施用豬糞有機(jī)肥對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的影響

黃小洋，邵勁松，馬運(yùn)濤

(1.蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215008； 2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心，江蘇 南京 210036)

施用豬糞有機(jī)肥對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的影響

黃小洋1，邵勁松2，馬運(yùn)濤1

(1.蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215008； 2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心，江蘇 南京 210036)

為研究畜禽糞便有機(jī)肥的施用對(duì)土壤造成的潛在重金屬污染，采用大田模擬試驗(yàn)，研究了3種豬糞有機(jī)肥對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量、pH值、重金屬含量的影響。結(jié)果表明：施用有機(jī)肥T11[下標(biāo)數(shù)字分別表示有機(jī)肥種類(1、2、3)和施用量(1表示1 875 kg/hm2，2表示3 750 kg/hm2)，下同]、T12、T22、T31、T32處理較對(duì)照(施用普通復(fù)合肥)土壤有機(jī)質(zhì)含量均有不同程度的增加，增幅為5.34%～13.50%。且增量施用有機(jī)肥，土壤有機(jī)質(zhì)含量會(huì)隨之增加，但T21處理土壤有機(jī)質(zhì)較對(duì)照下降19.36%。與對(duì)照相比，各處理pH值沒有較為一致的變化規(guī)律。除鉛(Pb)外，施用有機(jī)肥處理淺層(0～40 cm)重金屬含量較對(duì)照均有不同程度的增加，其中汞(Hg)、砷(As)在0～10 cm層增幅分別為0～232.70%、15.79%～238.35%，Pb、銅(Cu)、鋅(Zn)在0～20 cm層增幅分別為6.27%～32.41%、10.14%～34.39%、12.95%～45.85%，鉻(Cr)在0～40 cm層增幅為14.03%～26.82%；深層土壤重金屬含量較對(duì)照顯著減小，Pb在90～100 cm降幅為56.37%～71.01%，Zn在60～70 cm、90～100 cm層降幅分別為10.51%～36.24%、27.71%～49.36%，鎘(Cd)在70～90 cm層降幅為29.36%～46.63%。多因素方差分析表明，Cr、Pb、Hg、As含量與有機(jī)肥施用量的關(guān)系極顯著，Cu、Zn、Cd不顯著；Cr、As、Zn含量與有機(jī)肥種類的關(guān)系極顯著，Pb、Hg、Cu、Cd不顯著。綜合分析表明，施用3種有機(jī)肥對(duì)土壤特別是表層土壤有較強(qiáng)的潛在重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)。

畜禽糞便有機(jī)肥； 有機(jī)質(zhì)； pH值； 重金屬； 土壤污染

適量施用有機(jī)肥可增加土壤有機(jī)質(zhì)含量[1-2]、提高作物產(chǎn)量[3-4]、改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)[5-6]。但我國有機(jī)肥重金屬超標(biāo)現(xiàn)象比較普遍[7]，且重金屬含量與原料的來源、季節(jié)關(guān)系密切，尤其以豬糞為原料的有機(jī)肥重金屬[特別是砷(As)元素]超標(biāo)最為嚴(yán)重，一般季節(jié)性有機(jī)肥重金屬含量表現(xiàn)為春季高于夏季。據(jù)統(tǒng)計(jì)，有機(jī)肥料的生產(chǎn)原料和輔料種類多、來源繁雜，除了傳統(tǒng)的畜禽糞便、秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物外，近年來也出現(xiàn)了味精廠、制糖業(yè)、造紙業(yè)等的下腳料，生活垃圾，城市污泥，膨潤(rùn)土，硅藻土，粉煤灰等[8]。這些材料來源廣泛、成分復(fù)雜，存在重金屬、病原菌、抗生素殘留等安全隱患，特別是集約化養(yǎng)殖場(chǎng)的畜禽糞便有機(jī)肥中重金屬嚴(yán)重超標(biāo)，而農(nóng)村普遍的過量施用的施肥方式會(huì)加重土壤重金屬污染，影響土壤環(huán)境質(zhì)量。覃麗霞[7]研究了不同養(yǎng)殖源商品有機(jī)肥的重金屬含量后發(fā)現(xiàn)，豬糞源有機(jī)肥的重金屬含量最高，中量有機(jī)肥處理(5 500 kg/hm2)、高量有機(jī)肥處理(8 125 kg/hm2)土壤耕作層(0～20 cm)中銅(Cu)、鋅(Zn)、汞(Hg)含量分別較低量有機(jī)肥處理(2 675 kg/hm2)增加2.53 mg/kg、1.12 mg/kg，2.26 mg/kg、6.00 mg/kg，0.04 mg/kg、0.01 mg/kg。唐海龍[9]利用單因子污染指數(shù)法研究了腐熟牛糞有機(jī)肥對(duì)0～40 cm層土壤重金屬Cu、Zn、鉛(Pb)、鉻(Cr)含量的影響，其單因子指數(shù)均小于1，即施用腐熟牛糞有機(jī)肥能降低0～40 cm土壤重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)。目前，有關(guān)有機(jī)肥施用對(duì)重金屬含量影響的研究主要側(cè)重于0～40 cm土壤，40～100 cm層土壤重金屬未涉及。

近年來，我國對(duì)有機(jī)肥的合理有效利用愈發(fā)重視，2015年農(nóng)業(yè)部制定了《到2020年化肥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)方案》，該行動(dòng)方案中設(shè)定的目標(biāo)之一是有機(jī)肥料資源得到合理利用，到2020年畜禽糞便養(yǎng)分還田率達(dá)到60%。畜禽糞便有機(jī)肥是土壤重金屬輸入途徑之一[10]，且江蘇省生豬養(yǎng)殖占全省畜禽養(yǎng)殖總量的59.3%[11]。鑒于此,研究了施用豬糞商品有機(jī)肥對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量、pH值、重金屬含量的影響，以期為有機(jī)肥產(chǎn)品的土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)、強(qiáng)化風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地點(diǎn)為鎮(zhèn)江市農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)地。通過重金屬含量測(cè)定，從江蘇省主要的31種有機(jī)肥中篩選出3種重金屬含量相對(duì)較高的春季豬糞有機(jī)肥作為供試有機(jī)肥。3種供試有機(jī)肥來源及重金屬含量見表1。

表1 3種豬糞有機(jī)肥重金屬含量 mg/kg

試驗(yàn)設(shè)6個(gè)施肥處理(表2)，1個(gè)對(duì)照組(CK)，每個(gè)處理面積為10 m2，無重復(fù)，對(duì)照面積為20 m2。Ti1(i為有機(jī)肥種類，i=1，2，3)施有機(jī)肥1 875 g(1 875 kg/hm2)、普通復(fù)合肥400 g；Ti2施用有機(jī)肥倍量3 750 g(3 750 kg/hm2)、普通復(fù)合肥400 g；CK施用普通復(fù)合肥800 g。試驗(yàn)設(shè)計(jì)及各處理施肥量見表2。

采用五點(diǎn)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，采集時(shí)間為2016年7月9日和9月22日。試驗(yàn)地土壤重金屬的背景值、pH值、有機(jī)質(zhì)含量見表3。小區(qū)種植作物為玉米，2016年7月9日播種，2016年9月22日一次性收獲，2016年7月9日(取土樣后)所有試驗(yàn)肥料一次性基施，其他水肥管理措施同一般大田。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及各處理有機(jī)肥施肥量

表3 土壤重金屬背景值、pH值、有機(jī)質(zhì)含量

1.2 測(cè)定指標(biāo)與方法

土壤中重金屬含量的測(cè)定采用ICP-MS法；土壤有機(jī)質(zhì)含量和pH值的測(cè)定分別采用中國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1121.6—2006和NY/T 1377—2007。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總與圖形繪制，采用SPSS 13.0進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)不同深度土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

由圖1可知，與CK相比，T11處理在70～90 cm層土壤有機(jī)質(zhì)含量降低，0～70 cm層增加， T12處理在0～20、30～40 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量降低，其他各層增加。T21處理在0～10、60～80 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量增加，其他各層降低，T22處理在0～20、30～50、60～70 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量降低，其他各層增加。T31處理在0～10、30～60 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量降低，其他各層增加，T32處理在10～40、60～70 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量降低，其他各層增加。整體來看，T11、T12、T22、T31、T32處理的平均土壤有機(jī)質(zhì)含量較CK分別增加10.83%、11.61%、5.86%、5.34%、13.50%，T21處理減少19.36%。

圖1 不同處理對(duì)不同深度土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

2.2 不同處理對(duì)不同深度土壤pH值的影響

由圖2可知，在20～60 cm層平均土壤pH值大小依次為T11(7.05)>T31(7.04)>T21(6.87)>CK(6.75)，而在90～100 cm層，CK (6.96)>T21(6.94)>T11(6.92)>T31(6.86)，其他處理各層土壤pH值變化無明顯規(guī)律。整體來看，T11、T21、T32處理平均土壤pH值較CK分別增加3.64%、1.15%、0.08%，T12、T22、T31處理分別減少1.21%、0.61%、1.60%。

圖2 不同處理對(duì)不同深度土壤pH值的影響

2.3 不同處理對(duì)不同深度土壤重金屬含量的影響

2.3.1 Cr 由圖3可知，總體上，各處理Cr含量隨土壤深度的增加而增加。在0～40 cm層，6個(gè)處理的Cr含量均大于CK，T11、T12、T21、T22、T31、T32處理平均Cr含量較CK分別增加24.89%、22.25%、15.26%、15.90%、26.82%、14.03%，其他層Cr含量變化無一致規(guī)律。

圖3 不同處理對(duì)不同深度土壤重金屬Cr含量的影響

2.3.2 Pb 由圖4可知，0～20 cm層各處理Pb含量均高于CK，T11、T12、T21、T22、T31、T32處理平均Pb含量較CK分別增加32.41%、24.61%、26.47%、6.27%、28.34%、20.82%；20～30、90～100 cm層各處理Pb含量均低于CK，在20～30 cm層6個(gè)處理Pb含量較CK分別降低49.42%、47.58%、56.49%、48.29%、36.05%、50.94%，在90～100 cm層分別降低56.37%、69.13%、68.43%、71.01%、67.17%、59.10%。其他層Pb含量變化無一致規(guī)律。

圖4 不同處理對(duì)不同深度土壤重金屬Pb含量的影響

2.3.3 Hg 由圖5可知，0～10 cm層T11、T12、T21、T22、T31、T32處理Hg含量較CK分別增加1.90%、0、68.82%、232.70%、29.28%、106.84%。其他層Hg含量變化無一致規(guī)律。

圖5 不同處理對(duì)不同深度土壤重金屬Hg含量的影響

2.3.4 As 由圖6可知，T11、T12、T21、T31處理各層As含量均高于CK，T22、T32處理在部分土層低于CK。在0～10 cm層，T11、T12、T21、T22、T31、T32處理As含量較CK分別增加238.35%、215.79%、231.20%、209.40%、216.92%、15.79%。其他層As含量的變化無一致規(guī)律。

圖6 不同處理對(duì)不同深度土壤重金屬As含量的影響

2.3.5 Cu 由圖7可知，0～20 cm層各處理Cu含量均高于CK，T11、T12、T21、T22、T31、T32處理Cu含量較CK分別增加17.57%、10.14%、34.39%、28.71%、17.57%、17.57%。其他層Cu含量變化無一致規(guī)律。

圖7 不同處理對(duì)不同深度土壤重金屬Cu含量的影響

2.3.6 Zn 由圖8可知，0～20 cm層各處理Zn含量均高于CK，T11、T12、T21、T22、T31、T32處理Zn含量較CK分別增加45.85%、30.86%、12.95%、19.95%、39.03%、29.74%。60～70 cm層6個(gè)處理Zn含量較CK分別降低22.67%、30.43%、26.14%、23.48%、10.51%、36.24%，90～100 cm層Zn含量分別降低27.71%、48.46%、40.00%、49.36%、48.39%、47.99%。其他層Zn含量變化無一致規(guī)律。

2.3.7 Cd 由圖9可知，70～90 cm層各處理Cd含量均低于CK，T11、T12、T21、T22、T31、T32處理Cd含量較CK分別降低29.36%、38.75%、40.79%、43.12%、44.74%、46.63%。其他層Cd含量變化無一致規(guī)律。

圖8 不同處理對(duì)不同深度土壤重金屬Zn含量的影響

圖9 不同處理對(duì)不同深度土壤重金屬Cd含量的影響

2.3.8 多因素方差分析 對(duì)有機(jī)肥種類、有機(jī)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(duì)土壤重金屬Cr、Pb、Hg、Cu、Zn、Cd含量的影響極顯著，對(duì)As的影響不顯著；有機(jī)肥用量(A)對(duì)土壤重金屬Cr、Pb、Hg、As含量的影響極顯著，對(duì)Cu、Zn、Cd含量的影響不顯著；有機(jī)肥種類(K)對(duì)土壤重金屬Cr、As、Zn含量的影響極顯著，對(duì)Pb、Hg、Cu、Cd含量的影響不顯著。

土壤深度與有機(jī)肥施用量雙因子(D×A)對(duì)土壤重金屬Cr、Pb、Cd、Zn含量的影響極顯著，對(duì)Cu含量影響顯著，對(duì)Hg、As影響不顯著；土壤深度與有機(jī)肥種類雙因子(D×K)對(duì)土壤重金屬Cr、Pb、Hg、As、Zn含量的影響極顯著，對(duì)Cd、Cu含量的影響顯著；有機(jī)肥種類與有機(jī)肥施用量雙因子(K×A)對(duì)土壤重金屬As、Zn含量的影響極顯著，對(duì)Cr、Cu、Cd含量的影響顯著，對(duì)Hg、Pb的影響不顯著。

表4 土壤重金屬三因子方差分析

注：*、**分別表示0.05、0.01水平顯著；“D”代表土壤深度(deep)，“K”代表有機(jī)肥種類(kind)，“A”代表有機(jī)肥施用量(application)。

3 結(jié)論與討論

本研究中，添加有機(jī)肥T11、T12、T22、T31、T32處理較CK土壤有機(jī)質(zhì)含量均有不同程度的增加，這與前人研究結(jié)果[9,12-14]一致，增幅為5.34%～13.50%。且增量施用有機(jī)肥，土壤有機(jī)質(zhì)含量隨之增加，這與管建新等[15]研究報(bào)道一致。但T21處理土壤有機(jī)質(zhì)較CK下降19.36%，這可能與豬糞有機(jī)質(zhì)含量較低或有機(jī)肥生產(chǎn)原料有關(guān)[16]，具體有待深入研究。

目前關(guān)于禽畜糞便有機(jī)肥直接施用對(duì)土壤pH值的影響沒有較為一致的研究結(jié)果[17-18]。有研究發(fā)現(xiàn)，施用豬糞堆肥后提高了0～15 cm層土壤pH值[19]；而施用腐熟牛糞有機(jī)肥則會(huì)降低土壤pH值[20]。本研究中各處理土壤pH值較CK增幅為-1.60%～3.64%，原因可能是豬糞被發(fā)酵產(chǎn)生酸性物質(zhì)或配施化肥致有機(jī)、無機(jī)肥反應(yīng)中和。

茹淑華等[21]認(rèn)為，豬糞有機(jī)肥對(duì)0～20 cm層土壤重金屬Cr含量的影響不明顯，本研究中，0～100 cm土層中只有0～40 cm層土壤重金屬Cr含量呈增加趨勢(shì)，增幅為14.03%～26.82%。黃新燦等[19]研究發(fā)現(xiàn)，施用有機(jī)肥致0～20 cm層土壤重金屬Pb含量增加，本試驗(yàn)0～20 cm層土壤重金屬Pb增幅為6.27%～32.41%，與其研究結(jié)果接近；但20～30、90～100 cm層土壤重金屬Pb含量呈降低趨勢(shì)，降幅分別為36.05%～56.49%、56.37%～71.01%，變化幅度較大，與王開峰等[22]施用有機(jī)肥對(duì)土壤重金屬Pb影響較小的結(jié)論相反。0～10 cm層土壤重金屬Hg、As含量增幅分別為0～232.70%、15.79%～238.35%，遠(yuǎn)高于前人報(bào)道的25.9%、13.8%[19]。賈武霞[23]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%，本試驗(yàn)0～20 cm層土壤重金屬Cu、Zn含量的增幅分別為10.14%～34.39%、12.95%～45.85%，均低于其增幅；而王瓊瑤等[24]認(rèn)為豬糞對(duì)稻田0～40 cm層土壤Cu、Zn含量的影響不顯著。前人研究表明，0～20 cm層土壤重金屬Cd含量呈增加趨勢(shì)[23,25]，本試驗(yàn)未得出此結(jié)論，但70～90 cm層土壤重金屬Cd含量降低29.36%～46.63%。多因素方差分析結(jié)果顯示，土壤重金屬Cr、Pb、Hg、As含量變化與有機(jī)肥施用量的關(guān)系極顯著，Cu、Zn、Cd含量變化與有機(jī)肥施用量的關(guān)系不顯著；土壤重金屬Cr、As、Zn含量與有機(jī)肥種類的關(guān)系極顯著，而Pb、Hg、Cu、Cd則與之關(guān)系不顯著。由此可見，施用重金屬含量較高的豬糞有機(jī)肥會(huì)導(dǎo)致土壤部分重金屬含量增幅較大，對(duì)不同深度土壤重金屬含量也有影響，本研究彌補(bǔ)了前人只研究表層(0～40 cm)土壤重金屬含量變化的不足。

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Effects of the Application of Pig Manure Organic Fertilizers on Soil Environment Quality

HUANG Xiaoyang1，SHAO Jinsong2，MA Yuntao1

(1.Suzhou Polytechnic Institute of Agriculture,Suzhou 215008,China; 2.Agricultural Products Quality and Safety Supervision,Inspection,and Testing Center,Ministry of Agriculture,Nanjing 210036,China)

On the consideration of potential soil heavy metal pollution caused by the application of animal manure organic fertilizer,pig mature organic fertilizers were selected to investigate the effects on maize soil pH value,organic matter and the content of heavy metal through simulated field experiment.The results indicated that the contents of soil organic matter in treatments T11[subscript numbers represented organic fertilizer types (1,2,3) and application amount(1 represented 1 875 kg/ha; 2 represented 3 750 kg/ha),the same below],T12,T22,T31,and T32increased in varying degrees from 5.34% to 13.50% compared with CK(no organic fertilizer was used),and it increased with the increment of organic manure,but that of treatment T21was 19.36% lower than CK.The change of soil pH value was not relatively consistent in all treatments compared with that of CK.Except Pb,the content of other heavy metals in shallow soil(0—40 cm) increased in varying degrees compared with that of CK.In the 0—10 cm layer of soil,the contents of Hg and As increased within the range of 0—232.70% and 15.79%—238.35% respectively; and the increase rates of Pb,Cu and Zn in the 0—20 cm layer of soil were 6.27%—32.41%,10.14%—34.39% and 12.95%—45.85% respectively,and the content of heavy metal Cr in the 0—40 cm layer increased by 14.03%—26.82%.The content of heavy metals in deep soil was significantly lower than that of CK.In the 90—100 cm layer of soil,the content of Pb decreased by 56.37%—71.01%;in terms of the content of Zn,the decreasing amplitude in the 60—70 cm layer was 10.51%—36.24% and in the 90—100 cm layer was 27.71%—49.36%;as for the content of Cd,there was a decline of 29.36%—46.63% in the 70—90 cm layer.The contents of soil heavy metals Cr,Pb,Hg and As significantly changed with the application of organic fertilizer,while the variation of Cu,Zn and Cd had no significant relation with it.It also showed that the kinds of organic fertilizer were related more obviously to the contents of Cr,As and Zn than that of Pb,Hg,Cu and Cd.The above study shows that there is stronger potential pollution risk on soil,especially shallow layers by using three kinds of organic fertilizers.

organic manure of livestock and poultry manure; organic matter; pH; heavy metal; soil pollution

S153.6; X825

A

1004-3268(2017)11-0060-09

2017-07-10

國家農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估重大專項(xiàng)課題(GJFP2016012)；蘇州市農(nóng)業(yè)委員會(huì)院區(qū)結(jié)對(duì)資助項(xiàng)目(jd201615)；江蘇省高等學(xué)校自然科學(xué)研究面上資助經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(17KJB610011)；蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院特色專業(yè)建設(shè)工程資助項(xiàng)目

黃小洋( 1974-)，男，江西九江人，講師，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)環(huán)境與保護(hù)方面的教學(xué)和研究。

E-mail:nyhb0508@163.com