生物炭基豬糞堆肥對土壤-櫻桃蘿卜系統的影響及其生態安全風險評價*

李海民 葉樞華 王晉娟 易素瑤 劉 強 劉常青, 鄭育毅#

(1.福建師范大學環境與資源學院、碳中和現代產業學院,福建省污染控制與資源循環利用重點實驗室,福建 福州 350007;2.城市廢物資源化技術與管理福建省高校工程研究中心,福建 福州 350007;3.福建師范大學地理科學學院、碳中和未來技術學院,福建 福州 350007)

隨著經濟的發展和生活水平的不斷提高,人們對畜禽產品的需求量不斷增加,畜禽養殖模式已從家戶散養式向集約化和規模化快速轉變,由此也產生了大量的畜禽糞便。據統計,我國畜禽糞便污染物年產生量已達近4.0×109t,但綜合利用率不到50%,已成為農業污染的主要來源[1]。其中,豬糞在畜禽糞便中占比最大(達49.6%),且富含蛋白質、脂肪、纖維素等有機物質,以及豐富的氮、磷、鉀等營養元素[2],因此具有極大的資源利用價值。堆肥是當前豬糞資源化利用的主流技術,主要通過微生物作用將豬糞內不易被直接利用的有機物轉化為作物可直接吸收的營養物質,并且部分有機物在堆肥過程中形成腐殖質,施用于土壤有利于保水保肥[3],是一種較為綠色有效的處理處置方法。相關研究表明,施用堆肥可以降低有機固體廢棄物的環境風險、改善土壤理化性質、提高土壤肥力和農作物的產量[4]。ZHANG等[5]將豬糞堆肥添加到土壤中,發現堆肥的添加會增加土壤中砂單胞菌(Arenimonas)的豐度;XIANG等[6]在土壤中添加生物炭與豬糞聯合堆肥產生腐熟肥料,發現堆肥的添加可以降解土壤中部分多溴聯苯醚,同時還能減少植物對多溴聯苯醚的吸收。

然而,為保障畜禽的健康和生產力,養殖戶常在飼料中添加重金屬、抗生素、硫酸鹽和氯化物等,導致豬糞中常含有Zn、Cu、Cd等重金屬。因此,豬糞堆肥施用后對土壤和植物中重金屬含量的影響,受到人們廣泛關注。GUO等[7]在土壤中連續施用兩年豬糞堆肥后,土壤中Zn和Cu的含量均超過土壤質量標準。生物炭基豬糞堆肥是指生物炭與豬糞聯合堆肥后所產生的腐熟肥料。與傳統的豬糞堆肥相比,生物炭基豬糞堆肥有著更多的營養元素、更高的腐殖化程度,以及較少的病原體[8]。目前關于豬糞堆肥施用后對土壤和植物重金屬的影響已做了較多研究,但關于生物炭基豬糞堆肥施用后對土壤-植物體系重金屬的影響研究較少,而施用后土壤潛在的生態安全風險也有待研究。

櫻桃蘿卜是國內當前廣泛栽培的根菜類作物之一,營養較豐富,生長速度快,生長周期短,經濟效益明顯,是種植大戶和普通百姓常常考慮種植的作物[9]。本研究選取櫻桃蘿卜作為研究對象,在其生長過程中施用生物炭基豬糞堆肥,探究其對土壤及櫻桃蘿卜中重金屬含量以及對櫻桃蘿卜生長發育的影響,并且對土壤潛在的生態安全風險進行了評價,以期為生物炭基豬糞堆肥安全土地利用提供基礎依據。

1 實驗設計及方法

1.1 實驗原料

供試生物炭基豬糞堆肥取自實驗室堆肥成品,櫻桃蘿卜種子購自某生鮮超市,土壤取自福州郊區人為活動較少的自然土(磚紅壤),土壤及生物炭基豬糞堆肥樣品的理化指標見表1。

表1 土壤及生物炭基豬糞堆肥樣品的理化指標Table 1 Physical and chemical indicators of soil and biochar-based pig manure compost samples

1.2 實驗設計

實驗共設5個處理組:對照組(CK組,不施肥)以及生物炭基豬糞堆肥施肥比例為5%、10%、15%、20%的處理組,生物炭基豬糞堆肥與土壤按干質量混配,混配前分別測定土壤和生物炭基豬糞堆肥的含水率,再按干質量比換算所需生物炭基豬糞堆肥與土壤濕基質量,混合均勻。

櫻桃蘿卜種植實驗采用盆栽的方式,采用直徑20 cm、深30 cm的苗盆種植櫻桃蘿卜。堆肥樣品與土壤混配完畢后裝入盆中,每盆定量裝填11.0 kg。在櫻桃蘿卜的生長過程中,觀察并記錄櫻桃蘿卜的生長情況,櫻桃蘿卜的成熟期約30 d,養護至櫻桃蘿卜成熟期后采集植物和土壤樣品。通過實驗分析土壤理化性質的變化和植物生長情況。

1.3 樣品的采集、處理與分析

1.3.1 樣品的采集與處理

櫻桃蘿卜成熟后,收集整棵植株洗凈,在室內陰涼通風處常溫晾干,稱量植物鮮質量并記錄。將晾干的植物鮮樣放入大的牛皮紙中封住,放入烘箱105 ℃烘半小時進行殺青,然后將溫度調至60 ℃,直到樣品完全烘干為止。將烘干的植物樣品用粉碎機粉碎并研磨過40目篩,自封袋密封室溫保存備用。

用土鉆分別取花盆土壤上層(0～10 cm)與下層(10～20 cm)的土壤樣品,隨機6點均勻取樣,經風干、分選、去雜、磨碎、過篩、混勻后放入自封袋保存并標記。土樣分析前過10目篩用于測定pH、土壤速效氮、土壤速效磷,過100目篩用于測定重金屬含量。

1.3.2 測定指標及方法

土壤樣品測定的指標包括速效氮、pH、速效磷以及6種重金屬(Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Cd)的含量。土壤pH采用868型pH計測定,稱取風干土壤樣品10.00 g于50 mL高型小燒杯中,加入25 mL純凈水,用玻璃棒劇烈攪動1～2 min,放置30 min后測定;土壤速效氮采用堿解-擴散法測定[10];土壤速效磷采用鉬銻抗比色法測定[11];土壤及植物重金屬含量測定時,先用Tessier五步連續提取法處理后[12],采用電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)法進行測定;植物生物量采用稱量法測定[13]。

1.3.3 評價方法

采用潛在生態風險指數法[14]評價土壤重金屬污染的潛在生態風險,定量地劃分出重金屬的潛在風險程度,其計算公式如下:

Ei=Ti×Ci/Bi

(1)

(2)

式中:Ei為重金屬元素i的單因子潛在生態風險指數;Ti為重金屬元素i的毒性響應系數;Ci為重金屬元素i的實測質量濃度,mg/kg;Bi為重金屬元素i的土壤背景參考值,mg/kg;R為多種重金屬元素的綜合潛在生態風險指數。

重金屬元素的毒性響應系數采用HAKANSON制定的標準化重金屬毒性系數為評價依據,Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Cd的重金屬毒性響應系數分別為2.00、5.00、5.00、5.00、1.00、30.00。

1.4 數據處理與分析

數據處理和圖表繪制借助Excel 2021和Origin 2021軟件,數據顯著性分析和相關性分析采用SPSS 26.0軟件,冗余分析使用Canoco 5軟件。

2 結果與討論

2.1 施肥對土壤pH及植物生物量的影響

施肥后土壤pH及植物生物量變化見圖1。土壤pH在土壤微生物多樣性和植物的生長發育方面發揮重要的作用,不僅影響著植物的正常生長以及其生物、化學和物理過程[15],還是影響重金屬在土壤中遷移和重金屬生物有效性的重要因素[16]。與CK組相比,施用生物炭基豬糞堆肥的處理組土壤pH上升了9.90%～21.21%,隨著施肥比例的增加,pH的升幅也隨之增加。ZHANG等[17]在土壤中施用豬糞堆肥后,土壤pH比對照組增加8.36%～11.76%;秦寧[18]在土壤中施用豬糞堆肥后,土壤pH提高了7.04%。本研究中施用生物炭基豬糞堆肥后,土壤pH的升幅高于上述研究,說明與添加普通的豬糞腐熟料相比,生物炭基豬糞堆肥可以更有效地改善土壤酸化,且隨著施肥比例的增加,改善程度隨之提高。

圖1 施肥后土壤pH及植物生物量變化Fig.1 Changes of soil pH and plant biomass after compost application

施加生物炭基豬糞堆肥后,各處理組植物的生物量與CK組相比均有明顯增加(P<0.05),5%、10%、15%、20%處理組生物量分別增加了8.78%、51.04%、93.72%、120.86%,說明施用堆肥增加了土壤中速效養分的含量,優化了土壤條件,導致植物的生物量大幅增加。

2.2 施肥對土壤養分的影響

速效氮是指可以被植物根系直接吸收利用的氮,速效氮含量的高低可反映土壤氮素的供應情況,與作物生長和產量有一定的相關性。由表2可見,施用生物炭基豬糞堆肥后,CK組與各處理組間速效氮的含量差異顯著(P<0.05),5%、10%處理組與CK組相比,速效氮分別增加了28.19%、34.19%;而15%、20%處理組的速效氮則分別增加了194.28%、226.10%。LI等[19]在土壤中施用豬糞堆肥后,土壤速效氮含量相比對照組增加了9.21%;吳飛龍等[20]將豬糞堆肥作為土壤改良劑施用到土壤中,土壤速效氮含量相比對照組增加8.62%。相較于普通豬糞堆肥,生物炭基豬糞堆肥添加到土壤中可以大幅提升速效氮的含量,且施肥比例越高,增幅越顯著。YAN等[21]也發現添加生物炭基豬糞堆肥的實驗組與添加普通豬糞堆肥的實驗組相比,速效氮含量增加了71.71%。

表2 各實驗組土壤速效氮、速效磷質量濃度1)Table 2 Mass concentration of available nitrogen and available phosphorus in soil of different experimental groups mg/kg

磷是植物生長過程中最重要的元素之一,土壤速效磷是指能被作物根系直接利用的磷素。由表2可知,CK組土壤速效磷僅為5.35 mg/kg,添加生物炭基豬糞堆肥后各處理組速效磷顯著增加,施肥比例越高,土壤速效磷含量增幅越明顯,20%處理組土壤速效磷含量高達CK組的59.75倍。磷鹽的溶解性差、擴散速度慢,并且磷固定率高[22],因此初始土壤中速效磷含量較低。而肥料施加到土壤中,肥料含有的養分會釋放到土壤中,在氮磷濃度較高的肥料中這一過程會顯著加快[23]。PATEL等[24]在土壤中施用豬糞堆肥,土壤的速效磷含量增加了26.98%;ZHOU等[25]在土壤中施用不同肥料以改善土壤的養分情況,發現施用豬糞堆肥的實驗組速效磷含量增加了138.28%,而施用生物炭基堆肥的實驗組速效磷含量增加了230.9%～284.96%,且隨著施肥比例增大,速效磷含量的增幅也越大;生物炭在制備過程中可能會熱解產生一部分營養物質并且提高其可利用性,因此生物炭基豬糞堆肥的添加可以顯著提高土壤速效磷的含量,這與土壤速效氮的變化基本一致。

2.3 施肥對土壤-櫻桃蘿卜系統重金屬的影響

2.3.1 對土壤重金屬含量的影響

圖2為各實驗組土壤重金屬含量變化情況。總體看來,5%處理組與CK組土壤重金屬含量差異不大,隨著施肥比例的增加,土壤中Cu、Zn含量增幅明顯。由于家禽糞便中含有大量重金屬,施用畜禽糞便堆肥產生的有機肥料會導致土壤中重金屬的積累[26],這可能是導致土壤重金屬含量升高的主要原因。QASWAR等[27]在土壤中施用豬糞堆肥,土壤中的Cr、Cd分別增加了18.4%、119.0%。參考《食用農產品產地環境質量評價標準》(HJ/T 332—2006),本研究中各實驗組Cr、Ni、Cu、Zn均未超過限值(Cr≤150 mg/kg、Ni≤40 mg/kg、Cu≤50 mg/kg、Zn≤200 mg/kg),而各實驗組Cd均超過了標準規定的限值(Cd≤0.30 mg/kg),這與土壤Cd背景值偏高有關。由于重金屬具有累積效應,后續研究需要探究堆肥添加后對土壤重金屬污染的累積性并進行長期監測。

圖2 各實驗組土壤中重金屬質量濃度Fig.2 Heavy metals mass concentration in experimental groups

2.3.2 對櫻桃蘿卜重金屬積累的影響

采集成熟的櫻桃蘿卜測定重金屬含量,結果見表3。不添加堆肥的CK組種植的櫻桃蘿卜已受到了一定的重金屬污染,其Cr、Ni、Cd的含量均超過了《食品安全國家標準 食品中污染物限量》(GB 2762—2022)中的限值(Cr≤0.5 mg/kg、Ni≤1.0 mg/kg、Cd≤0.05 mg/kg)。施加生物炭基豬糞堆肥后,4個處理組櫻桃蘿卜中的Cr、Ni、Cd含量與CK組相比均有不同程度的下降,其中Cd的降幅最大(79.76%～98.81%);20%處理組的櫻桃蘿卜中各重金屬的降幅為所有處理組中最高,達29.17%～98.81%,Ni、Cd均低于GB 2762—2022的限值,但Cr仍高于標準限值。TOPCUOGLU[28]通過盆栽實驗,研究了施用城市生活垃圾堆肥對甜菜中重金屬含量的影響,發現甜菜植株收獲后Cr含量高于CK組。本研究施用的是生物炭基豬糞堆肥,生物炭表面存在的羧基和羥基等含氧官能團能有效吸附重金屬[29],可以在一定程度上降低植物對重金屬的吸收,且隨著施肥比例的增加,降低的程度也隨之提高,這是生物炭基堆肥相比普通堆肥所具有的優勢。

表3 櫻桃蘿卜收獲后的重金屬質量濃度Table 3 Heavy metals mass concentration of cherry radish after harvest mg/kg

2.4 生態安全風險評價

土地生態安全研究是可持續發展領域的重要組成部分。通過生態安全評價與分析,可以盡早發現和處理土地生態系統可能的安全隱患。潛在生態風險指數法[30]可用于定量評價沉積物中重金屬污染程度,同時兼顧了重金屬含量、生態效應、環境毒理學等,被廣泛應用于土壤重金屬污染的評價。HAKANSON的單因子潛在生態風險指數和綜合潛在生態風險指數的分級標準是針對8種重金屬污染元素設計的[31]。為了指導實際應用,需根據具體參評污染物的種類和數量進行評估域調整。參考文獻[32],對本研究測定的6種重金屬的單因子潛在生態風險指數和綜合潛在生態風險指數的分級標準進行校正,結果見表4。施用生物炭基豬糞堆肥后各處理組的生態風險指數見表5。本研究中Cr、Co、Ni、Cu、Zn的Ei均小于30,表現為輕微生態風險;各處理組Cd的Ei均為30,達到中等生態風險。各處理組的R為47.84～54.90,其中5%、10%處理組為輕微生態風險水平,15%、20%處理組均達到了中等生態風險水平。Cd是施肥后各處理組土壤的首要污染元素,其對R的貢獻率為54.64%～62.71%,這與趙東杰等[33]的研究一致,需要引起足夠的重視。

表4 潛在生態風險指數分級標準Table 4 Potential ecological risk index grading criteria

表5 施用堆肥后的處理組土壤重金屬潛在生態風險評價Table 5 Pollution index of heavy metals in the soil after compost application

2.5 冗余分析

冗余分析是一種多響應變量回歸分析與主成分分析結合的排序方法,能夠反映響應變量與解釋變量之間的相關關系[34]。本研究對土壤的各種重金屬含量及土壤理化指標(pH、速效氮、速效磷)做冗余分析,旨在明確影響土壤重金屬含量的主要因子。圖3為重金屬含量與土壤理化指標的冗余分析排序圖,經分析pH、速效磷、速效氮對重金屬含量變化的累計解釋率達76.9%,其中pH、速效磷、速效氮的解釋率分別為52.7%、17.1%、7.1%,由此可見土壤pH對土壤重金屬含量的影響較大。幾種重金屬中,Cu與3種理化指標成正相關,但并不顯著(P>0.05);其余5種重金屬與3種理化指標均成負相關。其中pH與Co、Zn極顯著相關(P<0.01);速效磷與Co、Zn極顯著相關(P<0.01);速效氮與Co、Zn顯著相關(P<0.05)。

圖3 土壤重金屬含量與理化指標之間的冗余分析結果Fig.3 RDA result between solid heavy metals content and physicochemical indicators

3 結 論

(1) 生物炭基豬糞堆肥可以有效地改善土壤酸化以及土壤養分狀況,同時還增加了櫻桃蘿卜的生物量,施肥比例越大,改善效果越顯著。其中20%處理組植物的生物量及土壤的速效氮、速效磷含量分別為CK組的2.21、3.26、59.75倍。

(2) 總體看來,施加生物炭基豬糞堆肥會提高土壤重金屬含量,施肥后土壤中的重金屬除Cd外,其余均未超過HJ/T 332—2006中的限值要求。然而,生物炭基豬糞堆肥在一定程度上能夠降低植物中的重金屬含量,且隨著施肥比例的增加,降低效果也越明顯。

(3) 各處理組土壤中,Cr、Co、Ni、Cu、Zn表現為輕微生態危害,Cd則為中等生態危害;5%、10%處理組土壤的R呈輕微風險水平,15%、20%處理組為中等風險水平,且隨著施肥比例的增加,土壤的生態風險也隨之上升。Cd對R的貢獻率為54.64%～62.71%,是影響土壤重金屬生態風險的最主要元素。

(4) 冗余分析表明,pH是造成土壤重金屬含量變化的主要環境因子,對各種重金屬含量變化的解釋率達52.7%;除Cu外,其余重金屬均與土壤理化指標(pH、速效磷、速效氮)成負相關,Co、Zn含量受土壤理化指標的影響尤為顯著。