施用有機肥對土壤重金屬累積的影響及風險評價

姜佰文，陸 磊，王春宏，高 強，張 迪，陳 曦，王艷玲

（1.東北農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，哈爾濱 150030；2.黑龍江省綠色食品發(fā)展中心，哈爾濱 150036；3.黑龍江省密山市農業(yè)技術推廣中心，黑龍江 密山 158300）

為確保我國糧食和農業(yè)生態(tài)安全，2018 年農業(yè)農村部大力提倡有機無機肥料配合施用，推動我國有機肥料發(fā)展[1]。將畜禽糞便無害化處理生產有機肥料，可解決糞便面源污染問題，增強土壤肥力、改善土壤結構、降低生產成本。禽類飼料含有重金屬，通過糞便排出體外。有機肥料除提供作物生長必要營養(yǎng)元素還含有重金屬，長期大量施用有機肥料，導致土壤和農作物中重金屬含量超標。研究表明，以雞糞、豬糞和牛糞等為原料的有機肥料已成為土壤重金屬污染主要來源[2-3]。重金屬污染具有長期性、隱蔽性與不可逆等特點，一旦經由食物鏈進入人體，嚴重威脅人體健康[4]。茹淑華等結果表明，連續(xù)7年施用豬糞有機肥料，顯著增加土壤0～15 cm 土層中Cu、Zn、As 和Cd 含量，施用量增加，耕層土壤（0～15 cm）中Cu、Zn、As和Cd 含量顯著增加[5]。董同喜等研究發(fā)現(xiàn)，小麥-玉米輪作體系下，畜禽糞便有機肥是Cu、Zn、Cd、Ni、Pb、Cr 6種重金屬元素主要輸入源[6]。

黑龍江省是我國玉米生產重要基地，為增加玉米產量，集約化種植大量使用有機肥，但其對農田、人體健康重金屬危害鮮有研究。為了解不同量有機肥對玉米土壤中重金屬積累影響，本文在黑龍江省海林農場二分場開展3 年田間大區(qū)試驗。通過施用不同量有機肥后土壤重金屬含量風險評價，為田間合理施用有機肥料，減少環(huán)境污染和保障農產品安全提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗地點和供試品種

本試驗在黑龍江省海林農場開展，供試玉米品種：先鋒38P05。供試土壤為白漿土，土壤基礎肥力：pH 5.37，有機質23.29 g·kg-1，堿解氮109.4 mg·kg-1，速效磷36.2 mg·kg-1，速效鉀175.6 mg·kg-1。

1.1.2 供試肥料

尿素（N：46%）；磷肥：重過磷酸鈣（P2O5：46%）；鉀肥：硫酸鉀（K2O：50%）。

有機肥：利用當?shù)毓S化養(yǎng)殖場牛糞無害化處理高溫堆制而成。其養(yǎng)分含量為N 2.69%、P2O50.96%、K2O 0.49%。有機肥全量重金屬含量Zn、Cu、Cd、Ni、Pb、Hg、Cr、As 分 別 為151.90、68.36、1.20、14.10、15.70、0.10、3.40、1.03 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

本研究為等氮磷鉀大區(qū)試驗，施氮（N）量∶150 kg·hm-2，施磷（P2O5）量：75 kg·hm-2，施鉀（K2O）量：90 kg·hm-2。采用小型有機肥拋灑車拋撒有機肥，綜合整地后起壟，每個處理播種面積為400 m2，10 壟，壟長60 m，壟寬0.67 m，種植密度為5.6 萬株·hm-2。玉米在拔節(jié)期追肥，有機肥上一年秋天作為基肥一次性施入，磷鉀肥做種肥，尿素氮肥做種肥和追肥（比例7∶3）。分別在播種前期、拔節(jié)期、抽雄期和成熟期取土樣用于各項指標測定分析。試驗施肥方案見表1。

表1 施肥方案Table 1 Fertilization scheme (kg·hm-2)

1.3 測定項目及方法

土壤樣品收集：每年收獲玉米后每個區(qū)選6點（壟和溝3 個點）采集0～20 cm 土層土壤混合后得到樣品，每個處理土壤3次重復取樣。土壤樣品風干過篩后供土壤分析用。

1.3.1 土壤樣品中八種重金屬含量測定

將不同處理土壤樣品過0.15 mm篩，取過篩后土樣0.5 g，準備若干50 mL刻度管，將土樣放入刻度管中，加王水（王水（濃鹽酸∶濃硝酸=3∶1）∶水=1∶1）后，過夜。第2天，水浴鍋中沸水（水溫100 ℃）加熱，5%鹽酸定容50 mL。將定容樣品過濾、靜置。測Hg含量，取5 mL，加入5%鹽酸體系1.02%重鉻酸鉀0.1 mL。測As 含量，取1 mL，加入5%鹽酸體系2%硫脲和1%抗壞血酸9 mL。As 和Hg均用AFS-930 原子熒光測定。Cr、Pb、Cu、Zn、Ni 采 用HCl-HNO3-HF-HClO4消 解，ICP-MS 測定。鎘采用HCl-HNO3-HF-HClO4消解，石墨爐原子吸收分光光度法。

1.4 土壤重金屬污染評價

1.4.1 單因子指數(shù)法與內梅羅綜合污染指數(shù)法

單因子指數(shù)法是國內通用的重金屬污染評價方法[7]，單因子污染指數(shù)Pi≤1，污染等級為清潔，Pi＞1為污染水平，且Pi越大污染越嚴重。為全面反映重金屬元素對土壤不同作用，突出高濃度重金屬元素對環(huán)境質量影響，采用內梅羅（N.L.Neiow）綜合污染指數(shù)法[8]，土壤質量綜合評價等級劃分標準見表2。

表2 土壤質量綜合評價等級劃分標準Table 2 Criteria for grade classification of comprehensive evaluation of soil quality

計算公式如下：

式中，Pi-土壤中重金屬i 單項污染指數(shù)；Ci-土壤中重金屬i實測質量濃度（mg·kg-1）；Si-重金屬i 國家標準值（mg·kg-1）；P綜-土壤內梅羅綜合污染指數(shù)；Pi(max)-土壤中重金屬i 單項污染指數(shù)最大值；Pi(ave)-土壤中重金屬i單項污染指數(shù)平均值。

1.4.2 潛在生態(tài)危害指數(shù)法

潛在生態(tài)危害指數(shù)評價法[9-10]是評價土壤或沉積物中重金屬方法。該方法從沉積學角度，根據(jù)重金屬在環(huán)境中遷移轉化特點及其性質，評價環(huán)境中重金屬，反映多種重金屬污染物綜合影響，是目前評價重金屬污染程度常用方法，計算公式為：

式中，Pi為所測重金屬元素單項污染系數(shù)；Ti為重金屬元素毒性系數(shù)；Ei為單項潛在生態(tài)危害系數(shù)；RI 為多種重金屬綜合潛在生態(tài)危害系數(shù)。根據(jù)重金屬元素不同，調整Ei和RI 分級標準[11]，如表3所示。

表3 潛在生態(tài)風險分級Table 3 Rating table for potential ecological risk

1.4.3 評價標準

本研究土壤中重金屬鉛、鎘、汞、砷、鎳、鉻含量評價參照《土壤環(huán)境修訂標準》GB15618-2018，如表4所示。

表4 土壤重金屬背景值及國家等級標準Table 4 Soil background values and soil environmental quality standards of heavy metals (mg·kg-1)

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理與分析基于Windows office 辦公軟件和SPSS 17.0數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析軟件。

2 結果與分析

2.1 不同處理土壤中重金屬含量變化

2.1.1 不同處理土壤鎘、鉻、砷、汞、鉛含量

由表5 可知，連續(xù)3 年，各施肥處理土壤中Cd、Cr、As、Hg、Pb 含量均逐漸增加，在同一年試驗中，隨有機肥施用量增加而增加，在T150 處理均達到最高值。

2016 年，T150、T45、T30處理Cd含量分別比T0處理高58.62%、44.14%、27.59%；Cr 含量分別比T0 處理高70.30%、40.67%、14.71%，處理間差異顯著（P＜0.05）；As含量分別比T0處理高41.87%、17.78%、0.95%；Hg含量分別比T0處理高47.07%、25.52%、19.18%，T0 處理與其他處理差異顯著（P＜0.05）；T150、T30 處理Pb 含量分別比T0 處理高21.06%、1.79%，T45 處理Pb 含量比T0 處理低1.52%、T150處理與其他處理差異顯著（P＜0.05）。

2017年，T150、T45、T30處理Cd含量分別比T0處理高92.12%、30.30%、16.36%，處理間差異顯著（P＜0.05）；Cr 含量分別比T0 處理高76.48%、44.21%、16.23%，處理間差異顯著（P＜0.05）；Ni含量分別比T0處理高58.31%、21.77%、1.15%；Hg含量分別比T0 處理高49.80%、11.07%、11.47%，T0 處理與其他處理差異顯著（P＜0.05）；Pb 含量分別比T0 處理高31.87%、7.80%，T30 處理Pb 含量比T0 處理低6.07%，T0 處理與其他處理差異顯著（P＜0.05）。

2018年，T150、T45、T30處理Cd含量分別比T0處理高142.42%、35.86%、8.59%，但T30 和T0處理間差異不顯著（P＞0.05）；Cr 含量分別比T0 處理高78.65%、45.94%、15.39%，處理間差異顯著（P＜0.05）；As 含 量 分 別 比T0 處 理 高75.99%、31.72%、5.58%；Hg含量分別比T0處理高70.70%、20.51%、8.79%，處理間差異顯著（P＜0.05）。

連續(xù)3 年，各處理Cr、As、Hg 含量均未超過國家標準。2017 年和2018 年T150 處理Pb 含量分別為72.83 和83.59 mg·kg-1，Cd 含量為0.32、0.48 mg·kg-1均超過國家標準，其他處理3年均未超過國家標準。

表5 不同處理土壤鎘、鉻、砷、汞、鉛含量Table 5 Soil Cd,Cr,As,Hg,Pb contents under different treatments (mg·kg-1)

2.1.2 不同處理土壤銅、鋅、鎳含量

由表6可知連續(xù)3年土壤中Ni、Cu、Zn含量變化。同一年試驗中，土壤中全Ni 含量隨施用有機肥含量增加而增加，在T150 處理下各重金屬含量最高，與其他處理差異顯著（P＜0.05）。

與T0 相 比，在2016 年，T150 處 理、T45 處理、T30 處理Ni 含量分別比T0 處理高16.42%、8.24%、3.95%；Cu 含量分別比T0 處理高45.22%、15.89%、10.20%，各處理差異顯著（P＜0.05）；Zn含量分別比T0處理高10.01%、5.57%、0.30%。在2017年，T150處理、T45處理、T30處理Ni含量分別比T0 處理高90.28%、12.02%、3.41%，處理間差異不顯著（P＞0.05）；Cu 含量分別比T0 處理高61.65%、16.73%、7.41%，處理間差異顯著（P＜0.05）；Zn 含量分別比T0 處理高26.39%、11.63%、3.25%，處理間差異顯著（P＜0.05）。在2018 年，T150 處理、T45 處理Ni 含量分別比T0 處理高121.94%、12.37%，T30 處理Ni 含量比T0 處理低2.47%，處理間差異不顯著（P＞0.05），T150 處理、T45 處理、T30 處理Cu 含量分別比T0 處理高79.03%、59.79%、7.65%，處理間差異顯著（P＜0.05）； Zn 含 量 分 別 比T0 處 理 高39.70% 、20.54%、6.04%%，處理間差異顯著（P＜0.05）。

與國家標準相比，T150 處理2017、2018 年Ni含量分別為72.58、91.96 mg·kg-1，均超過國家標準。2017年T150處理Cu含量為65.89 mg·kg-1，2018年T150、T45處理Cu含量分別為76.32、68.12 mg·kg-1，皆超過國家標準。Zn 含量均未超過國家標準，因此Zn含量未達到污染程度。

2.2 土壤中重金屬累積效應風險評價

2.2.1 單因子指數(shù)法與內梅羅綜合污染指數(shù)法

由表7 可知，在CK、T30、T0 處理下，連續(xù)3年各金屬單因子污染指數(shù)皆小于1，均未達到污染。2016 年，T150 處理Cu 單因子指數(shù)大于1，綜合污染指數(shù)大于0.7，屬于尚清潔；2017年和2018年，T150 處理Cd、Ni、Pb、Cu 單因子污染指數(shù)（Pi）均大于1，綜合污染指數(shù)均大于1，均屬于輕度污染；在2018 年，T45 處理Cu 單因子污染指數(shù)大于1，且綜合污染指數(shù)大于1，屬于輕度污染。隨時間推移各處理綜合污染指數(shù)逐漸增大，2013年T150處理、T45處理、T30處理綜合污染指數(shù)比T0 處理高42.80%、15.99%、9.77%；2017 年T150處理、T45處理、T30處理綜合污染指數(shù)比T0處理高65.55%、19.97%、9.42%；2018 年T150 處理、T45 處理、T30 處理綜合污染指數(shù)比T0 處理高85.27%、50.96%、6.16%。3 個添加有機肥處理土壤綜合污染指數(shù)均大于CK處理，說明隨有機肥施用量增加土壤綜合污染水平提高。

表6 不同處理土壤銅、鋅、鎳含量Table 6 Cu,Zn and Ni contents under different treatments (mg·kg-1)

表7 不同處理土壤重金屬污染指數(shù)Table 7 Pollution index of heavy metals in soil under different treatments

2.2.2 潛在生態(tài)危害指數(shù)法

由表8 可知，各重金屬Ei隨時間推移而增加。2018 年T150 處理Cd Ei＞40，表明對生態(tài)系統(tǒng)存在輕微風險，而其他各元素在各年份Ei＜40，均未造成生態(tài)系統(tǒng)風險。潛在生態(tài)危害指數(shù)RI 可表征重金屬元素對當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)影響，可反映總污染造成生態(tài)風險。在8種重金屬綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)中僅T150 處理＞70，屬于中度潛在生態(tài)危害程度，其他處理均未到達潛在生態(tài)危害。與T0 處理比較，T30 處理綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)增長較小，2018 年較2017 年增加9.42%，2017 年較2016 年增加3.07%。

表8 不同處理土壤中重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)和潛在生態(tài)危害指數(shù)Table 8 Potential ecological hazard coefficients and potential ecological risk indexes of heavy metals in soils under different treatment

3 討論與結論

利用有機肥培肥土壤，提高作物產量，需限制其重金屬含量，降低土壤污染風險[12]。本試驗研究 表 明，3 年連續(xù)施肥處理中，Cd、Cr、As、Ni、Hg、Pb、Cu、Zn變化隨處理時間延續(xù)和有機肥濃度增加，8種重金屬均呈升高變化趨勢，即2018年T150處理重金屬含量最高。土壤中Cd、Cr 含量2016～2018 年，T150 處理均有最大值，與其他處理差異顯著（P＜0.05）。Cd含量2018年最大值0.48 mg·kg-1超過國家標準，形成重金屬污染。Pb土壤中Pb 主要來源于大氣沉降和污泥施用，研究表明隨有機肥含量增加Pb 含量逐漸上升，可能與土壤整地過程中大型機械燃油有關[13]。Zaccone 等研究表明，連續(xù)2 年種植小麥施用有機肥增加土壤中Zn、Pb含量[14]。王改玲等研究表明，連續(xù)28 年施用雞糞有機肥顯著增加土壤Cu、Zn 和As 等重金屬含量[15]。張樹清等調查大量規(guī)?；B(yǎng)殖場畜禽糞便中重金屬含量，發(fā)現(xiàn)畜禽糞便中Cu、Zn、As等元素殘留量大[16]。本試驗表明土壤中Cu 含量在連續(xù)3年內動態(tài)變化，2017年比2016年增加16.25%為最高、2018 年比2017 年增加15.83%，T150 處理在3年中較CK 分別增加1.69、1.95、2.25 倍。連續(xù)施用雞糞等有機肥土壤中Cu 含量不斷增加，與任順榮等研究結果一致[17]。原因是有機肥中Cu 含量過高，而有機肥中Cu 含量過高與畜禽飼料中重金屬大量添加直接相關。土壤中Zn 含量2017年、2018年分別增加27.19%、12.96%，T150 處理在3 年中較CK 分別增加1.16%、1.48%、1.64%，CK不施肥處理變化不明顯。隨有機肥使用量增加，土壤中Zn 含量不斷增加，原因與有機肥或飼料添加重金屬有關，大量重金屬添加到飼料中為提高牲畜生長率，而過多重金屬排出動物體外作為肥料，對土壤造成威脅。土壤中As主要來自含As化合物，包括一些除草劑和動物飼料[18]。As 含量連續(xù)3 年CK 處理As 含量變化較小，而2017 年、2018 年分別增加14.69%、15.97%，與有機肥大量施用有關。As含量增加與有機肥大量施用直接相關，隨處理濃度不同，T150與CK倍數(shù)關系超過其他處理，As含量變化與其作為Pb、Cu、Zn等礦物質伴生品有關。最大值為20.82 mg·kg-1，雖低于國家標準30 mg·kg-1，但單因子污染指數(shù)較高，屬于重度污染，存在風險。

Ni含量連續(xù)3年CK處理Ni含量變化較小，而2017、2018 年分別增加67.16%、26.69%，第二年Ni 含量增加，原因是試驗周期開始土壤接受大量有機肥，有機肥中重金屬含量增多，與土壤Ni 積累有關。Ni含量最大值略超國家標準，但其單因子污染指數(shù)大于1，形成輕度污染水平。3年連續(xù)施用有機肥和化肥，土壤中Hg含量變化較小，2017年、2018年T150、T45、T30、T0和CK 5個處理增加量相差不多，但T150 在連續(xù)3 年較CK 增加量最高，原因是有機肥增加土壤中Hg 含量，但有機肥與化肥中Hg含量低[19]，隨有機肥料使用增加Hg含量增加，有機肥對Hg 含量有直接影響。3 年定位施肥試驗表明，施用有機肥和化肥增加土壤重金屬含量，T30處理達最低值?？梢娪袡C無機配施可減緩土壤重金屬積累量。

有機肥含量增加提高土壤中重金屬綜合污染水平和污染風險。不同處理內梅羅綜合污染指數(shù)為0.56～1.32，其中，2016 年T150 處理未達到污染，2017、2018年Cd、Ni、Pb、Cu 單因素污染指數(shù)大于1，內梅羅綜合污染指數(shù)大于1，處于輕度污染水平，其中由于Cd 在土壤中自然背景值較低，施加有機肥易致土壤中Cd 含量提高, 土壤中生態(tài)風險程度相對其他元素較高，2018 年綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)大于70，處于中度污染水平。2018年T45處理僅Cu單因子污染指數(shù)大于1，內梅羅綜合污染指數(shù)為1.08 達到輕度污染，而其他元素并未達到污染水平。T30處理連續(xù)三年內梅羅污染綜合指數(shù)均小于1，未達污染水平，潛在生態(tài)風險指數(shù)未超標，重金屬含量未超過國家標準。T30處理與單施化肥相比內梅羅綜合污染指數(shù)增長幅度最小，綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)增長較小，未達到污染水平。根據(jù)本試驗T30處理污染指數(shù)增長幅度可預計，再連續(xù)施用3年不會對土壤造成重金屬污染。因此，有機無機配施培肥土壤，應按照適宜比例施入，既考慮提高玉米產量，又要降低土壤重金屬富集累積和環(huán)境污染風險。