水稻土中豬糞炭用量對(duì)小白菜生長及食用安全的影響

郭卉 陳建國 王小麗 楊愛愛 江青青 郭玥含 王雯穎

摘 要：為了評(píng)估水稻土施用豬糞炭的衛(wèi)生安全風(fēng)險(xiǎn)，試驗(yàn)以小白菜為指示作物，通過盆栽處理探討了紅黃泥水稻土施用不同量豬糞炭對(duì)小白菜生長和食用安全的影響。結(jié)果表明：（1）與不施豬糞炭相比，紅黃泥水稻土中豬糞炭施用量為2.5%時(shí)小白菜生物量增加0.56%，施用量5.0%和7.5%時(shí)小白菜生物量分別下降4.17%和17.78%;（2）與不施豬糞炭相比，豬糞炭用量為2.5%、5.0%和7.5%時(shí)小白菜Cu含量分別增加52.8%、113.4%和167.8%，Zn含量分別降低13.4%、增加0.1%和75.3%，各處理中唯有豬糞炭用量7.5%處理的小白菜出現(xiàn)鋅毒害;（3）與不施豬糞炭相比，豬糞炭2.5%、5.0%和7.5%處理重金屬綜合污染指數(shù)（PZ）及復(fù)合健康風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（TTHQ）都呈下降趨勢(shì)。 綜上所述，在稻—菜輪作模式下，紅黃泥水稻土中豬糞炭施用量低于7.5%時(shí)是合理的，于小白菜經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量而言，紅黃泥水稻土中豬糞炭的合理用量為2.5%;于小白菜衛(wèi)生安全而言，紅黃泥水稻土中豬糞炭合理用量為5.0%。

關(guān)鍵詞：豬糞炭;小白菜;紅黃泥;重金屬;食用安全

中圖分類號(hào)：X713， S634.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-060X（2020）03-0052-04

Abstract： In order to evaluate the health and safety risks of swine manure biochar applied into red paddy soil， the effect of different amounts of swine manure biochar on the growth and edible safety of pakchoi had been studied by pot experiment. In contrast to no application of swine manure biochar， 2.5%， 5.0% and 7.5% swine manure biochar brought the following changes： （1） the biomass of pakchoi was +0.56%， -4.17%， and -17.78%， respectively; （2） the content of Cu in pakchoi was +52.8%， +113.4%， +167.8%， respectively; the content of Zn was -13.4%， +0.1%， +75.3%， respectively， while the pakchoi presented slight zinc toxity in the treatment of 7.5%; （3） the comprehensive pollution index （Pz） and total taxget hazard quotient （TTHQ） of heavy metals both showed a downtrend. In summary， in rice-vegetable rotation system it is reasonable when the amount of swine manure biochar applied is less than 7.5% in red paddy soil. In terms of economic yield of pakchoi， the appropriate amount of swine manure biochar applied is 2.5%， but in terms of edible safety of pakchoi， the appropriate amount is 5.0%.

Key words： swine manure biochar; pakchoi; red paddy soil; heavy metal; edible safety

豬糞炭是指將豬糞在高溫厭氧條件下裂解而形成的一種生物質(zhì)炭，是當(dāng)前規(guī)?；B(yǎng)豬場(chǎng)徹底消除糞污污染（包括實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖場(chǎng)廢棄物的減量化、殺滅畜禽糞便病原菌、破壞抗生素的結(jié)構(gòu)）的重要途徑[1-2]。豬糞炭中有機(jī)碳、有效磷、有效鉀含量高，富含養(yǎng)分，同時(shí)比表面積大、孔隙度高，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定重金屬功能[3]，因此加強(qiáng)其在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用研究對(duì)豬糞資源化利用具有重要意義。

豬糞炭在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用除了提供作物養(yǎng)分[4]之外就是修復(fù)重金屬污染的土壤[3]。Meng等[5]研究表明，豬糞與稻草共熱解產(chǎn)生的炭施用于鉛鋅礦污染土壤能夠降低重金屬交換態(tài)含量;Xu等[6]、Cui等[7]認(rèn)為，畜糞炭固定水溶性重金屬離子的機(jī)理是由于PO43-或 CO32-與其結(jié)合形成沉淀，少部分是表面—OH功能團(tuán)絡(luò)合和電吸附。此外，也有人認(rèn)為糞源生物炭施入土壤后提高了土壤pH值[8-9]，通過石灰效應(yīng)有效地吸附了土壤重金屬和有機(jī)農(nóng)藥[10-11]?；谏鲜稣J(rèn)識(shí)，畜糞炭被認(rèn)為是一種優(yōu)質(zhì)廉價(jià)的土壤修復(fù)材料。

豬糞炭濃縮了豬糞中大量的Cu、Zn，因而很多學(xué)者擔(dān)憂在農(nóng)田土壤使用豬糞炭的安全性[12]。針對(duì)此問題，Meng等[13]發(fā)現(xiàn)在豬糞中加入稻草等作物秸稈共同熱裂解能稀釋豬糞炭中Cu、Zn含量，李彪[14]的研究表明旱地紅壤中單施豬糞炭能降低小白菜Cu、Zn及其他重金屬含量。水稻土是南方主要農(nóng)業(yè)土壤類型，但當(dāng)前豬糞炭是否宜用于水稻土壤的相關(guān)實(shí)證研究鮮見報(bào)道。

小白菜生長周期短，且作為葉類蔬菜比其他作物富集重金屬的能力更強(qiáng)[15]，因此，筆者擬用小白菜作為試驗(yàn)對(duì)象驗(yàn)證水稻土施用豬糞炭的風(fēng)險(xiǎn)。用盆栽試驗(yàn)的形式探究紅黃泥水稻土中豬糞炭不同用量對(duì)小白菜生長及重金屬含量的影響，以此為依據(jù)評(píng)估水稻土中豬糞炭不同用量存在的衛(wèi)生健康風(fēng)險(xiǎn)，尋求水稻土中豬糞炭合理用量，為糞源生物炭農(nóng)業(yè)應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

豬糞采自湖南省長沙縣白沙鎮(zhèn)陳家灣養(yǎng)豬場(chǎng)。將豬糞置于密封陶質(zhì)容器中，在高溫爐中500℃條件下厭氧干餾2.5 h，冷卻后取出，過20目篩備用。試驗(yàn)土壤為紅黃泥水稻土，采自湖南省雜交水稻研究中心水稻生產(chǎn)示范基地。土壤風(fēng)干粉碎后備用。栽培用小白菜品種為“四季脆甜小白菜”。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以豬糞炭在水稻土中的不同用量作為試驗(yàn)處理。共設(shè)4個(gè)處理：分別按栽培基質(zhì)（水稻土+豬糞炭）干重的0%、2.5%、5.0%和7.5%施用豬糞炭，以不施豬糞炭（0）處理為對(duì)照;4個(gè)處理編號(hào)分別記為CK、T2.5、T5.0、T7.5。每個(gè)處理重復(fù)4次。

試驗(yàn)以盆栽的形式進(jìn)行。栽培盆為口徑25 cm、高30 cm的抗氧化牛筋塑料盆。每盆準(zhǔn)備風(fēng)干紅黃泥水稻土，使水稻土+豬糞炭總干重為5 kg，先將豬糞炭與土壤混勻，于2018年5月栽培一季中稻（湘兩優(yōu)1號(hào)），水稻栽培施肥量按每盆施N 1 g、P2O5 0.5 g、K2O 1 g標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行（氮肥為尿素，磷肥為鈣鎂磷肥，鉀肥為氯化鉀），豬糞炭處理中由豬糞炭攜入的有效態(tài)氮、磷、鉀視為施入的肥料，相應(yīng)施用化肥量酌減（如超過CK施用標(biāo)準(zhǔn)，則不施用相應(yīng)化肥）。采用一次性全層施肥。水稻收割后將土壤破碎晾曬，然后重新裝盆，于2019年3月12日種小白菜，每盆移栽小白菜苗3株，移入溫棚，于2019年3月20日施用追肥（每盆施用15 mL含氮1.48 g/L、P2O5 0.33 g/L、K2O 0.23 g/L的營養(yǎng)液，每隔5 d施1次，分3次施完），對(duì)照每天澆等量去離子水。2019年4月15日采收。小白菜栽培前土壤相關(guān)元素含量見表1，農(nóng)用地土壤污染指標(biāo)見表2。

1.3 元素含量測(cè)定與質(zhì)量控制

小白菜成熟后整株摘取，清洗晾干測(cè)定鮮重，殺青后在80℃恒溫下烘干測(cè)定干重，粉碎過100目篩，裝入樣品袋備用。植物樣先用HNO3-HClO4法消化，然后用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-OES）測(cè)定元素含量[16]。利用柑橘葉成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GSB-11，北京儀化通標(biāo)科技有限公司）作為植物標(biāo)準(zhǔn)成分物質(zhì)對(duì)消化、檢測(cè)過程進(jìn)行質(zhì)量控制，加標(biāo)回收，回收率為95.3%，達(dá)到檢測(cè)質(zhì)量控制目標(biāo)。

1.4 小白菜污染評(píng)價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合食品國家安全標(biāo)準(zhǔn)（GB2762—2017）中葉類蔬菜標(biāo)準(zhǔn)值，采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅（Nemerow）綜合污染指數(shù)法對(duì)小白菜中重金屬進(jìn)行評(píng)價(jià)。

單因子污染指數(shù)法公式：Pi=Ci/Si，式中Pi為重金屬i的單因子污染指數(shù)，Ci為重金屬i的實(shí)測(cè)濃度，Si為重金屬i的安全標(biāo)準(zhǔn)。分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：Pi≤1為清潔，13為重污染。

內(nèi)梅羅（Nemerow）綜合污染指數(shù)法參考多種污染因子影響的同時(shí)突出高濃度重金屬對(duì)小白菜品質(zhì)的影響。計(jì)算公式：

式中PZ為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)，Pmax為多種重金屬單因子指數(shù)（Pi）中的最大值為，Pave為多種重金屬單因子指數(shù)（Pi）的平均值。分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：PZ≤0.7為安全，0.73為重污染。

1.5 小白菜食用安全評(píng)價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn)

采用目標(biāo)危害系數(shù)法（Target Hazard Quotient，THQ）評(píng)價(jià)蔬菜食用安全性[15， 17]，可同時(shí)評(píng)價(jià)單一重金屬的健康風(fēng)險(xiǎn)和多種重金屬復(fù)合作用導(dǎo)致的健康風(fēng)險(xiǎn)。單一重金屬風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算公式如下。

多種重金屬復(fù)合風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算公式：

TTHQ=∑THQ

式中EF（d/a）為暴露頻率，取值365[15];ED（a）為暴露時(shí)間，取值70[15];FIR（g/d）為蔬菜攝入量，兒童取值231.5，成人取值301.4[15];c（mg/kg）為蔬菜中重金屬質(zhì)量比;WAB（kg）為平均體重，兒童取值32.7，成人取值55.9[15];ATn（d）為非致癌平均暴露時(shí)間，取值25 550[15];RFD[mg/（kg·d）]為參考劑量，Pb為4×10-3，Cd為1×10-3，As為3×10-3，Hg為5×10-4 [15]。若THQ≤1，說明暴露人群沒有明顯的健康風(fēng)險(xiǎn);若THQ>1，則存在健康風(fēng)險(xiǎn)。THQ值越大，則說明該污染物對(duì)人體健康危害程度越大。

1.6 數(shù)據(jù)處理

利用Excle 2019、SPSS 25.0進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析及圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)小白菜生物量的影響

從表3可知，各處理小白菜平均鮮重在33.62～53.42 g/盆，干重在2.96～3.62 g/盆，含水率為91.2%～93.3%，隨著豬糞炭施用量的增加，小白菜的鮮重呈降低趨勢(shì)，與之對(duì)應(yīng)，小白菜含水率也呈下降趨勢(shì)。與對(duì)照相比，T2.5、T5.0和T7.5處理的小白菜鮮重分別降低8.80%、13.98%和37.06%，含水率相應(yīng)降低0.75%、0.86%和2.25%。對(duì)比小白菜干重，T2.5比CK增加0.56%，T5.0和T7.5則比CK分別降低了4.17%和17.78%。以上表明，施用豬糞炭會(huì)降低小白菜對(duì)水分的保持量;施用豬糞炭數(shù)量不超過2.5%即能增加小白菜的生物量，超過2.5%會(huì)減少小白菜的生物量。

2.2 不同處理對(duì)小白菜中Cu、Zn累積量影響

從圖1A可知，不同處理小白菜（干重）Cu含量在4.40～11.78 mg/kg間變化，與對(duì)照相比，T2.5、T5.0和T7.5的小白菜中Cu的含量分別增加了52.7%、113.3%和167.6%，與豬糞炭施用量呈顯著正相關(guān)。CK小白菜Cu含量為4.40 mg/kg，表現(xiàn)為輕度缺銅[18];T2.5、T5.0、T7.5小白菜Cu含量（分別為6.72、9.39、11.78 mg/kg）則達(dá)到一般作物葉片的正常含量[18]，說明施用豬糞炭對(duì)缺銅的紅黃泥水稻土起到了補(bǔ)銅的作用，同時(shí)也說明豬糞炭對(duì)Cu的固定量遠(yuǎn)低于其所含量。

從圖1B可知，各處理小白菜（干重）Zn含量在35.82～72.47 mg/kg，T7.5的小白菜中Zn含量最高，比對(duì)照增加了75.3%，T2.5和T5.0的小白菜Zn含量分別增加了-13.4%和0.1%，后二者與CK沒有顯著差別。從小白菜生長營養(yǎng)角度看，CK、T2.5、T5小白菜Zn含量處于正常水平，T7.5小白菜Zn含量偏高[18]，葉片邊緣卷曲，表現(xiàn)輕度中毒癥狀。

2.3 不同處理對(duì)小白菜Pb、Cd、As、Hg累積的影響

2.3.1 Pb 由圖2A可知，各處理小白菜（鮮重）Pb含量在0.00～0.25 mg/kg間變動(dòng)，均低于蔬菜食用安全國家標(biāo)準(zhǔn)上限值（0.30 mg/kg），其中T2.5和T5.0小白菜（鮮重）Pb含量比CK顯著增加，分別為CK的1.57倍和1.67倍，T7.5則比CK顯著降低，其小白菜Pb含量比CK降低96.96%。顯然，施用豬糞炭低于5.0%水平，會(huì)一定程度上促進(jìn)小白菜對(duì)Pb的吸收，超過5.0%以上的某個(gè)限值會(huì)驟然降低小白菜對(duì)Pb的吸收。

2.3.2 Cd 從圖2B可知，各處理的小白菜（鮮重）Cd含量在0.02～0.10 mg/kg間變化，均遠(yuǎn)低于蔬菜食用安全國家標(biāo)準(zhǔn)（0.20 mg/kg），其中T2.5、T5.0和T7.5比對(duì)照分別減少67.16%、75.24%和77.08%。以上結(jié)果表明，施用豬糞炭對(duì)土壤中原有的鎘起到了固定作用，阻止小白菜對(duì)土壤Cd的吸收。

2.3.3 As 從圖2C可知，各處理小白菜（鮮重）As含量在0.19～0.41 mg/kg間變化，對(duì)照組小白菜（鮮重）As含量超過食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)，豬糞炭處理小白菜As含量均低于蔬菜食用安全國家標(biāo)準(zhǔn)（0.50 mg/kg）， 其中T2.5、T5.0和T7.5比CK分別減少48.79%、53.95%和53.77%。這說明豬糞炭對(duì)土壤As起固定作用，降低了小白菜對(duì)As的吸收。

2.3.4 Hg 從圖2D可知，各處理小白菜（鮮重）Hg含量在0.13～0.14 ?g/kg間變化，與CK相比，T2.5、T5.0和T7.5差異都不顯著，各處理小白菜Hg含量都低于蔬菜食用安全國家標(biāo)準(zhǔn)（10 ?g/kg）。

2.4 小白菜中重金屬的安全評(píng)價(jià)及食用安全性評(píng)價(jià)

2.4.1 小白菜中重金屬污染的安全評(píng)價(jià) 由表4可知，不同處理小白菜Pb、Cd、As、Hg單因子污染指數(shù)在0.01～0.83，均低于1，屬清潔水平;各處理小白菜綜合污染指數(shù)在0.28～0.64間變化，低于0.7，皆為安全等級(jí)，其中T2.5、T5.0和T7.5的綜合污染指數(shù)分別比CK的低3.1%、1.6%和56.3%，表明增施豬糞炭有利于減輕小白菜重金屬污染。

2.4.2 小白菜的食用安全性評(píng)價(jià) 由表5可知，不同處理兒童攝入小白菜Pb、Cd、As、Hg的單一重金屬風(fēng)險(xiǎn)值在0～0.96間變化，成人攝入小白菜Pb、Cd、As、Hg的單一重金屬風(fēng)險(xiǎn)值在0～0.73間變化，都低于1，健康風(fēng)險(xiǎn)不明顯。不同處理兒童攝入小白菜的復(fù)合健康風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（TTHQ）在0.61～1.84間變化，其中CK、T2.5和T5.0的TTHQ大于1，存在健康風(fēng)險(xiǎn);成人攝入小白菜的復(fù)合健康風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（TTHQ）在0.46～1.40間變化，其中只有CK的TTHQ值大于1，具有健康風(fēng)險(xiǎn)。不同處理兒童及成人TTHQ變化趨勢(shì)皆為：CK> T2.5> T5.0> T7.5，說明增施豬糞炭能夠有效降低水稻土中小白菜重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)。

3 小結(jié)與討論

3.1 小 結(jié)

（1）在稻—菜模式下，紅黃泥水稻土中施用量高于2.5%的豬糞炭會(huì)影響小白菜的鮮重產(chǎn)量，于經(jīng)濟(jì)而言，豬糞炭合理施用量為2.5%。

（2）在紅黃泥水稻土中，施用量低于7.5%的豬糞炭不會(huì)對(duì)小白菜產(chǎn)生Cu、Zn毒害。

（3）在紅黃泥水稻土中施用豬糞炭能提高小白菜食用安全性，于健康而言，豬糞炭合理施用量為5.0%。

3.2 討 論

3.2.1 豬糞炭不同用量對(duì)小白菜生長的影響 豬糞炭用量2.5%處理（T2.5）小白菜的平均生物量略高于不施豬糞炭（CK），而在施用量5.0%和7.5%處理中其生物量都呈下降趨勢(shì)，結(jié)合孫雪等[19]對(duì)小白菜施用不同量豬糞炭的結(jié)果，水稻土豬糞炭2.5%施用量于小白菜而言可能是生長拐點(diǎn)，即低于2.5%則促進(jìn)小白菜的生長，高于2.5%則抑制小白菜生長。大于2.5%的處理小白菜生物量降低，其原因可能是多方面的，如土壤中磷、鉀素供應(yīng)量過高，分別使小白菜呼吸作用加強(qiáng)、細(xì)胞滲透勢(shì)提高，從而影響小白菜鮮重;此外，在7.5%用量處理（T7.5）中基質(zhì)Zn含量過高導(dǎo)致小白菜吸收過量的Zn，使小白菜葉片有卷邊中毒癥狀。T2.5、T5.0和T7.5處理的土壤氧化還原電位有逐漸降低的趨勢(shì)，而氧化還原電位降低影響小白菜根系生長，從而使小白菜生長受抑制。氧化還原電位降低可能與豬糞炭含較多還原性有機(jī)質(zhì)有關(guān)。

3.2.2 豬糞炭不同用量對(duì)小白菜銅、鋅含量的影響 豬糞炭Cu、Zn含量較高一直是農(nóng)業(yè)土壤慎用豬糞炭的原因。T2.5、T5.0和T7.5處理的土壤Cu供應(yīng)量的升高對(duì)小白菜而言都在合理范圍內(nèi)，Zn供應(yīng)量的升高對(duì)小白菜的毒害也僅限于T7.5處理，說明在紅黃泥水稻土中豬糞炭用量低于7.5%對(duì)小白菜的生長不會(huì)造成危害。此結(jié)果與李彪[14]在旱地紅壤中施用豬糞炭對(duì)小白菜Cu、Zn含量的影響不同，原因是后者旱地紅壤施用豬糞炭后交換態(tài)Cu、Zn含量較低，而前者紅黃泥水稻土施用豬糞后交換態(tài)Cu、Zn含量較高，其差異原因有待進(jìn)一步研究。

3.2.3 豬糞炭不同用量對(duì)小白菜重金屬食用安全的影響在重金屬污染土壤中施用生物質(zhì)炭，往往因pH值升高、水溶性磷酸鹽碳酸鹽的沉淀作用、大分子有機(jī)官能團(tuán)的絡(luò)合作用及生物質(zhì)炭本身的吸附作用，土壤重金屬得以固定，從而降低土壤重金屬的危害。豬糞炭的施用降低了小白菜對(duì)Cd、Pb、As、Hg的吸收，使小白菜重金屬綜合污染指數(shù)及重金屬攝入的復(fù)合風(fēng)險(xiǎn)降低，證實(shí)了前人的研究結(jié)論。研究結(jié)果顯示，紅黃泥水稻土中不施用豬糞炭產(chǎn)出的小白菜對(duì)兒童、成人都存在健康風(fēng)險(xiǎn)，只有≥5.0%豬糞炭用量的小白菜于兒童、≥2.5%豬糞炭用量的小白菜于成人才會(huì)消除健康風(fēng)險(xiǎn)。

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（責(zé)任編輯：張煥裕）