施用猪粪有机肥对土壤特性及有机蔬菜品质的影响

刘 宇，吴云成，赵家印，江中坤，王蒙蒙*，张纪兵，田 伟

（1.生态环境部 南京环境科学研究所，江苏 南京 210042；2.河海大学 农业科学与工程学院，江苏 南京 210098）

随着我国有机农业的发展，越来越多的有机肥被使用，尤其是在水果、蔬菜等经济价值较高的经济作物生产中［1］。相关研究结果表明，适量施用有机肥可以提高土壤有机质含量，改善土壤理化性质［2-3］，提高作物产量和改善农产品品质［4-5］。然而，人们对施用有机肥可能带来的食品安全问题和潜在环境风险关注甚少。

目前，在我国的商品有机肥原料中，畜禽粪便占比最高［6］，而施用以畜禽粪便为原料的有机肥后，土壤、农作物重金属残留问题较为突出［7］。覃丽霞等［8］对浙江省100多个有机肥厂家所生产的有机肥样品进行了调查分析，发现各种来源的有机肥Cu、Zn、As含量均较高，其中猪粪有机肥的超标情况最严重，其超标率远高于鸡粪肥和牛粪肥的。长期施用含有重金属的畜禽粪便有机肥可能会导致土壤中的重金属累积［9］。腐熟的有机肥中硝态氮的含量远高于铵态氮的，若过量施用腐熟的有机肥，则会导致土壤硝态氮的累积；此外，长期大量施用有机肥会导致磷素在表层土壤中的富集，土壤中累积的磷素在降雨条件下可通过地表径流和地下淋失途径引起水体富营养化和地下水污染。另外，尽管畜禽粪便有机肥的发酵堆置过程要经历一个长期的高温以及后腐熟阶段，但是由于堆置工艺、生产管理、翻堆不均或高温持续时间不足等问题，一些未灭活的病原菌可能仍存在于商品有机肥中［10-11］，未完全腐熟的畜禽粪便有机肥被施入土壤后，可能会污染农作物及其产品，农产品进入食物链后其中的病原菌可能会感染人类，从而影响人体健康。

综上所述，施用有机肥存在一些潜在的风险，因此从人类健康和环境保护的角度出发，评估有机肥在有机农业生产中的安全性是非常必要的。笔者选择对环境污染风险较高的猪粪有机肥作为代表肥源，选择较易富集重金属和硝酸盐类污染物质的叶类蔬菜作为代表作物，严格按照有机蔬菜种植的操作规程，结合土壤基础养分情况及有机蔬菜品质要求，遵照当地农民生产有机蔬菜的施肥习惯，通过田间试验和室内试验相结合的方式，研究了施用猪粪有机肥对蔬菜产量、品质和重金属积累以及对土壤肥力、重金属含量、常见病原菌的影响，以期确定有机肥的最佳施用量，为有机蔬菜的种植提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验仪器

流动分析仪（AA3， Bran and Luebbe， 德国）、元素分析仪（Vario EL Ⅲ， Elementar， 德国）、电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES， Spectroflame Modula E Spectro Analytical Instruments， 德国）。

1.2 试验田设置

大田试验在江苏省扬州市仪征江扬生态农业有限公司有机农场内进行，共设4个施肥量处理，即0（对 照，CK）、30 t/hm2（处 理PC30）、60 t/hm2（处理PC60）和120 t/hm2（处理PC120）；每个处理设置5个重复，共20个小区，各小区随机分布。人工平整土地后，按4 m×3 m的规格划分小区，在各个小区之间设置80 cm宽的小渠，避免小区之间相互影响。各小区按照设置的施肥量进行人工施肥，将有机肥均匀地撒施于土壤表面，然后进行人工翻地，翻地深度大约20 cm。

在施肥之前，用采样器对耕作层（0~20 cm）的土壤分5个点进行采集，采集后将土样混合均匀，风干，用于基本理化性质的分析。试验所用的猪粪有机肥购于江苏田娘生物科技有限公司。表1列出了供试土壤耕作层和猪粪有机肥的基本理化性质和重金属含量。

表1 耕作层土壤和猪粪有机肥的基础理化性质

在蔬菜种苗移栽后，每天清晨进行人工浇水，直到嫩苗成活为止。为了避免杂草与作物争夺营养物质，定期进行人工除草。使用杀虫灯、防虫网进行害虫的防治，必要时喷洒生物农药，包括苦参碱等。中午阳光强烈时，将防晒网盖于防虫网上。

1.3 样品采集与处理

第一季种植的蔬菜品种为小青菜，为期50 d；第二季种植的蔬菜品种为苦苣，为期55 d。种植小青菜时，利用温室育苗，当长出7~9片嫩叶时进行定植，株距20 cm，行距30 cm，每个小区种植10行，每行20株，共200株。苦苣的移栽与小青菜相似。

将同一小区的植株一起采集、称重，并且每个小区任意采集3棵植株进行后续的分析测试。土壤样品在蔬菜采摘完成后采集，每个小区随机选择3处位置，采集0~20 cm土样用于土壤基本理化性质及生物学特性的分析。

4)钻孔参数。中空注浆锚杆安装孔径32 mm，孔深2 900 mm；中空注浆锚索安装孔径38 mm，孔深按8 000 mm，误差均不得大于±50 mm。

将采集的植物样品用水清洗干净，水分晾干后，一部分于105 ℃杀青45 min，然后在70 ℃下烘干至恒重，最后称重；再将烘干的样品磨细，过40目筛，于干燥箱中保存，用于蔬菜中重金属含量的测定。其余的新鲜样品用于检测可溶性蛋白、维生素C、可溶性糖、硝酸盐和亚硝酸盐含量。

1.4 样品测试分析

采用2，6-二氯碘酚滴定法测定植物样品的维生素C含量；采用氰化盐还原─碘量法测定可溶性糖总量；采用斐林─酚试剂法测定可溶性蛋白含量。将新鲜土壤样品和去离子水按1∶10（质量比）混合，于水平摇床上震荡24 h，随后于4 ℃以12000 r/min离心10 min。上清液经单层滤纸过滤后收集，再用0.45 μm微孔滤膜过滤，将滤液稀释至适当浓度后，用流动分析仪测定铵态氮和硝态氮含量；土壤速效磷使用0.5 mol/L NaHCO3提取，使用钼蓝比色法测定其含量；全氮和全碳的含量使用元素分析仪测定。土壤样品自然风干后过100目筛，使用混合液（HNO365%和HF 50%，体积比2∶1）进行消煮，随后测定重金属总含量；使用DTPA法提取土壤样品有效态，然后使用电感耦合等离子体发射光谱仪分别测定土壤的重金属总含量和有效态重金属含量。每个样品测试设置3个重复。

分别称取新鲜猪粪有机肥和土壤样品10 g于已灭菌的带玻璃珠的90 mL三角瓶中，在摇床中以150 r/min震荡2 h，随后室温静置30 min；吸取上清液1 mL至装有9 mL无菌去离子水的试管内，逐级稀释；吸取100 μL稀释液，选择合适的梯度涂布于对应的选择性平板上，每个梯度设6个重复。使用TBX Chromocult琼脂培养基（Merck 1.16122）培养病原菌埃希氏杆菌(Escherichia spp.)；使用PALCAM-Listeria-Selektiv琼脂培养基(Merck 1.11755)培养李斯特菌(Listeria spp.)；使用Salmonella Shigella琼脂培养基（OXOID CM0099）培养沙门氏菌(Salmonella spp.)；使用LB培养基培养细菌。涂布后于37 ℃培养48 h，随后进行病原菌计数。

1.5 数据分析

利用Excel 2017和SPSS 19.0软件对试验数据进行处理分析，采用R语言绘制插图。

2 结果与分析

2.1 猪粪有机肥的施用对蔬菜产量和品质的影响

从表2可以看出，在不同施肥处理下小青菜的鲜重在22230.00~23208.75 kg/hm2之间，与CK间的差异不显著，可能主要是由以下原因造成的：本试验田在种植青菜之前，一直种植蔬菜，常年施用有机肥，土壤较为肥沃；猪粪有机肥本身为缓控肥，且肥力较弱。第二季施用猪粪有机肥后，不同处理间苦苣的产量差异显著，其中PC30和PC60处理的苦苣产量分别为15877.50和15922.50 kg/hm2，显著高 于CK的10380.00 kg/hm2（P＜0.05）；但 在PC30和PC60这2个处理间苦苣的产量差异不显著，说明30 t/hm2的施肥量已经足以满足苦苣的生长需求。此外，当施肥量达到120 t/hm2时，苦苣的产量不但没有增加，反而有一定的降低，这可能是由于猪粪有机肥含有大量的无机盐和重金属离子，过量施用会抑制植物的生长。

表2 猪粪有机肥施用量对蔬菜产量和品质的影响

在不同有机肥施用量处理下，小青菜和苦苣中可溶性蛋白含量的变化趋势是一致的，可溶性蛋白含量均在PC30处理下最高，分别为2.82和3.29 mg/kg，说明增施有机肥能够增加蔬菜中可溶性蛋白的含量，可能原因是有机肥释放到土壤中的氮源是合成蛋白质的重要元素。随着有机肥施用量的增加，2种蔬菜中可溶性蛋白的含量反而有所下降，且在PC120处理下蔬菜中可溶性蛋白含量显著低于CK的，这可能是由于有机肥中过量的有毒有害物质抑制了植物的生长。该研究结果与周焱等［12］的研究结果一致。

施用有机肥后，小青菜和苦苣中的Vc含量均显著提高，但在不同施肥量处理间差异不显著。刘丽鹃等［13］的研究结果表明，在等氮施用条件下，猪粪有机肥的配施可以提高露地青菜Vc的含量；梁中秀［14］的研究发现，与施用化肥相比，施用鸡粪、猪粪有机肥均能提高黄秋葵果实中Vc的含量。以上研究结果均说明有机肥的施用可以提高作物中Vc含量，这可能与有机肥中的有机质含量高有关，研究表明青菜中Vc的含量与土壤中有机碳含量呈显著正相关［15］。

硝酸盐容易在蔬菜尤其是叶类蔬菜中累积。硝酸盐在一定条件下会被还原为亚硝酸盐，摄入过量的亚硝酸盐会影响人体健康［16］。相较于CK，施用量30 t/hm2处理并不会显著增加作物中的硝酸盐和亚硝酸盐含量；但是当有机肥的施用量达到60和120 t/hm2时，小青菜和苦苣中的硝酸盐和亚硝酸盐含量均显著增加。郭颖等［17］的研究表明，适量施用有机肥不会引起黄瓜中的硝酸盐含量升高，过量施用有机肥能够导致黄瓜中硝酸盐的明显累积，这与本文的研究结果相符。

2.2 猪粪有机肥的施用对蔬菜中重金属含量的影响

不同有机肥施用量处理下蔬菜地上可食部分重金属含量如图1所示。小青菜中的Zn含量随着施肥量的增加而有所上升，但在各处理之间差异较小；而苦苣中的Zn含量随着施肥量的增加而显著增加。小青菜中的Cu含量随着施肥量的增加呈波动降低，但苦苣中Cu含量的变化趋势则恰恰相反，当施肥量达到120 t/hm2时，Cu含量为36.77 mg/kg，但并未高于对植物有毒害作用的阈值40 mg/kg［18］。在2种蔬菜中，Cd含量的变化趋势与Zn含量相似，表明Cd和Zn是蔬菜中较易富集的金属离子［19］。

图1 不同有机肥施用量处理下蔬菜地上可食部分重金属含量

2.3 猪粪有机肥的施用对土壤理化性质的影响

全碳和全氮能够为作物生长提供和储备营养物质，其含量是反映土壤肥力的重要指标。由表3可知：第一季小青菜收获后，相较于不施肥对照，不同有机肥施用处理均显著增加了土壤中的全碳和全氮含量，且施肥量越高，肥力增加越多；第二季苦苣收获后，土壤中全碳和全氮含量的变化趋势与第一季相似，且第二季的土壤肥力显著高于第一季的。相关研究表明，常年施用动物粪便或农业固体废物来源的有机肥均能显著增加土壤中全碳和全氮的含量。N’Dayegamiye等［20］研究发现施用不同量（20、40和60 t/hm2）的有机肥均能提高砂壤土中有机质的含量；Achiba等［21］的研究表明，连续施用7 a农家肥也能够显著提高土壤中全碳和全氮的含量。尽管本试验的时间较短，但是由于有机肥施用量较大，因此得出了与长期定位试验一致的结果。

表3 猪粪有机肥施用量对土壤理化性质的影响

由化肥过量施用导致的无机态氮和速效磷在土壤中的残留是导致水体富营养化和地下水污染的重要原因。施用不同量的猪粪有机肥后土壤中铵态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)和速效磷(Olsen-P)含量的变化如表3所示。当蔬菜作物收获后，土壤中可溶性养分含量均显著性增加，且在相同处理下第二季的土壤可溶性养分含量显著高于第一季的，说明连续2次施用猪粪有机肥导致了土壤养分的累积，且施肥量越大，累积作用越明显。其中铵态氮含量的最大值已经非常接近Charman等［22］报道的6.5 mg/kg的毒力水平。另外，硝态氮的积累是土壤盐渍化的先兆，黄绍文等［23］的研究表明土壤中的硝态氮含量与土壤的电导率具有显著的相关性。在本研究中，土壤速效磷的含量也随着施肥量的增加而升高，但上升的幅度远低于可溶性氮含量的。具体而言，第一季收获后，PC120处理土壤的速效磷含量比CK上升了68.27%，而同时期同处理的铵态氮和硝态氮含量分别比CK升高了550.05%和167.66%；第二季收获后，与CK相比，PC120处理土壤的铵态氮、硝态氮含量的上升率分别为1556.16%、388.44%，而速效磷含量只升高了180.65%。这可能是由于磷化合物在土壤中较难溶解，且易被降雨冲刷；此外可溶性磷元素容易被土壤中的铁、铝等氧化固定。一般作物可以利用的N/P比值较低，因此建议在施用有机肥时，要更多地考虑作物对磷的需求而不是对氮的需求［24-25］。

2.4 猪粪有机肥的施用对土壤重金属含量的影响

由图2可见：在PC30处理下，土壤的Zn、Cu、Cd总量均比CK有所升高，但差异均不显著，表明适量的有机肥投入不会造成土壤重金属总量的较大变化；当有机肥施用量过高时（PC60和PC120处理），土壤重金属总量显著增加，且PC120处理显著高于PC60处理的，表明过高的猪粪有机肥投入会引起土壤重金属总量的显著增加，且有机肥投入越多，土壤重金属总量的增加幅度越大。Baldantoni等［26］也报道了相似的研究结果，他们发现施用以突尼斯的城市固体废弃物为原料发酵而成的有机肥后，土壤中Cd、Pb、Cu和Zn的含量均显著增加。但是，Gil等［27］报道了不同的结论，他们连续20 a以10 t/hm2的数量施用牛粪有机肥，发现土壤耕作层中的重金属总量几乎没有变化。这可能是由于牛粪有机肥中重金属含量较低，且该研究中有机肥的投入较少；另外，长时间的作物吸收以及淋溶作用也会在一定程度上降低土壤表层中重金属离子的含量。

图2 不同处理土壤中各种重金属的总量

此外，相较于第一季，第二季耕作层土壤中Cu和Zn的总量也显著增加，表明重金属在土壤耕作层中发生了累积。在现实有机耕作过程中，连续、过量地施用重金属含量较高的有机肥是普遍存在的，这会带来较为严重的环境问题，进而影响人类健康。所以，我国应该制定相关的标准来限制商品有机肥的重金属含量以及不同作物生产中有机肥的施用量。相关的规定在其他国家已经制定且实施，如比利时、荷兰和德国等。德国规定，Zn、Cu、Pb和Cd在有机肥中的最大含量分别为400、100、150和1.5 mg/kg；比利时规定的有机肥重金属含量则更低。然而，本试验购买和使用的商品有机肥中Zn、Cu、Pb和Cd的含量均远高于德国的标准。

有效态重金属是指可以被动物、植物吸收利用的金属形态，其在土壤中的含量对环境污染和人类健康的影响比重金属总量更大［28］。因此，研究不同猪粪有机肥施用量对土壤有效态重金属含量的影响是非常必要的。如图3所示，2个季度的土壤有效态Zn和Cd含量均随着施肥量的增加而逐渐增加，且第二季的含量显著高于第一季的。这归因于猪粪有机肥中含有大量的可溶性有机物质，当将有机肥施入土壤后，土壤中的微生物能够优先分解这些有机物质，使重金属离子释放到土壤中［29］。此外，离子交换容量与有效态K、Mg、Ca含量是土壤肥力的重要标记，施用大量猪粪有机肥在改善土壤肥力的同时，也会使它携带的重金属离子释放到土壤中［30］。本研究还发现，土壤中有效态Cu含量随着有机肥施用量的增加变化不明显，这可能是因为Cu比其他重金属更加稳定，不容易随着有机物质的溶解而释放。本研究结果与Baldantoni等［26］的研究结果一致。

图3 不同处理土壤中各种重金属的有效态含量

2.5 猪粪有机肥的施用对土壤病原菌和细菌数量的影响

本文通过传统平板技术方法，研究了不同猪粪有机肥施用量下土壤耕作层可培养细菌、病原菌埃希氏杆菌(Escherichia spp.)、沙门氏菌(Salmonella spp.)和李斯特菌(Listeria spp.)的数量变化。结果如图4所示，相较于不施肥对照CK，施用不同量猪粪有机肥处理均显著提高了耕作层土壤中可培养细菌的数量，但是在不同施肥处理间差异不显著，这与Gandolfi 等［31］的研究结果相符。此外，第二季土壤中可培养细菌的数量远低于第一季的，这可能是由于第二季气温较高，高温和干旱的发生杀死了土壤中较多的微生物。

图4 不同处理耕作层（0~20 cm）土壤中病原菌微生物和细菌的数量

由图4可知，施用适量（30 t/hm2）的猪粪有机肥对土壤耕层中病原菌的生长繁殖有抑制作用，而高施用量（60、120 t/hm2）则会刺激病原菌生长繁殖。在第一季小青菜收获后，在CK土壤中也检测到了埃希氏杆菌、沙门氏菌和李斯特菌，这可能来自前茬农作物种植过程中施用的新鲜鸡粪。在有机肥处理土壤中检测到了较高数量的沙门氏菌和李斯特菌，且它们的数量随着有机肥施用量的增加而不断增加。但是，土壤中埃希氏杆菌的数量极少，仅在PC60处理土壤中检测到，这可能是由于有机肥的投入改变了土壤的理化性质，进而改变了埃希氏杆菌的生存环境，提高了其死亡率。Nicholson等［32］研究发现将土壤环境改为砂壤土和黏性土壤后，埃希氏杆菌菌株O157只能存活1个月左右。沙门氏菌和李斯特菌是作物根际土壤中普遍存在的2种土著微生物［33］；有机肥的施用可以给土壤提供充足的营养物质，进而促进这2种菌的繁殖，导致它们的数量增加，尤其是在PC60和PC120处理下数量增加更加明显。因此可以认为，当猪粪有机肥的施用量为30 t/hm2时，土壤中所建立的不同种类微生物的数量和种类的平衡更有利于减少病原微生物所引起的发病风险。

此外，本试验从购买的商品有机肥中检测到了较多数量的沙门氏菌，这种现象在有机肥生产中是普遍存在的，可以归结为以下2点原因：缺少真正有效的检测堆肥腐熟的方法。已报道的评价堆肥腐熟的方法均较复杂且需要多个指标进行综合比较，在实际生产中则往往完全凭借工作人员的经验进行判断，未腐熟的有机肥投入市场是完全可能的；固体发酵的不均一性，堆肥过程是由表及里的逐渐腐熟过程，病原菌不能完全被杀死也是有可能的［34－35］。

3 小结

本研究结果表明：在不同有机肥施用量处理下，小青菜的产量与CK差异不显著；第二季在PC30和PC60处理下苦苣的产量均显著高于CK的，且30 t/hm2的施肥量已经足以满足苦苣生长对养分的需求；适量施用猪粪有机肥能够增加小青菜和苦苣中可溶性蛋白、可溶性糖和维生素C的含量，但过量的有机肥施用不利于蔬菜营养物质的积累，且会显著增加蔬菜作物中硝酸盐和亚硝酸盐的累积；随着有机肥施用量的增加，小青菜和苦苣中重金属Zn、Cd的含量均显著增加；增加猪粪有机肥的施用量，能够显著提高土壤中全碳、全氮、铵态氮、硝态氮和速效磷的含量，施肥量越大，土壤养分含量升高的幅度越大，且随着施肥次数的增加，土壤养分也有明显累积的趋势；猪粪有机肥的施用同样会造成土壤重金属的累积，除第一季小青菜的有效态Cu含量之外，其他处理土壤的重金属总量和重金属有效态含量均随有机肥施用量的增加而增加；施用适量（30 t/hm2）的猪粪有机肥对土壤耕作层中病原菌的生长有抑制作用，而施用高量（60和120 t/hm2）的猪粪有机肥会刺激病原菌的生长。本文推荐的最佳猪粪有机肥施用量为30 t/hm2。

综上所述，施用适量的猪粪有机肥不仅可以增加蔬菜产量，提高蔬菜品质，而且还能够减少环境污染潜在风险和食品安全问题。但是对于蔬菜种植中的有机肥施用量要进行一定的把控，以确保蔬菜等农产品的安全。