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    沼氣肥中重金屬在土壤—蔬菜中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律

    2017-02-27 15:02曹昀陳冰祥劉燕燕
    江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2017年1期
    關(guān)鍵詞:白菜重金屬土壤

    曹昀+陳冰祥+劉燕燕

    摘要:通過(guò)盆栽試驗(yàn),以沙土為基質(zhì),施加沼氣肥種植白菜,測(cè)定并計(jì)算白菜、土壤中重金屬含量、元素相關(guān)性、土壤-植物化學(xué)計(jì)量比、富集系數(shù)等指標(biāo),旨在研究As、Cu、Cr、Zn在土壤-蔬菜中的轉(zhuǎn)移規(guī)律。結(jié)果顯示,土壤中As、Zn含量隨沼氣肥濃度的增加變化趨勢(shì)明顯,沼渣組As、Zn含量呈上長(zhǎng)—下降趨勢(shì)(180 g為拐點(diǎn)),沼渣+沼液組As含量呈下降趨勢(shì),Zn含量呈增加-下降趨勢(shì)(1 ∶5/120 g為拐點(diǎn)),沼液組As含量逐漸增加;隨沼氣肥濃度增加,白菜重金屬含量變化復(fù)雜,試驗(yàn)組分別在梯度為180 g、1 ∶5/180 g、1 ∶5時(shí),元素含量最多,為180 g;沼渣、沼渣+沼液、沼液施肥使土壤中As含量最多,土壤中全部超標(biāo)、蔬菜中部分超標(biāo);白菜中以Cr最多,為1 ∶5/180 g,且全部超標(biāo),即土壤-蔬菜中As遷移能力最弱,Cr最強(qiáng)。

    關(guān)鍵詞:沼氣肥;重金屬;白菜;土壤;遷移轉(zhuǎn)化

    中圖分類號(hào): S181 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A 文章編號(hào):1002-1302(2017)01-0253-05

    近年來(lái),畜禽養(yǎng)殖業(yè)向規(guī)模化快速發(fā)展,大量畜禽糞便引起的環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。沼氣肥由畜禽糞便發(fā)酵產(chǎn)生,各地大興沼氣肥加工產(chǎn)業(yè),它既符合廢棄物治理減量化、資源化和生態(tài)化的原則,又能減少環(huán)境污染[1-4]。沙土是由80%以上的沙和20%以下的黏土混合而成的土壤,其土質(zhì)疏松、透水透氣性好,但有機(jī)質(zhì)含量低、保水保肥能力差,因此不適宜某些植物生長(zhǎng),施加沼氣肥可以改變土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力。畜禽對(duì)飼料中Cu、Zn、Cr、As等微量元素添加劑利用率較低,造成沼氣肥中大量重金屬積累,不合理地配施沼氣肥可能導(dǎo)致土壤重金屬含量超標(biāo)及農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)下降[5-8]。本試驗(yàn)以沼氣肥在沙土中種植白菜為研究對(duì)象,測(cè)定Cu、Zn、Cr、As元素在土壤-蔬菜中的轉(zhuǎn)移情況,為沙化地區(qū)蔬菜安全種植提供科學(xué)參考依據(jù),此外對(duì)改良沙土肥力有重要參考價(jià)值。

    1 材料與方法

    1.1 材料

    供試白菜種子購(gòu)于江西省德安縣種子公司,品種名稱為上海青;供試土壤取自江西師范大學(xué)附近農(nóng)家菜地及贛江采沙場(chǎng),按照80%的沙子、20%的黏土進(jìn)行混合。

    1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

    本試驗(yàn)以沙土為基質(zhì),在規(guī)格為長(zhǎng)×寬×高為31 cm×24 cm×9 cm花盆中施加沼氣肥,在室內(nèi)種植白菜,為期2個(gè)月。試驗(yàn)設(shè)置1個(gè)空白組、3個(gè)試驗(yàn)組,每個(gè)試驗(yàn)組設(shè)置5個(gè)梯度,每個(gè)梯度設(shè)置1個(gè)平行,1 ∶8、1 ∶5、1 ∶4、1 ∶2、1 ∶1代表沼液稀釋程度,90、120、150、180、210 g為加入沼渣的量,然后將各組土壤補(bǔ)齊為8 100 g(表1、表2)。試驗(yàn)前后土壤pH值為6.2~7.3。試驗(yàn)2個(gè)月后,對(duì)蔬菜進(jìn)行收割,并采集試驗(yàn)組中的土壤及蔬菜樣品,做好標(biāo)記。

    1.3 樣品處理與測(cè)試

    蔬菜用自來(lái)水和去離子水沖洗,將洗凈后的蔬菜樣品用吸水紙吸干表面水分,風(fēng)干一會(huì)兒,放入已稱質(zhì)量的干燥培養(yǎng)皿(m0)中稱質(zhì)量(m1)。將培養(yǎng)皿和樣品一起置于電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中,80 ℃條件下烘約24 h,樣品烘脆后用玻璃棒輕輕壓碎,然后在105 ℃條件下烘約12 h,冷卻、稱質(zhì)量。再用相同方法烘約2 h,再稱質(zhì)量,至恒質(zhì)量為止(m2),計(jì)算蔬菜樣品含水量[公式(1)]。土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干后,與植物樣一樣經(jīng)瑪瑙研缽研磨過(guò)100目尼龍篩。土壤、植物樣都采用HF-HNO3的方式消解,然后用Optima 8000 ICP-OES等離子體發(fā)射光譜儀檢測(cè)。試驗(yàn)過(guò)程使用試劑均為優(yōu)級(jí)純,試驗(yàn)所用器皿均在10%硝酸、去離子水中分別浸泡24 h以上,所有樣品批次含相應(yīng)的試劑空白,20%平行樣的測(cè)定。蔬菜中重金屬含量以鮮質(zhì)量計(jì)。

    土壤樣品基本性質(zhì)的測(cè)定采用常規(guī)方法,即pH值采用去離子水浸提pH計(jì)法(水 ∶土=2.5 ∶1)。

    1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

    植物樣品中含水量的計(jì)算公式見(jiàn)式(1)。

    式中:W表示烘干土壤中砷、銅、鋅、鉻含量,mg/kg;C=C測(cè)-C空白,mg/L;V表示樣品體積,mL;m表示消解時(shí)所取樣品的質(zhì)量,g;f表示土壤含水量,%。

    采用Office 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及制圖,用SPSS 21.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。對(duì)試驗(yàn)組的重金屬元素進(jìn)行單因素方差分析(One-way-ANOVA),并采用LSD多重比較分析不同沼氣肥試驗(yàn)組中相同重金屬元素含量的差異。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 白菜、土壤中重金屬含量差異分析

    2.1.1 土壤重金屬含量差異分析 由圖1-a1、圖1-a2、圖1-a3可知,T1、T2、T3試驗(yàn)組土壤重金屬含量大小為As>Zn>Cr>Cu。As、Zn、Cr、Cu元素與CK相比分別增:T1組為-40.85%~24.10%、30.50%~318.82%、-73.60%~8.72%、-0.20%~99.80%;T2組為-38.86%~-13.02%、-11.54%~350.43%、-67.65%~-19.09%、-33.66%~267.54%;T3組為-43.69%~9.70%、-73.24%~23.00%、-85.34%~-41.12%、-66.77%~-11.64%。對(duì)照GB 15618—2008《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》,試驗(yàn)組、對(duì)照組As含量超過(guò)國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn),Zn、Cu、Cr符合國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。樣品中各元素之間的平均變異程度(等級(jí)為低、中、高)(圖2-a)來(lái)看,T1、T2、T3組As元素都為低等;Cu元素T1、T2、T3組分別為低等、中等、中等;Zn元素T1、T2、T3組為中等、中等、低等;Cr元素T1、T2、T3組為中、低、中等;As元素含量T1、T2、T3組之間差異顯著(P<0.05),Cu元素T2、T3組差異顯著(P<0.05),Zn元素T1、T3差異顯著(P<0.05)。

    由圖1-a得:土壤CK組與試驗(yàn)組中As(CK>T2、T3)含量高,沙土中沼渣+沼液施肥可降低As、Cr元素的含量,沼液施肥可使土壤中的Cr、Cu含量降低較明顯。與CK相比,As、Zn含量變化趨勢(shì)明顯。隨著沼氣肥濃度的上升,沼渣組As、Zn呈上升—下降趨勢(shì)(180 g為拐點(diǎn));沼渣+沼液組As呈下降趨勢(shì),Zn呈上升—下降趨勢(shì)(1 ∶5/120 g為拐點(diǎn));沼液組As含量逐漸上升。因此,在沙土中利用適量的沼氣肥種植白菜,低濃度的沼液施肥和超過(guò)180 g的沼渣施肥可降低土壤中的As、Zn含量。

    2.1.2 白菜中重金屬含量差異分析 由圖1-b1、圖1-b2、圖1-b3可知,T1、T2、T3試驗(yàn)組中總的重金屬含量的表現(xiàn)為Cr>Zn>As>Cu、Zn>Cr>As>Cu、Zn>Cr>Cu>As。As、Zn、Cr、Cu元素含量與CK相比分別增:T1組為48.30%~866.40%、-13.17%~175.40%、-43.02%~280.56%、-23.38%~2 866.39%;T2組為-7.50%~758.93%、108.60%~411.58%、-70.14%~108.48%、126.25%~2 623.24%;T3組為-15.12%~172.79%、-22.33%~133.79%、-57.05%~-12.16%、-18.70%~322.64%。根據(jù)GB 2762—2012《食品污染物限量標(biāo)準(zhǔn)》,除T1組150 g、T2組中1 ∶5/210 g、T3組的濃度為1 ∶4、1 ∶1外As含量都超標(biāo);Zn元素T2、T1組中分別為120、180 g,T3組中1 ∶5超標(biāo);Cr全部超標(biāo);Cu不超標(biāo)。從樣品中各元素之間的平均變異程度(圖2-b)來(lái)看,As元素T1、T2、T3分別為中等、高等、中等;Cr、Zn元素T1、T2、T3組都為中等;Cu元素在組T1、T2、T3分別為中等、中等,低等。重金屬含量T1、T2、T3試驗(yàn)組與CK差異不顯著(P>0.05),T1、T2、T3組之間差異不顯著(P>0.05),但T1、T2、T3試驗(yàn)組中As、Cr、Zn、Cu元素含量差異顯著(P<0.05)。

    白菜CK組的Cr含量超標(biāo),沼渣+沼液Zn超標(biāo)。與CK相比,沼渣施肥、沼渣+沼液施肥使白菜中As、Zn、Cr元素的增加較明顯,沼液施肥可降低植物對(duì)Cu元素的吸收。隨著沼氣肥濃度的增加,白菜重金屬含量變化復(fù)雜,T1、T2、T3組分別為:上升—下降、下降—上升—下降、上升—下降—上升的趨勢(shì),各組分別在梯度為180 g、1 ∶5/180 g、1 ∶5時(shí),金屬元素含量最多。綜合來(lái)看,以沼渣梯度為180 g時(shí),白菜中重金屬含量多(圖1、圖2-b)。

    2.2 白菜、沙土中As、Cr、Cu、Zn元素相關(guān)性分析

    植物生長(zhǎng)靠土壤為其提供化學(xué)物質(zhì),有自主選擇吸收必需元素的生理能力,這些生物行為構(gòu)成了植物與土壤之間的復(fù)雜關(guān)系[9]。試驗(yàn)組沙土中As、Cr、Cu、Zn元素相關(guān)性分析結(jié)果顯示,T1組Cu含量和Zn含量呈顯著相關(guān)性,T2組Cr含量和Cu含量、Cu含量和Zn含量呈顯著性相關(guān),Cr含量和Zn含量呈極顯著性相關(guān);T3組Cu含量、Zn含量呈負(fù)極顯著性相關(guān)。因此,沙土施加沼渣、沼液后Cu、Zn元素可相互促進(jìn);當(dāng)施沼渣+沼液肥時(shí)Cr可與Cu、Zn可發(fā)生反應(yīng),促進(jìn)吸收??梢?jiàn)不同的施肥方式會(huì)使土壤性質(zhì)發(fā)生改變,土壤有機(jī)質(zhì)發(fā)生絡(luò)合、螯合反應(yīng),導(dǎo)致土壤中重金屬的形態(tài)發(fā)生變化,影響重金屬?gòu)耐寥老蛑参镞w移。

    蔬菜中各重金屬元素間相關(guān)性為顯著或?yàn)闃O顯著,則說(shuō)明它們之間一般是復(fù)合污染或具有同源關(guān)系[10]。白菜中As、Cr、Cu、Zn元素相關(guān)性分析結(jié)果顯示,T1組As含量和Cu含量、Zn含量呈顯著相關(guān);Cr含量和Cu含量、Zn含量呈極顯著相關(guān);Cu含量、Zn含量呈極顯著相關(guān)。T2組As、Cr、Cu、Zn元素含量的相關(guān)性較差;T3組Cu含量、Zn含量呈顯著相關(guān)。沼渣組施肥白菜中As含量和Cu、Zn含量,Cr含量和Cu、Zn含量,Cu、Zn含量分別出現(xiàn)同源關(guān)系,也就是說(shuō)土壤中As或Cr元素達(dá)到一定濃度可促進(jìn)白菜對(duì)Cu、Zn元素的吸收,當(dāng)土壤中Cu達(dá)到一定濃度可促進(jìn)白菜對(duì)Zn的吸收;沼液施肥時(shí)白菜Cu、Zn出現(xiàn)同源關(guān)系,即土壤中Cu達(dá)到一定濃度可促進(jìn)白菜對(duì)Zn的吸收;沼渣+沼液施肥時(shí)出現(xiàn)復(fù)合污染的可能性較小。

    2.3 白菜、沙土重金屬化學(xué)計(jì)量比分析

    金屬元素在土壤與植物間轉(zhuǎn)移可用絕對(duì)含量表示,也可用相對(duì)含量表示。由圖3可知,T1、T2、T3組白菜中Cr/Cu值均高于土壤,T1、T2組白菜Cr/Zn值高于土壤,T3組濃度 1 ∶2、1 ∶1處理下白菜Cr/Zn值高于土壤,說(shuō)明T1、T2組沼氣肥種植使白菜對(duì)Cr的吸收能力強(qiáng)于元素Zn、As和Cu,反之,Zn、As、Cu在土壤和植物間得轉(zhuǎn)移能力較弱。從圖3-a可得,T1、T2、T3組中As元素在沙土中轉(zhuǎn)移能力最弱。由圖3-b可得,T1、T2、T3組中Cr元素轉(zhuǎn)移能力最強(qiáng)。

    土壤樣品各重金屬及化學(xué)計(jì)量比相關(guān)性顯示,T1組中各元素間化學(xué)計(jì)量比與對(duì)應(yīng)各元素含量不顯著相關(guān)。T2組As/Cr與Cr含量呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.926,n=5,P<0.05),As/Zn與Zn含量呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.919,n=5,P<0.05),與As相關(guān)性不顯著;As/Cu與As、Cu含量相關(guān)性不顯著;Cr/Cu、Cu/Zn分別與Cr、Cu、Zn含量相關(guān)性不顯著。Cr/Zn與Zn含量呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.897,n=5,P<0.05),與Cr含量相關(guān)性不顯著。T3組As/Cr、As/Cu分別與對(duì)應(yīng)的As、Cr、Cu含量相關(guān)性不顯著;As/Zn與Zn含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.983,n=5,P<0.01),Cu/Zn與Zn含量呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.947,n=5,P<0.05),與Cu含量呈顯著相關(guān)(r=0.947,n=5,P<0.01),Cr/Cu、Cr/Zn分別與對(duì)應(yīng)的Cr、Cu、Zn含量相關(guān)性不顯著。

    植物樣品重金屬化學(xué)計(jì)量比可得,T1中As/Zn與As含量相關(guān)性顯著(r=0.942,n=5,P<0.05),與Zn含量相關(guān)性不顯著;As/Cr、As/Cu都與As含量相關(guān)性不顯著,且分別與Cr、Cu相關(guān)性不顯著;Cu/Zn與植物中的Cu含量(r=0.941,n=5,P<0.05)、Zn(r=0.888,n=5,P<0.05)呈顯著相關(guān)性;Cr/Cu、Cr/Zn與植物中的Cr、Cu、Zn含量相關(guān)性不顯著。T2中As/Zn與As含量相關(guān)性極顯著(r=0.970,n=5,P<0.01),與土壤Zn含量相關(guān)性不顯著;As/Cr、As/Cu分別與對(duì)應(yīng)得As、Cr、Cu含量相關(guān)性不顯著;Cr/Zn與植物中的Cr含量呈顯著相關(guān)性(r=0.922,n=5,P<0.05),與Zn含量相關(guān)性不顯著;Cr/Cu、Cu/Zn分別與Cr、Cu、Zn含量相關(guān)性不顯著。T3中各元素間化學(xué)計(jì)量比與對(duì)應(yīng)各元素含量之間不顯著相關(guān)。

    2.4 白菜重金屬富集特征分析

    重金屬富集系數(shù)是用來(lái)衡量各種蔬菜對(duì)土壤重金屬的吸收能力,用蔬菜可食部分的重金屬含量與相應(yīng)的土壤重金屬含量之比表示。富集系數(shù)愈大,表明作物愈易從土壤中吸收該元素,即該元素的遷移性愈強(qiáng)。白菜對(duì)重金屬元素的平均富集能力為Cr>Zn>Cu>As(圖4),Cr元素明顯大于Zn、Cu和As,說(shuō)明Cr元素在沙土中的遷移能力最強(qiáng)。而沼渣+沼液、沼液施肥處理中Zn元素富集系數(shù)也較大,因此在T2、T3組Zn元素的遷移能力也較強(qiáng)。綜上所述,在沙土中施加沼氣肥種植蔬菜最易富集的元素為Cr,Zn次之。

    3 結(jié)論與討論

    蔬菜生長(zhǎng)靠從土壤中吸收的營(yíng)養(yǎng),土壤中重金屬元素在土壤—植物體系中遷移轉(zhuǎn)化經(jīng)歷土壤—蔬菜—食物鏈—人這一動(dòng)態(tài)過(guò)程,因此關(guān)注沼氣肥種植蔬菜后土壤中重金屬安全問(wèn)題很有必要。在土壤—蔬菜系統(tǒng)中重金屬元素的累積、轉(zhuǎn)移機(jī)制十分復(fù)雜,不僅與蔬菜種類、品種有關(guān)外,還與土壤的理化性質(zhì)、重金屬元素自身特性以及重金屬元素在土壤中的含量及存在形態(tài)等有關(guān)[11]。本試驗(yàn)從元素含量、元素相關(guān)性、土壤—植物化學(xué)、富集系數(shù)4個(gè)方面得出以下結(jié)論。

    (1)沙土中As含量最高,且土壤和蔬菜中As元素都有超標(biāo),可能由于人類不合理的活動(dòng)導(dǎo)致沙土吸附太多的As元素,也可能與沼氣肥種類、比例、加水量不同使土壤pH值呈中性到微堿性,而弱堿性環(huán)境利于As元素從沼肥中釋放出來(lái),使得As元素更易釋放、且易與沙土結(jié)合,不易轉(zhuǎn)移[12-13];謝華等認(rèn)為,葉菜類對(duì)砷的富集能力較強(qiáng)(葉菜類>蔥蒜類>根莖類>果菜類),易超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[14]。因此,在利用含砷量較高的沼氣肥種植蔬菜時(shí)盡量避免種植葉菜類,可選擇種植果菜類蔬菜,以減少通過(guò)蔬菜攝入的砷量影響人體健康。

    (2)白菜吸收Cr元素能力最強(qiáng)為1 ∶5/180 g,且超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),這與宋波等認(rèn)為葉菜類的蔬菜對(duì)Cr吸收能力強(qiáng),且對(duì)人類健康存在潛在的風(fēng)險(xiǎn)[15]相一致;吸收Z(yǔ)n元素能力次之,且沼渣+沼液組全部超標(biāo),說(shuō)明Cu、As元素在沙土中的遷移能力較弱,這與黃玉溢等認(rèn)為Zn、Cu元素較易在蔬菜中富集結(jié)論[16-17]不同,而陳世儉認(rèn)為土壤理化性質(zhì)改變可以固定土壤銅離子[18]。因此,沼氣肥施加在土壤中抑制了Cu2+向白菜中轉(zhuǎn)移。

    綜上所述,施加沼氣肥在沙土中種植白菜可能引起土壤安全及蔬菜品質(zhì)問(wèn)題。不同形式不同梯度的沼氣肥對(duì)重金屬元素As、Cu、Zn、Cr在土壤中轉(zhuǎn)移及白菜中富集能力不同。適宜的施肥方式可以促進(jìn)某些重金屬元素在土壤—植物之間的轉(zhuǎn)移,也可降低植物對(duì)某種重金屬元素的吸收。因此,利用沼氣肥在沙土中種植白菜,可以改變白菜及土壤中微量元素的含量,也為沙化地區(qū)蔬菜安全種植提供借鑒。

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