水稻土中豬糞炭用量對小白菜生長及食用安全的影響

郭卉 陳建國 王小麗 楊愛愛 江青青 郭玥含 王雯穎

摘 要：為了評估水稻土施用豬糞炭的衛生安全風險，試驗以小白菜為指示作物，通過盆栽處理探討了紅黃泥水稻土施用不同量豬糞炭對小白菜生長和食用安全的影響。結果表明：（1）與不施豬糞炭相比，紅黃泥水稻土中豬糞炭施用量為2.5%時小白菜生物量增加0.56%，施用量5.0%和7.5%時小白菜生物量分別下降4.17%和17.78%;（2）與不施豬糞炭相比，豬糞炭用量為2.5%、5.0%和7.5%時小白菜Cu含量分別增加52.8%、113.4%和167.8%，Zn含量分別降低13.4%、增加0.1%和75.3%，各處理中唯有豬糞炭用量7.5%處理的小白菜出現鋅毒害;（3）與不施豬糞炭相比，豬糞炭2.5%、5.0%和7.5%處理重金屬綜合污染指數（PZ）及復合健康風險指數（TTHQ）都呈下降趨勢。 綜上所述，在稻—菜輪作模式下，紅黃泥水稻土中豬糞炭施用量低于7.5%時是合理的，于小白菜經濟產量而言，紅黃泥水稻土中豬糞炭的合理用量為2.5%;于小白菜衛生安全而言，紅黃泥水稻土中豬糞炭合理用量為5.0%。

關鍵詞：豬糞炭;小白菜;紅黃泥;重金屬;食用安全

中圖分類號：X713， S634.3文獻標識碼：A文章編號：1006-060X（2020）03-0052-04

Abstract： In order to evaluate the health and safety risks of swine manure biochar applied into red paddy soil， the effect of different amounts of swine manure biochar on the growth and edible safety of pakchoi had been studied by pot experiment. In contrast to no application of swine manure biochar， 2.5%， 5.0% and 7.5% swine manure biochar brought the following changes： （1） the biomass of pakchoi was +0.56%， -4.17%， and -17.78%， respectively; （2） the content of Cu in pakchoi was +52.8%， +113.4%， +167.8%， respectively; the content of Zn was -13.4%， +0.1%， +75.3%， respectively， while the pakchoi presented slight zinc toxity in the treatment of 7.5%; （3） the comprehensive pollution index （Pz） and total taxget hazard quotient （TTHQ） of heavy metals both showed a downtrend. In summary， in rice-vegetable rotation system it is reasonable when the amount of swine manure biochar applied is less than 7.5% in red paddy soil. In terms of economic yield of pakchoi， the appropriate amount of swine manure biochar applied is 2.5%， but in terms of edible safety of pakchoi， the appropriate amount is 5.0%.

Key words： swine manure biochar; pakchoi; red paddy soil; heavy metal; edible safety

豬糞炭是指將豬糞在高溫厭氧條件下裂解而形成的一種生物質炭，是當前規模化養豬場徹底消除糞污污染（包括實現養殖場廢棄物的減量化、殺滅畜禽糞便病原菌、破壞抗生素的結構）的重要途徑[1-2]。豬糞炭中有機碳、有效磷、有效鉀含量高，富含養分，同時比表面積大、孔隙度高，具有較強的穩定重金屬功能[3]，因此加強其在農業上的應用研究對豬糞資源化利用具有重要意義。

豬糞炭在農業上的應用除了提供作物養分[4]之外就是修復重金屬污染的土壤[3]。Meng等[5]研究表明，豬糞與稻草共熱解產生的炭施用于鉛鋅礦污染土壤能夠降低重金屬交換態含量;Xu等[6]、Cui等[7]認為，畜糞炭固定水溶性重金屬離子的機理是由于PO43-或 CO32-與其結合形成沉淀，少部分是表面—OH功能團絡合和電吸附。此外，也有人認為糞源生物炭施入土壤后提高了土壤pH值[8-9]，通過石灰效應有效地吸附了土壤重金屬和有機農藥[10-11]。基于上述認識，畜糞炭被認為是一種優質廉價的土壤修復材料。

豬糞炭濃縮了豬糞中大量的Cu、Zn，因而很多學者擔憂在農田土壤使用豬糞炭的安全性[12]。針對此問題，Meng等[13]發現在豬糞中加入稻草等作物秸稈共同熱裂解能稀釋豬糞炭中Cu、Zn含量，李彪[14]的研究表明旱地紅壤中單施豬糞炭能降低小白菜Cu、Zn及其他重金屬含量。水稻土是南方主要農業土壤類型，但當前豬糞炭是否宜用于水稻土壤的相關實證研究鮮見報道。

小白菜生長周期短，且作為葉類蔬菜比其他作物富集重金屬的能力更強[15]，因此，筆者擬用小白菜作為試驗對象驗證水稻土施用豬糞炭的風險。用盆栽試驗的形式探究紅黃泥水稻土中豬糞炭不同用量對小白菜生長及重金屬含量的影響，以此為依據評估水稻土中豬糞炭不同用量存在的衛生健康風險，尋求水稻土中豬糞炭合理用量，為糞源生物炭農業應用奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

豬糞采自湖南省長沙縣白沙鎮陳家灣養豬場。將豬糞置于密封陶質容器中，在高溫爐中500℃條件下厭氧干餾2.5 h，冷卻后取出，過20目篩備用。試驗土壤為紅黃泥水稻土，采自湖南省雜交水稻研究中心水稻生產示范基地。土壤風干粉碎后備用。栽培用小白菜品種為“四季脆甜小白菜”。

1.2 試驗設計

以豬糞炭在水稻土中的不同用量作為試驗處理。共設4個處理：分別按栽培基質（水稻土+豬糞炭）干重的0%、2.5%、5.0%和7.5%施用豬糞炭，以不施豬糞炭（0）處理為對照;4個處理編號分別記為CK、T2.5、T5.0、T7.5。每個處理重復4次。

試驗以盆栽的形式進行。栽培盆為口徑25 cm、高30 cm的抗氧化牛筋塑料盆。每盆準備風干紅黃泥水稻土，使水稻土+豬糞炭總干重為5 kg，先將豬糞炭與土壤混勻，于2018年5月栽培一季中稻（湘兩優1號），水稻栽培施肥量按每盆施N 1 g、P2O5 0.5 g、K2O 1 g標準進行（氮肥為尿素，磷肥為鈣鎂磷肥，鉀肥為氯化鉀），豬糞炭處理中由豬糞炭攜入的有效態氮、磷、鉀視為施入的肥料，相應施用化肥量酌減（如超過CK施用標準，則不施用相應化肥）。采用一次性全層施肥。水稻收割后將土壤破碎晾曬，然后重新裝盆，于2019年3月12日種小白菜，每盆移栽小白菜苗3株，移入溫棚，于2019年3月20日施用追肥（每盆施用15 mL含氮1.48 g/L、P2O5 0.33 g/L、K2O 0.23 g/L的營養液，每隔5 d施1次，分3次施完），對照每天澆等量去離子水。2019年4月15日采收。小白菜栽培前土壤相關元素含量見表1，農用地土壤污染指標見表2。

1.3 元素含量測定與質量控制

小白菜成熟后整株摘取，清洗晾干測定鮮重，殺青后在80℃恒溫下烘干測定干重，粉碎過100目篩，裝入樣品袋備用。植物樣先用HNO3-HClO4法消化，然后用電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP-OES）測定元素含量[16]。利用柑橘葉成分分析標準物質（GSB-11，北京儀化通標科技有限公司）作為植物標準成分物質對消化、檢測過程進行質量控制，加標回收，回收率為95.3%，達到檢測質量控制目標。

1.4 小白菜污染評價方法與標準

結合食品國家安全標準（GB2762—2017）中葉類蔬菜標準值，采用單因子污染指數法和內梅羅（Nemerow）綜合污染指數法對小白菜中重金屬進行評價。

單因子污染指數法公式：Pi=Ci/Si，式中Pi為重金屬i的單因子污染指數，Ci為重金屬i的實測濃度，Si為重金屬i的安全標準。分級標準：Pi≤1為清潔，13為重污染。

內梅羅（Nemerow）綜合污染指數法參考多種污染因子影響的同時突出高濃度重金屬對小白菜品質的影響。計算公式：

式中PZ為內梅羅綜合污染指數，Pmax為多種重金屬單因子指數（Pi）中的最大值為，Pave為多種重金屬單因子指數（Pi）的平均值。分級標準：PZ≤0.7為安全，0.73為重污染。

1.5 小白菜食用安全評價方法與標準

采用目標危害系數法（Target Hazard Quotient，THQ）評價蔬菜食用安全性[15， 17]，可同時評價單一重金屬的健康風險和多種重金屬復合作用導致的健康風險。單一重金屬風險計算公式如下。

多種重金屬復合風險計算公式：

TTHQ=∑THQ

式中EF（d/a）為暴露頻率，取值365[15];ED（a）為暴露時間，取值70[15];FIR（g/d）為蔬菜攝入量，兒童取值231.5，成人取值301.4[15];c（mg/kg）為蔬菜中重金屬質量比;WAB（kg）為平均體重，兒童取值32.7，成人取值55.9[15];ATn（d）為非致癌平均暴露時間，取值25 550[15];RFD[mg/（kg·d）]為參考劑量，Pb為4×10-3，Cd為1×10-3，As為3×10-3，Hg為5×10-4 [15]。若THQ≤1，說明暴露人群沒有明顯的健康風險;若THQ>1，則存在健康風險。THQ值越大，則說明該污染物對人體健康危害程度越大。

1.6 數據處理

利用Excle 2019、SPSS 25.0進行數據的統計分析及圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 不同處理對小白菜生物量的影響

從表3可知，各處理小白菜平均鮮重在33.62～53.42 g/盆，干重在2.96～3.62 g/盆，含水率為91.2%～93.3%，隨著豬糞炭施用量的增加，小白菜的鮮重呈降低趨勢，與之對應，小白菜含水率也呈下降趨勢。與對照相比，T2.5、T5.0和T7.5處理的小白菜鮮重分別降低8.80%、13.98%和37.06%，含水率相應降低0.75%、0.86%和2.25%。對比小白菜干重，T2.5比CK增加0.56%，T5.0和T7.5則比CK分別降低了4.17%和17.78%。以上表明，施用豬糞炭會降低小白菜對水分的保持量;施用豬糞炭數量不超過2.5%即能增加小白菜的生物量，超過2.5%會減少小白菜的生物量。

2.2 不同處理對小白菜中Cu、Zn累積量影響

從圖1A可知，不同處理小白菜（干重）Cu含量在4.40～11.78 mg/kg間變化，與對照相比，T2.5、T5.0和T7.5的小白菜中Cu的含量分別增加了52.7%、113.3%和167.6%，與豬糞炭施用量呈顯著正相關。CK小白菜Cu含量為4.40 mg/kg，表現為輕度缺銅[18];T2.5、T5.0、T7.5小白菜Cu含量（分別為6.72、9.39、11.78 mg/kg）則達到一般作物葉片的正常含量[18]，說明施用豬糞炭對缺銅的紅黃泥水稻土起到了補銅的作用，同時也說明豬糞炭對Cu的固定量遠低于其所含量。

從圖1B可知，各處理小白菜（干重）Zn含量在35.82～72.47 mg/kg，T7.5的小白菜中Zn含量最高，比對照增加了75.3%，T2.5和T5.0的小白菜Zn含量分別增加了-13.4%和0.1%，后二者與CK沒有顯著差別。從小白菜生長營養角度看，CK、T2.5、T5小白菜Zn含量處于正常水平，T7.5小白菜Zn含量偏高[18]，葉片邊緣卷曲，表現輕度中毒癥狀。

2.3 不同處理對小白菜Pb、Cd、As、Hg累積的影響

2.3.1 Pb 由圖2A可知，各處理小白菜（鮮重）Pb含量在0.00～0.25 mg/kg間變動，均低于蔬菜食用安全國家標準上限值（0.30 mg/kg），其中T2.5和T5.0小白菜（鮮重）Pb含量比CK顯著增加，分別為CK的1.57倍和1.67倍，T7.5則比CK顯著降低，其小白菜Pb含量比CK降低96.96%。顯然，施用豬糞炭低于5.0%水平，會一定程度上促進小白菜對Pb的吸收，超過5.0%以上的某個限值會驟然降低小白菜對Pb的吸收。

2.3.2 Cd 從圖2B可知，各處理的小白菜（鮮重）Cd含量在0.02～0.10 mg/kg間變化，均遠低于蔬菜食用安全國家標準（0.20 mg/kg），其中T2.5、T5.0和T7.5比對照分別減少67.16%、75.24%和77.08%。以上結果表明，施用豬糞炭對土壤中原有的鎘起到了固定作用，阻止小白菜對土壤Cd的吸收。

2.3.3 As 從圖2C可知，各處理小白菜（鮮重）As含量在0.19～0.41 mg/kg間變化，對照組小白菜（鮮重）As含量超過食品安全國家標準，豬糞炭處理小白菜As含量均低于蔬菜食用安全國家標準（0.50 mg/kg）， 其中T2.5、T5.0和T7.5比CK分別減少48.79%、53.95%和53.77%。這說明豬糞炭對土壤As起固定作用，降低了小白菜對As的吸收。

2.3.4 Hg 從圖2D可知，各處理小白菜（鮮重）Hg含量在0.13～0.14 ?g/kg間變化，與CK相比，T2.5、T5.0和T7.5差異都不顯著，各處理小白菜Hg含量都低于蔬菜食用安全國家標準（10 ?g/kg）。

2.4 小白菜中重金屬的安全評價及食用安全性評價

2.4.1 小白菜中重金屬污染的安全評價 由表4可知，不同處理小白菜Pb、Cd、As、Hg單因子污染指數在0.01～0.83，均低于1，屬清潔水平;各處理小白菜綜合污染指數在0.28～0.64間變化，低于0.7，皆為安全等級，其中T2.5、T5.0和T7.5的綜合污染指數分別比CK的低3.1%、1.6%和56.3%，表明增施豬糞炭有利于減輕小白菜重金屬污染。

2.4.2 小白菜的食用安全性評價 由表5可知，不同處理兒童攝入小白菜Pb、Cd、As、Hg的單一重金屬風險值在0～0.96間變化，成人攝入小白菜Pb、Cd、As、Hg的單一重金屬風險值在0～0.73間變化，都低于1，健康風險不明顯。不同處理兒童攝入小白菜的復合健康風險指數（TTHQ）在0.61～1.84間變化，其中CK、T2.5和T5.0的TTHQ大于1，存在健康風險;成人攝入小白菜的復合健康風險指數（TTHQ）在0.46～1.40間變化，其中只有CK的TTHQ值大于1，具有健康風險。不同處理兒童及成人TTHQ變化趨勢皆為：CK> T2.5> T5.0> T7.5，說明增施豬糞炭能夠有效降低水稻土中小白菜重金屬健康風險。

3 小結與討論

3.1 小 結

（1）在稻—菜模式下，紅黃泥水稻土中施用量高于2.5%的豬糞炭會影響小白菜的鮮重產量，于經濟而言，豬糞炭合理施用量為2.5%。

（2）在紅黃泥水稻土中，施用量低于7.5%的豬糞炭不會對小白菜產生Cu、Zn毒害。

（3）在紅黃泥水稻土中施用豬糞炭能提高小白菜食用安全性，于健康而言，豬糞炭合理施用量為5.0%。

3.2 討 論

3.2.1 豬糞炭不同用量對小白菜生長的影響 豬糞炭用量2.5%處理（T2.5）小白菜的平均生物量略高于不施豬糞炭（CK），而在施用量5.0%和7.5%處理中其生物量都呈下降趨勢，結合孫雪等[19]對小白菜施用不同量豬糞炭的結果，水稻土豬糞炭2.5%施用量于小白菜而言可能是生長拐點，即低于2.5%則促進小白菜的生長，高于2.5%則抑制小白菜生長。大于2.5%的處理小白菜生物量降低，其原因可能是多方面的，如土壤中磷、鉀素供應量過高，分別使小白菜呼吸作用加強、細胞滲透勢提高，從而影響小白菜鮮重;此外，在7.5%用量處理（T7.5）中基質Zn含量過高導致小白菜吸收過量的Zn，使小白菜葉片有卷邊中毒癥狀。T2.5、T5.0和T7.5處理的土壤氧化還原電位有逐漸降低的趨勢，而氧化還原電位降低影響小白菜根系生長，從而使小白菜生長受抑制。氧化還原電位降低可能與豬糞炭含較多還原性有機質有關。

3.2.2 豬糞炭不同用量對小白菜銅、鋅含量的影響 豬糞炭Cu、Zn含量較高一直是農業土壤慎用豬糞炭的原因。T2.5、T5.0和T7.5處理的土壤Cu供應量的升高對小白菜而言都在合理范圍內，Zn供應量的升高對小白菜的毒害也僅限于T7.5處理，說明在紅黃泥水稻土中豬糞炭用量低于7.5%對小白菜的生長不會造成危害。此結果與李彪[14]在旱地紅壤中施用豬糞炭對小白菜Cu、Zn含量的影響不同，原因是后者旱地紅壤施用豬糞炭后交換態Cu、Zn含量較低，而前者紅黃泥水稻土施用豬糞后交換態Cu、Zn含量較高，其差異原因有待進一步研究。

3.2.3 豬糞炭不同用量對小白菜重金屬食用安全的影響在重金屬污染土壤中施用生物質炭，往往因pH值升高、水溶性磷酸鹽碳酸鹽的沉淀作用、大分子有機官能團的絡合作用及生物質炭本身的吸附作用，土壤重金屬得以固定，從而降低土壤重金屬的危害。豬糞炭的施用降低了小白菜對Cd、Pb、As、Hg的吸收，使小白菜重金屬綜合污染指數及重金屬攝入的復合風險降低，證實了前人的研究結論。研究結果顯示，紅黃泥水稻土中不施用豬糞炭產出的小白菜對兒童、成人都存在健康風險，只有≥5.0%豬糞炭用量的小白菜于兒童、≥2.5%豬糞炭用量的小白菜于成人才會消除健康風險。

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（責任編輯：張煥裕）