楊軍芳，史建碩，黃少輝，邢素麗*，馮 偉，李孝蘭

（1.河北省農(nóng)林科學院農(nóng)業(yè)資源環(huán)境研究所，河北 石家莊 050051；2.河北省黃驊市農(nóng)業(yè)局土肥站，河北 黃驊 061100）

沼渣是將畜禽廢棄物、人畜糞便、有機生活垃圾和作物秸稈等按一定比例混合，接種特定微生物經(jīng)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣后剩余的殘渣。其不僅含有大量的有機質(zhì)和氮磷鉀等營養(yǎng)元素，還含有豐富的氨基酸和維生素等生物活性物質(zhì)[1]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上應用，可以改良土壤和培肥地力[2～4]，提高作物產(chǎn)量，改善產(chǎn)品品質(zhì)，增強作物的抗凍、抗旱和抗病能力[5，6]。

目前，我國沼氣的發(fā)酵原料以畜禽糞便為主。而在規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖廠中，銅（Cu）、鋅（Zn）、砷（As）、鉻（Cr）等元素作為添加劑在飼料中應用得越來越廣泛，其中95%的重金屬無法被畜禽利用而隨糞便排出[7]，致使以畜禽糞便為原料生產(chǎn)的沼渣中重金屬含量普遍偏高。近年來，國內(nèi)外一些學者相繼對沼渣中的重金屬含量進行了分析，如，Makádi等[8]對匈牙利東北部地區(qū)的沼渣進行研究后發(fā)現(xiàn)，其Zn含量高達2 030 mg/kg；Rámirez等[9]對西班牙以豬糞為原料產(chǎn)生的沼渣進行檢測，結果顯示，Zn和Cu含量分別高達2 060和780 mg/kg；Marcato等[10]測得法國以豬糞為原料產(chǎn)生的沼渣中Zn和Cu含量分別高達2 628和1 016 mg/kg；鐘攀等[11]對重慶市農(nóng)村沼氣主產(chǎn)區(qū)沼渣中的重金屬含量進行分析，發(fā)現(xiàn)其Cu、Zn、As、Hg、Cd、Pb、Cr的平均含量分別為 80.0、96.5、4.16、0.024 3、0.498、1.962 和 7.446 mg/kg；段然[12]分別對遼寧省昌圖、北京留民營、陜西楊陵、四川綿竹和廣西防城港等地區(qū)沼渣中的重金屬含量進行測定，結果表明，四川綿竹以豬糞發(fā)酵產(chǎn)生的沼渣中重金屬含量最高，Cu、Zn、As、Cr含量分別達到了524.84、342.04、32.05和11.67 mg/kg；高紅莉[13]選取鄭州天元生態(tài)農(nóng)業(yè)示范園中的沼渣，測得其Cu、Zn、Pb含量分別為32.0、86.5和9.85 mg/kg；李健等[14]對以豬糞發(fā)酵產(chǎn)生的沼渣重金屬含量分析結果顯示，其As、Cd、Cr含量分別為36.4、8.6和27.6 mg/kg。沼渣作為有機肥料施入農(nóng)田后，其所含的重金屬被作物吸收而進入食物鏈，增加了農(nóng)產(chǎn)品和環(huán)境污染的風險[15]。

前人在沼渣對作物產(chǎn)量和品質(zhì)的影響及其施用技術等方面進行了大量研究。隨著人們環(huán)境意識的增強以及對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的日益關注，沼渣重金屬對作物和土壤的影響已經(jīng)引起了部分學者的關注，但是研究內(nèi)容偏少。以大型規(guī)?；B(yǎng)豬場產(chǎn)生的沼渣為試材，研究其施入土壤后對黃瓜以及土壤Cd、Cr、As、Cu和Zn含量的影響，以期為沼渣的安全與合理施用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

試驗于2015年3～6月在河北省石家莊市藁城區(qū)落生村進行，試驗地土壤為石灰性壤質(zhì)褐土。參試黃瓜品種為強大35（山東省新泰市黃瓜研究所提供）。供試沼渣和豬糞均取自河北雙鴿美丹畜牧科技有限公司的規(guī)?；B(yǎng)豬場，自然風干后儲存，備用。試驗前，對土壤、沼渣和豬糞的基本理化性狀進行了測定，結果顯示（表1），土壤的全Cd、全Gr、全Cu、全Zn和全As含量均低于《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》一級標準的限定值，沼渣和豬糞的總鎘、總鉻及總砷含量均低于NY 525—2012[16]規(guī)定的限定值。

表1 試驗土壤、沼渣和豬糞的基本理化性狀Table 1 Basic physicochemical properties of tested soil，biogas residue and pig manure

試驗設6個施肥處理（表2），小區(qū)面積35 m2，3次重復。其中，豬糞、沼渣和磷肥（重過磷酸鈣，P2O5含量43%））均一次性基施；28.5%的氮肥（尿素，N含量46%）和25%的鉀肥（硫酸鉀，K2O含量50%）基施，剩余肥料在坐果后均分為8次施入。

黃瓜3月26日定植，6月21日收獲。結果期，記錄采摘次數(shù)和產(chǎn)量；全部收獲后，統(tǒng)計總產(chǎn)量，并采集不同處理的土壤和黃瓜樣品進行重金屬含量分析。

表2 田間試驗設計與肥料施用量 （kg/hm2）Table 2 Field experiment design and fertilizer amount

土壤、豬糞和沼渣樣品采集后自然風干，用四分法分取適量樣品，碾碎后過0.149 mm孔徑篩；黃瓜鮮樣稱重后用去離子水沖洗3次，置105℃烘箱中殺青30 min，而后65～70℃烘24 h，晾涼后稱量干重（計算含水量），然后將黃瓜烘干樣碾碎并過0.149 mm孔徑篩。土壤全Cd、全Gr和全As含量測定，分別參照 GB/T 17141—1997[17]、HJ 491-2009[18]和 GB/T 22105.2—2008[19]進行；土壤全Cu和全Zn含量測定，參照GB/T 17138—1997[20]進行；有機肥和黃瓜（烘干樣）全鎘、全鉻、全銅、全鋅和全砷含量測定，分別參照 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]進行。根據(jù)黃瓜含水量和黃瓜烘干樣中的重金屬含量，計算黃瓜鮮樣中的重金屬含量。

利用Microsoft Excel 2003和SPSS 17.0軟件進行數(shù)據(jù)處理和分析。

2 結果與分析

2.1 施用沼渣對黃瓜產(chǎn)量的影響

黃瓜產(chǎn)量隨著沼渣施用量的增加而逐漸增加，且不同施肥水平處理的差異均達到了顯著水平（圖1）。

圖1 沼渣不同施用量對黃瓜產(chǎn)量的影響Fig.1 Effect of different amounts of biogas residue on cucumber yield

沼渣處理的黃瓜產(chǎn)量均顯著＞T2處理，表明與單施化肥相比，增施11 250～45 000 kg/hm2的沼渣能顯著提高黃瓜產(chǎn)量。但與T3處理相比，只有T6處理產(chǎn)量差異不顯著，而其他2個處理產(chǎn)量均顯著降低。表明與傳統(tǒng)底施豬糞處理相比，底施等量沼渣時黃瓜產(chǎn)量顯著降低，沼渣用量為豬糞2倍時才能達到豬糞處理的產(chǎn)量水平。沼渣作為有機肥底施時，其肥效低于傳統(tǒng)有機肥豬糞，這可能與沼渣中的氮和磷養(yǎng)分含量較豬糞低有關。

2.2 施用沼渣對黃瓜重金屬含量狀況的影響

沼渣不同施用量處理的黃瓜Cd、Cr和As含量差異均不顯著，且與3個CK差異也均不顯著（表3）。表明在施用化肥的基礎上增施11 250～45 000 kg/hm2的沼渣，不會對黃瓜中的Cd、Cr和As含量產(chǎn)生顯著影響。

沼渣處理的黃瓜Cu和Zn含量均＞3個CK，其中，與T1和T2處理相比差異均達到了顯著水平；但與T3處理相比，只有T4處理指標值差異不顯著，而其他2個處理指標值均顯著增加。在試驗沼渣用量條件下，黃瓜Cu含量為1.10～1.28 mg/kg、Zn含量為6.40～7.20 mg/kg，且指標值均隨沼渣用量的增加而逐漸增加，其中，T6處理的指標值明顯偏高，而T5與T4處理相比Cu含量差異不大、Zn含量顯著增高。Cu和Zn既是重金屬元素，又是作物和人體所必需的有益微量元素，在新的國家食品衛(wèi)生標準中已經(jīng)廢止了對Cu和Zn的限量規(guī)定，但即使參照已廢止的食品中Cu和Zn的限量衛(wèi)生標準（Cu含量≤10 mg/kg，Zn含量≤20 mg/kg）[26，27]，本研究條件下施用沼渣各處理的黃瓜Cu和Zn含量也均在安全限量范圍之內(nèi)。因此，在施用化肥的基礎上增施11 250～45 000 kg/hm2的沼渣，不會對當季黃瓜造成Cu和Zn污染。

沼渣中重金屬含量較高，因此，在農(nóng)業(yè)資源化利用過程中應予以適當減量施用，在兼顧肥效的同時也應考慮到其對作物重金屬含量的影響。

表3 沼渣不同施用量對黃瓜（鮮樣）重金屬含量的影響 （mg/kg）Table 3 Effects of different amounts of biogas residue on heavy metal contents of fresh cucumber

2.3 施用沼渣對土壤重金屬含量狀況影響

沼渣不同施用量處理的土壤Cd和As含量差異均不顯著，且與3個CK差異也均不顯著（表4）。表明在施用化肥的基礎上增施11 250～45 000 kg/hm2的沼渣，不會對土壤中的Cd和As含量產(chǎn)生明顯影響。

土壤Cr、Cu和Zn含量均隨沼渣用量的增加而逐漸增加，其中，T6處理的Cr含量顯著＞T4處理，但二者與T5處理差異均不顯著；不同施用水平處理的Cu含量差異均達到了顯著水平；T6處理的Zn含量明顯較高，而T5與T4處理差異不顯著。T4處理的Cr、Cu和Zn含量與T3處理差異均不顯著，且與T1和T2處理Cr和Zn含量差異也均不顯著；T5處理的Cr和Zn含量顯著＞T1和T2處理但與T3處理差異均不顯著，而Cu含量與3個CK相比均明顯增高；T6處理的Cr、Cu和Zn含量均顯著＞3個CK。表明施用沼渣對土壤存在潛在的Cr、Cu和Zn污染風險，相同用量條件下施用沼渣對土壤全銅污染的風險高于豬糞處理。

沼渣施用量為22 500 kg/hm2時，當季土壤的Cr、Cu和Zn含量分別為76.6、32.2和99.3 mg/kg，與基礎土壤相比，依次增加了3.2、3.8和8.0 mg/kg?？梢钥闯?，在施用化肥的基礎上增施與豬糞等量的沼渣，土壤存在重金屬富集污染的潛在風險。

表4 沼渣不同施用量對土壤重金屬含量狀況的影響 （mg/kg）Table 4 Effects of different amounts of biogas residue on soil heavy metal contents

3 結論與討論

本研究條件下，與不施肥和單施化肥相比，增施沼渣能顯著提高黃瓜產(chǎn)量，且黃瓜產(chǎn)量隨著沼渣用量的增加而明顯提高。同等用量條件下，沼渣處理的黃瓜產(chǎn)量顯著低于豬糞處理，可能與沼渣中的氮和磷養(yǎng)分含量較豬糞低有關。豬糞在沼氣池中發(fā)酵后，部分養(yǎng)分揮發(fā)損失或溶解在沼液里，降低了沼渣的養(yǎng)分含量。因此，從肥效角度考慮，沼渣做底肥時應適當提高用量，以達到增產(chǎn)的目的。

沼渣對作物重金屬含量的影響，與作物種類、重金屬特性以及沼渣施用量等密切相關。Cd是易被作物吸收的重金屬元素，作物中的Cd含量隨著土壤Cd含量的增加而增加[28]，但黃瓜中Cd的富集系數(shù)小于葉菜類蔬菜[29，30]。本研究采用的沼渣Cd含量（0.21 mg/kg）較低，在試驗施用量范圍內(nèi)不會對黃瓜果實造成Cd污染。Cr是具有可變氧化數(shù)的重金屬元素，主要以Cr3+和Cr6+的形態(tài)存在于土壤中，而土壤中水溶性Cr6+含量很少，且當土壤有機質(zhì)含量大于2%時Cr6+幾乎全部被還原為Cr3+，Cr3+在土壤中常以難溶性氫氧化物的形式存在，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大多為無機砷，且以As5+為主，由于土壤對As具有很強的固定作用，因此，As在土壤中移動性較差，通常集中在表土層10 cm左右[33～35]。增施沼渣對黃瓜Cr和As含量影響不大，這可能與Cr和As在土壤中的理化特性有關。增施沼渣會顯著提高黃瓜中的Cu和Zn含量，且隨沼渣用量的增加而增加。Cu和Zn雖然是重金屬元素，但又是作物和人體所必需的有益微量元素，在新的國家食品衛(wèi)生標準中已經(jīng)廢止了對Cu和Zn的限量規(guī)定。本研究條件下，在施用化肥的基礎上增施11250～45 000kg/hm2的沼渣，不會對黃瓜造成重金屬污染，黃瓜品質(zhì)安全。

施用沼渣不會對土壤Cd和As含量產(chǎn)生明顯影響；但會不同程度地增加土壤全鉻、全銅和全鋅的含量，且隨沼渣用量的增加而增大。沼渣用量為22500kg/hm2時，當季土壤的全鉻、全銅和全鋅含量分別較基礎土壤增加了3.2、3.8和8.0 mg/kg，土壤存在重金屬富集污染的潛在風險。因此，在設施蔬菜連作條件下，用沼渣做底肥時，應實時監(jiān)測土壤的重金屬含量情況，以兼顧沼渣資源化利用和土壤環(huán)境污染防控兩方面的要求。

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