施用沼渣對(duì)設(shè)施黃瓜及土壤重金屬含量的影響

楊軍芳，史建碩，黃少輝，邢素麗*，馮 偉，李孝蘭

（1.河北省農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源環(huán)境研究所，河北 石家莊 050051；2.河北省黃驊市農(nóng)業(yè)局土肥站，河北 黃驊 061100）

沼渣是將畜禽廢棄物、人畜糞便、有機(jī)生活垃圾和作物秸稈等按一定比例混合，接種特定微生物經(jīng)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣后剩余的殘?jiān)?。其不僅含有大量的有機(jī)質(zhì)和氮磷鉀等營(yíng)養(yǎng)元素，還含有豐富的氨基酸和維生素等生物活性物質(zhì)[1]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用，可以改良土壤和培肥地力[2～4]，提高作物產(chǎn)量，改善產(chǎn)品品質(zhì)，增強(qiáng)作物的抗凍、抗旱和抗病能力[5，6]。

目前，我國(guó)沼氣的發(fā)酵原料以畜禽糞便為主。而在規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖廠中，銅（Cu）、鋅（Zn）、砷（As）、鉻（Cr）等元素作為添加劑在飼料中應(yīng)用得越來(lái)越廣泛，其中95%的重金屬無(wú)法被畜禽利用而隨糞便排出[7]，致使以畜禽糞便為原料生產(chǎn)的沼渣中重金屬含量普遍偏高。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者相繼對(duì)沼渣中的重金屬含量進(jìn)行了分析，如，Makádi等[8]對(duì)匈牙利東北部地區(qū)的沼渣進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，其Zn含量高達(dá)2 030 mg/kg；Rámirez等[9]對(duì)西班牙以豬糞為原料產(chǎn)生的沼渣進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示，Zn和Cu含量分別高達(dá)2 060和780 mg/kg；Marcato等[10]測(cè)得法國(guó)以豬糞為原料產(chǎn)生的沼渣中Zn和Cu含量分別高達(dá)2 628和1 016 mg/kg；鐘攀等[11]對(duì)重慶市農(nóng)村沼氣主產(chǎn)區(qū)沼渣中的重金屬含量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其Cu、Zn、As、Hg、Cd、Pb、Cr的平均含量分別為 80.0、96.5、4.16、0.024 3、0.498、1.962 和 7.446 mg/kg；段然[12]分別對(duì)遼寧省昌圖、北京留民營(yíng)、陜西楊陵、四川綿竹和廣西防城港等地區(qū)沼渣中的重金屬含量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果表明，四川綿竹以豬糞發(fā)酵產(chǎn)生的沼渣中重金屬含量最高，Cu、Zn、As、Cr含量分別達(dá)到了524.84、342.04、32.05和11.67 mg/kg；高紅莉[13]選取鄭州天元生態(tài)農(nóng)業(yè)示范園中的沼渣，測(cè)得其Cu、Zn、Pb含量分別為32.0、86.5和9.85 mg/kg；李健等[14]對(duì)以豬糞發(fā)酵產(chǎn)生的沼渣重金屬含量分析結(jié)果顯示，其As、Cd、Cr含量分別為36.4、8.6和27.6 mg/kg。沼渣作為有機(jī)肥料施入農(nóng)田后，其所含的重金屬被作物吸收而進(jìn)入食物鏈，增加了農(nóng)產(chǎn)品和環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)[15]。

前人在沼渣對(duì)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的影響及其施用技術(shù)等方面進(jìn)行了大量研究。隨著人們環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng)以及對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的日益關(guān)注，沼渣重金屬對(duì)作物和土壤的影響已經(jīng)引起了部分學(xué)者的關(guān)注，但是研究?jī)?nèi)容偏少。以大型規(guī)?；B(yǎng)豬場(chǎng)產(chǎn)生的沼渣為試材，研究其施入土壤后對(duì)黃瓜以及土壤Cd、Cr、As、Cu和Zn含量的影響，以期為沼渣的安全與合理施用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

試驗(yàn)于2015年3～6月在河北省石家莊市藁城區(qū)落生村進(jìn)行，試驗(yàn)地土壤為石灰性壤質(zhì)褐土。參試黃瓜品種為強(qiáng)大35（山東省新泰市黃瓜研究所提供）。供試沼渣和豬糞均取自河北雙鴿美丹畜牧科技有限公司的規(guī)?；B(yǎng)豬場(chǎng)，自然風(fēng)干后儲(chǔ)存，備用。試驗(yàn)前，對(duì)土壤、沼渣和豬糞的基本理化性狀進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果顯示（表1），土壤的全Cd、全Gr、全Cu、全Zn和全As含量均低于《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的限定值，沼渣和豬糞的總鎘、總鉻及總砷含量均低于NY 525—2012[16]規(guī)定的限定值。

表1 試驗(yàn)土壤、沼渣和豬糞的基本理化性狀Table 1 Basic physicochemical properties of tested soil，biogas residue and pig manure

試驗(yàn)設(shè)6個(gè)施肥處理（表2），小區(qū)面積35 m2，3次重復(fù)。其中，豬糞、沼渣和磷肥（重過(guò)磷酸鈣，P2O5含量43%））均一次性基施；28.5%的氮肥（尿素，N含量46%）和25%的鉀肥（硫酸鉀，K2O含量50%）基施，剩余肥料在坐果后均分為8次施入。

黃瓜3月26日定植，6月21日收獲。結(jié)果期，記錄采摘次數(shù)和產(chǎn)量；全部收獲后，統(tǒng)計(jì)總產(chǎn)量，并采集不同處理的土壤和黃瓜樣品進(jìn)行重金屬含量分析。

表2 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)與肥料施用量 （kg/hm2）Table 2 Field experiment design and fertilizer amount

土壤、豬糞和沼渣樣品采集后自然風(fēng)干，用四分法分取適量樣品，碾碎后過(guò)0.149 mm孔徑篩；黃瓜鮮樣稱重后用去離子水沖洗3次，置105℃烘箱中殺青30 min，而后65～70℃烘24 h，晾涼后稱量干重（計(jì)算含水量），然后將黃瓜烘干樣碾碎并過(guò)0.149 mm孔徑篩。土壤全Cd、全Gr和全As含量測(cè)定，分別參照 GB/T 17141—1997[17]、HJ 491-2009[18]和 GB/T 22105.2—2008[19]進(jìn)行；土壤全Cu和全Zn含量測(cè)定，參照GB/T 17138—1997[20]進(jìn)行；有機(jī)肥和黃瓜（烘干樣）全鎘、全鉻、全銅、全鋅和全砷含量測(cè)定，分別參照 GB/T5009.15—2003[21]、GB/T5009.123—2003[22]、GB/T 5009.13—2003[23]、GB/T 5009.14—2003[24]和 GB/T 5009.11—2003[25]進(jìn)行。根據(jù)黃瓜含水量和黃瓜烘干樣中的重金屬含量，計(jì)算黃瓜鮮樣中的重金屬含量。

利用Microsoft Excel 2003和SPSS 17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用沼渣對(duì)黃瓜產(chǎn)量的影響

黃瓜產(chǎn)量隨著沼渣施用量的增加而逐漸增加，且不同施肥水平處理的差異均達(dá)到了顯著水平（圖1）。

圖1 沼渣不同施用量對(duì)黃瓜產(chǎn)量的影響Fig.1 Effect of different amounts of biogas residue on cucumber yield

沼渣處理的黃瓜產(chǎn)量均顯著＞T2處理，表明與單施化肥相比，增施11 250～45 000 kg/hm2的沼渣能顯著提高黃瓜產(chǎn)量。但與T3處理相比，只有T6處理產(chǎn)量差異不顯著，而其他2個(gè)處理產(chǎn)量均顯著降低。表明與傳統(tǒng)底施豬糞處理相比，底施等量沼渣時(shí)黃瓜產(chǎn)量顯著降低，沼渣用量為豬糞2倍時(shí)才能達(dá)到豬糞處理的產(chǎn)量水平。沼渣作為有機(jī)肥底施時(shí)，其肥效低于傳統(tǒng)有機(jī)肥豬糞，這可能與沼渣中的氮和磷養(yǎng)分含量較豬糞低有關(guān)。

2.2 施用沼渣對(duì)黃瓜重金屬含量狀況的影響

沼渣不同施用量處理的黃瓜Cd、Cr和As含量差異均不顯著，且與3個(gè)CK差異也均不顯著（表3）。表明在施用化肥的基礎(chǔ)上增施11 250～45 000 kg/hm2的沼渣，不會(huì)對(duì)黃瓜中的Cd、Cr和As含量產(chǎn)生顯著影響。

沼渣處理的黃瓜Cu和Zn含量均＞3個(gè)CK，其中，與T1和T2處理相比差異均達(dá)到了顯著水平；但與T3處理相比，只有T4處理指標(biāo)值差異不顯著，而其他2個(gè)處理指標(biāo)值均顯著增加。在試驗(yàn)沼渣用量條件下，黃瓜Cu含量為1.10～1.28 mg/kg、Zn含量為6.40～7.20 mg/kg，且指標(biāo)值均隨沼渣用量的增加而逐漸增加，其中，T6處理的指標(biāo)值明顯偏高，而T5與T4處理相比Cu含量差異不大、Zn含量顯著增高。Cu和Zn既是重金屬元素，又是作物和人體所必需的有益微量元素，在新的國(guó)家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)廢止了對(duì)Cu和Zn的限量規(guī)定，但即使參照已廢止的食品中Cu和Zn的限量衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（Cu含量≤10 mg/kg，Zn含量≤20 mg/kg）[26，27]，本研究條件下施用沼渣各處理的黃瓜Cu和Zn含量也均在安全限量范圍之內(nèi)。因此，在施用化肥的基礎(chǔ)上增施11 250～45 000 kg/hm2的沼渣，不會(huì)對(duì)當(dāng)季黃瓜造成Cu和Zn污染。

沼渣中重金屬含量較高，因此，在農(nóng)業(yè)資源化利用過(guò)程中應(yīng)予以適當(dāng)減量施用，在兼顧肥效的同時(shí)也應(yīng)考慮到其對(duì)作物重金屬含量的影響。

表3 沼渣不同施用量對(duì)黃瓜（鮮樣）重金屬含量的影響 （mg/kg）Table 3 Effects of different amounts of biogas residue on heavy metal contents of fresh cucumber

2.3 施用沼渣對(duì)土壤重金屬含量狀況影響

沼渣不同施用量處理的土壤Cd和As含量差異均不顯著，且與3個(gè)CK差異也均不顯著（表4）。表明在施用化肥的基礎(chǔ)上增施11 250～45 000 kg/hm2的沼渣，不會(huì)對(duì)土壤中的Cd和As含量產(chǎn)生明顯影響。

土壤Cr、Cu和Zn含量均隨沼渣用量的增加而逐漸增加，其中，T6處理的Cr含量顯著＞T4處理，但二者與T5處理差異均不顯著；不同施用水平處理的Cu含量差異均達(dá)到了顯著水平；T6處理的Zn含量明顯較高，而T5與T4處理差異不顯著。T4處理的Cr、Cu和Zn含量與T3處理差異均不顯著，且與T1和T2處理Cr和Zn含量差異也均不顯著；T5處理的Cr和Zn含量顯著＞T1和T2處理但與T3處理差異均不顯著，而Cu含量與3個(gè)CK相比均明顯增高；T6處理的Cr、Cu和Zn含量均顯著＞3個(gè)CK。表明施用沼渣對(duì)土壤存在潛在的Cr、Cu和Zn污染風(fēng)險(xiǎn)，相同用量條件下施用沼渣對(duì)土壤全銅污染的風(fēng)險(xiǎn)高于豬糞處理。

沼渣施用量為22 500 kg/hm2時(shí)，當(dāng)季土壤的Cr、Cu和Zn含量分別為76.6、32.2和99.3 mg/kg，與基礎(chǔ)土壤相比，依次增加了3.2、3.8和8.0 mg/kg?？梢钥闯觯谑┯没实幕A(chǔ)上增施與豬糞等量的沼渣，土壤存在重金屬富集污染的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

表4 沼渣不同施用量對(duì)土壤重金屬含量狀況的影響 （mg/kg）Table 4 Effects of different amounts of biogas residue on soil heavy metal contents

3 結(jié)論與討論

本研究條件下，與不施肥和單施化肥相比，增施沼渣能顯著提高黃瓜產(chǎn)量，且黃瓜產(chǎn)量隨著沼渣用量的增加而明顯提高。同等用量條件下，沼渣處理的黃瓜產(chǎn)量顯著低于豬糞處理，可能與沼渣中的氮和磷養(yǎng)分含量較豬糞低有關(guān)。豬糞在沼氣池中發(fā)酵后，部分養(yǎng)分揮發(fā)損失或溶解在沼液里，降低了沼渣的養(yǎng)分含量。因此，從肥效角度考慮，沼渣做底肥時(shí)應(yīng)適當(dāng)提高用量，以達(dá)到增產(chǎn)的目的。

沼渣對(duì)作物重金屬含量的影響，與作物種類、重金屬特性以及沼渣施用量等密切相關(guān)。Cd是易被作物吸收的重金屬元素，作物中的Cd含量隨著土壤Cd含量的增加而增加[28]，但黃瓜中Cd的富集系數(shù)小于葉菜類蔬菜[29，30]。本研究采用的沼渣Cd含量（0.21 mg/kg）較低，在試驗(yàn)施用量范圍內(nèi)不會(huì)對(duì)黃瓜果實(shí)造成Cd污染。Cr是具有可變氧化數(shù)的重金屬元素，主要以Cr3+和Cr6+的形態(tài)存在于土壤中，而土壤中水溶性Cr6+含量很少，且當(dāng)土壤有機(jī)質(zhì)含量大于2%時(shí)Cr6+幾乎全部被還原為Cr3+，Cr3+在土壤中常以難溶性氫氧化物的形式存在，溶液中的Cr3+含量很少，不易被作物吸收利用[31，32]。土壤中的As大多為無(wú)機(jī)砷，且以As5+為主，由于土壤對(duì)As具有很強(qiáng)的固定作用，因此，As在土壤中移動(dòng)性較差，通常集中在表土層10 cm左右[33～35]。增施沼渣對(duì)黃瓜Cr和As含量影響不大，這可能與Cr和As在土壤中的理化特性有關(guān)。增施沼渣會(huì)顯著提高黃瓜中的Cu和Zn含量，且隨沼渣用量的增加而增加。Cu和Zn雖然是重金屬元素，但又是作物和人體所必需的有益微量元素，在新的國(guó)家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)廢止了對(duì)Cu和Zn的限量規(guī)定。本研究條件下，在施用化肥的基礎(chǔ)上增施11250～45 000kg/hm2的沼渣，不會(huì)對(duì)黃瓜造成重金屬污染，黃瓜品質(zhì)安全。

施用沼渣不會(huì)對(duì)土壤Cd和As含量產(chǎn)生明顯影響；但會(huì)不同程度地增加土壤全鉻、全銅和全鋅的含量，且隨沼渣用量的增加而增大。沼渣用量為22500kg/hm2時(shí)，當(dāng)季土壤的全鉻、全銅和全鋅含量分別較基礎(chǔ)土壤增加了3.2、3.8和8.0 mg/kg，土壤存在重金屬富集污染的潛在風(fēng)險(xiǎn)。因此，在設(shè)施蔬菜連作條件下，用沼渣做底肥時(shí)，應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤的重金屬含量情況，以兼顧沼渣資源化利用和土壤環(huán)境污染防控兩方面的要求。

［1］楊合法，范聚芳，牛新勝，李 季.沼肥與生物有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合肥在保護(hù)地蔬菜上應(yīng)用效果研究［J］.華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2006，21（b11）：63-67.

［2］黃勤樓，翁伯奇，唐祖華，黃順富，邵乃金.水稻應(yīng)用沼肥效果研究［J］.中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2004，12（2）：108-110.

［3］樊文華，劉晉峰，王志偉，單江艷.施用沼肥對(duì)溫室土壤養(yǎng)分和重金屬的影響［J］.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，31（1）：1-4.

［4］張玉鳳，董 亮，李 彥，劉兆輝，邊文范，劉 蘋.沼肥對(duì)大豆產(chǎn)量、品質(zhì)、養(yǎng)分和土壤化學(xué)性質(zhì)的影響［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2011，25（4）：135-138，143.

［5］趙鳳蓮.不同來(lái)源沼肥對(duì)蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響及環(huán)境效應(yīng)研究［D］.泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2011.

［6］熊 飛.沼肥對(duì)蔬菜產(chǎn)量、品質(zhì)及其環(huán)境效應(yīng)的研究［D］.南寧：廣西大學(xué)，2012.

［7］閆秋良，劉福柱.通過(guò)營(yíng)養(yǎng)調(diào)控緩解畜禽生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的污染 ［J］.家畜生態(tài)，2002，23（3）：68-70.

［8］ Makádi M，Tomocsik A，Orosz V，Bogdányi Z，Biró B.Effect of a biogas-digestate and bentonite on some enzyme activities of the amended soils［J］.Cereal Research Communications，2007，35 （2）：741-744.

［9］Rámirez W，Domene X，Ortiz O，Alcaniz J.Toxic effects of digested，composted and thermally-dried sewage sludge on three plants［J］.Bioresource Technology，2008，99（15）：7168-7175.

［10］ MarcatoC E，PinelliE，Pouech P，Winterton P，Guiresse M.Particle size and metal distributions in anaerobically digested pig slurry ［J］.Bioresource Technology，2008，99 （7）：2340-2348.

［11］鐘 攀，李澤碧，李清榮，王正銀.重慶沼氣肥養(yǎng)分物質(zhì)和重金屬狀況研究 ［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，26（增刊）：165-171.

［12］段 然.沼肥肥力和施用后潛在污染風(fēng)險(xiǎn)研究與土壤安全性評(píng)價(jià)［D］.蘭州：蘭州大學(xué)，2008.

［13］高紅莉.施用沼肥對(duì)青菜產(chǎn)量品質(zhì)及土壤質(zhì)量的影響［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，29（增刊）：43-47.

［14］李 健，鄭時(shí)選.沼肥中重金屬含量初步研究［J］.可再生能源，2009，27（1）：62-64.

［15］劉榮樂(lè)，李樹田，王秀斌，王 敏.我國(guó)商品有機(jī)肥料和有機(jī)廢棄物中重金屬的含量狀況和分析［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，24（2）：392-397.

［16］ NY 525—2012，有機(jī)肥料 ［S］.

［17］GB/T 17141—1997，土壤質(zhì)量 鉛、鎘的測(cè)定 石墨爐原子吸收分光光度法［S］.

［18］HJ 491—2009，土壤 總鉻的測(cè)定 火焰原子吸收分光光度法［S］.

［19］GB/T 22105.2—2008，土壤質(zhì)量 總汞、總砷、總鉛的測(cè)定 原子熒光法 第2部分：土壤中總砷的測(cè)定［S］.

［20］GB/T 17138—1997，土壤質(zhì)量 銅、鋅的測(cè)定 火焰原子吸收分光光度法［S］.

［21］GB/T 5009.15—2003，食品中鎘的測(cè)定［S］.

［22］GB/T 5009.123—2003，食品中鉻的測(cè)定［S］.

［23］GB/T 5009.13—2003，食品中銅的測(cè)定［S］.

［24］GB/T 5009.14—2003，食品中鋅的測(cè)定［S］.

［25］GB/T 5009.11—2003，食品中總砷及無(wú)機(jī)砷的測(cè)定［S］.

［26］GB 15199—1994，食品中銅限量衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［27］GB 13106—1991，食品中鋅限量衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［28］孫鐵珩，周啟星，李培軍.污染生態(tài)學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2000：284-285.

［29］宋 波，陳同斌，鄭袁明，黃澤春，鄭國(guó)砥，羅金發(fā).北京市菜地土壤和蔬菜鎘含量及其健康風(fēng)險(xiǎn)分析［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，26（8）：1343-1353.

［30］李學(xué)德，花日茂，岳永德，曹德菊，袁立志，沈巍巍.合肥市蔬菜中鉻、鉛、鎘和銅污染現(xiàn)狀評(píng)價(jià)［J］.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，31（2）：143-147.

［31］王 美，李書田，馬義兵，黃紹敏，王伯仁，朱 平.長(zhǎng)期不同施肥措施對(duì)土壤和作物重金屬累積的影響［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2014，33（1）：63-74.

［32］周加祥，劉 錚.鉻污染土壤修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展［J］.環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2000，1（4）：52-56.

［33］孫 歆，韋朝陽(yáng)，王五一.土壤中砷的形態(tài)分析和生物有效性研究進(jìn)展［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2006，21（6）：625-632.

［34］ Newton K，Amarasirivardena D，Xing B.Distribution of soil arsenic species，lead and arsenic bound to humic acid molar mass fractions in a contaminated apple orchard ［J］.Environmental Pollution， 2006， 143 （2）：197-205.

［35］林志靈，張楊珠，曾希柏，李蓮芳.土壤中砷的植物有效性研究進(jìn)展［J］.湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011（3）：52-56.