重金属对猪粪在茶园土壤中矿化的影响

戴 婷，章明奎

(浙江大学 环境与资源学院浙江省亚热带土壤与植物营养重点研究实验室，浙江 杭州 310029)

近年来，我国畜禽养殖业迅速发展，产生大量的畜禽粪便。畜禽粪便能提供土壤养分，改善土壤物理性，提高土壤肥力，作为土壤改良剂在农业中应用已有很长历史。但目前的畜禽粪便成分与以往有很大的不同，各种元素添加剂的广泛应用使畜禽粪便含有高量的铜 (Cu)、锌 (Zn)等重金属。据报道［1-3］，某些畜禽粪便中 Cu、Zn含量可达数千 mg·kg-1。含有高量重金属的有机肥施入农田后，其重金属不仅可在土壤中积累，通过食物链对人类健康造成威胁［4］，还可能影响有机物在土壤中的循环。研究表明［5-6］，土壤中重金属的积累或进入土壤中的植物残体含较高的重金属含量均会影响土壤中有机物的矿化，因此猪粪中Cu、Zn的积累也有可能影响猪粪在土壤中的矿化，对此我们进行了试验验证。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤为杭州西郊茶园土壤，土壤类型为黄筋泥 (红壤土类)。土样过5 mm筛混匀，供培养试验;另取部分过5 mm筛土样，风干后分别过2 mm筛和0.15 mm筛，供理化性质测定。供试土壤基本性质如下:pH值5.53，有机碳13.4 g·kg-1，全氮 1.21 g·kg-1，C/N 比 11.1，Cu、Zn、Pb、As、Cd、Cr和 Hg含量分别为 37.28、87.56、43.26、7.14、0.31、53.42、0.29 mg·kg-1。 供试猪粪采自规模化养殖场，在调研分析的基础上，从28个样品中筛选了5个含Cu和Zn差异明显且C、N、C/N水平较为接近的猪粪用于培养试验。猪粪样经室温风干、粉碎过2 mm筛。将300目的尼龙网缝成10 cm×5 cm的长方形袋，每袋装入相当于4 g烘干样的猪粪样封口、备用。供试猪粪的基本性质见表1。

1.2 试验设计

试验采用袋埋法。取30 cm×40 cm×25 cm(高)的塑料框5个，分别装入20 cm厚的过5 mm筛土样。按猪粪类别，每个塑料框中埋入装有猪粪的尼龙网袋各36袋，袋顶离土表5 cm以上。加入适量去离子水使含水量达到田间持水量的75%，在20～25℃下培养。分别培养2、4、6、8和12个月后，从每个处理中各取4袋，小心去除网袋外的土壤，取出内含物在105℃下烘干称重，计算残留比例。同时，测定内含物中 Cu、Zn含量。另外，分别在培养2、30、120和240 d后各取4袋，小心去除袋外土壤，测定猪粪的呼吸强度。

呼吸强度测定方法。样品转入500 mL培养瓶底部，保持土壤含水量为湿润状态。每只培养瓶内放入25 mL小烧杯，加入1 mol·L-1NaOH溶液10 mL，加盖密封于25℃下恒温培养2 d，测定 CO2释放量;同时设空白对照。

表1 供试猪粪的农化性质

有机肥中重金属元素分析采用HNO3-HClO4-HF三酸消化［7］，石墨炉-原子吸收光谱法测定。

2 结果与分析

2.1 Cu、Zn对猪粪呼吸强度的影响

表2为5个含不同Cu、Zn含量猪粪在不同培养时间时的呼吸强度。从表2可知，培养初期(表中第2天)各猪粪样的呼吸强度差异不大，呼吸产生的CO2-C均在5 g·kg-1·d-1左右，这可能与培养初期猪粪含有较多易矿化有机物 (特别是DOC)、而易矿化有机物的矿化不受样品中重金属含量的影响有关。培养30 d后，猪粪样的呼吸强度明显受到Cu、Zn含量的影响，呼吸强度随样品中Cu、Zn含量的增加而下降，表明高浓度的 Cu、Zn可抑制猪粪中有机物的矿化。培养120 d后，这种影响依然存在，但程度明显下降。但到第240天时，猪粪中Cu、Zn水平对呼吸强度已无明显影响，这可能与猪粪中绝大部分易矿化有机物已基本矿化，而Cu、Zn相对较低的猪粪前期矿化了较多的有机物、其矿化势逐渐下降等有关。

表2 不同培养时间的猪粪呼吸强度

2.2 猪粪中Cu、Zn浓度的经时变化

从表3可知，随着培养时间的延长和猪粪的不断被矿化，残留在猪粪中的Cu、Zn含量也逐渐增加。培养12个月后，残留猪粪中Cu含量比试验初期增加了32% ～65%，Zn增加了4% ～95%。残留猪粪中Cu、Zn的进一步积累会在一定程度上加深对有机物质矿化的影响。

表3 培养过程中猪粪Cu、Zn含量的变化

2.3 猪粪的矿化速率

表4为培养2、4、6、8和12个月后残留猪粪的比例。从表4可知，不同Cu、Zn含量的猪粪的矿化速率有很大差异。残留的猪粪比例均随猪粪中Cu、Zn等重金属含量的增加而增加，表明猪粪中的Cu、Zn水平对猪粪的矿化有明显影响。这种影响在培养前8个月最为明显，此后有所减弱。至培养结束 (12个月)时，猪粪降解残留量由Cu、Zn较低的 19.44%增加至 Cu、Zn含量较高的28.74%。

土壤中有机质的矿化是微生物作用下的生物学过程。矿化速率除受有机物本身的化学组成影响外，还受土壤微生物组成与活性等环境因子的影响。由于土壤重金属的积累可影响土壤微生物的活性，因此，土壤重金属的污染可改变土壤有机物的矿化速率。Cotrufo等［6］研究发现，污染环境有利于植物残落物的积累。Hattori［8］的研究表明，重金属加入土壤可降低稻秆的生物降解。Salt等［9］研究认为，重金属在植物组织中的分配也会影响不同植物组织的矿化。由此可见，猪粪等有机物料中重金属的存在在一定程度上会影响其在土壤中的矿化和循环。

表4 猪粪在土壤中的残留比例

3 小结

猪粪施入土壤初期，猪粪中Cu、Zn水平对猪粪呼吸强度影响不大;培养30～120 d后，猪粪的碳呼吸强度随猪粪中Cu、Zn含量的增加而逐渐减弱，矿化速率随之下降。试验结束时 (1年后)，随猪粪中 Cu、Zn含量增加，猪粪残留率由19.44%增加到28.74%。由此可见，猪粪等有机物料中重金属的存在一定程度上会影响其在土壤中的矿化和循环。

［1］ 黄玉溢，刘斌，陈桂芬，等.规模化养殖场地猪配合饲料和粪便中重金属含量研究 ［J］.广西农业科学，2007，38(5):544-546.

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［3］ 刘荣乐，李书田，王秀斌，等.我国商品有机肥料和有机废弃物中重金属的含量分析 ［J］.农业环境科学学报，2005，24(2):392-397.

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