沼液-土壤-玉米系统中重金属迁移富集特性

李金澄 孙吉翠 张忠兰 高炜城 杨守军

摘要：为探讨沼液还田后重金属在土壤-玉米体系中的迁移、富集规律。试验共设5个处理：不施加任何肥料（CK）;施加1倍氮当量沼液（1N）;施加2倍氮当量沼液（2N）;施加3倍氮当量沼液（3N）;施加4倍氮当量沼液（4N）。研究结果表明：在玉米苗期，1N处理的20～40 cm和40～60 cm土壤中Cd含量分别为0～20 cm土壤的26.17%和28.97%，而3N、4N处理20～40 cm和40～60 cm土壤中Cd含量则高于0～20 cm土壤。与Cd不同，沼液处理土壤中Cu、Zn的迁移与分布总体随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含量无明显差异。沼液处理土壤的As含量随生育期的延长而明显降低，至玉米抽穗期，所有处理土壤均未检出As。Cu、Zn、Cd 3种重金属分别在秸秆、籽粒、根系中有明显的富集，Zn、Cd分别在秸秆-籽粒和根系-秸秆中有较高的迁移能力。沼液中Pb、Ni、Hg、Cr 4种重金属在土壤与作物间迁移与富集均不明显。综合分析认为，沼液施用量不高于玉米氮需求4倍时，土壤和玉米中存在Zn、Cu、Cd、As的迁移与富集，但均不存在污染风险。

关键词：沼液;施用量;重金属;迁移;富集;土壤;玉米

中图分类号：X53 文献标志码：A 文章编号：1002-1302（2020）21-0292-05

沼液是沼气工程处理农牧业废弃物后产生的尚未达到国家排放标准的废水，如何有效处理沼液是当今环境保护中亟待解决的关键问题[1]。在众多的处理利用工艺中，沼液以肥料的形式还田是传统且经济有效的处置方法[2]。

沼液中富含N、P、K等大量元素和Na、Ca、Mg、Fe、有机质、19种氨基酸以及活性酶，基本满足农作物生长对肥料的需求，沼液的适量配施不仅能改善作物的产量和品质，还可提升土壤肥力[3-6]。虽然沼液还田能解决农作物生长对养分的需求问题，并且能在作物耐受范围内尽可能地消耗沼液，以减少沼气工程中沼液消解的农田配套面积及沼液输送等运输成本，但沼液过量还田也会导致一系列的环境生态问题，尤其是作为饲料添加剂的重金属可通过饲料-畜禽-粪便-沼液-土壤-植物的途径，使土壤和农产品存在重金属积累的潜在风险[7]。重金属进入土壤后，大部分被土壤吸附和固定，部分被作物吸收并在体内进行再分配，最终通过作物收获物被带走，还有一部分可能会随水淋洗进入深层土壤及地下水中[8]。重金属污染过程具有长期性、隐蔽性和不可逆性，这给重金属在农田生态系统中的迁移富集研究带来一定的困难度，且目前的研究多集中于耕层土壤及作物方面，不足以说明土壤重金属的污染特性及在不同土层的积累情况，难以解释人类活动影响下重金属的含量分布特征[9-11]。因此，本试验以玉米为试材，研究沼液中重金属在土壤垂直空间的迁移与分布以及在土壤-玉米农田生态系统中的迁移与富集机理，以期为沼液灌溉农田重金属污染防控提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2018年5月至2018年8月在中国农业大学烟台研究院大田试验基地进行。土壤类型为棕壤，有机质含量0.88%，碱解氮含量131.41 mg/kg，有效磷含量97.6 mg/kg，速效钾含量135.76 mg/kg，pH值6.079，可溶性盐浓度 （EC值）60.0 μS/cm。玉米（Zea mays L.）品种为登海662。试验所用沼液为山东省某沼液工程产生的鸡粪沼液，其全氮、全磷、全钾含量分别为0.59%、0.02%、0.37%，pH值为7.56，EC值为14 780 μS/cm。土壤和沼液中的重金属含量见表1。

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，共设5个处理：不施加任何肥料（CK）;施加1倍氮当量沼液（1N）;施加2倍氮当量沼液（2N）;施加3倍氮當量沼液（3N）;施加4倍氮当量沼液（4N），每个处理重复3次。玉米株、行距分别为45、35 cm，目标产量为 7 500 kg/hm2，需氮量为 201 kg/hm2。沼液施用量按沼液氮养分供给和玉米氮养分需求基准平衡进行换算，沼液于土壤翻耕前一次性施入，所缺磷、钾养分用化肥补齐。施肥情况详见表2。

1.3 样品采集与测定方法

在玉米的苗期、拔节期、抽穗期、完熟期分别采集0～20 cm（表层土）、20～40 cm（中层土）、40～60 cm （深层土）土层的土壤，用于重金属含量的测定。在玉米的完熟期采集整株玉米，用于根系、秸秆和籽粒中重金属含量的测定。土壤中Cu、Zn、Cd、Cr、Pb、Ni含量的测定采用原子吸收分光光度法[12];土壤中As、Hg含量的测定分别采用二乙基二硫代氨基甲酸银分光光度法和氢化物发生-原子吸收分光光度法[13-14]。玉米根系、秸秆、籽粒中的Pb、Cd、Ni、Cu、Zn、Hg、As、Cr含量的测定分别按照GB 5009.12—2017《食品安全国家标准 食品中铅的测定》、GB 5009.15—2014《食品安全国家标准 食品中镉的测定》、GB 5009.138—2017《食品安全国家标准 食品中镍的测定》、GB 5009.13—2017《食品安全国家标准 食品中铜的测定》、GB 5009.14—2017《食品安全国家标准 食品中锌的测定》、GB 5009.17—2014《食品安全国家标准 食品中总汞及有机汞的测定》、GB 5009.11—2014《食品安全国家标准 食品中总砷及无机砷的测定》、GB 5009.123—2014《食品安全国家标准 食品中铬的测定》。

1.4 重金属迁移系数和富集系数的计算

富集系数FBC可表征重金属在土壤-玉米根系之间的迁移能力，值越大，重金属的迁移能力越强;迁移系数FT1、FT2表示重金属在根系-秸秆、秸秆-籽粒中的迁移能力，值越大，重金属的迁移能力越强;用累计富集系数（β）表示玉米籽粒中重金属相对于土壤的富集系数，β值越大，重金属的富集能力越强[15-16]。上述系数的计算公式如下：

4 結论

沼液氮供给不高于玉米氮需求4倍（600 t/hm2）时，Zn、Cu、Cd、As、Pb、Ni、Hg、Cr 8种重金属在土壤和玉米中无污染风险。其中，Cd在0～60 cm土壤中的迁移明显;Cu和Zn在0～20 cm的土壤中、Cd在20～40 cm的土壤中有明显富集。Cd和Zn分别在玉米秸秆和籽粒中存在富集效果。

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