动物尸体无害化处理物对油菜生长及重金属富集特征的影响

翟　振，熊　波，张　莉，蒋　彬，李传友，逄焕成，李玉义*（.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京0008；.北京市农业机械试验鉴定推广站，北京00079）



动物尸体无害化处理物对油菜生长及重金属富集特征的影响

翟振1，熊波2，张莉2，蒋彬2，李传友2，逄焕成1，李玉义1*
（1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京100081；2.北京市农业机械试验鉴定推广站，北京100079）

摘要：采用室内盆栽试验，以畜禽养殖场动物尸体无害化处理物为有机肥，研究了单施化肥（NPK）、化肥+单倍有机肥（NPK+M）、化肥+倍量有机肥（NPK+2M）三种施肥方式对油菜生长、叶片生理特性及植株和土壤中重金属积累的影响，探讨施用动物尸体无害化处理物在蔬菜种植方面的安全性。结果表明：与NPK处理相比，NPK+M和NPK+2M处理可显著提高油菜地上部干重50.53%～221.05%（P＜0.05）；同时，NPK+2M处理还可使油菜中叶绿素含量（SPAD）及净光合速率（Pn）显著提高22.85%和21.98%（P＜0.05）；NPK+2M处理条件下三种主要抗氧化酶超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和过氧化物酶（POD）的活性均达到最高，同时膜脂过氧化产物丙二醛（MDA）含量较NPK处理显著降低（P＜0.05）。与NPK相比，NPK+M和NPK+2M处理土壤中Cr、Cu、Cd、Pb的浓度均出现不同程度的增加，其中NPK+2M处理条件下Cr、Cd元素含量与NPK处理相比有了显著提高（P＜0.05），而Cu、Pb元素含量与NPK处理相比无显著差异（P＜0.05），NPK+2M处理土壤中Cr、Cu、Cd、Pb含量远低于《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995）中Ⅱ类土壤污染物限量标准。NPK+2M处理的油菜植株地上部、地下部重金属含量与NPK处理相比均无显著增加（P＞0.05），其地上部Cr、Cd和Pb含量远低于《食品安全国家标准》（GB 2762—2012）对新鲜蔬菜中重金属污染物含量的限制。

关键词：动物尸体无害化处理物；土壤施肥；白菜型油菜；重金属；富集特征

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近年来我国畜牧养殖业得到了快速发展，病死动物尸体随之增多，大量携带病原体病死动物及动物产品，未经无害化处理或任意处置，会造成严重的环境污染问题，甚至引起重大动物疫情［1］。目前，动物尸体的常见处理方法如掩埋处理法、焚化处理法、化尸窖法、化制法等，会造成土壤和地下水污染、病原菌扩散、产生有害烟气等问题，形成二次污染。基于以上处理方法的优缺点，越来越多的动物尸体无害化处理厂开始着手研发基于高温生物分解法的无害化处理技术，将动物尸体经过高温处理后消除所有病原菌，并且处理过程中所产生的水蒸汽经消毒处理后被直接排放，无烟、臭、血水排放问题，处理后形成的再生物质作为有机肥再次有效利用。

由于微量重金属作为饲料添加剂广泛用于畜禽养殖业，导致畜禽残体及粪便中普遍有重金属残留［2-4］，而对畜禽残体及粪便的不当施用，易造成土壤及水体的重金属积累，再经农作物进入食物链，危及食品及环境安全［5］。吴清清等［6］研究发现，当施用土壤重量10%的鸡粪时，土壤中Cu、Cr、Cd、Pb含量显著增加，出现明显积累趋势，而当施用量为土壤重量的5%时，各重金属元素均没有出现明显积累。潘霞等［7］亦发现长期大量施用畜禽有机肥，会使重金属在土壤剖面呈现表聚现象。目前，施用动物尸体无害化处理物对土壤及作物重金属积累的影响及其安全性问题鲜见报道，本研究以动物尸体无害化处理物作为有机肥，研究其不同施用量对蔬菜生长的影响及重金属元素在蔬菜及土壤中的富集特征，以期为动物尸体无害化处理物的安全利用提供依据。

1　材料与方法

1.1试验设计

本试验在中国农业科学院日光温室进行，采用盆栽试验方法。供试土壤采集于北京郊区耕层土壤，属褐潮土，其基础理化性状如表1所示。花盆规格为直径30 cm×高度50 cm，每盆3 kg风干土。试验所用动物尸体无害化物来自通州区某规模化养猪场，该养猪场收集病死猪尸体，按照1 t病死猪加入280～300 kg垫料（锯末、稻壳粉等）、1 kg动物尸体无害化处理专用益生菌，经过分切、绞碎、发酵、高温杀菌、干燥5个环节，40 h左右的无害化处理［1］，可产出含水率30%以下的粉末状有机肥。产出物由北京市新型肥料质量监督检验站进行检测，其养分含量及主要重金属含量指标如表1所示。

试验共设3个处理，包括：单施化肥（NPK）、化肥+单倍有机肥（NPK+M）、化肥+倍量有机肥（NPK+2M），每处理4次重复。按施肥量N：K2O：P2O5=1：1：0.5计算［8-9］，即各处理土壤均施入等量尿素、K2SO4和Ca（H2PO4）2，施入量分别为N 0.2 g·kg-1、K2O 0.2 g·kg-1、P2O50.1 g·kg-1，同时参考常规有机肥施用量（每年15 000 kg·hm-2），NPK+M及NPK+2M处理动物尸体有机肥施用量分别相当于1年和2年有机肥常规施用量，折算每盆分别施入风干土壤重量的0.67%和1.33%动物尸体有机肥，即分别施入6.67 g·kg-1和13.33 g·kg-1（按照耕层18 cm，耕层容重1.25 g·cm-3）。土壤经风干、过筛、并与动物尸体有机肥充分拌匀，然后装盆，一边装土一边压实，氮磷钾化肥混合一次施入表土下15 cm处。加水至田间持水量70%，平衡一周后点播法播种。供试蔬菜作物为白菜型油菜（Brassiacampestris L.，华绿四号），于2014年9月16日播种，每盆均匀留株3棵，12月4日采收。

表1　供试土壤及有机肥养分及重金属含量Table 1 Nutrient and heavy metal content in soil and manure

1.2测定方法

1.2.1植株形态及生理指标测定

在油菜生长期内每隔1周测定一次油菜株高（生长期48 d），收获期测量不同施肥处理植株相对叶绿素含量（SPAD），采用美国LI-COR公司生产的LI-6400便携式光合仪测量不同处理叶片净光合速率。测量完毕收获小油菜植株样品用自来水清洗后，再用去离子水淋洗，将小油菜分成地上部和根，分别称鲜重，然后在105℃下杀青30 min后，于75℃烘干至恒重，称重。

1.2.2叶片主要酶活性及代谢产物含量测定

在油菜收获期分别采取不同处理新鲜叶片样品，利用液氮罐储存带回实验室，测定超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）及过氧化氢酶（CAT）活性，同时测定丙二醛（MDA）含量。SOD活性采用硝基四氮唑蓝（NBT）还原法［10］，POD活性采用愈创木酚法［11-12］，CAT活性采用紫外分光光度法［13］，MDA含量采用硫代巴比妥酸（TBA）加热比色法［11］。

1.2.3植株及土壤中重金属含量测定

用自来水和去离子水冲洗，滤纸吸干油菜植株样表面的水分后，置于烘箱中105℃杀青30 min、65℃烘至恒重，在此过程中计算油菜样品的含水量。烘干后用玛瑙研钵研磨过40目尼龙筛。土壤样品经自然风干后，玛瑙研钵研磨过100目尼龙筛。油菜样品经HNO3-HClO4消煮、土壤经HF-HNO3-HClO4消煮，ICP-MS测定其重金属含量［14］。植株样品中重金属含量以干重计。

1.3数据处理方法

采用Excel 2007整理数据，SPSS 19.0统计软件进行数据分析，方差齐性的显著性检验采用LSD法。

2　结果与分析

2.1不同施肥处理对植株叶片数、干物质积累、SPAD及净光合速率的影响

表2所示为不同施肥处理对植株叶片数、干物质积累、SPAD及净光合速率的影响。增施动物尸体无害化处理物能够显著提高油菜单株叶片数（P＜0.05），NPK+M及NPK+2M处理单株叶片数分别较NPK处理高12.50%和25.00%（P＜0.05）。受增施有机肥的影响，油菜植株干物质重也发生显著变化（表2），NPK+ M处理和NPK+2M处理地上部干物质重分别为1.43、 3.05 g，较NPK处理提高了50.53%和221.05%（P＜0.05）；而三个处理地下部单株干物质重无显著差异。叶绿素是光合作用中将光能转变为化学能并用于物质合成的关键物质，植物叶绿素含量及组成与光合速率有密切联系［15-17］，SPAD与叶片叶绿素含量呈正相关关系，能较好反应植物叶片叶绿素变化，直接影响叶片光合能力，其值越高越有利于植物捕获更多光能用于光合作用［18-20］。表2中不同施肥条件下相对叶绿素含量存在一定差异，其中NPK+2M处理叶绿素含量最高，显著高于NPK处理22.85%（P＜0.05），但NPK+M与NPK两处理间无显著差异，说明增施倍量该有机肥能够显著提高叶片叶绿素含量。光合速率是度量作物同化物形成和输出能力最直观的一个指标。表2显示不同处理条件下，油菜的平均净光合速率在16.31～19.89 μmolCO2·m-2·s-1之间，与NPK处理相比，NPK+ M处理和NPK+2M处理净光合速率分别提高了3.43%和21.98%，其中NPK+2M处理达到了显著水平（P＜0.05），说明增施倍量该有机肥可显著提高油菜光合速率。

表2　不同施肥方式对油菜叶片数、干重、SPAD及净光合速率的影响Table 2 Leaf number，dry weight，SPAD and net photosynthetic rate of Brassiacampestris L. in different treatments

2.2不同施肥处理对油菜抗氧化酶活性及丙二醛含量的影响

植物体在正常的新陈代谢过程中，会产生自由基，自由基产生与清除之间的平衡对植株正常生长发育起着重要作用，这一平衡的紊乱会导致生物体的衰老甚至死亡。许多研究表明，植物细胞通过多种途径产生各种自由基和活性氧，使细胞的正常代谢不能顺利进行［21］，同时植物细胞也可以通过多种途径清除这些自由基，其中SOD、CAT和POD等是活性氧清除系统的重要保护酶，它们能有效阻止高浓度氧的积累，防止膜脂的过氧化作用，延缓植物的衰老，使植物维持正常的生长和发育［22-23］。

表3为不同施肥处理对叶片CAT、SOD、POD活性和MDA含量的影响。本试验中NPK+M和NPK处理油菜植株内三种酶活性均无显著差异，其中NPK+ M处理CAT及SOD酶活性略高于NPK处理，而POD酶活性略低于NPK处理；三种主要抗氧化酶活性均在NPK+2M处理条件下达到最高，其平均活性分别为891.15、1 025.00、521.00 U·g-1FW，较NPK处理分别提高了9.31%、18.22%和1.56%，其中CAT及SOD酶活性的提高程度达显著水平（P＜0.05），而POD酶活性变化不显著。因此，增施倍量该有机肥能够显著促进植株体内CAT、SOD等保护酶的活性，延缓植株的衰老。MDA作为植物体内的一种过氧化产物，能够与细胞内多种成分发生强烈的反应，使酶和膜系统遭受严重损伤，其含量是表征细胞膜脂过氧化程度的重要指标。在本研究中（表3），NPK处理油菜MDA积累量最大，分别是NPK+M和NPK+2M处理的1.38倍和2.17倍（P＜0.05）。而施用动物尸体有机肥能够显著降低油菜MDA积累量，且施用量越大MDA含量越低。这表明增施该有机肥能够减缓植株细胞膜脂过氧化程度，增强植株的抗逆性。2.3不同施肥处理对土壤主要重金属残留及植株重金属富集的影响表4 所示为不同施肥处理对土壤重金属含量的影响。本试验中，NPK 处理基础上增施动物尸体无害化处理物，会使土壤中主要重金属Cr、Cu、Cd、Pb 出现不同程度的增加，分别增加了1.08％～2.53％、1.25％～1.74％、22.76％～57.72％及2.37％～2.94％，其中以Cd的增加幅度最大。除Cd 元素外，NPK+M 处理Cr、Cu、Pb 元素含量与NPK 处理均无显著差异，未出现明显积累现象。在增施倍量有机肥条件下，重金属Cr 和Cd 在土壤中的含量较NPK 处理显著增加，而Cu 和Pb 与NPK 处理无显著差异，未出现积累现象。图1、图2 所示分别为不同施肥处理对植株地上部（干重）及地下部（干重）重金属含量的影响。虽然动物尸体无害化处理物中重金属元素的输入导致土壤中重金属含量出现不同程度增加，但油菜地上部Cr、Cu、Cd和Pb含量分别为2.55～3.72、3.55～4.55、0.21～0.26、1.76～2.44 mg·kg-1，各处理之间均无显著差异；同时油菜地下部Cr、Cu、Cd和Pb含量分别为5.61～10.30、9.69～12.93、0.24～0.30、3.10～4.24 mg·kg-1，比地上部略高，但不同处理之间重金属含量亦无显著差异。因此，NPK+M和NPK+2M处理不会显著增加植株地上部、地下部（干重）重金属含量。

表3　不同施肥处理对油菜叶片CAT、SOD、POD活性和MDA含量的影响Table 3 Effects of manure applications on activities of CAT, SOD, POD and MDA content

表4　不同施肥处理对土壤重金属含量的影响Table 4 Effect of manure applications on heavy metal content in soil

图1　不同施肥处理对植株地上部（干重）重金属含量的影响Figure 1 Effect of manure applications on heavy metal content in shoot（dry weight）

图2　不同施肥处理对植株地下部（干重）重金属含量的影响Figure 2 Effect of manure applications on heavy metal content in root（dry weight）

图1　不同施肥处理对植株地上部（干重）重金属含量的影响Figure 1 Effect of manure applications on heavy metal content in shoot（dry weight）

图2　不同施肥处理对植株地下部（干重）重金属含量的影响Figure 2 Effect of manure applications on heavy metal content in root（dry weight）

3　讨论

植株干物质的积累是作物产量形成的基础，而土壤肥力状况是影响干物质积累最主要的因素。本研究供试动物尸体无害化处理物有机质含量达71.75%，总养分是普通有机肥的3倍［1］，能够持续均衡地提供各种营养元素，促进植物的生长发育，增施该有机肥较单施化肥油菜地上部干物质重提高50.53%～221.05%（P＜ 0.05），显著提高了油菜地上部干物质积累。这与前人的研究结果一致。王立刚等［24］在7年生物有机肥定位试验中发现，无论是施用生物有机肥、EM鸡粪还是传统鸡粪堆肥的处理，其干物质积累都大于施用化肥；张美良等［25］在棉花上也发现，施用猪粪沼肥能够增加棉株和各器官干物质量、促进不同生育时期棉株各器官干物质量合理分配，最终提高棉花的产量。

本研究表明，施用倍量动物尸体无害化处理物不仅能持续均衡地供给养分，还可显著提高油菜叶片抗氧化酶系统CAT、SOD酶活性，同时显著降低叶片中MDA累积量，提高叶片叶绿素含量，有利于作物的生长，延缓衰老。这是由于植物细胞在有氧代谢过程中，会产生大量活性物质如H2O2，引发自由基膜脂过氧化一系列反应，造成膜质的分离，破坏细胞膜的正常生理功能，造成脂质过氧化损伤产物MDA含量的积累［26］，MDA的产生和积累反过来又会危害生物膜。施用有机肥则可增强CAT、SOD等活性氧清除酶活性，有效阻止高浓度氧的积累，减少活性氧的伤害，从而维持植物叶绿素含量，提高光合速率，有利于干物质的积累［27］。

饲料添加剂的使用导致该动物尸体无害化处理物含有一定量的重金属元素，因此倍量施用供试动物尸体无害化处理物在一定程度上提高了Cr、Cu、Cd、Pb等重金属在土壤中的含量。如NPK+2M处理土壤中Cr、Cu、Cd、Pb含量较NPK处理分别提高了2.53%、1.74%、57.72%和2.37%，但远低于《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995）［28］中Ⅱ类土壤污染物限量标准中的规定值：Cr≤250mg·kg-1；Cu≤100mg·kg-1；Cd≤0.6 mg·kg-1；Pb≤350 mg·kg-1。

在目前施肥措施和作物种植体系下，假设土壤重金属年增加量一定，按照供试动物尸体无害化处理物中重金属含量估算土壤中重金属平均年增加量，参照《土壤环境质量标准》中Ⅱ类土壤污染物限量标准估算出土壤对重金属的最高承载年限［29］：

式中：Yi表示土壤对重金属i最高承载年限；Si表示国标《土壤环境质量标准》中Ⅱ类土壤污染物限量标准中对土壤重金属i的限量，mg·kg-1；Oi表示目前土壤NPK处理重金属i含量，mg·kg-1；Ki表示动物尸体无害化处理物中重金属i的含量，mg·kg-1；A表示年施肥量15 000 kg·hm-2；M表示耕层土壤量，kg（按照耕层18 cm，耕层容重1.25 g·cm-3）。

在现有施肥措施和种植体系下，京郊潮土对Cd、Cr、Pb及Cu的最高承载年限分别为44、772、1787年和1050年（图3），远高于王美等［29］采用厩肥及粪肥作有机肥，黑土及红壤对Cd、Cu承载量估算。这说明从土壤承载年限角度，动物尸体无害化处理物相对于传统有机肥是有一定优势的。

图3　施用动物尸体无害化处理物土壤对重金属Cd、Cr、Pb和Cu的最高承载年限Figure 3 Soil maximum bearing year for Cd，Cr，Pb，and Cu under applications of harmlessly-treated animal carcass manure

另外，施用倍量动物尸体无害化处理物，油菜地上部主要重金属含量并没有显著增加，供试植株水分含量占总鲜重90%左右，地上部Cr、Cd和Pb鲜重含量分别为0.255～0.372、0.021～0.026、0.176～0.244 mg· kg-1，远低于《食品安全国家标准》（GB 2762—2012）［30］对新鲜蔬菜中污染物含量的限制：Cr≤0.5 mg·kg-1；Cd≤0.2 mg·kg-1；Pb≤0.3 mg·kg-1。这可能是因为该动物尸体无害化处理物是经过堆积高温发酵而制成的有机肥料，虽然有机肥中重金属总量不变，但通过高温堆置可在一定程度上降低重金属的生物有效性［5，31-32］。不同形态的重金属对植物的有效性不同，而动物尸体无害化处理物中有效态重金属含量可能较低，决定了植物所能吸收利用的重金属量也较低［33-34］，所以植物体内重金属含量无明显增加。

4　结论

（1）增施倍量动物尸体无害化处理物可显著增加油菜叶绿素含量，增强光合效率，增加油菜地上部干物质累积；显著增强植株体内抗氧化酶CAT、SOD酶活性，同时显著降低MDA累积量，阻止代谢过程中高浓度氧的积累，减少了活性氧的伤害，有利于植株生长。

（2）增施倍量动物尸体无害化处理物，导致土壤中Cr、Cu、Pb等重金属元素含量有一定增加，但各重金属含量远低于《土壤环境质量标准》（GB 15618— 1995）中Ⅱ类土壤污染物限量；油菜地上部主要重金属含量并没有明显增加，Cr、Cd和Pb鲜重含量远低于《食品安全国家标准》（GB 2762—2012）对新鲜蔬菜中重金属污染物含量的限制。因此，增施倍量动物尸体无害化处理物对土壤及油菜均是安全的。

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中图分类号：X713

文献标志码：A

文章编号：1672-2043（2016）05-0985-07

doi:10.11654/jaes.2016.05.024

收稿日期：2015-11-17

基金项目：北京市农委项目“北京市动物尸体无害化处理机械技术试验示范”（PXM2013_036231_000041）

作者简介：翟振（1988—），男，山东荷泽人，博士研究生，从事合理耕层构建及温室气体减排研究。E-mail：zhaizhentab@163.com

*通信作者：李玉义E-mail：liyuyi@caas.cn

Effects of organic manure from animal carcasses on Brassiacampestris L. growth and soil heavy metal accumulation

ZHAI Zhen1, XIONG Bo2, ZHANG Li2, JIANG Bin2, LI Chuan-you2, PANG Huan-cheng1, LI Yu-yi1*
（1.Institute of Natural Resources and Regional Planning Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China; 2.Beijing Agricultural Machinery Testing Extension Station, Beijing 100079, China）

Abstract：A pot experiment was conducted to explore the feasibility of applying harmlessly-treated animal carcass manure from livestock and poultry farms to vegetable cultivation. The growth of Brassiacampestris L. and soil heavy metal content were measured under three different treatments, including chemical fertilizer（NPK）only, combined chemical fertilizer plus manure（NPK+M）, and combined chemical fertilizer plus double manure（NPK+2M）. Results showed that both NPK+M and NPK+2M significantly increased shoot dry weight by 50.53%～221.05%, compared with NPK（P＜0.05）. In NPK+2M treatment, relative chlorophyll conten（tSPAD）in fresh leaves and leaf net photosynthetic rate significantly increased by 22.85%and 21.98%, respectively, as compared with NPK treatmen（tP＜0.05）. Activities of superoxide dismutase（SOD）, catalase（CAT）, and peroxidase（POD）were found to be the highest, meanwhile maloaldehyde（MDA）was lowest in NPK+2M treatment. Compared with NPK, both NPK+M and NPK+2M increased soil Cr, Cu, Cd and Pb concentrations, but Cu and

Pb content was not different between NPK+2M and NPK treatment（P＜0.05）. However, the content of heavy metals in NPK+2M was far lower than the class II limits of the soil environment quality standards. In addition, the heavy metal content in Brassiacampestris L. aboveground and belowground parts in NPK+2M showed no significant increases, compared to NPK treatment（P＞0.05）, and the Cr, Cd and Pb content in the aboveground part was much lower than the National Food Standards for vegetables. These results would shed light on the safe use of harmlessly-treated animal carcasses.

Keywords：harmlessly treated animal carcass manure; soil fertilization; Brassiacampestris L.; heavy metal; accumulation