水稻土中猪粪炭用量对小白菜生长及食用安全的影响
2020-05-13郭卉陈建国王小丽杨爱爱江青青郭玥含王雯颖
郭卉 陈建国 王小丽 杨爱爱 江青青 郭玥含 王雯颖
摘 要：为了评估水稻土施用猪粪炭的卫生安全风险，试验以小白菜为指示作物，通过盆栽处理探讨了红黄泥水稻土施用不同量猪粪炭对小白菜生长和食用安全的影响。结果表明：（1）与不施猪粪炭相比，红黄泥水稻土中猪粪炭施用量为2.5%时小白菜生物量增加0.56%，施用量5.0%和7.5%时小白菜生物量分别下降4.17%和17.78%;（2）与不施猪粪炭相比，猪粪炭用量为2.5%、5.0%和7.5%时小白菜Cu含量分別增加52.8%、113.4%和167.8%，Zn含量分别降低13.4%、增加0.1%和75.3%，各处理中唯有猪粪炭用量7.5%处理的小白菜出现锌毒害;（3）与不施猪粪炭相比，猪粪炭2.5%、5.0%和7.5%处理重金属综合污染指数（PZ）及复合健康风险指数（TTHQ）都呈下降趋势。 综上所述，在稻—菜轮作模式下，红黄泥水稻土中猪粪炭施用量低于7.5%时是合理的，于小白菜经济产量而言，红黄泥水稻土中猪粪炭的合理用量为2.5%;于小白菜卫生安全而言，红黄泥水稻土中猪粪炭合理用量为5.0%。
关键词：猪粪炭;小白菜;红黄泥;重金属;食用安全
中图分类号：X713， S634.3文献标识码：A文章编号：1006-060X（2020）03-0052-04
Abstract： In order to evaluate the health and safety risks of swine manure biochar applied into red paddy soil， the effect of different amounts of swine manure biochar on the growth and edible safety of pakchoi had been studied by pot experiment. In contrast to no application of swine manure biochar， 2.5%， 5.0% and 7.5% swine manure biochar brought the following changes： （1） the biomass of pakchoi was +0.56%， -4.17%， and -17.78%， respectively; （2） the content of Cu in pakchoi was +52.8%， +113.4%， +167.8%， respectively; the content of Zn was -13.4%， +0.1%， +75.3%， respectively， while the pakchoi presented slight zinc toxity in the treatment of 7.5%; （3） the comprehensive pollution index （Pz） and total taxget hazard quotient （TTHQ） of heavy metals both showed a downtrend. In summary， in rice-vegetable rotation system it is reasonable when the amount of swine manure biochar applied is less than 7.5% in red paddy soil. In terms of economic yield of pakchoi， the appropriate amount of swine manure biochar applied is 2.5%， but in terms of edible safety of pakchoi， the appropriate amount is 5.0%.
Key words： swine manure biochar; pakchoi; red paddy soil; heavy metal; edible safety
猪粪炭是指将猪粪在高温厌氧条件下裂解而形成的一种生物质炭，是当前规模化养猪场彻底消除粪污污染（包括实现养殖场废弃物的减量化、杀灭畜禽粪便病原菌、破坏抗生素的结构）的重要途径[1-2]。猪粪炭中有机碳、有效磷、有效钾含量高，富含养分，同时比表面积大、孔隙度高，具有较强的稳定重金属功能[3]，因此加强其在农业上的应用研究对猪粪资源化利用具有重要意义。
猪粪炭在农业上的应用除了提供作物养分[4]之外就是修复重金属污染的土壤[3]。Meng等[5]研究表明，猪粪与稻草共热解产生的炭施用于铅锌矿污染土壤能够降低重金属交换态含量;Xu等[6]、Cui等[7]认为，畜粪炭固定水溶性重金属离子的机理是由于PO43-或 CO32-与其结合形成沉淀，少部分是表面—OH功能团络合和电吸附。此外，也有人认为粪源生物炭施入土壤后提高了土壤pH值[8-9]，通过石灰效应有效地吸附了土壤重金属和有机农药[10-11]。基于上述认识，畜粪炭被认为是一种优质廉价的土壤修复材料。
猪粪炭浓缩了猪粪中大量的Cu、Zn，因而很多学者担忧在农田土壤使用猪粪炭的安全性[12]。针对此问题，Meng等[13]发现在猪粪中加入稻草等作物秸秆共同热裂解能稀释猪粪炭中Cu、Zn含量，李彪[14]的研究表明旱地红壤中单施猪粪炭能降低小白菜Cu、Zn及其他重金属含量。水稻土是南方主要农业土壤类型，但当前猪粪炭是否宜用于水稻土壤的相关实证研究鲜见报道。
小白菜生长周期短，且作为叶类蔬菜比其他作物富集重金属的能力更强[15]，因此，笔者拟用小白菜作为试验对象验证水稻土施用猪粪炭的风险。用盆栽试验的形式探究红黄泥水稻土中猪粪炭不同用量对小白菜生长及重金属含量的影响，以此为依据评估水稻土中猪粪炭不同用量存在的卫生健康风险，寻求水稻土中猪粪炭合理用量，为粪源生物炭农业应用奠定理论基础。
1 材料与方法
1.1 试验材料
猪粪采自湖南省长沙县白沙镇陈家湾养猪场。将猪粪置于密封陶质容器中，在高温炉中500℃条件下厌氧干馏2.5 h，冷却后取出，过20目筛备用。试验土壤为红黄泥水稻土，采自湖南省杂交水稻研究中心水稻生产示范基地。土壤风干粉碎后备用。栽培用小白菜品种为“四季脆甜小白菜”。
1.2 试验设计
以猪粪炭在水稻土中的不同用量作为试验处理。共设4个处理：分别按栽培基质（水稻土+猪粪炭）干重的0%、2.5%、5.0%和7.5%施用猪粪炭，以不施猪粪炭（0）处理为对照;4个处理编号分别记为CK、T2.5、T5.0、T7.5。每个处理重复4次。
试验以盆栽的形式进行。栽培盆为口径25 cm、高30 cm的抗氧化牛筋塑料盆。每盆准备风干红黄泥水稻土，使水稻土+猪粪炭总干重为5 kg，先将猪粪炭与土壤混匀，于2018年5月栽培一季中稻（湘两优1号），水稻栽培施肥量按每盆施N 1 g、P2O5 0.5 g、K2O 1 g标准进行（氮肥为尿素，磷肥为钙镁磷肥，钾肥为氯化钾），猪粪炭处理中由猪粪炭携入的有效态氮、磷、钾视为施入的肥料，相应施用化肥量酌减（如超过CK施用标准，则不施用相应化肥）。采用一次性全层施肥。水稻收割后将土壤破碎晾晒，然后重新装盆，于2019年3月12日种小白菜，每盆移栽小白菜苗3株，移入温棚，于2019年3月20日施用追肥（每盆施用15 mL含氮1.48 g/L、P2O5 0.33 g/L、K2O 0.23 g/L的营养液，每隔5 d施1次，分3次施完），对照每天浇等量去离子水。2019年4月15日采收。小白菜栽培前土壤相关元素含量见表1，农用地土壤污染指标见表2。
1.3 元素含量测定与质量控制
小白菜成熟后整株摘取，清洗晾干测定鲜重，杀青后在80℃恒温下烘干测定干重，粉碎过100目筛，装入样品袋备用。植物样先用HNO3-HClO4法消化，然后用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）测定元素含量[16]。利用柑橘叶成分分析标准物质（GSB-11，北京仪化通标科技有限公司）作为植物标准成分物质对消化、检测过程进行质量控制，加标回收，回收率为95.3%，达到检测质量控制目标。
1.4 小白菜污染评价方法与标准
结合食品国家安全标准（GB2762—2017）中叶类蔬菜标准值，采用单因子污染指数法和内梅罗（Nemerow）综合污染指数法对小白菜中重金属进行评价。
单因子污染指数法公式：Pi=Ci/Si，式中Pi为重金属i的单因子污染指数，Ci为重金属i的实测浓度，Si为重金属i的安全标准。分级标准：Pi≤1为清洁，1
内梅罗（Nemerow）综合污染指数法参考多种污染因子影响的同时突出高浓度重金属对小白菜品质的影响。计算公式：
式中PZ为内梅罗综合污染指数，Pmax为多种重金属单因子指数（Pi）中的最大值为，Pave为多种重金属单因子指数（Pi）的平均值。分级标准：PZ≤0.7为安全，0.7
1.5 小白菜食用安全评价方法与标准
采用目标危害系数法（Target Hazard Quotient，THQ）评价蔬菜食用安全性[15， 17]，可同时评价单一重金属的健康风险和多种重金属复合作用导致的健康风险。单一重金属风险计算公式如下。
多种重金属复合风险计算公式：
TTHQ=∑THQ
式中EF（d/a）为暴露频率，取值365[15];ED（a）为暴露时间，取值70[15];FIR（g/d）为蔬菜摄入量，儿童取值231.5，成人取值301.4[15];c（mg/kg）为蔬菜中重金属质量比;WAB（kg）为平均体重，儿童取值32.7，成人取值55.9[15];ATn（d）为非致癌平均暴露时间，取值25 550[15];RFD[mg/（kg·d）]为参考剂量，Pb为4×10-3，Cd为1×10-3，As为3×10-3，Hg为5×10-4 [15]。若THQ≤1，说明暴露人群没有明显的健康风险;若THQ>1，则存在健康风险。THQ值越大，则说明该污染物对人体健康危害程度越大。
1.6 数据处理
利用Excle 2019、SPSS 25.0进行数据的统计分析及图表绘制。
2 结果与分析
2.1 不同处理对小白菜生物量的影响
从表3可知，各处理小白菜平均鲜重在33.62～53.42 g/盆，干重在2.96～3.62 g/盆，含水率为91.2%～93.3%，随着猪粪炭施用量的增加，小白菜的鲜重呈降低趋势，与之对应，小白菜含水率也呈下降趋势。与对照相比，T2.5、T5.0和T7.5处理的小白菜鲜重分别降低8.80%、13.98%和37.06%，含水率相应降低0.75%、0.86%和2.25%。对比小白菜干重，T2.5比CK增加0.56%，T5.0和T7.5则比CK分别降低了4.17%和17.78%。以上表明，施用猪粪炭会降低小白菜对水分的保持量;施用猪粪炭数量不超过2.5%即能增加小白菜的生物量，超过2.5%会减少小白菜的生物量。
2.2 不同处理对小白菜中Cu、Zn累积量影响
从图1A可知，不同处理小白菜（干重）Cu含量在4.40～11.78 mg/kg間变化，与对照相比，T2.5、T5.0和T7.5的小白菜中Cu的含量分别增加了52.7%、113.3%和167.6%，与猪粪炭施用量呈显著正相关。CK小白菜Cu含量为4.40 mg/kg，表现为轻度缺铜[18];T2.5、T5.0、T7.5小白菜Cu含量（分别为6.72、9.39、11.78 mg/kg）则达到一般作物叶片的正常含量[18]，说明施用猪粪炭对缺铜的红黄泥水稻土起到了补铜的作用，同时也说明猪粪炭对Cu的固定量远低于其所含量。
从图1B可知，各处理小白菜（干重）Zn含量在35.82～72.47 mg/kg，T7.5的小白菜中Zn含量最高，比对照增加了75.3%，T2.5和T5.0的小白菜Zn含量分别增加了-13.4%和0.1%，后二者与CK没有显著差别。从小白菜生长营养角度看，CK、T2.5、T5小白菜Zn含量处于正常水平，T7.5小白菜Zn含量偏高[18]，叶片边缘卷曲，表现轻度中毒症状。
2.3 不同处理对小白菜Pb、Cd、As、Hg累积的影响
2.3.1 Pb 由图2A可知，各处理小白菜（鲜重）Pb含量在0.00～0.25 mg/kg间变动，均低于蔬菜食用安全国家标准上限值（0.30 mg/kg），其中T2.5和T5.0小白菜（鲜重）Pb含量比CK显著增加，分别为CK的1.57倍和1.67倍，T7.5则比CK显著降低，其小白菜Pb含量比CK降低96.96%。显然，施用猪粪炭低于5.0%水平，会一定程度上促进小白菜对Pb的吸收，超过5.0%以上的某个限值会骤然降低小白菜对Pb的吸收。
2.3.2 Cd 从图2B可知，各处理的小白菜（鲜重）Cd含量在0.02～0.10 mg/kg间变化，均远低于蔬菜食用安全国家标准（0.20 mg/kg），其中T2.5、T5.0和T7.5比对照分别减少67.16%、75.24%和77.08%。以上结果表明，施用猪粪炭对土壤中原有的镉起到了固定作用，阻止小白菜对土壤Cd的吸收。
2.3.3 As 从图2C可知，各处理小白菜（鲜重）As含量在0.19～0.41 mg/kg间变化，对照组小白菜（鲜重）As含量超过食品安全国家标准，猪粪炭处理小白菜As含量均低于蔬菜食用安全国家标准（0.50 mg/kg）， 其中T2.5、T5.0和T7.5比CK分别减少48.79%、53.95%和53.77%。这说明猪粪炭对土壤As起固定作用，降低了小白菜对As的吸收。
2.3.4 Hg 从图2D可知，各处理小白菜（鲜重）Hg含量在0.13～0.14 ?g/kg间变化，与CK相比，T2.5、T5.0和T7.5差异都不显著，各处理小白菜Hg含量都低于蔬菜食用安全国家标准（10 ?g/kg）。
2.4 小白菜中重金属的安全评价及食用安全性评价
2.4.1 小白菜中重金属污染的安全评价 由表4可知，不同处理小白菜Pb、Cd、As、Hg单因子污染指数在0.01～0.83，均低于1，属清洁水平;各处理小白菜综合污染指数在0.28～0.64间变化，低于0.7，皆为安全等级，其中T2.5、T5.0和T7.5的综合污染指数分别比CK的低3.1%、1.6%和56.3%，表明增施猪粪炭有利于减轻小白菜重金属污染。
2.4.2 小白菜的食用安全性评价 由表5可知，不同处理儿童摄入小白菜Pb、Cd、As、Hg的单一重金属风险值在0～0.96间变化，成人摄入小白菜Pb、Cd、As、Hg的单一重金属风险值在0～0.73间变化，都低于1，健康风险不明显。不同处理儿童摄入小白菜的复合健康风险指数（TTHQ）在0.61～1.84间变化，其中CK、T2.5和T5.0的TTHQ大于1，存在健康风险;成人摄入小白菜的复合健康风险指数（TTHQ）在0.46～1.40间变化，其中只有CK的TTHQ值大于1，具有健康风险。不同处理儿童及成人TTHQ变化趋势皆为：CK> T2.5> T5.0> T7.5，说明增施猪粪炭能够有效降低水稻土中小白菜重金属健康风险。
3 小结与讨论
3.1 小 结
（1）在稻—菜模式下，红黄泥水稻土中施用量高于2.5%的猪粪炭会影响小白菜的鲜重产量，于经济而言，猪粪炭合理施用量为2.5%。
（2）在红黄泥水稻土中，施用量低于7.5%的猪粪炭不会对小白菜产生Cu、Zn毒害。
（3）在红黄泥水稻土中施用猪粪炭能提高小白菜食用安全性，于健康而言，猪粪炭合理施用量为5.0%。
3.2 讨 论
3.2.1 猪粪炭不同用量对小白菜生长的影响 猪粪炭用量2.5%处理（T2.5）小白菜的平均生物量略高于不施猪粪炭（CK），而在施用量5.0%和7.5%处理中其生物量都呈下降趋势，结合孙雪等[19]对小白菜施用不同量猪粪炭的结果，水稻土猪粪炭2.5%施用量于小白菜而言可能是生长拐点，即低于2.5%则促进小白菜的生长，高于2.5%则抑制小白菜生长。大于2.5%的处理小白菜生物量降低，其原因可能是多方面的，如土壤中磷、钾素供应量过高，分别使小白菜呼吸作用加强、细胞渗透势提高，从而影响小白菜鲜重;此外，在7.5%用量处理（T7.5）中基质Zn含量过高导致小白菜吸收过量的Zn，使小白菜叶片有卷边中毒症状。T2.5、T5.0和T7.5处理的土壤氧化还原电位有逐渐降低的趋势，而氧化还原电位降低影响小白菜根系生长，从而使小白菜生长受抑制。氧化还原电位降低可能与猪粪炭含较多还原性有机质有关。
3.2.2 猪粪炭不同用量对小白菜铜、锌含量的影响 猪粪炭Cu、Zn含量较高一直是农业土壤慎用猪粪炭的原因。T2.5、T5.0和T7.5处理的土壤Cu供应量的升高对小白菜而言都在合理范围内，Zn供应量的升高对小白菜的毒害也仅限于T7.5处理，说明在红黄泥水稻土中猪粪炭用量低于7.5%对小白菜的生长不会造成危害。此结果与李彪[14]在旱地红壤中施用猪粪炭对小白菜Cu、Zn含量的影响不同，原因是后者旱地红壤施用猪粪炭后交换态Cu、Zn含量较低，而前者红黄泥水稻土施用猪粪后交换态Cu、Zn含量较高，其差异原因有待进一步研究。
3.2.3 猪粪炭不同用量对小白菜重金属食用安全的影响在重金属污染土壤中施用生物質炭，往往因pH值升高、水溶性磷酸盐碳酸盐的沉淀作用、大分子有机官能团的络合作用及生物质炭本身的吸附作用，土壤重金属得以固定，从而降低土壤重金属的危害。猪粪炭的施用降低了小白菜对Cd、Pb、As、Hg的吸收，使小白菜重金属综合污染指数及重金属摄入的复合风险降低，证实了前人的研究结论。研究结果显示，红黄泥水稻土中不施用猪粪炭产出的小白菜对儿童、成人都存在健康风险，只有≥5.0%猪粪炭用量的小白菜于儿童、≥2.5%猪粪炭用量的小白菜于成人才会消除健康风险。
参考文献：
[1] 陈建国. 一种养殖场粪便处理的方法[P]. 201410683228.5，2016-10-19.
[2] 陈建国，闫文德. 一种用于粪便处理的复式干馏器[P]. 201410683227.0，2017-02-22.
[3] Al-Wabel M I，Hussain Q，Usman A R A，et al. Impact of biochar properties on soil conditions and agricultural sustainability：a review[J]. Land Degradation & Development，2018，29（7）：2124-2161.
[4] 金 熠. 增施猪粪及猪粪生物炭对稻田土壤磷素迁移转化的影响[D]. 杭州：浙江大学， 2016.
[5] Meng J，Tao M M，Wang L L，et al. Changes in heavy metal bioavailability and speciation from a Pb-Zn mining soil amended with biochars from co-pyrolysis of rice straw and swine manure[J]. Science of the Total Environment，2018，633：300-307.
[6] Xu X Y，Cao X D，Zhao L，et al. Removal of Cu， Zn， and Cd from aqueous solutions by the dairy manure-derived biochar[J]. Environmental Science and Pollution Research，2013，20（1）：358-368.
[7] Cui L Q，Yan J L，Li L Q，et al. Does biochar alter the speciation of Cd and Pb in aqueous solution？[J]. BioResources，2014，10（1）：88-104.
[8] Cao X D，Ma L N，Gao B，et al. Dairy-manure derived biochar effectively sorbs lead and atrazine[J]. Environmental Science & Technology，2009，43（9）：3285-3291.
[9] Zeng X Y，Xiao Z H，Zhang G L，et al. Speciation and bioavailability of heavy metals in pyrolytic biochar of swine and goat manures[J]. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis，2018，132：82-93.
[10] Meng J，Wang L，Zhong L B，et al. Contrasting effects of composting and pyrolysis on bioavailability and speciation of Cu and Zn in pig manure[J]. Chemosphere，2017，180：93-99.
[11] Cao X D，Ma L N，Liang Y，et al. Simultaneous immobilization of lead and atrazine in contaminated soils using dairy-manure biochar[J]. Environmental Science & Technology，201，45（11）：4884-4889.
[12] Hamidpour M，Khadivi E，Afyuni M. Residual effects of biosolids and farm manure on speciation and plant uptake of heavy metals in a calcareous soil[J]. Environmental Earth Sciences，2016，75（12）：1037.
[13] Meng J，Liang S J，Tao M M，et al. Chemical speciation and risk assessment of Cu and Zn in biochars derived from co-pyrolysis of pig manure with rice straw[J]. Chemosphere，2018，200：344-350.
[14] 李 彪. 不同畜/禽粪炭对红壤肥力和污染特征的影响[D]. 长沙：中南林业科技大学，2019.
[15] 朱兰保，盛 蒂，戚晓明，等. 蚌埠市蔬菜重金属含量及食用安全性评价[J]. 食品工业科技，2014，35（7）：260-263， 271.
[16] 鲁如坤.土壤农业化学分析方法[M]. 北京：中国农业科学技术出版社，2004.
[17] US EPA region 3 hazardous site division. risk-based concentration table FAQs [R].Washington D C： United States Environmental Protection Agency，2000.
[18] 廖 紅，严小龙. 高级植物营养学[M]. 北京：科学出版社，2003.
[19] 孙 雪，刘琪琪，郭 虎，等. 猪粪生物质炭对土壤肥效及小白菜生长的影响[J]. 农业环境科学学报，2016，35（9）：1756-1763.
（责任编辑：张焕裕）
