沼液施灌模式下稻田系统重金属风险评估

罗旭辉，项 赟，闫 晶，李小女

(1.福建省农业科院农业生态研究所/福建省红壤山地农业生态过程重点实验室， 福建福州 350013； 2.生态环境部华南环境科学研究所， 广东 广州 510655； 3.中国农业大学生物质工程中心， 北京 100193； 4.南平市光泽生态环境局， 福建 南平 354100)

污水灌溉指利用工业废水或城市生活污水灌溉农田。近年来，污水灌溉的范围也延伸至沼液施灌。目前，我国污灌农田面积达140万hm2，重金属污染普遍，其中镉(Cd)污染最为普遍，面积达1.3万hm2，涉及11个省的25个地区[1]，成为农田土壤重金属中污染概率最高的元素[2]，东南沿海地区水稻土Cd的平均浓度为0.21 mg·kg-1[3]。但是土壤重金属富集与污水类型、土壤各种理化性质、成土母质以及重金属全量和有效态含量等指标相关，急需加强针对不同地区、不同土壤、不同生产模式开展深入研究，为生态环境风险模型模拟与预测提供依据。沼液是人、畜粪便和秸秆等生物质资源经厌氧发酵产生沼气过程的液体废弃物，富含多种水稻生长所需的有机物质、营养元素和活性物质，通过稻田消解沼肥不仅可以有效处理废弃物和节省水稻氮肥投入，有研究表明[4-5]施入等量氮肥的沼液在维持水稻产量的同时，可以减少23%的氨挥发，但过度施用则会导致农田土壤及水体污染。当前规模养殖场依然存在沼液完全利用难、达标处理成本高的问题。水稻是南方耕地主要种植作物，同时稻田基础设施相对完善，为沼液输送提供前置条件，这让施灌稻田成为沼液利用的优先选择。本研究在环武夷山国家公园保护发展带开展试验，评价沼液施灌稻田的环境效应，以期科学推动该区种养循环发展提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于光泽县寨里镇山头村新丰组，海拔490 m，年降雨量1 850 mm，年均温度17.2℃，主要种植优质稻，距离武夷山国家公园直线最近距离约20 km。

1.2 试验处理

试验设T1(100%化肥)、T2(50%化肥+50%沼液)、T3(50%化肥+100%沼液)、T4(50%化肥+200%沼液)4个处理每个处理3次重复，各处理施肥方法见表1。

表1 不同处理的氮投入

1.3 试验材料

基肥化肥为“江南丰收”(N 13%、P2O55%、K2O 7%)，施肥时间2021年6月11日；沼液总氮浓度为1 382 mg·L-1(即每吨沼液相当于1.382 kg纯氮)，施用时间2021年5月22日。分蘖肥化肥为“金土地”(N 15%、P2O515%、K2O 15%)，施肥时间2021年7月15日；沼液总氮浓度为3 780 mg·L-1(即每吨沼液相当于3.78 kg纯氮)，施用时间为2021年7月14日。沼液理化性质见表2，土壤理化性质见表3，各处理间差异不显著。水稻品种为高秆、抗倒伏的野香优676。

表2 沼液的理化性质

表3 土壤理化性质

1.4 测定项目与方法

在种植前(2021年5月15日)测定各处理土壤基本理化性质(pH、EC、OM、TN、TP、TK)、重金属(Pb、Cd、Cr、As、Hg、Ni、Zn、Cu)含量；种植后(2021年9月30日)实地取0～20 cm土样混合，每个处理3个重复，送检测定。

1.5 数据分析方法

稻米生态风险采用单因子指数法[6-7]。

Pi=RCi/RSi

(1)

其中RCi为稻米污染物i的实际检测浓度(mg·kg-1)，RSi为稻米污染物i的限制标准，Pi为稻米污染物i的风险指数。

土壤生态风险采用Hakanson潜在生态污染风险指数法[8-10]，相关毒性响应系数和背景值见表4，其中背景值参考福建省花岗岩发育红壤背景值[11]。

表4 重金属的毒性响应系数与背景值

Cfi=SCi/SSi

(2)

Eri=Tri×Cfi

(3)

RI=∑Eri

(4)

其中，SCi为土壤中污染物i的实际检测浓度(mg·kg-1)，SSi为当地土壤污染物i的背景值(mg·kg-1)，Cfi为相对富集系数，Tri为污染物i的毒性响应系数，Eri为单一重金属的生态污染风险指数，RI多种重金属的潜在生态污染风险综合指数。

2 结果与分析

2.1 稻米重金属含量

9月29日实际测产结果表明，T2(50%化肥+50%沼液)稻谷产量最高，比对照T1(100%化肥)提高8.8%，各处理间差异不显著。稻米主要重金属含量测定结果表明，Cd、Hg、Cr、As、Pb含量均低于食品安全国家标准GB 2762-2017《食品中污染物限量》[12],PCd<0.005,PHg为0.450～0.700，PCr为0.009～0.014，PAs为0.080～0.166，PPb为0.110～0.325(表5)。

表5 不同处理稻谷产量、稻米重金属含量和生态风险指数

2.2 土壤重金属富集系数

由表6可知，对标福建省花岗岩发育红壤背景值，试验地土壤Cd、Hg、Pb、Ni、Zn、Cr、Cu、As的相对富集系数分别为250.0%～363.3%、227.0%～349.2%、160.4%～183.6%、137.5%～158.7%、115.2%～139.0%、87.3%～98.2%、66.2%～83.4%、40.3%～44.9%(表6)。相对富集系数较高的重金属元素为Cd、Hg，其中与种植前相比，T2处理(50%化肥+50沼液)种植后Cd富集系数提高了56.6%，T3处理(50%化肥+100沼液)Hg富集系数提高了28.6%，其他处理的Cd、Hg富集系数均表现为下降。

表6 不同处理土壤重金属相对富集系数

2.3 土壤重金属富集风险

Hakanson潜在生态污染风险指数分析表明(表7)，试验地区Hg、Cd生态风险指数较高，其中Hg的生态风险指数为90.8～139.7，Cd的生态风险指数为75.0～109.0，应当重点关注。不同处理种植前后Hg、Cd生态风险有所差异，T3(50%化肥+100%沼液)处理Hg生态风险指数提高11.4，T2(50%化肥+50%沼液)处理Cd生态风险指数提高17.0，其他处理Hg、Cd生态风险指数均表现为下降趋势。总体而言，T2综合生态污染风险指数增加11.9，T1、T3、T4综合生态污染风险指数分别下降56.9、11.3、18.2。

表7 不同处理土壤重金属生态风险指数

3 讨论与结论

重金属富集是沼液施灌稻田模式的敏感问题。稻米的重金属风险指数Pi<1表示未受到重金属污染，Pi≥1表示受到重金属污染[7]。本试验结果表明沼液施灌处理稻米的重金属风险指数PCd<0.005，PHg为0.450～0.700、PCr为0.009～0.014、PAs为0.080～0.166、PPb为0.110～0.325(表5)，显示稻米未受到污染。土壤相对富集系数最高为Cd(250.0%～363.3%)，次高为Hg(227.0%～349.2%)(表6)。Hakanson潜在生态污染风险指数结果显示T2(50%化肥+50%沼液)Cd生态风险指数上升17.0，T3(50%化肥+100%沼液)Cd生态风险指数下降22.0，值得进一步关注与跟踪研究(表7)。试验地的Cd含量为0.07～0.11 mg·kg-1，低于沿海水稻土的Cd平均浓度(0.21 mg·kg-1)[3]。赖星等[9]研究表明，在水稻—油菜轮作田当3年沼液施用总量546～626 t·hm-2，土壤Pb、Cd、Cr、As、Hg有轻微积累，本试验T2、T3、T4处理，年沼液施用量为42.69～170.8 t·hm-2，为前者27.4%～81.8%，未发现明显重金属累积。

沼液施灌水稻，普遍存在水稻贪青现象，导致稻谷产量下降。这与过量频繁浇灌尤其是在抽穗期浇灌有关，也与水稻品种相关。本试验采用沼液精准施灌，T2(50%化肥+50沼液)、T3(50%化肥+100%沼液)、T4(50%化肥+200%沼液)的稻谷产量分别为8 708、7 866、8 040 kg·hm-2，与T1(100%化肥)产量(7 991 kg·hm-2)差异不显著，研究结果与杨润等[4]一致。选择茎秆粗壮不易倒伏的优质稻品种是关键，易倒伏的水稻品种不适宜沼液浇灌。