沼液-土壤-玉米系統(tǒng)中重金屬遷移富集特性

李金澄 孫吉翠 張忠蘭 高煒城 楊守軍

摘要：為探討沼液還田后重金屬在土壤-玉米體系中的遷移、富集規(guī)律。試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理：不施加任何肥料（CK）;施加1倍氮當(dāng)量沼液（1N）;施加2倍氮當(dāng)量沼液（2N）;施加3倍氮當(dāng)量沼液（3N）;施加4倍氮當(dāng)量沼液（4N）。研究結(jié)果表明：在玉米苗期，1N處理的20～40 cm和40～60 cm土壤中Cd含量分別為0～20 cm土壤的26.17%和28.97%，而3N、4N處理20～40 cm和40～60 cm土壤中Cd含量則高于0～20 cm土壤。與Cd不同，沼液處理土壤中Cu、Zn的遷移與分布總體隨土壤深度的增加而降低，至玉米抽穗期，20～40 cm和40～60 cm土壤中的Cu、Zn含量無明顯差異。沼液處理土壤的As含量隨生育期的延長而明顯降低，至玉米抽穗期，所有處理土壤均未檢出As。Cu、Zn、Cd 3種重金屬分別在秸稈、籽粒、根系中有明顯的富集，Zn、Cd分別在秸稈-籽粒和根系-秸稈中有較高的遷移能力。沼液中Pb、Ni、Hg、Cr 4種重金屬在土壤與作物間遷移與富集均不明顯。綜合分析認(rèn)為，沼液施用量不高于玉米氮需求4倍時(shí)，土壤和玉米中存在Zn、Cu、Cd、As的遷移與富集，但均不存在污染風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：沼液;施用量;重金屬;遷移;富集;土壤;玉米

中圖分類號：X53?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?文章編號：1002-1302（2020）21-0292-05

沼液是沼氣工程處理農(nóng)牧業(yè)廢棄物后產(chǎn)生的尚未達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)的廢水，如何有效處理沼液是當(dāng)今環(huán)境保護(hù)中亟待解決的關(guān)鍵問題[1]。在眾多的處理利用工藝中，沼液以肥料的形式還田是傳統(tǒng)且經(jīng)濟(jì)有效的處置方法[2]。

沼液中富含N、P、K等大量元素和Na、Ca、Mg、Fe、有機(jī)質(zhì)、19種氨基酸以及活性酶，基本滿足農(nóng)作物生長對肥料的需求，沼液的適量配施不僅能改善作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，還可提升土壤肥力[3-6]。雖然沼液還田能解決農(nóng)作物生長對養(yǎng)分的需求問題，并且能在作物耐受范圍內(nèi)盡可能地消耗沼液，以減少沼氣工程中沼液消解的農(nóng)田配套面積及沼液輸送等運(yùn)輸成本，但沼液過量還田也會導(dǎo)致一系列的環(huán)境生態(tài)問題，尤其是作為飼料添加劑的重金屬可通過飼料-畜禽-糞便-沼液-土壤-植物的途徑，使土壤和農(nóng)產(chǎn)品存在重金屬積累的潛在風(fēng)險(xiǎn)[7]。重金屬進(jìn)入土壤后，大部分被土壤吸附和固定，部分被作物吸收并在體內(nèi)進(jìn)行再分配，最終通過作物收獲物被帶走，還有一部分可能會隨水淋洗進(jìn)入深層土壤及地下水中[8]。重金屬污染過程具有長期性、隱蔽性和不可逆性，這給重金屬在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的遷移富集研究帶來一定的困難度，且目前的研究多集中于耕層土壤及作物方面，不足以說明土壤重金屬的污染特性及在不同土層的積累情況，難以解釋人類活動影響下重金屬的含量分布特征[9-11]。因此，本試驗(yàn)以玉米為試材，研究沼液中重金屬在土壤垂直空間的遷移與分布以及在土壤-玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的遷移與富集機(jī)理，以期為沼液灌溉農(nóng)田重金屬污染防控提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2018年5月至2018年8月在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺研究院大田試驗(yàn)基地進(jìn)行。土壤類型為棕壤，有機(jī)質(zhì)含量0.88%，堿解氮含量131.41 mg/kg，有效磷含量97.6 mg/kg，速效鉀含量135.76 mg/kg，pH值6.079，可溶性鹽濃度 （EC值）60.0 μS/cm。玉米（Zea mays L.）品種為登海662。試驗(yàn)所用沼液為山東省某沼液工程產(chǎn)生的雞糞沼液，其全氮、全磷、全鉀含量分別為0.59%、0.02%、0.37%，pH值為7.56，EC值為14 780 μS/cm。土壤和沼液中的重金屬含量見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共設(shè)5個(gè)處理：不施加任何肥料（CK）;施加1倍氮當(dāng)量沼液（1N）;施加2倍氮當(dāng)量沼液（2N）;施加3倍氮當(dāng)量沼液（3N）;施加4倍氮當(dāng)量沼液（4N），每個(gè)處理重復(fù)3次。玉米株、行距分別為45、35 cm，目標(biāo)產(chǎn)量為 7 500 kg/hm2，需氮量為 201 kg/hm2。沼液施用量按沼液氮養(yǎng)分供給和玉米氮養(yǎng)分需求基準(zhǔn)平衡進(jìn)行換算，沼液于土壤翻耕前一次性施入，所缺磷、鉀養(yǎng)分用化肥補(bǔ)齊。施肥情況詳見表2。

1.3 樣品采集與測定方法

在玉米的苗期、拔節(jié)期、抽穗期、完熟期分別采集0～20 cm（表層土）、20～40 cm（中層土）、40～60 cm （深層土）土層的土壤，用于重金屬含量的測定。在玉米的完熟期采集整株玉米，用于根系、秸稈和籽粒中重金屬含量的測定。土壤中Cu、Zn、Cd、Cr、Pb、Ni含量的測定采用原子吸收分光光度法[12];土壤中As、Hg含量的測定分別采用二乙基二硫代氨基甲酸銀分光光度法和氫化物發(fā)生-原子吸收分光光度法[13-14]。玉米根系、秸稈、籽粒中的Pb、Cd、Ni、Cu、Zn、Hg、As、Cr含量的測定分別按照GB 5009.12—2017《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中鉛的測定》、GB 5009.15—2014《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中鎘的測定》、GB 5009.138—2017《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中鎳的測定》、GB 5009.13—2017《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中銅的測定》、GB 5009.14—2017《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中鋅的測定》、GB 5009.17—2014《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中總汞及有機(jī)汞的測定》、GB 5009.11—2014《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中總砷及無機(jī)砷的測定》、GB 5009.123—2014《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中鉻的測定》。

1.4 重金屬遷移系數(shù)和富集系數(shù)的計(jì)算

富集系數(shù)FBC可表征重金屬在土壤-玉米根系之間的遷移能力，值越大，重金屬的遷移能力越強(qiáng);遷移系數(shù)FT1、FT2表示重金屬在根系-秸稈、秸稈-籽粒中的遷移能力，值越大，重金屬的遷移能力越強(qiáng);用累計(jì)富集系數(shù)（β）表示玉米籽粒中重金屬相對于土壤的富集系數(shù)，β值越大，重金屬的富集能力越強(qiáng)[15-16]。上述系數(shù)的計(jì)算公式如下：

4 結(jié)論

沼液氮供給不高于玉米氮需求4倍（600 t/hm2）時(shí)，Zn、Cu、Cd、As、Pb、Ni、Hg、Cr 8種重金屬在土壤和玉米中無污染風(fēng)險(xiǎn)。其中，Cd在0～60 cm土壤中的遷移明顯;Cu和Zn在0～20 cm的土壤中、Cd在20～40 cm的土壤中有明顯富集。Cd和Zn分別在玉米秸稈和籽粒中存在富集效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]姜麗娜，王 強(qiáng)，陳丁江，等. 沼液稻田消解對水稻生產(chǎn)、土壤與環(huán)境安全影響研究[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，30（7）：1328-1336.

[2]鄧良偉. 規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖廢水處理技術(shù)現(xiàn)狀探析[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2006，14（2）：23-26.

[3]陳志龍，陳廣銀，李敬宜. 沼液在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019，47（8）：1-6.

[4]王思齊，張忠蘭，史淑一，等. 沼渣肥替代化肥對蘋果產(chǎn)量和品質(zhì)的影響[J]. 中國沼氣，2018，36（4）：74-79.

[5]有婧儀，楊守軍，張忠蘭，等. 沼渣與化肥配施對玉米生長及土壤理化性狀的影響[J]. 中國土壤與肥料，2018（5）：97-101.

[6]謝漢友，董仁杰，吳樹彪，等. 沼液與化肥配合基施對大棚番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的影響[J]. 中國土壤與肥料，2018（3）：108-115.

[7]劉向林，王麗霞，吳冬悅，等. 長期施用沼液對土壤及產(chǎn)品的影響[J]. 中國沼氣，2018，36（2）：87-91.

[8]曾希柏，蘇世鳴，馬世銘，等. 我國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)重金屬的循環(huán)與調(diào)控[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2010，21（9）：2418-2426.

[9]仝雙梅，連國奇，楊 琴，等. 礦區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染評價(jià)與研究[J]. 金屬礦山，2019（6）：189-194.

[10]李 琦，韓亞芬. 煤礦區(qū)農(nóng)田土壤重金屬的空間分布及污染評價(jià)[J]. 山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，33（3）：4-8.

[11]張煒華，于瑞蓮，楊玉杰，等. 廈門某旱地土壤垂直剖面中重金屬遷移規(guī)律及來源解析[J]. 環(huán)境科學(xué)，2019，40（8）：3764-3773.

[12]魯如坤. 土壤農(nóng)化分析[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2000：12-14，85-89，474-490.

[13]中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部. 土壤質(zhì)量 總砷的測定 二乙基二硫代氨基甲酸銀分光光度法：GB/T 17134—1997[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1998：125-127.

[14]中華人民共和國農(nóng)業(yè)部. 土壤質(zhì)量 總汞、總砷、總鉛的測定 原子熒光法 第1部分：土壤中總汞的測定：GB/T 22105.1—2008[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008：1-3.

[15]楊惟薇，劉 敏，曹美珠，等. 不同玉米品種對重金屬鉛鎘的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)能力[J]. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)，2014，30（6）：774-779.

[16]龐榮麗，王書言，王瑞萍，等. 重金屬在土壤-葡萄體系中的富集和遷移規(guī)律[J]. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)，2019，35（4）：515-521.

[17]余天紅，黎華壽，賀鴻志，等. 施用不同預(yù)處理豬糞對菜園土壤pH、胡敏酸含量及Cu、Zn活性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，35（4）：785-791.

[18]董同喜，張 濤，李 洋，等. 畜禽糞便有機(jī)肥中重金屬在水稻土中生物有效性動態(tài)變化[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，36（2）：621-629.

[19]宋三多，劉漢軍，劉軼豪，等. 沼肥施用對成都平原稻麥輪作土壤及作物養(yǎng)分和重金屬含量的影響[J]. 生態(tài)科學(xué)，2018，37（1）：35-41.

[20]王 美，李書田. 肥料重金屬含量狀況及施肥對土壤和作物重金屬富集的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2014，20（2）：466-480.

[21]陳曉紅. 廣州城市污泥間接農(nóng)用效果研究[D]. 廣州：華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016.

[22]肖廣全，溫 華，魏世強(qiáng). 三峽水庫消落區(qū)土壤膠體對Cd在土壤中遷移的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，2007，21（4）：16-20.

[23]王慶仁，崔巖山，董藝婷. 植物修復(fù)──重金屬污染土壤整治有效途徑[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2001，21（2）：326-331.

[24]李 靜，依艷麗，李亮亮，等. 幾種重金屬（Cd、Pb、Cu、Zn）在玉米植株不同器官中的分布特征[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2006，22（4）：244-247.

[25]Shimo H，Ishimaru Y，An G，et al.Low cadmium （LCD），a novel gene related to cadmium tolerance and accumulation in rice[J]. Journal of Experimental Botany，2017，62（15）：5727-5734.

[26]沈天爾，施潔，胡盈盈，等. 玉米對鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)、積累機(jī)制及其生理響應(yīng)[J]. 中國糧油學(xué)報(bào)，2019，34（9）：139-146.王翌秋，周 瑩. 農(nóng)戶家庭商業(yè)保險(xiǎn)決策行為對家庭消費(fèi)支出的影響——基于CFPS數(shù)據(jù)對商業(yè)保險(xiǎn)財(cái)富效應(yīng)的檢驗(yàn)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2020，48（21）：297-304.