连续多季施用猪粪有机肥对设施大棚中土壤及作物中Cu、Zn含量的影响

郭德杰 刘新红 徐丽萍 马艳 严少华 罗佳

摘要：在设施大棚内连续种植青椒、大白菜、白萝卜，研究猪粪有机肥施用对铜、锌在土壤、植株体内迁移和累积的影响。结果表明，等氮量施用条件下，不同施肥处理表层土壤（0～20 cm）中的铜、锌含量存在明显差异。与试验前相比，连续3茬化肥（CF）处理铜含量降低了16.41%，猪粪有机肥和化肥各施用50%（HOF）处理铜含量增加了9.33%，全量有机肥（OF）处理铜含量增加了23.76%，为51.20 mg/kg;而CF处理锌含量降低了40.58%，HOF处理增加了1135%，OF处理增加了34.12%，达到164.30 mg/kg。在深层土壤（20～40 cm）中所有处理的铜、锌含量均无明显增加，说明铜、锌并未向下层土壤迁移;同时在作物果实中铜、锌含量与CK相比无明显差异，且未超过国家食品安全标准。因此，连续施用猪粪有机肥易造成表层土壤中铜、锌的少量积累，猪粪有机肥施用量越多则铜、锌积累量越大，而通过有机无机配施或者化肥与有机肥轮换施用既能减缓土壤中铜、锌的过多积累，又能维持土壤中铜、锌的营养平衡，有利于保持土壤健康和食品安全。

关键词：猪粪有机肥;设施栽培;铜;锌;重金属积累

中图分类号：S141;X713 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2020）18-0283-03

收稿日期：2019-12-01

基金项目：苏北科技专项（编号：SZ-YC2017028）。

作者简介：郭德杰（1978—），女，山东曲阜人，硕士，助理研究员，主要从事畜禽废弃物资源化利用研究。E-mai：guodejie99@163.com。

通信作者：罗 佳，博士，副研究员，主要从事农林剩余物肥料化和基质化利用技术研究。E-mail：luo_jia_428@163.com。

随着生态农业的兴起，越来越多的农户和农业企业开始重视有机肥的使用[1]，以畜禽粪便为主要原料制成的动物源有机肥及以农林废弃物为主要原料制成的植物源有机肥被大量施入到土壤中。有机肥可以改善土壤环境，提高作物品质，近年来随着有机肥的逐渐投入施用，生态农业、绿色农业等高附加值农业产业取得了较大发展;但不同来源物料制成的有机肥，对土壤及作物产生的影响不同，特别是以畜禽粪便为主要原料制成的动物源有机肥，若施用不当，可能会在改善土壤质地同时，对土壤又产生了新的危害，其中重金属对土壤产生的危害受到普遍关注[2-4]。

随着我国经济不断发展，人民日益增长的物质文化生活需求不断提高，集约化、规模化养殖成为必然趋势。为保证畜禽产量及减少病害的发生，大量含有铜（Cu）、锌（Zn）等重金属元素的饲料添加剂在畜禽养殖场被施用，由此产生含有大量Cu、Zn等重金属元素的畜禽粪便[5-8]，这些畜禽粪便被制成动物源的有机肥施入土壤后，对土壤、作物的影响已有较多学者作了研究[9-10]，但是关于长期施用猪粪有机肥对设施大棚土壤中Cu、Zn积累效应的研究较少。

本试验以设施大棚中土壤及连续种植的青椒、大白菜、白萝卜3种蔬菜为研究对象，研究长期施用猪粪有机肥后，铜、锌在土壤、植株体内迁移和累积情况，以期为动物源有机肥在设施农业中的科学施用提供理论依据和数据支持。

1 材料与方法

1.1 有机肥来源和制备

试验所用猪粪有机肥来自于江苏省农业科学院六合动物科学基地（以下简称六合基地）堆肥场，堆肥所用猪粪来源于六合基地养猪场，养猪场猪粪清出后被运至堆肥场进行堆肥发酵，经过发酵腐熟和无害化处理后形成的猪粪有机肥即为本试验所用猪粪有机肥。如表1所示，试验所使用猪粪有机肥各养分指标基本符合行业标准[11]，重金属含量和病原菌数量等也均未超标。

1.2 大棚试验设计

本试验在江苏省农业科学院六合动物基地设施大棚内进行，试验设4个处理，分别为对照，不施肥（CK）;施用化肥（CF）;施用50%化肥和50%猪粪有机肥（HOF）;施用猪粪有机肥（OF）。每个处理设3次重复，各处理小区随机排列。各处理施肥原则为等氮施用，施用量为112.44 kg/hm2。试验共种植3茬蔬菜，第1茬种植青椒，第2茬种植大白菜，第3茬种植白萝卜;每茬施肥量相同，均依照试验设计的施肥量施用，所有肥料均在蔬菜苗移栽前作基肥一次性施入。

供试土壤基本理化性状如下：全氮含量 5.80 g/kg、全磷含量2.42 g/kg、全钾含量 9.86 g/kg、速效磷含量0.65 g/kg、速效钾含量 0.66 g/kg、有機质含量50.97 g/kg、pH值6.7。供试猪粪有机肥养分含量见表1，供试化肥是氮、磷、钾含量均为15%的复合肥。

1.3 样品采集与测定方法

试验时间为2017年8月至2018年6月，期间每天进行日常管理和环境条件监测，蔬菜成熟时及时采摘并进行相关指标测定，试验期间每间隔30 d采集土样进行相关测试，土壤化学指标测定方法参照《土壤农业化学分析法》[12]，每茬种植结束后测定土壤和植株中全Cu、全Zn含量，按照景丽洁等的方法[13]对样品进行前处理，利用电感耦合等离子发射光谱仪（ICP）进行测定。

1.4 数据分析

采用Excel 2003和SPSS 18.0软件进行数据统计与分析。

2 结果与分析

2.1 连续3茬施用不同配比猪粪有机肥对土壤理化性状的影响

由表2可以看出，在氮肥等量施用的基础上，与CK相比，施用化肥（CF）处理土壤pH值有所下降，土壤酸化趋势明显;施用猪粪有机肥能够缓解土壤酸化趋势，其中OF处理效果最好。连续3茬施用猪粪有机肥能够明显提高土壤有机质含量，其中以OF处理效果最好，与其他处理相比有机质含量明显提高。连续3茬施用猪粪有机肥能够提高土壤中养分含量，其中有机肥施用量越高土壤中养分含量越高，OF处理的总养分[氮（N）、磷（P）、钾（K）]含量比CK提高了47%，而CF处理总养分含量比CK提高了27%。

2.2 连续3茬施用不同配比猪粪有机肥对土壤全Cu含量的影响

由表3可知，在表层土壤中CK、CF处理的全Cu含量随着种植茬数的增加逐渐降低，其中CF处理降低幅度较大;HOF、OF处理的全Cu含量随着种植茬数的增加而逐渐增加，其中OF处理增加幅度较大，连续3茬种植后与种植前相比全Cu含量增加2376%。连续3茬施用不同肥料处理对深层土壤中全Cu含量影响有限，未在深层土壤中造成Cu累积。

2.3 连续3茬施用猪粪有机肥对土壤中全Zn含量的影响

如表4所示，在表层土壤中CK、CF处理全Zn含量与全Cu含量相似，随着种植茬数的增加逐渐降低，其中CF处理降低幅度较大，连续3茬种植后全Zn含量降低40.58%;HOF、OF处理土壤全Zn含量随着种植茬数的增加逐渐增加，其中OF处理增加幅度较大，连续3茬种植后全Zn含量增加3412%，而HOF处理仅增加了1135%。连续3茬施用不同肥料处理对深层土壤中全Zn含量影响有限，未在深层土壤中造成Zn累积。

2.4 连续3茬施用不同配比猪粪有机肥对不同蔬菜作物中Cu、Zn含量的影响

铜、锌是人体必需微量元素，作物果实体内富含铜、 锌对提高作物的品质和营养成分含量具有重要影响，然而铜、锌含量过量会对人体健康产生负面影响。如表5所示，多茬施用并未造成作物果实体内Cu、Zn大量累计，与对照相比作物中Cu、Zn含量无明显提高，没有超过国家限定的标准。叶菜类作物相对于茄果类和根茎类作物Cu、Zn含量更高。

3 讨论与结论

农田土壤中重金属的生物毒性是影响农产品质量安全和土壤生态安全的重要因素。目前，随着集约化养殖场的发展、微量元素饲料添加剂的规模化使用，畜禽粪便有机肥的施用成为土壤重金属污染的重要来源。本试验结果表明，连续3茬施用不同配比猪粪有机肥对土壤理化性状影响存在差异，施用化肥的土壤酸化趋势明显，施用有机肥能够缓解土壤酸化趋势，且效果随着有机肥施用量的增加而增加。这与商和平等的研究结果类似，在酸性土壤条件下，施用畜禽养殖废弃物有机肥能够提高土壤的pH值[4]。有机肥的施用能够有效改善土壤环境，提高土壤有机质含量和农产品品质，因此施用有机肥逐渐被农民所接受，然而畜禽养殖废弃物制成有机肥中重金属等在土壤中累积现象不能忽视[14-16]。

重金属的毒性和迁移能力在很大程度上取决于它们在土壤中各种形态存在的数量比例，不同形态的重金属在土壤系统中的循环过程存在显著差异[16]。有机肥中含有大量的有机质，能够吸附、络合重金属，施入土壤后会影响外源重金属形态转化的过程[17]。本试验仅对土壤不同层次的铜、锌含量进行了测定，并未测定有效态铜、锌含量，这在后续研究中有待进一步分析。同时，本试验仅种植了3茬作物，铜、锌累积多久后在土壤、作物中会存在含量超标的风险，有待进一步的研究。

连续施用猪粪有机肥在表层土壤中易造成铜和锌的少量积累，猪粪有机肥施用量越多则铜和锌积累量越大，这与孙国峰等研究得到的稻麦两熟农田耕层土壤Zn含量随着猪粪有机肥施用量增加呈线性增强结果[3]一致;而通过有机无机配施或者化肥与有机肥轮换施用既能够减缓土壤中铜、锌的过多积累，又能维持土壤中铜和锌的营养平衡，有利于保持土壤的健康和食品的安全。

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