北京有机肥料质量和重金属含量变化分析

高 飞

(北京市耕地建设保护中心，北京100029)

有机肥料是中国农业生产中非常重要的肥料[1]。有机肥富含丰富的有机质、作物生长必需的养分及有机酸等物质，还含有氮、磷、钾，钙、镁、硫，铜、锌、铁、锰等大、中、微量元素[2]，具有培肥、改良土壤、提高作物产量、改善品质的功效[3-5]。其原料来源包括植物残体、畜禽粪污、沼液和残渣、海洋养殖业废弃物、泥炭、绿肥、酒糟等工业废弃物、以及餐厨垃圾等[6]。原料的多样性和复杂性导致有机肥质量良莠不齐。以规模化养殖场畜禽粪便为原料的有机肥料，存在重金属等饲料添加剂残留超标风险[7-8]。近年来，有机肥质量不达标问题屡被报道[9-10]。

中国蔬菜生产中有机肥施用量高。部分地区设施蔬菜中有机肥施用量占总施肥量的61%～88%[11]。北京地区每年菜田商品有机肥用量为30～60 t/hm2。按照全市609万 hm2设施菜田播种面积计算(数据来源于2019年北京市农业农村局调研统计数据)，北京全年投入设施菜田的有机肥达1 218～2 436万t。

为掌握北京市有机肥质量状况和变化趋势，2013—2020年调查分析北京市有机肥质量变化，以期为农业管理部门、技术推广部门、有机肥生产企业和农户提供参考。

1 材料与方法

1.1 样品采集

有机肥样品318份均为经过堆肥发酵的商品有机肥，其中2013年31份，2014年32份，2015年34份，2016年32份，2017年32份，2018年30份，2019年32份，2020年95份。大部分样品来源于本市有机肥生产企业，部分来源于肥料销售门市和蔬菜园区(基地)。

1.2 测定方法

样品自然风干，分别过1 mm和0.15 mm筛，测定全氮、全磷、全钾、有机质、pH值、水分、镉、铬、铅、砷、汞。

全氮、全磷、全钾、有机质、pH值和水分按照NY525—2012[12]的方法。全氮采用硫酸-过氧化氢消煮后凯氏定氮仪器检测。全磷采用硫酸-过氧化氢消煮后钼锑抗比色法。全钾采用硫酸-过氧化氢消煮后火焰光度法。有机质采用重铬酸钾容量法。pH值采用pH计法。水分含量采用真空烘箱法。重金属含量按照NY/T1978—2010[13]进行。样品经盐酸和硝酸消化后，砷、汞采用原子荧光分光光度法，铅、镉和铬采用原子吸收分光光度法。有机肥质量判定按照NY525—2012标准执行。

采用单因子污染指数法对各年份有机肥的5种重金属污染进行评价，其计算公式如下：

(1)

式中，Pi为第i种重金属的质量分数(单因子污染指数)；Ci为第i种重金属含量的均值；Si为第i种重金属限量标准，Pi越大重金属污染越严重。

同时，采用内梅罗综合污染指数法计算了5种重金属的综合污染指数，公式如下：

(2)

(3)

采用Excell和SPSS进行数据统计分析。Origin9.1进行绘图。

2 结果与分析

2.1 有机肥质量合格率

2013—2020年，共监测318个有机肥样品，质量合格率为83.0%，共有54个样品不合格。其中，有机质合格率为92.1%，共25个样品有机质不合格；重金属合格率为94.3%，共18个样品重金属超标；总养分合格率为95.9%，共13个样品总养分不合格；pH合格率为96.9%，共10个样品pH不合格；水分合格率为99.4%，共3个样品水分不合格。

2013年，全市共采集31个有机肥，质量合格率为58.06%。从2014年起有机肥质量合格率逐渐提高。2019年32个有机肥样品的质量合格率为96.88%，较2013年提高了67%。2020年有机肥采样范围从之前的有机肥生产企业扩大到了有机肥生产企业、肥料销售门市和蔬菜生产园区，采样数量增加到95个的情况下，质量合格率为92.63%，较2013年提高60%。上述结果说明，近八年北京市有机肥质量状况逐渐提升，尤其是近两年有机肥质量稳定良好。

2.2 有机肥的有机质含量

图1为不同年份有机肥的有机质含量。2013—2020年，各年份有机肥的有机质平均含量分别为49.95±12.90 g/kg、54.80±8.50 g/kg、56.54±10.24 g/kg、59.40±11.20 g/kg、57.40±9.64 g/kg、60.70±12.37 g/kg、62.44±9.25 g/kg和56.14±8.12 g/kg。与2013年相比，2014—2020年有机质含量分别增加9.81%、13.31%、19.04%、15.04%、21.62%、25.13%和12.51%。每年有机肥样品之间的有机质含量差异均较大，变异系数分别为26%、16%、18%、19%、17%、20%、15%和14%。除2013有机质合格率较低(64.5%)以外，2014—2020年，有机质指标合格率均明显提高，分别为93.8%、79.4%、96.9%、90.3%、93.3%、100%和96.8%。

图1 不同年份有机肥的有机质含量Fig.1 Organic matter content in organic fertilizer in different years

2.3 有机肥的大量元素养分含量

如图2所示，不同年份有机肥总养分最低含量在2.40%～5.09%之间，最高含量在11.30%～20.17%之间，中位数在7.10%～7.99%之间。总养分合格率除2013、2014和2018年略低以外，其他年份总养分合格率均达到了90%以上。

图2 不同年份有机肥总养分含量与合格率Fig.2 Total nutrient content and qualification rate of organic fertilizer in different years

有机肥样品之间的全氮、全磷、全钾含量变幅均较大，分别在0.26%～7.89%、0.26%～13.81%和0.51%～12.30%之间。不同样品之间全氮、全磷和全钾最高含量分别是最低含量的30倍、53倍和24倍。三大元素的变异系数分别为45%、60%和51%。318份有机肥样品的总养分平均值为7.83%～2.44%，变异系数为31%。

2.4 有机肥的pH和水分含量

表1为不同年份有机肥样品的pH值和水分含量。按照NY525—2012，pH值应该在5.5～8.5。如表所示，各年份pH值合格率均高于90%。不合格主要原因包括：1个不合格样品pH值低于5.5，其余不合格样品pH值大于8.5。按照NY525—2012，有机肥的水分含量不超过30%。共3个有机肥样品水分含量超标，分别是38.2%、35.4%和32.3%。

表1 不同年份有机肥样品的pH值和水分含量Tab.1 The pH value and water content of organic fertilizer in different years

2.5 有机肥的重金属含量和污染风险评价

表2可见，重金属检出率最高的是铅(100%)、砷(100%)和铬(99.69)，其次是镉(87.42%)，最低的为汞(79.87%)。铬检出浓度最高，平均检出质量浓度为42.98 mg/kg，最高达2 022.6 mg/kg，超过标准阈值12.5倍。样品之间铬检出浓度变幅很大，相差4个数量级，变异系数为309.44%。检出浓度次之的是铅，其平均检出质量浓度为26.65 mg/kg，最高为123.0 mg/kg，超标2.5倍，样品之间变异系数为51.08%。砷的平均检出质量浓度为4.82 mg/kg，最高检出质量浓度(29.8 mg/kg)超标2倍左右，变异系数为78.44%。汞的变异系数较高(333.69%)，平均检出质量浓度为0.30 mg/kg。镉的检出量较低，平均检出质量浓度为1.26 mg/kg。所有样品的镉含量均未超标，合格率为100%，铬、铅、砷和汞的合格率分别为97.48%、98.11%、 98.11%和98.74%。

表2 有机肥中镉、铬、铅、砷和汞的检出率、检出浓度、变异系数和合格率

不同年份5种重金属的单一污染指数和综合污染指数见表3。参考内梅罗综合污染指数评价标准[14]，所有年份有机肥中的镉、铬、铅、砷和汞单因子污染指数均<1.0，全部为清洁水平。5种重金属的污染指数从大到小的顺序依次为铅、铬和砷、镉、汞，说明铅、铬、砷是有机肥最重要的潜在污染风险元素。所有年份有机肥的综合污染指数均<0.7，全部为安全级别。但是，2013年和2020年，重金属综合污染指数均达到了0.58，接近污染警戒线 (0.7

表3 不同年份镉、铬、铅、砷和汞的污染指数Tab.3 The pollution index of Cd, Cr, Pb, As and Hg in organic fertilizer samples

表4为有机肥中5种重金属的相关性系数。除了镉与铬和砷之间无相关性以外，其余重金属元素之间均显著相关(P<0.05)，其中，铅与镉、铬、砷和汞的相关系数最高，分别为0.52、0.33、0.67和0.70，说明铬、铅、砷和汞具有同源性。

表4 有机肥中镉、铬、铅、砷和汞含量的相关性

3 结论和讨论

连续8年对北京市318份有机肥质量调查分析结果得出：有机肥质量总体合格率83.0%，并且合格情况逐渐变好，从58.1%(2013年)提高到了92.6%(2020年)。但北京市有机肥质量仍然存在问题，主要包括：

1)样品的有机质含量不足、个别样品铬含量超标严重(超标6.5和12.5倍)、pH值过高。

本次调查部分样品的有机质不合格，这可能受生产原料和堆肥工艺影响。建议优先选择作物秸秆和畜禽粪便，两者按一定比例掺混堆肥。堆肥过程中注意温度和水分调控，确保高温期维持在7 d以上，促进畜禽粪便彻底无害化。此外，第一次高温发酵结束后，建议进行二次发酵陈化，利于腐殖质的形成和有机肥品质的提高。

本次调查发现个别有机肥中铬检出浓度高达2 022.6 mg/kg，超标12.5倍。这可能与该有机肥发酵原料中铬含量较高有关。据报道，华北地区饲料中铬平均检出浓度13.89 mg/kg，且饲料中铬检出量与有机肥中铬残留量显著正相关[15]。重金属超标的有机肥施入农田后容易造成土壤重金属积累和农产品重金属超标，带来农产品质量安全风险。研究表明，堆肥过程中形成的腐殖质可以通过与重金属络合将迁移性较强的重金属形态转化为较为稳定的残渣态，从而钝化重金属，降低其毒性[16]。因此，建议有机肥企业对生产原料进行充分的堆肥发酵，降低其有效性，达到重金属无害化的目的。

堆肥过程中物料的pH一般呈先降后升的变化趋势。发酵开始后，由于微生物大量繁殖，分解有机物质，产生有机酸使堆体pH值下降，随着堆肥的继续进行和温度升高，乙酸、丁酸逐渐挥发，同时含氮有机物质所产生的氨使pH又逐渐升高，最后稳定在较高的水平[17]。本调查发现部分有机肥产品pH值高，可能是由于氨浓度过高或者堆肥过程中添加了碱性物质所致，实际上，大多数作物喜欢中性的土壤环境，草莓甚至喜欢酸性环境，因此，过碱的有机肥可能对作物缓苗和生长产生不利影响。建议堆肥过程中加强水、温和酸碱度的监测，并加强产品合格性检验。

2)有机肥的总氮、总磷和总钾含量差异较大(2.40%～20.17%)。一方面存在养分不足、样品不合格情况；另一方面存在添加养分量过高现象。

有机肥中氮、磷和钾含量的高低与堆肥原料和工艺密切相关。资料显示，畜禽粪便的全氮、全磷和全钾含量分别在0.76%～6.38%、0.19%～3.22%和0.43%～2.75%之间，秸秆的全氮、全磷和全钾含量分别在0.56%～2.65%、0.06%～1.10%和0.5%～3.96%之间，堆肥有机肥的全氮、全磷和全钾含量分别在0.43%～2.17%、0.18%～0.84%和0.37%～2.16%之间。以秸秆和牛粪等为原料发酵有机肥氮磷钾含量一般低于以猪粪和鸡粪为原料的有机肥。为了达到NY525—2012有机肥的总养分不低于5%的要求，部分有机肥企业会在发酵产品中添加化学肥料[18]。部分抽检样品的全氮、全磷和全钾单项指标的含量就超过了5%，总养分含量甚至达到了20%。实际上，除有机种植以外的常规种植模式下，农户习惯采用有机肥与无机肥配合施用，茄果类蔬菜通常底施有机肥2～4 t，并配施50 kg左右水溶肥。而在特定作物的目标产量下，植物对养分的吸收总量是固定的，对不同元素的吸收比例也不同，叶菜以氮为主，果菜以钾和氮为主。蔬菜对磷的吸收量最低，仅为氮、钾的三分之一左右。因此，长期施用含养分较高的有机肥容易导致菜田土壤养分盈余，特别是磷盈余十分明显[19]。以北京市为例，北京地区设施菜田土壤Olsen-P平均含量超过了200 mg/kg，部分老设施菜田土壤Olsen-P含量甚至超过了500 mg/kg，远远超过了土壤磷淋溶控制阈值(60 mg/kg)[20]。因此，建议生产企业降低化学养分尤其是磷肥添加量；另外，提倡农户合理施用商品有机肥，建议叶菜平均每公顷施用量不超过15 t，果菜每公顷施用量不超过22.5～30.0 t，老菜田施用量可以更低，以避免从生产应用角度导致的土壤养分盈余问题。