施用猪粪有机肥对土壤环境质量的影响

黄小洋，邵劲松，马运涛

(1.苏州农业职业技术学院，江苏 苏州 215008； 2.农业部农产品质量安全监督检验测试中心，江苏 南京 210036)

施用猪粪有机肥对土壤环境质量的影响

黄小洋1，邵劲松2，马运涛1

(1.苏州农业职业技术学院，江苏 苏州 215008； 2.农业部农产品质量安全监督检验测试中心，江苏 南京 210036)

为研究畜禽粪便有机肥的施用对土壤造成的潜在重金属污染，采用大田模拟试验，研究了3种猪粪有机肥对土壤有机质含量、pH值、重金属含量的影响。结果表明：施用有机肥T11[下标数字分别表示有机肥种类(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处理较对照(施用普通复合肥)土壤有机质含量均有不同程度的增加，增幅为5.34%～13.50%。且增量施用有机肥，土壤有机质含量会随之增加，但T21处理土壤有机质较对照下降19.36%。与对照相比，各处理pH值没有较为一致的变化规律。除铅(Pb)外，施用有机肥处理浅层(0～40 cm)重金属含量较对照均有不同程度的增加，其中汞(Hg)、砷(As)在0～10 cm层增幅分别为0～232.70%、15.79%～238.35%，Pb、铜(Cu)、锌(Zn)在0～20 cm层增幅分别为6.27%～32.41%、10.14%～34.39%、12.95%～45.85%，铬(Cr)在0～40 cm层增幅为14.03%～26.82%；深层土壤重金属含量较对照显著减小，Pb在90～100 cm降幅为56.37%～71.01%，Zn在60～70 cm、90～100 cm层降幅分别为10.51%～36.24%、27.71%～49.36%，镉(Cd)在70～90 cm层降幅为29.36%～46.63%。多因素方差分析表明，Cr、Pb、Hg、As含量与有机肥施用量的关系极显著，Cu、Zn、Cd不显著；Cr、As、Zn含量与有机肥种类的关系极显著，Pb、Hg、Cu、Cd不显著。综合分析表明，施用3种有机肥对土壤特别是表层土壤有较强的潜在重金属污染风险。

畜禽粪便有机肥； 有机质； pH值； 重金属； 土壤污染

适量施用有机肥可增加土壤有机质含量[1-2]、提高作物产量[3-4]、改善农产品品质[5-6]。但我国有机肥重金属超标现象比较普遍[7]，且重金属含量与原料的来源、季节关系密切，尤其以猪粪为原料的有机肥重金属[特别是砷(As)元素]超标最为严重，一般季节性有机肥重金属含量表现为春季高于夏季。据统计，有机肥料的生产原料和辅料种类多、来源繁杂，除了传统的畜禽粪便、秸秆等农业废弃物外，近年来也出现了味精厂、制糖业、造纸业等的下脚料，生活垃圾，城市污泥，膨润土，硅藻土，粉煤灰等[8]。这些材料来源广泛、成分复杂，存在重金属、病原菌、抗生素残留等安全隐患，特别是集约化养殖场的畜禽粪便有机肥中重金属严重超标，而农村普遍的过量施用的施肥方式会加重土壤重金属污染，影响土壤环境质量。覃丽霞[7]研究了不同养殖源商品有机肥的重金属含量后发现，猪粪源有机肥的重金属含量最高，中量有机肥处理(5 500 kg/hm2)、高量有机肥处理(8 125 kg/hm2)土壤耕作层(0～20 cm)中铜(Cu)、锌(Zn)、汞(Hg)含量分别较低量有机肥处理(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。唐海龙[9]利用单因子污染指数法研究了腐熟牛粪有机肥对0～40 cm层土壤重金属Cu、Zn、铅(Pb)、铬(Cr)含量的影响，其单因子指数均小于1，即施用腐熟牛粪有机肥能降低0～40 cm土壤重金属污染的风险。目前，有关有机肥施用对重金属含量影响的研究主要侧重于0～40 cm土壤，40～100 cm层土壤重金属未涉及。

近年来，我国对有机肥的合理有效利用愈发重视，2015年农业部制定了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》，该行动方案中设定的目标之一是有机肥料资源得到合理利用，到2020年畜禽粪便养分还田率达到60%。畜禽粪便有机肥是土壤重金属输入途径之一[10]，且江苏省生猪养殖占全省畜禽养殖总量的59.3%[11]。鉴于此,研究了施用猪粪商品有机肥对土壤有机质含量、pH值、重金属含量的影响，以期为有机肥产品的土壤环境质量评价、强化风险预警提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料与设计

试验地点为镇江市农业科学院试验地。通过重金属含量测定，从江苏省主要的31种有机肥中筛选出3种重金属含量相对较高的春季猪粪有机肥作为供试有机肥。3种供试有机肥来源及重金属含量见表1。

表1 3种猪粪有机肥重金属含量 mg/kg

试验设6个施肥处理(表2)，1个对照组(CK)，每个处理面积为10 m2，无重复，对照面积为20 m2。Ti1(i为有机肥种类，i=1，2，3)施有机肥1 875 g(1 875 kg/hm2)、普通复合肥400 g；Ti2施用有机肥倍量3 750 g(3 750 kg/hm2)、普通复合肥400 g；CK施用普通复合肥800 g。试验设计及各处理施肥量见表2。

采用五点取样法取土样，采样深度为0～100 cm，每10 cm采集土壤样品1 kg，采集时间为2016年7月9日和9月22日。试验地土壤重金属的背景值、pH值、有机质含量见表3。小区种植作物为玉米，2016年7月9日播种，2016年9月22日一次性收获，2016年7月9日(取土样后)所有试验肥料一次性基施，其他水肥管理措施同一般大田。

表2 试验设计及各处理有机肥施肥量

表3 土壤重金属背景值、pH值、有机质含量

1.2 测定指标与方法

土壤中重金属含量的测定采用ICP-MS法；土壤有机质含量和pH值的测定分别采用中国农业行业标准NY/T 1121.6—2006和NY/T 1377—2007。

1.3 数据处理

采用Excel 2003进行试验数据汇总与图形绘制，采用SPSS 13.0进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对不同深度土壤有机质含量的影响

由图1可知，与CK相比，T11处理在70～90 cm层土壤有机质含量降低，0～70 cm层增加， T12处理在0～20、30～40 cm土壤有机质含量降低，其他各层增加。T21处理在0～10、60～80 cm土壤有机质含量增加，其他各层降低，T22处理在0～20、30～50、60～70 cm土壤有机质含量降低，其他各层增加。T31处理在0～10、30～60 cm土壤有机质含量降低，其他各层增加，T32处理在10～40、60～70 cm土壤有机质含量降低，其他各层增加。整体来看，T11、T12、T22、T31、T32处理的平均土壤有机质含量较CK分别增加10.83%、11.61%、5.86%、5.34%、13.50%，T21处理减少19.36%。

图1 不同处理对不同深度土壤有机质含量的影响

2.2 不同处理对不同深度土壤pH值的影响

由图2可知，在20～60 cm层平均土壤pH值大小依次为T11(7.05)>T31(7.04)>T21(6.87)>CK(6.75)，而在90～100 cm层，CK (6.96)>T21(6.94)>T11(6.92)>T31(6.86)，其他处理各层土壤pH值变化无明显规律。整体来看，T11、T21、T32处理平均土壤pH值较CK分别增加3.64%、1.15%、0.08%，T12、T22、T31处理分别减少1.21%、0.61%、1.60%。

图2 不同处理对不同深度土壤pH值的影响

2.3 不同处理对不同深度土壤重金属含量的影响

2.3.1 Cr 由图3可知，总体上，各处理Cr含量随土壤深度的增加而增加。在0～40 cm层，6个处理的Cr含量均大于CK，T11、T12、T21、T22、T31、T32处理平均Cr含量较CK分别增加24.89%、22.25%、15.26%、15.90%、26.82%、14.03%，其他层Cr含量变化无一致规律。

图3 不同处理对不同深度土壤重金属Cr含量的影响

2.3.2 Pb 由图4可知，0～20 cm层各处理Pb含量均高于CK，T11、T12、T21、T22、T31、T32处理平均Pb含量较CK分别增加32.41%、24.61%、26.47%、6.27%、28.34%、20.82%；20～30、90～100 cm层各处理Pb含量均低于CK，在20～30 cm层6个处理Pb含量较CK分别降低49.42%、47.58%、56.49%、48.29%、36.05%、50.94%，在90～100 cm层分别降低56.37%、69.13%、68.43%、71.01%、67.17%、59.10%。其他层Pb含量变化无一致规律。

图4 不同处理对不同深度土壤重金属Pb含量的影响

2.3.3 Hg 由图5可知，0～10 cm层T11、T12、T21、T22、T31、T32处理Hg含量较CK分别增加1.90%、0、68.82%、232.70%、29.28%、106.84%。其他层Hg含量变化无一致规律。

图5 不同处理对不同深度土壤重金属Hg含量的影响

2.3.4 As 由图6可知，T11、T12、T21、T31处理各层As含量均高于CK，T22、T32处理在部分土层低于CK。在0～10 cm层，T11、T12、T21、T22、T31、T32处理As含量较CK分别增加238.35%、215.79%、231.20%、209.40%、216.92%、15.79%。其他层As含量的变化无一致规律。

图6 不同处理对不同深度土壤重金属As含量的影响

2.3.5 Cu 由图7可知，0～20 cm层各处理Cu含量均高于CK，T11、T12、T21、T22、T31、T32处理Cu含量较CK分别增加17.57%、10.14%、34.39%、28.71%、17.57%、17.57%。其他层Cu含量变化无一致规律。

图7 不同处理对不同深度土壤重金属Cu含量的影响

2.3.6 Zn 由图8可知，0～20 cm层各处理Zn含量均高于CK，T11、T12、T21、T22、T31、T32处理Zn含量较CK分别增加45.85%、30.86%、12.95%、19.95%、39.03%、29.74%。60～70 cm层6个处理Zn含量较CK分别降低22.67%、30.43%、26.14%、23.48%、10.51%、36.24%，90～100 cm层Zn含量分别降低27.71%、48.46%、40.00%、49.36%、48.39%、47.99%。其他层Zn含量变化无一致规律。

2.3.7 Cd 由图9可知，70～90 cm层各处理Cd含量均低于CK，T11、T12、T21、T22、T31、T32处理Cd含量较CK分别降低29.36%、38.75%、40.79%、43.12%、44.74%、46.63%。其他层Cd含量变化无一致规律。

图8 不同处理对不同深度土壤重金属Zn含量的影响

图9 不同处理对不同深度土壤重金属Cd含量的影响

2.3.8 多因素方差分析 对有机肥种类、有机肥施用量、土壤深度做三因子交叉分组方差分析(表4)。土壤深度(D)对土壤重金属Cr、Pb、Hg、Cu、Zn、Cd含量的影响极显著，对As的影响不显著；有机肥用量(A)对土壤重金属Cr、Pb、Hg、As含量的影响极显著，对Cu、Zn、Cd含量的影响不显著；有机肥种类(K)对土壤重金属Cr、As、Zn含量的影响极显著，对Pb、Hg、Cu、Cd含量的影响不显著。

土壤深度与有机肥施用量双因子(D×A)对土壤重金属Cr、Pb、Cd、Zn含量的影响极显著，对Cu含量影响显著，对Hg、As影响不显著；土壤深度与有机肥种类双因子(D×K)对土壤重金属Cr、Pb、Hg、As、Zn含量的影响极显著，对Cd、Cu含量的影响显著；有机肥种类与有机肥施用量双因子(K×A)对土壤重金属As、Zn含量的影响极显著，对Cr、Cu、Cd含量的影响显著，对Hg、Pb的影响不显著。

表4 土壤重金属三因子方差分析

注：*、**分别表示0.05、0.01水平显著；“D”代表土壤深度(deep)，“K”代表有机肥种类(kind)，“A”代表有机肥施用量(application)。

3 结论与讨论

本研究中，添加有机肥T11、T12、T22、T31、T32处理较CK土壤有机质含量均有不同程度的增加，这与前人研究结果[9,12-14]一致，增幅为5.34%～13.50%。且增量施用有机肥，土壤有机质含量随之增加，这与管建新等[15]研究报道一致。但T21处理土壤有机质较CK下降19.36%，这可能与猪粪有机质含量较低或有机肥生产原料有关[16]，具体有待深入研究。

目前关于禽畜粪便有机肥直接施用对土壤pH值的影响没有较为一致的研究结果[17-18]。有研究发现，施用猪粪堆肥后提高了0～15 cm层土壤pH值[19]；而施用腐熟牛粪有机肥则会降低土壤pH值[20]。本研究中各处理土壤pH值较CK增幅为-1.60%～3.64%，原因可能是猪粪被发酵产生酸性物质或配施化肥致有机、无机肥反应中和。

茹淑华等[21]认为，猪粪有机肥对0～20 cm层土壤重金属Cr含量的影响不明显，本研究中，0～100 cm土层中只有0～40 cm层土壤重金属Cr含量呈增加趋势，增幅为14.03%～26.82%。黄新灿等[19]研究发现，施用有机肥致0～20 cm层土壤重金属Pb含量增加，本试验0～20 cm层土壤重金属Pb增幅为6.27%～32.41%，与其研究结果接近；但20～30、90～100 cm层土壤重金属Pb含量呈降低趋势，降幅分别为36.05%～56.49%、56.37%～71.01%，变化幅度较大，与王开峰等[22]施用有机肥对土壤重金属Pb影响较小的结论相反。0～10 cm层土壤重金属Hg、As含量增幅分别为0～232.70%、15.79%～238.35%，远高于前人报道的25.9%、13.8%[19]。贾武霞[23]研究表明，0～20 cm层土壤重金属Cu、Zn含量的增幅为108.16%、74.82%，本试验0～20 cm层土壤重金属Cu、Zn含量的增幅分别为10.14%～34.39%、12.95%～45.85%，均低于其增幅；而王琼瑶等[24]认为猪粪对稻田0～40 cm层土壤Cu、Zn含量的影响不显著。前人研究表明，0～20 cm层土壤重金属Cd含量呈增加趋势[23,25]，本试验未得出此结论，但70～90 cm层土壤重金属Cd含量降低29.36%～46.63%。多因素方差分析结果显示，土壤重金属Cr、Pb、Hg、As含量变化与有机肥施用量的关系极显著，Cu、Zn、Cd含量变化与有机肥施用量的关系不显著；土壤重金属Cr、As、Zn含量与有机肥种类的关系极显著，而Pb、Hg、Cu、Cd则与之关系不显著。由此可见，施用重金属含量较高的猪粪有机肥会导致土壤部分重金属含量增幅较大，对不同深度土壤重金属含量也有影响，本研究弥补了前人只研究表层(0～40 cm)土壤重金属含量变化的不足。

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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

国家农产品质量安全风险评估重大专项课题(GJFP2016012)；苏州市农业委员会院区结对资助项目(jd201615)；江苏省高等学校自然科学研究面上资助经费项目(17KJB610011)；苏州农业职业技术学院特色专业建设工程资助项目

黄小洋( 1974-)，男，江西九江人，讲师，硕士，主要从事农业环境与保护方面的教学和研究。

E-mail:nyhb0508@163.com