鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)沼肥養(yǎng)分及重金屬狀況研究

黎鑫林，熊忠華，劉 勇，付永琦，劉德春，鐘 瑾

(江西農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院，江西 南昌 330045)

建設鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)是江西省首個國家戰(zhàn)略層面的區(qū)域性發(fā)展規(guī)劃，為實現(xiàn)科學發(fā)展、綠色崛起之目標，必須發(fā)展生態(tài)循環(huán)經(jīng)濟，其中大力開發(fā)利用該地區(qū)以畜禽養(yǎng)殖糞污為主的生物質(zhì)能源是關(guān)鍵所在［1］。生豬養(yǎng)殖業(yè)是江西省傳統(tǒng)優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)，其中鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)生豬常年飼養(yǎng)量達1 500余萬頭，是全國重要的生豬供應基地［2］。然而，隨著該區(qū)養(yǎng)豬業(yè)的快速發(fā)展和生豬生產(chǎn)的規(guī)?；潭炔粩嗵岣撸磕戤a(chǎn)生的豬糞便達3 000余萬t，并且大多數(shù)未被資源化利用并隨意排放，對生態(tài)環(huán)境造成很大污染，嚴重制約我省畜禽業(yè)的良性發(fā)展［1，3］。

畜禽糞便如何應用關(guān)乎環(huán)境安全和畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，其中畜禽糞便農(nóng)用是最直接有效的利用途徑。合理施用畜禽糞便可提高土壤肥力，實現(xiàn)養(yǎng)分再循環(huán)，并起到減少化肥用量和保護生態(tài)環(huán)境的重要作用［4］。為解決養(yǎng)豬業(yè)快速發(fā)展帶來的資源與環(huán)境問題，近年來江西把加速沼氣建設作為推進生豬綠色生態(tài)養(yǎng)殖和發(fā)展以畜禽糞便資源化利用為核心的循環(huán)農(nóng)業(yè)的重要舉措，全省已建成戶用沼氣池達160 萬個，建設規(guī)模養(yǎng)殖沼氣工程近2 000處［5］。沼肥(包括沼液與沼渣)是畜禽糞便和農(nóng)作物秸稈經(jīng)過沼氣池厭氧發(fā)酵后產(chǎn)生的殘留物，是一種優(yōu)質(zhì)的有機肥料，既含有作物生長必須的氮、磷、鉀大量元素，又含有鋅、鐵等多種微量元素，具有養(yǎng)分齊全、速緩兼?zhèn)涞奶攸c。隨著我省生豬規(guī)?；B(yǎng)殖與沼氣工程建設的快速發(fā)展，也隨之產(chǎn)生了大量的沼肥資源。

20 世紀90 年代初，農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心對全國范圍內(nèi)的畜禽糞便資源養(yǎng)分含量狀況進行了調(diào)查和分析［6］，對指導其合理施用起到了重要作用。但是，隨著畜禽集約化養(yǎng)殖的迅速發(fā)展，以及高蛋白飼料和添加劑的廣泛使用，使得沼肥基本營養(yǎng)成分和以重金屬為主的有害物質(zhì)的含量發(fā)生明顯變化［7-8］。當沼肥施入土壤后，有害重金屬會被作物吸收并進入食物鏈，繼而在農(nóng)業(yè)環(huán)境中積累，存在污染農(nóng)產(chǎn)品和環(huán)境的重大風險［9］。因此，近年來國內(nèi)已有多家單位先后對重慶市、山東省、福建省等地的沼肥養(yǎng)分和重金屬含量進行了分析［8，10-11］，但是對全國重要生豬養(yǎng)殖基地“鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)”的沼肥中營養(yǎng)成分與有害重金屬狀況的相關(guān)研究尚未見報道。這也揭示出當前江西普遍存在畜禽養(yǎng)殖和作物種植嚴重脫節(jié)，沼肥利用方式粗放以及缺乏必要的理論指導等突出問題。

為了更加安全、合理地利用我省豬場糞便這一巨大的有機肥資源，本文對鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)4 個典型生豬養(yǎng)殖縣市采集的沼肥樣品的基本理化性狀、養(yǎng)分物質(zhì)、重金屬含量及其污染狀況等進行分析和評價，旨在為深入研究沼肥的科學合理使用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 沼液、沼渣樣品的采集

于2013 年4～6 月在鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)具有代表性的進賢、新余、新干、萬年4 縣市的養(yǎng)豬場取樣。沼渣取樣方法:用抽渣器抽取200～500 g 沼渣用于檢測營養(yǎng)成分，另抽取500～1 000 g 沼渣用于測定重金屬含量。沼液取樣方法:對水壓間進行攪拌并在離液面30～50 cm 處吸取200～500 mL 沼液用于檢測營養(yǎng)成分，另取1 000～1 500 mL 沼液用于測定重金屬含量［8］。其中，新干沼肥樣品取自小戶型沼氣池，其余3 地沼肥樣品均取自大型干濕分離型沼氣池。

1.2 測定方法

沼液、沼渣pH 值、有機質(zhì)、干物質(zhì)、大量養(yǎng)分元素按常規(guī)分析方法測定［11］;重金屬Cu、Zn、Pb、Cd、Cr 用原子吸收分光光度法測定，As 用二乙基二硫代氨基甲酸銀分光光度法測定［12］。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)結(jié)果采用Excel 2007 和SPSS 17.0 軟件進行處理與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 沼液基本理化性狀和養(yǎng)分物質(zhì)含量

從表1 可見，所采集的4 個樣點沼液樣品的pH 值呈中性至弱堿性，在6.97～8.05，其中新干樣點pH 值較高，進賢樣點pH 值較低。

表1 沼液基本理化性狀和大量營養(yǎng)元素含量Tab.1 The basic characters and contents of macro-nutrient elements in the collected slurry

沼液中有機質(zhì)平均含量為0.10%，并以新余樣點和新干樣點較高，分別為0.19%和0.13%;進賢樣點最低，為0.038%;萬年樣點略高于進賢樣點。沼液全N 平均含量為0.58 g/kg，新余、新干和萬年3 個樣點的含量相近，而進賢樣點的含量不及其他3 個樣點的一半。沼液中全P 含量平均為0.11 g/kg，并以新干樣點最高，其次為新余樣點，而進賢與萬年兩地的相接近。全K 含量平均為2.56 g/kg，但各樣點間差異較大，新余樣點高達4.50 g/kg，而進賢樣點僅為0.68 g/kg，兩者相差6.62 倍，這可能與發(fā)酵原料和豬舍沖水量不同有關(guān)。

從沼液中N、P、K 三者比例來看，4 樣點全P 所占比例較為接近，均不足全N 含量的30%，其中進賢樣點全P 所占比例稍高;4 樣點全K 所占比例波動較大，其中新余樣點的K、N 比高達7.03，其次為萬年樣點，而進賢與新干樣點的K、N 比亦大于2。

總體而言，4 個樣點沼液中大量養(yǎng)分元素平均含量為全K＞全N＞全P，且N、P、K 總量均在1.00 g/kg以上，這表明沼液中大量元素含量豐富，可為植物吸收利用提供比較全面的營養(yǎng)。

2.2 沼渣基本理化性狀和養(yǎng)分物質(zhì)含量

由表2 可知，所采集的4 個樣點沼渣樣品的pH 值呈中性至弱堿性，在6.86～8.20，其中新干樣點pH 值較高，新余樣點呈中性。并且，沼渣中干物質(zhì)含量在11.67%～15.41%。

沼渣中有機質(zhì)平均含量為4.68%，以新余樣點最高(5.59%)，其余3 樣點差異不明顯。大量營養(yǎng)元素中全N 平均含量為4.62 g/kg，且4 個樣點變化范圍不大，僅萬年樣點的含量略高(5.39 g/kg)。沼渣中全P 平均含量為7.28 g/kg，但各樣點差異較大，新干樣點最高達12.73 g/kg，其次為萬年樣點，進賢樣點最低(3.54 g/kg)，這可能由于新干樣點采取的是小戶型沼氣池發(fā)酵，其原料、投料比例以及沖水量與大型沼氣池有所不同所致。沼渣中全K 平均含量為6.16 g/kg，其順序為萬年＞新余＞進賢＞新干。

從沼渣中N、P、K 3 者比例來看，僅進賢樣點全P 所占比例稍低于全N 的比例，其他3 樣點全P 的比例均高于全N，且以新干樣點的P、N 比最高(2.90);4 樣點全K 所占比例均接近或明顯高于全N 的比例，其中萬年樣點的K、N 比較高(1.66)。

從總體上看，沼渣中大量營養(yǎng)元素平均含量全P＞全K＞全N，N、P、K 總量高在1.34%～2.25%，表明沼渣具有豐富的營養(yǎng)成分，可為植物正常生長發(fā)育提供充足的養(yǎng)分供給。

表2 沼渣基本理化性狀和大量營養(yǎng)元素含量Tab.2 The basic characters and contents of macro-nutrient elements in the collected dregs

2.3 沼液重金屬含量及安全狀況評價

如表3 所示，4 個樣點沼液中重金屬平均含量為Pb＞Zn＞Cd＞Cu＞As＞Cr。其中新干樣點沼液中重金屬平均含量特征與此一致，而進賢、新余與萬年3 樣點則以Cd＞Zn。并且，新干樣點沼液中除Cr 和As外，Cu、Zn、Pb 和Cd 4 種重金屬含量均明顯高于其他樣點;而萬年樣點沼液中僅Cr 含量明顯高于其他樣點，Cd 含量略低于平均值，其余4 種重金屬含量則明顯低于其他樣點。

表3 沼液中重金屬含量Tab.3 Contents of heavy metals in the collected slurry

此外，Cu 含量以新干樣點最高(1.86 mg/L)，萬年樣點最低(0.041 mg/L)。Zn 與Pb 含量的特征和Cu 含量特征一致。Cr 含量以萬年最高(0.011 mg/L)，進賢樣點最低(0.001 7 mg/L)。Cd 含量4 個樣點平均為2.33 mg/L，其中新干樣點高達平均值的1.39倍，新余樣點為平均值的1.22倍，萬年樣點接近平均值，進賢樣點大大低于平均值。As 含量4 個樣點較為接近，平均值為0.071 mg/L。

目前，我國對沼液中的重金屬含量尚無統(tǒng)一的限量標準。參照德國腐熟堆肥標準［13］，將沼液作為腐熟有機肥使用，4 個樣點沼液中僅新余、新干和萬年3 地的Cd 含量超標1.70～2.16 倍，其他5 種重金屬含量均未超標。但是，參比我國農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準［14］，4 個樣點沼液中Pb 和Cd 含量嚴重超標，其中Pb 含量超標77.60～180.35 倍，Cd 含量超標68.00～324.00 倍;Cu 含量僅新干樣點超標1.86 倍，而其它3 個樣點均未超標;Zn 含量進賢樣點和萬年樣點未超標準，新余樣點略高出標準上限，而新干樣點超標4.64 倍;4 個樣點的As 含量和Cr 含量均低于標準上限。由此可知，4 個樣點的沼液作為肥料使用時，新余、新干和萬年3 地的沼液須關(guān)注Cd 的積累問題;如以水肥一體化澆灌方式使用，其中Pb 含量和Cd含量均超標嚴重，且個別樣點的Cu 與Zn 含量也存在一定程度的超標現(xiàn)象，需進行有害重金屬脫除處理方可于農(nóng)田或果園灌溉。

2.4 沼渣重金屬含量及安全狀況評價

表4 結(jié)果顯示，4 個樣點沼渣中重金屬的平均含量為Zn＞Cu＞Pb＞Cr＞Cd＞As。進賢、新余和萬年3樣點沼渣中重金屬的平均含量特征與此一致，新干樣點則以Cd＞Cr。并且，萬年樣點Cu、Zn、Cr 和As 4種重金屬含量均明顯高于其他樣點;新干樣點Cd 含量明顯高于其他樣點，Pb 含量與平均含量相接近，全As 含量與最低含量相近，而Cu、Zn 和Cr 3 種重金屬含量均明顯低于其他樣點。

此外，Cu 和Zn 含量特征一致，均表現(xiàn)為萬年樣點最高，新干樣點最低。Pb 含量，萬年樣點最低，其他3 個樣點的相近。Cr 含量4 樣點平均為62.98 mg/kg，其中萬年樣點含量最高為平均值的1.51 倍，新余和新干樣點低于平均值。Cd 含量以新干樣點最高，達平均值的1.29 倍，進賢與萬年兩樣點相近，新余樣點最低。As 含量，進賢和新干兩樣點明顯低于新余和萬年兩樣點。

表4 沼渣中重金屬含量Tab.4 Contents of heavy metals in the collected dregs

參照我國有機-無機肥料標準［15］，4 個樣點沼渣Cd 含量高出標準上限2.01～6.22 倍，Cr 和As 含量在標準限量之內(nèi)。雖然我國有機-無機肥料標準中未對Cu、Zn、Pb 含量進行限量，但參照德國腐熟堆肥標準，僅Cr 含量在限量之內(nèi)，4 個樣點沼渣中Cu 超標3.55～18.89 倍，Zn 超標5.33～18.74 倍，Pb 超標1.73～2.53 倍，Cd 超標13.40～41.47 倍，但對As 含量沒有規(guī)定限量標準。以上結(jié)果說明，在生豬規(guī)?；B(yǎng)殖條件下，沼渣中重金屬超標較為嚴重，農(nóng)用時需對其在土壤中積累和向農(nóng)產(chǎn)品中遷移情況進行持續(xù)監(jiān)測，避免對土壤質(zhì)量和農(nóng)產(chǎn)品安全造成威脅。

3 結(jié)論與討論

4 個縣市的沼肥樣品養(yǎng)分測定結(jié)果顯示，沼液、沼渣pH 值呈中性至弱堿性，沼液中大量養(yǎng)分元素平均含量為全K＞全N＞全P，沼渣為全P＞全K＞全N。沼液與沼渣中有機質(zhì)、全N、全P 和全K 的平均含量分別為0.10%、0.58 g/kg、0.11 g/kg、2.56 g/kg 和4.68%、4.62 g/kg、7.28 g/kg、6.16 g/kg。由此可見，沼液與沼渣雖然均含有豐富的營養(yǎng)成分，但前者有機質(zhì)與大量養(yǎng)分含量均大大低于后者。鐘攀等［10］對重慶地區(qū)沼肥養(yǎng)分含量研究結(jié)果亦表明，沼液全量和水溶性氮磷鉀養(yǎng)分平均含量均以K＞N＞P，沼渣則以P 高于N、K，這與本文研究結(jié)果基本一致。對于沼液中全K 大大高于全P，而沼渣中全P 與全K 二者含量均較高的現(xiàn)象，可能與沼肥中全P 和全K 含量均較高，但全K 中無機態(tài)(離子態(tài))比例較高，而全P 中主要存在形態(tài)為枸溶磷和難溶磷，即沼肥中水溶性K 比例遠高于水溶性P 的比例，造成沼液中全K含量明顯高于全P，而沼渣中則全P 與全K 含量均較高。并且，各樣點沼肥中養(yǎng)分含量存在一定差異，其可能與原料、進料量和豬圈沖水量的不同有關(guān)［8］。

此外，從沼液與沼渣的N、P、K 比例來看，二者N、P、K 平均比例為1∶0.18∶4.45 和1∶1.58∶1.33。與當前全球N、P、K 平均消費比例(1∶0.35～0.4∶0.3)相比較［16］，可知沼液中全P 所占比例稍低，但全K 的比例明顯較高;而沼渣中全P 與全K 的比例均明顯高于全N。這一結(jié)果表明，沼肥的合理施用可緩解我國農(nóng)田長期以來因氮、磷、鉀肥投入比例不當(重氮、輕磷、施鉀少)造成的氮、磷、鉀肥增產(chǎn)效應逐漸下降和土壤中的氮、磷、鉀比例失調(diào)的問題［17-18］。相關(guān)研究結(jié)果表明，施用沼肥能夠增加土壤有機質(zhì)與N、P、K 等營養(yǎng)元素的含量，達到改良土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力和有效補償農(nóng)田K 肥虧缺的作用［19］;并且合理施用沼肥后，可均衡供給作物養(yǎng)分，有利于提高作物的產(chǎn)量與改善品質(zhì)［20-21］。

由于當前規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖過程中所用飼養(yǎng)添加劑的質(zhì)量標準不嚴與管理松散，造成畜禽糞便與堆、廄肥中重金屬污染情況較為嚴重［18］，因而對沼肥適宜用量的確定，既要考慮其養(yǎng)分含量，更須重視沼肥中有害重金屬含量狀況。本文對4 個樣點沼肥中重金屬含量測定結(jié)果表明，沼液中重金屬平均含量為Pb＞Zn＞Cd＞Cu＞As＞Cr，沼渣中重金屬的平均含量為Zn＞Cu＞Pb＞Cr＞Cd＞As。對沼肥中重金屬安全性評價結(jié)果顯示，參照德國腐熟堆肥標準，4 樣點沼液中僅新余、新干和萬年3 地的Cd 含量超標1.70～2.16 倍，其他5 種重金屬含量均未超標，這可能與各樣點沼肥發(fā)酵原料與沖水量等不同有關(guān)，例如進賢樣點所用豬飼料為自配料，其余3 樣點均為全價料。不過，參照我國農(nóng)田灌溉水質(zhì)的標準，則4 個樣點沼液中Pb 和Cd 含量超標嚴重。此外，沼渣中重金屬含量參比于我國有機無機肥料標準，4 個樣點的沼渣中僅Cd 含量超標2.01～6.22 倍;而參照德國腐熟堆肥標準，僅Cr 含量在限量之內(nèi)，4 個樣點沼渣中Cu、Zn、Pb、Cd 含量均超標嚴重。

沼肥中重金屬含量與發(fā)酵原料有著密切的聯(lián)系，隨著鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)集約化畜禽養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展，越來越多的養(yǎng)殖戶采用配合飼料養(yǎng)豬，飼料添加劑中的重金屬通過豬的新陳代謝后會殘留在豬糞中，導致規(guī)模化養(yǎng)豬場沼肥中重金屬的含量大異于前。相關(guān)研究表明，配合飼料中Cu、Zn、Cd、Cr、As 等重金屬的含量較高［22］，是沼肥中重金屬的主要來源。高紅莉［23］對鄭州天元生態(tài)農(nóng)業(yè)示范園中沼肥重金屬狀況分析結(jié)果表明，Cu、Zn 和Pb 含量分別為32.0、86.5 和9.85 mg/kg。段然等［24］對遼寧昌圖、北京留民營、四川綿竹、廣西防城港等地區(qū)沼肥的分析結(jié)果證實，Cu、Zn 含量較高，長期施用沼肥的土壤中Cu、Zn 含量顯著高于對照土壤。另有研究顯示，Cu、Zn 等微量元素的加入有增加畜禽糞便中重金屬含量的風險，進而對土壤、環(huán)境及食品安全等構(gòu)成威脅［25］。艾天等［26］用沼肥和化肥兩種施肥方式進行生菜栽培，發(fā)現(xiàn)生菜中的As 含量顯著高于對照，Pb 含量也高于完全施用化肥處理。因此，在今后沼肥農(nóng)用過程中須嚴格控制好沼肥的用量，過多施用將會造成重金屬在土壤中的富集，導致農(nóng)產(chǎn)品污染和威脅人類健康［27］。

為實現(xiàn)沼肥的科學合理使用，在明確沼肥中大量養(yǎng)分含量和重金屬狀況的基礎(chǔ)上，根據(jù)農(nóng)田土壤養(yǎng)分狀態(tài)、作物種類的不同，來確定在環(huán)境承受力以內(nèi)的適宜沼肥施用量，或者通過將沼肥與化肥以適當?shù)谋壤浜鲜┯谩ａ槍蛾柡鷳B(tài)經(jīng)濟區(qū)沼肥中有害重金屬含量超標的現(xiàn)狀，有關(guān)部門應在深入調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，制定嚴格的管理制度和相關(guān)法規(guī)，控制飼料中重金屬的添加量，從源頭上治理畜禽糞便中重金屬的污染問題。此外，施用沼肥對我省水稻、柑桔和蔬菜等主要作物產(chǎn)量與品質(zhì)以及對農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量的影響，尚有待于進一步深入研究。

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