豬場廢棄物對Cd超標土壤生菜生長及Cd含量的影響

唐明燈，李盟軍，王艷紅，艾紹英，余丹妮

（廣東省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所廣東省養(yǎng)分資源循環(huán)利用與耕地保育重點實驗室農(nóng)業(yè)部南方植物營養(yǎng)與肥料重點實驗室，廣州510640）

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豬場廢棄物對Cd超標土壤生菜生長及Cd含量的影響

唐明燈，李盟軍，王艷紅，艾紹英*，余丹妮

（廣東省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所廣東省養(yǎng)分資源循環(huán)利用與耕地保育重點實驗室農(nóng)業(yè)部南方植物營養(yǎng)與肥料重點實驗室，廣州510640）

摘要：為了比較同一豬場廢棄物對Cd超標土壤生菜生長及其Cd含量的影響，從廣東省博羅縣某規(guī)?；B(yǎng)豬場同時采集豬糞、沼液與沼渣，通過在Cd超標土壤中添加不同用量豬場廢棄物（按每千克土壤0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 g氮用量計算）的盆栽試驗（連續(xù)2茬生菜），研究生菜生物量與Cd吸收對這3種廢棄物的響應關系。結果表明：豬場廢棄物種類或用量均顯著影響生菜地上部的生物量，其貢獻大小為廢棄物用量＞廢棄物種類；第1茬生菜生物量隨豬場廢棄物用量的增加而降低，第2茬生菜生物量與沼液或沼渣用量之間呈“Λ”形關系，但隨豬糞用量增加而顯著提高。豬場廢棄物種類和用量均顯著影響生菜地上部Cd含量，其貢獻大小為廢棄物種類＞廢棄物用量。豬糞與沼渣降低生菜Cd含量，沼液提高生菜Cd含量；生菜Cd含量隨豬糞用量增加而顯著降低，隨沼液用量增加而顯著提高。生菜Cd含量的變化主要受生物量稀釋效應的影響（豬糞處理第1茬例外），每千克該土壤的沼液、豬糞、沼渣用量分別≤370 mL、10 g、15 g時，生菜正常生長。

關鍵詞：土壤;鎘;生菜;豬糞;沼渣;沼液

唐明燈，李盟軍，王艷紅,等.豬場廢棄物對Cd超標土壤生菜生長及Cd含量的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報, 2016, 35（3）：558-564.

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中國菜地土壤重金屬Cd超標最嚴重[1]，導致葉菜Cd含量超標[2-3]，從而增大人體致畸、致癌等健康風險[4-6]。重金屬污染土壤的治理調控技術有物理工程措施、生物修復措施、農(nóng)藝措施，其中費用低、易操作且能應用到大面積中輕度污染農(nóng)田土壤的是農(nóng)藝措施，尤其是施肥措施[7]。

畜禽糞尿是傳統(tǒng)的農(nóng)家肥，有研究表明，豬糞降低了Cd污染土壤上玉米地上部、小麥籽粒、水稻糙米、小白菜地上部的Cd含量[8-13]。我國畜牧養(yǎng)殖業(yè)已趨規(guī)模化和集約化，規(guī)?；B(yǎng)豬場常建有沼液發(fā)酵罐，沼液一般就近農(nóng)用[14]。沼液可提高玉米籽粒、稻米、小白菜的Cd含量[15-17]；沼渣也提高芹菜根莖葉的Cd含量[18]。上述報道的豬糞、沼渣、沼液都來自不同的養(yǎng)豬場。為探索同一規(guī)模化養(yǎng)豬場的豬糞、沼液、沼渣對Cd超標農(nóng)田土壤上農(nóng)作物Cd含量影響情況是否與以上豬場廢棄物一致，本文同時采集同一規(guī)?；B(yǎng)豬場的豬糞、沼液和沼渣，施用于Cd超標菜地土壤，比較三者對葉菜生長和Cd含量的影響，為合理利用規(guī)?；i場廢棄物提供部分參考依據(jù)。

1　材料和方法

1.1供試土壤

供試土壤采自廣州市番禺區(qū)鐘村鎮(zhèn)，系坡積物發(fā)育而來的普通肥熟旱耕人為土。采集0～20 cm土樣，風干過1 cm篩，備用。土壤基本性狀如下：pH6.34，有機質19.3 g·kg-1，全氮1.50 g·kg-1、堿解氮484 mg·kg-1、有效磷114 mg·kg-1、速效鉀418 mg·kg-1，全量Cd 0.450 mg·kg-1、全量Cu 60.9 mg·kg-1、全量Pb 32.7 mg· kg-1、全量Zn 125 mg·kg-1、DTPA-Cd 0.24 mg·kg-1、DTPA-Pb 5.77 mg·kg-1、DTPA-Cu 4.84 mg·kg-1、DTPA-Zn 43.2 mg·kg-1。

1.2供試豬場廢棄物

供試豬場廢棄物（豬糞、沼渣、沼液）同時采自廣東省惠州市博羅縣某規(guī)模化養(yǎng)豬場，晾干豬糞和沼渣、粉碎過2 mm尼龍篩待用。豬場廢棄物的理化性質見表1，重金屬Cd、Cu、Pb、Zn含量沒有超過我國有機-無機復混肥料國家標準[19]的限量，也沒有超過農(nóng)業(yè)行業(yè)有機肥料標準[20]的限量。

1.3供試葉菜

供試葉菜品種為意大利耐抽苔生菜（Lactuca sativa Linn. var. ramosa Hort.），全年可以在廣州地區(qū)生長，地上部Cd濃度較高[21-22]，連續(xù)種植2茬。

表1　豬場廢棄物的理化性質Table 1 Selected properties of pig farm wastes

1.4試驗設計

試驗設不施肥對照CK，化肥處理F（其中N 0.2 g· kg-1，P2O50.08 g·kg-1，K2O 0.16 g·kg-1，分別以尿素、磷酸二氫鈣、硫酸鉀施入）、豬場廢棄物處理（不施化肥，分別按N總用量0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 g·kg-1土壤計算豬場廢棄物用量：6個沼液處理水平為185、370、555、740、925、1110 mL·kg-1，記為S1、S2、S3、S4、S5、S6，6個豬糞處理水平為5、10、15、20、25、30 g·kg-1，記為M1、M2、M3、M4、M5、M6，6個沼渣處理水平為3、6、9、12、15、18 g·kg-1，記為R1、R2、R3、R4、R5、R6）。共計20個處理，每個處理4次重復，共80盆，每盆土壤4 kg。豬糞和沼渣全部基施，沼液基施40%、追施60%（S6處理沼液量遠超土壤持水量，該處理根據(jù)土壤水分情況分次追施，S1、S2、S3、S4、S5的沼液與S6處理同一比例追施，用自來水稀釋到S6處理的沼液量）。稱取土壤后，豬糞與沼渣處理分別與土壤混合均勻，沼液澆入土壤。播種露白生菜種子，4葉期每盆定株4棵。稱重法澆水，土壤含水量維持在田間持水量的70%左右。收獲第1茬后，不施用豬場廢棄物和化肥，再播種露白生菜種子，澆水方式與第1茬相同。盆栽試驗自2012年5月4日至2012年8月2日，在廣東省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所網(wǎng)室進行。

1.5樣品采集和處理

收獲生菜地上部，用自來水沖洗干凈，去離子水泡洗2次，擦干表面水分，記錄鮮重后用塑料打漿機勻漿制成鮮樣，稱取10.00 g鮮樣（同時稱取蔬菜標準樣品進行質量監(jiān)控）于三角瓶中，加入10.0 mL混酸（體積比HNO3：HClO4=9：1，優(yōu)質純試劑）消煮并定容到25 mL，石墨爐原子吸收分光光度計（PerkinElmer AAnalyst 600，下同）測定消解液中Cd濃度。同時采集土壤樣本，自然風干，過1 mm尼龍篩，稱取10.00 g加入50 mL DTPA溶液（0.005 mol·L-1DTPA+ 0.01 mol·L-1CaCl2+0.1 mol·L-1TEA），在搖床（180 r·min-1）上浸提1 h后過濾，石墨爐原子吸收分光光度計測定濾液中Cd濃度。稱10.00 g土壤，電位法測定土壤pH（土水質量比為1：2.5）。

1.6數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計

數(shù)據(jù)采用Excel 2003處理，SPSS 10.0統(tǒng)計（差異顯著水平為P＜0.05）。

2　結果與分析

2.1生菜生物量

由表2可見，豬糞、沼液與沼渣的不同施用量均顯著影響生菜地上部生物量；雙因素分析表明，豬場廢棄物種類、豬場廢棄物用量均顯著影響生菜生物量，且二者有顯著的交互作用。對生菜地上部生物量的貢獻大小順序為豬場廢棄物用量＞豬場廢棄物種類。t檢驗表明，第1茬生菜生物量顯著大于第2茬，可能與第2茬生菜生長期間的零施肥、高溫、日夜溫差小、廢棄物腐解緩慢釋放養(yǎng)分等因素有關。

3種豬場廢棄物對第1茬生菜的生長均呈抑制效應，即第1茬生菜的地上部生物量均隨著施用量的增加而降低。其中沼液對生菜生長的抑制效應最大，S6處理的生菜全部死亡。沼渣對生菜生長的抑制效應最弱，與沼液和豬糞相比，第1茬生菜沼渣處理的平均生物量最高。與對照相比，第1茬生菜正常生長，該土壤沼液用量≤370 mL·kg-1土，豬糞用量≤10 g· kg-1土，沼渣用量≤15 g·kg-1土。

低量沼液或沼渣處理顯著降低了第2茬生菜地上部生物量，高量處理也顯著抑制生菜的生長，二者的施用量與生菜生物量呈“Λ”形關系。但隨豬糞用量的增加，第2茬生菜生物量顯著提高。

表2　生菜地上部生物量、Cd含量及土壤DTPA-Cd含量Table 2 Shoot biomass and Cd concentrations of lettuce and DTPA-Cd concentrations in soil

2.2生菜地上部Cd含量

從表2中生菜Cd含量可以看出，3種豬場廢棄物顯著影響生菜地上部Cd含量。雙因素分析表明，豬場廢棄物種類、豬場廢棄物用量均顯著影響生菜地上部的Cd含量，且二者有顯著的交互作用；對生菜地上部Cd含量的貢獻大小順序為豬場廢棄物種類＞豬場廢棄物用量。第1茬生菜地上部Cd含量都低于食品安全國家標準[23]的限值（0.2 mg·kg-1），經(jīng)t檢驗，第2茬生菜地上部Cd含量平均值（0.113 mg·kg-1）顯著高于第1茬（0.083 mg·kg-1）。

3種豬場廢棄物對第1茬生菜Cd含量的影響規(guī)律各不相同：施用沼液的生菜Cd含量隨沼液用量的增加而顯著提高；不同沼渣用量的生菜Cd含量沒有顯著差異；施用豬糞的生菜Cd含量隨豬糞用量的增加而顯著減少。3種豬場廢棄物第1茬生菜Cd含量的平均值大小順序為沼液＞沼渣＞豬糞（差異顯著），表明施用豬糞具有顯著降低第1茬生菜Cd含量的效果。

沼液和豬糞對第2茬生菜Cd含量的影響規(guī)律與第1茬相同：施用沼液的生菜Cd含量隨沼液用量的增加而顯著提高；施用豬糞的生菜Cd含量隨豬糞用量的增加而顯著減少。與第1茬不同，施用沼渣的生菜Cd含量隨豬糞用量的增加而顯著減少。3種豬場廢棄物第2茬生菜Cd含量的平均值大小順序為沼液＞豬糞＞沼渣（差異顯著），可見施用豬糞降低生菜Cd含量的時效性比較短暫。

2.3土壤pH

3種豬場廢棄物及各自不同施用量均顯著影響第1茬和第2茬土壤pH值（圖1）。雙因素分析表明，豬場廢棄物種類、豬場廢棄物用量均顯著影響土壤pH值，且二者有顯著的交互作用；對土壤pH的貢獻大小順序為豬場廢棄物種類＞豬場廢棄物用量。t檢驗表明，第2茬土壤pH平均值（6.08）顯著高于第1茬（5.80）。

第1茬土壤pH平均值的高低順序是豬糞＞沼渣＞沼液（顯著差異）；第2茬土壤pH平均值的高低順序是沼渣＞豬糞＞沼液（后者與前二者差異顯著）。第1、2茬土壤pH值均隨豬糞用量增加而顯著提高，隨沼液或沼渣用量增加而顯著降低。

土壤施用沼液，第1、2茬pH值均與生菜地上部Cd含量顯著負相關；但土壤施用豬糞，僅第1茬pH值與生菜地上部Cd含量顯著負相關；施用沼渣，第1、2茬pH值均與生菜地上部Cd含量無相關性。

圖1　土壤pH值Figure 1 Soil pH

2.4土壤DTPA-Cd含量

不同用量的豬場廢棄物顯著影響第1茬土壤DTPA-Cd含量，但第2茬土壤DTPA-Cd含量僅在施用豬糞處理組有顯著差異（表2）。雙因素分析表明，豬場廢棄物種類、豬場廢棄物用量均顯著影響第1茬土壤的DTPA-Cd含量，二者有顯著的交互作用；對第1茬土壤的DTPA-Cd含量的貢獻大小順序為豬場廢棄物種類＞豬場廢棄物用量；但二者沒有顯著影響第2茬土壤的DTPA-Cd含量。t檢驗發(fā)現(xiàn)，第1茬土壤DTPA-Cd含量平均值（0.184 mg·kg-1）顯著高于第2茬（0.163 mg·kg-1）

第1茬土壤DTPA-Cd含量隨沼液用量的增加而顯著提高，隨沼渣用量的增加而顯著降低，但與豬糞用量沒有顯著相關性。第2茬土壤DTPA-Cd含量與沼液、豬糞或沼渣均沒有顯著相關性。

對沼液處理而言，第1、2茬生菜Cd含量與土壤DTPA-Cd含量均沒有顯著相關性；對豬糞處理而言，第1茬生菜Cd含量隨土壤DTPA-Cd含量增加而顯著減少，第2茬則沒有顯著相關性；對沼渣處理而言，第2茬生菜Cd含量與土壤DTPA-Cd含量顯著正相關，但第1茬沒有相關性。因此，土壤DTPA-Cd含量難以表征豬場廢棄物對生菜Cd含量的影響機制。

3　討論

當菜地土壤堿解氮＞300 mg·kg-1、有效磷＞90 mg· kg-1、速效鉀＞240 mg·kg-1時，菜地土壤肥力過高[24]，表明這類土壤不施肥就能滿足蔬菜生長所需營養(yǎng)，施肥反而可能抑制蔬菜生長。本文供試土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量均超過以上限值，所以CK處理第1茬生菜生物量顯著高于大部分處理的生物量。另一方面，由于第1茬生菜生長消耗了土壤中的養(yǎng)分，且第2茬沒有施肥，導致CK處理第2茬生菜鮮重平均值最低。

唐明燈等[21]報道，豬糞用量為0.5%、1%、2%、4%時，3茬生菜的生物量都與豬糞用量顯著正相關。本文豬糞施用量為0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%，第1茬生菜生物量與豬糞用量顯著負相關，第2茬生菜生物量與豬糞用量顯著正相關。二者不一致的原因可能是：前者對生菜追施尿素1.00 g·茬-1·盆-1，供試豬糞取自豬糞堆垛，其NPK營養(yǎng)較高，含有第1茬生菜能直接吸收的養(yǎng)分，腐解后又能為第2、3茬生菜提供部分養(yǎng)分；而本試驗沒有追施化肥，且供試豬糞為規(guī)?；i場水泡糞，NPK營養(yǎng)較低（表1），第1茬生菜能直接吸收的養(yǎng)分有限，甚至還可能通過吸附作用與第1茬生菜根系競爭土壤中堿解氮等植物易于吸收的養(yǎng)分，但水泡糞腐解能為第2茬生菜提供養(yǎng)分。

沼渣是規(guī)模化養(yǎng)豬場沼氣發(fā)酵池池底的半流質物，其持續(xù)降解能力較弱，但其NPK養(yǎng)分等含量較高（表1）。Odlare等[25]報道，增加沼渣用量，土壤氮礦化作用增強，作物產(chǎn)量降低。與之類似的是，本文第1茬生菜生物量隨著沼渣的增加而降低。沼渣處理第2茬生菜生物量低于豬糞處理的原因，一方面可能是沼渣持續(xù)降解能力較弱，另一方面可能是該處理土壤氮礦化作用較強。

規(guī)?；i場的豬糞Cu、Zn含量較高[25-26]，本文供試豬糞的組成與之類似（表1）。豬糞施入重金屬污染土壤，其效果各異：或在高量處理下才顯著降低糙米Cd含量[9-10]，或降低小麥籽粒Cd含量[11]，或低Cd豬糞能顯著降低小白菜Cd含量[13]；或有降低生菜Cd含量的趨勢[21-22]；或能緩解重金屬對水稻的危害，但沒有顯著降低水稻糙米Cd含量[26-27]；或外加Cd豬糞提高小白菜Cd含量，且小白菜Cd含量與豬糞用量顯著正相關[13]；或顯著提高土壤Cd活性（土壤Cd 6.13 mg· kg-1）、提高小麥Cd含量[28]。本文供試豬糞Cd含量低，對生菜Cd含量影響與孫華等[13]的低Cd豬糞的效果類似（表2）。因此，一般而言，施用豬糞可降低作物Cd含量，但其效果隨土壤Cd含量、豬糞Cd含量等試驗條件的不同而有所差異。

規(guī)?；i場的沼液和沼渣重金屬含量也較高[16-17，25]，本文供試沼液、沼渣與之類似（表1）。此類沼液施用到農(nóng)田土壤（Cd超標或不超標），提高了小白菜、稻米、玉米籽粒的Cd含量，甚至其施用量與玉米籽粒Cd含量顯著正相關[15-17]，本文生菜Cd含量對供試沼液的響應與玉米籽粒具有同樣的規(guī)律（表2）。另外，張進等[29]報道，沼液沒有顯著提高稻米Cd含量。沼渣可提高芹菜根莖葉的Cd含量[18]，而本文供試沼渣降低了生菜Cd含量（表2）。

對沼渣或沼液處理而言，第1、2茬生菜Cd含量隨其生物量增大而顯著降低；對豬糞處理而言，第2茬生菜也呈現(xiàn)以上規(guī)律，但第1茬生菜Cd含量隨其生物量減少而顯著降低。可見，生物量的稀釋效應能揭示沼液、沼渣、豬糞（第2茬）影響生菜地上部Cd含量的主要原因，但豬糞處理對第1茬生菜Cd含量的效應機制尚待研究。

另外，豬糞能降低作物中Cd含量，一方面由于豬糞通過吸附[30]或提高土壤pH等方式顯著降低Cd污染土壤中Cd的生物有效性[31-33]；另一方面由于豬糞腐解產(chǎn)生胡敏酸、胡敏素等高分子有機物，與重金屬離子形成不易溶的絡合物，也顯著降低Cd的生物有效性[34-37]。沼液能提高生菜Cd含量，與其中含有較多的提高Cd生物活性的有機小分子物質有一定關系[38]。

規(guī)模化豬場廢棄物含多種重金屬，雖然4年田間試驗表明豬糞和沼渣沒有顯著影響土壤及其微生物特性[25]，但長期田間試驗表明，施用豬糞后土壤重金屬含量會累積，甚至使糙米Cd含量超標[39]。規(guī)?；i場的豬糞和沼渣雖然具有一定的降低Cd超標農(nóng)田中農(nóng)作物Cd含量的作用，但其風險也不容忽視。因此，在規(guī)?；i場廢棄物施用到Cd超標農(nóng)田前，應對其進行重金屬風險評價。

4　結論

規(guī)模化豬場的廢棄物種類及其用量均顯著影響Cd超標土壤上生菜地上部生物量，豬場廢棄物用量的影響大于豬場廢棄物種類。第1茬生菜的生物量均隨3種豬場廢棄物用量的增加而降低；第2茬生菜的生物量與沼液或沼渣的用量呈“Λ”形關系，但隨豬糞用量的增加而顯著提高。從第1茬生菜正常生長來看，該土壤的沼液用量≤370 mL·kg-1，豬糞用量≤10 g·kg-1，沼渣用量≤15 g·kg-1。

豬場廢棄物種類及其用量均顯著影響生菜地上部Cd含量，且豬場廢棄物種類的貢獻大于豬場廢棄物用量的貢獻。3種豬場廢棄物處理的第1、2茬生菜Cd含量的平均值大小順序分別為：沼液＞沼渣＞豬糞，沼液＞豬糞＞沼渣。豬糞和沼渣可降低生菜Cd含量；沼液可顯著提高生菜Cd累積風險。土壤pH和DTPA-Cd含量不能表征3種豬場廢棄物影響生菜Cd吸收的機制，生菜Cd含量的變化主要受生物量稀釋效應的影響。

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Effects of pig farm wastes on growth and Cd concentrations of lettuce grown in a cadmium polluted soil

TANG Ming-deng, LI Meng-jun, WANG Yan-hong, AI Shao-ying*, YU Dan-ni
（Institute of Agricultural Resources and Environment, Guangdong Academy of Agricultural Sciences; Guangdong Key Laboratory of Nutrient Cycling and Farmland Conservation; Key Laboratory of Plant Nutrition and Fertilizer in South Region, Ministry of Agriculture, Guangzhou 510640, China）

Abstract：A pot experiment with two successive cropping was conducted to investigate the effects of 3 wastes（pig manure, biogas slurry, and biogas residue）from a large-scale pig farm in Boluo county, Guangdong Province, South China, on the growth and cadmium（Cd）concentrations of Lactuca sativa grown in a Cd polluted soil. Based on total nitrogen rates of 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, and 0.6 g·kg(-1)soil, 5, 10, 15, 20, 25, and 30 g of air-dried pig manure, 3, 6, 9, 12, 15, and 18 g of air-dried biogas residue, or 185, 370, 555, 740, 925, and 1110 mL of biogas slurry were respectively applied to 1 kg soil in a plastic pot. All pig manure and air dried biogas residue and 40% of the biogas slurry were used as basal fertilizers, and the rest 60% of the biogas slurry were applied as top dress. Results showed that both type and rate of wastes significantly affected shoot biomass of lettuce, with the rate having greater influence on the biomass than type. The lettuce biomass for the 1st cropping decreased with increasing waste amount. For the 2nd cropping, the shoot biomass showed a“Λ”relationship with the rates of biogas slurry or biogas residue, but a dose-effect relationship with pig manure. Likewise, both type and rate of wastes significantly affected shoot Cd concentrations. However, waste types had greater effects on shoot Cd concentrations than waste rates. Compared with the control, both pig manure and biogas residue significantly decreased plant shoot Cd concentrations in a dose-effect manner, but biogas slurry applications significantly increased shoot Cd concentrations. The changes of shoot Cd concentrations were mainly attributed to the biomass dilution effect. Lettuce grew normally at no more than 370 mL of biogas slurry, 10 g pig manure, or 15 g biogas residue per 1 kg of the tested soil.

Keywords：soil; Cd; lettuce; pig manure; biogas residue; biogas slurry

*通信作者：艾紹英E-mail：shaoyingai@21cn.com

作者簡介：唐明燈（1968—），男，湖南武岡人，副研究員，主要從事土壤重金屬污染及其調控研究。E-mail：njautmd@163.com

基金項目：廣東省科學技術廳項目（2011B020309003）；廣東省科學技術廳重點項目（2012A030700010）；廣州市科技計劃項目（2014Y2-00521）；廣東省科學技術廳農(nóng)業(yè)領域重點專項（2012A020100003）

收稿日期：2015-09-22

中圖分類號：X713

文獻標志碼：A

文章編號：1672-2043（2016）03-0558-07

doi:10.11654/jaes.2016.03.020