不同鈍化劑對(duì)畜禽糞便有機(jī)肥重金屬銅鋅的鈍化作用

劉小嶼++沈根祥++錢曉雍++湯正澤++舒雅娟++于紹鳳

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2017.13.056[HT9.]

摘要：以辣椒為供試植物，采用盆栽試驗(yàn)方法，研究生物炭、化學(xué)吸附劑和微生物菌劑3種重金屬鈍化劑對(duì)豬糞有機(jī)肥中Cu、Zn的鈍化效果。結(jié)果表明，向有機(jī)肥中投加這3種鈍化劑會(huì)促進(jìn)辣椒生長(zhǎng)，提高辣椒產(chǎn)量；投加不同量不同種類的鈍化劑對(duì)Cu和Zn表現(xiàn)出不同的鈍化效果。除化學(xué)吸附劑外，生物炭和微生物菌劑均可不同程度地降低辣椒莖葉中Cu含量，同時(shí)這3種鈍化劑均可以降低辣椒果實(shí)中Cu和Zn的累積量。生物炭處理組S4（投加量 1.25%）、化學(xué)吸附劑處理組H4（投加量1.25%）、微生物菌劑處理組W2（投加量1.00%）辣椒果實(shí)中Cu和Zn含量最低，與對(duì)照組相比，Cu含量分別降低了25.91%、17.39%和20.59%，Zn含量分別降低了30.72%、15.96%和28.99%，表現(xiàn)出較好的鈍化效果。

關(guān)鍵詞：畜禽糞便；有機(jī)肥；重金屬；鈍化劑；生物有效性

中圖分類號(hào)： X53文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A[HK]

文章編號(hào)：1002-1302（2017）13-0209-04[HS）][HT9.SS]

收稿日期：2016-03-21

基金項(xiàng)目：上海市環(huán)境保護(hù)局青年基金（編號(hào)：滬環(huán)科2014-100）；上海市環(huán)境保護(hù)局重大科研項(xiàng)目（編號(hào)：滬環(huán)科2015-05）。

作者簡(jiǎn)介：劉小嶼（1988—），男，江西贛州人，碩士研究生，主要從事土壤重金屬污染控制研究。E-mail：1023522516@qq.com。

通信作者：沈根祥，博士，教授，主要從事農(nóng)業(yè)和農(nóng)村環(huán)境保護(hù)研究。Tel：（021）64032065；E-mail：shengx@saes.sh.cn。

[ZK）]

我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展，導(dǎo)致畜禽糞便排放量劇增。1999年全國(guó)畜禽糞便產(chǎn)生量為190億t，2010年末我國(guó)畜禽糞便產(chǎn)生總量約為223.5億t[1]。同時(shí)，由于銅（Cu）、鋅（Zn）、砷（As）等微量元素飼料投加劑的普遍使用，而畜禽對(duì)重金屬的吸收利用率極低，造成畜禽糞便中重金屬含量和以畜禽糞便為主要生產(chǎn)原料的商品有機(jī)肥中重金屬含量超標(biāo)[2-5]，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國(guó)畜禽糞便有機(jī)肥中重金屬以Cu、Zn超標(biāo)最為嚴(yán)重[6-8]。

施用高銅、鋅含量有機(jī)肥，可造成土壤中重金屬的積累，存在著被作物吸收而進(jìn)入食物鏈和污染農(nóng)產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)。目前，對(duì)畜禽糞便中重金屬的鈍化技術(shù)研究主要集中在堆肥過程中投加重金屬鈍化劑，而對(duì)于畜禽糞便商品有機(jī)肥使用過程中應(yīng)用重金屬鈍化劑的研究則鮮見報(bào)道[9]。何增明等研究表明，在好氧高溫堆肥中，投加2.5%的膨潤(rùn)土對(duì)豬糞中Zn表現(xiàn)出較好的鈍化效果[10]。榮湘民等在鈍化劑對(duì)豬糞堆肥過程中重金屬化學(xué)形態(tài)影響的研究中，僅限于幾種物理和化學(xué)鈍化劑，對(duì)于微生物菌劑沒有涉及，同時(shí)也只通過堆肥前后某些形態(tài)重金屬分配率的變化來評(píng)價(jià)鈍化劑的優(yōu)劣[11]。因此，本研究通過在豬糞有機(jī)肥中投加物理型（生物炭）、化學(xué)型（化學(xué)吸附劑）和生物型（微生物菌劑）3種不同類型的鈍化劑，考察鈍化劑種類和劑量對(duì)有機(jī)肥中Cu、Zn的鈍化效果，并通過盆栽試驗(yàn)來表征其生物有效性，旨為篩選出效果較好的重金屬鈍化劑，為畜禽糞便有機(jī)肥的安全利用提供技術(shù)支撐，同時(shí)對(duì)于降低農(nóng)作物對(duì)重金屬Cu、Zn的吸收和累積、保證農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

本研究所用基質(zhì)土壤均來自上海市青浦現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)；豬糞有機(jī)肥，來自上海市閔行區(qū)畜禽種場(chǎng)有機(jī)肥廠；生物炭，來自江蘇省大豐市上海農(nóng)場(chǎng)；化學(xué)吸附劑，來自上海速宜環(huán)境科技有限公司；微生物菌劑，來自?shī)W庫(kù)生物科技（蘇州）有限公司。其中，基質(zhì)土壤有機(jī)質(zhì)含量為35.08 g/kg，Cu、Zn含量分別為26.10、128.01 mg/kg；豬糞有機(jī)肥有機(jī)碳含量為 44.67%，Cu、Zn含量分別為129.19、467.95 mg/kg；生物炭固定碳含量為87.14%，pH值為8.58，灰分含量為3.05%，比表面積600 m2/g；化學(xué)吸附劑是具有吸附性能的層狀礦物類物質(zhì)，是對(duì)重金屬修復(fù)有實(shí)際效果的礦物和其他輔材制成的復(fù)合材料，對(duì)重金屬有吸附并抑制其溶出的效果，pH值在8～10，毛質(zhì)量比約0.8～1.0，灰白色粉末，無嗅；微生物菌劑是對(duì)重金屬有富集和轉(zhuǎn)化作用的多種微生物的復(fù)合菌劑，pH值在2.8～3.5之間，乳酸菌含量100萬～470萬CFU/mL，一般菌（含光合菌）含量100萬～470萬CFU/mL，酵母含量約2萬CFU/mL，霉菌含量<10 CFU/mL。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1鈍化劑用量

試驗(yàn)在上海市青浦現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)大棚內(nèi)進(jìn)行，生物炭用量參考文獻(xiàn)[12-13]，化學(xué)吸附劑和微生物菌劑用量參照使用說明。每種鈍化劑設(shè)置5個(gè)質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度，生物炭為0.50%（S1）、0.75%（S2）、1.00%（S3）、1.25%（S4）、1.50%（S5）；化學(xué)吸附劑為0.50%（H1）、0.75%（H2）、1.00%（H3）、1.25%（H4）、1.50%（H5）；微生物菌劑為067%（W1）、1.00%（W2）、1.33%（W3）、1.67%（W4）、200%（W5），外加1個(gè)空白對(duì)照（CK），每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)平行。每個(gè)處理將稱好的商品有機(jī)肥和投加的鈍化劑混合均勻，放置穩(wěn)定14 d。

1.2.2盆栽試驗(yàn)

在每個(gè)內(nèi)徑22 cm、深度為17 cm的花盆中加入1.8 kg土壤，每盆按土壤與有機(jī)肥的質(zhì)量比3 ∶[KG-*3]1投加有機(jī)肥，在每個(gè)花盆內(nèi)移栽1株長(zhǎng)勢(shì)相同的辣椒幼苗，日常水肥條件按照辣椒生長(zhǎng)需求統(tǒng)一管理。

1.3樣品采集

辣椒60 d后采收地上部分，辣椒果實(shí)和辣椒植株分開，收取地上部分稱鮮質(zhì)量后，用自來水和去離子水洗凈，稱質(zhì)量；再105 ℃殺青30 min，70 ℃烘干至恒質(zhì)量，稱量并記錄干質(zhì)量，再研磨成粉狀，過60目篩，裝入樣品袋內(nèi)備用。endprint

1.4測(cè)定方法

土壤和有機(jī)肥中重金屬含量的測(cè)定：在稱取的0.1 g（精確到0.000 1）樣品中加入1 mL濃HNO3、3 mL濃HCl、3 mL HF和0.5 mL HClO4消解，消解完全后用蒸餾水、王水體積比1 ∶[KG-*3]1的溶液溶解，然后移至50 mL容量瓶中定容過濾，最后采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-OES 8300）測(cè)定Cu、Zn含量。測(cè)定過程用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)土壤樣（GBW07456）進(jìn)行樣品分析質(zhì)量控制。

辣椒莖葉和辣椒果實(shí)中重金屬含量的測(cè)定：在稱取 0.25 g（精確到0.000 1）的樣品中加入2.5 mL濃HNO3與 0.5 mL H2O2消解，消解完全后，用去離子水溶解，然后移至50 mL容量瓶中定容過濾，最后采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-OES 8300）測(cè)定Cu、Zn含量。測(cè)定過程用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)植物樣（GBW07603）進(jìn)行樣品分析質(zhì)量控制。

1.5數(shù)據(jù)處理方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010和SPSS 17.0軟件進(jìn)行處理分析。

2結(jié)果與分析

2.1不同鈍化劑處理對(duì)辣椒生物量的影響

由表1可知，與對(duì)照組相比，除生物炭處理組S1和化學(xué)吸附劑處理組H1、H3、H4以外，其他處理辣椒莖葉鮮質(zhì)量均有不同程度的增加，但未達(dá)到顯著性差異；生物炭處理組S2、S3、S5和微生物菌劑處理組W2、W3、W4、W5辣椒莖葉干質(zhì)量均有不同程度的增加，但也未達(dá)到顯著性差異。所有鈍化劑處理組辣椒果實(shí)鮮質(zhì)量均有明顯增加，但除處理組S4外均未達(dá)到顯著性差異；除了化學(xué)吸附劑處理組H1、H4、H5和生物炭處理組W1、W3以外，其他處理辣椒果實(shí)干質(zhì)量均有不同程度的增加，但未達(dá)到顯著性差異。

2.2不同鈍化劑處理對(duì)辣椒植株重金屬Cu、Zn含量的影響

2.2.1不同鈍化劑處理對(duì)辣椒重金屬Cu含量的影響

由圖1可知，與空白對(duì)照相比，生物炭處理組辣椒莖葉Cu含量均有不同程度的降低，降幅最大的為S4處理，達(dá)到31.03%；化學(xué)吸附劑處理組辣椒莖葉Cu含量隨著投加量的增加呈現(xiàn)先升高后下降又升高的趨勢(shì)，增幅最大的為H3處理，達(dá)到60.56%；微生物菌劑處理組W2和W3辣椒莖葉Cu含量降低較多，降幅分別達(dá)到13.95%和12.97%。

由圖2可知，所有鈍化劑處理組的辣椒果實(shí)中Cu含量均低于空白對(duì)照組，生物炭處理組S4辣椒果實(shí)Cu量最低，為0.835 mg/kg，比對(duì)照組降低了25.91%，化學(xué)吸附劑處理組H4辣椒果實(shí)Cu含量最低，為0.931 mg/kg，降低了17.39%，[JP3]微生物菌劑處理組 W2 辣椒果實(shí)Cu 含量最低， 為0.895 mg/kg，降低了20.59%。

2.2.2不同鈍化劑處理對(duì)辣椒重金屬Zn含量的影響

由圖3可知，所有鈍化劑處理組辣椒莖葉Zn含量均低于空白對(duì)照組，生物炭處理組整體降幅最大，達(dá)到15.77%～36.55%，化學(xué)吸附劑處理組辣椒莖葉Zn含量總體上隨著投加量的增加逐步下降，H4處理降幅最大，為35.62%，微生物菌劑處理組辣椒莖葉Zn含量隨著投加量的增加呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢(shì)，W3處理降幅最大，為41.69%。

由圖4可知，生物炭處理組辣椒果實(shí)Zn含量明顯低于空白對(duì)照組，S4處理降幅最大，比空白對(duì)照組降低了30.72%，化學(xué)吸附劑處理組辣椒果實(shí)Zn含量總體低于空白對(duì)照組，H4處理降幅最大，為15.96%，微生物菌劑處理組辣椒果實(shí)Zn含量隨著投加量的增加呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢(shì)，W2處理降幅最大，為28.99%。

3討論

集約化、規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)的畜禽糞便中重金屬對(duì)土壤環(huán)境和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的潛在危害越來越受到人們的關(guān)注，商品有機(jī)肥的長(zhǎng)期施用已經(jīng)成為農(nóng)田土壤重金屬的重要來源[14-15]。因此，開展商品有機(jī)肥重金屬的鈍化研究，篩選出對(duì)重金屬鈍化效果良好的鈍化劑，對(duì)于降低重金屬的生物有效性、保證農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全和品質(zhì)具有重要意義。

3.1不同鈍化劑處理對(duì)辣椒生物量的影響

本研究結(jié)果表明，生物炭可以促進(jìn)辣椒的生長(zhǎng)，提高辣椒的生物量，這與Biederman等的研究結(jié)果[16-17]一致，支持了增產(chǎn)觀點(diǎn)。這是因?yàn)樯锾烤哂休^大的孔隙度和比表面積，較高的陽(yáng)離子交換量（CEC）和碳氮比（C/N）[18-19]，增加了土壤孔隙度、有機(jī)碳的含量，提高了土壤肥力，有利于作物根系的生長(zhǎng)，從而提高作物產(chǎn)量[20]?；瘜W(xué)吸附劑處理組除了H4處理外，其他處理明顯有利于辣椒果實(shí)增產(chǎn)，說明化學(xué)吸附劑可以提高辣椒果實(shí)產(chǎn)量，可能是因?yàn)榛瘜W(xué)吸附劑本身含有的一些微量礦質(zhì)元素有利于辣椒的生長(zhǎng)。此外，本研究中所用化學(xué)吸附劑是一種新型非傳統(tǒng)的化學(xué)穩(wěn)定劑，對(duì)辣椒生長(zhǎng)的作用機(jī)制還有待進(jìn)一步的研究。微生物菌劑處理組能不同程度地促進(jìn)辣椒幼苗生長(zhǎng)，提高果實(shí)產(chǎn)量，可能是由于微生物菌劑的施用促進(jìn)了辣椒幼苗對(duì)花盆土壤中養(yǎng)分的吸收[21]。

3.2不同鈍化劑處理對(duì)辣椒植株重金屬Cu、Zn含量的影響

目前，大量研究都將Tessier法中的重金屬可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)[22]或BCR連續(xù)提取法中的乙酸可提取態(tài)和可還原態(tài)[23]在鈍化劑鈍化前后分配率的變化作為鈍化效果的判定依據(jù)[9-10，24]。而重金屬的這些有效形態(tài)易受pH值等因素的影響，從而影響其生物有效性和鈍化效果的評(píng)價(jià)。因此，本研究選取盆栽作物辣椒中重金屬的累積量作為鈍化劑鈍化效果和生物有效性的判定依據(jù)。然而，與張?jiān)魄嗟妊芯拷Y(jié)果[14]不同，本研究發(fā)現(xiàn)，鈍化劑處理的辣椒生物量與對(duì)照組有明顯差異，與干質(zhì)量相比，鮮質(zhì)量更能確切反映辣椒不同部位重金屬富集情況。在Cu、Zn含量相同的土壤上種植辣椒，生物量直接影響辣椒體內(nèi)Cu、Zn含量，生物量增加會(huì)對(duì)Cu、Zn含量產(chǎn)生稀釋效應(yīng)，生物量降低則產(chǎn)生濃縮效應(yīng)。因此辣椒體內(nèi)重金屬Cu、Zn含量的差異可以反映其被辣椒吸收的能力以及土壤中Cu、Zn生物有效性的強(qiáng)弱，也反映鈍化劑對(duì)有機(jī)肥Cu、Zn鈍化效果的優(yōu)劣。endprint

本研究中，與對(duì)照組相比，投加生物炭均可降低辣椒莖葉和果實(shí)中重金屬Cu、Zn的含量，說明生物炭處理可以降低畜禽糞便有機(jī)肥中Cu、Zn的可遷移性和生物有效性，對(duì)Cu、Zn有較好的鈍化效果。這是因?yàn)樯锾扛缓⒖祝紫督Y(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，比表面積大，具有很強(qiáng)的吸附能力，能吸附重金屬[25-26]。在0.50%～1.00%范圍內(nèi)，隨生物炭用量的增加，莖葉和果實(shí)中Cu含量增加，而后又出現(xiàn)降低的趨勢(shì)，這是因?yàn)镃u向辣椒遷移的過程是多因素作用的結(jié)果，一方面生物炭會(huì)不斷吸附Cu；另一方面，低量時(shí)可能是因?yàn)樯锾勘砻娴暮豕倌軋F(tuán)結(jié)合水的阻塞造成生物炭對(duì)Cu吸附量降低[27]，超過一定范圍后，Cu含量又出現(xiàn)降低的趨勢(shì)，這是因?yàn)樯锾烤哂休^高的pH值，生物炭的高投加量造成有機(jī)肥和土壤pH值的顯著升高，促進(jìn)生物炭表面的離子交換作用，降低了重金屬Cu的活性和生物有效性[28]。然而對(duì)于1.50%的高生物炭投加量下的莖葉和果實(shí)中Cu、Zn含量反而較高，這表明Cu、Zn的遷移還受到另一個(gè)重要因素的影響，即有機(jī)質(zhì)的含量。因?yàn)橥都由锾吭黾恿擞袡C(jī)肥和土壤中有機(jī)質(zhì)的含量，有機(jī)質(zhì)的增加促進(jìn)了Cu、Zn的遷移，從而提高了辣椒對(duì)Cu、Zn的吸收，陳玲桂也有類似觀點(diǎn)[29]。生物炭對(duì)于辣椒果實(shí)中Cu的鈍化效果依次為S4>S1>S2>S5>S3，然而對(duì)于辣椒果實(shí)中Zn鈍化效果依次為S4>S1>S3>S2>S5，從農(nóng)產(chǎn)品安全角度看，生物炭的最佳投加量為1.25%。然而對(duì)于化學(xué)吸附劑處理組，莖葉中Cu含量高于對(duì)照組，而果實(shí)中Cu含量與對(duì)照組差異不明顯，這說明化學(xué)吸附劑對(duì)Cu的鈍化效果不明顯。此外化學(xué)吸附劑處理的辣椒莖葉和果實(shí)中含Zn量大部分低于對(duì)照組，并且隨著化學(xué)吸附劑的增加辣椒莖葉中含Zn量大致呈現(xiàn)降低的規(guī)律，說明化學(xué)吸附劑明顯降低了Zn的移動(dòng)性和生物有效性，對(duì)Zn有較好的鈍化效果。這是因?yàn)榛瘜W(xué)吸附劑本身為無機(jī)物，Zn2+與化學(xué)吸附劑礦物中的離子交換達(dá)到化學(xué)吸附，保持在穩(wěn)定狀態(tài)，不易溶出。此外，微生物可以轉(zhuǎn)化、吸附和富集重金屬，這一特征可用于減輕污染土壤和有機(jī)肥中重金屬污染物的毒害作用，減少植物對(duì)重金屬的吸收[30]。本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)菌劑投加量為0.67%時(shí)，菌劑對(duì)有機(jī)肥中Cu、Zn鈍化效果不明顯，可能是因?yàn)榫鷦┝可?，在與土著微生物競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)。隨著菌劑用量的增加，辣椒莖葉和果實(shí)中Cu、Zn含量在一定范圍內(nèi)明顯降低，在投加量為100%時(shí)，果實(shí)中Cu、Zn含量達(dá)到最低值，分別為 0.895、2381 mg/kg。結(jié)果表明，投加不同量的微生物菌劑對(duì)Zn含量的變化有不同的影響，選擇合適的投加量對(duì)Zn表現(xiàn)出較好的鈍化作用[31]，然后隨著菌劑的增加，果實(shí)中Cu含量基本不變，而Zn含量明顯增加，這可能是因?yàn)榕cCu相比，Zn具有較高的活性和生物有效性，在環(huán)境中易受到多種共存重金屬的影響[32]。本研究還表明，在總量相同的有機(jī)肥中，從農(nóng)產(chǎn)品安全角度看，對(duì)Cu、Zn鈍化效果最好的是S4、H4和W2處理，并且鈍化效果依次為S4>W2>H4。

[JP2]為了更完整評(píng)價(jià)鈍化劑對(duì)有機(jī)肥中Cu和Zn的鈍化效果以及Cu和Zn在辣椒體內(nèi)的富集情況，對(duì)于辣椒根中Cu和Zn累積量需要開展進(jìn)一步的研究。此外，生物炭、化學(xué)吸附劑和微生物菌劑對(duì)畜禽糞便有機(jī)肥中重金屬的鈍化，因試驗(yàn)土壤、作物不同，效果可能會(huì)有差異，因此還需要開展長(zhǎng)期定位研究和擴(kuò)大作物品種研究。另外，微生物技術(shù)在重金屬修復(fù)方面研究較少，研究結(jié)果存在一定的不確定性[33]。因此，需要大量的試驗(yàn)以獲取豐富的經(jīng)驗(yàn)，達(dá)到微生物修復(fù)技術(shù)的推廣。最后，生物炭孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，具有固炭作用，有助于細(xì)菌等微生物的生長(zhǎng)等[32]，生物炭和微生物菌劑混合鈍化劑對(duì)于畜禽糞便有機(jī)肥中重金屬的鈍化可以開展進(jìn)一步的研究。[JP]

4結(jié)論

生物炭、化學(xué)吸附劑和微生物菌劑對(duì)辣椒生長(zhǎng)有明顯的促進(jìn)作用，除了化學(xué)吸附劑以外，生物炭和微生物菌劑均可以不同程度地降低辣椒莖葉中Cu含量，同時(shí)這3種鈍化劑均可以降低辣椒果實(shí)Cu和Zn含量。其中，S4（生物炭投加量 1.25%）、W2（微生物菌劑投加量1.00%）、H4（化學(xué)吸附劑投加量1.25%）處理對(duì)有機(jī)肥中Cu和Zn鈍化效果最好。

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