沼肥对重金属Cr作用效应的研究

李　轶， 冯洋洋， 杨鹤然， 刘艳杰， 巩俊璐， 杨晓桐， 谷士艳， 张　镇

(沈阳农业大学 工程学院， 沈阳　110866)



沼肥对重金属Cr作用效应的研究

李轶， 冯洋洋， 杨鹤然， 刘艳杰， 巩俊璐， 杨晓桐， 谷士艳， 张镇

(沈阳农业大学 工程学院， 沈阳110866)

随着配合饲料养殖法的应用，使得以畜禽粪便为主要发酵原料的沼气工程产生的沼肥中重金属含量发生了明显的变化。施用沼肥后能否造成土壤重金属污染？这直接影响着沼肥(沼渣和沼液)的安全合理利用。文章通过油菜盆栽试验，以重金属Cr为研究对象，采取2种土壤样品(未受污染的棕壤土及受污染的棕壤土)，对沼渣沼液施肥后土壤和油菜中重金属的含量及形态进行分析。得出： 1)施用沼肥能增加未受污染棕壤土重金属Cr含量，而施用猪粪化肥能降低未受污染棕壤土Cr含量；施用沼肥能降低污灌区棕壤土Cr含量； 2)对于未受污染棕壤土来说，施用沼肥有利于降低油菜食用部位茎部、叶部Cr含量；施用沼肥能有效降低污灌区棕壤土-油菜根部、叶部Cr的含量； 3)对未受污染棕壤土来说，除过量沼渣沼液试验处理，其他试验处理的Cr各形态含量占总量的比例大小为：残渣态>可还原态>可氧化态>酸溶态；对污灌区棕壤土来说，各个试验处理前后的Cr各形态含量占总量的比例大小几乎不变，为：残渣态>可还原态>可氧化态>酸提取态； 4)试验后未受污染棕壤土Cr有效态含量百分比的大小顺序为：原土样、猪粪化肥处理、空白处理、沼渣沼液处理；对污灌区棕壤土，试验后常量猪粪化肥处理Cr有效态含量百分比最大，过量沼肥处理最小。可见过量沼渣沼液试验处理对土壤中重金属Cr的有效态含量的减少有较为明显的作用。

沼肥； 重金属； 含量； 形态； 油菜

沼肥是人畜粪便、秸杆等有机物经过厌氧发酵产生沼气后的残留物，即沼渣和沼液。沼肥不仅含有丰富的氮、磷、钾等大量营养元素和钙、铜、铁、锌、锰等微量营养元素，而且含有丰富的氨基酸，B族维生素，水解酶，植物激素，腐殖酸及抗菌素等生物活性物质[1-2]。经过厌氧发酵，沼肥中各种有害病菌及寄生虫卵基本已被杀灭，同时沼肥中的抗生素和维生素可有效地抑制和杀灭植物病原菌和害虫，减少病虫害的发生[3-4]。沼肥是一种养分含量全面、速效养分丰富、肥效稳长、速缓兼备的优质有机肥[5]。

但是，以畜禽粪便为主要发酵原料的问题也随之产生。在畜禽养殖中，为了改善畜禽的生长性能，提高养殖效益，在养殖过程中常常在饲料中人为大量添加一些可以促进动物生长和提高饲料利用率的有害微量元素，添加量远远超出了动物所能吸收的量[6-7]。这些重金属元素随饲料进入动物机体后，少部分被动物体吸收，蓄积在动物器官内，不易分解，容易引起动物急性或慢性中毒，有的还具有致癌、致突变和致畸作用，而大部分重金属通过畜禽粪、尿排泄出来[8]。而重金属Cr，是一种在自然界广泛存在的重金属，铬在土壤中一般以三价和六价两种价态存在，以三价铬为主。铬是人体蛋白质、脂类和碳水化合物正常代谢所必需的微量元素之一，具有调节人体内糖和胆固醇代谢的作用；若人体内铬含量太少时，会引起动脉硬化、食欲减退。如果过量摄则会发生口角糜烂、腹泻、消化紊乱等症状，并对呼吸道、消化道有刺激、致癌和诱变作用[9]。据研究，低浓度的Cr能提高植物体内酶活性与葡萄糖含量，过量的铬会抑制植物生长发育，甚至与植物体内细胞原生质中蛋白质结合，导致细胞死亡[10]。因此，以畜禽粪便为发酵原料的沼气工程，经厌氧发酵后的沼渣沼液施入土壤中，是否会对土壤和作物的安全性会产生不利的影响？这些问题直接影响沼肥(沼渣和沼液)的安全合理利用。在这样的背景下，沼肥的资源化、无害化利用受到高度重视。

文章主要针对沼气发酵后残余物沼渣沼液施肥后，土壤重金属Cr含量及各形态的变化、油菜各部位重金属Cr含量及重金属Cr生物有效性的变化进行试验研究。分析土壤和油菜中重金属的变化情况，为沼渣沼液的合理化、安全化利用提供依据。

1　材料与方法

1.1试验材料

1.1.1供试作物

试验中种植的作物选用油菜(抗病苏州青)。

1.1.2供试土壤

试验所用土壤有2种，均为棕壤土。受污染的土壤取自沈阳张士污灌区，未受重金属污染的土壤取自沈阳农业大学能源基地，取土时间为2014年3月。取土壤表土0～20 cm，土壤风干后，过筛备用。

沈阳农业大学能源基地土壤、沈阳张士污灌区土壤重金属Cr及其形态含量见表1。

表1　棕壤土重金属Cr及其形态含量 (mg·kg-1)

1.1.3供试肥料

试验用的肥料包括：沼肥，以猪粪为发酵原料，在沼气池正常发酵3个月以上的沼肥(包括沼渣和沼液)；猪粪，采用养殖场腐熟的猪粪；化肥，选用尿素、硫酸钾、磷酸二氢钾。肥料重金属含量见表2。

表2　肥料重金属Cr含量　(mg·kg-1)

1.2试验设计

试验采用盆栽试验，分别用未受污染棕壤土栽培和污灌区棕壤土栽培，各设5个处理，每个处理重复3次。用于底肥的猪粪、沼渣，应保证它们的有机质含量相同；用于追肥的沼液、化肥，保证相同施肥水平的沼液和化肥栽培土壤中含等量的氮，即根据试验方案中作物生长所需的氮含量，在测定沼液养分含量的基础上折算成需要的沼液量，使追肥中含有等量的氮素。5个试验处理分别为：

(1)CK：空白处理，在油菜整个生育期只浇灌水；

(2)AC1：底肥施用沼渣，追肥施用沼液，追肥量为油菜正常需要量；

(3)AC2：底肥施用沼渣，追肥施用沼液，追肥量为油菜正常需要量的120%；

(4)BD1：底肥施用猪粪，追肥施用尿素，追肥量为油菜正常需要量；

(5)BD2：底肥施用猪粪，追肥施用尿素，追肥量为油菜正常需要量的120%。

1.3试验方法

根据试验处理，把相应量的肥料底肥，分别与过2 mm筛的土壤反复混合均匀，每盆装土1 kg。待油菜出苗后，每盆保留3株，油菜生长过程中用自来水浇灌，植株生长成熟后收获。

(1)土壤重金属含量、形态分布的变化。

装盆前测定土壤重金属Cr含量及土壤重金属Cr各形态含量；试验后测定土壤重金属Cr含量及土壤重金属Cr各形态含量。通过测定种植油菜前后土壤重金属含量及各重金属形态含量，分析2种施肥方式对土壤重金属含量、形态变化的影响。

(2)油菜各部位重金属含量的变化。

在油菜已成熟时采摘，洗净，擦干，按照微量元素采样和样品制备方法处理植株，并测定油菜样品根、茎、叶不同部位中重金属Cr的含量。

(3)土壤重金属生物有效性分析。

在已测定土壤重金属及其各形态含量的基础上，计算重金属的生物有效性指标。通过计算生物有效性指标，分析2种施肥方式对土壤重金属Cr的生物有效性的影响。

2　结果与分析

2.1不同施肥方式对土壤和油菜重金属Cr含量的影响

2.1.1不同施肥方式对土壤重金属Cr含量的影响

不同施肥方式对棕壤土重金属Cr含量的影响如图1所示。

图1　不同施肥方式对棕壤土重金属Cr含量的影响

由图1可以看出，试验后未受污染棕壤土重金属Cr的含量有较为明显的变化，其中在常量沼渣沼液试验处理(AC1)时，重金属Cr的含量最大，为15.525 mg·kg-1；在过量猪粪化肥试验处理(BD2)时，重金属Cr的含量最小，为9.718 mg·kg-1。试验后污灌区棕壤土重金属Cr的含量变化不大，其中在常量猪粪化肥试验处理(BD1)时，重金属Cr的含量最大，为43.91 mg·kg-1；在过量猪粪化肥试验处理(BD2)时，重金属Cr的含量最小，为40.31 mg·kg-1。

2.1.2不同施肥方式对油菜根部重金属Cr含量的影响

不同施肥方式对油菜根部重金属Cr含量的影响如图2所示。

图2　不同施肥方式对油菜根部重金属Cr含量的影响

由图2可以看出，试验后未受污染棕壤土栽培的油菜根部重金属Cr的含量变化明显，其中在常量沼渣沼液试验处理(AC1)时，重金属Cr的含量最大，为8.96 mg·kg-1；在过量猪粪化肥试验处理(BD2)时，重金属Cr的含量最小，为4.45 mg·kg-1。试验后污灌区棕壤土栽培的油菜根部重金属Cr的含量变化明显，其中在过量沼渣沼液试验处理(AC2)时，重金属Cr的含量最大，为9.00 mg·kg-1；在常量沼渣沼液试验处理(AC1)时，重金属Cr的含量最小，为6.38 mg·kg-1。

2.1.3不同施肥方式对油菜茎部重金属Cr含量的影响

不同施肥方式对油菜茎部重金属Cr含量的影响如图3所示。

图3　不同施肥方式对油菜茎部重金属Cr含量的影响

由图3可以看出，试验后未受污染棕壤土-油菜茎部重金属Cr的含量下降的较为明显，其中在对照组试验处理(CK)时，重金属Cr的含量最大，为7.73 mg·kg-1；在常量猪粪化肥试验处理(BD1)时，重金属Cr的含量最小，为2.81 mg·kg-1。试验后污灌区棕壤土-油菜茎部重金属Cr的含量变化明显，其中在常量沼渣沼液试验处理(AC1)时，重金属Cr的含量最大，为2.50 mg·kg-1；在对照组试验处理(CK)时，重金属Cr的含量最小，为0.75 mg·kg-1。

2.1.4不同施肥方式对油菜叶部重金属Cr含量的影响

不同施肥方式对油菜叶部重金属Cr含量的影响如图4所示。

图4　不同施肥方式对油菜叶部重金属Cr含量的影响

由图4可以看出，试验后未受污染棕壤土-油菜叶部重金属Cr的含量变化明显，其中在对照组试验处理(CK)时，重金属Cr的含量最大，为5.385 mg·kg-1；在过量猪粪化肥试验处理(BD2)时，重金属Cr的含量最小，为2.343 mg·kg-1。试验后污灌区棕壤土-油菜叶部重金属Cr的含量变化明显，其中在对照组试验处理(CK)时，重金属Cr的含量最大，为3.19 mg·kg-1；在常量沼渣沼液试验处理(AC1)时，重金属Cr的含量最小，为1.73 mg·kg-1。

2.2不同施肥方式对土壤重金属Cr形态的影响

2.2.1不同施肥方式对未受污染棕壤土重金属Cr形态的影响

不同施肥方式对未受污染棕壤土重金属Cr形态的影响如表3和表4所示。

表3　试验前后未受污染棕壤土Cr各形态含量 (mg·kg-1)

表4　试验前后未受污染棕壤土Cr形态占总量比例 (%)

由表4可以看出，除了过量沼渣沼液试验处理(AC2)中重金属Cr的各形态含量所占总量的比例大小为：残渣态>可氧化态>可还原态>酸提取态；其他试验处理的重金属Cr各形态含量所占总量的比例大小均为：残渣态>可还原态>可氧化态>酸溶态。这就说明，试验前后未受污染棕壤土中重金属Cr各个形态所占其总量的比重并无太大变化。

2.2.2不同施肥方式对污灌区棕壤土重金属Cr形态的影响

不同施肥方式对污灌区棕壤土重金属Cr形态的影响如表5和表6所示。

由表6可以看出，各个试验处理的重金属Cr各形态含量所占总量的比例大小均为：残渣态>可还原态>可氧化态>酸提取态。这就说明，试验前后污灌区棕壤土中重金属Cr各个形态所占其总量的比重没有变化。

表5　试验前后污灌区棕壤土Cr各形态含量 (mg·kg-1)

表6　试验前后污灌区棕壤土Cr各形态所占总量的比例 (%)

2.3不同施肥方式对重金属Cr生物有效性的影响

试验前后未受污染棕壤土重金属Cr的有效态和稳定态含量百分比如图5所示。

图5　试验前后未受污染棕壤土重金属Cr的有效态和稳定态含量百分比

从图5可以看出，原土样中重金属Cr的有效态含量低于稳定态含量，有效态含量百分比为35.67%，稳定态含量百分比为64.33%；对照组(CK)中重金属Cr的有效态含量低于稳定态含量，有效态含量百分比为29.65%，稳定态含量百分比为70.35%；正常量沼渣沼液试验处理(AC1)中重金属Cr的有效态含量低于稳定态含量，有效态含量百分比为28.67%，稳定态含量百分比为71.33%；过量沼渣沼液试验处理(AC2)中重金属Cr的有效态含量低于稳定态含量，有效态含量百分比为27.28%，稳定态含量百分比为72.72%；正常量猪粪化肥试验处理(BD1)中重金属Cr的有效态含量低于稳定态含量，有效态含量百分比为34.58%，稳定态含量百分比为65.42%；过量猪粪化肥试验处理(BD2)中重金属Cr的有效态含量低于稳定态含量，有效态含量百分比为32.62%，稳定态含量百分比为67.38%。试验前后未受污染棕壤土重金属Cr有效态含量百分比的大小为：原土样> BD1> BD2>CK>AC1>AC2。这就说明，过量沼渣沼液试验处理(AC2)对土壤中重金属Cr的有效态含量的减少有较为明显的作用。

试验前后污灌区棕壤土重金属Cr的有效态和稳定态含量百分比如图6所示。

从图6可以看出，原土样中重金属Cr的有效态含量低于稳定态含量，有效态含量百分比为19.57%，稳定态含量百分比为80.43%；对照组(CK)中重金属Cr的有效态含量低于稳定态含量，有效态含量百分比为19.96%，稳定态含量百分比为80.04%；正常量沼渣沼液试验处理(AC1)中重金属Cr的有效态含量低于稳定态含量，有效态含量百分比为21.33%，稳定态含量百分比为78.67%；过量沼渣沼液试验处理(AC2)中重金属Cr的有效态含量低于稳定态含量，有效态含量百分比为14.87%，稳定态含量百分比为85.13%；正常量猪粪化肥试验处理(BD1)中重金属Cr的有效态含量低于稳定态含量，有效态含量百分比为23.07%，稳定态含量百分比为76.93%；过量猪粪化肥试验处理(BD2)中重金属Cr的有效态含量低于稳定态含量，有效态含量百分比为15.80%，稳定态含量百分比为84.20%。试验前后污灌区棕壤土重金属Cr有效态含量百分比的大小为：BD1>AC1>CK >原土样> BD2 >AC2。这就说明，过量沼渣沼液试验处理(AC2)对土壤中重金属Cr的有效态含量的减少有较为明显的作用，正常量猪粪化肥试验处理(BD1)对土壤中重金属Cr的有效态含量的增加有较为明显的作用。

图6　试验前后污灌区棕壤土重金属Cr的有效态和稳定态含量百分比

3　结论

文章主要针对沼气发酵后残余物沼渣沼液施肥后，土壤重金属Cr含量及各形态的变化、油菜各部位重金属Cr含量及重金属Cr生物有效性的变化进行试验研究，得出以下结论：

(1)试验后未受污染棕壤土重金属Cr的含量有较为明显的变化，其中在常量沼渣沼液试验处理时，重金属Cr的含量最大；在过量猪粪化肥试验处理时，重金属Cr的含量最小。试验后污灌区棕壤土重金属Cr的含量变化不大，其中在常量猪粪化肥试验处理时，重金属Cr的含量最大；在过量猪粪化肥试验处理时，重金属Cr的含量最小。

(2)施用沼渣沼液试验后未受污染棕壤土-油菜根部、茎部、叶部重金属Cr含量的变化不明显，这就表明对于未受污染棕壤土来说，施用沼渣沼液对重金属Cr含量变化的影响不大。 试验后污灌区棕壤土-油菜根部、叶部重金属Cr的含量，在常量沼渣沼液试验处理时，重金属Cr的含量最小。试验后污灌区棕壤土-油菜茎部重金属Cr的含量，在常量沼渣沼液试验处理时，重金属Cr的含量最大。这就说明常量沼渣沼液试验处理(AC1)能有效减少污灌区棕壤土-油菜根部、叶部重金属Cr的含量。

(3)对于未受污染棕壤土来说，过量沼渣沼液试验处理中重金属Cr的各形态含量所占总量的比例大小为：残渣态>可氧化态>可还原态>酸提取态；其他试验处理的重金属Cr各形态含量所占总量的比例大小均为：残渣态>可还原态>可氧化态>酸溶态。这就说明，试验前后未受污染棕壤土中重金属Cr各个形态所占其总量的比重并无太大变化。

对于污灌区棕壤土来说，各个试验处理的重金属Cr各形态含量所占总量的比例大小均为：残渣态>可还原态>可氧化态>酸提取态。这就说明，试验前后污灌区棕壤土中重金属Cr各个形态所占其总量的比重没有变化。

(4)试验前后未受污染棕壤土重金属Cr有效态含量百分比的大小顺序为：原土样、常量猪粪化肥处理、过量猪粪化肥处理、空白对照、常量沼肥处理、过量沼肥处理。这就说明，过量沼渣沼液试验处理对土壤中重金属Cr的有效态含量的减少有较为明显的作用。

试验前后污灌区棕壤土重金属Cr有效态含量百分比的大小为：常量猪粪化肥处理、常量沼肥处理、空白对照、原土样、过量猪粪化肥处理、过量沼肥处理。这就说明，过量沼渣沼液试验处理对土壤中重金属Cr的有效态含量的减少有较为明显的作用，正常量猪粪化肥试验处理对土壤中重金属Cr的有效态含量的增加有较为明显的作用。

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Effects of Biogas Fertilizer on Heavy Metal Cr /

LI Yi, FENG Yang-yang, YANG He-ran, LIU Yan-jie,GONG Jun-lu, YANG Xiao-tong, GU Shi-yan, ZHANG Zhen /

(Engineering College, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China)

Due to the application of formula feeding method, the heavy metals content in biogas residue from biogas engineering with livestock and poultry manure as raw material, were obviously increased. The application of biogas fertilizer may cause soil pollution because of heavy metal. In this paper, pot culturing experiment with oilseed rape were made adopting two types of soil (unpolluted brown soil and contaminated brown soil)to investigate the effect of biogas fertilizer on Cr form and content in rape seed and soil. The results showed that: 1. the biogas fertilizer could increase Cr content but pig manure and chemical fertilizer could reduce the Gr content in brown soil of uncontaminated soil, and biogas fertilizer could reduce the Cr content for the brown soil of contaminated soil; 2. for uncontaminated brown soil, the biogas fertilizer was conducive to reduce the Cr content in edible stem and leaves of rape, and reduce the Cr content in the root and leaves of oilseed rape for the contaminated area; 3. for the uncontaminated soil, except the excess use of biogas slurry, the percentage of different form of Cr to total Cr were in the order: residual fraction state > reducible state > oxidation state > acid soluble state, and that for contaminated soil were almost the same; 4. the effective Cr content percentage to total Cr in uncontaminated brown soil after treatment were in the order: original soil samples > pig manure fertilizer treatment > blank treatment > biogas slurry treatment; the pig manure and chemical fertilizer treated contaminated brown soil had the maximum percentage of effective Cr content, and the excess biogas fertilizer treatment had the lowest. Excess biogas fertilizer treatment has obvious effects on reducing available Cr content in soil.

biogas fertilizer； heavy metal； content； form； rape

2015-11-20

2016-03-09

项目来源： 辽宁省自然基金面上项目(2015020635 )

李轶(1967-)，女，辽宁阜新人，副教授，主要从事新能源及农业生物环境工程方面的研究工作，E-mail：yilisyau2000@163.com

谷士艳，E-mail：syndgsy@126.com

S216.4; X71

B

1000-1166(2016)05-0082-05