3種畜禽糞便有機肥施用對黃瓜地土壤重金屬含量的影響

邵勁松,黃小洋

(1.農業(yè)部 農產品質量安全監(jiān)督檢驗測試中心，江蘇 南京 210036；2.蘇州農業(yè)職業(yè)技術學院，江蘇 蘇州 215008)

雖然施用有機肥可提高土壤有機質的含量[1-2]，提高農作物產量，改善農產品品質[3-6]，但有機肥的重金屬超標問題已是不爭的事實，且有機肥重金屬含量與其原料的來源和季節(jié)關系密切[7]。有機肥料的生產原料除傳統(tǒng)的畜禽糞便、秸稈等農業(yè)廢棄物外，還包括城鎮(zhèn)廢棄物類，如生活污水、工業(yè)污水、屠宰場廢棄物、垃圾和各種有機廢棄物,這些材料來源廣泛，成分復雜，存在重金屬、病原菌、抗生素殘留等安全隱患[8],特別是集約化養(yǎng)殖場的畜禽糞便中抗生素和重金屬會對土壤和生物造成嚴重傷害。因此，有機肥施用并非多多益善，過量施用有機肥會造成土壤重金屬含量增加[7]，影響土壤環(huán)境質量。但不同來源有機肥的用量不同，對耕地土壤的重金屬污染風險也不一樣。有研究發(fā)現(xiàn)不同養(yǎng)殖源商品有機肥中豬糞源有機肥重金屬含量最高，高施用量使土壤中Cu、Zn、Hg含量明顯增加[7]。另外有研究發(fā)現(xiàn)，施用腐熟牛糞有機肥能降低0～40 cm土壤重金屬污染的風險[9]。而目前有關有機肥施用對重金屬含量影響的研究主要側重于0～40 cm土壤的研究，對40～100 cm層土壤重金屬的影響還鮮有報道。

農業(yè)部的《到2020年化肥使用量零增長行動方案》中指出，我國有機肥資源總養(yǎng)分約7000多萬t，實際利用不足40%。針對我國農業(yè)施肥不均衡和有機肥利用率低等現(xiàn)狀，提出到2020年畜禽糞便養(yǎng)分還田率達到60%。畜禽糞便有機肥是土壤重金屬輸入途徑之一[10]。本課題以常見作物黃瓜為例，研究了不同畜禽糞便有機肥施用對黃瓜地0～100 cm不同土層土壤重金屬含量的影響，評估了有機肥料產品及其施用后對農田土壤環(huán)境質量的影響，旨在識別肥料中潛在的污染因子，為強化風險預警和政府的應急反應機制提供技術支撐。

1　材料與方法

1.1　試驗材料與設計

試驗地設置在鎮(zhèn)江市農業(yè)科學院試驗地。從江蘇省內生產的30多種有機肥中篩選出3種重金屬含量相對較高的畜禽糞便有機肥為供試有機肥。3種供試有機肥的重金屬含量見表1。

表1　3種畜禽糞有機肥的重金屬含量 mg/kg

試驗設6個施肥處理、1個對照(CK)(表2)。每個施肥處理面積為5 m2，無重復，對照(CK)面積為10 m2。Ti1(i為有機肥種類，i=1，2，3)施有機肥937.5 g(1875 kg/hm2)、普通復合肥200 g；Ti2施用有機肥倍量1875 g(3750 kg/hm2)、普通復合肥200 g；CK施用普通復合肥400 g。試驗設計及各處理施肥量見表2。

采用五點取樣法取土樣，采樣深度為0～100 cm，每10 cm采集土壤樣品1 kg，采集日期為2016年7月8日和8月27日。試驗地土壤重金屬的背景值見表3。小區(qū)種植作物為黃瓜，2016年7月9日播種，2016年8月27日一次性收獲；2016年7月8日(取土樣后)所有試驗肥料一次性施用，其他水肥管理措施同一般大田。

表2　試驗設計及各處理的有機肥施肥量

表3　試驗田土壤重金屬背景值

1.2　測定指標與方法

土壤中重金屬含量的測定分別采用標準HJ 803─2016和標準NY/T 1121.10─2006 ；土壤有機質含量和pH的測定分別采用中華人民共和國農業(yè)行業(yè)標準NY/T 1121.6─2006和NY/T 1377─2007。

1.3　數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Office Excel(2003)軟件進行試驗數(shù)據(jù)匯總，采用SPSS for Windows(13.0)軟件進行三因子(土壤深度、有機肥種類和有機肥施用量)分組交叉方差分析。

2　結果與分析

2.1　不同處理對不同深度土壤重金屬Cr含量的影響

由圖1可知，在10～20 cm層，6個處理的Cr含量均小于CK，T11、T12、T21、T22、T31、T32處理Cr的含量較CK分別降低了7.15%、5.28%、8.82%、24.27%、14.80%、11.73%；在30～40 cm層，6個處理的Cr含量較CK分別降低了12.18%、9.39%、14.23%、11.57%、11.80%、8.85%。其他層土壤Cr含量的變化無一致規(guī)律。

圖1　不同處理對不同深度土壤重金屬Cr含量的影響

2.2　不同處理對不同深度土壤重金屬Pb含量的影響

由圖2可知，在0～10 cm層，6個處理的Pb含量均小于CK，T11、T12、T21、T22、T31、T32處理Pb的平均含量較CK分別降低9.60%、40.28%、12.14%、6.95%、17.34%、37.47%；在50～60 cm層，6個處理的Pb含量分別較CK降低38.03%、32.14%、39.63%、27.90%、41.11%、22.91%；在60～70 cm層，6個處理的Pb含量分別較CK降低36.43%、32.75%、20.03%、36.94%、41.92%、38.99%；在90～100 cm層，6個處理的Pb含量分別較CK降低18.99%、14.68%、15.60%、21.19%、25.63%、37.03%。6個處理土壤在50～70 cm層Pb的平均含量分別較CK降低37.23%、32.58%、29.83%、32.42%、41.51%、30.95%。其他層土壤Pb含量的變化無一致規(guī)律。

2.3　不同處理對不同深度土壤重金屬Hg含量的影響

由圖3可知，在10～20 cm層，6個處理的Hg含量均大于CK，T11、T12、T21、T22、T31、T32處理Hg的平均含量較CK分別增加79.00%、3.56%、34.16%、21.00%、0.71%、24.91%；在40～100 cm層，6個處理中各層土壤Hg的含量均小于CK， 6個處理土壤40～100 cm層Hg的含量分別較CK降低73.32%、51.68%、63.39%、70.46%、43.74%、49.87%。其他層土壤Hg含量的變化無一致規(guī)律。

圖2　不同處理對不同深度土壤重金屬Pb含量的影響

圖3　不同處理對不同深度土壤重金屬Hg含量的影響

2.4　不同處理對不同深度土壤重金屬As含量的影響

由圖4可知，在0～10 cm層，6個處理的As含量均小于CK，T11、T12、T21、T22、T31、T32處理As的含量較CK分別降低21.84%、33.23%、20.04%、22.78%、22.68%、18.46%；在10～20 cm層，6個處理的As含量分別較CK降低13.80%、26.52%、2.93%、7.83%、9.78%、7.93%；在30～40 cm層，6個處理的As含量分別較CK降低7.13%、28.51%、3.01%、16.48%、7.24%、10.02%；在40～50 cm層，6個處理的As含量分別較CK降低5.40%、32.71%、17.40%、12.89%、9.91%、13.11%。6個處理土壤0～20 cm層As的平均含量分別較CK降低17.88%、29.93%、11.62%、15.42%、16.33%、13.28%；6個處理土壤30～50 cm層As的平均含量分別較CK降低6.26%、25.99%、10.24%、14.67%、8.58%、11.57%。其他層土壤As含量的變化無一致規(guī)律。

2.5　不同處理對不同深度土壤重金屬Cu含量的影響

由圖5可知，在10～20 cm層，6個處理的Cu含量均小于CK，T11、T12、T21、T22、T31、T32處理的Cu含量較CK分別降低20.69%、29.44%、33.79%、47.44%、47.22%、40.28%。其他層土壤Cu含量的變化無一致規(guī)律。

圖4　不同處理對不同深度土壤重金屬As含量的影響

圖5　不同處理對不同深度土壤重金屬Cu含量的影響

2.6　不同處理對不同深度土壤重金屬Zn含量的影響

由圖6可知，在0～10 cm層，6個處理的Zn含量均小于CK，T11、T12、T21、T22、T31、T32處理Zn的平均含量較CK分別降低26.38%、41.57%、26.70%、21.74%、27.06%、19.62%；其他層土壤Zn含量的變化無一致規(guī)律。

圖6　不同處理對不同深度土壤重金屬Zn含量的影響

2.7　不同處理對不同深度土壤重金屬Cd含量的影響

由圖7可知，在0～10 cm層，6個處理的Cd含量均小于CK，T11、T12、T21、T22、T31、T32處理Cd的平均含量較CK分別降低26.75%、52.48%、33.45%、11.14%、31.47%、61.53%；在10～20 cm層，6個處理的Cd含量較CK分別降低17.09%、33.12%、35.05%、26.36%、24.97%、34.69%；6個處理土壤0～20 cm層Cd的含量分別較CK降低21.93%、42.83%、34.24%、18.72%、28.23%、49.96%；在50～60 cm層，6個處理的Cd含量較CK分別降低17.14%、20.23%、34.19%、1.56%、28.89%、6.57%；在90～100 cm層，6個處理的Cr含量較CK分別降低39.84%、48.44%、51.87%、60.86%、51.33%、57.19%。其他層土壤Cd含量的變化無一致規(guī)律。

圖7　不同處理對不同深度土壤重金屬Cd含量的影響

2.8　多因素方差分析結果

對有機肥種類、有機肥施用量、土壤深度做三因子交叉分組方差分析(表4)。土壤深度(D)對土壤重金屬Pb、Hg、As、Cu、Zn、Cd含量的影響極顯著，對Cr的影響不顯著；有機肥用量(A)對土壤重金屬Pb、Hg、As、Cd含量的影響極顯著，對Cr含量的影響顯著，對Cu、Zn含量的影響不顯著；有機肥種類(K)對土壤重金屬Cu含量的影響極顯著，對Cr、As含量的影響顯著，對Pb、Hg、Zn、Cd含量的影響不顯著。

土壤深度與有機肥施用量雙因子對土壤重金屬Pb、Hg、Cd和Cu含量的影響達到極顯著水平，對Cr、As和Zn含量的影響不顯著；土壤深度與有機肥種類雙因子對土壤重金屬Pb、Hg、Cd和As含量的影響達到極顯著水平，對Cr、Cu和Zn含量的影響不顯著；有機肥種類與有機肥施用量雙因子對土壤重金屬As和Cu含量的影響達到極顯著水平，對Hg、Pb、Cr、Zn和Cd含量的影響不顯著。

3　結論與討論

茹淑華等[11]研究了雞糞和豬糞對小麥地土壤重金屬積累的影響，認為豬糞有機肥對0～20 cm層土壤重金屬Cr含量的影響不明顯。而本研究中施用有機肥后10～20 cm和30～40 cm層土壤重金屬Cr含量呈降低趨勢，較對照降幅分別為5.29%～24.77%、8.85%～14.23%；有機肥對40～100 cm層土壤Cr含量的影響不明顯。黃新燦等[12]研究發(fā)現(xiàn)，單獨施用豬糞有機肥導致0～20 cm層土壤重金屬Pb的含量顯著增加；王開峰等[13]研究認為，施用豬廄肥對0～20 cm層土壤重金屬Pb影響較小。本試驗0～10 cm層土壤重金屬Pb含量較對照降低6.95%～40.28%，可能與復合肥的配施有關；50～70、90～100 cm層土壤重金屬Pb含量呈降低趨勢，降幅分別為29.83%～41.51%、14.68%～37.03%。10～20 cm層土壤重金屬Hg含量的增幅為0.71%～79.00%，在40～100 cm層的降幅為43.74%～73.32%。何夢媛等[14]研究認為，施用豬糞對0～15 cm層土壤As含量無顯著影響，15～30 cm層土壤As含量增加23.0%～28.2%。而本試驗土壤As的含量在0～20 cm和30～50 cm均呈下降趨勢，降幅分別為11.62%～29.93%和6.26%～25.99%，可能是因為有機肥的分解產物使亞表層土壤重金屬發(fā)生淋溶所致。賈武霞[15]研究表明，0～20 cm層土壤重金屬Cu、Zn含量的增幅為108.16%、74.82%。而本試驗10～20 cm層土壤重金屬Cu的含量呈降低趨勢，其降幅為20.69%～47.44%；0～10 cm層土壤Zn的含量降幅為19.62%～41.57%；20～100 cm層土壤Cu和Zn的含量變化不顯著。前人研究表明，0～20 cm層土壤重金屬Cd含量呈增加趨勢[14～17]，本試驗未得出此結論，但0～20、50～60、90～100 cm層土壤重金屬Cd含量分別降低18.72%～49.96%、1.56%～34.19%、39.84%～60.86%。

表4　土壤重金屬三因子方差分析結果

續(xù)表4:

重金屬種類變異來源平方和自由度均方F值K954.47952477.239823.3873**D×A1087.51921860.41772.9608**D×K230.28971812.79390.6270A×K730.48524182.62138.9494**ZnD12993.397991443.710913.1826**A676.54672338.27333.0888K121.8614260.93070.5564D×A2309.428418128.30161.1715D×K2864.113718159.11741.4529A×K618.99524154.74881.4130CdD0.055990.006230.7319**A0.006520.003215.9788**K0.000220.00010.5349D×A0.0115180.00063.1509**D×K0.0177180.00104.8668**A×K0.000440.00010.4603

注：*、**分別表示在0.05、0.01水平上的顯著性；D代表土壤深度(deep)；K代表有機肥種類(kind)；A代表有機肥施用量(application)。

多因素方差分析結果顯示，土壤重金屬Pb、Hg、As、Cd含量變化與有機肥施用量的關系極顯著，Cu、Zn含量變化與有機肥施用量的關系不顯著；土壤重金屬Cr、Cu含量與有機肥種類的關系極顯著，而Pb、Hg、Zn、Cd則與之關系不顯著。由此可見，有機肥種類及用量會影響土壤重金屬含量的變化[18]，施用重金屬含量較高的畜禽糞便有機肥雖然會導致黃瓜地10～20 cm土壤重金屬Hg含量的增加，但不同深度土壤其他重金屬含量呈不同程度的降低趨勢。本研究彌補了前人只研究表層(0～40 cm)土壤重金屬含量變化的不足。

在今后的研究中應著重以下幾個方面：(1)典型種植模式下土壤重金屬的投入產出情況；(2)不同種植模式長期不同施肥措施下土壤重金屬含量的變化趨勢；(3)典型種植模式和施肥措施下土壤重金屬的承載年限。

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