沼液还田下不同种植模式的重金属风险评价及安全消纳量分析

刘炳妤，王一佩，姚作芳，杨钙仁,3*，徐晓楠，邓羽松,3，黄钰涵,3

1. 广西大学林学院，广西 南宁 530004；2. 中国科学院科技创新发展中心，北京 100190；3. 广西大学林学院/广西森林生态与保育重点实验室，广西 南宁 530004

中国是生猪养殖大国，随着养殖规模的不断扩大，畜类粪污排放量也日益增加，年排放量达到4.3×108m3，其中沼液约3.7×108m3（武淑霞等，2018），沼液的产生在一定程度上制约着养殖业的发展，如何利用沼液是目前养猪场面临的主要难题。

沼液还田是广西壮族自治区生猪养殖粪污资源化利用和污染治理的主要方式，养猪场粪污经过水解、酸化、产烷等过程后，一部分会转化为有机物质，富含N、P、K，是优质的有机肥（沈其林等，2014；He et al.，2017；尹晓明等，2019），在农业生产中用途甚广。与此同时，养猪场沼液中还含有Cu、Zn、Pb、Cd、Cr 等多种重金属元素（Sonne et al.，2019）以及抗生素等有害物质（Pu et al.，2018），长期过量施用沼液可能会引起耕地土壤和农林作物重金属污染（Bian et al.，2014）。

由于不同地区不同种植模式的沼液需求量是不同的（赵麒淋等，2012；罗伟等，2019），而目前国内外对于此类研究开展的比较少，且多采用盆栽实验方法进行试验，以期确定土壤对沼液重金属的安全消纳量。但是盆栽实验没有考虑到淋失和径流等养分损失的过程，得出的精确浇灌量比实际消纳量小，因此难以有效应用到农业生产中。此外，中国生猪养殖集约化程度越来越高，产生的粪污越来越集中（惠晓红等，2016；王敏锋等，2016），为了解决粪污堆积问题，部分养猪场粪污在还田时，并非仅从作物对养分的需求量角度来确定各种耕地沼液施用量，而是增加了提高沼液消纳量的想法（毛正荣等，2019；杨琴等，2021；于乐，2022）。

过量施用沼液会造成耕地土壤和农林作物重金属污染，如何合理有效的利用沼液值得深入探讨。鉴于此，本研究通过真实农业种植环境，结合实地调查取样情况，对土壤重金属环境容纳量和不同种植模式下重金属输入输出平衡分析，研究各种消纳沼液模式对土壤产生的环境效应和对植物产生的品质影响。探讨符合广西绿色循环生态农业的最佳沼液消纳种植模式，从而为沼液在农业生产中科学化、资源化、无害化利用提供一定的理论依据。

1 研究方法

1.1 供试材料

选取广西区规模化生猪养殖场附近，沼液浇灌量明确、种植结构稳定的13 个沼液消纳地作为调查样地，所选的13 个样地土壤类型为赤红壤。采集空心菜、杂交象草种植模式所浇灌的沼液，分别为容县恒楚农牧公司（样点8）、武鸣县文花养殖场（样点10）、广西杨翔公司（样点9、11）、博白巨浪农牧公司（样点12、13）等4 家养殖场所产生的沼液，做重金属含量分析，其Cu、Zn、Pb、Cd、Cr 含量的平均值分别为3.830、13.520、0.610、0.025、0.211 mg·L-1，且各养殖场沼液的每种重金属含量之间差异不明显（养殖场沼液重金属含量见图1），因此以该平均值作为计算空心菜种植模式、杂交象草种植模式下的沼液消纳容量的沼液重金属含量值。各样地位置、沼液浇灌情况和植物结构见表1。

图1 沼液重金属含量Figure 1 Heavy metal content in biogas slurry

表1 样点基本信息Table 1 Basic information of sample points

1.2 采样及测定方法

于各样地蔬菜与果实成熟采摘时间，进行土壤与植物样品的取样工作，即2018 年8－12 月。土壤样品采用五点法，采集0－20 cm 土层土壤和20－40 cm 土层土壤。采集土样后，挑出根系、石粒等杂质，使用四分法分别取0－20 cm 土层土壤混合样和20－40 cm 土层土壤混合样各2 kg，装入自封袋带回实验室进行试验。对照样地为各实验样地周边不施用沼液浇灌的农田，距离试验农田最近距离约为50 m。

植物样品采集按照叶类蔬菜、油料作物、药材、果树、牧草、用材林等6 种植物类型分类采样。叶类蔬菜、油料作物、药材等植物样品在各样地按照“S”形布点，采集整株样品，混合样不少于1 kg。果树类在各样地随机选择5 株树龄、生长势一致的正常株，分别采集其根、叶、果。根系于样木冠层滴水线向内50 cm 的东西南北4 个方位设置4 个采样点，挖掘0－40 cm 土层的根系并混匀，采样量约0.2 kg；叶片采集样木冠层中部的东西南北4 个方位树枝上的成熟叶片并混合，采样量约为0.5 kg；果实于每棵样木上4 个方位进行采摘并混合，选择大中小形状的果实组成平均样，总量不少于1.5 kg。牧草在其样地按照五点采样法采集整株牧草，共采集5株。用材林的根、叶与果树类样品采集方法相同。

土壤样品室内自然风干后，全部过0.85 mm 筛，用四分法分成两份，一份直接用于土壤pH 值分析，另一份过0.15 mm 筛，用于重金属Cu、Zn、Pb、Cr、Cd 全量分析。植物样品经蒸馏水淋洗干净后，在105 ℃条件下杀青，降温至65－75 ℃烘干至质量恒定，再研磨过0.25 mm 筛，用于养分和重金属元素分析。土壤pH 值用pH 计（土水比1∶2.5）测定，各样点pH 值见图2。沼液样品、土壤样品、植物样品分别用HCl-HNO3-HF-HClO4、HCl-HNO3-HF、HNO3-HClO4消解后，使用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定其重金属含量（魏复盛，1989；中国环境监测总站，1998；杨剑虹等，2008）。

图2 各样点0－40 cm 土层土壤pH 值Figure 2 pH values of 0-40 cm soil layers at various points

1.3 计算和评价方法

单因子污染指数：

式中：

Ipi——土壤（植物）中i污染物的污染指数；

wmi——i种重金属的实测含量（mg·kg-1）；

wsi——土壤（或植物）的i重金属的限量标准值（mg·kg-1）。土壤重金属的限量标准值采用中华人民共和国国家标准GB 15618—2018 中农用地土壤污染风险筛选值（中华人民共和国生态环境部，2018）；植物可食用部分重金属限量标准值采用中华人民共和国食品安全国家标准GB 2762—2017中的限量值（中华人民共和国国家食品药品监督管理总局，2017）。

内梅罗综合污染指数IN：

式中：

Ipimax——土壤重金属元素中污染指数最大值；

Ipiave——土壤各重金属污染指数的平均值。

式中：

wmi——i种重金属的实测含量（mg·kg-1）；

wsi——土壤的i种重金属的限量标准值（mg·kg-1）；

样点多个重金属的潜在生态危害指数Ir：

单因子污染指数法分级标准和多项综合污染指数法分级标准参考宁晓波等（2009）的标准；潜在生态危害指数法分级标准参考徐晨等（2019）的标准。具体分级标准见表2。

表2 污染指数与污染程度等级划分Table 2 Pollution Index and classification of pollution degree

沼液消纳容量：

式中：

Qi——以i元素为限量指标的耕地0－40 cm 土壤沼液消纳容量（m3·hm-2）；

wsi——土壤中i元素的限量标准值（mg·kg-1）；

wbi——土壤中i元素的背景值（mg·kg-1）；

ρbsi——广西养猪场沼液中i元素含量的平均值（mg·L-1）；

σpi——通过收获植物而输出的i元素含量（g·hm-2）；

1.1——土壤的容重（g·cm-3）；

0.4——土壤深度（m）；

104——换算单位系数（m2·hm-2）（夏增禄等，1992。公式中的量符号经修改）。

1.4 数据处理

试验所得数据采用Excel 2022 进行处理、SPSS 27.0 统计分析软件进行相关性分析（大小采用Pearson 指数）、OriginPro 2022 进行数据图绘制。

2 结果与分析

2.1 土壤污染评价

根据图3 显示，单因子污染指数（Ipi）方面，在13 个样点中，Cu 和Zn 在0－20 cm 和20－40 cm土层出现轻微及以上的样点数相同且最多（图3a、图3b），分别为6 个和5 个，占样点总数的46.2%和38.5%；Pb 和Cr 的污染情况最轻（图3c、图3e），13 个样点的0－20 cm 土层土壤均显示为清洁，20－40 cm 土层土壤出现轻微级污染的样点数分别为2 个和1 个。0－20 cm 土层土壤有3 个样点出现Cd污染，其中2 个为重度污染，在20－40 cm 土层有1 个样点的Cd 指数为中度污染（图3d）。0－20 cm土层共有9 个样点（占总数的69.2%）的IN呈现轻微及以上污染，轻微、中度、重度和极重度占样点总数的比例分别为30.8%、15.4%、15.4%和7.6%；在20－40 cm 土层，共有7 个样点（占总数的53.8%）IN出现轻微及以上程度污染，其中，中度污染样点最多，为5 个，占总数的38.5%（图3f）。在0－20 cm 土层，有2 个样点的Ir值呈现轻微的潜在生态危害指示，而20－40 cm 土层的潜在生态危害指示均显示为清洁（图3g）。

图3 不同种植模式下0－40 cm 土层土壤重金属污染指数和潜在生态危害指数Figure 3 Heavy metal pollution index and potential ecological hazard index of 0-40 cm soil layer under different planting patterns

比较13 个样点的2 个土层各污染指数平均值，发现0－20 cm 土层土壤Cu 和Zn 的污染指数平均值比20－40 cm 的分别高13.1%和38.6%，均达到轻微污染，而20－40 cm 土层土壤为清洁水平，表明浇灌沼液对0－20 cm 土层土壤的Cu、Zn 污染风险要大于其下层。而0－20 cm 土层土壤的Pb、Cd、Cr 污染指数平均值与其20－40 cm 的基本相同，均为清洁。此外，0－20 cm 土层土壤的IN和Ir值比20－40 cm 的分别高35.5%和49.4%，0－20 cm 和20－40 cm 土层的IN值分别处于中度、轻微污染水平，而Ir值均处于清洁水平，表明IN值比Ir值对污染的响应可能更为灵敏。

由表3 可知，0－20、20－40 cm 土层土壤的Cu、Zn 污染指数和0－20 cm 土层土壤的IN值与沼液浇灌总量存在显著（P＜0.05）的Pearson 线性正相关关系。0－20 cm 和20－40 cm 土层土壤的Pb、Cd 和Cr 污染指数与沼液浇灌总量的Pearson 线性相关不显著，而沼液年均浇灌量与所有污染指数的Pearson 线性相关不显著。

表3 沼液浇灌量与土壤重金属污染指数的相关性分析Table 3 Correlation analysis between biogas slurry dosage and soil heavy metal pollution index

2.2 植物可食器官污染评价

如图4 所示，13 个样点中采集到可供人食用植物器官的样点有9 个、杂交象草样点3 个。

图4 植物可食器官重金属污染指数Figure 4 Index of heavy metal contamination in edible organs of plants

由于Cu、Zn 是人体需求量较大的有益元素，中国的农产品质量标准中已经移除了Cu、Zn 的限量要求，因此，施用养猪场沼液对作物质量安全的威胁主要是Pb、Cd、Cr。在9 个食品生产样点中，出现Pb 污染的共6 个，占66.7%，其中，污染等级轻微的为3 个，中度1 个（样点2，柑橘），重度1 个（样点9，空心菜叶），极重1 个（样点4，沙梨），果实类产品中有4 个样点出现Pb 超标。出现Cd 污染的样点只有1 个，为样点7 的南瓜叶片；出现Cr 污染的有4 个，占44.4%，其中轻微污染的1 个（样点2，柑橘），其余3 个均为极重度污染（样点6 巴西人参块根、样点7 南瓜苗、样点9 空心菜叶）；IN处于污染的共有8 个，占88.9%，其中中度的有3 个，重度的1 个，极重度的4 个，样点7 南瓜苗的IN值达12.43，在所有样点中最高。

在4 个杂交象草样点中，Pb、Cd 指标均处于清洁状态，而样点13 的杂交象草茎秆中的Cr 污染指数与IN值呈现轻微污染，叶片未出现污染。

2.3 不同种植模式下沼液的消纳容量

根据中华人民共和国农用地土壤国家标准（GB 15618—2018）规定，Cu、Zn、Pb、Cd、Cr 的限量值在不同土壤pH 值、不同土地利用类型下是不同的，具体到本研究，其限量值分别为50、200、70、0.3、150 mg·kg-1。根据沼液消纳容量公式，在不考虑植物对重金属的各种输出情况下，可求出广西耕地0－40 cm 土壤（容重以1.1 g·cm-3计）Cu 、Zn、Pb、Cd、Cr 含量不超标的理论消纳容量（Qi），分别为1.279×104、3.110×104、2.026×105、5.280×103和1.925×106m3·hm-2，Cr 的理论消纳容量最大，其次是Pb、Zn、Cu，Cd 的理论消纳容量最小。根据表4 所示，如以收获空心菜、杂交象草重金属含量作为这两类耕地土壤重金属的唯一输出，则可计算这两类耕地Cu、Zn、Pb、Cd、Cr 的沼液最大消纳量，空心菜的分别是1.280×104、3.111×104、2.026×105、5.284×103、1.925×106m3·hm-2，杂交象草的分别是1.289×104、3.148×104、2.026×105、5.468×103、1.926×106m3·hm-2，空心菜种植模式的最大沼液消纳量与理论值差异不大，而杂交象草种植模式下沼液消纳容量得到提升，这可能是因为杂交象草收获生物量大、输出重金属元素含量高的缘故。

表4 土壤重金属消纳容量Table 4 Heavy metal absorption capacity of soil

3 讨论

沼液安全高效利用的前提是保证土壤和农林作物重金属含量不超标。在本研究中，0－20 cm 土层土壤出现Cu、Zn 污染的样点数最多，Cd 次之，Pb、Cr 均显示为清洁，这主要是由于Cu、Zn 通过沼液的输入强度比其余3 种元素大而造成的。当然，土壤重金属污染程度还受到植物吸收量、沼液浇灌量、土壤本底含量以及该种元素的限量标准等综合影响（杨军香等，2016；周灵君等，2017），在不同种植模式下消纳沼液，土壤的重金属污染风险是不同的。如杂交象草（样点12）与空心菜（样点8）沼液浇灌量相同的情况下，杂交象草样地（样点12）中土壤重金属各污染指数均显示为清洁，而空心菜样地（样点8）中0－20 cm 土层土壤的Cu、Zn 的污染指数均显示为轻微及以上，这说明相同沼液浇灌量下，空心菜对重金属的吸收量较小，杂交象草对土壤重金属的吸收量较大。而以往研究发现，土壤重金属污染程度与沼液浇灌总量呈正相关（王一佩，2018），因此即使杂交象草对重金属吸收量较大，在浇灌量超标的情况下，也会超出土壤环境容量负担，造成土壤重金属污染。如杂交象草3 个样点（11、12、13）中，样点11、12 的土壤重金属污染指数均显示为清洁，样点13 的0－20 cm 土层土壤的Cu、Zn 污染指数显示为轻微及以上，主要是由于样点13 的沼液浇灌量高于样点11、12，超出了该种植模式下土壤对沼液重金属的消纳能力。

沼液对于农林作物的影响主要在于其可食器官部分，过量施用沼液会导致Pb、Cd、Cr 超标。根据实验结果显示，植物器官中重金属风险水平主要与沼液浇灌量、植物种类以及重金属限量值有关。具体到本研究中，12 个可食植物样点中，受Pb 污染的样点数最多，其次是Cr、Cd。Cd 污染指数显示只有一个样点7（南瓜苗茎叶）出现轻微污染，而Pb 污染指数显示果实类的4 个样点（2、3、4、5）与蔬菜类2 个样点（9、10）均出现超标现象。这主要是因为Pb 对人体毒性较高，各国对食品Pb 限量值（≤0.3 mg·kg-1）比较低，加之沼液Pb含量相对较高（远高于Cd、Cr）。而在3 个杂交象草的样点（11、12、13）中，牧草叶片与牧草茎的Pb、Cd 污染指数均处于清洁状态，这主要是因为中华人民共和国饲料卫生标准中牧草的重金属限量值比蔬菜类重金属限量值高，Pb 含量限量值（30 mg·kg-1）是新鲜蔬菜的100 倍，Cd 含量限量值比新鲜蔬菜高5 倍以上，并且牧草收获生物量大，对重金属输出量较高，因此，施用沼液不容易引起牧草Pb、Cd 污染。同时根据内梅罗综合污染指数来看，蔬菜类（样点7）与牧草类（样点12）在相同沼液浇灌总量下，蔬菜类（样点7）的IN值为极重度污染，牧草类（样点12）IN值显示为清洁；而果实类4 个样点（2、3、5、6）的沼液浇灌总量在小于蔬菜类（样点8）的情况下，果实类IN值均显示为污染，蔬菜类显示为清洁，因此沼液重金属对不同植物可食器官污染的风险水平一般是水果类＞蔬菜类＞牧草类。

综上所述，施用沼液对土壤的主要污染是Cu、Zn，Cd 次之，而后是Pb，Cr 污染风险最小；对作物污染最严重的是Pb，Cr 次之，Cd 污染风险最小。不同种植模式下，土壤和作物重金属风险不同，其对沼液的消纳能力也就不同，因此在进行沼液消纳时，为了保证土壤和作物的质量安全，要考虑土壤对重金属的承载能力和作物受沼液重金属污染的浇灌临界值，即沼液安全消纳量。在本研究中，木本水果的Pb 含量均出现超标，即使是沼液浇灌量比较少（样点2，柑橘，90 m3·hm-2·a-1）的情况下果实也出现超标，因此，相对而言，在对木本果树进行沼液浇灌时需谨慎，其施用量不宜太多（浇灌量＜90 m3·hm-2·a-1）。叶类蔬菜的4 个样点（7、8、9、10）中在最小年沼液浇灌量（样点9，年浇灌量135 m3·hm-2）下，土壤0－20 cm 土层Cd 污染指数和IN数值分别显示为轻度与中度污染，与此同时，上述4 个样点的植物可食用部分，样点7（南瓜苗）的Cd 污染指数显示为轻微污染，Cr 污染指数和IN数值达到极重度污染水平，样点9（空心菜）的Pb污染指数达到重度污染水平，Cr 污染指数和IN数值亦达到极重度污染水平，因此，在广西，叶类蔬菜的沼液安全浇灌量应以小于135 m3·hm-2·a-1为宜。

根据表4 所示，种植空心菜的最大沼液消纳量与理论值差异不大，而种植杂交象草情况下沼液消纳容量得到提升，同时该模式下土壤和作物重金属污染风险最小，因此在本研究中，杂交象草种植模式对沼液的消纳能力以及承载能力最佳。此外，由于用材林、牧草类作物对重金属没有限量要求，在对其施用沼液时主要考虑维持土壤环境质量安全。在杂交象草的3 个样点中，样点11、12 中土壤的各重金属污染指数均显示为清洁，如以本研究中杂交象草沼液年浇灌量最高的样点11 的年沼液浇灌量（563 m3·hm-2）为计算依据，以表4 中杂交象草耕地的最小的Cd 消纳容量为限制因子（5.468×103m3·hm-2），则可计算出，在这种浇灌强度下可连续浇灌9 年而维持土壤重金属含量不超标，因此广西地区杂交象草种植模式的沼液适宜安全消纳量为560 m3·hm-2·a-1。已有研究发现，每年沼液浇灌量为207 m3·hm-2的桉树生长良好（李金怀等，2012），本研究中，样点1 的桉树在年浇灌量225 m3·hm-2下土壤没有出现重金属含量超标，因此桉树用材林对沼液的适宜安全消纳量为225 m3·hm-2·a-1，与李金怀等人研究结果相近。

4 结论

本研究详细调查和分析了广西壮族自治区13个样点的土壤和植物Cu、Zn、Pb、Cd、Cr 等重金属在不同沼液浇灌量与沼液浇灌年限下的污染风险程度，以及不同种植模式对沼液的消纳容量，得到的结论主要如下：

（1）土壤对5 种重金属元素的理论消纳容量大小为Cr＞Pb＞Zn＞Cu＞Cd，土壤重金属污染程度主要取决于沼液浇灌量的大小，施用沼液后，土壤最易发生Cu、Zn 的污染，Cd 次之，Cr 污染风险最小。

（2）农林作物受污染程度主要与沼液浇灌量、重金属限量值有关。浇灌沼液对不同作物不同器官的Pb、Cd、Cr 污染指数亦有明显差异，叶类蔬菜和木本水果等食品安全风险主要是Pb 的污染，Cr次之，Cd 污染风险最小；对果实类污染最大，蔬菜类茎叶次之，牧草类污染风险最小。

（3）不同种植模式对沼液消纳能力不同，木本果树类对重金属的限量值较小，因此木本果树的沼液安全消纳量最小，应以小于90 m3·hm-2·a-1为宜，其次是叶类蔬菜，应以小于135 m3·hm-2·a-1为宜，速生用材林沼液安全消纳量约为225 m3·hm-2·a-1，而杂交象草的沼液安全消纳量较高，约为 560 m3·hm-2·a-1。整体来说，以土壤质量和重金属为控制目标时，杂交象草种植模式，可以作为消纳沼液的首选。