沼液施用對土壤及農(nóng)產(chǎn)品中重金屬含量的影響

陳芬 陳莎莎 萬里平 王樂 陳柳萌

摘要 為研究沼液施用對土壤和農(nóng)產(chǎn)品重金屬累積的影響，以水稻和皇竹草為供試材料，在江西省不同地區(qū)設(shè)計(jì)試驗(yàn)，分析沼液施用對土壤和農(nóng)產(chǎn)品中重金屬的影響。結(jié)果表明，Hg未被檢出，Zn、Cu、Cd、Cr、Pb和As均被檢出，其中Zn、Cu含量最高，且均未超出NY/T 2596—2014中相應(yīng)的限量值。土壤和農(nóng)產(chǎn)品重金屬結(jié)果表明，水稻種植土壤中，Hg潛在風(fēng)險(xiǎn)最高，其次是Cd、As、Cu、Zn，而Cr、Pb的潛在風(fēng)險(xiǎn)最低;需監(jiān)測沼液長期施用對土壤中Cd、As、Cu、Zn的累積情況;皇竹草種植土壤中，Pb和Zn的潛在風(fēng)險(xiǎn)較高，其次是As和Cd，而Hg、Cr和Cu的潛在風(fēng)險(xiǎn)較低;沼液中Zn含量較高，需監(jiān)測沼液長期施用對土壤中Zn的影響;對于糙米和皇竹草，Hg未被檢出，Zn、Cu、Cd、Cr、Pb和As均被檢出，其中Zn含量最高分別為17.844～23.073和9.665～35.913 mg/kg;其次是Cu分別是2.638～3.323和2.816～9.392 mg/kg;Cr、As、Pb和Cd的含量相對偏低;皇竹草中重金屬受沼液施用的影響，且與土壤重金屬含量存在正相關(guān)性。

關(guān)鍵詞 沼液;重金屬;土壤;水稻;皇竹草

中圖分類號(hào) X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2021）17-0069-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.17.019

Abstract To study the impacts of biogas slurry application on the accumulation of heavy metals in soil and crops， experiments were designed in Jiangxi Province with rice and Pennisetum sinese， and the effects of biogas slurry on heavy metal content of soil and crops was analyzed. Hg was not detected， and Zn， Cu， Cd， Cr， Pb and As were detected in biogas， none of them exceeded the limit value of heavy metals in NY/T 2596-2014. The results of heavy metals in soil and agricultural products showed that in soil of the rice planting area， Hg had the highest potential risk， followed by Cd， As， Cu， Zn， and Cr and Pb had the lowest potential risk. Hg in the biogas slurry was not detected， therefore the application of biogas slurry had no effect on the accumulation of Hg in the soil;but should monitor the accumulation of Cd， As， Cu， and Zn in the soil;in soil of Pennisetum sinese planting area， the potential risks of Pb and Zn were highest， followed by As and Cd， while the potential risks of Hg， Cr and Cu were lowest;the content of Zn in G-BS was highest， requiring pay attention to the effect of long-term application of biogas slurry on Zn in soil;in rice and Pennisetum sinese， Hg was not detected， Zn， Cu， Cd， Cr， Pb and As was detected， and the highest content was Zn （17.844-23.073 and 9.665-35.913 mg/kg respectively）;followed by Cu （2.638-3.323 and 2.816-9.392 mg/kg respectively）;the content of Cr， As， Pb and Cd was lowest;heavy metals were affected by the biogas slurry， and there was a positive correlation with soil heavy metal content.

Key words Biogas slurry;Heavy metal;Soil;Rice;Pennisetum sinese

江西作為我國重要的畜禽生產(chǎn)基地和主要供港生豬產(chǎn)地，其畜牧業(yè)產(chǎn)值約為農(nóng)業(yè)總量的25%，生豬養(yǎng)殖占比最重，牛、羊、禽次之。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年糞污排放總量約1.27億t，其中生豬糞污占比65%，約0.83億t，糞污治理形勢嚴(yán)峻。自2016年以來，隨著我國畜禽糞污治理整縣推進(jìn)政策的不斷深入，以大型沼氣工程為核心的畜禽糞污第三方集中治理模式日趨廣泛。而我國大型沼氣工程多采用CSTR工藝，其發(fā)酵原料的進(jìn)料濃度（total solid，TS）為6%左右，為此，后續(xù)沼液的規(guī)?；幹煤唾Y源化利用正逐漸成為畜禽養(yǎng)殖糞污第三方集中處理的關(guān)鍵。

目前，沼液的達(dá)標(biāo)排放不符合資源節(jié)約利用的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，這在國內(nèi)外已經(jīng)達(dá)成共識(shí);因此，將其作為有機(jī)肥就近還田已成為最普遍的資源化利用途徑。研究表明，沼液合理施用，可顯著提升作物制種效率[1]，增加作物產(chǎn)量[2-3]，提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)[2，4-5];而且無論是單獨(dú)施用[6]或與化肥配施[7]，其促生效果明顯優(yōu)于化肥。同時(shí)，也有研究發(fā)現(xiàn)，由于畜禽飼養(yǎng)環(huán)節(jié)的不規(guī)范或過量投入的重金屬[8]，會(huì)隨沼液施用進(jìn)入土壤和農(nóng)產(chǎn)品，進(jìn)而導(dǎo)致土壤重金屬累積和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全[9]。

目前，沼液在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的循環(huán)利用研究多數(shù)集中在其對作物產(chǎn)量、病蟲害防治等方面[10]，而對于沼液回施對土壤、農(nóng)產(chǎn)品中的重金屬累積相關(guān)的研究相對偏少。為此，筆者在江西省新余市和贛州市各選擇1個(gè)畜禽養(yǎng)殖糞污第三方集中處理中心，以其沼液規(guī)?；厥┑姆N植地及農(nóng)產(chǎn)品為研究對象，分析沼液、種植地土壤與農(nóng)產(chǎn)品中的重金屬（Cu、Zn、Cr、Cd、Hg、As、Pb）組成特征，探討重金屬在沼液回施過程中的潛在風(fēng)險(xiǎn)，以期為沼液在農(nóng)作物種植中安全應(yīng)用提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

2個(gè)樣品采樣監(jiān)測點(diǎn)分別位于江西省贛州市和新余市畜禽養(yǎng)殖糞污第三方集中處理中心周邊的沼液還田區(qū)域。其中，新余采樣點(diǎn)為沼液替代化肥的水稻種植試驗(yàn)區(qū)，共計(jì)采樣點(diǎn)4個(gè);近3年的水稻種植試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)沼液作為追肥（化肥替代為45%～55%）時(shí)，稻谷產(chǎn)量最高;贛州采樣點(diǎn)為沼液回施皇竹草種植區(qū)，該區(qū)域?yàn)?019年新開墾的皇竹草種植區(qū)，采樣點(diǎn)為該種植區(qū)內(nèi)的不同地塊，共計(jì)采樣點(diǎn)4個(gè)。采樣點(diǎn)具體情況見表1。

1.2 樣品處理

沼液樣品：2組沼液樣品分別為江西新余南英沼氣站和贛州定南銳源沼氣站經(jīng)固液分離后的沼液（X-BS和G-BS）樣品。

土壤樣品：土壤樣品采用多點(diǎn)采樣法混勻，分別采集水稻、皇竹草種植區(qū)土壤（0～20 cm），將土壤樣品剔除礫石、碎根和生物殘骸后自然晾干用四分法混勻后取約20 g樣品放于瑪瑙研缽磨碎，并過100目尼龍篩，裝入8號(hào)自封袋中，預(yù)處理后的樣品于干燥器中保存待分析。

農(nóng)產(chǎn)品樣品：樣品均為沼液回施種植的農(nóng)作物，經(jīng)烘干、粉碎后裝入8號(hào)自封袋中于干燥器中保存。

1.3 樣品分析

用土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB15618—1995）中重金屬的檢測方法進(jìn)行重金屬含量測定;農(nóng)產(chǎn)品重金屬選用食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品（GB5009.268—2016）對重金屬的檢測方法進(jìn)行測定;沼液重金屬按照沼肥（NT/T 2596—2014）進(jìn)行測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2016、SPSS 26.0軟件分別進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、圖片繪制和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 沼液中重金屬含量分析

對南英沼氣站沼液（X-BS）和銳源沼氣站沼液（G-BS）的重金屬含量進(jìn)行檢測，其結(jié)果見表2，除Hg元素因含量低于檢測方法下限而未被檢出外，其余6種重金屬（Zn、Cu、Cd、Cr、Pb和As）均被檢出，其中，X-BS沼液中Zn含量最高，達(dá)87.017 mg/kg;隨后依次是Cu、Cr，其含量分別為23.265、9.350 mg/kg;而As、Pb和Cd的含量相對較低，分別為0.259、0.196和0.037 mg/kg;在G-BS沼液中，Zn和Cu的含量最高，分別為114.205、96.859 mg/kg;其余Cd、Pb、Cr和As的含量較低，分別為0.034、0.154、1.938和0.579 mg/kg。采用t檢驗(yàn)對2組沼液樣品中的重金屬含量分析可知，沼液樣品間的重金屬含量存在顯著差異（相關(guān)系數(shù)為0.862，顯著性為0.013小于0.05），這表明地域差異對沼液重金屬的組成特征及含量存在較大影響，具體需要視當(dāng)?shù)仞B(yǎng)殖規(guī)模、飼喂習(xí)慣及飼料來源而定。

對比我國《沼肥》（NY/T 2596—2014）標(biāo)準(zhǔn)可知，2組沼液樣品的重金屬含量均未超出標(biāo)準(zhǔn)中的重金屬限量，但Cu和Zn含量相對較高。這與我國豬飼料添加劑中普遍含有Cu、Zn等重金屬元素的現(xiàn)狀有關(guān)。沼液作為豬糞厭氧發(fā)酵的剩余物，其所含Cu、Zn含量與豬糞[11]、飼料[12]中Cu、Zn含量高有直接聯(lián)系。

2.2 沼液施用對土壤重金屬含量的影響

由表3可知，水稻田種植區(qū)土壤樣品整體偏酸性（pH為5.23～6.03），其樣品中Zn含量整體最高，為61.157～113.486 mg/kg;隨后依次是Cr、Pb、Cu、As、Hg和Cd，其含量分別為53.648～82.260、20.318～32.36、16.314～25.235、11.776～16.856、0.318～0.434和0.123～0.213 mg/kg。而皇竹草種植區(qū)域?yàn)楫?dāng)?shù)叵⊥廖驳V修復(fù)區(qū)，酸性浸提采礦工藝導(dǎo)致尾礦區(qū)修復(fù)土壤酸化嚴(yán)重（pH為4.17～5.16），其樣品中的Zn含量最高，為68.131～133.545 mg/kg;隨后依次是Pb、As、Cu、Cr、Hg和Cd，其含量分別為25.236～53.058、6.182～11.698、3.296～7.878、3.448～6.404、0.026～0.156和0.016～0.126 mg/kg。對比國家標(biāo)準(zhǔn)《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》（GB15168—2018）可知，在農(nóng)作物種植前后，各土壤樣品中重金屬含量均低于標(biāo)準(zhǔn)中的農(nóng)用地重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值，這表明農(nóng)用地土壤的重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)低，施用沼液種植農(nóng)作物暫不會(huì)引起土壤中重金屬安全問題。

采用單因素指數(shù)法對土壤樣品中重金屬含量做進(jìn)一步分析，其結(jié)果見圖1和圖2，在沼液施用后，土壤樣品中7種重金屬含量未超過重金屬污染篩選值，但仍存在潛在風(fēng)險(xiǎn)。在水稻種植區(qū)（圖1），Hg超出篩選值的潛在風(fēng)險(xiǎn)最高，其單因素指數(shù)為0.636～0.868;隨后是Cd、As、Cu、Zn，其單因素指數(shù)分別為0.308～0.710、0.393～0.562、0.326～0.505、0.306～0.417;而Cr和Pb的超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)相對較低，單因素指數(shù)分別為0.215～0.329和0.203～0.405。結(jié)合沼液（X-BS）中重金屬的組成特征及含量可知，因沼液中 Hg元素未被檢出，為此，可暫不考慮沼液施用引入Hg的累積;但仍需繼續(xù)監(jiān)測Cd、As、Cu和Zn隨沼液施用在土壤中的遷移情況，尤其是Cu和Zn在土壤中的累積情況需要進(jìn)一步研究。在皇竹草種植區(qū)（圖2），因稀土尾礦堆放與土地平整等外部因素，不同地塊間的重金屬組成與含量存在一定差異;但整體上表現(xiàn)：Pb和Zn超出風(fēng)險(xiǎn)篩選值的潛在風(fēng)險(xiǎn)相對較高，單因素指數(shù)分別為0.361～0.758、0.341～0.668;隨后是As和Cd，單因素指數(shù)分別為0.170～0.292、0.090～0.420，Hg、Cr和Cu的潛在風(fēng)險(xiǎn)相對較低，單因素指數(shù)分別為0.020～0.120、0.023～0.038和0.066～0.158。鑒于沼液（G-BS）中Zn元素含量較高的基本特點(diǎn)，為此，繼續(xù)施用沼液，土壤中Zn元素超出篩選值的潛在風(fēng)險(xiǎn)較高。

2.3 沼液施用對農(nóng)作物重金屬含量的影響

2.3.1 沼液施用對糙米重金屬含量的影響。

糙米中7種重金屬含量的檢測結(jié)果見表4。除Hg元素因含量低于檢測方法下限而未被檢出外，其余6種重金屬（Zn、Cu、Cd、Cr、Pb和As）均被檢出，其中，Zn元素的含量最高，為17.844～23.073 mg/kg;其次是Cu，含量為2.638～3.323 mg/kg;Cr、As、Pb和Cd的含量相對偏低，依次為0.128～0.511、0.104～0.141、0.051～0.122和0.045～0.086 mg/kg。參照國家標(biāo)準(zhǔn)《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》（GB 2762—2017）發(fā)現(xiàn)，所有糙米樣品中的Cd、Pb、Cr、As和Hg 5種重金屬均未超出限量值，這表明沼液回施水稻種植暫未引起重金屬超標(biāo)的現(xiàn)象發(fā)生。此外，盡管國家標(biāo)準(zhǔn)未對農(nóng)產(chǎn)品中Zn和Cu作出限定，但糙米中高含量的Zn、Cu是否會(huì)隨食物鏈傳遞進(jìn)而對人體產(chǎn)生影響有待進(jìn)一步研究。

進(jìn)一步對比分析不同采樣點(diǎn)的糙米樣品重金屬含量可知，沼液施用對6種重金屬在糙米中的累積情況存在明顯差異。其中，4組樣品中的總As和Cu含量無顯著差異，這表明沼液回施不會(huì)引起As、Cu在糙米中的積累;Pb、Cd和Zn在4組糙米樣品中的含量有差異。在沼液作為追肥替代45%的化肥時(shí)，Pb、Cd和Zn的含量顯著高于XR-CK;在沼液替代55%化肥時(shí)，糙米樣品中的3種重金屬與XR-CK無顯著差異。這與陳佳芮等[12]通過沼液施用對土壤Cd形態(tài)及水稻吸收Cd的研究結(jié)果相似，發(fā)現(xiàn)隨沼液施用量增加，稻米中Cd含量呈減少趨勢，均小于常規(guī)化肥組Cd含量。Cr在4組樣品中的含量依次為XR-55>XR-45> XR-CF>XR-CK，這表明施用沼液和化肥可促使糙米中Cr的累積，且在相同養(yǎng)分下隨沼液占比增加呈遞增趨勢;該監(jiān)測點(diǎn)所施用的沼液中Cr含量相對較高，達(dá)9.350 mg/kg，為此，在沼液施用過程中，需要密切監(jiān)測Cr元素在水稻種植中的累積情況。

2.3.2 沼液施用對皇竹草重金屬含量的影響。

皇竹草中7種重金屬的含量檢測結(jié)果見表5。除Hg元素因含量低于檢測方法下限而未被檢出外，其余6種重金屬（Zn、Cu、Cd、Cr、Pb和As）均被檢出，其中，Zn元素含量最高，為9.665～35.913 mg/kg;其次是Cu，含量為2.816～9.392 mg/kg;Pb、Cr、As和Cd的含量相對偏低，依次為0.668～3.080、1.206～1.860、0.102～0.141和0.028～0.039 mg/kg。參照國家標(biāo)準(zhǔn)《飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13078—2017）中的“飼料原料”標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)，所有皇竹草樣品中的Cd、Pb、Cr、As和Hg 5種重金屬均未超出限量值，這表明沼液回施皇竹草暫未引起重金屬超標(biāo)的情況發(fā)生。

進(jìn)一步分析皇竹草中6種重金屬檢測數(shù)據(jù)可知，皇竹草中重金屬的組成及含量不僅與沼液施用存在關(guān)聯(lián)，而且與各種植區(qū)的重金屬本底值關(guān)系密切。其中，3個(gè)不同地塊產(chǎn)出的樣品中Zn、Cu含量明顯高于未施肥區(qū)域（GH-CK），這表明沼液能對皇竹草富集Zn和Cu的能力有明顯的強(qiáng)化作用;而Pb、Cd、As和Cr 4種重金屬在沼液施用區(qū)域中的變化缺乏規(guī)律性。為此，以皇竹草重金屬含量為縱坐標(biāo)，土壤樣品（農(nóng)作物種植前）重金屬為橫坐標(biāo)，對4個(gè)不同地塊的土壤與皇竹草重金屬數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，其結(jié)果見圖3。由圖3可知，皇竹草樣品中重金屬含量與其所在土壤中的重金屬含量呈正相關(guān)性，且4組數(shù)據(jù)的相關(guān)性較高（R2均大于0.8），這表明皇竹草的重金屬富集效果與其所在種植地區(qū)的重金屬本底情況關(guān)系密切。

3 結(jié)論

該研究所用沼液取自畜禽養(yǎng)殖糞污第三方集中處理中心的沼氣工程，重金屬檢測結(jié)果表明，除Hg未被檢出外，Zn、Cu、Cd、Cr、Pb和As均被檢出，其中又以Zn、Cu的含量最高，但未超出NY/T 2596—2014對沼液肥重金屬的限量值，故具備沼液安全還田的基本條件。t檢驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，沼液樣品間的重金屬組成及含量存在顯著差異，這表明不同地域?qū)χ亟饘俚慕M成特征存在較大影響，具體視當(dāng)?shù)仞B(yǎng)殖規(guī)模、飼喂習(xí)慣及飼料來源而定。

沼液還田土壤及農(nóng)產(chǎn)品的重金屬檢測結(jié)果表明，沼液回施暫未引起土壤及農(nóng)產(chǎn)品重金屬超過國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限量值，但由于監(jiān)測區(qū)內(nèi)土壤偏酸性，利于土壤重金屬的遷移及在農(nóng)作物中的富集，故長期施用沼液仍存在一定的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

在新余市渝水區(qū)羅坊鎮(zhèn)的水稻種植區(qū)，Hg超出土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值的潛在風(fēng)險(xiǎn)最高，隨后是Cd、As、Cu、Zn，而Cr、Pb的潛在風(fēng)險(xiǎn)最低;綜合沼液（X-BS）重金屬組成特征分析發(fā)現(xiàn)，由于沼液中 Hg未被檢出，為此，可暫不考慮沼液施用造成土壤Hg的累積;但需要監(jiān)測Cd、As、Cu、Zn隨沼液施用在土壤中的累積情況，尤其是Cu、Zn等沼液中高含量的重金屬。對于該區(qū)域產(chǎn)出的農(nóng)產(chǎn)品（糙米），除Hg未被檢出外，其余Zn、Cu、Cd、Cr、Pb和As均被檢出，其中，Zn含量最高，為17.844～23.073 mg/kg;其次是Cu，其含量為2.638～3.323 mg/kg;Cr、As、Pb和Cd的含量相對偏低。此外，盡管國家標(biāo)準(zhǔn)未對農(nóng)產(chǎn)品中Zn、Cu作出限定，但糙米中高含量的Zn、Cu是否會(huì)對人體產(chǎn)生影響有待進(jìn)一步研究。

在贛州市定南縣皇竹草種植區(qū)，受稀土尾礦堆放與土地平整等因素的影響，不同地塊間的重金屬組成特征存在一定差異;但整體上，Pb和Zn超出土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值的潛在風(fēng)險(xiǎn)相對較高，隨后是As和Cd，而Hg、Cr和Cu的潛在風(fēng)險(xiǎn)相對較低?？紤]到沼液（G-BS）中Zn元素含量較高的基本特點(diǎn)，為此，長期施用沼液需要密切關(guān)注土壤Zn元素的變化情況。對于該區(qū)域種植的皇竹草，除Hg未被檢出外，其余Zn、Cu、Cd、Cr、Pb和As均被檢出，其中，Zn含量最高（9.665～35.913 mg/kg），其次是Cu（2.816～9.392 mg/kg），Pb、Cr、As和Cd的含量相對偏低。此外，皇竹草中重金屬的組成特征不僅受沼液施用的影響，而且與其種植區(qū)的重金屬本底值存在較高的正相關(guān)性。

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