中度含镉鸡粪源有机肥对土壤镉积累及小白菜吸镉量的影响

2020-09-04蒋子旸黄柏豪

中国土壤与肥料 2020年4期

甘露，蒋子旸，黄柏豪，罗伟，李昆，伍钧*

（1.四川农业大学环境学院，四川成都 611130；2.成都土壤肥料测试中心，四川成都 610041）

随着人们对粮食需求量的增加，要求单位面积耕地达到最高效率，农用品如化肥的过度投入致使土壤和蔬菜中重金属累积的现象已十分普遍。为落实“化肥零增长”方案，对化肥使用进行一定制约，可改用有机肥。畜禽粪便有机肥的施加在改善土壤肥力的同时，其丰富的养分还可进行再次循环，对保护生态环境具有十分重要的意义［1］。但在现代畜禽养殖业中，往往为了防治病害、增加养殖收益而滥用微量元素添加剂等有害物质［2］。由于其较低的利用率，畜禽饲料中的重金属元素大部分会累积在畜禽粪便中，从而导致部分以畜禽粪便为主要原料的有机肥中重金属含量超标［3］。研究发现畜禽对无机Cd 和有机Cd 的吸收率分别为1%～3%、10%～25%，证明了大量Cd 会随排泄残留在粪便中［4］。如Nicholson［5］在测定英国的动物粪便后表明其中含有较高的重金属。土壤镉污染不仅会对土壤中微生物的生存条件有所影响，还会危害植物的生化特性，导致植物体内酶的活性降低，通过食物链对人体健康产生危害［6］。

重金属随肥料施入土壤后积累残留，引发了土壤及作物的安全隐患，但在目前的土壤镉污染修复研究中，更多关注的是有机肥钝化修复土壤中重金属污染，忽略了其自身对土壤基本理化性质和对作物品质的影响，关于重金属含量、贮积、运移、降解规律、积累特征、危害描述和风险预警等风险评估研究工作也相对滞后。因此，本试验以小白菜盆栽的方式，选择重金属镉含量适中的鸡粪源商品有机肥，研究施用含镉畜禽粪便有机肥对农产品质量安全、土壤基本理化性质及土壤累积镉及小白菜吸收镉的影响，具有现实意义；同时，也可为农业生产与环境协调发展，评价畜禽粪便有机肥中重金属进入土壤后的生态风险［7］，为畜禽粪便有机肥的产地环境污染和农产品质量监管、标准制订、生产指导、消费引导及科学评价农产品品质功能等，提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤采自四川省大邑县的中性紫色土，其基本理化性质见表1。供试小白菜为成熟期45 d 的特种小白菜，购自成都。供试鸡粪源商品有机肥基本性质如表2 所示。供试化肥为17-17-17（硫酸钾型）螯合能量肥，Cd 含量为0.11 mg·kg-1。

表1 供试土壤基本理化性质及Cd 含量

表2 鸡粪源有机肥基本性质

1.2 试验方案

试验于2018 年10 月20 日至2019 年4 月16日在四川农业大学试验大棚和实验室进行，种植一季小白菜，设6 个处理，分别为不施肥对照（CK）、化肥常规施肥处理（F）、在施加与F 等量化肥后再添加常量有机肥处理（M1）、2 倍量有机肥处理（M2）、3 倍量有机肥处理（M3）及4 倍量有机肥处理（M4），具体施用量如表3。每盆中均装入经自然风干、压碎、过2 mm 筛的供试土壤2.0 kg，同时按表3 加入化肥与有机肥后混匀，每盆均匀播种10 粒小白菜种子，覆土，洒水浇透，将其置于试验大棚中培养，每处理3 次重复。待小白菜种子发芽后匀苗，每盆保留3 株长势一致的菜苗。根据土壤情况1 ～2 d 浇水一次，出苗前润湿土壤即可，出苗后按小白菜的生长情况适量浇水。

表3 各处理的有机肥和化肥施用量

1.3 测定方法

土壤pH 值、有机碳、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾、CEC 的测定参考鲍士旦等［8］的《土壤农化分析（第3 版）》；土壤机械组成采用比重计速测法（国际制）；土壤镉含量参照DZ/T 0279.5-2016［9］测定，镉形态测定采用BCR 分级连续提取法，将其分为可交换态、可还原态、可氧化态和残渣态［10］。

供试有机肥样品基本养分按照NY 525-2012 标准测定［11］，肥料镉含量按照NY/T 1978-2010［12］标准测定。

待小白菜成熟后采样，洗净根部泥土并用吸水纸将水分吸干，分离植株地上部分和根部，经杀青（置于105 ℃烘箱中杀青20 min）后，于50 ～60℃烘箱中烘至恒重。植物样品镉含量按照GB 5009.268-2016 食品安全国家标准食品中多元素的测定［13］进行测定。

1.4 数据分析

数据处理及制图采用Excel 2016，SPSS 22.0。结合单因素方差分析法和LSD 法进行分析比较，显著水平为0.05，并用Origin 9.0 软件制图。

2 结果与分析

2.1 土壤基本性质变化

2.1.1 土壤pH 值

由图1 可知，单施化肥和施加有机肥都能降低土壤pH 值，与CK 处理相比差异显著。其中M4处理土壤pH 值最低，较CK 处理降低了0.28 个单位。添加有机肥后的M1 ～M4 处理与F 处理相比，pH 值分别降低了0.13、0.14、0.14、0.15 个单位，且随着鸡粪源有机肥投入量的增加，pH 值整体呈平缓降低趋势。

2.1.2 土壤有机碳

由图2 可知，单施化肥和施加有机肥使土壤有机碳显著增加。与F 处理相比，在施加有机肥的处理中，有机碳含量先降低再增加，在M4 处理时达到最高值11.84 g·kg-1，较CK 增加1.57 g·kg-1，较F 增加0.33 g·kg-1，在M2 处理中最低，为10.86 g·kg-1，但较CK 也增加了 0.59 g·kg-1。

图1 施肥对土壤pH 值的影响

2.1.3 土壤养分含量

由表4 可知，单施化肥和施加鸡粪源有机肥均显著增加了土壤全氮、碱解氮、有效磷、速效钾的含量。全氮含量最高为M3 处理，较CK、F 相比分别提升了15%、12%；碱解氮含量最高为M4 处理，较CK、F 相比分别提升41%、25%；速效钾含量最高为M2 处理，较CK、F 相比分别提升21%、11%；有效磷含量最高为M4 处理，较CK、F 相比分别提升207%、104%；且除速效钾外，其余养分含量在施加鸡粪源有机肥处理后均呈稳定上升趋势。

2.1.4 土壤CEC 和机械组成

由图3 可知，6 种处理之间土壤CEC 含量变化无明显规律。含量最高为M1 处理（9.35 cmol·kg-1），较CK、F 相比分别增加14%、17%。由表5 可知，有机肥施加对土壤机械组成无明显影响，土壤质地与原供试土壤一致。

2.2 土壤镉含量及其形态分布情况

由图4 可知，鸡粪源有机肥施用量对土壤中镉的累积量无明显影响，且不同处理之间无显著差异。镉含量最高为F 处理，达到0.37 mg·kg-1，与CK 处理相比提高10%；M1 处理最低，为0.33mg·kg-1，较CK、F 分别降低3%、11%。如图5所示，鸡粪源有机肥处理中，整体上土壤中可交换态镉和可还原态镉含量呈增加趋势，可氧化态和残渣态镉含量呈减少趋势。F 处理中镉主要以残渣态存在，占总镉的36%，可交换态、可还原态、可氧化态含量分别占21%、29%、13%；而M4 处理中镉主要存在形态为可还原态，占总镉的33%，较F相比提高了4%，可交换态提高了10%；可氧化态和残渣态含量分别降低了2%和12%。

图3 施肥对土壤阳离子交换量的影响

表5 施肥对土壤机械组成的影响（%）

图4 施肥对土壤镉含量的影响

图5 施肥对土壤镉形态的影响

2.3 土壤基本理化性质与镉形态相关性分析

对土壤基本理化性质与镉形态分级进行相关性分析，由表6 可知，可交换态镉含量与pH 值呈极显著负相关，与有机碳、全氮、碱解氮、有效磷含量呈极显著正相关，与速效钾含量显著正相关；可还原态镉含量与pH 值呈显著正相关，与速效钾呈显著负相关；而可氧化态镉含量和pH 值呈极显著正相关，和有机碳、全氮、碱解氮、有效磷呈极显著负相关，与速效钾呈显著负相关；残渣态镉含量与pH 极显著负相关，与全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量极显著正相关。

表7 不同处理小白菜不同部位的镉含量及富集、转移系数

表6 土壤镉形态与理化性质的相关性

2.4 小白菜镉吸收量

将小白菜茎和叶作为地上可食用部分，如表7所示，随着鸡粪源有机肥施用量的增加，小白菜地上部分Cd 含量总体呈减少趋势，但变化不明显Cd 含量最大值为F处理，达到0.023 mg·kg-1，最小值为M3 处理，含量为0.016 mg·kg-1，较CK F 分别降低24%、30%，且M3 处理小白菜根部Cd含量最低，为0.036 mg·kg-1，较CK、F 分别降低5%、10%。施加鸡粪源有机肥处理的小白菜根部Cd 含量与CK、F 处理相比，整体呈上升趋势，根部含镉量最高的是M1 处理，为0.047 mg·kg-1，较CK、F 分别增加24%、18%。

2.5 小白菜不同部位的镉含量及富集、转移系数

用富集系数（BCF）和转移系数（TF）来判断重金属在植物体内富集转移情况。如表7 所示，在有机肥带来的外源镉浓度增加时，小白菜地上部分和根部的镉富集系数总体呈降低趋势，且小白菜根部富集系数大于地上部。在F 和M1 处理中地上部分富集系数最大，均为0.063，根部富集系数最大是M1 处理，为0.143；地上部分和根部富集系数最小为M3 处理，分别为0.045 和0.101。同时，随着鸡粪源有机肥施加量的增加，镉在小白菜根部到地上部分的转移系数整体呈增加趋势，转移系数最小为M2 处理（0.425），最大为F 处理（0.579）。

3 讨论

3.1 鸡粪源有机肥施用对土壤基本理化性质的影响

鸡粪类有机肥中的有机物在土壤中分解，大量低分子有机酸在微生物代谢时生成，同时官能团分离出H+［14］，所以在本试验中，施加有机肥后土壤pH 值整体呈平缓下降趋势。植物根系养分输送和土壤微生物与土壤中的有机碳含量密切相关，根系的分泌物能大量产生有机碳［15］，长期使用有机肥可促进植物根系代谢，调控土壤微生物群落结构［16］，有机肥可通过土壤微生物作用分解为有机物，促进土壤团聚体形成和稳定，增加土壤有机碳在团聚体中聚集［17］，故可进一步提高土壤有机碳含量。

韩云素［14］、温延臣等［18］研究表明，施加畜禽有机肥能提高土壤氮磷钾等养分含量，本试验研究结果与其一致。化肥含有的氮在土壤中容易通过硝化-反硝化作用以及氨挥发、淋失与径流等途径损失，故不易大量累积［19］；相比之下，施用畜禽粪便有利于土壤团聚，延长土壤中有机氮保存时间，且畜禽粪便中碳氮比较高，需要更多的无机氮来转化并降解其中的有机物，故土壤氮素损失率会降低［20］。在土壤有机碳含量增加的情况下，土壤的固磷作用会有所减弱，从而磷的有效性增强，故在本试验中，有效磷含量随施肥量增加而增加。由于小白菜生长过程中吸收了大量速效钾，在施加有机肥后促进了土壤中的非交换性钾释放为交换性钾［21］，在达到一定程度后反而使土壤中速效钾含量得到了进一步增加，在本试验中速效钾含量先升后降，可能是部分处理中的小白菜生长所需速效钾的量大于释放的交换性钾量。

土壤负电荷含量随土壤黏粒含量及pH 值的上升而增加，从而使土壤阳离子交换量增加。但在本试验中土壤黏粒含量无明显变化，土壤pH 值变化幅度较小，土壤酸化有所延缓［22］，故土壤阳离子交换量呈现出无明显规律性变化，且与小白菜生长周期和有机肥施加时间较短有关。

3.2 鸡粪源有机肥的施加对土壤中镉的累积及其形态的影响

腐植酸的活化性能随土壤有机碳含量的增加而提高，存在于有机肥中的重金属随着有机物的分解逐渐释放出来，有效性增强，部分重金属会与有机物结合，使其形态和生物有效性发生转化［7］。在施用一季鸡粪源有机肥的情况下，鸡粪源有机肥对土壤中镉的累积无明显影响。其中，土壤pH 值是影响土壤中重金属形态的要素之一，可溶态重金属浓度随pH 值降低而升高，生物有效性也随之提高；同时施入鸡粪源有机肥后增加的有机质能通过吸附、螯合等方式固定重金属。在本试验中随着鸡粪源有机肥施用量的增加，可交换态和可氧化态镉含量整体呈增加趋势，可氧化态镉含量整体呈降低趋势，可能是因为腐植酸活化性能随土壤有机质增加后也逐渐增强，有机物质的分解过程中会与Cd2+形成络合物，导致游离的可氧化态镉逐渐减少［23-24］。

3.3 鸡粪源有机肥施加对镉在小白菜中累积、富集、转移的影响及安全评价

研究表明小白菜对镉的吸收累积受以下因素影响：一是土壤类型，何平等［25］研究发现，由于黏土表面积大，表面带负电荷，能有较好的重金属吸附性能，有助于降低小白菜对镉的吸收累积。在本试验使用的紫色土中粘粒含量少，故降低小白菜对镉吸收累积的效果不明显；二是肥料用量，三是pH 值，增加肥料用量、降低土壤pH 值一般会提高植株中镉的累积，本试验的变化趋势与此一致。试验结果表明，小白菜根部更易富集镉，有研究表明，重金属离子跨液泡膜转运及其在液泡中的固定是植物耐重金属的重要机理，重金属离子可以在液泡和植物不同组织内被固定下来，如在小白菜中更易在根部中固定下来［26］。随着鸡粪源有机肥用量的增加，小白菜地上可食用部分对外源镉的累积能力变弱，根部对外源镉的累积能力变强，与CK 处理对比说明，整体而言小白菜地上可食用部分不易富集重金属镉，增施鸡粪源有机肥可降低小白菜地上可食部分镉含量的主要原因是增加了镉在小白菜茎、叶中的分配比例，并且会对小白菜地上可食用部分富集重金属镉的能力起到一定的抑制作用；施加鸡粪源有机肥的处理整体与CK、F 处理相比，转移系数较小。根据国家食品安全标准GB 2762-2017［27］规定，新鲜蔬菜中镉含量的最大允许值为0.2 mg·kg-1，在本试验中鸡粪源有机肥处理下的小白菜可食用部分镉含量均在该安全标准限值内，能实现鸡粪源有机肥的安全利用。