長(zhǎng)期施用有機(jī)肥對(duì)稻田重金屬含量的影響

陳鈺佩，陸若輝，朱偉鋒，沈月，孔海民

(浙江省耕地質(zhì)量與肥料管理總站，浙江 杭州 310020)

我國(guó)耕地質(zhì)量整體偏低、退化和污染嚴(yán)重、占優(yōu)補(bǔ)劣現(xiàn)象普遍[1]，而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)化肥的高度依賴又進(jìn)一步加劇了耕地質(zhì)量下降、環(huán)境污染、資源浪費(fèi)等問題[2-3]。合理施用有機(jī)肥能從物理、化學(xué)、生物肥力方面綜合提升土壤肥力水平，提高土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力[4]，降低化肥用量，提升作物產(chǎn)量，改善產(chǎn)品品質(zhì)[5-6]，是解決耕地質(zhì)量問題、發(fā)展綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)的重要途徑之一。

畜禽糞便養(yǎng)分含量豐富，是有機(jī)肥料的重要原料，但隨著養(yǎng)殖業(yè)集約化規(guī)?；l(fā)展，飼料添加劑的大量使用，致使畜禽糞便中重金屬含量大幅上升，成為商品有機(jī)肥中重金屬污染的主要來源[7-8]。有研究[9-10]指出，有機(jī)肥中攜帶的重金屬直接施入土壤中會(huì)導(dǎo)致稻米重金屬含量增加，需要從源頭上控制主要污染元素在農(nóng)田土壤中的積累，以降低農(nóng)產(chǎn)品重金屬富集風(fēng)險(xiǎn)。因此，探究長(zhǎng)期施用不同有機(jī)肥對(duì)土壤重金屬含量的影響，明確有機(jī)肥料中重金屬對(duì)土壤存在的污染風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于合理施用有機(jī)肥、降低農(nóng)業(yè)污染風(fēng)險(xiǎn)、保障農(nóng)產(chǎn)品安全、維護(hù)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)健康具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)地于2008—2018年連續(xù)種植單季晚稻，地點(diǎn)為浙江省試驗(yàn)基地，包括蕭山、臺(tái)州、諸暨、金華等地。水稻品種包括秀水113、秀水134、甬優(yōu)8號(hào)、甬優(yōu)9號(hào)等。

1.2 處理設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理：秸稈還田+化肥(T1)，每667 m2施N、P2O5、K2O化肥折18.69、3.39、8.18 kg，有機(jī)肥折1.18、0.54、1.14 kg，總養(yǎng)分33.12 kg；豬廄肥+化肥(T2)，每667 m2施N、P2O5、K2O化肥折16.00、2.10、2.80 kg，有機(jī)肥折3.38、1.43、4.50 kg，總養(yǎng)分30.20 kg；商品有機(jī)肥1+化肥(T3)，每667 m2施N、P2O5、K2O化肥折13.20、4.35、5.55 kg，有機(jī)肥折1.20、1.00、6.00 kg，總養(yǎng)分31.30 kg；商品有機(jī)肥2+化肥(T4)，每667 m2施N、P2O5、K2O化肥折16.38、3.60、4.50 kg，有機(jī)肥折3.60、2.00、2.50 kg，總養(yǎng)分32.58 kg。每組處理均各自設(shè)不施肥空白對(duì)照(CK1)和常規(guī)單施化肥對(duì)照(CK2)。

1.3 樣品采集與測(cè)定

每年水稻收獲后，每小區(qū)按“S”形隨機(jī)選擇5個(gè)樣點(diǎn)，采集0～20 cm土壤樣品。5點(diǎn)混合成1個(gè)約2 kg的土樣，陰涼通風(fēng)處風(fēng)干，全部研磨后過2 mm尼龍篩，四分法取一半土樣研磨過0.25 mm尼龍篩，過2 mm篩土樣用于測(cè)定土壤pH，過0.25 mm篩土樣用于重金屬分析。

土壤重金屬元素測(cè)定前處理方法按照GB 15618—1995標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，商品有機(jī)肥料檢測(cè)5項(xiàng)有限量要求的重金屬(As、Hg、Pb、Cr、Cd)，按照NY/T 1978—2010標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，利用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀ICP-MS測(cè)定重金屬含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007軟件完成數(shù)據(jù)處理及作圖，采用IBM SPSS Statistics V22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，肥料評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參照《有機(jī)肥料》(NY 525—2012)，土壤重金屬污染的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參照《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)》(GB 15618—2018)。

2 結(jié)果與分析

依據(jù)GB15618—2018的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，本試驗(yàn)長(zhǎng)期施用各類有機(jī)肥并未對(duì)稻田土壤造成重金屬污染，各指標(biāo)均處于正常范圍(表1)，T3處理的試驗(yàn)地Cd含量基礎(chǔ)值偏高，施用商品有機(jī)肥未增加Cd含量。經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，施用有機(jī)肥處理的各重金屬含量與對(duì)照間無顯著差異。

表1 長(zhǎng)期施用不同有機(jī)肥處理的土壤金屬元素含量

T2處理的Cu、Zn含量平均值分別比CK1增加1.05、2.61倍，比CK2增加0.06、0.88倍。豬廄肥養(yǎng)分含量復(fù)雜且不穩(wěn)定，田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散程度高，雖然平均數(shù)值較對(duì)照有所上升，但統(tǒng)計(jì)學(xué)分析并無顯著差異。T3處理的Zn平均含量比CK1增加0.35倍，雖然整體結(jié)果顯示無顯著差異，但個(gè)別元素如Cu、Zn等含量在不同試驗(yàn)地中均出現(xiàn)上升趨勢(shì)，尤其是Zn，雖然試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)仍處于安全標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，但部分試驗(yàn)地的重金屬含量已接近限量閾值。

2.1 對(duì)土壤Fe、Mn、B含量的影響

有機(jī)肥處理下，土壤Fe、Mn、B含量較CK2高，其中Fe隨著年份增加，差值逐漸增大。秸稈還田處理促進(jìn)Fe、Mn在土壤中的累積，累積量隨年份增加而增加。施用豬廄肥時(shí)，供試肥料成分不穩(wěn)定，試驗(yàn)結(jié)果不一致。施用商品有機(jī)肥時(shí)，F(xiàn)e、Mn、B在土壤中的積累量變化不明顯(圖1)。

含量差值為有機(jī)肥處理減去CK2，圖2、3同。

2.2 對(duì)土壤Cd、Hg、As、Pb、Cr含量的影響

圖2顯示，有機(jī)肥處理下，土壤中Cd、As含量較CK2的差異不明顯。秸稈還田處理下，As的累積量低于對(duì)照。施用豬廄肥時(shí)，Cd、As元素較對(duì)照變化不明顯，數(shù)值不穩(wěn)定。T3處理Cd元素在2013年數(shù)值偏高，結(jié)合表1數(shù)據(jù)可知，其含量與CK1無明顯差異，數(shù)據(jù)偏高源于試驗(yàn)地本身，而非施用有機(jī)肥。T4處理中兩元素累積現(xiàn)象均不明顯。

圖2 長(zhǎng)期施用不同有機(jī)肥處理的土壤Cd、Hg、As、Pb、Cr含量差值變化

有機(jī)肥處理下，土壤Hg、Pb、Cr含量較CK2偏高，隨著年份增加，差值變化不一。其中，秸稈還田處理下，Hg、Pb元素的累積量明顯，隨著年份增加，差值呈下降趨勢(shì)，Cr元素?zé)o明顯差異。施用豬廄肥時(shí)，Hg、Pb元素積累量結(jié)果不穩(wěn)定，數(shù)值差異大，Cr元素出現(xiàn)積累，隨著年份增加，差值呈下降趨勢(shì)。施用商品有機(jī)肥時(shí)，只有T3處理的Hg積累量呈上升趨勢(shì)，Pb、Cr累積現(xiàn)象均不明顯。

2.3 對(duì)土壤Cu、Zn含量的影響

圖3顯示，有機(jī)肥處理下，土壤中Cu、Zn含量較CK2偏高，差值不大。其中，秸稈還田處理下，Cu、Zn元素的累積量變化不明顯。施用豬廄肥時(shí)，Cu、Zn元素積累量隨年份增加而增加。施用商品有機(jī)肥時(shí)，T3處理的Cu積累不穩(wěn)定，Zn元素含量較對(duì)照無明顯變化。相較于其他處理，施用豬廄肥易造成水稻田中Cu、Zn元素的積累。

圖3 長(zhǎng)期施用不同有機(jī)肥處理的土壤Cu、Zn含量差值變化

2.4 浙江省有機(jī)肥質(zhì)量的抽檢結(jié)果

檢測(cè)2019年浙江省商品有機(jī)肥樣品共347份，結(jié)果(表2)顯示，重金屬Pb、Cd、Cr、As、Hg超標(biāo)率分別為0.58%、2.03%、0.29%、0.58%和0.02%。Pb、Cd、Cr、As、Hg最高檢測(cè)值分別為198、17、618、31、14 mg·kg-1，達(dá)限量標(biāo)準(zhǔn)的4.0、5.6、4.1、2.1、7.0倍。抽檢的有機(jī)肥樣品中重金屬超標(biāo)率不高，但部分樣品超標(biāo)程度嚴(yán)重，尤其是Hg、Cd元素，超標(biāo)5倍以上。對(duì)比2014—2016年抽檢結(jié)果[8]，有機(jī)肥料的重金屬超標(biāo)率有所下降。

表2 浙江省商品有機(jī)肥的重金屬含量情況

3 討論

2018年試驗(yàn)結(jié)果表明，秸稈還田處理下，土壤重金屬含量與對(duì)照無顯著差異。長(zhǎng)期定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e、Mn、As、Pb、Hg在土壤中的累積量略高于對(duì)照，其中Fe、Mn的累積量隨時(shí)間增長(zhǎng)而增加。本試驗(yàn)選用的土壤背景值均處于正常范圍內(nèi)，秸稈還田的秸稈均來自于上一茬水稻，秸稈本身重金屬含量少，對(duì)于土壤的潛在污染風(fēng)險(xiǎn)較低。目前，針對(duì)秸稈還田與重金屬的研究多集中于秸稈自身的重金屬富集、還田對(duì)土壤重金屬活性的影響等方面。秸稈還田后產(chǎn)生的溶解有機(jī)碳可作為重金屬的有機(jī)配體，可提高土壤中重金屬的移動(dòng)性和遷移性，增加污染土壤重金屬的活度[11]，污染農(nóng)田中長(zhǎng)期進(jìn)行秸稈還田可能導(dǎo)致土壤、水稻、蔬菜中積累Cr、Pb、Hg[12]，造成農(nóng)產(chǎn)品的污染風(fēng)險(xiǎn)。

豬廄肥處理較其他有機(jī)肥更易累積重金屬，2018年試驗(yàn)結(jié)果表明，豬廄肥處理的Cu、Zn含量分別比不施肥對(duì)照增加1.05、2.61倍，并且其積累量隨年份增加而增長(zhǎng)。有研究[13]指出，茶園常年施用規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)豬糞后，土壤中各形態(tài)Cu和Zn含量均顯示增加。王開峰等[14]提出，施用廄肥明顯提高了土壤Zn、Cu、Cd的有效態(tài)含量和活化率，有機(jī)肥的“激活”效應(yīng)是導(dǎo)致長(zhǎng)期施肥土壤有效態(tài)重金屬含量顯著提高的主要機(jī)制。各種重金屬元素以畜禽飼料添加劑的形式進(jìn)入有機(jī)肥生產(chǎn)鏈條，過量的添加劑是導(dǎo)致畜禽糞便中重金屬超標(biāo)的重要原因之一，重金屬元素以Cu、Zn富集較多，各肥料種類中以豬廄肥超標(biāo)最為嚴(yán)重[15-16]，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施用畜禽糞肥應(yīng)注意防范Cu、Zn的污染風(fēng)險(xiǎn)。

商品有機(jī)肥處理與對(duì)照相比，土壤重金屬含量無明顯差異，但個(gè)別元素如Cu、Zn等含量在不同試驗(yàn)地中均出現(xiàn)上升趨勢(shì)，長(zhǎng)期定位觀測(cè)下，施用商品有機(jī)肥處理的Hg、Pb元素較對(duì)照高。姚冬輝等[17]證實(shí)相同成果，土壤中重金屬Pb、Cu和Zn等含量均隨商品有機(jī)肥用量的增加表現(xiàn)為遞增的趨勢(shì)，但未超過土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)。施用有機(jī)肥需要適量合理，通過有機(jī)無機(jī)配施，既可在一定程度上防止微量營(yíng)養(yǎng)元素的虧缺，也可有效地控制農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)重金屬的污染[18]。

4 小結(jié)

長(zhǎng)期施用有機(jī)肥后，試驗(yàn)地各重金屬指標(biāo)均符合農(nóng)用地土壤污染限量標(biāo)準(zhǔn)，其中Fe、Mn、Pb、Hg、Cr、Cu、Zn的含量較對(duì)照均有所增加，尤其是豬廄肥處理的Cu、Zn積累明顯。浙江省市場(chǎng)供應(yīng)商品有機(jī)肥Pb、Cd、Cr、As、Hg存在一定的超標(biāo)現(xiàn)象。需注意合理適量施用有機(jī)肥，防范畜禽糞肥中的Cu、Zn積累，降低土壤的重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)。