生物炭基猪粪堆肥对土壤-樱桃萝卜系统的影响及其生态安全风险评价*

李海民 叶枢华 王晋娟 易素瑶 刘 强 刘常青, 郑育毅#

(1.福建师范大学环境与资源学院、碳中和现代产业学院,福建省污染控制与资源循环利用重点实验室,福建 福州 350007;2.城市废物资源化技术与管理福建省高校工程研究中心,福建 福州 350007;3.福建师范大学地理科学学院、碳中和未来技术学院,福建 福州 350007)

随着经济的发展和生活水平的不断提高,人们对畜禽产品的需求量不断增加,畜禽养殖模式已从家户散养式向集约化和规模化快速转变,由此也产生了大量的畜禽粪便。据统计,我国畜禽粪便污染物年产生量已达近4.0×109t,但综合利用率不到50%,已成为农业污染的主要来源[1]。其中,猪粪在畜禽粪便中占比最大(达49.6%),且富含蛋白质、脂肪、纤维素等有机物质,以及丰富的氮、磷、钾等营养元素[2],因此具有极大的资源利用价值。堆肥是当前猪粪资源化利用的主流技术,主要通过微生物作用将猪粪内不易被直接利用的有机物转化为作物可直接吸收的营养物质,并且部分有机物在堆肥过程中形成腐殖质,施用于土壤有利于保水保肥[3],是一种较为绿色有效的处理处置方法。相关研究表明,施用堆肥可以降低有机固体废弃物的环境风险、改善土壤理化性质、提高土壤肥力和农作物的产量[4]。ZHANG等[5]将猪粪堆肥添加到土壤中,发现堆肥的添加会增加土壤中砂单胞菌(Arenimonas)的丰度;XIANG等[6]在土壤中添加生物炭与猪粪联合堆肥产生腐熟肥料,发现堆肥的添加可以降解土壤中部分多溴联苯醚,同时还能减少植物对多溴联苯醚的吸收。

然而,为保障畜禽的健康和生产力,养殖户常在饲料中添加重金属、抗生素、硫酸盐和氯化物等,导致猪粪中常含有Zn、Cu、Cd等重金属。因此,猪粪堆肥施用后对土壤和植物中重金属含量的影响,受到人们广泛关注。GUO等[7]在土壤中连续施用两年猪粪堆肥后,土壤中Zn和Cu的含量均超过土壤质量标准。生物炭基猪粪堆肥是指生物炭与猪粪联合堆肥后所产生的腐熟肥料。与传统的猪粪堆肥相比,生物炭基猪粪堆肥有着更多的营养元素、更高的腐殖化程度,以及较少的病原体[8]。目前关于猪粪堆肥施用后对土壤和植物重金属的影响已做了较多研究,但关于生物炭基猪粪堆肥施用后对土壤-植物体系重金属的影响研究较少,而施用后土壤潜在的生态安全风险也有待研究。

樱桃萝卜是国内当前广泛栽培的根菜类作物之一,营养较丰富,生长速度快,生长周期短,经济效益明显,是种植大户和普通百姓常常考虑种植的作物[9]。本研究选取樱桃萝卜作为研究对象,在其生长过程中施用生物炭基猪粪堆肥,探究其对土壤及樱桃萝卜中重金属含量以及对樱桃萝卜生长发育的影响,并且对土壤潜在的生态安全风险进行了评价,以期为生物炭基猪粪堆肥安全土地利用提供基础依据。

1 实验设计及方法

1.1 实验原料

供试生物炭基猪粪堆肥取自实验室堆肥成品,樱桃萝卜种子购自某生鲜超市,土壤取自福州郊区人为活动较少的自然土(砖红壤),土壤及生物炭基猪粪堆肥样品的理化指标见表1。

表1 土壤及生物炭基猪粪堆肥样品的理化指标Table 1 Physical and chemical indicators of soil and biochar-based pig manure compost samples

1.2 实验设计

实验共设5个处理组:对照组(CK组,不施肥)以及生物炭基猪粪堆肥施肥比例为5%、10%、15%、20%的处理组,生物炭基猪粪堆肥与土壤按干质量混配,混配前分别测定土壤和生物炭基猪粪堆肥的含水率,再按干质量比换算所需生物炭基猪粪堆肥与土壤湿基质量,混合均匀。

樱桃萝卜种植实验采用盆栽的方式,采用直径20 cm、深30 cm的苗盆种植樱桃萝卜。堆肥样品与土壤混配完毕后装入盆中,每盆定量装填11.0 kg。在樱桃萝卜的生长过程中,观察并记录樱桃萝卜的生长情况,樱桃萝卜的成熟期约30 d,养护至樱桃萝卜成熟期后采集植物和土壤样品。通过实验分析土壤理化性质的变化和植物生长情况。

1.3 样品的采集、处理与分析

1.3.1 样品的采集与处理

樱桃萝卜成熟后,收集整棵植株洗净,在室内阴凉通风处常温晾干,称量植物鲜质量并记录。将晾干的植物鲜样放入大的牛皮纸中封住,放入烘箱105 ℃烘半小时进行杀青,然后将温度调至60 ℃,直到样品完全烘干为止。将烘干的植物样品用粉碎机粉碎并研磨过40目筛,自封袋密封室温保存备用。

用土钻分别取花盆土壤上层(0～10 cm)与下层(10～20 cm)的土壤样品,随机6点均匀取样,经风干、分选、去杂、磨碎、过筛、混匀后放入自封袋保存并标记。土样分析前过10目筛用于测定pH、土壤速效氮、土壤速效磷,过100目筛用于测定重金属含量。

1.3.2 测定指标及方法

土壤样品测定的指标包括速效氮、pH、速效磷以及6种重金属(Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Cd)的含量。土壤pH采用868型pH计测定,称取风干土壤样品10.00 g于50 mL高型小烧杯中,加入25 mL纯净水,用玻璃棒剧烈搅动1～2 min,放置30 min后测定;土壤速效氮采用碱解-扩散法测定[10];土壤速效磷采用钼锑抗比色法测定[11];土壤及植物重金属含量测定时,先用Tessier五步连续提取法处理后[12],采用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法进行测定;植物生物量采用称量法测定[13]。

1.3.3 评价方法

采用潜在生态风险指数法[14]评价土壤重金属污染的潜在生态风险,定量地划分出重金属的潜在风险程度,其计算公式如下:

Ei=Ti×Ci/Bi

(1)

(2)

式中:Ei为重金属元素i的单因子潜在生态风险指数;Ti为重金属元素i的毒性响应系数;Ci为重金属元素i的实测质量浓度,mg/kg;Bi为重金属元素i的土壤背景参考值,mg/kg;R为多种重金属元素的综合潜在生态风险指数。

重金属元素的毒性响应系数采用HAKANSON制定的标准化重金属毒性系数为评价依据,Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Cd的重金属毒性响应系数分别为2.00、5.00、5.00、5.00、1.00、30.00。

1.4 数据处理与分析

数据处理和图表绘制借助Excel 2021和Origin 2021软件,数据显著性分析和相关性分析采用SPSS 26.0软件,冗余分析使用Canoco 5软件。

2 结果与讨论

2.1 施肥对土壤pH及植物生物量的影响

施肥后土壤pH及植物生物量变化见图1。土壤pH在土壤微生物多样性和植物的生长发育方面发挥重要的作用,不仅影响着植物的正常生长以及其生物、化学和物理过程[15],还是影响重金属在土壤中迁移和重金属生物有效性的重要因素[16]。与CK组相比,施用生物炭基猪粪堆肥的处理组土壤pH上升了9.90%～21.21%,随着施肥比例的增加,pH的升幅也随之增加。ZHANG等[17]在土壤中施用猪粪堆肥后,土壤pH比对照组增加8.36%～11.76%;秦宁[18]在土壤中施用猪粪堆肥后,土壤pH提高了7.04%。本研究中施用生物炭基猪粪堆肥后,土壤pH的升幅高于上述研究,说明与添加普通的猪粪腐熟料相比,生物炭基猪粪堆肥可以更有效地改善土壤酸化,且随着施肥比例的增加,改善程度随之提高。

图1 施肥后土壤pH及植物生物量变化Fig.1 Changes of soil pH and plant biomass after compost application

施加生物炭基猪粪堆肥后,各处理组植物的生物量与CK组相比均有明显增加(P<0.05),5%、10%、15%、20%处理组生物量分别增加了8.78%、51.04%、93.72%、120.86%,说明施用堆肥增加了土壤中速效养分的含量,优化了土壤条件,导致植物的生物量大幅增加。

2.2 施肥对土壤养分的影响

速效氮是指可以被植物根系直接吸收利用的氮,速效氮含量的高低可反映土壤氮素的供应情况,与作物生长和产量有一定的相关性。由表2可见,施用生物炭基猪粪堆肥后,CK组与各处理组间速效氮的含量差异显著(P<0.05),5%、10%处理组与CK组相比,速效氮分别增加了28.19%、34.19%;而15%、20%处理组的速效氮则分别增加了194.28%、226.10%。LI等[19]在土壤中施用猪粪堆肥后,土壤速效氮含量相比对照组增加了9.21%;吴飞龙等[20]将猪粪堆肥作为土壤改良剂施用到土壤中,土壤速效氮含量相比对照组增加8.62%。相较于普通猪粪堆肥,生物炭基猪粪堆肥添加到土壤中可以大幅提升速效氮的含量,且施肥比例越高,增幅越显著。YAN等[21]也发现添加生物炭基猪粪堆肥的实验组与添加普通猪粪堆肥的实验组相比,速效氮含量增加了71.71%。

表2 各实验组土壤速效氮、速效磷质量浓度1)Table 2 Mass concentration of available nitrogen and available phosphorus in soil of different experimental groups mg/kg

磷是植物生长过程中最重要的元素之一,土壤速效磷是指能被作物根系直接利用的磷素。由表2可知,CK组土壤速效磷仅为5.35 mg/kg,添加生物炭基猪粪堆肥后各处理组速效磷显著增加,施肥比例越高,土壤速效磷含量增幅越明显,20%处理组土壤速效磷含量高达CK组的59.75倍。磷盐的溶解性差、扩散速度慢,并且磷固定率高[22],因此初始土壤中速效磷含量较低。而肥料施加到土壤中,肥料含有的养分会释放到土壤中,在氮磷浓度较高的肥料中这一过程会显著加快[23]。PATEL等[24]在土壤中施用猪粪堆肥,土壤的速效磷含量增加了26.98%;ZHOU等[25]在土壤中施用不同肥料以改善土壤的养分情况,发现施用猪粪堆肥的实验组速效磷含量增加了138.28%,而施用生物炭基堆肥的实验组速效磷含量增加了230.9%～284.96%,且随着施肥比例增大,速效磷含量的增幅也越大;生物炭在制备过程中可能会热解产生一部分营养物质并且提高其可利用性,因此生物炭基猪粪堆肥的添加可以显著提高土壤速效磷的含量,这与土壤速效氮的变化基本一致。

2.3 施肥对土壤-樱桃萝卜系统重金属的影响

2.3.1 对土壤重金属含量的影响

图2为各实验组土壤重金属含量变化情况。总体看来,5%处理组与CK组土壤重金属含量差异不大,随着施肥比例的增加,土壤中Cu、Zn含量增幅明显。由于家禽粪便中含有大量重金属,施用畜禽粪便堆肥产生的有机肥料会导致土壤中重金属的积累[26],这可能是导致土壤重金属含量升高的主要原因。QASWAR等[27]在土壤中施用猪粪堆肥,土壤中的Cr、Cd分别增加了18.4%、119.0%。参考《食用农产品产地环境质量评价标准》(HJ/T 332—2006),本研究中各实验组Cr、Ni、Cu、Zn均未超过限值(Cr≤150 mg/kg、Ni≤40 mg/kg、Cu≤50 mg/kg、Zn≤200 mg/kg),而各实验组Cd均超过了标准规定的限值(Cd≤0.30 mg/kg),这与土壤Cd背景值偏高有关。由于重金属具有累积效应,后续研究需要探究堆肥添加后对土壤重金属污染的累积性并进行长期监测。

图2 各实验组土壤中重金属质量浓度Fig.2 Heavy metals mass concentration in experimental groups

2.3.2 对樱桃萝卜重金属积累的影响

采集成熟的樱桃萝卜测定重金属含量,结果见表3。不添加堆肥的CK组种植的樱桃萝卜已受到了一定的重金属污染,其Cr、Ni、Cd的含量均超过了《食品安全国家标准 食品中污染物限量》(GB 2762—2022)中的限值(Cr≤0.5 mg/kg、Ni≤1.0 mg/kg、Cd≤0.05 mg/kg)。施加生物炭基猪粪堆肥后,4个处理组樱桃萝卜中的Cr、Ni、Cd含量与CK组相比均有不同程度的下降,其中Cd的降幅最大(79.76%～98.81%);20%处理组的樱桃萝卜中各重金属的降幅为所有处理组中最高,达29.17%～98.81%,Ni、Cd均低于GB 2762—2022的限值,但Cr仍高于标准限值。TOPCUOGLU[28]通过盆栽实验,研究了施用城市生活垃圾堆肥对甜菜中重金属含量的影响,发现甜菜植株收获后Cr含量高于CK组。本研究施用的是生物炭基猪粪堆肥,生物炭表面存在的羧基和羟基等含氧官能团能有效吸附重金属[29],可以在一定程度上降低植物对重金属的吸收,且随着施肥比例的增加,降低的程度也随之提高,这是生物炭基堆肥相比普通堆肥所具有的优势。

表3 樱桃萝卜收获后的重金属质量浓度Table 3 Heavy metals mass concentration of cherry radish after harvest mg/kg

2.4 生态安全风险评价

土地生态安全研究是可持续发展领域的重要组成部分。通过生态安全评价与分析,可以尽早发现和处理土地生态系统可能的安全隐患。潜在生态风险指数法[30]可用于定量评价沉积物中重金属污染程度,同时兼顾了重金属含量、生态效应、环境毒理学等,被广泛应用于土壤重金属污染的评价。HAKANSON的单因子潜在生态风险指数和综合潜在生态风险指数的分级标准是针对8种重金属污染元素设计的[31]。为了指导实际应用,需根据具体参评污染物的种类和数量进行评估域调整。参考文献[32],对本研究测定的6种重金属的单因子潜在生态风险指数和综合潜在生态风险指数的分级标准进行校正,结果见表4。施用生物炭基猪粪堆肥后各处理组的生态风险指数见表5。本研究中Cr、Co、Ni、Cu、Zn的Ei均小于30,表现为轻微生态风险;各处理组Cd的Ei均为30,达到中等生态风险。各处理组的R为47.84～54.90,其中5%、10%处理组为轻微生态风险水平,15%、20%处理组均达到了中等生态风险水平。Cd是施肥后各处理组土壤的首要污染元素,其对R的贡献率为54.64%～62.71%,这与赵东杰等[33]的研究一致,需要引起足够的重视。

表4 潜在生态风险指数分级标准Table 4 Potential ecological risk index grading criteria

表5 施用堆肥后的处理组土壤重金属潜在生态风险评价Table 5 Pollution index of heavy metals in the soil after compost application

2.5 冗余分析

冗余分析是一种多响应变量回归分析与主成分分析结合的排序方法,能够反映响应变量与解释变量之间的相关关系[34]。本研究对土壤的各种重金属含量及土壤理化指标(pH、速效氮、速效磷)做冗余分析,旨在明确影响土壤重金属含量的主要因子。图3为重金属含量与土壤理化指标的冗余分析排序图,经分析pH、速效磷、速效氮对重金属含量变化的累计解释率达76.9%,其中pH、速效磷、速效氮的解释率分别为52.7%、17.1%、7.1%,由此可见土壤pH对土壤重金属含量的影响较大。几种重金属中,Cu与3种理化指标成正相关,但并不显著(P>0.05);其余5种重金属与3种理化指标均成负相关。其中pH与Co、Zn极显著相关(P<0.01);速效磷与Co、Zn极显著相关(P<0.01);速效氮与Co、Zn显著相关(P<0.05)。

图3 土壤重金属含量与理化指标之间的冗余分析结果Fig.3 RDA result between solid heavy metals content and physicochemical indicators

3 结 论

(1) 生物炭基猪粪堆肥可以有效地改善土壤酸化以及土壤养分状况,同时还增加了樱桃萝卜的生物量,施肥比例越大,改善效果越显著。其中20%处理组植物的生物量及土壤的速效氮、速效磷含量分别为CK组的2.21、3.26、59.75倍。

(2) 总体看来,施加生物炭基猪粪堆肥会提高土壤重金属含量,施肥后土壤中的重金属除Cd外,其余均未超过HJ/T 332—2006中的限值要求。然而,生物炭基猪粪堆肥在一定程度上能够降低植物中的重金属含量,且随着施肥比例的增加,降低效果也越明显。

(3) 各处理组土壤中,Cr、Co、Ni、Cu、Zn表现为轻微生态危害,Cd则为中等生态危害;5%、10%处理组土壤的R呈轻微风险水平,15%、20%处理组为中等风险水平,且随着施肥比例的增加,土壤的生态风险也随之上升。Cd对R的贡献率为54.64%～62.71%,是影响土壤重金属生态风险的最主要元素。

(4) 冗余分析表明,pH是造成土壤重金属含量变化的主要环境因子,对各种重金属含量变化的解释率达52.7%;除Cu外,其余重金属均与土壤理化指标(pH、速效磷、速效氮)成负相关,Co、Zn含量受土壤理化指标的影响尤为显著。