福建省有机肥中养分和重金属含量特征
2020-11-09刘兰英何肖云黄薇陈丽华吕新涂杰峰罗土炎
刘兰英 何肖云 黄薇 陈丽华 吕新 涂杰峰 罗土炎
商要:[目的]分析福建省有机肥中养分和重金属含量,了解福建省有机肥的总体质量状况。[方法]于2019年7-9月期间,在福建南平、漳州、龙岩、三明和福州等5个地区收集有机肥样品50份,分析有机肥中养分和重金属含量特征,比较不同原料来源有机肥中养分和重金属含量差异。[结果]依据现行的NY525-2012有机肥料标准,在采集的福建有机肥中,pH、有机质、氮磷钾总量和水分含量不符合率分别为8%、10%、28%和32%;重金属Pb、Cd、Cr、Hg、As均有检出,但不存在超标现象。不同原料来源的有机肥,生物有机肥中的全钾及氮磷钾总量显著高于其他原料配方形成的有机肥;除Hg外,其他重金属含量均以畜禽粪便为原料形成的有机肥较高,生物有机肥中的重金属含量最低;不同畜禽粪便为原料形成的有机肥,猪粪肥中的全氮、全磷及氮磷钾总量均显著高于鸡粪肥和羊粪肥;对重金属而言,Cr含量以猪粪肥最高,其次是鸡粪肥、羊粪肥;Pb、Cd、Hg、As含量以鸡粪肥最高,且鸡粪肥中的As含量显著高于以羊粪和猪粪为原料形成的有机肥。[结论]本研究所收集的福建省有机肥样品没有重金属超标现象,但养分含量不达标,水分含量超标比例较高,氮磷钾总量不足问题较突出,生产上需要特别注意氮磷钾养分的需求平衡。
关键词:有机肥;重金属养分;原料;福建
中图分类号:X839.2
文献标志码:A
文章编号:1008-0384(2020)06-064009
0引言
[研究意义]有机肥在农业生产中发挥着极其重要的作用。除富含作物生长发育所需的营养元素外,有机肥还含有氨基酸、有机酸、蛋白质、脂肪等有机营养物质,能改善土壤质量,提升耕地生产力,进而提高作物产量和品质的。近年来,随着我国经济的稳定发展和人民生活水平的日益提高,有机、绿色及无公害食品的需求不断上升,有机肥需求量也呈迅速增长的趋势。我国有机肥资源丰富,据统计数据显示,我国有机肥资源养分总量已超7000万代。然而,目前有机肥的质量存在一定的安全隐患,以畜禽粪便等有机废弃物为主要原料形成的有机肥极有可能含有重金属、抗生素、激素等危害因子,尤其随着我国畜禽养殖业规模化程度的提升,畜禽废弃物的污染问题更加突出。污染的有机肥中重金属等危害因子在土壤中积累和被作物吸收,会造成农产品和生态环境污染的风险,通过食物链传递,进而威胁人类健康。另外,即使有机肥中没有重金属、抗生素、激素等残留的现象,月量不足时,养分含量无法满足作物的生长要求,月量大时,同样存在环境污染问题%。因此,开展有机肥中危害因子和养分含量的调查,对于指导有机肥合理施用及其农用的安全性评价具有十分重要的意义。[前人研究进展]很多学者已对特定地区有机肥中养分和有害元素方面的研究开展了大量工作。覃丽霞等!对浙江省有机肥的质量状况进行了调查分析,发现猪粪有机肥的总养分含量最高,牛粪有机肥的有机质含量最高;有机肥中重金属超标现象比较普遍,重金属含量与原料来源和季节有密切关系。黄绍文等0对我国主要菜区商品有机肥和有机废弃物的质量状况开展了普查工作,发现商品鸡粪以铅、镉、铬超标为主,商品猪粪以镉、砷超标为主,其他商品有机肥以铬超标为主,猪粪、鸡粪和其他有机废弃物以砷超标为主,羊粪以镉超标为主。赵文等对海南省商品有机肥的重金属和抗生素污染状况进行了分析,发现海南省商品有机肥中铅、锌污染较为严重,有11种抗生素被不同程度地佥出,其中环丙沙星抗生素的检出率最高。福建省有机肥资源丰富,据不完全统计,2007年全省规模化养殖畜禽粪便资源总量3197.5万t,秸秆资源总量950.5万t,绿肥总量385.6万t,以及每年数百万吨的啤酒厂、味精厂的废渣和食用菌废料等。[本研究切人点]在众多的调查研究中,对于福建省有机肥质量状况的系统研究还未见报道。[拟解决的关键问题]本文对福建省主要有机肥生产厂家进行有机肥样品的采集,调查分析了有机肥中pH、有机质、全氮、全磷、全钾和水分含量,对有机肥样品进行Pb、Cd、Cr、Hg、As等5种重金属含量的检则,并比较了不同原料来源的有机肥样品中养分和重金属含量的差异,以期了解和评价福建省有机肥的质量状况,以及不同原料来源导致的有机肥品质差异,为有机肥利用的安全性提供基础数据。
1材料与方法
1.1样品采集
于2019年7-9月,在福建的南平、漳州、龙岩、三明和福州等5个地区选择具有代表性的规模化有机肥料厂采集有机肥样品,根据每个地区有机肥料厂分布的多少随机布局多个采样点,其中南平8个、漳州5个、龙岩2个、三明2个、福州5个,除去重复肥料,5个地区分别采集有机肥样品21、1、3、5、10份,共计50份肥料样品。每份样品均在肥料成品中随机多点采样并混匀而成。将采集的样品分成两份,一份用于含水量测定,另一份置于阴凉通风处自然风干,研磨后过1mm孔径筛储存备用。不同有机肥的加工工艺基本流程为:原材料混合-预发酵-发酵堆肥(期间翻堆5~6次)-后熟化-搅拌-粉碎-过筛-包装。
1.2样品测定
1.2.1有机肥的养分含量测定参照我国农业农村部的行业标准《有机肥料》(NY525-2012)时,样品pH值采用酸度计测定,水分含量采用直接烘千法测定,有机质含量采用重铬酸钾一硫酸容量法测定,全氮、全磷、全钾含量采用硫酸一过氧化氢消煮,其中全氮含量采用蒸馏法测定、全磷含量采用钒钼黄比色分光光度计测定,全钾含量采用火焰光度计测定。每个指标都进行全程同步试剂空白控制,每个样均设平行双样。
1.2.2有机肥的重金属含量测定参照我国农业农村部的行业标准《肥料汞、砷、镉、铅、铬含量的测定》(NY/T1978-2010)叫,提取样品中的Pb、Cd、Cr、Hg、As等重金屬,其中Pb、Cd、Cr含量采用电感耦合等离子体质谱仪进行测定,Hg、As含量采用原子荧光光度计测定。整个分析过程所用到的试剂均为优级纯,所用的水均为超纯水,分析过程中每个样品均设平行双样,以国家标准物质GBW07427和空白对照进行测定质量控制,回收率在88%~105%。
1.3数据统计分析
所有试验数据均采用Excel2007、Origin2015和SPSS18.0软件进行数据整理和统计分析及图表制作。
2结果与分析
2.1有机肥中养分含量总体情况
表1显示了收集的有机肥样品中养分含量的分布情况。从表l可以看出,有机肥中pH、有机质、全氮、全磷、全钾、水分的含量范围分别在5.9~9.0、28%~94%、0.65%~8.19%、0.58%~13.37%、0.36%~5.45%和2.22%~68.13%,平均含量依次是7.5、65%、2.12%、2.94%、l.90%和25.13%。其中,pH在6.5~8.5的有38份样品,占总样品量的76%;有机质含量在50%~80%的有35份样品,占总样品量的70%;全氮含量在1.00%~4.00%的有45份样品,占总样品量的90%;全磷含量在0.58%~4.00%的有40份样品,占总样品量的80%;全钾含量在0.36%~4%的有48份样品,占总样品量的96%;水分含量在2.22%~50.00%的有47份样品,占总样品量的94%。从氮磷钾含量来看,有机肥中全磷含量普遍最高,其次是全氮和全钾含量,氮磷比平均为1:1.39。
与有机肥料农业行业标准NY525-2012中对养分指标pH(5.5~8.5)、有机质(》45%)、氮磷钾总量(》5.0%)、水分(《30%)相比,pH在5.5~8.5的有46份样品,占总样品量的92%,有8%的样品pH不符合要求;有机质含量低于45%的样品有5份,占总样品量的10%;氮磷钾总量低于5.0%的样品有14份,占总样品量的28%;水分含量高于30%的样品有16份,占总样品量的32%。
2.1.1不同种类有机肥中养分含量比较按照有机肥的主要原料来源,将本研究所收集的有机肥样品分为植物原料有机肥(10份)、畜禽粪便有机肥(21份)、生物有机肥(11份)和其他有机肥(8份)等4类。其中,植物原料有机肥的主要原料是菌渣、油渣、豆渣、茶叶渣、烟末、烟梗粉、草木灰等中的一种或几种;畜禽粪便有机肥的主要原料是猪粪、鸡粪、羊粪、牛粪、兔粪等,有些样品还含有骨粉、腐植酸、其他配料等;生物有机肥的主要原料是特定功能微生物和动植物残体;其他类型有机肥主要原料不够明确,有些含有污泥、腐殖酸、豆粕等。不同原料来源有机肥的养分状况如表2所示。
从不同种类有机肥中各养分指标的均值比较来看,pH大小顺序为:畜禽粪便有机肥》植物原料有机肥》生物有机肥》其他有机肥;有机质含量大小依次为:植物原料有机肥》生物有机肥》畜禽粪便有机肥》其他有机肥;全氮含量大小依次为:生物有机肥》其他有机肥》植物原料有机肥》畜禽粪便有机肥;全磷含量大小依次为:生物有机肥》畜禽粪便有机肥》其他有机肥》植物原料有机肥;全钾含量大小依次为:生物有机肥》植物原料有机肥》畜禽粪便有机肥》其他有机肥;氮磷钾总量大小依次为:生物有机肥》植物原料有机肥》畜禽粪便有机肥》其他有机肥。方差分析结果表明,生物有机肥和畜禽粪便有机肥、其他来源有机肥之间的全钾含量均达到显著差异水平(P《0.05),生物有机肥中的全钾含量较畜禽粪便有机肥和其他来源有机肥平均高出1.11倍和1.61倍。
2.1.2不同畜禽粪便有机肥中养分含量比较由于在所分类的有机肥样品中,畜禽粪便型有机肥样品数最多(21份),而且以猪粪(5份)、鸡粪(6份)和羊粪(5份)为主要原料形成的有机肥样品数较多,因此进一步比较畜禽粪便有机肥中的猪粪肥、鸡粪肥和羊粪肥的养分含量差异,结果如表3所示。从不同畜禽粪便有机肥中各养分指标的均值比较来看,pH大小顺序为:羊粪肥》鸡粪肥》猪粪肥;有机质、全氮、全磷及全钾含量均呈猪粪肥》鸡粪肥》羊粪肥的趋势。方差分析结果表明,猪粪肥中的氮磷钾总量与其他畜禽粪便有机肥中的氮磷钾总量均达显著性差异水平(P《0.05),较鸡粪肥、羊粪肥平均分别高出0.83倍、2.08倍。
2.2有机肥中重金属含量总体情况
表4显示了收集的有机肥样品中重金属含量的分布情况。由表4可知,Pb、Cd、Cr、Hg、As的含量范围分别在1.9~42.7、0.04~2.38、3.0~99.1、0.05~1.16、0.46~9.06mg:kg',平均含量依次是13.1、0.40、20.0、0.33、2.32mg:kg'。其中,Pb含量在1.9~20.0mg:kg'的有47份样品,占总样品量的94%;Cd含量在0.04~0.60mg:kg的有44份样品,占总样品量的88%;Cr含量在3.0~20.0mg:kg'的有39份样品,占总样品量的78%;Hg含量在0.05~0.60mg:kg的有48份样品,占总样品量的96%;As含量在0.46~4.00mg:kg的有45份样品,占总样品量的90%。
与我国现有的有机肥料农业行业标准NY525-2012中对重金属的限量指标Pb(S50mg:kg')、Cd(S3mg:kg')、Cr(S150mgkg')、Hg(S2mg:kg)、As(S15mg:kg')相比,在采集的50份有机肥样品中,Pb、Cd、Cr、Hg、As均未超标。
2.2.1不同种类有机肥中重金属含量比较按照有机肥的主要原料来源,比较了不同种类有机肥中Pb、Cd、Cr、Hg、As的含量状况,结果如表5所示。
从不同种类有机肥中各重金属含量的均值比较来看,Pb含量大小依次为:其他有机肥》畜禽粪便有机肥》植物原料有机肥》生物有机肥;Cd含量大小依次为:畜禽粪便有机肥》其他有机肥》植物原料有机肥》生物有机肥;Cr含量大小依次为:畜禽粪便有机肥》其他有机肥》植物原料有机肥》生物有机肥;Hg含量大小依次为:生物有机肥》植物原料有机肥》其他有机肥》畜禽粪便有机肥;As含量大小依次为:其他有机肥》畜禽粪便有机肥》植物原料有機肥》生物有机肥。方差分析结果表明,生物有机肥中的Cr含量与畜禽粪便有机肥、其他来源有机肥之间的Cr含量均达到显著性差异水平(P《0.05);畜禽粪便有机肥中的Cr含量较生物有机肥平均高出4.46倍,其他来源有机肥中的Cr含量较生物有机肥平均高出4.31倍。
2.2.2不同畜禽粪便型有机肥中重金属含量比较按照畜禽粪便型有机肥的主要原料来源,进一步比较猪粪肥、鸡类肥和羊类肥的重金属含量差异,结果如表6所示。从不同畜禽粪便型有机肥中各重金属含量的均值比较来看,Cr含量大小依次为:猪粪肥》鸡粪肥》羊粪肥;Pb、Cd、Hg、As含量大小均呈鸡粪肥》羊粪肥》猪粪肥的趋势。方差分析结果表明,羊粪肥中的Cr含量与猪粪肥、鸡粪肥中的Cr含量均达显著性差异水平(P《0.05);鸡粪肥中的As含量显著高于羊粪肥和猪粪肥,平均分别高出1.33倍和1.19倍。
3讨论
有机肥在提高土壤肥力和改善作物品质等方面发挥着重要作用,是农产品生产中必不可少的肥料。目前对福建省有机肥质量状况的研究少,已有的研究主要集中在有机肥原料重金属含量的调查吗,而关于有机肥成品的质量状况缺乏系统性研究。本文调查分析了福建省主要有机肥料厂的有机肥成品中养分和重金属含量状况,并比较了不同原料生产的有机肥中养分、重金属含量差异。结果表明,在采集的50份福建有机肥中,部分样品存在养分含量不达标现象;各原料的有机肥中虽然均有检出Pb、Cd、Cr、Hg、As,但这5种重金属均不超标;不同原料生产的有机肥中养分和重金属含量存在一定的差异。研究结果为了解福建省有机肥养分含量特征、评价有机肥质量状况提供了新的认识。
施肥对作物产量影响显著,氮、磷、钾又是作物产量和品质形成的关键因素。本研究中,福建有机肥样品全磷含量普遍较高,其次是全氮、全钾含量,氮磷比例平均为1:1.39。其中猪粪肥中的全氮、全磷平均含量分别为2.88%和6.02%,二者均显著高于其他畜禽粪便来源形成的有机肥中相应养分含量(表3)。与其他文献报道比较,本研究猪粪肥中全氮、全磷含量也较高。覃丽霞等!的研究表明,浙江省有机肥中养分含量呈现为以猪粪为原料的有机肥最高,春季猪粪有机肥中氮、磷平均含量分别为2.20%和4.23%,夏季猪粪有机肥中氮、磷平均含量分别为2.53%和4.92%。黄绍文等凹的研究表明,商品猪粪有机肥和有机废弃物猪粪有机肥中的磷含量都较高,平均分别达3.26%和4.74%;氮平均含量分别为2.40%和2.16%,均低于本研究猪粪肥中的氮、磷含量。因此,施用猪粪来源的有机肥时要考虑其中的养分,尤其是氮磷钾养分的需求平衡,避免有机肥过量施用带来的土壤磷素积累等环境污染问题。
有机肥来源复杂,除可以提供作物生长所需的营养元素外,在原料或加工中常带来一定量的有毒有害物质,特别以重金属的污染较为普遍18-19。近年来相继有文献报道了商品有机肥中的重金属污染状况,如朱建华等20通过对上海商品有机肥中重金属进行研究,发现商品有机肥中重金属含量超标率较高。本文所收集的有机肥样品中虽然有检出Pb、Cd、Cr、Hg、As,但这5种重金属含量均低于国家现有的有机肥农业行业限量标准。分析认为,这可能是由于畜禽养殖业在有机肥原料质量,上进行了严格把关,进而从源头上减少了重金属污染,另外与有机肥发酵工艺的严格管控也密切相关。本研究发现,不同有机肥原料来源对重金属含量有很大影响。魏益华等叫的研究表明,动物性废弃物中重金属含量明显高于植物性废弃物,这与本研究结果基本一致。以动物性废弃物为原料生产的有机肥,除主要原料畜禽粪便中含重金属较高外,其加工过程加人的其他物料也含一定量的重金属,这可能是造成畜禽粪便型有机肥中重金属含量偏高的主要原因。已有的一些研究表明,在动物性废弃物中,以猪粪为主要原料生产的有机肥重金属含量较高。另有研究表明,以鸡粪为主要原料生产的有机肥重金属含量较高。在本研究所调查的猪粪肥、鸡粪肥和羊粪肥样品中,Cr含量以猪粪肥最高,Pb、cd、Hg、As含量以鸡粪肥最高。黄绍文等的研究表明,商品鸡粪肥中的Pb、Cr含量均值明显高于商品猪粪肥,而Hg、As含量以商品猪粪肥较高;此外,在有机废弃物调查中发现鸡粪中的Pb、Cd、Cr和Hg含量均值高于猪粪,As含量均值低于猪粪。不同畜禽粪便型有机肥之间重金属含量的差异可能与养殖业选用的饲料添加剂种类和剂量有关24-31。因此,以畜禽粪便为主要原料形成的有机肥,除了从源头上减少含重金属的饲料添加剂使用,还应该控制配料中的重金属含量,选择重金属含量低的配料。
本研究发现,生物有机肥中的全钾及氮磷钾总量均要高于其他原料配方形成的有机肥,这可能是由于生物有机肥兼具微生物肥料和有机肥料优点,发挥其综合优势,使其含有的养分也更加丰富。有研究表明,生物有机肥施入土壤能够显著提高土壤中全钾及速效钾含量叫。此外,本研究还发现,生物有机肥中的重金属含量也明显低于其他类型有机肥。相关研究表明,生物有机肥中的有机质和有益微生物对土壤重金属具有很强的吸附作用和鳌合作用,施用生物有机肥可以改善土壤重金屬污染状况28-30。因此,本研究结果可促进生物有机肥在农业生产中的应用和推广。
综上,本文初步调查和揭示了福建省有机肥的质量状况,比较了不同原料来源有机肥中养分和重金属含量的差异,研究结果对于充分了解和评价福建省有机肥的安全现状具有重要意义。然而,本研究未对有机肥应用于农业土壤环境的适用性及其潜在风险进行评价。研究有机肥农用所带来的重金属等危害因子的污染风险,对于评价有机肥农用的长期安全性意义重大,因此在后续研究中应该进一步完善这方面的研究。此外,由于我国对有机肥中重金属没有全面的含量限定,本研究中重金属的评价是依据相关行业标准NY525-20123,为更好地保障有机肥利用的安全性,建议尽快制定有机肥中重金属的限量标准。
(1)按照有机肥料农业行业标准NY525-2012"3'中对养分限量指标的要求,所收集的福建有机肥样品中,pH、有机质、氮磷钾总量、水分含量不符合要求的样品分别占8%、10%、28%和32%;不同原料配方形成的有机肥,对全钾含量影响较为显著,其中生物有机肥中的全钾及氮磷钾总量明显高于其他原料配方形成的有机肥;不同畜禽粪便为原料形成的有机肥,对全氮、全磷及氮磷钾总量影响显著,其中猪粪肥中的全氮、全磷及氮磷钾总量均明显高于鸡粪肥和羊粪肥。
(2)按照有机肥料农业行业标准NY525-2012"中对重金属限量指标的要求,所收集的福建有机肥样品中都检出了Pb、Cd、Cr、Hg、As,但这5种重金属均不超标;不同原料配方形成的有机肥,除Hg外,其他重金属含量均以畜禽粪便为原料形成的有机肥较高,生物有机肥中的重金属含量最低;不同畜禽粪便为原料形成的有机肥,Cr含量以猪粪肥最高,Pb、Cd、Hg、As含量以鸡粪肥最高,且鸡粪肥中的As含量显著高于羊粪肥和猪粪肥。
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(责任编辑:张梅)
刘兰英,何肖云,黄薇.等.福建省有机肥中养分和重金属含量特征[J].福建农业学报,2020.35(6);640648.