連續(xù)施用有機(jī)肥的田間土壤和果蔬重金屬風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

葛贊，楊威，王宇航，譚啟玲，田有國(guó)，胡承孝，孫學(xué)成

1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/新型肥料湖北省工程實(shí)驗(yàn)室，武漢430070； 2.全國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心，北京100125

耕地質(zhì)量是我國(guó)農(nóng)業(yè)綠色、可持續(xù)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定的基礎(chǔ)核心［1］。由于化肥施用過(guò)量或者施用方法不當(dāng)，造成土壤貧瘠、鹽堿化、資源浪費(fèi)、環(huán)境污染等一系列問(wèn)題，導(dǎo)致我國(guó)耕地質(zhì)量逐年下降。2021年中央一號(hào)文件提出鼓勵(lì)農(nóng)民施用有機(jī)肥替代化肥。科學(xué)合理地施用有機(jī)肥，可以使土壤養(yǎng)分的有效性及土壤保水保肥能力得到顯著提高，從而改善由于過(guò)度施用化肥造成的土壤板結(jié)等問(wèn)題［2］。我國(guó)有機(jī)肥資源豐富，每年生產(chǎn)約7 500萬(wàn)t有機(jī)肥，但據(jù)報(bào)道其施用量?jī)H占肥料施用總量的25%，實(shí)際利用率卻不足40%［3］，造成巨大的資源浪費(fèi)。

畜禽糞便制成的有機(jī)肥是增加土壤有機(jī)質(zhì)、改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的重要肥料來(lái)源。由于畜禽對(duì)飼料中的重金屬利用率偏低，大部分會(huì)隨糞便排出，致使畜禽糞便富含重金屬，成為商品有機(jī)肥中重金屬污染的主要來(lái)源［4-5］。對(duì)浙江省和海南省商品有機(jī)肥的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，浙江省豬糞、牛糞、雞糞、混合糞便Cu、Zn、As等超標(biāo)現(xiàn)象較為普遍［6］，海南省抽檢樣品近一半商品有機(jī)肥存在Pb、Cr、Cd、Cu、Zn、As、Hg 7種重金屬超標(biāo)［7］。長(zhǎng)期大量施用重金屬超標(biāo)的有機(jī)肥會(huì)造成重金屬在土壤、作物中的累積，進(jìn)而影響在土壤、農(nóng)產(chǎn)品遷移轉(zhuǎn)化。長(zhǎng)期定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，施用中、高量有機(jī)肥顯著提高了土壤Cr、As和Fe有效態(tài)含量［8］。此外，豬糞的施用使土壤和花生籽粒中Cd和Zn的含量顯著提高［9］。可見(jiàn)，施用有機(jī)肥容易造成土壤及作物重金屬累積已達(dá)成共識(shí)。

施用有機(jī)肥雖可提升土壤養(yǎng)分，但長(zhǎng)期施用則會(huì)加大土壤及生物重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)。因此，有機(jī)肥的選擇、管理、施用方式等安全控制至關(guān)重要。本試驗(yàn)通過(guò)探究有機(jī)肥連續(xù)施用對(duì)土壤和果蔬重金屬含量的影響，明確有機(jī)肥料中重金屬對(duì)土壤和果蔬存在的污染風(fēng)險(xiǎn)，以期為合理施用并推廣有機(jī)肥，降低農(nóng)業(yè)污染風(fēng)險(xiǎn)，保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，維護(hù)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)健康提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究均采用田間試驗(yàn)，其中蔬菜試驗(yàn)點(diǎn)位于華中農(nóng)業(yè)大學(xué)田間試驗(yàn)基地（114.54°E，30.28°N），土壤為黃棕壤，基本理化性狀為pH 5.05、有機(jī)質(zhì)21.45 g/kg、堿解氮82.37 mg/kg、速效磷30.53 mg/kg、速效鉀133.52 mg/kg；馬家柚試驗(yàn)點(diǎn)位于江西上饒廣豐區(qū)（118.19°E，28.27°N），土壤為山地黃紅壤，基本理化性狀為：pH 5.82、有機(jī)質(zhì)23.97 g/kg、堿解氮120.86 mg/kg、速效磷14.75 mg/kg、速效鉀183.89 mg/kg。蔬菜為三季蔬菜連作，分別是：小白菜（上海青）、蘿卜（廣州南畔洲晚蘿卜）以及辣椒（鼎蘿一號(hào)辣椒）；馬家柚為12年樹齡的枳砧紅肉馬家柚。蔬菜習(xí)慣施肥處理用的常規(guī)化肥尿素（46%）、過(guò)磷酸鈣（12%）和氯化鉀（60%），所用有機(jī)肥為部分超過(guò)華中華南地區(qū)調(diào)查有機(jī)肥樣品重金屬平均值含量的2種有機(jī)肥［10-11］，分別用OF1和OF2表示；馬家柚所用常規(guī)化肥為復(fù)合肥（15∶15∶15），有機(jī)肥為牛糞有機(jī)肥和當(dāng)?shù)爻Ｓ玫纳唐酚袡C(jī)肥，分別用OF1和OF2表示（表1）。4種商品有機(jī)肥均為前期調(diào)查樣品，其有機(jī)質(zhì)、總養(yǎng)分、酸堿度及含水量均符合現(xiàn)行有機(jī)肥質(zhì)量行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（NY 525-2021《有機(jī)肥料》），其中蔬菜所用OF2有機(jī)肥As含量接近現(xiàn)行有機(jī)肥質(zhì)量行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 供試有機(jī)肥養(yǎng)分及重金屬含量狀況Table 1 Nutrient contents and heavy metals contents in tested organic fertilizers

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理：不施肥對(duì)照（CK）、習(xí)慣施肥（化肥CF）、等氮有機(jī)肥處理1（OF1）、等氮有機(jī)肥處理2（OF2）。蔬菜為完全隨機(jī)區(qū)組的田間試驗(yàn)，每個(gè)處理重復(fù)3次，共12個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積5.4 m2。馬家柚每個(gè)處理重復(fù)3次，每3株果樹為1次重復(fù)，共36株果樹。CK處理為不施肥，CF處理為施用化肥，OF1和OF2處理均通過(guò)與CF處理等氮養(yǎng)分施用計(jì)算施肥量，具體施肥情況見(jiàn)表2。

表2 兩季蔬菜及馬家柚各處理施肥的純養(yǎng)分含量Table 2 Pure nutrient content in fertilization of two season vegetables and Majia pomelo kg/667 m2

蔬菜種植3季不同品種蔬菜。（1）小白菜組于2020年9月1日進(jìn)行田間施肥，所有肥料均作為基肥一次性施入土壤，2 d后進(jìn)行小白菜種子的播種，7 d后選取長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗進(jìn)行定植（20 cm×20 cm），于2020年10月22日收獲，期間實(shí)施正常的田間管理。（2）蘿卜組于2020年10月31日進(jìn)行田間施肥，氮肥分作2次追肥，其他肥料均作為基肥一次性施入土壤，2 d后進(jìn)行蘿卜種子的播種，14 d后選取長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗進(jìn)行定植（25 cm×25 cm），于2021年2月24日收獲，期間實(shí)施正常的田間管理。（3）辣椒于2021年4月1日進(jìn)行田間施肥，氮肥分作2次追肥，其他肥料均作為基肥一次性施入土壤，2 d后進(jìn)行辣椒種子的播種，14 d后選取長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗進(jìn)行定植（25 cm×25 cm），于2021年7月1日收獲。蔬菜種植期間均實(shí)施正常的除草澆水等田間管理。

選取長(zhǎng)期施用有機(jī)肥及不施用有機(jī)肥的馬家柚果園，于2020年3月5日對(duì)果樹進(jìn)行不同施肥處理，習(xí)慣處理期間作一次追肥，其他肥料均作為基肥一次性施入土壤，于2020年11月4日進(jìn)行果實(shí)與土壤采樣，期間實(shí)施正常的田間管理。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

果蔬質(zhì)量采用百分之一天平測(cè)定，蔬菜產(chǎn)量=單株蔬菜質(zhì)量×單位面積內(nèi)蔬菜株數(shù)，馬家柚產(chǎn)量=掛果數(shù)×單果質(zhì)量；果蔬縱徑、橫徑、果長(zhǎng)、果肩寬均采用30 cm直尺測(cè)量，果皮厚、葉片厚采用游標(biāo)卡尺測(cè)量；蔬菜葉面積采用Image J分析；果實(shí)可溶性固形物（TSS）采用手持?jǐn)?shù)顯糖量計(jì)（日本，PAL- 1）測(cè)定；果實(shí)可滴定酸（TA，用檸檬酸表示）采用氫氧化鈉中和滴定法測(cè)定；果實(shí)維生素C（Vc）采用2， 6-二氯靛酚氧化還原滴定法測(cè)定；固酸比=可溶性固形物（TSS）/可滴定酸（TA）；果形指數(shù)=果實(shí)縱徑/橫徑，出汁率=（果汁質(zhì)量/果肉質(zhì)量）×100%。

果蔬重金屬含量測(cè)定采用硝酸/高氯酸4∶1 消解-ICP-MS法；土壤重金屬含量測(cè)定采用王水消解-ICP-MS法，有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定采用外加熱重鉻酸鉀容量法，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法，速效磷采用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀采用 NH4OAc 浸提-火焰光度法，EC值采用電極法（HJ 802-2016），pH值采用pH計(jì)法（土水比1∶2.5）（NY/T 1121.2-2006）。分別采用果蔬重金屬含量限量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB 2762-2005《 食品中污染物限量》）、農(nóng)用地土壤（pH≤5.5）重金屬含量限量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB 15618-2018《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)（試行）），作為分析試驗(yàn)作物與土壤的重金屬含量是否超標(biāo)的依據(jù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2016、SPSS 19.0及Origin 2018進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析和作圖。運(yùn)用Duncan’s法進(jìn)行多重比較（a=0.05），圖表中所有數(shù)據(jù)均為±SE。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)肥連續(xù)施用對(duì)果蔬產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

等氮有機(jī)肥完全替代化肥，能夠在短期內(nèi)滿足果蔬的生長(zhǎng)和產(chǎn)量要求，同時(shí)相較單施化肥還能提高果蔬的品質(zhì)。與CF相比，OF1和OF2處理均能保證第一季和第二季蔬菜以及馬家柚的產(chǎn)量不下降。同時(shí)，OF2顯著提高了小白菜和辣椒的產(chǎn)量，分別增產(chǎn)13.8%和19.2%（圖1）。但OF1處理的第三季蔬菜較CF處理有顯著的下降，說(shuō)明等氮有機(jī)肥替代化肥在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)減少蔬菜和馬家柚的產(chǎn)量，但隨著兩季不施用化肥，會(huì)導(dǎo)致第三季作物產(chǎn)量的下降。由表3、表4可知，較CF處理，等氮有機(jī)肥處理顯著增加小白菜葉面積、辣椒以及馬家柚單果質(zhì)量，說(shuō)明等氮有機(jī)肥替代化肥不僅能促進(jìn)果蔬的生長(zhǎng)而且較化肥處理明顯更優(yōu)；較CF處理，CK處理及OF1、OF2處理均顯著增加馬家柚可溶性固形物的含量，可能與該果園連年施用化肥導(dǎo)致果實(shí)品質(zhì)下降有關(guān)，而通過(guò)施用有機(jī)肥可改善狀況。OF1、OF2處理的果形指數(shù)、固酸比、可滴定酸、維生素C、出汁率較CK以及CF處理雖然差異不顯著，但均有增加的趨勢(shì)，說(shuō)明施用有機(jī)肥對(duì)馬家柚果實(shí)的內(nèi)外品質(zhì)均有一定的提高作用。

表3 不同施肥處理對(duì)蔬菜外在品質(zhì)的影響Table 3 Effects of different types of fertilizers on growth of vegetables

表4 不同施肥處理對(duì)馬家柚內(nèi)外在品質(zhì)的影響Table 4 Effects of different types of fertilizers on external quality of Majia pomelo

圖1 不同施肥處理對(duì)果蔬產(chǎn)量的影響Fig.1 Effects of different types of fertilizers on yield of vegetables and fruits

2.2 有機(jī)肥連續(xù)施用對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

由圖2和表5可知，在三季蔬菜連作后的土壤中，較CF處理，土壤速效磷、速效鉀以及有機(jī)質(zhì)的含量顯著增加，其中有機(jī)質(zhì)分別增加了42.4%、25.6%。在果園土壤中，OF1、OF2處理的土壤堿解氮、速效磷、速效鉀較CF處理雖然差異不顯著，但含量均高于CF處理。EC值各處理間未有顯著差異；CF處理的蔬菜土壤pH顯著下降，而OF1、OF2處理的pH顯著提升，說(shuō)明施用有機(jī)肥還能顯著改善土壤酸化問(wèn)題。

表5 不同施肥處理對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響Table 5 Effects of different types of fertilizers on physical and chemical properties of soil

圖2 不同施肥處理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響Fig.2 Effects of different types of fertilizers on organic matter content of soi

2.3 有機(jī)肥連續(xù)施用對(duì)果蔬重金屬含量的影響

有機(jī)肥連續(xù)施用會(huì)增加果蔬重金屬含量超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。由表6可見(jiàn)，三季蔬菜可食部重金屬含量均未出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，但OF1、OF2處理的蘿卜可食部Pb含量分別為92.32、92.78 μg/kg，已臨近限量標(biāo)準(zhǔn)（100 μg/kg），其他重金屬含量均遠(yuǎn)低于蔬菜限量標(biāo)準(zhǔn)；前兩季蔬菜不同處理間重金屬含量差異不顯著，但在第三季蔬菜中，OF1、OF2處理的辣椒可食部Cr、As、Cu、Zn 含量較CF處理出現(xiàn)顯著增加，尤其是OF2有機(jī)肥處理增加最快，而Pb含量較CF處理卻出現(xiàn)顯著下降。馬家柚OF1處理的果肉、果皮Pb含量分別為205.02、203.93 μg/kg，已超出限量標(biāo)準(zhǔn)（200 μg/kg），OF2處理的果肉、果皮Pb含量分別為196.92、194.99 μg/kg也已臨近限量值，其中果肉重金屬含量均略高于果皮，其余重金屬均未出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象；OF1、OF2處理各重金屬含量較CF處理均出現(xiàn)了一定程度的積累，其中Pb、Cd、Hg、Cu、Zn含量出現(xiàn)顯著差異。

表6 不同施肥處理對(duì)果蔬重金屬含量（干基）的影響Table 6 Effects of different types of fertilizers on heavy metals contents （DW） of vegetables

2.4 有機(jī)肥連續(xù)施用對(duì)土壤重金屬含量的影響

有機(jī)肥連續(xù)施用會(huì)造成土壤重金屬含量的積累。由圖3可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)三季蔬菜連作后，較CF處理，土壤Pb、Cd、Hg含量均出現(xiàn)顯著性增加，其中Hg含量積累最多，其次分別為Cd、Pb，OF1處理的土壤Hg含量顯著增加42.89%，OF2處理則顯著增加90.36%，但各項(xiàng)指標(biāo)均在風(fēng)險(xiǎn)篩選值以內(nèi)，遠(yuǎn)低于風(fēng)險(xiǎn)管控值。由表7可見(jiàn)，在果園土壤中，雖然OF1、OF2較CF處理之間差異不顯著，但Pb、Cd、Cr、As、Cu、Zn、Hg均有不同程度的增加。

表7 不同施肥處理對(duì)馬家柚果園土壤重金屬含量的影響Table 7 Effects of different types of fertilizers on heavy metals contents of soil

圖3 不同施肥處理對(duì)蔬菜土壤重金屬含量的影響Fig.3 Effects of different types of fertilizers on heavy metals contents of vegetable soil

3 討論

3.1 有機(jī)肥可以短期完全替代化肥

在兼顧作物產(chǎn)量和改善土壤理化性狀的雙重考慮下，有機(jī)肥替代部分化肥是當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一種很好的施肥方式，但由于替代比例不明確，使有機(jī)肥的應(yīng)用受到一定限制。有機(jī)肥部分替代化肥較單施化肥相比能提高生菜、甜瓜等作物產(chǎn)量和品質(zhì)［12-13］。蔬菜種植中有機(jī)肥氮替代25%～50%化肥氮時(shí)，產(chǎn)量和質(zhì)量較好，并減少因硝態(tài)氮造成的環(huán)境污染［14］。但當(dāng)有機(jī)肥氮替代化肥氮的比例超過(guò)75%時(shí)，作物的產(chǎn)量會(huì)降低［15］。例如當(dāng)有機(jī)肥完全或部分替代化肥比例過(guò)高時(shí)，水稻產(chǎn)量會(huì)隨著替代比例的提高而下降［16］。然而，這些研究并沒(méi)有充分考慮土壤、作物以及有機(jī)肥的特定變量以及完全替代和試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間的影響。例如研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期連續(xù)施用化學(xué)氮肥，如尿素和其他銨基肥料，會(huì)降低土壤pH值，并可能惡化土壤結(jié)構(gòu)和土壤的供氮能力［17］，相比之下，有機(jī)肥具有酸中和能力，會(huì)提高土壤pH值。此外，酸性土壤可能會(huì)相對(duì)缺乏容易淋失的鈣、鎂和微量養(yǎng)分，而這些養(yǎng)分可以從有機(jī)肥中獲取，所以有機(jī)肥部分替代化肥的增產(chǎn)作用在酸性土壤中比較明顯［18］。本試驗(yàn)在充分考慮以上因素的情況下，進(jìn)行了2種有機(jī)肥完全替代化肥進(jìn)行試驗(yàn)處理。從結(jié)果來(lái)看，等氮量有機(jī)肥全部替代化肥，不僅改善了土壤理化性質(zhì)，同時(shí)在兩季蔬菜中與單施化肥一樣能夠滿足果蔬的生長(zhǎng)、品質(zhì)及產(chǎn)量要求，馬家柚的可溶性固形物、維生素C、出汁率較施用化肥相比均有所增加，這與童盼盼等［19］施用有機(jī)肥改善庫(kù)爾勒香梨品質(zhì)的研究結(jié)果相一致。但隨著第三季有機(jī)肥繼續(xù)完全替代化肥則出現(xiàn)蔬菜產(chǎn)量下降現(xiàn)象。說(shuō)明在短期內(nèi)有機(jī)肥完全替代化肥是可行的，但連續(xù)施用有機(jī)肥會(huì)有減產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 有機(jī)肥完全替代化肥要注意重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)

目前許多研究對(duì)于有機(jī)肥施用會(huì)帶來(lái)土壤重金屬積累問(wèn)題已達(dá)成共識(shí)，特別是Pb、As、Hg元素，我們?cè)谑┯玫鹊坑袡C(jī)肥后發(fā)現(xiàn)其在土壤、果蔬中均表現(xiàn)出較強(qiáng)的積累性，有增加蔬菜Pb含量超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)，并直接導(dǎo)致馬家柚果實(shí)Pb含量超標(biāo)，這與施用有機(jī)肥顯著增加番茄、茴香中Cr、Pb、As含量的結(jié)果一致［20-21］。此外，顧思婷等［21］研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥部分替代氮肥比例為30%時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致生菜根上部Pb顯著積累。以上可能與有機(jī)肥中Pb、As含量較高，而在果蔬中限定值較低有關(guān)，因此對(duì)于這類有機(jī)肥有必要在使用時(shí)減少用量和避免連續(xù)施用。土壤Cd、Zn、Cu的含量會(huì)隨著有機(jī)肥施入量的增加而增加［22-23］，該發(fā)現(xiàn)與我們的研究相一致。綜上，我們認(rèn)為有機(jī)肥完全替代化肥時(shí)會(huì)存在重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)針對(duì)有機(jī)肥完全替代化肥引起的重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，需要針對(duì)不同的農(nóng)田土壤以及所用有機(jī)肥進(jìn)行綜合分析與評(píng)價(jià)。有機(jī)肥企業(yè)應(yīng)針對(duì)不同種類的有機(jī)肥，做相對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)期定位大田試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，對(duì)有機(jī)肥的生產(chǎn)工藝進(jìn)行革新，并從源頭上進(jìn)行質(zhì)量把控，確保有機(jī)肥質(zhì)量的安全性。