土壤钝化剂对施用沼渣的黑麦草中重金属积累的影响

席 江，肖 伟

(1.农业部沼气科学研究所， 四川 成都 610041； 2.西南科技大学生命科学与工程学院， 四川 绵阳 621010)

据测算[1]，全国每年生产农作物秸秆10.4万吨，可收集资源量约9亿吨，尚有1.8亿吨未得到有效利用，多数被田间就地焚烧，规模化畜禽养殖场每年产生畜禽粪污20.5亿吨，仍有56%未得到有效利用。随着节能减排的推行，作为有机固体废弃物无害化、减量化和资源化利用的有效途径—厌氧消化日益得到重视。

厌氧消化残余物富含有机质、营养成分和生物活性物质，是优质的有机肥，广泛应用于农业，可减少化肥和农药的用量[1]。不同地区及原料产生的沼渣，重金属含量也有所区别，尤其是以畜禽粪便为原料，由于畜禽对重金属吸收率较低，其大部分会通过原样的形式随排泄物排出体外[2]。重金属具有难迁移、难降解、易富集、危害大等特点，所以废弃物中的重金属逐渐成为废弃物资源再利用的限制因素[3]。因此，通过钝化剂原位修复技术来降低土壤中有效态重金属污染具有重要意义[4]。石灰类钝化剂会提高土壤pH值，土壤有机质、粘土矿物、水和氧化物以及钝化剂表面的负电荷增多，土壤对重金属的吸附能力增强[5]，且在较高的pH值和重金属浓度下会通过沉淀作用固定重金属[6]。一些含铝、镁的粘土矿能通过吸附作用、离子交换、配合反应和共沉淀达到钝化重金属的目的[7]。

黑麦草具有先锋植物特性，生长快、产量高，可多次刈割并再生，对重金属有很强的抗性和蓄集作用[8]。同时，实现“猪-沼-土-草”的良性循环，是农区发展资源节约型、生态友好型畜牧业的有效途径，通过种草养畜，吸纳养猪场产生的沼液，既有利于保护生态环境，又有利于解决南方饲料不足的问题[9]。施用沼渣作为土壤改良剂，可以减少化肥的施用，促进植物生长，减少土壤退化和板结，提高土壤水分保持能力[10]。本试验通过将沼渣和土壤钝化剂一起施用于黑麦草，研究不同土壤钝化剂和施用量对黑麦草中重金属含量的影响，为替代化肥又减少农作物中重金属积累的沼渣安全施用模式提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

沼渣、黑麦草、栽培土、氧化镁、贝壳粉，所用栽培土壤取自西南科技大学重金属修复示范基地，沼渣取自农业部沼气科学研究所双流基地户用沼气池。土壤和沼渣中重金属含量见表1。

表1 土壤和沼渣中部分重金属含量

1.2 试验设计方案

1.2.1 试验设置

本研究以盆栽的形式进行，试验设置了5个处理： 1)沼渣 10 g+贝壳粉 2 g； 2)沼渣 10 g+氧化镁 2 g； 3)沼渣 10 g+贝壳粉 1 g+氧化镁 1 g； 4)沼渣 10 g； 5)CK不施用。沼渣、贝壳粉以及氧化镁均以底肥的形式施入到栽培土壤中。每个处理3个重复，每个花盆中播种50粒黑麦草，播种30天后分别对不同处理组的黑麦草地上部分进行收割，将收割后的黑麦草用牛皮纸包好，放在105℃的干燥箱中进行30 min的杀青处理，待杀青处理后将生黑麦草再放置在75℃的干燥箱处理24 h。并将样本寄送到第三方检测中心进行黑麦草地上部分中的重金属Cr，Cu，Zn，As和Pb的含量进行测定。

1.2.2 施用配比的优化

采用L9(34)正交表，对沼渣、贝壳粉与氧化镁的施用配比进行优化，每个因素设置3个浓度水平，试验设计见表2。

表2 不同施用方式正交实验 (g)

1.2.3 数据处理

利用Excel软件对试验相关数据的进行分析，以确定最优的施用配比。

2 结果与分析

2.1 不同施用方式中黑麦草中重金属含量比较

播种30天后，黑麦草地上部分中重金属Cr，Cu，Zn，As和Pb的含量检测如表3所示。试验结果表明，相对于不施用沼渣的对照处理组(CK)而言，施用沼渣后黑麦草地上部分中重金属Cr，Cu，Zn，As和Pb的含量均有所提升，Cr含量提高了40.0%，Cu含量提高了13.7%，Zn含量提高了15.2%，As含量提高了54.5%，Pb含量提高了107.0%。施用沼渣的同时施用一定量的贝壳粉或氧化镁能有效降低作物黑麦草中重金属的含量，其中，同时施用沼渣和贝壳粉后5种重金属含量均低于单独施用沼渣，且Cr和Zn含量低于其他混合施用的处理，接近甚至低于不施用沼渣的处理；同时施用沼渣和氧化镁后，Cr，Cu，As和Pb含量均低于单独施用沼渣，但Zn含量高于单独施用沼渣，可能是Mg2+的存在促进了黑麦草对Zn的吸收；同时施用沼渣、贝壳粉和氧化镁后，5钟重金属含量均低于单独施用沼肥，且Cu，As和Pb含量低于其他处理。总体来看，混合施用贝壳粉和氧化镁的效果优于施用沼渣+贝壳粉或沼渣+氧化镁。

表3 不同施用方式中黑麦草中重金属含量 (mg·kg-1)

2.2 不同处理中重金属含量的变化。

正交试验中，加入5 g，10 g和15 g沼渣的黑麦草鲜重分别为9.11 g±0.45 g，11.17 g±0.62 g，13.14 g±1.20 g和14.38 g±0.11 g，说明沼渣中富含的营养物质，能够促进黑麦草生长。由于以猪粪为发酵原料的沼渣中Cu和Zn含量较高，试验用的土壤中Pb含量比较高，正交试验中，选取了Cu，Zn和Pb作为主要分析参数。不同施用配比对黑麦草中Cu，Zn和Pb含量影响趋势见图1～图3，对于Cu元素而言，增加沼渣和贝壳粉的施用量会提高黑麦草中Cu的含量，但随着氧化镁施用量的提高，黑麦草中Cu含量呈现先下降再上升的趋势，施用2 g氧化镁的处理中Cu含量低于施用1 g和4 g；对于Zn元素而言，增加沼渣和氧化镁的施用量会提高黑麦草中Zn的含量，但随着贝壳粉施用量的增加，黑麦草中Zn含量呈现先上升再下降的趋势，施用4 g贝壳粉的处理中Zn含量最低；而对于Pb元素而言，增加沼渣施用量会降低黑麦草中Pb的含量，增加氧化镁的施用量会提高黑麦草中Pb的含量，但黑麦草中Pb的含量随贝壳粉的施用量的增加呈现出先上升再下降的趋势，施用4 g贝壳粉的处理中Pb含量最低。

图1 不同施用方式对黑麦草中Cu含量的影响

图2 不同施用方式对黑麦草中Zn含量的影响

图3 不同施用方式对黑麦草中Pb含量的影响

2.3 施用配比的优化

不同施用配比的正交试验结果见表4。在进行正交优化试验分析中，隶属度被认为是更重要的指标。采用综合评分法对正交试验结果进行分析时认为Cu，Zn和Pb的重要性是一样的。结果表明，影响因素的主次关系为：氧化镁的添加量>贝壳粉的添加量>沼渣的添加量，最优方案为氧化镁添加量2 g，贝壳粉添加量4 g和沼渣添加10 g的组合，即正交表中的第6号处理组，该试验组Zn和Pb含量和综合评分为所有试验组中最低值。

3 结论

(1)实验发现，施用沼渣的处理中As，Cu，Zn，Cr和Pb均高于对照，说明施用沼渣为黑麦草提供营养的同时，沼渣中的重金属也会同时残留再黑麦草中。

(2)混合施用沼渣贝壳粉与氧化镁均有一定的抑制作物黑麦草吸收重金属的作用，混合施用贝壳粉和氧化镁的效果优于单独施用贝壳粉或氧化镁。

(3)增加沼渣的施用量，会提高黑麦草中Cu和Zn含量，但黑麦草中Pb的含量会降低；增加氧化镁的施用量，会提高黑麦草中Zn和Pb的含量，但Cu含量随氧化镁含量增加先下降后上升；增加贝壳粉含量会提高和麦草中Cu含量，但Zn和Pb含量随贝壳粉施用量增加先上升后下降。

表4 不同施用配比处理黑麦草重金属含量

(4)通过综合评分法对正交实验结果进行分析，发现影响因素的主次关系为氧化镁的添加量>贝壳粉的添加量>沼渣的添加量，最优方案为氧化镁添加量2 g，贝壳粉添加量4 g和沼渣添加10 g的组合。