“猪-沼-菜”循环利用模式中水芹菜-土壤重金属积累和风险评价

唐夏军，臧一天，朱绪平，刘宝金，袁兴云，舒邓群*

(1．江西农业大学 动物科学技术学院，江西 南昌 330045；2．南昌县莲塘畜牧兽医站，江西 南昌 330200； 3．乐平市金园牧业有限责任公司， 江西 乐平 333300)

畜禽养殖业是农业生产系统的重要组成部分，是畜牧业经济中的支柱产业。然而，畜禽养殖业在促进经济发展的同时，也产生了大量的养殖粪污废弃物，严重影响到周围居民的居住环境和畜禽养殖业的可持续发展[1]。因此，对畜禽养殖业产生的污染物进行无害化处理和资源化利用，变废为宝，成为了当今养殖业发展的必由之路。

“猪-沼-水芹菜”循环模式是沼液资源化利用的一种良好形式[2]，既可以较好的解决沼液的二次污染问题，又可以生产优质的水芹菜。然而，目前关于沼液和水芹菜在农业生产中的研究多侧重于沼液对水芹菜产量、品质以及水芹菜对沼液的净化效果等[3-5]，而关于沼液灌溉对水芹菜-土壤系统中重金属累积含量变化的相关研究较少。因此，本研究通过检测施用沼液后水芹菜-土壤系统中重金属的累积含量，探究施用沼液的环境风险，以期能为沼液在水芹菜种植上的安全应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点与水芹菜种植

1.1.1 试验地点 江西省某规模化猪场“猪-沼-水芹菜”循环模式水芹菜生产基地。

1.1.2 试验设计 水芹菜于2017年8到9月份进行移栽。种植期间除了使用猪场沼液灌溉水田外，不使用其它任何化肥和农药。设相邻的3块水田作为试验区，每个试验区的面积为600 m2(30 m×20 m)；试验区田埂筑高约28 cm。2017年8月16日选择株高10 cm的水芹幼苗，全部移栽至试验区。处理组的沼液总用量设计为3 000 kg/ hm2，每批次水芹菜沼液施用量按照当地施肥习惯，分3次施入，用肥比例为基肥∶第一次追肥∶第二次追肥=40%∶35%∶25%，基肥在水芹移栽时一次性施入，第一次追肥在水芹幼苗基本成活时进行，第二次追肥在第一次追肥后10 d左右，每个批次的沼液使用量保持一致。水芹菜田间管理按照当地常规措施进行，分区施沼液，各种管理措施一致，并在同一日完成，且保证各区每次灌溉水分总量基本相等。收获第一茬水芹菜在12月底，第二茬水芹菜在次年1月底，第三茬水芹菜在次年3月底。前期试验发现[2]，沼液中重金属 Cu、Fe、Mn、Zn、Pb、Cd、Cr6+、Hg和Se含量均符合《农田灌溉水质标准》(GB 5084-2005)[6]。

1.2 样本的采集与预处理

1.2.1 水芹菜的采集 如图1所示，分别于2018年12月24日(批次1)、2019年1月24日(批次2)和2019年3月24日(批次3)在相邻的3块试验田同一取样点(每块水芹菜田如图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ5个点所示进行采样)采集水芹菜，下一批次水芹菜也在同样的点采集。每块水田均按对角线法随机采取5个水芹菜混合样，每种样品3个重复，每个样品1 kg左右，采集长势相近的水芹菜，连根拔起。采集后洗净装袋，当天送回实验室，处理表面水分，清除腐败叶，并于105 ℃恒温干燥箱中杀青2 h，于65 ℃继续烘干至恒重，保存，待测。

1.2.2 土壤样本的采集 如图1所示，采集水芹菜的同时采集水芹菜根际0～20 cm耕作层的土壤，土样采集位置与水芹菜样品采集位置一致，同一地点采集3个土壤样本，每个土样1 kg左右，保持一致。采样时用竹铲铲取土壤，并把样品放置于塑料袋中，带回实验室分析。

图1 水芹菜和土壤样采集点位置示意图Fig.1 Schematic diagram of the location of water celery and soil sample collection points

1.3 测定指标与方法

水芹菜样品的处理参照《食品安全国家标准 食品中污染物限量》[7]，土壤样品的处理参照《土壤农化分析方法》[8]。重金属使用原子吸收分光光度计进行检测。

1.4 数据处理与统计分析

试验数据使用Excel进行整理，SPSS 22.0进行显著性检验。水芹菜测定数据与《食品安全国家标准 食品中污染物限量》(GB2762-2017)相对比。土样测定的数据与《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》[9](GB 15618-2018)标准值相比较，评价水芹菜和土壤中重金属的累积情况。

2 结果与分析

2.1 不同批次水芹菜中重金属含量

由表1可以看出，三个批次中Cu的含量第二批次相对第一批次降低了3.7%，第三批次相对第二批次提高了41.6%，最高的为第三批次，Cu的含量为8.47 mg/kg， Cu含量第三批与第一批、第二批差异显著(P<0.05)；三个批次中Zn的含量第二批次相对第一批次增加了23.5%，第三批次相对第二批次降低了46.8%，最高的为第二批次，Zn的含量为23.19 mg/kg，且不同批次间的差异性不显著(P>0.05)。

表1 不同批次水芹菜中重金属含量Table 1 Heavy metal content in different batches of water celery

Pb、Cd在水芹菜中的含量均随收割批次的增加而升高，具有明显的累积效果。第三批次水芹菜中Pb、Cd的含量显著高于前两批(P<0.05)，前两批含量无显著差异(P>0.05)；各批次Cd含量均符合食品中污染物限量的相关要求，第三批次水芹菜中Pb含量较高。

2.2 不同批次土壤中重金属含量

由表2可以看出，Cu含量第一、二批次之间增长并不显著(P>0.05)，但第三批次相对前两个批次增长显著(P<0.05)。Zn含量符合安全标准，且3个批次之间增长都不显著(P>0.05)。

表2 不同批次土壤中重金属含量Table 2 Heavy metal content in different batches of soil

三个批次中Pb含量处于逐渐增加的趋势。第二批次相对第一批次提高了0.8%，第三批次相对第二批次提高了7.5%，最高的为第三批次， Pb的含量为26.04 mg/kg，且不同批次间的差异性不显著(P>0.05)，但均低于农用地土壤污染风险管控标准。

第二批次Cd含量相对第一批次降低了6.7%，第三批次相对第二批次提高了20%，最高的为第三批次，Cd的含量为0.18 mg/kg，且不同批次间的差异性不显著(P>0.05)，但均低于农用地土壤污染风险管控标准。

2.3 沼液、土壤和水芹菜重金属相关性分析

沼液、土壤、水芹菜茎叶中重金属Cu、Zn、Pb和Cd浓度的相关性系数结果见表3～6。由表3～6可见，土壤与沼液中的Cu、Zn含量呈显著性正相关(P<0.05)，表明土壤中的Cu、Zn大部分来自沼液的灌溉。土壤和水芹菜茎叶中Cu、Zn呈显著性负相关(P<0.05)，这可能是因为水芹菜茎叶部分对Cu、Zn有一定的抵制作用。土壤与水芹菜茎叶中Cd呈显著性正相关(P<0.05)，表明水芹菜茎叶中的Cd主要来自土壤。水芹菜茎叶与沼液和土壤中的Pb无显著相关性(P>0.05)，表明沼液的灌溉在试验期间对每一批次水芹菜茎叶中Pb的积累影响较小。

表3 沼液、土壤、水芹菜茎叶中Cu浓度的相关性分析Table 3 Correlation analysis of Cu concentration in stems and leaves of biogas slurry, soil and water celery

表4 沼液、土壤、水芹菜茎叶中Zn浓度的相关性分析Table 4 Correlation analysis of Zn concentration in stems and leaves of biogas slurry, soil and water celery

表5 沼液、土壤、水芹菜茎叶中Pb浓度的相关性分析Table 5 Correlation analysis of Pb concentration in stems and leaves of biogas slurry, soil and water celery

表6 沼液、土壤、水芹菜茎叶中Cd浓度的相关性分析Table 6 Correlation analysis of Cd concentration in stems and leaves of biogas slurry, soil and water celery

3 讨 论

3.1 不同批次水芹菜中重金属含量变化

本试验表明，随着水芹菜种植茬数的增加，Cu可在水芹菜内逐渐富集，造成第三批次水芹菜中Cu含量显著高于第一和第二批次(P<0.05)，与黄新灿[10]的研究结果较为一致。

第三批次水芹菜中Zn含量相对于第一批次和第二批次有所降低，这与张妍等[11]的研究结果较为一致，可能是沼液的不断灌溉可提高水芹菜田有机质含量，有机质强力吸附Zn及腐殖质分解形成腐殖酸可与沼液中Zn形成络合物从而降低水芹菜对Zn的吸收和转运能力[12],造成各批次水芹菜中Zn含量未表现出显著性差异。而在第一批次和第二批次时由于沼液灌溉量小，土壤中有机质含量低，使有机质、腐殖酸等对沼液中Zn的络合效果较差，水芹菜中Zn含量因对沼液的吸收作用而升高。Pb在水芹菜各批次中含量逐渐升高，这与殷山红等[13]发现的多茬蔬菜随着种植茬数的增加，后续茬数的蔬菜中Pb含量显著高于前面同一茬数的结果相似，说明水芹菜随着种植茬数的增加，水芹菜中Pb含量会呈现显著性累积。Cd在第三批次中的含量显著高于第一批次和第二批次(P<0.05)， 这可能是由于沼液灌溉量的增加，使土壤pH值上升，活化重金属元素能力增强，造成Cd 更易被水芹菜所富集[14]。第一批次和第二批次的水芹菜中Cd含量变化差异不显著(P>0.05)可能与沼液中Cd含量较低或水芹菜生长周期较短有关。

3.2 不同批次土壤中重金属含量变化

本试验表明，随着沼液灌溉量的增加，三个批次的土壤中重金属Cu呈现逐渐增加趋势，分析其可能原因是沼液灌溉量的增加使水芹菜田土壤中的有机质含量增加，而有机质对Cu具有较强的亲合力，使土壤中Cu有机结合态Cu的浓度不断增加，导致土壤对Cu的逐步累积[15]。Zn主要在土壤表层积累[16]，大部分以结合态形式存在，不易被植物吸收[17]。本试验中发现，随着沼液的不断灌溉，土壤中总Zn含量呈现逐渐增大的趋势，但差异不显著(P<0.05)，这与李晓光[18]研究的研究结果具有较好的一致性，可见沼液的短期灌溉对水芹菜中Zn的累积效应并不明显。殷山红等[13]在对施用猪粪有机肥种植叶菜的试验中发现，随着施肥量的增加，第一茬、第二茬和第三茬的叶菜土壤中Pb含量总体变化趋势不显著(P>0.05)，本试验结果与其具有较好的一致性，分析其原因可能与沼液中Pb含量偏低或水芹菜生长周期较短有关。第二批次土壤中Cd含量相对于第一批次降低了6.7% ，而第三批次相对于第二批次提高了20%，说明短期有机肥施用可降低土壤中Cd 含量，但连续施用有机肥可增加土壤Cd含量[13]。注意到各批次土壤中Cd含量虽有所变化，但未表现出显著差异(P>0.05)，分析其原因可能与沼液中Cd含量较低有关。

3.3 水芹菜中Pb含量超标的原因分析

本试验中发现，尽管沼液和土壤中Pb含量都符合国家相关标准，但各批次水芹菜中出现Pb含量持续升高的现象。研究发现，植物在逆境中，细胞原生质膜中不饱和脂肪酸发生过氧化反应产生的丙二醛会破坏质膜，而丙二醛含量和相对电导率这两个指标可以反映质膜受伤害的程度[19-20]。代杰等[21]发现当外界Pb浓度超过10 mg/L时，随着Pb处理浓度的升高，水芹菜中丙二醛和相对电导率也显著升高(P<0.05)。此外，董园园等[22]研究发现，长期的深水灌溉，水芹菜的根、茎均能直接从灌溉水中吸收Pb，当灌溉水中Pb浓度升高时，成熟期水芹菜茎中Pb含量呈极显著增加(P<0.01)。实际生产中由于沼液灌入后就贮存在水芹菜田直至完全消纳。因此，尽管沼液中的Pb含量较低，但随着沼液的不断灌溉会使沼液和土壤中Pb持续累积，而长期的深水灌溉栽培方式又使Pb一直被水芹菜的根和茎吸收、富集，同时浓度较高的Pb损害水芹菜的质膜，改变通透性，使Pb2+以被动吸收的形式通过质膜[23]，从而造成水芹菜中Pb含量持续升高。

朴明浩等[24]研究发现，追施磷酸二铵能大幅度降低白芹铅含量，并且对白芹产量没有显著影响。因此，建议当地在水芹菜生产中，除了密切监测沼液和土壤中Pb的含量之外，还可选用磷酸二铵作为追肥品种，降低水芹菜中Pb的含量。

4 结 论

在水芹菜不同收割阶段重金属含量不同，随沼液浇灌时间延长，水芹菜中重金属明显累积。在不同的水芹菜种植阶段，其土壤中Cu、Zn元素的含量均有所提高。土壤Pb、Cd累积量均符合农用地土壤污染风险管控标准。