施用有机肥对土壤重金属累积的影响及风险评价

姜佰文，陆 磊，王春宏，高 强，张 迪，陈 曦，王艳玲

（1.东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030；2.黑龙江省绿色食品发展中心，哈尔滨 150036；3.黑龙江省密山市农业技术推广中心，黑龙江 密山 158300）

为确保我国粮食和农业生态安全，2018 年农业农村部大力提倡有机无机肥料配合施用，推动我国有机肥料发展[1]。将畜禽粪便无害化处理生产有机肥料，可解决粪便面源污染问题，增强土壤肥力、改善土壤结构、降低生产成本。禽类饲料含有重金属，通过粪便排出体外。有机肥料除提供作物生长必要营养元素还含有重金属，长期大量施用有机肥料，导致土壤和农作物中重金属含量超标。研究表明，以鸡粪、猪粪和牛粪等为原料的有机肥料已成为土壤重金属污染主要来源[2-3]。重金属污染具有长期性、隐蔽性与不可逆等特点，一旦经由食物链进入人体，严重威胁人体健康[4]。茹淑华等结果表明，连续7年施用猪粪有机肥料，显著增加土壤0～15 cm 土层中Cu、Zn、As 和Cd 含量，施用量增加，耕层土壤（0～15 cm）中Cu、Zn、As和Cd 含量显著增加[5]。董同喜等研究发现，小麦-玉米轮作体系下，畜禽粪便有机肥是Cu、Zn、Cd、Ni、Pb、Cr 6种重金属元素主要输入源[6]。

黑龙江省是我国玉米生产重要基地，为增加玉米产量，集约化种植大量使用有机肥，但其对农田、人体健康重金属危害鲜有研究。为了解不同量有机肥对玉米土壤中重金属积累影响，本文在黑龙江省海林农场二分场开展3 年田间大区试验。通过施用不同量有机肥后土壤重金属含量风险评价，为田间合理施用有机肥料，减少环境污染和保障农产品安全提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 试验地点和供试品种

本试验在黑龙江省海林农场开展，供试玉米品种：先锋38P05。供试土壤为白浆土，土壤基础肥力：pH 5.37，有机质23.29 g·kg-1，碱解氮109.4 mg·kg-1，速效磷36.2 mg·kg-1，速效钾175.6 mg·kg-1。

1.1.2 供试肥料

尿素（N：46%）；磷肥：重过磷酸钙（P2O5：46%）；钾肥：硫酸钾（K2O：50%）。

有机肥：利用当地工厂化养殖场牛粪无害化处理高温堆制而成。其养分含量为N 2.69%、P2O50.96%、K2O 0.49%。有机肥全量重金属含量Zn、Cu、Cd、Ni、Pb、Hg、Cr、As 分 别 为151.90、68.36、1.20、14.10、15.70、0.10、3.40、1.03 mg·kg-1。

1.2 试验设计

本研究为等氮磷钾大区试验，施氮（N）量∶150 kg·hm-2，施磷（P2O5）量：75 kg·hm-2，施钾（K2O）量：90 kg·hm-2。采用小型有机肥抛洒车抛撒有机肥，综合整地后起垄，每个处理播种面积为400 m2，10 垄，垄长60 m，垄宽0.67 m，种植密度为5.6 万株·hm-2。玉米在拔节期追肥，有机肥上一年秋天作为基肥一次性施入，磷钾肥做种肥，尿素氮肥做种肥和追肥（比例7∶3）。分别在播种前期、拔节期、抽雄期和成熟期取土样用于各项指标测定分析。试验施肥方案见表1。

表1 施肥方案Table 1 Fertilization scheme (kg·hm-2)

1.3 测定项目及方法

土壤样品收集：每年收获玉米后每个区选6点（垄和沟3 个点）采集0～20 cm 土层土壤混合后得到样品，每个处理土壤3次重复取样。土壤样品风干过筛后供土壤分析用。

1.3.1 土壤样品中八种重金属含量测定

将不同处理土壤样品过0.15 mm筛，取过筛后土样0.5 g，准备若干50 mL刻度管，将土样放入刻度管中，加王水（王水（浓盐酸∶浓硝酸=3∶1）∶水=1∶1）后，过夜。第2天，水浴锅中沸水（水温100 ℃）加热，5%盐酸定容50 mL。将定容样品过滤、静置。测Hg含量，取5 mL，加入5%盐酸体系1.02%重铬酸钾0.1 mL。测As 含量，取1 mL，加入5%盐酸体系2%硫脲和1%抗坏血酸9 mL。As 和Hg均用AFS-930 原子荧光测定。Cr、Pb、Cu、Zn、Ni 采 用HCl-HNO3-HF-HClO4消 解，ICP-MS 测定。镉采用HCl-HNO3-HF-HClO4消解，石墨炉原子吸收分光光度法。

1.4 土壤重金属污染评价

1.4.1 单因子指数法与内梅罗综合污染指数法

单因子指数法是国内通用的重金属污染评价方法[7]，单因子污染指数Pi≤1，污染等级为清洁，Pi＞1为污染水平，且Pi越大污染越严重。为全面反映重金属元素对土壤不同作用，突出高浓度重金属元素对环境质量影响，采用内梅罗（N.L.Neiow）综合污染指数法[8]，土壤质量综合评价等级划分标准见表2。

表2 土壤质量综合评价等级划分标准Table 2 Criteria for grade classification of comprehensive evaluation of soil quality

计算公式如下：

式中，Pi-土壤中重金属i 单项污染指数；Ci-土壤中重金属i实测质量浓度（mg·kg-1）；Si-重金属i 国家标准值（mg·kg-1）；P综-土壤内梅罗综合污染指数；Pi(max)-土壤中重金属i 单项污染指数最大值；Pi(ave)-土壤中重金属i单项污染指数平均值。

1.4.2 潜在生态危害指数法

潜在生态危害指数评价法[9-10]是评价土壤或沉积物中重金属方法。该方法从沉积学角度，根据重金属在环境中迁移转化特点及其性质，评价环境中重金属，反映多种重金属污染物综合影响，是目前评价重金属污染程度常用方法，计算公式为：

式中，Pi为所测重金属元素单项污染系数；Ti为重金属元素毒性系数；Ei为单项潜在生态危害系数；RI 为多种重金属综合潜在生态危害系数。根据重金属元素不同，调整Ei和RI 分级标准[11]，如表3所示。

表3 潜在生态风险分级Table 3 Rating table for potential ecological risk

1.4.3 评价标准

本研究土壤中重金属铅、镉、汞、砷、镍、铬含量评价参照《土壤环境修订标准》GB15618-2018，如表4所示。

表4 土壤重金属背景值及国家等级标准Table 4 Soil background values and soil environmental quality standards of heavy metals (mg·kg-1)

1.5 数据分析

数据处理与分析基于Windows office 办公软件和SPSS 17.0数据统计分析软件。

2 结果与分析

2.1 不同处理土壤中重金属含量变化

2.1.1 不同处理土壤镉、铬、砷、汞、铅含量

由表5 可知，连续3 年，各施肥处理土壤中Cd、Cr、As、Hg、Pb 含量均逐渐增加，在同一年试验中，随有机肥施用量增加而增加，在T150 处理均达到最高值。

2016 年，T150、T45、T30处理Cd含量分别比T0处理高58.62%、44.14%、27.59%；Cr 含量分别比T0 处理高70.30%、40.67%、14.71%，处理间差异显著（P＜0.05）；As含量分别比T0处理高41.87%、17.78%、0.95%；Hg含量分别比T0处理高47.07%、25.52%、19.18%，T0 处理与其他处理差异显著（P＜0.05）；T150、T30 处理Pb 含量分别比T0 处理高21.06%、1.79%，T45 处理Pb 含量比T0 处理低1.52%、T150处理与其他处理差异显著（P＜0.05）。

2017年，T150、T45、T30处理Cd含量分别比T0处理高92.12%、30.30%、16.36%，处理间差异显著（P＜0.05）；Cr 含量分别比T0 处理高76.48%、44.21%、16.23%，处理间差异显著（P＜0.05）；Ni含量分别比T0处理高58.31%、21.77%、1.15%；Hg含量分别比T0 处理高49.80%、11.07%、11.47%，T0 处理与其他处理差异显著（P＜0.05）；Pb 含量分别比T0 处理高31.87%、7.80%，T30 处理Pb 含量比T0 处理低6.07%，T0 处理与其他处理差异显著（P＜0.05）。

2018年，T150、T45、T30处理Cd含量分别比T0处理高142.42%、35.86%、8.59%，但T30 和T0处理间差异不显著（P＞0.05）；Cr 含量分别比T0 处理高78.65%、45.94%、15.39%，处理间差异显著（P＜0.05）；As 含 量 分 别 比T0 处 理 高75.99%、31.72%、5.58%；Hg含量分别比T0处理高70.70%、20.51%、8.79%，处理间差异显著（P＜0.05）。

连续3 年，各处理Cr、As、Hg 含量均未超过国家标准。2017 年和2018 年T150 处理Pb 含量分别为72.83 和83.59 mg·kg-1，Cd 含量为0.32、0.48 mg·kg-1均超过国家标准，其他处理3年均未超过国家标准。

表5 不同处理土壤镉、铬、砷、汞、铅含量Table 5 Soil Cd,Cr,As,Hg,Pb contents under different treatments (mg·kg-1)

2.1.2 不同处理土壤铜、锌、镍含量

由表6可知连续3年土壤中Ni、Cu、Zn含量变化。同一年试验中，土壤中全Ni 含量随施用有机肥含量增加而增加，在T150 处理下各重金属含量最高，与其他处理差异显著（P＜0.05）。

与T0 相 比，在2016 年，T150 处 理、T45 处理、T30 处理Ni 含量分别比T0 处理高16.42%、8.24%、3.95%；Cu 含量分别比T0 处理高45.22%、15.89%、10.20%，各处理差异显著（P＜0.05）；Zn含量分别比T0处理高10.01%、5.57%、0.30%。在2017年，T150处理、T45处理、T30处理Ni含量分别比T0 处理高90.28%、12.02%、3.41%，处理间差异不显著（P＞0.05）；Cu 含量分别比T0 处理高61.65%、16.73%、7.41%，处理间差异显著（P＜0.05）；Zn 含量分别比T0 处理高26.39%、11.63%、3.25%，处理间差异显著（P＜0.05）。在2018 年，T150 处理、T45 处理Ni 含量分别比T0 处理高121.94%、12.37%，T30 处理Ni 含量比T0 处理低2.47%，处理间差异不显著（P＞0.05），T150 处理、T45 处理、T30 处理Cu 含量分别比T0 处理高79.03%、59.79%、7.65%，处理间差异显著（P＜0.05）； Zn 含 量 分 别 比T0 处 理 高39.70% 、20.54%、6.04%%，处理间差异显著（P＜0.05）。

与国家标准相比，T150 处理2017、2018 年Ni含量分别为72.58、91.96 mg·kg-1，均超过国家标准。2017年T150处理Cu含量为65.89 mg·kg-1，2018年T150、T45处理Cu含量分别为76.32、68.12 mg·kg-1，皆超过国家标准。Zn 含量均未超过国家标准，因此Zn含量未达到污染程度。

2.2 土壤中重金属累积效应风险评价

2.2.1 单因子指数法与内梅罗综合污染指数法

由表7 可知，在CK、T30、T0 处理下，连续3年各金属单因子污染指数皆小于1，均未达到污染。2016 年，T150 处理Cu 单因子指数大于1，综合污染指数大于0.7，属于尚清洁；2017年和2018年，T150 处理Cd、Ni、Pb、Cu 单因子污染指数（Pi）均大于1，综合污染指数均大于1，均属于轻度污染；在2018 年，T45 处理Cu 单因子污染指数大于1，且综合污染指数大于1，属于轻度污染。随时间推移各处理综合污染指数逐渐增大，2013年T150处理、T45处理、T30处理综合污染指数比T0 处理高42.80%、15.99%、9.77%；2017 年T150处理、T45处理、T30处理综合污染指数比T0处理高65.55%、19.97%、9.42%；2018 年T150 处理、T45 处理、T30 处理综合污染指数比T0 处理高85.27%、50.96%、6.16%。3 个添加有机肥处理土壤综合污染指数均大于CK处理，说明随有机肥施用量增加土壤综合污染水平提高。

表6 不同处理土壤铜、锌、镍含量Table 6 Cu,Zn and Ni contents under different treatments (mg·kg-1)

表7 不同处理土壤重金属污染指数Table 7 Pollution index of heavy metals in soil under different treatments

2.2.2 潜在生态危害指数法

由表8 可知，各重金属Ei随时间推移而增加。2018 年T150 处理Cd Ei＞40，表明对生态系统存在轻微风险，而其他各元素在各年份Ei＜40，均未造成生态系统风险。潜在生态危害指数RI 可表征重金属元素对当地生态系统影响，可反映总污染造成生态风险。在8种重金属综合潜在生态风险指数中仅T150 处理＞70，属于中度潜在生态危害程度，其他处理均未到达潜在生态危害。与T0 处理比较，T30 处理综合潜在生态风险指数增长较小，2018 年较2017 年增加9.42%，2017 年较2016 年增加3.07%。

表8 不同处理土壤中重金属潜在生态危害系数和潜在生态危害指数Table 8 Potential ecological hazard coefficients and potential ecological risk indexes of heavy metals in soils under different treatment

3 讨论与结论

利用有机肥培肥土壤，提高作物产量，需限制其重金属含量，降低土壤污染风险[12]。本试验研究 表 明，3 年连续施肥处理中，Cd、Cr、As、Ni、Hg、Pb、Cu、Zn变化随处理时间延续和有机肥浓度增加，8种重金属均呈升高变化趋势，即2018年T150处理重金属含量最高。土壤中Cd、Cr 含量2016～2018 年，T150 处理均有最大值，与其他处理差异显著（P＜0.05）。Cd含量2018年最大值0.48 mg·kg-1超过国家标准，形成重金属污染。Pb土壤中Pb 主要来源于大气沉降和污泥施用，研究表明随有机肥含量增加Pb 含量逐渐上升，可能与土壤整地过程中大型机械燃油有关[13]。Zaccone 等研究表明，连续2 年种植小麦施用有机肥增加土壤中Zn、Pb含量[14]。王改玲等研究表明，连续28 年施用鸡粪有机肥显著增加土壤Cu、Zn 和As 等重金属含量[15]。张树清等调查大量规模化养殖场畜禽粪便中重金属含量，发现畜禽粪便中Cu、Zn、As等元素残留量大[16]。本试验表明土壤中Cu 含量在连续3年内动态变化，2017年比2016年增加16.25%为最高、2018 年比2017 年增加15.83%，T150 处理在3年中较CK 分别增加1.69、1.95、2.25 倍。连续施用鸡粪等有机肥土壤中Cu 含量不断增加，与任顺荣等研究结果一致[17]。原因是有机肥中Cu 含量过高，而有机肥中Cu 含量过高与畜禽饲料中重金属大量添加直接相关。土壤中Zn 含量2017年、2018年分别增加27.19%、12.96%，T150 处理在3 年中较CK 分别增加1.16%、1.48%、1.64%，CK不施肥处理变化不明显。随有机肥使用量增加，土壤中Zn 含量不断增加，原因与有机肥或饲料添加重金属有关，大量重金属添加到饲料中为提高牲畜生长率，而过多重金属排出动物体外作为肥料，对土壤造成威胁。土壤中As主要来自含As化合物，包括一些除草剂和动物饲料[18]。As 含量连续3 年CK 处理As 含量变化较小，而2017 年、2018 年分别增加14.69%、15.97%，与有机肥大量施用有关。As含量增加与有机肥大量施用直接相关，随处理浓度不同，T150与CK倍数关系超过其他处理，As含量变化与其作为Pb、Cu、Zn等矿物质伴生品有关。最大值为20.82 mg·kg-1，虽低于国家标准30 mg·kg-1，但单因子污染指数较高，属于重度污染，存在风险。

Ni含量连续3年CK处理Ni含量变化较小，而2017、2018 年分别增加67.16%、26.69%，第二年Ni 含量增加，原因是试验周期开始土壤接受大量有机肥，有机肥中重金属含量增多，与土壤Ni 积累有关。Ni含量最大值略超国家标准，但其单因子污染指数大于1，形成轻度污染水平。3年连续施用有机肥和化肥，土壤中Hg含量变化较小，2017年、2018年T150、T45、T30、T0和CK 5个处理增加量相差不多，但T150 在连续3 年较CK 增加量最高，原因是有机肥增加土壤中Hg 含量，但有机肥与化肥中Hg含量低[19]，随有机肥料使用增加Hg含量增加，有机肥对Hg 含量有直接影响。3 年定位施肥试验表明，施用有机肥和化肥增加土壤重金属含量，T30处理达最低值。可见有机无机配施可减缓土壤重金属积累量。

有机肥含量增加提高土壤中重金属综合污染水平和污染风险。不同处理内梅罗综合污染指数为0.56～1.32，其中，2016 年T150 处理未达到污染，2017、2018年Cd、Ni、Pb、Cu 单因素污染指数大于1，内梅罗综合污染指数大于1，处于轻度污染水平，其中由于Cd 在土壤中自然背景值较低，施加有机肥易致土壤中Cd 含量提高, 土壤中生态风险程度相对其他元素较高，2018 年综合潜在生态风险指数大于70，处于中度污染水平。2018年T45处理仅Cu单因子污染指数大于1，内梅罗综合污染指数为1.08 达到轻度污染，而其他元素并未达到污染水平。T30处理连续三年内梅罗污染综合指数均小于1，未达污染水平，潜在生态风险指数未超标，重金属含量未超过国家标准。T30处理与单施化肥相比内梅罗综合污染指数增长幅度最小，综合潜在生态风险指数增长较小，未达到污染水平。根据本试验T30处理污染指数增长幅度可预计，再连续施用3年不会对土壤造成重金属污染。因此，有机无机配施培肥土壤，应按照适宜比例施入，既考虑提高玉米产量，又要降低土壤重金属富集累积和环境污染风险。