蔬菜栽培中连续施用猪粪沼肥的肥效与重金属风险研究

金柯达 彭宇志 杨高中 冉 毅,2 姚义清 艾 平

(1.华中农业大学工学院, 武汉 430070; 2.农业农村部成都沼气科学研究所, 成都 610041;3.西北农林科技大学机械与电子工程学院, 陕西杨凌 712100)

0 引言

我国拥有亚洲最大的有机农田面积,截止到2019年底,生物有机肥累计应用面积达3×107hm2以上[1]。农业农村部《到2025年化肥减量化行动方案》指出,要大力推进绿色种养循环农业试点,使有机肥资源得到有效合理还田利用,到2025年有机肥施用面积占比增加5个百分点以上。畜禽粪污等各类有机废弃物经过厌氧发酵后产生的沼肥,其除了含有丰富的氮、磷、钾等元素外,还含有丰富的氨基酸、腐殖酸、微量元素及有益菌群等,对提高蔬菜的产量[2]、品质[3]和改良土壤[4]都有积极作用,被认为是优质且廉价的有机肥资源。我国目前是世界第二大沼气生产国,年产沼肥超过4×108t[5]。因此,沼肥的合理利用是补充有机肥市场的重要途径,也是发展种养循环绿色农业的重要环节。

但沼肥的成分多样并缺少科学指导,导致施用效果参差不齐,沼肥并未广泛应用。同时,在畜禽养殖过程中,铜、锌、铅、铬等微量元素作为饲料添加剂应用越来越广泛,导致以畜禽粪便为原料的沼肥中重金属含量增加,施用沼肥后农产品和耕作土壤中的重金属含量增加[6-8]。长期施用沼肥存在潜在的重金属污染风险以及沼肥不合理使用在土壤质量、环境质量以及食品安全方面可能造成的负面影响都严重限制了沼肥的综合利用。因此,本文从2019年开始进行为期3年的大棚种植试验,在茄子-青菜轮作种植模式下设置不同的沼肥施用量,综合研究沼肥施用对农作物产量、农产品重金属污染、土壤理化特性和土壤重金属累积的影响,以期为种养结合中的沼肥高负荷土地消纳的阈值分析和风险性评估提供一定参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2019年10月开始在湖北省武汉市华中农业大学工程机电训练中心试验大棚(30.6°N,114.1°E)进行,试验场地及过程记录如图1所示。

图1 试验场地及过程记录图Fig.1 Test site and process record diagram

试验土壤为黄壤土,土壤全氮(TN)、全磷(TP)、全钾(TK)含量(质量比)分别为(1.27±0.06)g/kg、(0.59±0.01)g/kg、9.30 g/kg;土壤pH值为7.2±0.1,电导率(EC)为(61.9±0.2) mS/m;土壤中铜(Cu)、锌(Zn)、铅(Pb)、铬(Cr)、镉(Cd)、砷(As)、汞(Hg)的含量分别为(28.0±0.7)mg/kg、(88.0±2.2)mg/kg、(28.0±0.7)mg/kg、(72.0±1.8)mg/kg、0.1 mg/kg、(9.7±0.2)mg/kg、(0.2±0.01)mg/kg。

试验作物为由上海西农种子有限公司提供的上海青(2019—2021年)以及由武汉威尔福德苗木有限公司提供的“紫龙6号”长茄子(2020年)、武汉蔬博农业科技有限公司提供的武杂早茄(2021年)、禾之元种业提供的大龙长茄子(2022年)。

试验所用的沼液沼渣取自湖北省鄂州市沼气工程和湖北省武汉市江夏区中粮集团沼气工程,发酵原料均为猪粪,沼肥的详细信息及基本理化性状如表1所示。试验中化肥组所使用的氮、磷、钾肥分别为尿素、过磷酸钙和氯化钾。

1.2 试验设计

该试验采用随机区组设计,共5个处理,3次重复,每个小区之间用一块50 cm深的PVC板隔开,每个小区的面积为4.4 m2(2.2 m×2 m)。试验采取上海青与茄子轮作,每年10—12月种植上海青,4—8月种植茄子(图1e)。上海青种植的株间距和行间距为20 cm,选择4、5片幼叶的幼苗定植,每行定植11株,每区定植10行,每一小区共定植110株上海青幼苗;茄子定植行间距50 cm,株间距35 cm,每试验区均种植3行,每行5株,每一小区共定植15株15日龄茄子苗。

试验中肥料施用量以总氮(TN)量计,沼肥组设计了低(BF-L)、中(BF-M)、高(BF-H)3个沼肥施用水平,具体施肥方案见表2。此外,设置空白对照(CK)和纯化肥组(CF)作为对照组,CF组在上海青栽培中施用与BF-L等量的氮磷钾,在茄子栽培中施用与BF-M等量的氮磷钾。

表2 各轮栽培试验沼肥施用量Tab.2 Application amount of biogas fertilizer in each cultivation experiment kg/hm2

上海青栽培期间的水肥管理与传统农艺管理一致,以沼渣作基肥施用,施用后翻土混匀,隔日定植。以沼液作追肥,定植后第7天进行第1次追肥,之后每隔7 d进行一次追肥,总共进行4次追肥。按各处理全过程施入的总氮量计算,上海青栽培中基肥占45%,第1次追肥占10%,第2～4次追肥各占15%,其他时期正常农艺管理,均以清水灌溉,每5～7 d浇水1次,保持土壤含水率在65%左右。

茄子栽培期间的水肥管理与传统农艺管理一致,以沼渣作基肥施用,施用后翻土混匀,隔日定植。以沼液作追肥,茄子结果时第1次追肥,进入盛果期后第2次追肥,盛果期后一个月第3次追肥,按各处理全过程施入的总氮量计算,茄子栽培中,基肥占35%,第1次追肥占25%,第2和第3次追肥各占20%,其他时期正常农艺管理,均以清水灌溉,每2～3 d浇水1次, 保持土壤含水率在70%～80%。由于其他试验要求,第1轮茄子栽培(2020年)中肥料施用量有所不同,沼渣基肥占90%,沼液追肥占10%。

1.3 样品采集

(1)上海青样品采集

当青菜外叶叶色开始变淡,基部外叶发黄,叶丛由旺盛生长转向闭合生长,心叶伸长到与外叶齐平时,陆续开始收获称量并计算产量。每区取10～15株正常生长的上海青,用蒸馏水冲洗干净后,取一部分鲜样冷冻保存,备用;另一部分样品置于干燥箱中105℃杀青30 min,65℃干燥24 h,碾碎,过100目筛,并保存在自封袋中,备用。

(2)茄子样品采集

从第1颗茄子果实成熟采摘开始记录每一小区采收的成熟茄子果实质量,每小区分别取10～15颗早期、盛果期、末期的茄子果实,样品用蒸馏水冲洗干净后,取一部分鲜样冷冻保存,备用;另一部分样品切成1 cm左右片段,置于干燥箱中105℃杀青30 min,65℃干燥24 h,碾碎,过100目筛,并保存在自封袋中,备用。

(3)土壤样品采集

在每轮栽培试验前后,用直径50 mm的不锈钢土钻收集各个试验区的土壤样品,采用5点法钻取0～20 cm表层土壤,去除根系、杂草、土壤动物和石块等杂质后,土壤样品自然风干,碾碎,过100目筛,保存在自封袋中,备用。

1.4 分析方法

沼液、沼渣、土壤以及上海青和茄子样品的TN、TP、TK、Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、As、Hg含量以及土壤样品的EC和pH值由四川中沼生物能源检测有限责任公司检测,检测方法如表3所示。

表3 各项指标检测方法Tab.3 Detection methods of various indicators

在本研究中,农作物和土壤中的重金属含量用单项污染指数Pi表示,土壤的重金属污染程度用内梅罗综合污染指数(Nemerow index,PN)进行评价,土壤的污染程度可划分为:安全(PN≤0.7)、预防(0.73.0),其计算公式为[9]

(1)

(2)

式中P——重金属平均污染指数

Pmax——重金属最大单项污染指数

Ci——实测重金属i含量,mg/kg

Bi——国标规定的重金属i含量(表4),mg/kg总危害指数(Total hazard index,HT)是重金属潜在的非致癌风险评价参数,用于评价不同施肥处理后农作物的食用安全性,计算公式为[13-15]

表4 本研究相关重金属限量标准Tab.4 Heavy metal limit standards related to this study

HT=∑HQ=HQCu+HQZn+HQPb+HQCr+
HQCd+HQAs+HQHg

(3)

(4)

(5)

A=EFED

(6)

式中HT——重金属总危害指数,HT大于1时表示存在潜在的健康风险

HQ——某种重金属的危害指数

CDI——单位体质量单位时间的重金属摄入量,mg/(kg·d)

CF——农作物中重金属含量的平均值,mg/kg

I——每人每日食物摄入量,kg/d

EF——暴露频率,取365 d/a

ED——平均暴露年限,a

B——平均体质量,kg

A——平均暴露时间,d

数据处理与分析软件为Excel 2019、SPSS 19.0和Origin 2022。

2 结果与讨论

2.1 沼肥施用量对农作物产量的影响

上海青和茄子的产量如图2所示,沼肥在上海青和茄子种植中的肥效存在明显的差异。

图2 上海青和茄子产量Fig.2 Yields of Shanghai cabbage and eggplant

如图2a所示,施用沼肥能促进上海青的生长和发育,沼肥各组的单季产量和平均产量均比空白对照增加,其中第1季种植BF-L组的产量最高,第2、3季BF-M组的产量最高。但是沼肥组相较化肥组均减产6%左右,且沼肥组的3季平均产量无显著差异,BF-L、BF-M、BF-H的平均产量分别为39.4、39.7、39.3 t/hm2,均低于化肥组(42.2 t/hm2)。这主要是由于上海青的栽培周期较短,而沼渣中的养分以有机结合态为主[16],本研究参考传统农艺施肥方式,基肥施氮量占全周期的45%,沼渣基肥中的养分缓慢释放不利于当季上海青的吸收。而虽然与沼渣相比,沼液养分含量不高,但其养分主要为速效养分,可有效被植物吸收利用[16]。因此,在实际生产中,使用沼肥种植青菜等短周期作物时,应适当降低沼渣基肥比例并配施速效化肥,同时提高沼液追肥占比,采用少量多次或水肥一体化的方式追施沼液,以充分发挥沼肥中速效养分的作用。

此外,通过比较CF和BF-L组的产量变化可以发现,虽然两组的总养分施用量一致,但是CF组的产量逐年升高而BF-L组的产量却逐年降低。这可能与化肥使用后土壤pH值明显下降有关,在pH值为6.0～7.0的蔬菜适宜酸碱度范围内,pH值低的土壤中磷、微量元素等养分的有效性更高[17]。而在更高的沼肥施用量下,BF-M和BF-H组的3季产量比较稳定,其中第2季产量略高于其他两季,这可能与第2季上海青种植时所用的沼肥2中钾含量更高有关(表1)。此外,BF-M和BF-H组第2、3季产量均高于BF-L组,且沼肥施用量对青菜平均产量无显著影响,表明在青菜种植中可以通过适当提高沼肥施用量来实现沼肥高负荷土地消纳。但是,过高的沼肥施用会导致氮素利用率的明显下降,并且在种植过程中发现,由于沼肥短期大量施用造成的氮肥过量和氨中毒[18],以及高盐度沼液浇施后在叶片上残留造成的灼伤,BF-H组出现了明显的烧苗现象(图3)。因此,从产量和沼肥消纳的角度考虑,在青菜种植中沼肥的施用量在350 t/hm2左右较为合适,并且应浇施稀释沼液或在沼液浇施后用清水冲洗叶片。

图3 BF-H组中叶片枯黄的上海青Fig.3 Shanghai cabbage with yellow leaves in BF-H group

而在茄子种植中沼肥表现出更好的肥料特性和土地消纳潜力。虽然3季的茄子品种不完全相同,可能对3季的茄子产量变化略有影响,但如图2b所示,BF各组的茄子单季产量和平均产量均高于CF组和CK组,并且茄子平均产量随着沼肥施用量的增加而增加,BF-L、BF-M、BF-H的3季茄子平均产量分别为52.2、57.6、58.3 t/hm2,均高于CF组的46.1 t/hm2,BF-H组较化肥组增产27%,这与潘绍坤等[19]的研究结果一致。与上海青栽培不同,茄子栽培的传统农艺施肥方式中追肥的占比更高,沼液追施所带入的速效养分更多,且由于茄子的生长周期较长,沼液追肥间隔时间更长,同时茄子栽培期间环境和土壤温度更高,也更有利于沼渣基肥施用后的有机结合态养分的分解和利用。因此,提高沼肥的施用量并未造成茄子的氮肥过量和氨中毒,反而有助于茄子的生长和发育。该结果表明,从产量和沼肥消纳的角度考虑,在茄子种植中可以消纳更多的沼肥,沼肥的施用量在680～1 020 t/hm2较为合适。由于猪粪沼肥尤其是沼液中的氮素主要以氨态氮的形式存在,更高的环境和土壤温度会加剧其氨氮挥发损失,因此在实际生产中应尽量采用埋施替代撒施,以减少氮损失。

2.2 连续施用沼肥对土壤环境的影响

2.2.1土壤养分变化趋势

土壤养分的变化情况如图4所示,沼肥施用显著提高了表层土壤的总氮和总磷含量,而总钾含量没有显著提高。

图4 土壤养分变化趋势Fig.4 Soil nutrient change trends

如图4a所示,作为土壤肥力的首要指标,各组的土壤总氮含量在第1季青菜种植(2019-12)后就出现了明显差异,肥料的施用对表层土壤造成明显影响,BF-M和BF-H组的土壤总氮含量显著升高。随后由于土壤的自动调节能力[20],各组间的差距慢慢缩小,直到第2季茄子种植(2021-08)后,沼肥施用组的土壤总氮含量又明显升高。试验结束时BF-L、BF-M、BF-H组土壤的总氮含量分别达到1.90、2.34、2.35 g/kg,分别较原始土壤升高50%、84%、85%,而化肥组仅升高13%,这可能是沼肥持续施用2年后改善了土壤团粒结构,提高了土壤的吸储能力[20-21]。并且,沼肥中氮、磷的缓慢释放和沼肥组较高的土壤pH值都有效减缓了其淋溶和扩散损失,进而也促进了土壤总氮和总磷的增加[22-23]。柳燕兰等[24]通过长期定位施肥试验也发现,相较单独施用化肥,配施有机肥能够显著提高土壤总氮含量。

土壤的总磷含量变化与总氮变化趋势基本一致(图4b),沼肥施用组的土壤总磷含量在第1季青菜种植(2019-12)后也出现了明显升高,随后各组间差距慢慢缩小,在第2季茄子种植(2021-08)后又迅速升高,这也与沼肥持续施用改良了土壤结构有关,还可能与所用的第3批沼肥的高磷含量有关(表1)。试验结束时BF-L、BF-M、BF-H组土壤的总磷含量分别为2.26、2.64、2.52 g/kg,分别较原始土壤升高2.7、3.4、3.2倍,而化肥组仅升高0.9倍。但是,在试验过程中BF-M和BF-H两组的土壤总氮、总磷含量并无显著差异,这表明表层土壤总氮和总磷含量并非随着沼肥施用量的增加而线性升高,而BF-M和BF-H两组蔬菜产量无显著差异(图2),因此这并非由两组蔬菜的养分吸收差异导致。这一现象可能与沼肥施用增加了土壤中酶的活性有关,有研究表明[25],土壤中酶活性随沼肥施用量的增加而增加,使土壤生化过程增强、土壤有机物质转化加快,这虽然更有利于蔬菜的养分吸收,但同时也会加剧表层土壤养分在灌溉时的纵向转移。

而土壤总钾含量的变化与氮磷含量变化不同,如图4c所示,虽然试验过程中各组土壤总钾含量的变化幅度较大,但是各组之间的差异很小且变化规律基本一致。整体上看,施用沼肥对土壤总钾的补充效果并不明显,在试验结束时,CF、BF-L、BF-M、BF-H组土壤的总钾含量分别为11.08、10.75、10.84、11.13 g/kg,相较原始土壤都只提高17%左右。这可能与土壤中钾的存在形态有关,虽然供试土壤的总钾含量较高,但大部分钾是存在于矿物晶格中的结构性钾,其结构稳定性难以被植物直接利用,而可被植物直接吸收利用的水溶性钾和交换性钾比例较低[26]。而猪粪沼渣中总钾的含量显著低于氮磷,且其中有效钾仅占总钾的10%左右[25],因此沼渣基肥对表层土壤总钾含量没有显著影响。虽然猪粪沼液中的总钾含量较高,且有效钾占比超过50%[25],沼液追施可为土壤补充部分水溶性钾和交换性钾,但从养分平衡的角度来看,本研究中所用猪粪沼肥的养分比例(N、P、K含量比)为1∶(0.4～0.5)∶(0.5～0.6),而上海青对N、P、K的需求比例约为1∶0.5∶1.7,茄子的需求比例约为1∶0.3∶1.4,纯施沼肥无法满足农作物对钾的养分需求,更无法有效补充土壤的钾含量。因此,虽然本研究中纯施沼肥对上海青和茄子的产量无明显影响,但是从维持土壤养分的角度,使用猪粪沼肥种植时需要注意对养分钾的补充。

2.2.2土壤pH值和EC变化趋势

土壤pH值和电导率(EC)的变化情况如图5所示。

他们夫妻自从结了婚，不到半年的工夫就开始吵架。起初吵归吵，不伤感情。可是，自从孩子两岁那年，老婆与父母闹起矛盾后，他为父母辩解，老婆竟然为此生气，每逢说话便会跟他吵起来。六七年来，夫妻年年吵，月月吵，实在太伤感情了。其实，老婆明明也知道做儿媳的应对公婆尽孝，可是，老婆做事太强势，就因公婆办事说话不合她的意，她就不讲究这个“孝道”了，连他想送点吃的东西给父母，或是言语上夸父母点好处，老婆都要跟他吵闹起来。

图5 土壤pH值及电导率(EC)变化趋势Fig.5 Trends of soil pH value and EC

由图5a可以明显看出,各组pH值变化差异明显,CK组的土壤pH值较为稳定,一直是各组中最高的,而CF组则整体呈下降趋势并显著低于沼肥各组,最低达到6.2,这与大多数研究报道的长期化肥施用造成土壤酸化的现象一致[27]。而由于沼肥本身多为碱性肥料(表1),因此各沼肥组的土壤pH值也相对稳定,但随着沼肥施用量的增加,土壤pH值也略有下降,3轮种植结束后BF-L、BF-M和BF-H分别为7.2、7.1和6.7。这主要是由于沼肥中的氨氮在土壤微生物的作用下发生了硝化反应,进而产生氢离子,导致pH值降低[28]。由此可见,相较于化肥,施用沼肥对土壤pH值的影响更小,能够有效缓解氮肥施用造成的土壤酸化问题,胡天睿等[29]的研究也表明,有机肥替代化肥不仅能防治土壤酸化,还能提升土壤抗酸化能力。这是由于猪粪沼肥中含有丰富的碱基阳离子(主要为钠、镁、钙离子),不仅更有利于作物的生长,还能有效补充土壤中的碱基阳离子,从而减缓因施氮肥引起的土壤酸化[30]。

由图5b也可看出,除空白组的土壤EC较原土壤略有下降外,施肥各组土壤的EC均显著升高,这可能与本研究采用设施栽培有关,有研究表明设施栽培的土壤中盐分累积现象远大于露地栽培[31]。比较各施肥组之间的变化趋势可以发现,CF组和BF-H组的土壤EC整体上呈现为逐年升高的趋势,BF-M组的土壤EC在第1季上海青种植后迅速升高,而在第1季茄子种植后又快速下降,之后也呈逐年升高的趋势,而BF-L组则出现了明显不同于其他组的波动,未表现出逐年升高的趋势。而相比化肥,沼肥施用对土壤EC的影响更大,BF-M和BF-H组土壤的EC在试验过程中一直高于CF组。在3季种植结束后,CF、BF-L、BF-M、BF-H组的EC分别为108.8、104.5、123.6、128.7 mS/m,相较原土壤的升高幅度均在70%以上,且沼肥组土壤的EC随着沼肥施用量的增加而升高,这也与沼肥中丰富的碱基阳离子有关。郭全忠等[32]的研究也发现,长期施用沼肥会使土壤盐分快速累积,对土壤环境带来较大的污染风险。因此,在沼肥高负荷土地消纳时需要注意土壤盐分累积的问题,但土壤盐分累积也是设施栽培的常见问题,可通过揭膜淋雨洗盐、滴灌洗盐等方法有效降低0～20 cm植物生长区土层的盐分[33]。

2.3 连续施用沼肥的重金属风险评估

2.3.1连续施用沼肥对农产品重金属含量的影响

作为沼肥施用的主要潜在风险,本研究还对每季收获的上海青和茄子的可食用部进行了重金属含量的测定,并计算每种重金属元素的单项污染指数Pi和总危害指数(THI)来评估蔬菜的食用风险,结果如图6所示。

图6 上海青和茄子可食用部重金属Pi以及农产品重金属总危害指数Fig.6 Pi value of heavy metals in Shanghai cabbage and eggplant edible parts and total hazard index (THI) of heavy metals in agricultural products

如图6a所示,第1季上海青的Pi最高,其中Hg、Zn、Cr的Pi值大于0.1,而第2季Cr的Pi值明显下降,仅Hg的Pi值大于0.1,而第3季Pb的Pi值有所升高,但也只有Hg和Zn的Pi值大于0.1。本研究结果没有出现随种植年限而升高的现象,尤其是沼肥施用组也未表现出随沼肥施用年限增加而升高的趋势,并且相较于CK和CF组,BF各组的上海青也未出现明显的Pi值升高。而如图6b所示,茄子的Pi值高于上海青,其中第3季茄子各组的重金属Pi值之和均大于1,Hg、Pb、Cu的Pi值均大于0.1,Zn和Cd的Pi值大于0.3。这主要是不同作物种类对重金属吸收的差异所导致[34],也与第3季茄子种植中土壤Cd含量的异常升高有关(图7f)。而虽然第3季的茄子重金属含量要明显高于第2季,但并不是仅有沼肥组升高,因此不能表明其存在逐年升高的趋势。

但总体来说,本研究中各组上海青和茄子可食用部的各类重金属Pi值均小于1,表明农产品中的重金属含量均在国标限定范围内。这与杨军芳等[6]和武立叶等[7]的研究结果一致,施用沼肥对蔬菜中重金属含量有一定影响,但其重金属含量也均低于国家标准规定的含量。需要注意的是,两种蔬菜中Cu和Zn的含量均与沼肥施用量明显相关。由于沼肥中主要的重金属元素为Cu和Zn(表1),且Cu、Zn也是蔬菜生长发育过程中所需的微量元素,因此,上海青和茄子可食用部Cu和Zn的Pi值随着沼肥施用量的增加而升高。这一变化趋势在如图7所示的土壤重金属含量变化中也得到了验证,沼肥施用显著提高了土壤中Cu和Zn的含量。

此外,本研究还采用各组上海青和茄子中重金属含量的均值计算了两种蔬菜的THI,结果如图6c所示。总体来说,上海青的重金属摄入风险要低于茄子,成人的重金属摄入风险要低于儿童,但连续3年施用沼肥种植的上海青和茄子均不存在潜在的重金属摄入风险(THI小于1.0)。上海青种植中THI最高的是空白组,沼肥施用降低了上海青的THI,但是沼肥施用组的THI要略高于化肥组。而在茄子种植中BF-L和BF-M组的THI较空白组有所降低,而在BF-H组的高沼肥施用量下,茄子的THI有所升高,但是施用沼肥种植的茄子THI均低于化肥种植。蔬菜对重金属的吸收受到复杂的土壤环境和根际环境影响[35],而沼肥施用对蔬菜重金属吸收也存在两方面不同的影响,一方面,沼肥施用直接向农田中带入了一定量的重金属,提高了蔬菜重金属污染的可能性;而另一方面,沼肥中丰富的有机官能团可以促进重金属离子的氧化还原,也能直接与其反应形成稳定的络合物,从而改变重金属形态,降低重金属的生物有效性[36-37]。因土壤中重金属生物有效性降低而使得作物对重金属的有效摄入量并不会随着沼肥施用量的增加而线性增加,因此,在本研究的3年轮作栽培中,虽然BF-H组的沼肥施用量为BF-L组的3～4倍,但蔬菜中的重金属含量没有成倍增加。

土壤重金属累积情况由内梅罗综合污染指数PN(图7a)和单项污染指数Pi(图7b～7h)来衡量。

如图7a所示,各组土壤的PN值在第1季种植中从原土壤的0.32升高至0.40～0.45,但各组之间没有明显差异,第1季种植后(2020-08)各组间的差距逐渐明显,BF各组的PN值逐渐升高而CK和CF组的PN值逐渐下降,这主要与第1季种植后Cu和Zn含量明显升高有关(图7b、7c)。此后,受第3季茄子种植后Cd含量异常升高的影响(图7f),各组的PN值也在第3季种植后显著升高,达到0.9～1.0,属于需要预防重金属污染(0.7

与蔬菜中Cu和Zn含量的变化情况相似,土壤中Cu和Zn的含量变化与沼肥施用及施用量有关(图7b、7c)。第1季上海青种植后各组Cu和Zn的Pi值明显升高,在第1季茄子种植后有所下降,但从第2季种植开始BF各组Cu和Zn的Pi值又显著升高。而CF组Cu的Pi值基本保持不变,Zn的Pi值略有下降,都略低于空白对照。在3季种植结束后各试验组之间差异明显,BF-L、BF-M、BF-H组Cu的Pi值分别升高为0.46、0.51、0.52,各组的3年平均Pi值升高速率分别为0.06、0.08、0.08 a-1,按当前趋势,在BF-L、BF-M、BF-H组沼肥施用量情况下分别连续施用12、9、9年后才会超过农田土壤Cu限量标准;Zn的Pi值分别升高为0.61、0.68、0.73,各组的3年平均Pi值升高速率分别为0.09、0.11、0.12 a-1,按当前趋势,在BF-L、BF-M和BF-H组沼肥施用量情况下分别连续施用7.2、5.9、5.4年后才会超过农田土壤Zn限量标准。而Cu、Zn在一定浓度范围内是植物维持正常生理活动的必需元素,适当增加其含量对土壤微生物和作物生长有促进作用,只有当浓度超过一定范围时,才会导致重金属中毒[38]。

除Cd、Cu和Zn外,其余几类重金属的Pi值在试验期间未出现明显变化且均小于1,由图7d、7e、7g、7h可以看出,各试验组土壤中Pb、Cr、As和Hg含量的变化规律一致,其中,Pb的Pi值整体呈现缓慢上升趋势;Cr的Pi值在过程中略有波动但没有明显升高;As和Hg的Pi值均在第1季上海青种植后迅速升高,但随后缓慢下降,在第3季种植后又有所升高。3季种植结束后Pb、Cr、As、Hg的平均Pi值分别为0.37、0.38、0.38和0.16,较原始土壤略有升高,但各试验组变化规律一致且试验结束时各组的Pi值无显著差异,说明猪粪沼肥施用及过量施用没有造成表层土壤中这几种重金属的明显累积。但也有研究表明土壤中重金属元素的向下迁移较为活跃,表层土壤中的重金属离子会向更深层的土壤中转移[39],后续应对不同深度土壤进行研究,以更全面地评价沼肥施用对土壤重金属累积的影响。而本研究结果与DUAN等[8]的研究结果基本一致,他们对连续8年施用猪粪沼肥的稻田耕作层土壤进行研究,发现施用沼肥的稻田土壤中Pb、Ni、Cr的浓度没有明显变化,仅As、Cd、Cu、Zn的浓度高于对照组,但也仍在标准范围内。此外,饲料添加剂作为猪粪沼肥中重金属的主要来源[40],在国家近年来对畜禽饲料重金属含量的严格管控下,从源头上也进一步降低了猪粪沼肥的重金属污染风险,本研究所用的3批猪粪沼肥中重金属含量均在国标规定范围内。

因此,在3～5年内连续高量施用猪粪沼肥并不存在农产品重金属污染风险和土壤重金属超标风险,可以在保证产量和重金属安全性的前提下实现沼肥连续多轮高负荷土地消纳,在青菜和茄子轮作栽培中猪粪沼肥分别以350 t/hm2和1 000 t/hm2的消纳量较为合适。

3 结论

(1)种植茄子比种植上海青能更好实现沼肥高负荷土地消纳的需求。虽然施用沼肥能促进上海青的生长和发育,但沼肥组相较化肥组减产了6%左右,同时BF-H组短期大量施用沼肥造成了烧苗减产,而茄子的平均产量随着沼肥施用量的增加而增加,BF-H组相较化肥组增产27%。上海青种植期猪粪沼肥的消纳量在350 t/hm2左右,而茄子种植期沼肥的消纳量在1 000 t/hm2左右。

(2)连续施用沼肥对表层土壤总氮、总磷含量变化的影响基本一致,沼肥连续施用2年后土壤的总氮、总磷含量出现了明显的升高,相较原土壤,BF-M和BF-H两组的土壤总氮含量升高了85%左右、总磷含量升高了3倍多。但由于沼肥中钾的含量无法满足农作物对钾的需求,因此沼肥施用对土壤总钾的补充效果并不明显,相较原土壤,沼肥各组的土壤总钾含量仅升高了17%左右。

(3)连续施用沼肥的土壤pH值较为稳定,相比化肥,沼肥对土壤pH的影响更小,沼肥中的碱基阳离子能够有效缓解因施氮肥造成的土壤酸化问题。但BF-M和BF-H组的土壤EC整体上表现为逐年升高的趋势,且土壤EC随着沼肥施用量的增加而升高,相较原土壤的升高幅度均在70%以上。因此,在沼肥高负荷土地消纳时需要注意土壤盐分累积的问题。

(4)本研究中施用沼肥种植的3季蔬菜都不存在重金属超标(Pi<1.0)和重金属摄入风险(THI小于1.0),也没有出现蔬菜重金属含量逐年升高的现象。但沼肥施用后土壤中的Cu、Zn含量迅速升高,并从第2年开始呈现逐年累积的趋势,但按当前趋势,沼肥连续过量施用5年和9年后才可能分别造成土壤Zn和Cu的超标。而除Cu、Zn外,沼肥施用及不同施用量对土壤中Pb、Cr、Cd、As和Hg的含量变化没有显著影响。因此,至少5年内的猪粪沼肥高负荷土地消纳并不存在重金属污染风险。