施用沼渣对设施黄瓜及土壤重金属含量的影响

杨军芳，史建硕，黄少辉，邢素丽*，冯 伟，李孝兰

（1.河北省农林科学院农业资源环境研究所，河北 石家庄 050051；2.河北省黄骅市农业局土肥站，河北 黄骅 061100）

沼渣是将畜禽废弃物、人畜粪便、有机生活垃圾和作物秸秆等按一定比例混合，接种特定微生物经厌氧发酵产生沼气后剩余的残渣。其不仅含有大量的有机质和氮磷钾等营养元素，还含有丰富的氨基酸和维生素等生物活性物质[1]。在农业生产上应用，可以改良土壤和培肥地力[2～4]，提高作物产量，改善产品品质，增强作物的抗冻、抗旱和抗病能力[5，6]。

目前，我国沼气的发酵原料以畜禽粪便为主。而在规模化畜禽养殖厂中，铜（Cu）、锌（Zn）、砷（As）、铬（Cr）等元素作为添加剂在饲料中应用得越来越广泛，其中95%的重金属无法被畜禽利用而随粪便排出[7]，致使以畜禽粪便为原料生产的沼渣中重金属含量普遍偏高。近年来，国内外一些学者相继对沼渣中的重金属含量进行了分析，如，Makádi等[8]对匈牙利东北部地区的沼渣进行研究后发现，其Zn含量高达2 030 mg/kg；Rámirez等[9]对西班牙以猪粪为原料产生的沼渣进行检测，结果显示，Zn和Cu含量分别高达2 060和780 mg/kg；Marcato等[10]测得法国以猪粪为原料产生的沼渣中Zn和Cu含量分别高达2 628和1 016 mg/kg；钟攀等[11]对重庆市农村沼气主产区沼渣中的重金属含量进行分析，发现其Cu、Zn、As、Hg、Cd、Pb、Cr的平均含量分别为 80.0、96.5、4.16、0.024 3、0.498、1.962 和 7.446 mg/kg；段然[12]分别对辽宁省昌图、北京留民营、陕西杨陵、四川绵竹和广西防城港等地区沼渣中的重金属含量进行测定，结果表明，四川绵竹以猪粪发酵产生的沼渣中重金属含量最高，Cu、Zn、As、Cr含量分别达到了524.84、342.04、32.05和11.67 mg/kg；高红莉[13]选取郑州天元生态农业示范园中的沼渣，测得其Cu、Zn、Pb含量分别为32.0、86.5和9.85 mg/kg；李健等[14]对以猪粪发酵产生的沼渣重金属含量分析结果显示，其As、Cd、Cr含量分别为36.4、8.6和27.6 mg/kg。沼渣作为有机肥料施入农田后，其所含的重金属被作物吸收而进入食物链，增加了农产品和环境污染的风险[15]。

前人在沼渣对作物产量和品质的影响及其施用技术等方面进行了大量研究。随着人们环境意识的增强以及对农产品质量的日益关注，沼渣重金属对作物和土壤的影响已经引起了部分学者的关注，但是研究内容偏少。以大型规模化养猪场产生的沼渣为试材，研究其施入土壤后对黄瓜以及土壤Cd、Cr、As、Cu和Zn含量的影响，以期为沼渣的安全与合理施用提供科学依据。

1 材料与方法

试验于2015年3～6月在河北省石家庄市藁城区落生村进行，试验地土壤为石灰性壤质褐土。参试黄瓜品种为强大35（山东省新泰市黄瓜研究所提供）。供试沼渣和猪粪均取自河北双鸽美丹畜牧科技有限公司的规模化养猪场，自然风干后储存，备用。试验前，对土壤、沼渣和猪粪的基本理化性状进行了测定，结果显示（表1），土壤的全Cd、全Gr、全Cu、全Zn和全As含量均低于《土壤环境质量标准》一级标准的限定值，沼渣和猪粪的总镉、总铬及总砷含量均低于NY 525—2012[16]规定的限定值。

表1 试验土壤、沼渣和猪粪的基本理化性状Table 1 Basic physicochemical properties of tested soil，biogas residue and pig manure

试验设6个施肥处理（表2），小区面积35 m2，3次重复。其中，猪粪、沼渣和磷肥（重过磷酸钙，P2O5含量43%））均一次性基施；28.5%的氮肥（尿素，N含量46%）和25%的钾肥（硫酸钾，K2O含量50%）基施，剩余肥料在坐果后均分为8次施入。

黄瓜3月26日定植，6月21日收获。结果期，记录采摘次数和产量；全部收获后，统计总产量，并采集不同处理的土壤和黄瓜样品进行重金属含量分析。

表2 田间试验设计与肥料施用量 （kg/hm2）Table 2 Field experiment design and fertilizer amount

土壤、猪粪和沼渣样品采集后自然风干，用四分法分取适量样品，碾碎后过0.149 mm孔径筛；黄瓜鲜样称重后用去离子水冲洗3次，置105℃烘箱中杀青30 min，而后65～70℃烘24 h，晾凉后称量干重（计算含水量），然后将黄瓜烘干样碾碎并过0.149 mm孔径筛。土壤全Cd、全Gr和全As含量测定，分别参照 GB/T 17141—1997[17]、HJ 491-2009[18]和 GB/T 22105.2—2008[19]进行；土壤全Cu和全Zn含量测定，参照GB/T 17138—1997[20]进行；有机肥和黄瓜（烘干样）全镉、全铬、全铜、全锌和全砷含量测定，分别参照 GB/T5009.15—2003[21]、GB/T5009.123—2003[22]、GB/T 5009.13—2003[23]、GB/T 5009.14—2003[24]和 GB/T 5009.11—2003[25]进行。根据黄瓜含水量和黄瓜烘干样中的重金属含量，计算黄瓜鲜样中的重金属含量。

利用Microsoft Excel 2003和SPSS 17.0软件进行数据处理和分析。

2 结果与分析

2.1 施用沼渣对黄瓜产量的影响

黄瓜产量随着沼渣施用量的增加而逐渐增加，且不同施肥水平处理的差异均达到了显著水平（图1）。

图1 沼渣不同施用量对黄瓜产量的影响Fig.1 Effect of different amounts of biogas residue on cucumber yield

沼渣处理的黄瓜产量均显著＞T2处理，表明与单施化肥相比，增施11 250～45 000 kg/hm2的沼渣能显著提高黄瓜产量。但与T3处理相比，只有T6处理产量差异不显著，而其他2个处理产量均显著降低。表明与传统底施猪粪处理相比，底施等量沼渣时黄瓜产量显著降低，沼渣用量为猪粪2倍时才能达到猪粪处理的产量水平。沼渣作为有机肥底施时，其肥效低于传统有机肥猪粪，这可能与沼渣中的氮和磷养分含量较猪粪低有关。

2.2 施用沼渣对黄瓜重金属含量状况的影响

沼渣不同施用量处理的黄瓜Cd、Cr和As含量差异均不显著，且与3个CK差异也均不显著（表3）。表明在施用化肥的基础上增施11 250～45 000 kg/hm2的沼渣，不会对黄瓜中的Cd、Cr和As含量产生显著影响。

沼渣处理的黄瓜Cu和Zn含量均＞3个CK，其中，与T1和T2处理相比差异均达到了显著水平；但与T3处理相比，只有T4处理指标值差异不显著，而其他2个处理指标值均显著增加。在试验沼渣用量条件下，黄瓜Cu含量为1.10～1.28 mg/kg、Zn含量为6.40～7.20 mg/kg，且指标值均随沼渣用量的增加而逐渐增加，其中，T6处理的指标值明显偏高，而T5与T4处理相比Cu含量差异不大、Zn含量显著增高。Cu和Zn既是重金属元素，又是作物和人体所必需的有益微量元素，在新的国家食品卫生标准中已经废止了对Cu和Zn的限量规定，但即使参照已废止的食品中Cu和Zn的限量卫生标准（Cu含量≤10 mg/kg，Zn含量≤20 mg/kg）[26，27]，本研究条件下施用沼渣各处理的黄瓜Cu和Zn含量也均在安全限量范围之内。因此，在施用化肥的基础上增施11 250～45 000 kg/hm2的沼渣，不会对当季黄瓜造成Cu和Zn污染。

沼渣中重金属含量较高，因此，在农业资源化利用过程中应予以适当减量施用，在兼顾肥效的同时也应考虑到其对作物重金属含量的影响。

表3 沼渣不同施用量对黄瓜（鲜样）重金属含量的影响 （mg/kg）Table 3 Effects of different amounts of biogas residue on heavy metal contents of fresh cucumber

2.3 施用沼渣对土壤重金属含量状况影响

沼渣不同施用量处理的土壤Cd和As含量差异均不显著，且与3个CK差异也均不显著（表4）。表明在施用化肥的基础上增施11 250～45 000 kg/hm2的沼渣，不会对土壤中的Cd和As含量产生明显影响。

土壤Cr、Cu和Zn含量均随沼渣用量的增加而逐渐增加，其中，T6处理的Cr含量显著＞T4处理，但二者与T5处理差异均不显著；不同施用水平处理的Cu含量差异均达到了显著水平；T6处理的Zn含量明显较高，而T5与T4处理差异不显著。T4处理的Cr、Cu和Zn含量与T3处理差异均不显著，且与T1和T2处理Cr和Zn含量差异也均不显著；T5处理的Cr和Zn含量显著＞T1和T2处理但与T3处理差异均不显著，而Cu含量与3个CK相比均明显增高；T6处理的Cr、Cu和Zn含量均显著＞3个CK。表明施用沼渣对土壤存在潜在的Cr、Cu和Zn污染风险，相同用量条件下施用沼渣对土壤全铜污染的风险高于猪粪处理。

沼渣施用量为22 500 kg/hm2时，当季土壤的Cr、Cu和Zn含量分别为76.6、32.2和99.3 mg/kg，与基础土壤相比，依次增加了3.2、3.8和8.0 mg/kg。可以看出，在施用化肥的基础上增施与猪粪等量的沼渣，土壤存在重金属富集污染的潜在风险。

表4 沼渣不同施用量对土壤重金属含量状况的影响 （mg/kg）Table 4 Effects of different amounts of biogas residue on soil heavy metal contents

3 结论与讨论

本研究条件下，与不施肥和单施化肥相比，增施沼渣能显著提高黄瓜产量，且黄瓜产量随着沼渣用量的增加而明显提高。同等用量条件下，沼渣处理的黄瓜产量显著低于猪粪处理，可能与沼渣中的氮和磷养分含量较猪粪低有关。猪粪在沼气池中发酵后，部分养分挥发损失或溶解在沼液里，降低了沼渣的养分含量。因此，从肥效角度考虑，沼渣做底肥时应适当提高用量，以达到增产的目的。

沼渣对作物重金属含量的影响，与作物种类、重金属特性以及沼渣施用量等密切相关。Cd是易被作物吸收的重金属元素，作物中的Cd含量随着土壤Cd含量的增加而增加[28]，但黄瓜中Cd的富集系数小于叶菜类蔬菜[29，30]。本研究采用的沼渣Cd含量（0.21 mg/kg）较低，在试验施用量范围内不会对黄瓜果实造成Cd污染。Cr是具有可变氧化数的重金属元素，主要以Cr3+和Cr6+的形态存在于土壤中，而土壤中水溶性Cr6+含量很少，且当土壤有机质含量大于2%时Cr6+几乎全部被还原为Cr3+，Cr3+在土壤中常以难溶性氢氧化物的形式存在，溶液中的Cr3+含量很少，不易被作物吸收利用[31，32]。土壤中的As大多为无机砷，且以As5+为主，由于土壤对As具有很强的固定作用，因此，As在土壤中移动性较差，通常集中在表土层10 cm左右[33～35]。增施沼渣对黄瓜Cr和As含量影响不大，这可能与Cr和As在土壤中的理化特性有关。增施沼渣会显著提高黄瓜中的Cu和Zn含量，且随沼渣用量的增加而增加。Cu和Zn虽然是重金属元素，但又是作物和人体所必需的有益微量元素，在新的国家食品卫生标准中已经废止了对Cu和Zn的限量规定。本研究条件下，在施用化肥的基础上增施11250～45 000kg/hm2的沼渣，不会对黄瓜造成重金属污染，黄瓜品质安全。

施用沼渣不会对土壤Cd和As含量产生明显影响；但会不同程度地增加土壤全铬、全铜和全锌的含量，且随沼渣用量的增加而增大。沼渣用量为22500kg/hm2时，当季土壤的全铬、全铜和全锌含量分别较基础土壤增加了3.2、3.8和8.0 mg/kg，土壤存在重金属富集污染的潜在风险。因此，在设施蔬菜连作条件下，用沼渣做底肥时，应实时监测土壤的重金属含量情况，以兼顾沼渣资源化利用和土壤环境污染防控两方面的要求。

［1］杨合法，范聚芳，牛新胜，李 季.沼肥与生物有机无机复合肥在保护地蔬菜上应用效果研究［J］.华北农学报，2006，21（b11）：63-67.

［2］黄勤楼，翁伯奇，唐祖华，黄顺富，邵乃金.水稻应用沼肥效果研究［J］.中国生态农业学报，2004，12（2）：108-110.

［3］樊文华，刘晋峰，王志伟，单江艳.施用沼肥对温室土壤养分和重金属的影响［J］.山西农业大学学报：自然科学版，2011，31（1）：1-4.

［4］张玉凤，董 亮，李 彦，刘兆辉，边文范，刘 苹.沼肥对大豆产量、品质、养分和土壤化学性质的影响［J］.水土保持学报，2011，25（4）：135-138，143.

［5］赵凤莲.不同来源沼肥对蔬菜产量和品质的影响及环境效应研究［D］.泰安：山东农业大学，2011.

［6］熊 飞.沼肥对蔬菜产量、品质及其环境效应的研究［D］.南宁：广西大学，2012.

［7］闫秋良，刘福柱.通过营养调控缓解畜禽生产对环境的污染 ［J］.家畜生态，2002，23（3）：68-70.

［8］ Makádi M，Tomocsik A，Orosz V，Bogdányi Z，Biró B.Effect of a biogas-digestate and bentonite on some enzyme activities of the amended soils［J］.Cereal Research Communications，2007，35 （2）：741-744.

［9］Rámirez W，Domene X，Ortiz O，Alcaniz J.Toxic effects of digested，composted and thermally-dried sewage sludge on three plants［J］.Bioresource Technology，2008，99（15）：7168-7175.

［10］ MarcatoC E，PinelliE，Pouech P，Winterton P，Guiresse M.Particle size and metal distributions in anaerobically digested pig slurry ［J］.Bioresource Technology，2008，99 （7）：2340-2348.

［11］钟 攀，李泽碧，李清荣，王正银.重庆沼气肥养分物质和重金属状况研究 ［J］.农业环境科学学报，2007，26（增刊）：165-171.

［12］段 然.沼肥肥力和施用后潜在污染风险研究与土壤安全性评价［D］.兰州：兰州大学，2008.

［13］高红莉.施用沼肥对青菜产量品质及土壤质量的影响［J］.农业环境科学学报，2010，29（增刊）：43-47.

［14］李 健，郑时选.沼肥中重金属含量初步研究［J］.可再生能源，2009，27（1）：62-64.

［15］刘荣乐，李树田，王秀斌，王 敏.我国商品有机肥料和有机废弃物中重金属的含量状况和分析［J］.农业环境科学学报，2005，24（2）：392-397.

［16］ NY 525—2012，有机肥料 ［S］.

［17］GB/T 17141—1997，土壤质量 铅、镉的测定 石墨炉原子吸收分光光度法［S］.

［18］HJ 491—2009，土壤 总铬的测定 火焰原子吸收分光光度法［S］.

［19］GB/T 22105.2—2008，土壤质量 总汞、总砷、总铅的测定 原子荧光法 第2部分：土壤中总砷的测定［S］.

［20］GB/T 17138—1997，土壤质量 铜、锌的测定 火焰原子吸收分光光度法［S］.

［21］GB/T 5009.15—2003，食品中镉的测定［S］.

［22］GB/T 5009.123—2003，食品中铬的测定［S］.

［23］GB/T 5009.13—2003，食品中铜的测定［S］.

［24］GB/T 5009.14—2003，食品中锌的测定［S］.

［25］GB/T 5009.11—2003，食品中总砷及无机砷的测定［S］.

［26］GB 15199—1994，食品中铜限量卫生标准［S］.

［27］GB 13106—1991，食品中锌限量卫生标准［S］.

［28］孙铁珩，周启星，李培军.污染生态学［M］.北京：科学出版社，2000：284-285.

［29］宋 波，陈同斌，郑袁明，黄泽春，郑国砥，罗金发.北京市菜地土壤和蔬菜镉含量及其健康风险分析［J］.环境科学学报，2006，26（8）：1343-1353.

［30］李学德，花日茂，岳永德，曹德菊，袁立志，沈巍巍.合肥市蔬菜中铬、铅、镉和铜污染现状评价［J］.安徽农业大学学报，2004，31（2）：143-147.

［31］王 美，李书田，马义兵，黄绍敏，王伯仁，朱 平.长期不同施肥措施对土壤和作物重金属累积的影响［J］.农业环境科学学报，2014，33（1）：63-74.

［32］周加祥，刘 铮.铬污染土壤修复技术研究进展［J］.环境污染治理技术与设备，2000，1（4）：52-56.

［33］孙 歆，韦朝阳，王五一.土壤中砷的形态分析和生物有效性研究进展［J］.地球科学进展，2006，21（6）：625-632.

［34］ Newton K，Amarasirivardena D，Xing B.Distribution of soil arsenic species，lead and arsenic bound to humic acid molar mass fractions in a contaminated apple orchard ［J］.Environmental Pollution， 2006， 143 （2）：197-205.

［35］林志灵，张杨珠，曾希柏，李莲芳.土壤中砷的植物有效性研究进展［J］.湖南农业科学，2011（3）：52-56.