養(yǎng)殖場(chǎng)沼液還田對(duì)作物及土壤重金屬含量的影響

楊 琴，彭朝輝，朱順熙,孫家賓，樊戰(zhàn)輝

(成都市農(nóng)林科學(xué)院，成都 611130)

改革開放以來，農(nóng)村經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷向規(guī)?；?、集約化發(fā)展。隨著集約化養(yǎng)殖業(yè)的不斷擴(kuò)大，養(yǎng)殖業(yè)廢棄物對(duì)環(huán)境的破壞問題日益嚴(yán)重，如何將養(yǎng)殖廢棄物資源化、減量化、無害化，成為畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨的重大難點(diǎn)和焦點(diǎn)[1]。國際上多采用沼氣工程來處理養(yǎng)殖場(chǎng)廢棄物，如歐洲一些國家，建設(shè)沼氣工程的主要?jiǎng)恿褪前l(fā)展有機(jī)農(nóng)業(yè)[2]，一方面，產(chǎn)生沼氣可以回收清潔可再生能源，另一方面，將沼氣發(fā)酵殘余物作為肥料用于農(nóng)田。國內(nèi)也逐步形成以沼氣為紐帶的生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)模式—“養(yǎng)殖-能源-種植”，以實(shí)現(xiàn)保護(hù)和改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的目的。

沼液是沼氣工程發(fā)酵產(chǎn)物之一，可替代化肥和農(nóng)藥，能減少化肥和農(nóng)藥的使用量20%以上，科學(xué)合理地應(yīng)用在農(nóng)作物和果蔬上，可提高農(nóng)作物和果蔬的產(chǎn)量、改善品質(zhì)、提高抗性、預(yù)防病蟲害等[3]，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。養(yǎng)殖場(chǎng)沼液含有植物所需的大量元素和微量元素，可作為優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥用于農(nóng)業(yè)種植[4]。沼液中含有90%以上的水分，施用沼液可減少作物的灌溉用水[5]，起到節(jié)約水資源的作用[6]。沼液的肥效作用得到廣泛的認(rèn)可，如沼肥施用可使小麥產(chǎn)量提高15.0%～25.0%，葉片葉綠素和光合速率分別比對(duì)照提高15.0%～22.0%和8.7%～24.7%，且在基施的基礎(chǔ)上追施沼液，效果更加顯著[7]。沼液還田施用可增加玉米產(chǎn)量和改善玉米品質(zhì)，粗蛋白、粗脂肪、粗淀粉含量分別提高了19.82%，89.01%，11.31%，產(chǎn)量提高1.08倍[8]。沼液噴施能全面促進(jìn)水稻秧苗快速生長，提升水稻種植質(zhì)量與產(chǎn)量[9]。施用沼液能顯著提高水稻籽粒產(chǎn)量，最高產(chǎn)量為18.75 t·hm-2，相比清水對(duì)照和常規(guī)化肥處理分別提高15.5%和9.93%，施用沼液還可顯著提高稻米蛋白質(zhì)和礦物質(zhì)[10]。沼液也具有改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的效果，沼液處理茭白維生素C提高12.6%～17.8%，蛋白質(zhì)增加3.42%～5.69%，總糖增加3.82%～5.93%[11]；沼液的施用使番茄可溶性糖、可滴定酸、糖酸比、維生素C及果實(shí)硬度均有提高[12]。施用沼液可提前春茶萌動(dòng)時(shí)間，增加春茶發(fā)芽密度，能改善茶葉品質(zhì)，提高水浸出物、游離氨基酸含量，降低咖啡堿、茶多酚和酚氨比[13]。豬糞沼液處理改善了土壤結(jié)構(gòu)和持水能力，顯著提高了土壤飽和導(dǎo)水率、土壤團(tuán)聚體量，在改善土壤環(huán)境方面具有很高的化肥替代性[14]。

盡管沼液有著諸多的優(yōu)點(diǎn)，但是現(xiàn)代養(yǎng)殖為了促進(jìn)生長和疾病預(yù)防，礦物元素被廣泛添加于飼料當(dāng)中，礦物質(zhì)元素多來源于礦石，其中包含一些重金屬元素，動(dòng)物對(duì)礦物質(zhì)元素吸收利用量有限，大部分隨糞便排出，進(jìn)而分布在沼液中。沼液作為有機(jī)肥施用于作物，重金屬元素被作物吸收而影響農(nóng)產(chǎn)品的安全性，通過食物鏈危害人類健康，殘留在土壤中的重金屬造成土壤環(huán)境污染，毒害土壤微生物，降低土壤微生物活性和破壞微生物群落結(jié)構(gòu)[15]。重金屬具有難遷移、難降解、易富集、危害大等特點(diǎn)，也逐漸成為沼液利用的限制因素?；诖?，筆者對(duì)沼液還田利用對(duì)作物和土壤重金屬含量的影響進(jìn)行綜述，旨在為沼液安全還田利用提供借鑒。

1 養(yǎng)殖場(chǎng)沼液中重金屬含量

1.1 重金屬來源

養(yǎng)殖場(chǎng)沼液中可能含有的重金屬包括As，Cd，Cr，Hg，Pb，Cu，Zn，Ni等，沼液中重金屬來源于發(fā)酵原料，養(yǎng)殖場(chǎng)沼液中重金屬來源于飼料，重金屬類型、含量一般與養(yǎng)殖類型及飼料構(gòu)成有關(guān)。隨著集約養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，具有促進(jìn)生長和疾病預(yù)防作用的重金屬被廣泛添加于飼料中，但由于畜禽對(duì)重金屬的利用率較低，其大部分會(huì)通過原樣的形式隨著排泄物(糞便、尿)排出體外，而厭氧發(fā)酵對(duì)重金屬的鈍化作用有限，一部分重金屬分布于沼渣沼液中，糞污經(jīng)過厭氧發(fā)酵后約有56%的進(jìn)料固體物質(zhì)沉降在沼渣中，液相中重金屬會(huì)吸附在固體表面或膠團(tuán)上沉淀在沼渣中，沼液中重金屬含量大幅度降低[16]。魏世清[17]等研究結(jié)果表明，豬場(chǎng)糞污經(jīng)過厭氧發(fā)酵后留存在沼液中的重金屬含量明顯低于糞污中的含量，并且不同月份沼液中重金屬含量差異較大。但有相關(guān)研究表明，經(jīng)過厭氧發(fā)酵后的沼液中的重金屬濃度仍然超過了農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[18-19]，存在還田風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 重金屬含量

由于沼液中重金屬來源于發(fā)酵原料，相關(guān)研究調(diào)查表明，不同畜禽糞便沼氣發(fā)酵的沼液中重金屬含量和畜禽糞便中重金屬平均含量的分布規(guī)律基本呈現(xiàn)出Zn>Cu>Cr>Ni>Pb>As>Cd>Hg的趨勢(shì)[20]。常見的養(yǎng)殖場(chǎng)沼液重金屬含量見表1。

2 沼液還田對(duì)作物中重金屬含量的影響

農(nóng)產(chǎn)品中重金屬來源比較復(fù)雜，有土壤、農(nóng)藥、化肥、工業(yè)“三廢”及農(nóng)業(yè)廢棄物等，比較受關(guān)注的有銅、砷、鉛、鉻、汞、鎘等。重金屬近年來備受關(guān)注，主要原因是其不能被生物降解，一般不會(huì)引起急性中毒，易于累積并轉(zhuǎn)化為毒性大的甲基化合物，特別是通過食物鏈進(jìn)入人體內(nèi)累積造成不可逆轉(zhuǎn)的危害，嚴(yán)重影響人體健康。

沼液中含有的大量有機(jī)物官能團(tuán)、微生物對(duì)重金屬等離子有很強(qiáng)的吸附、轉(zhuǎn)化功能，而且其能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他礦質(zhì)膠體，從而降低重金屬離子活性，減少植物對(duì)重金屬的吸收[27]。張?jiān)耓28]等研究表明，施沼肥對(duì)植物中重金屬含量有明顯的降低作用。艾天[29]等通過沼肥與化肥混合灌溉生菜，發(fā)現(xiàn)施肥方式顯著影響重金屬的積累，完全施用沼液能夠顯著降低生菜中的重金屬含量。

而另一些研究表明沼液施用會(huì)使作物重金屬超標(biāo)，周靈君[30]等研究沼液-土壤-蔬菜系統(tǒng)中重金屬變化特征顯示，蔬菜中重金屬Ni，Zn，Cd和Pb含量超過國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)限值。鄭時(shí)選[31]等通過分區(qū)域施用沼渣、沼液與化肥配合的不同比例對(duì)不同品種的果樹和蔬菜的田間試驗(yàn)表明，試驗(yàn)區(qū)所有供試作物(蔬菜、水果)中Pb的含量幾乎全部超出GB2762-2005(食品中污染物限量) 規(guī)定的限量值。李震宇[32]等研究認(rèn)為，適宜的沼肥施用對(duì)甘蔗各器官中Zn含量有降低的作用，但沼肥施用過量則會(huì)造成Zn含量的增加。

沼液-土壤-作物是一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，作物中重金屬含量受作物自身對(duì)重金屬的吸收能力、土壤供給能力、沼液中重金屬含量、沼液施用強(qiáng)度、施用年限、耕作模式以及區(qū)域環(huán)境等多方面因素影響，具有不確定性，因此，在實(shí)際生產(chǎn)中需要建立“沼液-土壤-作物”適宜的生產(chǎn)關(guān)系，在利用沼液養(yǎng)分的同時(shí)避免造成重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)。

3 沼液還田對(duì)土壤重金屬含量的影響

土壤重金屬含量是土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的重要指標(biāo)，2018年頒布的《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618-2018)，廢止了《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618-1995)，明確了鎘、汞、砷、鉛、鉻、銅、鎳和鋅8種重金屬篩選值和管制值，更利于保護(hù)農(nóng)用地土壤環(huán)境，管控農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)，保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、農(nóng)作物正常生長和土壤生態(tài)環(huán)境。由于畜禽飼養(yǎng)過程中使用的飼料中含有重金屬，如添加的硫酸銅、鋅含量分別高達(dá)100～250 mg·kg-1，2000～3000 mg·kg-1，而這些重金屬在動(dòng)物體內(nèi)利用率較低，所以絕大部分隨著畜禽排泄物進(jìn)入環(huán)境中[33]。因此，沼液還田利用重金屬風(fēng)險(xiǎn)備受關(guān)注。

李勝利[34]等將沼液∶水= 1∶2通過滴灌施入基質(zhì)栽培的生菜和小白菜中，試驗(yàn)結(jié)束后施用沼液的基質(zhì)中銅、鋅、鉻、鎘、鉛含量與對(duì)照無顯著差異。Guo[35]等在稻-麥輪作模式下發(fā)現(xiàn)，沼液施用處理后，土壤中的Pb，Cr，Cu，Zn含量均在允許范圍內(nèi)。黃繼川[36]等在稻田生態(tài)系統(tǒng)中進(jìn)行試驗(yàn)，證明在連續(xù)施用2茬沼液的條件下，稻田土壤中Cd，Cr，As，Pb和Hg含量都符合標(biāo)準(zhǔn)，無重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)，但As和Cr含量與沼液用量呈現(xiàn)明顯正相關(guān)性，長期施用沼液可能會(huì)致使土壤中As和Cr含量超標(biāo)。賴星[37]等明確了連續(xù)多年施用豬場(chǎng)沼液會(huì)增加土壤中重金屬Pb，Cd，Cr，As，Hg的累積量。楊樂[38]等的試驗(yàn)表明連續(xù)5年施用沼液后，土壤中的Cr，Cd，As，Pb，Ni含量顯著高于對(duì)照和施用化肥處理。

綜上，沼液還田在一些研究中沒有出現(xiàn)重金屬污染，但是多數(shù)學(xué)者認(rèn)定會(huì)造成一定的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。原因在于，沼液中存在重金屬，而重金屬不會(huì)自身降解，隨著沼液施用量的增加，土壤中的重金屬會(huì)長期累積被作物吸收，從而對(duì)人體身體健康造成潛在的威脅；并且長期施用沼液還會(huì)對(duì)地下水造成污染，破壞水生態(tài)環(huán)境，引起藻類瘋長等。所以，沼液的施用一定要因地制宜、合理施用，有必要時(shí)需要對(duì)沼液進(jìn)行施用前的處理，比如延長陳化時(shí)間等，將潛在的風(fēng)險(xiǎn)降到可控范圍。

與施用化肥比較盡管沼液中重金屬含量較低，但是要達(dá)到化學(xué)肥料相當(dāng)?shù)姆市?，施用沼液要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于化學(xué)肥料的量，帶入農(nóng)田的重金屬含量略高，如果作物不能帶走重金屬，將會(huì)在土壤中累積，長期累積就會(huì)產(chǎn)生污染風(fēng)險(xiǎn)。盡管沼液還田會(huì)對(duì)土壤、作物造成一定的潛在威脅，但是出現(xiàn)沒有受到污染的研究也表明在嚴(yán)格的源頭管控、合理施用可以將風(fēng)險(xiǎn)降到可控范圍內(nèi)。

4 總結(jié)與展望

經(jīng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，沼液在長期、高強(qiáng)度施用條件下可能會(huì)引起土壤及農(nóng)產(chǎn)品重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)。然而當(dāng)前經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下，養(yǎng)殖場(chǎng)廢水通過厭氧發(fā)酵獲取清潔可再生能源及沼液還田利用被認(rèn)為是最優(yōu)的處置模式。如何降低養(yǎng)殖場(chǎng)沼液還田的重金屬風(fēng)險(xiǎn)，筆者認(rèn)為可以從以下幾個(gè)方面著手。

4.1 源頭減控

源頭減控主要有兩方面，一控制好礦物質(zhì)飼料原料品質(zhì)，減少重金屬進(jìn)入養(yǎng)殖生產(chǎn)環(huán)節(jié)，如一些飼料企業(yè)中重金屬含量超標(biāo)比較普遍，尤其是磷酸氫鈣和磷酸二氫鈣中超標(biāo)的重金屬元素較多[39]，可改換原料或調(diào)整設(shè)計(jì)比例；其次，養(yǎng)殖上減少或不添加礦物質(zhì)，尋找環(huán)境友好型原料。

4.2 重金屬去除研究

開發(fā)畜禽糞便、沼液及土壤等重金屬去除的新工藝、新技術(shù)、新材料和新設(shè)備等。

4.3 低累積作物品種選育

土壤重金屬通常選擇超積累植物吸附去除，反過來思考也就有低累積植物，有報(bào)道Duan[40]等鑒定出一些低積累重金屬的水稻基因型，低累積作物品種選育有利于農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全。

4.4 利用大數(shù)據(jù)

沼液還田利用引起的重金屬污染與土壤背景值、土壤理化性質(zhì)、作物對(duì)重金屬吸收累積能力、沼液的施用強(qiáng)度、施用年限及耕作模式等多方面因素有關(guān)，對(duì)現(xiàn)有的研究利用大數(shù)據(jù)分析，總結(jié)降低沼液還田重金屬污染的技術(shù)模式。