巢湖藻—草—泥有機(jī)肥的重金屬安全性評價

陳婷+韓士群+周慶

摘要：針對巢湖取出物藍(lán)藻、水草和底泥作為有機(jī)肥利用可能帶來的重金屬安全性問題，采用高溫堆肥制成有機(jī)肥，測定有機(jī)肥、盆栽土壤和大白菜體內(nèi)重金屬的含量；采用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和單因子污染指數(shù)法分別評價土壤和大白菜中重金屬的安全性。結(jié)果表明，有機(jī)肥、盆栽土壤和大白菜中的鉛含量分別為0.16、0.24、0.05 mg/kg；鉻含量分別為0.29、0.12、<0.02 mg/kg；其余3種重金屬（砷、鎘、汞）在三者體內(nèi)的含量均為<0.04、<0.01、<0.04 mg/kg。重金屬評價結(jié)果表明，藻-草-泥有機(jī)肥中重金屬含量遠(yuǎn)低于有機(jī)肥料中限量指標(biāo)的要求，符合重金屬安全標(biāo)準(zhǔn)。土壤中的綜合污染指數(shù)為0.05，遠(yuǎn)小于安全等級的限量值，屬于安全等級，此土壤上種植的作物不會被污染。大白菜中鉛、砷、鉻、鎘單因子污染指數(shù)分別為0.26、0.08、0.04、0.20，遠(yuǎn)小于清潔水平的限量值，且均符合無公害蔬菜的安全要求。

關(guān)鍵詞：大白菜；巢湖藍(lán)藻；水草；底泥；有機(jī)肥；重金屬；安全性評價；綜合污染指數(shù)；清潔水平

中圖分類號： X592 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）18-0251-04

收稿日期：2016-04-11

基金項目：國家水專項巢湖項目（編號：2012ZX07103-005）。

作者簡介：陳 婷（1990—），女，安徽合肥人，碩士研究生，主要從事固體廢棄物資源化利用。E-mail：316640108@qq.com。

通信作者：韓士群，博士，研究員，主要從事富營養(yǎng)化水體治理。Tel：（025）84390241；E-mail：shqunh@126.com。 治理巢湖水體富營養(yǎng)化過程中打撈上岸的藍(lán)藻、水草和疏浚底泥等直接堆放，不僅占用大量土地資源，同時會產(chǎn)生二次污染，可能造成重金屬危害。目前，打撈的藍(lán)藻及水草較為重要的資源化利用方法為通過厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣、沼液、沼渣等副產(chǎn)物制作為肥料；或作為堆肥原料制備固體有機(jī)肥料。而疏浚底泥除了用于生產(chǎn)建筑材料，也較多地應(yīng)用于堆肥。

目前，關(guān)于這3類湖泊取出物的重金屬研究頗多。韓士群等研究了太湖藍(lán)藻經(jīng)發(fā)酵產(chǎn)沼處理后，沼渣、沼氣等產(chǎn)物中的重金屬殘留問題[1]。謝萍等發(fā)現(xiàn)，將藍(lán)藻作為飼料喂養(yǎng)家禽家畜等，藍(lán)藻體內(nèi)富集的重金屬會對其生長產(chǎn)生不利影響[2]。季俊杰等研究了靜態(tài)通氣堆肥后，氧化塘底泥中的重金屬殘留[3]。薛澄澤等發(fā)現(xiàn)，通過堆肥可在不同程度上減少底泥中重金屬的含量[4]。呂彥等的研究結(jié)果則表明，通過快速堆肥處理，底泥中的鉛、鉻、鎘等重金屬的活性及毒性有所降低[5]。林丹妮等研究了電動修復(fù)法對底泥沉積物中重金屬的去除效果[6]。國外研究者曾利用電動力學(xué)技術(shù)對海港底泥沉積物中的鉻、鉛、銅等多種重金屬進(jìn)行去除效果的研究[7-8]。

而通過堆肥法制作的有機(jī)肥料中重金屬的安全性也是一個研究熱點。本試驗將從巢湖中打撈的藍(lán)藻、水草及疏浚底泥等按比例混合進(jìn)行堆肥，制作成藻-草-泥有機(jī)肥，再向堆肥成品中進(jìn)一步添加珍珠巖、蛭石等，制備成藻-草-泥基質(zhì)。此方法可有效實現(xiàn)湖泊取出物的資源化利用，然而由于原料的特殊性，人們通常擔(dān)心藍(lán)藻、水草和底泥中富集的重金屬會伴隨著肥料的施用進(jìn)入土壤以及在作物中累積繼而通過食物鏈進(jìn)入人體[9]。

但是現(xiàn)階段研究多局限于藍(lán)藻、水草、底泥單獨的重金屬影響，而對三者共同處理后的產(chǎn)物及加工后的基質(zhì)中所攜帶的重金屬元素是否會在土壤及作物體內(nèi)累積的相關(guān)研究較少。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 盆栽材料 藻-草-泥有機(jī)肥（將從巢湖中打撈的藍(lán)藻、水草、疏浚底泥按質(zhì)量比1 ∶ 2 ∶ 2進(jìn)行配比，添加適量秸稈堆肥而成的終產(chǎn)物）；蛭石、珍珠巖，均購自江蘇省南京市某市場；土壤，取自江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗田。

1.1.2 供試作物 供試作物為大白菜，商品名稱為北京白菜，購自江蘇省南京市某市場。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設(shè)置 試驗在溫室大棚內(nèi)進(jìn)行，在等氮量條件下采用盆栽試驗，每盆裝11 kg土壤，每盆移栽1棵苗齡為15 d的大白菜植株。試驗共設(shè)置3組處理：T1，400 g藻-草-泥有機(jī)肥；T2，400 g藻-草-泥有機(jī)肥+350 g珍珠巖；T3，400 g 藻-草-泥有機(jī)肥+350 g蛭石。以原始土壤作空白對照。每組處理設(shè)置4個重復(fù)，隨機(jī)排列。

1.2.2 檢測項目與方法 肥料樣品中重金屬測定方法參考GB/T 23349—2009《肥料中砷鎘鉻鉛汞生態(tài)指標(biāo)》[10]；土壤樣品中重金屬測定方法參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[11]；大白菜中各重金屬的測定方法分別參照相應(yīng)的食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)[12-16]。

1.3 重金屬污染評價

1.3.1 單因子污染指數(shù)法 在我國對土壤、蔬菜重金屬污染作出評價時，若想具體分析某種重金屬的污染累積現(xiàn)狀，可利用樣品中某污染因子的實際測量值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比，即單因子污染指數(shù)法。此法計算公式如下：

其中：Pi為某種重金屬i的單因子污染指數(shù)；Ci為某介質(zhì)中實際測得的重金屬i含量；Si為重金屬i在此介質(zhì)中的標(biāo)準(zhǔn)值。Pi值的大小與介質(zhì)中重金屬的污染程度如表1所示，兩者呈正相關(guān)關(guān)系。

1.3.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法是一種計權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)， 為目前土壤等環(huán)境污染的主要評價方法。在現(xiàn)實情況下，土壤等介質(zhì)中的重金屬污染通常是多種重金屬同時作用的結(jié)果，而此方法可同時考慮多種重金屬的共同污染情況，也兼顧到極值的影響，相對于單因子污染指數(shù)法的單一性，對重金屬污染的評價更為全面和準(zhǔn)確。其計算公式為

其中：P為多種重金屬的綜合污染指數(shù)；Pi為各個重金屬的單因子污染指數(shù)的平均值；maxPi為各重金屬中單因子污染指數(shù)的最大值。同時，不同的綜合污染指數(shù)P值對應(yīng)不同的污染水平，具體分級標(biāo)準(zhǔn)如表2所示endprint

1.4 統(tǒng)計分析方法

采用SPSS Statistics 17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用Microsoft Excel 2013作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 藻-草-泥有機(jī)肥的重金屬安全性評價

在堆肥1、3、15、23、43、63、93 d后進(jìn)行采樣，對藻-草-泥有機(jī)肥樣品中鉻、鉛、鎘、砷、汞等5種重金屬的含量進(jìn)行測定。由表3可知，這5種重金屬中，只有鉻和鉛2種重金屬的具體含量可測得，而鎘、砷、汞3種重金屬的實際含量分別低于儀器檢出下限，所以無法檢測出具體數(shù)值。直至堆肥完成后，藻-草-泥有機(jī)肥中鉻、鉛、鎘、砷、汞的含量分別為029、015、<0.01、<0.04、<0.046 mg/kg。將檢測所得數(shù)值與農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定的有機(jī)肥料重金屬標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較可知，藻-草-泥有機(jī)肥料中5種重金屬含量遠(yuǎn)低于農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大允許值，符合有機(jī)肥料的重金屬安全標(biāo)準(zhǔn)。

除了可知不同堆肥時間堆體中重金屬總量，還可觀察其在堆肥過程中的動態(tài)變化。由圖1可知，隨著堆肥的進(jìn)行，堆體中鉻和鉛的總含量呈動態(tài)變化。相對于堆肥初始，總體為下降趨勢，但降低幅度較小。如鉻含量由初始值0.31 mg/kg降至0.29 mg/kg，鉛從最初的0.16 mg/kg降至0.15 mg/kg。

2.2 盆栽土中重金屬污染評價

2.2.1 盆栽土壤中重金屬含量及污染狀況分析 為保護(hù)土壤環(huán)境的質(zhì)量，我國于1995年頒布了《國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[17]，如表4所示，依據(jù)土地的不同功能對土壤中各類污染

物的最高允許濃度指標(biāo)值等作出了詳細(xì)規(guī)定， 經(jīng)過多次調(diào)整完善后，目前此標(biāo)準(zhǔn)已成為我國環(huán)保法系中的重要組成部分。

不同處理盆栽中的大白菜收割后，對盆栽中的土壤進(jìn)行取樣后測定體內(nèi)5種重金屬含量及pH值。由表5可知，不同處理盆栽土pH值均大于7.5且各處理間差別較小，基本均屬堿性土，相對于大部分南方地區(qū)土壤（pH值約為7）而言，此pH值稍顯偏大。將處理盆栽土與原始土壤相比較可知，施加適量的不同類型的肥料對土壤pH值的影響較小。

盆栽土壤中5種重金屬的含量均較少。相對于原始土壤中鉻含量而言，施用了藻-草-泥有機(jī)肥料或基質(zhì)的盆栽土壤中鉻含量均有輕微幅度的上升。但是將盆栽土壤中鉻和鉛的含量分別與原始土壤中的含量進(jìn)行顯著性差異分析可知，差異并不顯著性。

3個處理中的鉻和鉛的含量基本保持在相同水平，可能是因為這3個處理中的藻-草-泥有機(jī)肥的添加量相同，而其中摻加的蛭石和珍珠巖對土壤中的重金屬含量并無影響。與表4中pH值>7.5條件下5種重金屬的土壤二級標(biāo)準(zhǔn)限量值進(jìn)行比較可知，盆栽土中5種重金屬的含量完全符合農(nóng)田用地標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2.2 盆栽土壤中重金屬污染評價 在利用綜合污染指數(shù)法對盆栽土壤中重金屬污染進(jìn)行評價時，由于盆栽土中鎘、砷、汞3種重金屬的具體含量并未測得精確數(shù)值，但可知其含量小于檢出限，所以可將其值分別用檢測方法的檢測下限替代作大致評價。

由表6可知，3種處理下盆栽土壤中5種重金屬的污染指數(shù)均較小，對比表1中單因子指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)，5種重金屬各自的單因子污染指數(shù)數(shù)值均遠(yuǎn)小于Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)中要求的Pi≤1，可判斷作物并未受到這5種重金屬的污染。將各處理5種重金屬的綜合污染指數(shù)與表2中土壤綜合污染指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比可知，不同處理盆栽土壤中的5種重金屬綜合污染指數(shù)均遠(yuǎn)小于0.7。綜上所述，施用了藻-草-泥有機(jī)肥及其基質(zhì)的土壤并未遭受重金屬的污染，屬于安全等級；此土壤上種植的作物處于清潔水平，未受重金屬污染。

2.3 大白菜中重金屬污染評價

2.3.1 大白菜中重金屬含量及污染狀況分析 作物對土壤中的各類型污染物有不同程度的吸收和富集作用。作物吸收過量重金屬會影響生長，若人類食用重金屬超標(biāo)的作物，會直接危害健康。因此，做好蔬菜中重金屬污染的安全評價至關(guān)重要。我國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局對農(nóng)作物中重金屬允許含量作出嚴(yán)格要求，盆栽大白菜中5種重金屬的測定含量及無公害蔬菜的限量指標(biāo)要求[18]如表7所示。

3 討論

本研究采用巢湖藍(lán)藻、水草和底泥作為有機(jī)肥原料，制備的有機(jī)肥中重金屬含量符合有機(jī)肥安全標(biāo)準(zhǔn)。從材料的來源上分析，巢湖曾經(jīng)作為水源地，有較多關(guān)于巢湖水體及表層底泥或沉積物中的重金屬、其他污染物的污染程度及分布狀況的研究。韓小勇的研究結(jié)果表明，巢湖水體以富營養(yǎng)化污染為主，主要表現(xiàn)為氮磷等營養(yǎng)元素的高度超標(biāo)，重金屬等其他污染并不十分顯著[19]。劉偉等對巢湖清淤合肥項目區(qū)域污染底泥調(diào)查的研究表明，底泥中鉛、鉻、鎘、砷的含量對巢湖尚不構(gòu)成潛在生態(tài)危害[20]。童軍華等對巢湖水體及沉積物中的銅、鉛、鎘、鉻等元素進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)，巢湖水體中重金屬含量偏低[21]。因此，基于這些研究也可間接證明巢湖中藍(lán)藻、水草和底泥中的重金屬含量不高。至于其他湖泊或河道的藻、草、泥是否可以作為肥料利用，同樣須要對其進(jìn)行安全性評價。

另一方面，雖然本試驗施用的藻-草-泥有機(jī)肥料符合重金屬安全標(biāo)準(zhǔn)，但由于原料的特殊性，重金屬含量相對于化肥偏高，有機(jī)肥攜帶的重金屬污染除了直接帶入一定量重金屬進(jìn)入土壤，還可以通過影響土壤的理化性質(zhì)來間接改變土壤中重金屬的存在形態(tài)，從而影響重金屬在作物體內(nèi)的富集轉(zhuǎn)化[22]。研究表明，施用不同溯源的有機(jī)肥料后，土壤中銅、鋅、 鎘、 鉛、 鉻、砷、 汞等重金屬元素含量呈不同程度的增加[23]。若進(jìn)行長期的定量施用有機(jī)肥料試驗，作物體內(nèi)不同種類的重金屬含量會有不同程度的變化，如鉛含量的增幅范圍為0.01～0.31 mg/kg[24]。本試驗在這方面也有所體現(xiàn)，雖然盆栽土壤重金屬評價為安全等級，生長的白菜為清潔水平，但盆栽土壤重金屬含量略微有所提升。因此，長期定位施用藻-草-泥有機(jī)肥或其基質(zhì)，是否也會帶來重金屬累積有待進(jìn)一步研究。endprint

4 結(jié)論

巢湖生態(tài)治理過程中打撈出的生物體（藻類和植物體）與疏浚污泥等廢棄物制備的藻-草-泥有機(jī)肥料中5種重金屬（鉛、砷、鉻、鎘、汞）的含量符合有機(jī)肥料的重金屬安全標(biāo)準(zhǔn)。

施用藻-草-泥有機(jī)肥盆栽土壤中5種重金屬的綜合污染指數(shù)遠(yuǎn)小于0.7，說明土壤處于安全等級。因此，施用藻-草-泥有機(jī)肥不會對土壤造成重金屬污染。

大白菜中鉛、砷、鉻、鎘的含量均符合無公害蔬菜的質(zhì)量安全要求，而汞的含量低于儀器檢出下限，未檢出。分析結(jié)果表明，食用此大白菜不會對人體造成重金屬傷害。

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