（PI）of rice Cu and Zn in different treatments

2.1.4水稻季土壤銅鋅環(huán)境容量研究

根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—1995）來計算水稻季土壤Cu、Zn靜態(tài)環(huán)境容量以及豬糞的最高施用量（表5）。經(jīng)統(tǒng)計，在水稻播種前土壤Cu、Zn平均靜態(tài)環(huán)境容量分別為13.06、135.67 kg·hm-2，水稻收割期土壤Cu、Zn平均靜態(tài)環(huán)境容量分別為12.60、135.37 kg·hm-2，豬糞-小麥秸稈還田處理后土壤Cu、Zn平均靜態(tài)環(huán)境容量分別降低了3.52%、0.22%。按照土壤Cu環(huán)境質(zhì)量一級標(biāo)準(zhǔn)計算（Cu含量≤22.6 mg·kg-1），在水稻播種前、水稻收割期的豬糞平均最高施用量分別為1 187.45、1 145.69 t·hm-2；按照土壤Zn環(huán)境質(zhì)量一級標(biāo)準(zhǔn)計算（Zn含量≤100 mg·kg-1），在水稻播種前、水稻收割期的豬糞平均最高施用量分別為1 834.24、1 830.21 t·hm-2。綜合考慮土壤銅鋅的污染安全問題，在該季后種植所需豬糞還田的最高施用量為1 032.86 t·hm-2。

2.2豬糞-水稻秸稈（小麥季）還田重金屬銅鋅含量變化及環(huán)境容量研究

2.2.1豬糞-水稻秸稈還田對土壤銅鋅含量的影響

研究結(jié)果表明，小麥季農(nóng)田表層土壤T1～T4 Cu、Zn含量略低于下層土壤（圖5、圖6）。這可能是由于灌溉水下滲作用使得下層土壤Zn含量富集相對較高，表層土壤Cu、Zn平均含量分別為29.32、39.91 mg·kg-1，下層土壤Cu、Zn平均含量分別為29.44、39.95 mg·kg-1。小麥種植前與收割期相比，經(jīng)過豬糞-秸稈還田處理，農(nóng)田土壤Cu、Zn含量均表現(xiàn)為收割期略高于種植前，小麥種植前土壤Cu、Zn平均含量分別為29.46、39.89 mg·kg-1，收割期土壤Cu、Zn平均含量分別為29.53、39.97 mg·kg-1，表明豬糞-秸稈還田處理后對土壤Cu、Zn含量具有一定的累積作用。在小麥?zhǔn)崭钇?，土壤Cu、Zn含量均表現(xiàn)為各處理（T1～T5）高于CK，且其中T1為最高，Cu、Zn平均含量分別為29.72、40.21 mg·kg-1，表明豬糞-秸稈還田模式與純化肥種植（T1）相比，豬糞-秸稈在增加土壤有機(jī)質(zhì)的同時，降低了Cu、Zn在土壤中的活性，減少了游離態(tài)重金屬在土壤中的累積。

不同還田處理土壤Cu（平均含量29.53 mg·kg-1）、Zn（平均含量39.97 mg·kg-1）均高于對照（Cu平均含量29.06 mg·kg-1，Zn平均含量39.47 mg·kg-1），均在土壤環(huán)境質(zhì)量一級標(biāo)準(zhǔn)（GB 15618—2008）范圍內(nèi)。在不同還田處理下，處理之間土壤Cu、Zn含量的差異性均為不顯著（P＞0.05），表明豬糞-秸稈還田處理對土壤重金屬Cu、Zn含量影響不顯著。與水稻季相比，小麥季各處理土壤Cu、Zn含量略高于水稻季。這可能是由于水稻季施肥后土壤重金屬殘留，使本底值有所升高［23-24］。

表5　不同還田處理下水稻季土壤銅鋅靜態(tài)環(huán)境容量及豬糞最高施用量（kg·hm-2）Table 5 The static environmental capacities of soil Cu and Zn and the highest amount of swine manure under different treatments in rice season（kg·hm-2）

2.2.2豬糞-水稻秸稈還田對小麥銅鋅含量的影響

不同豬糞-水稻秸稈還田處理下，小麥植株各部分的Cu、Zn含量表現(xiàn)為各處理（T1～T5）均高于CK，其中T1小麥Cu、Zn含量最高，分別為0.79、21.26 mg·kg-1，CK小麥Cu、Zn平均含量分別為0.73、20.42 mg·kg-1（圖7、圖8），表明豬糞-秸稈還田模式與純化肥種植相比，在一定程度上減少了小麥植株Cu、Zn的累積。小麥植株Cu、Zn含量均表現(xiàn)為根＞莖葉＞籽粒，表明根對Cu、Zn的累積能力大于莖葉和籽粒。各處理水平下小麥根、莖葉、籽粒中的Cu、Zn含量的差異性均不顯著（P＞0.05），表明豬糞-秸稈還田對小麥植株中重金屬的累積影響不顯著。依據(jù)《食品中污染物限量》（GB 2762—2012）中Cu、Zn的臨界值（Cu≤10 mg·kg-1，Zn≤50 mg·kg-1），小麥各器官Cu、Zn含量均在保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、維護(hù)人體健康的標(biāo)準(zhǔn)限量值以內(nèi)。2.2.3豬糞-水稻秸稈還田土壤、小麥銅鋅污染評價

圖5　不同處理下小麥季土壤Cu含量Figure 5 The Cu concentrations of soil in different treatments in wheat season

圖6　不同處理下小麥季土壤Zn含量Figure 6 The Zn concentrations of soil in different treatments in wheat season

以土壤元素背景值為標(biāo)準(zhǔn)，采用地累積指數(shù)法對小麥農(nóng)田土壤進(jìn)行評價，結(jié)果如表6所示。小麥農(nóng)田土壤評價中Cu、Zn的地累積指數(shù)Igeo均小于0，表明在豬糞-秸稈還田處理下小麥農(nóng)田土壤未受到Cu、Zn污染。土壤Zn的平均地累積指數(shù)為-1.912，Cu的平均地累積指數(shù)為-0.204。與小麥播種前相比，收割期土壤Cu、Zn的地累積指數(shù)略有升高，由地累積指數(shù)相比，Cu比Zn對農(nóng)田土壤的污染危害更大。與水稻季相比，土壤Cu、Zn地累積指數(shù)都略有升高，可能是由于經(jīng)過稻麥兩季的秸稈-豬糞還田，增加了Cu、Zn在土壤中的累積，從而增大了地累積指數(shù)。

從重金屬單因子污染指數(shù)分析（表7）看，小麥植株體內(nèi)Cu、Zn污染指數(shù)PI均小于1，表明小麥未受到重金屬污染，其中小麥籽粒Cu、Zn污染指數(shù)PI與根和莖葉相比為最小。小麥植株Cu污染指數(shù)PI在0.07～0.08之間，Zn污染指數(shù)PI在0.36～0.48之間，相對而言Zn比Cu對小麥的污染危害更大。在還田處理下，各處理之間的重金屬單因子污染指數(shù)差異性不顯著，表明豬糞-秸稈還田對小麥植株的重金屬污染危害不顯著。

圖7　不同處理下小麥Cu含量Figure 7 The Cu concentrations of wheat in different treatments

圖8　不同處理下小麥Zn含量Figure 8 The Zn concentrations of wheat in different treatments

表6　不同還田處理下小麥季土壤銅鋅地累積指數(shù)（Igeo）Table 6 The cumulative index（Igeo）of soil Cu and Zn under different treatments in wheat season

表7　不同還田處理下小麥銅鋅單項因子污染指數(shù)（PI）Table 7 The single factor pollution index（PI）of wheat Cu and Zn in different treatments

2.2.4小麥季土壤銅鋅環(huán)境容量研究

根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—1995）計算小麥季土壤Cu、Zn靜態(tài)環(huán)境容量以及豬糞的最高施用量（表8）。經(jīng)統(tǒng)計，在小麥播種前土壤Cu、Zn平均靜態(tài)環(huán)境容量分別為12.60、135.37 kg·hm-2，小麥?zhǔn)崭钇谕寥繡u、Zn平均靜態(tài)環(huán)境容量分別為12.49、135.26 kg·hm-2，豬糞-水稻秸稈還田處理后土壤Cu、Zn平均靜態(tài)環(huán)境容量分別降低了0.87%、0.08%。與水稻季相比，小麥季土壤Cu、Zn靜態(tài)環(huán)境容量也呈現(xiàn)降低的趨勢。按照土壤Cu環(huán)境質(zhì)量一級標(biāo)準(zhǔn)計算（Cu含量≤22.6 mg·kg-1），在小麥播種前、小麥?zhǔn)崭钇诘呢i糞平均最高施用量分別為1 145.69、1 135.29 t· hm-2；按照土壤Zn環(huán)境質(zhì)量一級標(biāo)準(zhǔn)計算（Zn含量≤100 mg·kg-1），在小麥播種前、小麥?zhǔn)崭钇诘呢i糞平均最高施用量分別為1 830.21、1 828.68 t·hm-2。綜合考慮土壤銅鋅的污染安全問題，在該季后種植所需豬糞還田的最高施用量為1 028.77 t·hm-2。

2.3小結(jié)

農(nóng)田消納是廢棄物資源化利用的重要途徑［25］。畜禽糞便還田施用增加了農(nóng)田土壤重金屬污染的風(fēng)險，土壤重金屬的含量和累積特征與畜禽糞便的重金屬含量、施用量和施用頻率等因素有關(guān)。本研究所選豬糞Cu、Zn含量不高，在還田過程中，土壤重金屬累積是一個長期的過程，實驗結(jié)果也表明，經(jīng)過稻麥兩季豬糞-秸稈還田，土壤對Cu、Zn具有累積效應(yīng)。鑒于此，綜合考慮農(nóng)田系統(tǒng)的可持續(xù)性和作物的安全性，通過監(jiān)測土壤重金屬含量，計算土壤環(huán)境容量，得出最高豬糞施用量，為指導(dǎo)下一季及后期豬糞-秸稈的還田提供安全施用量范圍，同時為畜禽養(yǎng)殖廢棄物和種植業(yè)廢棄物的資源化利用提供科學(xué)依據(jù)。

表8　不同還田處理下小麥季土壤銅鋅靜態(tài)環(huán)境容量及豬糞最高施用量（kg·hm-2）Table 8 The static environmental capacities of soil Cu and Zn and the highest amount of swine manure under different treatments in wheat season（kg·hm-2）

3　結(jié)論

（1）在豬糞-秸稈還田處理下，稻麥兩季農(nóng)田土壤Cu、Zn含量均在土壤環(huán)境質(zhì)量一級標(biāo)準(zhǔn)（GB 15618—2008）范圍內(nèi)，不同豬糞-秸稈還田處理對土壤Cu、Zn含量影響不顯著。采用地累積指數(shù)法評價，農(nóng)田土壤Cu、Zn的地累積指數(shù)Igeo均小于0，但相對而言Cu比Zn對農(nóng)田土壤的污染危害更大。

（2）在豬糞-秸稈還田處理下，稻麥植物體各部分的Cu、Zn含量均在保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、維護(hù)人體健康的標(biāo)準(zhǔn)限量值以內(nèi)，不同豬糞-秸稈還田處理對農(nóng)作物Cu、Zn含量影響不顯著。采用單項因子污染指數(shù)法評價，作物體內(nèi)Cu、Zn污染指數(shù)PI均小于1，但相對而言Zn比Cu對作物的污染危害更大。

（3）在豬糞-秸稈還田處理下，土壤對Cu、Zn具有累積效應(yīng)，在稻麥輪作后，土壤Cu、Zn的最小靜態(tài)環(huán)境容量分別為11.32、135.06 kg·hm-2，綜合考慮土壤Cu、Zn的安全問題，在該輪稻麥輪作后，建議豬糞還田的最高施用量為1 028.77 t·hm-2。

［1］李江濤，鐘曉蘭，趙其國.畜禽糞便施用對稻麥輪作土壤質(zhì)量的影響［J］.生態(tài)學(xué)報，2011，31（10）：2837-2845.

LI Jiang-tao，ZHONG Xiao-lan，ZHAO Qi-guo.Enhancement of soil quality in a rice-wheat rotation after long-term application of poultry litter and livestock manure［J］.Acta Ecologica Sinica，2011，31（10）：2837-2845.

［2］龔俊勇，彭小珍，廖新俤.廣東省梅州市農(nóng)地畜禽糞便環(huán)境風(fēng)險評價［J］.生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報，2011，27（3）：25-28.

GONG Jun-yong，PENG Xiao-zhen，LIAO Xin-di.Risk assessment of livestock manure in Meizhou area of Guangdong［J］.Journal of Ecology and Rural Environment，2011，27（3）：25-28.

［3］Han J Ko，Ki Y Kim，Hyeon T Kim，et al.Evaluation of maturity parameters and heavy metal contents in composts made from animal manure［J］. Waste Management，2008，28（5）：813-820.

［4］王成賢，石德智，沈超峰，等.畜禽糞便污染負(fù)荷及風(fēng)險評估：以杭州市為例［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2011，31（11）：2562-2569.

WANG Cheng-xian，SHI De-zhi，SHEN Chao-feng，et al.Pollution load and risk assessment of livestock manure：A case study in Hangzhou ［J］.Acta Scientiae Circumstantiae，2011，31（11）：2562-2569.

［5］賈中濤，王文亮，湯建華，等.畜禽糞便有機(jī)肥與氮肥配施對玉米土壤理化性狀的影響［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2015，38（6P）：34-39.

JIA Zhong-tao，WANG Wen-liang，TANG Jian-hua，et al.Effect of animal manure organic fertilizer and nitrogen combined application on maize soil physical&chemical properties［J］.Environmental Science& Technology，2015，38（6P）：34-39.

［6］Mahanta D，Bhattacharyya R，Gopinath K A，et al.Influence of farmyard manure application and mineral fertilization on yield sustainability，carbon sequestration potential and soil property of gardenpea-french bean cropping system in the Indian Himalayas［J］.Scientia Horticulturae，2013，164：414-427.

［7］彭來真，劉琳琳，張壽強(qiáng)，等.福建省規(guī)?；B(yǎng)殖場畜禽糞便中的重金屬含量［J］.福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，39（5）：523-527.

PENG Lai-zhen，LIU Lin-lin，ZHANG Shou-qiang，et al.Heavy metals content in manure of commercial animal farms in Fujian Province［J］. Journal of Fujian Agriculture and Forestry University（Natural Science Edition），2010，39（5）：523-527.

［8］吳二社，張松林，劉煥萍，等.農(nóng)村畜禽養(yǎng)殖與土壤重金屬污染［J］.中國農(nóng)學(xué)通報，2011，27（3）：285-288.

WU Er-she，ZHANG Song-lin，LIU Huan-ping，et al.Livestock and poultry breed aquatics in rural areas and soil heavy metal pollutions［J］. Chinese Agricultural Science Bulletin，2011，27（3）：285-288.

［9］Guan T X，He H B，Zhang X D，et al.Cu fractions，mobility and bioavailability in soil-wheat system after Cu-enriched livestock manure applications［J］.Chemosphere，2011，82（2）：215-222.

［10］Zhang F S，Li Y X，Yang M，et al.Copper residue in animal manures and the potential pollution risk in Northeast China［J］.Journal of Resources and Ecology，2011，2（1）：91-96.

［11］葉必雄，劉圓，虞江萍，等.施用不同畜禽糞便土壤剖面中重金屬分布特征［J］.地理科學(xué)進(jìn)展，2012，32（12）：1708-1714.

YE Bi-xiong，LIU Yuan，YU Jiang-ping，et al.Characteristics of the distribution of heavy metals in the profiles of the soils fertilized with different livestock manures［J］.Progress in Geography，2012，32（12）：1708-1714.

［12］商和平，李洋，張濤，等.畜禽糞便有機(jī)肥中Cu、Zn在不同農(nóng)田土壤中的形態(tài)歸趨和有效性動態(tài)變化［J］.環(huán)境科學(xué)，2015，36 （1）：314-324.

SHANG He-ping，LI Yang，ZHANG Tao，et al.Form tendency and bio-availability dynamics of Cu and Zn in different farm soils after application of organic fertilizer of livestock and poultry manures［J］.Environmental Science，2015，36（1）：314-324.

［13］劉全東，蔣代華，高利娟，等.畜禽糞便有機(jī)肥源重金屬在土壤-蔬菜系統(tǒng)中累積、遷移規(guī)律的研究進(jìn)展［J］.土壤通報，2014，45（1）：252-256.

LIU Quan-dong，JIANG Dai-hua，GAO Li-juan，et al.Research progress on heavy metal accumulation and migration of livestock dung organic fertilizer in soil-vegetable system［J］.Chinese Journal of Soil Science，2014，45（1）：252-256.

［14］許芳，梁合誠，樊娟，等.福州地區(qū)農(nóng)業(yè)用地土壤重金屬環(huán)境容量評價［J］.安全與環(huán)境工程，2009，16（4）：6-8.

XU Fang，LIANG He-cheng，F(xiàn)AN Juan，et al.Evaluation of soil heavy metal environmental capacity of agricultural land in Fuzhou area［J］. Safety and Environmental Engineering，2009，16（4）：6-8.

［15］張妍，崔驍勇，羅維，等.小白菜對豬糞中高Cu和Zn的富集與轉(zhuǎn)運(yùn)［J］.環(huán)境科學(xué)，2011，32（5）：1482-1488.

ZHANG Yan，CUI Xiao-yong，LUO Wei，et al.Bioconcentration andtranslocation of Cu and Zn by Brassica sinensis L.planted in high Cu and Zn contaminated pig manure-applied soils［J］.Environmental Science，2011，32（5）：1482-1488.

［16］徐秋桐，鮑陳燕，張莉，等.施用富銅鋅豬糞對低丘茶園土壤及茶葉重金屬積累的影響［J］.水土保持學(xué)報，2014，28（5）：204-210.

XU Qiu-tong，BAO Chen-yan，ZHANG Li，et al.Effects of copper and zinc-rich pig mature application on accumulation of heavy metal in soil and tea plant of hilly tea garden［J］.Journal of Soil and Water Conservation，2014，28（5）：204-210.

［17］龐妍，唐希望，吉普輝，等.關(guān)中平原畜禽糞便重金屬農(nóng)用風(fēng)險估算［J］.中國環(huán)境科學(xué)，2015，35（12）：3824-3832.

PANG Yan，TANG Xi-wang，JI Pu-hui，et al.The agricultural pollution risk estimation of livestock manures on heavy metals in Guanzhong plain［J］.China Environmental Science，2015，35（12）：3824-3832.

［18］魏賽金，李昆太，涂曉嶸，等.稻草還田配施化肥與腐稈菌劑下的土壤微生物及有機(jī)碳組分特征［J］.核農(nóng)學(xué)報，2012，26（9）：1317-1321.

WEI Sai-jin，LI Kun-tai，TU Xiao-rong，et al.The characteristics of microbes and organic carbon composition in the soils applied together with chemical fertilizer，straw incooperation and microbial agent［J］. Journal of Nuclear Agricultural Sciences，2012，26（9）：1317-1321.

［19］譚周進(jìn)，李倩，李建國，等.稻草還田量對晚稻土微生物數(shù)量及活度的動態(tài)影響［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2006，25（3）：670-673.

TAN Zhou-jin，LI Qian，LI Jian-guo，et al.Effect of returning quantity of rice-straw to soil on quantities and activity of microbial in paddy soil ［J］.Journal of Agro-Environment Science，2006，25（3）：670-673.

［20］史然，陳曉娟，沈建林，等.稻田秸稈還田的土壤增碳及溫室氣體排放效應(yīng)和機(jī)理研究進(jìn)展［J］.土壤，2013，45（2）：193-198.

SHI Ran，CHEN Xiao-juan，SHEN Jian-lin，et al.A review on application of rice straw in soil carbon sequestration and greenhouse gases emission in paddy ecosystems［J］.Soils，2013，45（2）：193-198.

［21］李明德，吳海勇，聶 軍，等.稻草及其循環(huán)利用后的有機(jī)廢棄物還田效用研究［J］.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，43（17）：3572-3579.

LI Ming-de，WU Hai-yong，NIE Jun，et al.Utilities of straw and wastes of straw recycling returning on rice planting［J］.China Agriculture Science，2010，43（17）：3572-3579.

［22］F?rstner U，Müller G.Concentrations of heavy metals and polycyclic aromatic hydrocarbons in river sediments：Geochemical background，man′s influence and environmental impact［J］.Geojournal，1981，5（5）：417-432.

［23］張云青，張濤，李洋，等.畜禽糞便有機(jī)肥中重金屬在不同農(nóng)田土壤中生物有效性動態(tài)變化［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2015，34（1）：87-96.

ZHANG Yun-qing，ZHANG Tao，LI Yang，et al.Bioavailability dynamics of heavy metals in livestock and poultry manure added to different farmland soils［J］.Journal of Agro-Environment Science，2015，34 （1）：87-96.

［24］董同喜，張濤，李洋，等.畜禽糞便有機(jī)肥中重金屬在水稻土中生物有效性動態(tài)變化［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2016，36（2）：621-629.

DONG Tong-xi，ZHANG Tao，LI Yang，et al.Bioavailability dynamics of heavy metals in manure and their effect on uptake of rice［J］.Acta Scientiae Circumstantiae，2016，36（2）：621-629.

［25］李瀚，鄧歐平，胡佳，等.成都平原農(nóng)業(yè)廢棄物施用下稻田田面水氮磷動態(tài)變化特征［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2015，34（3）：485-493.

LI Han，DENG Ou-ping，HU Jia，et al.Dynamics of nitrogen and phosphorus in paddy field water under agricultrual residue applications in Chengdu plain［J］.Journal of Agro-Environment Science，2015，34（3）：485-493.

Accumulation and environmental capacity of Cu and Zn in soil-crop with swine manure applying and straw returning

WANG Qiong-yao1，LI Sen1，ZHOU Ling1，WANG Gui-yin2，ZHANG Chu-er2，ZHANG Shi-rong2
（1.Sichuan Province Natural Resources Science Academy，Chengdu 610015，China；2.College of Environmental Sciences，Sichuan Agricultural University，Chengdu 611130，China）

To assess the security of soil and crop after agricultural waste application，a field experiment under rice-wheat rotation with different swine manure-straw treatments was conducted to evaluate the pollution characteristics and dynamic changes of Cu and Zn in soilcrop，and estimate their static environmental capacity，and the highest application rate of swine manure.The Cu and Zn concentrations in the surface soil among the treatments slightly increased after the swine manure-straw incorperation，and showed no significant differences （P＞0.05）.Moreover，they in rice and wheat growing season were within the scope of ClassⅠof the soil environment quality，and their cumulative indexes（Igeo）were less than zero.In addition，the Cu and Zn concentrations in rice and wheat grain were small than the threshold for the national food safety standards of food contaminants，and the pollution indexes（PI）were less than 1.Therefore，swine manure-straw returning did not have significant effects on the soil and crop.The static environmental capacities of soil Cu and Zn decreased after ricewheat rotation，and the minimum static environmental capacities were 11.32 and 135.06 kg·hm-2.Considering the Cu and Zn pollution safety problems，we suggest that the application amount of swine manure should be less than 1 028.77 t·hm-2after rice-wheat rotation.

swine manure；straw；wheat；rice；Cu；Zn；environmental capacity

X71

A

1672-2043（2016）09-1764-09doi：10.11654/jaes.2016-0336

2016－03－15

四川省科技支撐計劃項目（2014NZ0044）

王瓊瑤（1986—），女，四川雅安人，碩士研究生，助理研究員，從事農(nóng)業(yè)資源環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究。E-mail：wangqiongyao020@sina.com