長期施用有機肥對稻田重金屬含量的影響

陳鈺佩，陸若輝，朱偉鋒，沈月，孔海民

(浙江省耕地質量與肥料管理總站，浙江 杭州 310020)

我國耕地質量整體偏低、退化和污染嚴重、占優補劣現象普遍[1]，而農業生產對化肥的高度依賴又進一步加劇了耕地質量下降、環境污染、資源浪費等問題[2-3]。合理施用有機肥能從物理、化學、生物肥力方面綜合提升土壤肥力水平，提高土壤養分供應能力[4]，降低化肥用量，提升作物產量，改善產品品質[5-6]，是解決耕地質量問題、發展綠色生態農業的重要途徑之一。

畜禽糞便養分含量豐富，是有機肥料的重要原料，但隨著養殖業集約化規模化發展，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，成為商品有機肥中重金屬污染的主要來源[7-8]。有研究[9-10]指出，有機肥中攜帶的重金屬直接施入土壤中會導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田土壤中的積累，以降低農產品重金屬富集風險。因此，探究長期施用不同有機肥對土壤重金屬含量的影響，明確有機肥料中重金屬對土壤存在的污染風險，對于合理施用有機肥、降低農業污染風險、保障農產品安全、維護農田生態系統健康具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗地于2008—2018年連續種植單季晚稻，地點為浙江省試驗基地，包括蕭山、臺州、諸暨、金華等地。水稻品種包括秀水113、秀水134、甬優8號、甬優9號等。

1.2 處理設計

試驗設4個處理：秸稈還田+化肥(T1)，每667 m2施N、P2O5、K2O化肥折18.69、3.39、8.18 kg，有機肥折1.18、0.54、1.14 kg，總養分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，有機肥折3.38、1.43、4.50 kg，總養分30.20 kg；商品有機肥1+化肥(T3)，每667 m2施N、P2O5、K2O化肥折13.20、4.35、5.55 kg，有機肥折1.20、1.00、6.00 kg，總養分31.30 kg；商品有機肥2+化肥(T4)，每667 m2施N、P2O5、K2O化肥折16.38、3.60、4.50 kg，有機肥折3.60、2.00、2.50 kg，總養分32.58 kg。每組處理均各自設不施肥空白對照(CK1)和常規單施化肥對照(CK2)。

1.3 樣品采集與測定

每年水稻收獲后，每小區按“S”形隨機選擇5個樣點，采集0～20 cm土壤樣品。5點混合成1個約2 kg的土樣，陰涼通風處風干，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。

土壤重金屬元素測定前處理方法按照GB 15618—1995標準執行，商品有機肥料檢測5項有限量要求的重金屬(As、Hg、Pb、Cr、Cd)，按照NY/T 1978—2010標準執行，利用電感耦合等離子體質譜儀ICP-MS測定重金屬含量。

1.4 數據處理

采用Excel 2007軟件完成數據處理及作圖，采用IBM SPSS Statistics V22.0軟件進行統計分析，肥料評價標準參照《有機肥料》(NY 525—2012)，土壤重金屬污染的評價標準參照《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準》(GB 15618—2018)。

2 結果與分析

依據GB15618—2018的相關標準，本試驗長期施用各類有機肥并未對稻田土壤造成重金屬污染，各指標均處于正常范圍(表1)，T3處理的試驗地Cd含量基礎值偏高，施用商品有機肥未增加Cd含量。經統計學分析，施用有機肥處理的各重金屬含量與對照間無顯著差異。

表1 長期施用不同有機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。豬廄肥養分含量復雜且不穩定，田間試驗數據離散程度高，雖然平均數值較對照有所上升，但統計學分析并無顯著差異。T3處理的Zn平均含量比CK1增加0.35倍，雖然整體結果顯示無顯著差異，但個別元素如Cu、Zn等含量在不同試驗地中均出現上升趨勢，尤其是Zn，雖然試驗所得數據仍處于安全標準內，但部分試驗地的重金屬含量已接近限量閾值。

2.1 對土壤Fe、Mn、B含量的影響

有機肥處理下，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，供試肥料成分不穩定，試驗結果不一致。施用商品有機肥時，Fe、Mn、B在土壤中的積累量變化不明顯(圖1)。

含量差值為有機肥處理減去CK2，圖2、3同。

2.2 對土壤Cd、Hg、As、Pb、Cr含量的影響

圖2顯示，有機肥處理下，土壤中Cd、As含量較CK2的差異不明顯。秸稈還田處理下，As的累積量低于對照。施用豬廄肥時，Cd、As元素較對照變化不明顯，數值不穩定。T3處理Cd元素在2013年數值偏高，結合表1數據可知，其含量與CK1無明顯差異，數據偏高源于試驗地本身，而非施用有機肥。T4處理中兩元素累積現象均不明顯。

圖2 長期施用不同有機肥處理的土壤Cd、Hg、As、Pb、Cr含量差值變化

有機肥處理下，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，Cr元素無明顯差異。施用豬廄肥時，Hg、Pb元素積累量結果不穩定，數值差異大，Cr元素出現積累，隨著年份增加，差值呈下降趨勢。施用商品有機肥時，只有T3處理的Hg積累量呈上升趨勢，Pb、Cr累積現象均不明顯。

2.3 對土壤Cu、Zn含量的影響

圖3顯示，有機肥處理下，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，Cu、Zn元素積累量隨年份增加而增加。施用商品有機肥時，T3處理的Cu積累不穩定，Zn元素含量較對照無明顯變化。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 長期施用不同有機肥處理的土壤Cu、Zn含量差值變化

2.4 浙江省有機肥質量的抽檢結果

檢測2019年浙江省商品有機肥樣品共347份，結果(表2)顯示，重金屬Pb、Cd、Cr、As、Hg超標率分別為0.58%、2.03%、0.29%、0.58%和0.02%。Pb、Cd、Cr、As、Hg最高檢測值分別為198、17、618、31、14 mg·kg-1，達限量標準的4.0、5.6、4.1、2.1、7.0倍。抽檢的有機肥樣品中重金屬超標率不高，但部分樣品超標程度嚴重，尤其是Hg、Cd元素，超標5倍以上。對比2014—2016年抽檢結果[8]，有機肥料的重金屬超標率有所下降。

表2 浙江省商品有機肥的重金屬含量情況

3 討論

2018年試驗結果表明，秸稈還田處理下，土壤重金屬含量與對照無顯著差異。長期定位試驗發現，Fe、Mn、As、Pb、Hg在土壤中的累積量略高于對照，其中Fe、Mn的累積量隨時間增長而增加。本試驗選用的土壤背景值均處于正常范圍內，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，對于土壤的潛在污染風險較低。目前，針對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、還田對土壤重金屬活性的影響等方面。秸稈還田后產生的溶解有機碳可作為重金屬的有機配體，可提高土壤中重金屬的移動性和遷移性，增加污染土壤重金屬的活度[11]，污染農田中長期進行秸稈還田可能導致土壤、水稻、蔬菜中積累Cr、Pb、Hg[12]，造成農產品的污染風險。

豬廄肥處理較其他有機肥更易累積重金屬，2018年試驗結果表明，豬廄肥處理的Cu、Zn含量分別比不施肥對照增加1.05、2.61倍，并且其積累量隨年份增加而增長。有研究[13]指出，茶園常年施用規模化養殖場豬糞后，土壤中各形態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的有效態含量和活化率，有機肥的“激活”效應是導致長期施肥土壤有效態重金屬含量顯著提高的主要機制。各種重金屬元素以畜禽飼料添加劑的形式進入有機肥生產鏈條，過量的添加劑是導致畜禽糞便中重金屬超標的重要原因之一，重金屬元素以Cu、Zn富集較多，各肥料種類中以豬廄肥超標最為嚴重[15-16]，農業生產中施用畜禽糞肥應注意防范Cu、Zn的污染風險。

商品有機肥處理與對照相比，土壤重金屬含量無明顯差異，但個別元素如Cu、Zn等含量在不同試驗地中均出現上升趨勢，長期定位觀測下，施用商品有機肥處理的Hg、Pb元素較對照高。姚冬輝等[17]證實相同成果，土壤中重金屬Pb、Cu和Zn等含量均隨商品有機肥用量的增加表現為遞增的趨勢，但未超過土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準。施用有機肥需要適量合理，通過有機無機配施，既可在一定程度上防止微量營養元素的虧缺，也可有效地控制農田生態系統重金屬的污染[18]。

4 小結

長期施用有機肥后，試驗地各重金屬指標均符合農用地土壤污染限量標準，其中Fe、Mn、Pb、Hg、Cr、Cu、Zn的含量較對照均有所增加，尤其是豬廄肥處理的Cu、Zn積累明顯。浙江省市場供應商品有機肥Pb、Cd、Cr、As、Hg存在一定的超標現象。需注意合理適量施用有機肥，防范畜禽糞肥中的Cu、Zn積累，降低土壤的重金屬污染風險。