高温预处理联合生物炭堆肥产品对叶菜品质及有害物质累积的影响

摘要： 【目的】集约化农业废弃物为主要原料的有机肥料中不同程度地存在有机、无机污染物，如何降低甚至避免污染物进入作物体内，对有机肥的安全利用意义重大。【方法】供试有机肥的主要原料为猪粪和麦秸，采用3 种工艺制备了有机肥样品：常规堆肥（TC）、高温预处理堆肥（HTC）、高温预处理后添加生物炭堆肥（HTBC）。以生菜（Lactuca sativa） 为材料进行了堆肥产品施用盆栽试验。在定植后50 天取样，调查生菜叶片和根的鲜、干生物量。利用抖根法，采集根际土壤样品，分析叶片和根际土壤中重金属、抗生素含量及抗性基因（ARGs） 的绝对丰度。同时，计算了生菜对重金属和抗生素的生物富集系数。【结果】与TC 处理相比，HTC 和HTBC 处理分别增加生菜叶片鲜重9.2% 和13.1%，提高可溶性蛋白质含量14.2% 和8.3%，降低亚硝酸盐含量19.9% 和19.4%；HTC 和HTBC 处理均能降低生菜叶片中重金属和抗生素含量以及ARGs 绝对丰度，HTC 处理降幅分别为6.0%～38.9%、22.4%～64.3% 和41.6%～47.6%，HTBC 处理降幅分别为13.8%～65.6%、33.0%～100.0% 和59.2%～76.2%；HTC 和HTBC 处理的重金属富集系数分别降低8.7%～43.8% 和8.0%～68.8%（Cd 除外），HTC 处理的磺胺类和四环素类抗生素富集系数分别降低14.5%～66.2% 和4.5%～37.9%，而HTBC 处理的降幅分别为33.4%～100.0% 和34.2%～38.8%；在测定的11 种抗生素中，HTBC 可显著降低生菜根际土壤中9 种抗生素的含量，而HTC 只降低5 种抗生素含量；在测定的6 个ARGs 亚型中，HTBC 可显著降低5 个ARGs 的绝对丰度，而HTC 只降低2 个，HTBC 对有害物质削减效果优于HTC。相关性分析结果表明，生菜叶片中重金属和抗生素含量以及ARGs 的绝对丰度与根际土壤中对应污染物含量呈显著正相关。【结论】高温预处理联合生物炭添加堆肥工艺生产的有机肥可提高生菜产量与品质，同时降低根际土壤中的重金属和抗生素含量及ARGs 丰度，进而减少了生菜的吸收和富集，有效削减生菜中有害物质的积累。因此，在高温预处理基础上添加生物炭进行堆腐，是减少作物对有机肥中重金属、抗生素和ARGs 吸收积累的有效措施。

关键词： 新型堆肥工艺； 叶菜； 肥效； 重金属； 抗生素； 抗生素抗性基因

国家统计局数据显示[1]，2019 年我国各类有机废弃物产生量（干重计） 达22.69 亿t。高温好氧堆肥技术是有机废弃物无害化、减量化和资源化最重要的手段之一，堆肥产品对土壤环境改善、作物提质增效和农业绿色低碳发展具有积极作用[2−3]。畜禽粪便是最主要的农业有机废弃物，但其中重金属、抗生素及抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes，ARGs） 等有毒有害物质的含量往往较高，制约了畜禽粪便源有机肥的安全利用[4]。常规的好氧堆肥工艺（如槽式堆肥、条垛式堆肥等） 可以消减抗生素和ARGs，并对重金属（含类金属） 具有钝化作用，但对这些有毒有害物质的减控效果仍有待提升[5−6]，对环境和人体健康构成潜在危害[7−8]。因此，面对作物增产、土壤培肥和复合污染削减等多目标协同的要求，设计研发新型堆肥工艺并科学评价其产物的农田施用肥效和环境安全性，对推动有机肥产业绿色高质量发展具有重要现实意义[9]。

近年来，以高温预处理堆肥和生物炭添加堆肥为代表的高温好氧堆肥工艺备受关注[10−11]。高温预处理堆肥是指在堆肥前通过外源加热将有机物料进行80℃～90℃ 高温处理2～4 h，再进行好氧发酵的堆肥工艺。生物炭添加堆肥是指向有机物料中添加一定比例（1%～10%） 的热解或者水热生物炭进行共同堆肥的工艺。一方面，高温预处理等新兴理化辅助策略和生物炭等新型功能调理剂，通过强化有机物降解、促进腐殖质前体物质产生和调控堆肥微生物群落，进而加速堆肥腐殖化进程，缩短腐熟周期，减少氨气和温室气体排放[11−13]；另一方面，高温预处理和添加生物炭通过增加腐殖质含量、提高其阳离子交换能力及官能团数量，从而降低重金属的生物有效性，且高温可加速物料中抗生素的降解、抑制潜在宿主细菌活性，有效降低农田施用后ARGs 的环境扩散风险[5，9，14]。

超高温预处理联合生物炭堆肥对提升堆肥效率与有机肥品质和安全性具有积极的协同作用，可使堆肥提前13 天达到完全无害化标准，堆肥腐熟产物总养分（N+P2O5+K2O ） 和腐殖酸含量分别提高18.4%和57.5%，堆体中四环素类、磺胺类、喹诺酮类抗生素分别在第14、28、42 天时被完全消减，重金属Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、As、Ni 的钝化率分别达到53.9%、51.5%、48.8%、36.3%、55.5%、52.6% 和58.8%[11]。因此，高温预处理联合生物炭堆肥代表了一种新型的绿色堆肥工艺，在提升有机废弃物资源化利用水平方面具有巨大的应用前景。堆肥工艺对有机肥的农学效应和环境效应具有重要影响[ 1 5 − 1 6 ]。施用生物炭基肥料对作物具有普遍的增产效果，施用高温预处理堆肥也能提高小白菜、辣椒和水稻的产量及土壤养分有效性[17−18]。但目前对于高温预处理联合生物炭堆肥产物的农田施用效果尚未有系统的研究，特别是对有机肥源重金属、抗生素及ARGs等有毒有害物质向作物迁移传播的潜在风险鲜有报道。

近年来，蔬菜生产发展十分迅速，2020 年全球蔬菜播种面积达到2051 万hm2，是仅次于粮食的第二大农作物[19]。长期以来，蔬菜生产以“高投入、高产出”为主导模式，导致部分蔬菜产地存在土壤酸化、次生盐渍化、养分非均衡化等突出问题，严重制约蔬菜产业绿色健康发展[19]。施用高品位有机肥是改良蔬菜产地土壤的重要手段[20]，但高温预处理联合生物炭堆肥产物在协同提升蔬菜品质、降低有害物质累积等方面的效果尚不明确。基于此，本研究采用盆栽试验，以生菜（Lactuca sativa） 为代表性叶菜，分别施用常规堆肥、高温预处理堆肥和高温预处理联合生物炭堆肥产物，对比研究不同工艺堆肥产品对蔬菜产量、品质及蔬菜−根际土壤系统中主要重金属含量、抗生素含量、ARGs 绝对丰度的影响，旨在为高效安全堆肥工艺的优化升级及其农田施用效果的科学评价提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验所用3 种有机肥均由本研究团队制备，常规堆肥样品（TC） 由猪粪与秸秆按1.6﹕1 （w/w，湿重） 混合均匀，调节初始含水率至60% 后直接进行常规堆腐而来；高温预处理堆肥（HTC） 将猪粪与秸秆混合物料（比例同TC 组） 在高温预处理装置中加热至90℃ 并维持4 h，恢复至室温后调整含水率至60% 进行堆置；高温预处理联合生物炭堆肥（HTBC）为高温预处理结束后，按照10% （w/w，干重计） 的比例向混合物料中添加牛粪热解生物炭进行堆置，牛粪热解生物炭是以牛粪渣为原料在500℃ 隔绝氧气条件下热解2 h 制得。堆肥试验在60 L 保温箱中进行，堆肥时间为2021−12−05 至2022−01−22，共计49 天，具体堆肥方法详见阚泽鑫等[11]的报道。

供试土壤为人为土（IUSS Working Group WRB，2007），取自江苏省农业科学院内蔬菜种植基地0—20 cm 耕层，取样时间为2022−04−22，自然风干后去除石块等杂物，粉碎后过2 mm 筛，备用。供试堆肥样品和土壤的基本理化性质、重金属和常见抗生素含量详见表1。

1.2 盆栽试验设计

堆肥质量采用盆栽试验进行验证，供试作物生菜（Lactuca sativa） 种子购于南京明达种业公司，选取颗粒饱满的生菜种子埋入装有育苗基质的育苗盘中，定期补水保持湿润，培育1 星期后选取长势良好的生菜幼苗用于盆栽试验。盆栽试验于2022−05−05 至2022−06−23 在江苏省农业科学院试验大棚内（118°53′E， 32°2′N） 开展。试验设置TC、HTC和HTBC 3 个处理，按照N∶P2O5∶K2O=1.5∶1∶1.5的比例施用氮磷钾肥，分别由尿素、过磷酸钙和硫酸钾提供，施氮量为76 mg/kg 土壤，有机肥施用量为10 g/kg 土壤。将所有肥料作为基肥拌土一次性施入，每盆装土2 kg，调节土壤含水量为田间持水量的65% 左右，待稳定5 天后移栽生菜幼苗。每个处理设置5 个重复（n=5），每盆定植3 株长势相同的一周龄生菜幼苗，随机排列，日常管理相同。生菜生长50 天后收获。

1.3 取样与分析

1.3.1 样品采集

生菜收获当天首先测定叶绿素含量，然后采集整个植株，立即测定株高和根长。采用抖根法收集生菜根际土壤，去除动物和植物残体后混合均匀，装入聚乙烯塑料袋中，于4℃ 冰箱内保存。将植株清洗干净，吸干表面水分后分别称量叶片和根的鲜重。取部分生菜叶片，切碎匀浆后冷冻保存，用于测定品质指标；剩余样品一部分在液氮中进行研磨过0.150 mm 筛，装入自封袋中于−20℃保存，用于测定抗生素含量及ARGs 绝对丰度；另一部分在55℃ 烘箱中烘至恒重，研磨过0.150 mm筛，用于测定常规理化指标和重金属含量。

1.3.2 理化指标测定

土壤和肥料的pH 和电导率（EC） 分别采用pH 计（PHS-25，上海雷磁，中国） 和电导率仪（DDS-307，上海越平科学仪器有限公司，中国） 测定；总有机碳（TOC） 分析方法参照《土壤农化分析》；总氮（TN） 含量采用凯氏定氮法测定，仪器为凯氏定氮仪（K9860，海能未来技术集团股份有限公司，济南）；总磷（TP） 含量采用过硫酸钾消解—钼锑抗分光光度法测定，使用仪器为立式自动压力蒸汽灭菌器（GI54DWS，致微仪器有限公司，中国厦门） 和紫外分光光度计（UV-1900i，岛津仪器有限公司，日本）；总钾（TK） 采用火焰分光光度计（FP6440，仪电分析仪器有限公司，上海） 测定。

1.3.3 植株品质指标测定

生菜样品采用叶绿素仪SPAD502 测定叶绿素含量，采用考马斯亮蓝染色法测定可溶性蛋白质含量，2，6-二氯靛酚滴定法测定维生素C 含量，蒽酮法测定可溶性糖含量，紫外分光光度法测定亚硝酸盐含量。

1.3.4 抗生素含量测定

堆肥和根际土壤中抗生素的提取参考郭欣妍等[21]的方法，生菜中抗生素的提取参考雷清毅[22]的方法。提取液中抗生素含量采用高效液相色谱串联质谱测定（AB SCIEX QTRAP 5500 +，美国）。本研究共测定7 种磺胺类抗生素含量：磺胺甲基嘧啶（SMR）、磺胺甲恶唑（SMX）、磺胺噻唑（STZ）、磺胺嘧啶（SDZ）、磺胺间甲氧嘧啶（SMM）、磺胺二甲嘧啶（SMZ）、磺胺吡啶（SPD），2 种四环素类抗生素含量：四环素（OTC） 和金霉素（CTC），以及2 种喹诺酮类抗生素含量：诺氟沙星（NFX） 和恩诺沙星（EFX）。仪器检测条件详见已有报道[11]。采用内标法对样品基质效应进行校正，以确保检测数据的可靠性，上述11 种抗生素的回收率范围为75%～90%。

1.3.5 DNA 提取和抗生素抗性基因（ARGs） 的定量分析

生菜叶片和根际土壤中的微生物基因组DNA使用DNA 提取试剂盒（FastDNA Spin Kit for Soil，MP Biomedicals，美国） 进行提取。DNA 提取完毕后，用微量核酸蛋白质分析仪（NanoDrop2000，Thermo Scientific，美国） 检测DNA 含量及纯度，于−80℃ 保存。

采用荧光定量PCR （Analytik Jena AG，德国） 测定样品中的磺胺类抗性基因（sul1、sul2），四环素类抗性基因（tetG、tetX） 和喹诺酮类抗性基因（qnrB、qnrS） 的丰度，引物序列详见表2。定量PCR 反应体系（20 μL） 为：SYBR Green qPCR Master Mix （ThermoFisher Scientific，美国） 10 μL，10 μmol/L 上下游引物0.4 μL，DNA 模板0.5 μL 和无菌超纯水9.1 μL。扩增效率为96.27%～118.17%，R2 值为0.9915～0.9996。每个样品做3 次技术重复，每次设置阴性对照试验。采用标准质粒外标法对样品中ARGs 的拷贝数进行定量，所制备的标准质粒DNA 浓度为1.75×1010～1.83×1011 copies/L，以ARGs 拷贝数/样品干重（copies/g DW） 计算该抗性基因的绝对丰度。

1.3.6 重金属含量测定

称取研磨的植株样品0.5 g于50 mL 离心管中，加入过氧化氢5 mL 和硝酸（质量分数为65.0%～68.0%） 5 mL，置于石墨消解仪上于180℃ 进行消解，若溶液逐渐变黑立即补充硝酸，直至消化液变成无色透明状。冷却后向其中加入2.0% 硝酸溶液定容至25 mL，采用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS，Thermo Fisher Scientific，美国） 测定其中重金属含量。生菜根际土壤中有效态重金属采用DTPA 浸提法[26]，称取0.5 g 过筛土样于50 mL 离心管中，加入20 mL 0.11 mol/L DTPA-TEA提取液，于室温下振荡16 h，4000 r/min 离心20 min，收集上清液用于测定土壤中可溶性重金属含量。同时进行样品空白试验，并以土壤标准物质（ERM-S-510203） 进行质控试验，以确保测定结果的准确性和可靠性。本研究中测定的重金属为畜禽粪便中检出率较高的Cu、Zn、As、Pb、Cd 和Cr，也是土壤中主要的重金属污染物。

1.4 数据分析

生物富集系数（BCFs） 是指生物体中污染物的含量与其生长环境中的含量之比，是用来评价生物对环境污染物富集作用的重要指标。生菜叶片中重金属或抗生素的BCFs 按以下公式进行计算。

BCFs=生菜叶片中抗生素或重金属浓度/土壤抗生素或重金属浓度。

利用SPSS 26.0 软件对不同处理组的指标进行单因素方差分析（one-way ANOVA），均值比较采用Duncan’s 新复极差法，Plt;0.05 为显著。利用SigmaPlot10.0 软件进行绘图。本研究中所有数据均为平均值±标准误（n=5）。采用Pearson 相关分析检测生菜重金属、抗生素含量和ARGs 丰度与土壤对应污染物之间的关系。

2 结果与分析

2.1 不同堆肥产品施用对生菜生物量和品质的影响

与TC 处理相比，HTC 和HTBC 处理均能够增加生菜的生物量（表3），HTC 和HTBC 处理中生菜叶片和根的干、鲜重均有所增加（HTC 处理中根鲜重除外），但只有HTBC 处理下生菜根系干重显著高于TC 和HTC 处理，增幅分别为35.0% 和24.6% （Plt;0.05）；HTC 和HTBC 分别增加生菜叶片鲜重9.2%和13.1%。该结果表明，与HTC 相比，HTBC 施用更有利于生菜根系生长，对生菜的促生效果更明显。

由图1 可见，与TC 处理相比， HTC 处理可显著提升生菜叶片中可溶性蛋白质和维生素C 含量（Plt;0.05），增幅分别为14.2% 和8.0% （图1A、C），并显著降低亚硝酸盐含量（Plt;0.05），降幅为19.9%（图1D），而可溶性糖和叶绿素含量没有显著的变化（图1B、E）；但HTBC 处理中，生菜各品质指标均未有显著的提升，可增加可溶性蛋白质含量8.3%，降低亚硝酸盐含量19.4%。

2.2 不同堆肥产品施用对生菜和根际土壤重金属含量的影响

如图2 所示，与TC 处理相比， HTC 和HTBC处理显著降低生菜叶片中重金属的含量（Plt;0.05），HTC 处理的生菜叶片中Cu、Zn、Cd、As、Pb 和Cr 含量分别降低15.3%、6.0%、8.9%、38.6%、38.9% 和36.6%，HTBC 处理中降幅分别为31.0%、23.5%、13.8%、56.4%、65.6% 和54.9%。所有处理中生菜叶片的重金属含量均远低于食品中限量标准（GB 2762—2022）[27]。该结果表明，与HTC 处理相比，HTBC 处理进一步降低了重金属（Cd 除外） 在生菜中的累积。

为进一步表征3 种堆肥产品施用对生菜重金属累积的影响，对堆肥产品施用后生菜叶片中重金属的富集系数进行分析（表4）。所有处理中，生菜对Cd 的富集能力最强，富集能力依次为Cdgt;Asgt;Zngt;Cugt;Pbgt;Cr，生菜对各重金属的富集系数均未超过1.0。施用TC 的生菜中重金属的富集系数高于HTC和HTBC 处理，HTC 和HTBC 处理重金属富集系数较TC 分别降低8.7%～43.8% 和8.0%～68.8%。除了Cd 外，HTBC 处理生菜中重金属的富集系数显著低于HTC 处理（Plt;0.05）。

作物植株体内的重金属主要来自其根系对土壤中可溶性重金属的吸收转运。因此，本研究对不同堆肥施用后生菜根际土壤中可溶性重金属含量进行了分析（图3）。与TC 处理相比，HTC 和HTBC 处理可显著降低生菜根际土壤中可溶性Cu、Zn、Cd 和As 的含量（Plt;0.05，图3A～D），但对可溶性Pb 和Cr 的含量无显著影响（图3E、F）。与TC 处理相比，HTC 处理的土壤可溶性Cu、Zn、Cd 和As 含量分别降低了55.9%、80.4%、17.6% 和57.2%，HTPC 处理分别降低了49.5%、72.5%、21.8% 和43.8%。生菜根际土壤中可溶性Zn 和As 含量在HTC 和HTBC 处理下差异显著（Plt;0.05），其他重金属含量差异不显著（图3B、D）。以上结果表明，HTC 和HTBC 处理对生菜叶片中重金属的减控作用与其根际土壤可溶性重金属含量的降低有关。

2.3 不同堆肥产品施用对生菜和根际土壤中抗生素含量的影响

3 种堆肥产品施用后生菜叶片中抗生素含量如图4 所示。与TC 处理相比，HTC 处理的生菜叶片中含量显著降低的抗生素有3 种，SMM、SPD 和NFX，其含量分别降低了64.3%、22.4% 和27.9%（Plt;0.05）；HTBC 处理的生菜叶片中有9 种抗生素含量显著降低，SDZ、SMR、SMX、STZ、SMM、SMZ、SPD、NFX 和OTC，其含量分别降低了100.0%、86.4%、52.2%、71.2%、72.4%、33.0%、41.3%、60.2%和45.6% （Plt;0.05）。HTBC 处理的生菜叶片中SMR、SMM 和NFX 含量显著低于HTC 处理的（Plt;0.05）。

由表5 可见，HTC 和HTBC 处理中，SDZ、SMR、SMM、SMZ 和CTC 在生菜叶片中的富集系数显著低于TC 处理（Plt;0.05）。与TC 处理相比，HTC 处理中SDZ、SMR、SMM、SMZ、OTC 和CTC 的富集系数分别降低47.3%、66.2%、31.6%、14.5%、4.5% 和37.9%，HTBC 处理中降幅分别为100.0%、56.8%、33.4%、34.4%、34.2 和38.8%。其中，SDZ、SMZ 和OTC 的富集系数在HTBC 处理中显著低于HTC 处理（Plt;0.05），而HTBC 处理中SMR 的富集系数显著高于HTC （Plt;0.05）。其他抗生素（EFX除外） 的富集系数在各处理间没有显著差异。

如图5 所示，与TC 处理相比，HTC 处理的生菜根际土壤中有5 种抗生素含量显著降低，即SMR、SPD、NFX、EFX 和OTC，其含量分别降低了32.6%、45.2%、22.7%、47.6% 和32.3% （Plt;0.05）；HTBC 处理的生菜根际土壤中有9 种抗生素含量显著降低，即SDZ、SMR、SMX、STZ、SMM、SPD、NFX、EFX 和OTC，其含量分别降低了94.0%、68.5%、41.0%、61.3%、49.8%、40.5%、56.8%、42.7% 和51.9% （Plt;0.05）。以上结果表明，HTBC 对根际土壤中抗生素累积的减控效果优于HTC，这可能是HTBC处理中生菜叶片抗生素含量低于HTC 的重要原因。

2.4 不同堆肥产品施用对生菜和根际土壤中ARGs丰度的影响

有机肥施用引入的抗生素和重金属容易诱导土壤−蔬菜系统中ARGs 的产生，本研究结果表明，HTC 和HTBC 处理有效降低了生菜和根际土壤中重金属和抗生素的累积，进而继续深入研究了3 种堆肥产品施用对生菜−根际土壤系统中ARGs 绝对丰度的影响（图6）。结果发现，除了sul2 外，HTC 和HTBC 处理可降低生菜叶片中5 种目标ARGs 的绝对丰度，并且HTBC 处理对ARGs 的削减效果优于HTC 处理。与TC 处理相比， HTC 和HTBC 处理生菜叶片中sul1、tetG 和tetX 的绝对丰度均显著降低，HTC 处理中降幅分别为47.6%、44.4% 和41.6%，HTBC 处理中降幅分别为76.2%、59.2% 和69.6%（Plt;0.05）。各处理间喹诺酮类ARGs 亚型（qnrB 和qnrS） 的绝对丰度差异不显著。

如图7 所示，与TC 处理相比，HTC 处理的生菜根际土壤中有2 个ARGs 丰度显著降低，即sul2 和tetX，其绝对丰度分别降低77.1% 和72.4% （Plt;0.05）；HTBC 处理的生菜根际土壤中有5 个ARGs 丰度显著降低，即sul1、sul2、tetG、tetX 和qnrB，其绝对丰度分别降低了74.0%、96.7%、72.4%、59.4% 和30.2% （Plt;0.05）。总体来看，施用HTBC 对根际土壤中目标ARGs 绝对丰度的削减效果普遍优于HTC，其中tetG 的绝对丰度显著低于HTC 处理（Plt;0.05）。

2.5 生菜重金属、抗生素含量和ARGs 丰度与土壤污染物之间的相关性分析

如图8 所示，生菜叶片中总重金属含量与根际土壤可溶性重金属含量呈极显著正相关（Plt;0.01），生菜叶片中抗生素含量与根际土壤抗生素含量呈显著正相关（Plt;0.05），生菜叶片中ARGs 绝对丰度与根际土壤ARGs 绝对丰度呈极显著正相关（Plt;0.001）。这表明降低土壤中污染物水平是减少其在植株中积累的最重要途径。因此，通过施用低污染物含量的新型有机肥，可以有效降低土壤中重金属、抗生素和ARGs 的污染风险，从而阻控污染物质进入到作物体内。

3 讨论

以有机肥为主要手段的有机农业是提高蔬菜品质、实现蔬菜产业绿色可持续发展的重要模式[16， 28]。本研究发现，施用高温预处理堆肥和高温预处理联合生物炭堆肥产品，能协同促进蔬菜产量和营养品质提升。可溶性蛋白质含量是蔬菜生理生化和营养品质的重要评价指标之一，许多可溶性蛋白质是构成蔬菜中酶的重要组成部分，与蔬菜的生长发育、抗病性和抗逆性密切相关[29]。高温预处理堆肥和高温预处理联合生物炭堆肥这两种有机肥中腐殖酸含量和养分含量较常规堆肥工艺生产的有机肥高[11]，因而更有利于提高叶片中可溶性蛋白质含量，从而促进蔬菜生长发育，提高蔬菜抗逆性[17−18]。可溶性糖是果蔬植株中能量贮藏物质的主要来源和呼吸作用的主要底物[29]。和常规堆肥和高温预处理堆肥相比，高温预处理联合生物炭堆肥增加了生菜中可溶性糖含量，有利于其贮藏保鲜。高温预处理堆肥和高温预处理联合生物炭堆肥产品均降低生菜中亚硝酸盐含量，可能因为两者对土壤微生物（如亚硝化细菌、硝酸盐生成菌等） 及相关酶活性具有良好的调控作用[18]。

粪源有机肥中有毒有害物质（如重金属和抗生素） 残留及其环境风险，一直以来都是农业环境研究的热点之一[4，8]。大量调查研究发现，有机肥施用是菜地土壤抗生素的主要来源[30−31]，粪源有机肥中重金属的潜在危害也十分突出[32]。本研究结果表明，施用高温预处理联合生物炭堆肥显著降低了蔬菜中重金属和抗生素的含量，重金属和抗生素在生菜中的富集系数显著低于常规堆肥（Plt;0.05）。这主要有两方面原因：一是高温预处理、生物炭添加等堆肥工艺可有效提高重金属钝化率，并促进抗生素降解[11]；二是新型堆肥工艺生产的有机肥中腐殖质含量和质量提升，施入农田后可直接增加对重金属的络合能力[33]，降低了土壤可溶性重金属含量，进而阻控土壤中重金属向蔬菜中迁移[34]。相关性分析结果也表明，高温预处理联合生物炭堆肥施用通过降低根际土壤中重金属的生物有效性，从而降低蔬菜对土壤重金属的吸收转运。同时，高温预处理联合生物炭堆肥施用有利于土壤微生物的生长和活性提升，进一步促进抗生素的降解[35−36]，降低根际土壤中抗生素含量和在蔬菜植株中的富集。

研究发现施用粪肥的农田土壤中70% 以上的ARGs 由畜禽粪肥引入，一方面粪肥中耐药菌所携带的ARGs 在环境中进行传播[34]，另一方面长期施用粪肥后土壤累积的抗生素会诱导土壤微生物产生ARGs [37]。此外，畜禽粪肥中检测出整合子、转座子和质粒等常见的可移动遗传元件（MGEs）[38]，加速了ARGs 在粪肥施用土壤中的传播。本研究选择了6 种典型的ARGs 进行分析，发现施用新型堆肥产品可降低根际土壤和生菜叶片中目标ARGs 的绝对丰度。首先，高温预处理联合生物炭堆肥比常规堆肥具有更好的抗生素削减效果[11]，降低了抗生素的选择压力；其次，高温预处理联合生物炭堆肥对ARGs的去除率更高（可达90% 以上）[5]，从而降低施用土壤中有机肥源ARGs 的累积[39]；再次，高温预处理联合生物炭堆肥可有效降低重金属的生物有效性[6]，从而减轻了土壤微生物在重金属和抗生素共同胁迫下产生的交叉抗性[40]。本研究中生菜总ARGs 绝对丰度与根际土壤总ARGs 绝对丰度呈显著正相关（Plt;0.05），包灿鑫[41]发现施用生物炭−猪粪复合堆肥有效削减苏州青根内生菌和叶际中四环素类和磺胺类ARGs，其机理可能与根际土壤中ARGs 绝对丰度的降低有关。因此，高温预处理联合生物炭堆肥施用通过降低土壤中ARGs 的绝对丰度，抑制ARGs 向蔬菜中的迁移转运。

综上所述，施用高温预处理联合生物炭堆肥可促进蔬菜品质提升，有效削减根际土壤的重金属、抗生素含量及ARGs 丰度，并降低其向生菜植株中传播的风险，可以作为高品位的有机肥在蔬菜绿色生产中推广和应用。未来，为更准确评价新型堆肥产品对不同土壤类型下蔬菜产量、品质和环境的影响，需要在更多区域、更多蔬菜类型和更长的时间尺度开展系统全面研究。这对减少含重金属、抗生素及ARGs 的蔬菜摄入所带来的潜在健康风险具有重要意义。

4 结论

施用高温预处理联合生物炭堆肥产品能够提高生菜地上部生物量和可溶性蛋白质含量，同时降低亚硝酸盐、重金属、抗生素含量及ARGs 绝对丰度。生菜中重金属和抗生素含量以及ARGs 的绝对丰度与根际土壤中对应污染物呈显著正相关。高温预处理联合生物炭堆肥施用降低了根际土壤中重金属的生物有效性、抗生素含量及ARGs 丰度，是生菜中有毒有害物质降低的重要原因。

参 考 文 献：

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基金项目：江苏省重点研发计划（社会发展） 重大科技示范项目（BE2022788）。