酸化储存粪水对油菜品质及重金属累积特征的影响

刘森泓，王娟，沈玉君，孟海波，丁京涛，张朋月，马艳茹，3，梁英

（1.黑龙江八一农垦大学食品学院，大庆 163319；2.农业农村部规划设计研究院农村能源与环保研究所，农业农村部资源循环利用技术与模式重点实验室；3.华中农业大学工学院）

油菜是人们日常生活中不可缺少的蔬菜食品，种植区域和播种面积为世界最大[1]。油菜的品质是决定口感、风味和营养的关键因素，直接影响着其等级和商品价值[2]，叶绿素、还原糖、Vc 以及硝酸盐是评价蔬菜品质的4 个重要指标。油菜中重金属含量的高低，直接影响其食用安全性。土壤、灌溉水是蔬菜作物中积累重金属主要途径，铜、锌是作物生长发育所必需的营养元素，而镉和铅是有害重金属，易被作物吸收，且在人体内累积易引起中毒。

油菜需肥量较大，长期使用化肥会使土地酸化板结，减少土壤中有机质含量，导致耕地质量下降，不利于庄稼生长。在油菜生产过程中用粪水作为有机肥源代替化肥，具有重要的现实意义。据统计，我国畜禽粪污年产生量约38 亿t，其中粪水产生量约20 亿t[3]。目前粪水还田进行资源化利用成为粪水的主要去向。养殖粪水含有丰富的氮磷钾等营养元素，但同时含有重金属等有害物质[4-5]，如果利用不当，不仅浪费资源，且易导致环境污染。粪水还田施用带来蔬菜中重金属的累积，已成为目前研究的焦点之一[6]。

目前，国内外学者的研究主要集中在猪粪废水还田以及固体粪便堆肥还田对作物产量以及品质的影响方面[6-8]，但国内仍缺乏施用猪粪水对作物重金属累积影响的系统研究。粪水还田之前一般需在贮存池放置一段时间[9]，粪水储存的时间越长，无害化的效果越明显[10-11]，可以进一步降低粪水中病原菌等有害物质。有研究表明施入酸化处理的粪污可以使氮素以NH4+的形式停留在土壤中，降低因NH3挥发造成的氮损失，提高肥效，增加产量[12-14]。试验以油菜为试验对象，分析粪水储存和酸化储存施用后，对油菜产量、品质以及重金属含量的影响，旨在为生产低污染物、高营养品质的油菜筛选最佳施用量提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

供试油菜品种为四月蔓，由北京花儿朵朵仙子农业有限公司生产。供试土壤为石灰性壤质褐土，土壤基本性质如表1 所示，过孔径为3 mm 的网筛备用[15]。供试生猪粪水由北京顺义区某养殖场，以过磷酸钙作为酸化剂，借助电动搅拌器在添加酸化剂的同时不断搅动粪水，调节粪水pH 至6.0。将未酸化和已酸化的粪水放置在自然通风的环境下储存60 d，粪水基本性质如表2 所示。

表1 供试土壤的基本理化性状Table 1 Basic physical and chemical properties of tested soils

表2 生猪粪水原料基本性质Table 2 Basic properties of pig manure and water

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计

试验于2019 年12 月至2020 年1 月在北京市农业农村部规划设计研究院温室内进行，研究采用温室盆栽试验。设置9 个处理（见表3），每个处理设置3个重复，共27 个盆栽。每个塑料盆底部平铺0.2 kg 石子粒，在石子上铺两层纱布，防止沙土流失，每个盆钵内均装入1.5 kg 过孔径为3 mm 网筛的土壤。粪水储存期结束后将两种猪粪水按体积比使用去离子水稀释，稀释后的猪粪水浓度分别为原猪粪水的100%、75%、50%和25%。再将稀释后的猪粪水作为基肥施用到盆栽中。按照试验设计分别施肥，以供试土壤的田间最大持水量为基础施肥量。粪水基肥在播种前施用，栽培期间不再追肥。实验于2019 年12月5 日播种，2020 年1 月20 日收获，生长周期为45 d，出苗后每盆定植3 株，栽培期间平均光照时间为12～14 h，平均室温为24～27 ℃。每次浇水时盆栽置于电子天平上，使用去离子水浇灌至初始盆栽肥料施用后的重量。每个处理被随机放置在温室中，以确保一致的生长条件。

表3 试验设计Table 3 Experimental design

1.2.2 采样及测定方法

油菜收获时收集地上可食用部分一次性采集带回实验室，用自来水清洗，再用去离子水淋洗，后用吸水纸擦干并称重后[16]，取部分鲜样以用于测定油菜的Vc、还原糖、叶绿素以及硝酸盐含量。剩余鲜样于105 ℃杀青后，65 ℃过夜烘干，利用玛瑙研钵碾碎后过100 目筛，用于测定油菜中的Cu、Zn、Cd 和Pb 含量。

油菜鲜重的测定采用直接称重法；油菜中的Vc含量测定采用2，6-二氯靛酚滴定法[17]；还原糖含量测定采用3，5-二硝基水杨酸比色法[18]；叶绿素含量测定采用丙酮-乙醇混合法[19]；硝酸盐含量测定采用紫外分光光度法[20]，Cu、Zn、Cd 和Pb 的测定采用HNO3－H2O2体系进行微波消解，利用ICP-MS 测定[21]。

1.2.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2016 软件进行数据输入用作预处理，利用SPSS22.0 数据处理软件进行数据统计和差异性分析，采用Origin 2018 软件进行图像处理。

2 结果与分析

2.1 不同粪水处理方式对油菜产量的影响

油菜的产量是直接体现粪水肥效的重要指标之一，各处理油菜产量如图1 所示，施用粪水与酸化粪水的处理与CK 在0.05 水平上呈显著差异（P<0.05），油菜产量提高了43.38%～209.76%，表明施加猪粪水和酸化猪粪水可显著提高油菜的鲜重产量，其中G2处理的产量最高，高达42.84±2.61 g。油菜产量随粪水施用量的增加呈升高趋势，但施用酸化粪水的处理中，油菜产量随粪水施用量的增加呈先升高后降低的趋势，通过对比施用粪水和酸化粪水油菜的产量，施用酸化粪水的油菜比施用粪水的油菜产量提高了2.05%～96.88%，可以看出酸化储存粪水对油菜的增产效果更明显。

图1 不同粪水处理方式对油菜产量的影响Fig.1 Effect of different treatments on rape yield

2.2 不同粪水处理方式对油菜品质的影响

2.2.1 对油菜Vc 含量的影响变化

Vc 是维持人体正常生理代谢必需的营养物质，身体中缺乏Vc 会引发多种身体疾病。不同粪水处理方式对油菜Vc 含量的影响如图2 所示，施用粪水与酸化粪水的处理与CK 在0.05 水平上呈显著差异（P<0.05）。除C1 外，其他处理的Vc 含量均高于CK，这表明，施加粪水有机肥可以增加油菜作物的Vc 含量。随着粪水用量的增加，油菜的Vc 含量呈增加趋势，这与刘春的试验结果相似[22]。比较两种粪水的同浓度处理的Vc 含量可知，酸化粪水处理的油菜Vc含量较未酸化处理组高8.45%～31.15%，这表明施加经酸化的粪水可以提高油菜中的Vc 含量。

2.2.2 对油菜还原糖含量的影响变化

我院成立胸痛中心后，胸痛患者的抢救成功率已明显提高，但对自行入院的胸痛患者，总缺血时间仍然较长，尤其是D2B时间达标率仍然不高，主要原因也是签署术前知情同意书时间过长和院内流程执行不规范，提示要进一步缩短知情同意过程、优化并严格执行院内救治流程，要求严、标准高，给护理工作带来重大挑战[1]。

还原糖是作物体内进行呼吸作用的基质，同时也是鉴定蔬菜品质的重要指标之一。试验中各处理的还原糖含量如图3 所示，由图3 可知，CK 的含量最高，高达23.34±1.77 mg·g-1。其他处理与CK 在0.05 水平上差异显著，还原糖含量降低了16.80%～59.30%。还原糖含量会随着粪水的施用量的增加而呈下降的趋势，这表明施加经储存后的猪粪水会降低油菜中还原糖的含量。通过对比施用不同类型粪水的油菜还原糖含量，发现当稀释浓度相同时，酸化储存后粪水的还原糖含量相对更低，

图2 不同粪水处理方式对油菜Vc 含量的影响Fig.2 Effect of different treatments on VC content in rapeseed

图3 不同粪水处理方式对油菜还原糖含量的影响Fig.3 Effects of different fertilization treatments on reducing sugar content in rapeseed

2.2.3 对叶绿素含量的影响变化

叶绿素是植物进行光合作用的主要色素，有提供维生素、解毒、抗病等多种用途。试验中各处理的叶绿素含量如图4 所示，施加储存后的粪水可显著提高油菜7.51%～21.54%的叶绿素含量，油菜中的叶绿素含量随着施加浓度的升高而增加，通过对比施用不同类型粪水的油菜叶绿素含量，发现当稀释浓度相同时，酸化储存后粪水对油菜叶绿素含量的提升效果更佳。

2.2.4 对油菜硝酸盐含量的影响变化

硝酸盐质量分数高低是评价蔬菜质量的关键。试验中各处理的硝酸盐含量如图5 所示，除G4 外，施用储存后粪水后可以降低油菜中4.41%～40.15%的硝酸盐含量，均符合《农产品安全质量无公害蔬菜安全要求》（GB 18406.1-2001）中量的要求[23]，当酸化储存粪水浓度为25%和50%时，油菜中硝酸盐含量较低。这表明当猪粪水经储存后作为肥料施用时，可以减少油菜中的硝酸盐含量，油菜硝酸盐含量随粪水浓度的升高而增加，研究趋势与牛晓丽和王朝辉等[24-25]研究趋势一致。当粪水浓度升高时，粪水中的硝酸盐含量也同样增多，油菜硝酸盐含量随粪水浓度的升高而增加，这表明粪水施加量的多少直接影响着油菜中硝酸盐的累积量。

图4 不同粪水处理方式对油菜叶绿素含量的影响Fig.4 Effect of different treatments on chlorophyll content in rapeseed

图5 不同粪水处理方式对油菜硝酸盐含量的影响Fig.5 Effects of different manure-water treatments on nitrate content in rape

2.3 不同粪水处理方式对油菜重金属累积的影响

试验中各处理的重金属含量如表3 所示，由表3可知，施加粪水和酸化粪水的处理组油菜的其矿质重金属Cu 和Zn 的含量都超过了CK 的重金属含量，并呈现显著差异。油菜Cu 和Zn 的含量随着肥水施用量的增加而呈逐渐升高趋势，其中Cu 在未酸化粪水的处理中C4 含量最高，为5.853±0.124 mg·kg-1，较CK 提高了61.86%，在酸化粪水的处理中G4 含量最高，为5.483±0.173 mg·kg-1，较CK 提高了51.63%。其中Zn 在未酸化粪水的处理中C4 含量最高，为53.943±1.362 mg·kg-1，较CK 提高了54.20%，在酸化粪水的处理中G4 含量最高，为52.207±1.167 mg·kg-1，较CK 提高了49.24%。

各试验处理的油菜Cd 和Pb 含量高于CK 对照组，其中处理组的Cd 含量与CK 组含量呈显著差异，油菜Cd 和Pb 含量随着肥水施用量的增加而呈逐渐升高趋势。对比相同浓度下的两种储存后粪水的Cd和Pb 含量，使用储存后酸化粪水处理组的Cd 和Pb含量较未酸化处理组较低，即使在高量酸化粪水（100%浓度）条件下，油菜体内的重金属Cd 和Pb 含量也分别仅为0.117±0.016、0.065±0.016 mg·kg-1，均未超出食品卫生安全的标准。比较相同浓度不同类型储存粪水处理中油菜的重金属含量，发现酸化处理组油菜的重金属含量较低。

表4 不同处理下的油菜重金属含量Table 4 Heavy metals content of rape under different treatment

表5 重金属总量与施用浓度之间的相关性分析结果Table 5 Results of correlation analysis between total heavy metal amount and applied concentration

3 讨论

3.1 不同施肥处理对产量的影响分析

从不同类型储存粪水的肥效来看，两种类型粪水中均含有丰富的营养成分和有机质含量[30]，能够提高土壤的肥效性，均有增产作用，其中酸化粪水经储存后肥效较好，可能是因为酸化后的粪水减少了粪水储存及还田后土壤中氨挥发造成的N 损失，提高了粪水中N 素的利用率，从而促进作物生长。但过量施用酸化粪水会增加了土壤全盐量，抑制油菜的生长[31]。

3.2 不同施肥处理对品质的影响分析

与CK 相比，不同类型粪水栽培油菜的Vc、还原糖、叶绿素和硝酸盐含量各有高低。根据郭熙盛等[32]研究，油菜Vc 含量会因为土壤中的NH4-N 比例高而提高。生猪酸化粪水氮量高，施氮量消耗了过多的碳架，从而导致油菜中的还原糖含量降低[33]。猪粪水中含有多种微量元素，有利于油菜中叶绿素的合成[34]。而较低的土壤pH 有助于叶绿素的合成[35]，过磷酸钙也会使粪水中增加额外的P 元素，而P 元素会影响油菜的光合作用，张晓伟等[36]的试验证明磷含量和叶绿素含量呈正相关，同样张玉斌等[37]研究结果表明添加磷肥对叶绿素的合成具有促进作用。生猪粪水中的一些稀有元素能提高硝酸还原酶的活性，促进硝态氮还原转化为氨和氨基酸等营养物质，进而减少蔬菜中硝酸盐的含量[38]。同时生猪粪水中有机质可以降低土壤硝酸盐的含量，从而降低作物中的累积量[39]。

3.3 不同施肥处理对重金属累积的影响分析

酸化储存粪水中的磷酸盐可以减少重金属离子向植物中的迁移，可以促进重金属向稳定形态转化，降低了碱性土壤中重金属的潜在释放能力[40]，减少有害重金属在植物体内的累积。添加酸化剂可以改变重金属含量与粪水浓度之间的相关系数，减少有害重金属在油菜体内的累积程度。

4 结论

（1）进一步分析了生猪储存后粪水对油菜产量、品质和重金属累积的影响，粪水栽培油菜的产量、叶绿素、Vc 含量高于CK，且硝酸盐含量更低，但会降低还原糖含量。同时所有处理的油菜重金属含量均未超出相关蔬菜安全标准，综合各项品质指标和重金属含量来看，添加猪粪水后可以明显改善作物的品质，其中酸化储存猪粪水对油菜品质的改善效果更佳。利用酸化粪水作为肥料，可以解决大量养殖粪水难以消纳的问题，还可以起到增产、改善以及降低污染物含量低的作用。

（2）当酸化粪水浓度为25%和50%时，油菜产量高于其他处理，且在此浓度下，油菜硝酸盐和重金属含量较低，综合油菜产量、重金属含量以及品质结果，建议酸化养殖粪水施用前进行稀释，可使油菜的产量提高、品质提升。粪水经酸化储存后还田可以降低油菜中重金属的累积量，减少粪水直接还田带来的重金属安全风险，但对于其他污染物累积的影响还有待进一步研究。选取油菜作为栽培对象，但不同科属或者不同品种蔬菜根系部分对于土壤中重金属的吸收能力以及地上可食用部分的重金属累积情况可能存在差异，因此对不同类型蔬菜品种的酸化储存粪水的施用效果还有待研究。