施用粪肥和菇渣对作物重金属累积的影响

金 智,胡雪峰,蓝文,李梅, 张伟杰

(上海大学环境与化学工程学院, 上海 200444)

据估算, 2009—2011 这3 年间, 中国畜禽粪排放量分别达2.42×109、2.45×109、2.55×109t[1]. 至2015 年, 粪排放量激增到3.16×109t, 其中猪粪排放量高达1.16×108t, 占比36.8%[2]. 猪粪全氮、全磷、全钾的含量远高于羊粪和稻草粉碎物[3]. 目前, 我国对于畜禽粪处理方式较为单一, 主要作为有机肥归田[4], 少数畜禽粪与秸秆混合生产沼气[5]. 畜禽粪肥作为有机肥归田可能会产生环境污染风险. 为了防治畜禽疾病、促进畜禽更快生长、提高饲料的利用率, 一些微量元素Cu、Zn 等广泛添加入饲料中; 而畜禽对于Cu、Zn 等重金属吸收率极低,导致粪便中Cu、Zn 含量偏高[6-8]. 据报道, 每年大概有10 万t 未被动物吸收的重金属元素随畜禽粪输入环境[9]. 因此, 禽畜粪肥作为有机肥归田是否会对土壤和作物产生重金属富集风险, 需作深入评估.

食用菌培养基料主要由玉米芯、畜禽粪便、秸秆、木屑等成分组成[10]. 食用菌栽培后遗留下来的废基料又称为菇渣. 废基料中含有大量的菌丝体以及半分解的纤维素或木质素等, 富含有机物和多种矿物元素[11], 还含有大量的胞外酶[12]. 2019 年, 中国年产食用菌3 933.87 万t,产生的菇渣废弃物高达(1.3～2.0)×107t. 目前, 对菇渣的处理方式是作为饲料、用作园艺栽培、用作新能源燃料、作为有机肥料、作为重金属吸附剂[13]. 当菇渣作为有机肥利用时, 能提高土壤有机质、农产品的质量品质, 改善土壤肥力, 从而保持良好的土壤性质[14-15]. 然而, 菇渣施加是否会使土壤与农作物产生重金属累积风险, 也有待评估.

本工作设置青椒、水稻田间试验, 主要研究施用猪粪肥、牛粪肥、金针菇菇渣、双孢菇菇渣对青椒、水稻生长和重金属累积的影响, 评估菇渣和畜粪肥归田作有机肥可能存在的环境安全风险.

1 材料和方法

1.1 试验地点

试验地位于上海市青浦区金泽镇沙港村“教授农场”, 临近淀山湖, 东经120°870426′, 北纬31°120770′, 常年平均气温17.3°C, 属亚热带季风气候, 年平均降雨量为1 198.4 mm. 试验区土壤多发育于河湖相沉积物, 重黏质土. 土壤基本理化性质、重金属如表1 和2 所示.

表1 上海青浦试验地土壤基本理化性质Table 1 Basic physical-chemical properties of the experimental soil in Qingpu District, Shanghai,Southeast China

表2 上海青浦试验地土壤重金属质量分数Table 2 Heavy metal mass fraction in the experimental soil in Qingpu District, Shanghai, Southeast Chinamg·kg-1

1.2 供试菇渣和粪肥性状

试验所需的金针菇菇渣从上海光明森源有限公司获取; 双孢菇菇渣从上海联中食用菌专业合作社获取. 菇渣进行厌氧发酵后施用. 猪粪肥和牛粪肥由猪粪和牛粪发酵制成. 菇渣和粪肥养分含量如表3 所示. 猪粪肥Cu、Zn、Fe、Mn 含量较高(见表4). 中国有机肥标准[16]中没有相关重金属限量标准. 若参考德国腐熟堆肥标准[17](w(Zn)≤400 mg/kg,w(Cu)≤100 mg/kg,w(Ni)≤20 mg/kg), 本工作中猪粪肥Cu、Zn 含量超标. 双孢菇菇渣培养基主要由秸秆、鸡粪、石膏等混合配制(见表5). 金针菇菇渣培养基主要由玉米芯、棉籽壳、米糠和麸皮配制. 由于鸡粪中Cu、Zn、Pb、Cd 明显偏高, 使得双孢菇菇渣重金属含量高于金针菇菇渣.

表3 菇渣和粪肥养分含量Table 3 Nutrient contents in the fungal residues and manures

表4 菇渣和粪肥重金属质量分数Table 4 Heavy metal mass fraction in the fungal residues and manuresmg·kg-1

表5 双孢菇栽培基原始组分重金属质量分数Table 5 Heavy metal mass fraction in original components of the culture base for growing Agaricus bisporusmg·kg-1

1.3 田间试验设计

试验一: 供试作物为青椒, 品种为“巨无霸五号”, 源于江苏省镇江市镇研种业有限公司.共设置5 个施肥处理: 金针菇菇渣(FV1)、双孢菇菇渣(AB1)、猪粪肥(SM1)、牛粪肥(CM1)和不施肥对照(CK1). 每个处理设3 个平行小区, 每个小区完全随机分布. 小区面积为8 m2(2.0 m×4.0 m), 小区之间设50 cm 间隔. 2019 年2 月15 日, 在大棚下种育苗; 4 月28 日将青椒苗移栽至试验小区, 每个小区栽12 株, 行间距为50 cm. 小区按不同处理施用基肥和追肥(见表6); 施肥量根据常规施肥N 量核算. 每隔2 周进行苗情考察和土壤、植株样品采集.

表6 青椒田间试验不同处理施肥量Table 6 Quantities of fertilizer application for the treatments in the field experiment of green pepper

试验二: 供试作物为水稻. 共设置7 个施肥处理: 金针菇菇渣(FV2)、双倍金针菇菇渣(DFV2)、双孢菇菇渣(AB2)、双倍双孢菇菇渣(DAB2)、猪粪肥(SM2)、牛粪肥(CM2) 和不施肥对照(CK2). 每个处理设3 个平行小区, 每个小区完全随机分布. 小区面积为20 m2(2.0 m×10.0 m), 小区之间设50 cm 间隔. 小区按不同处理施用基肥和追肥(见表7); 施肥量根据常规施肥N 量核算. 试验时间为2019 年6 月28 日至2019 年10 月11 日.

表7 水稻田间试验不同处理施肥量Table 7 Quantities of fertilizer application for the treatments in the field experiment of rice

1.4 土壤和植物样品分析方法

(1) 土壤理化性质测定[18]: 土壤总氮采用凯氏定氮法测定; 总磷采用酸溶-磷钼蓝比色法测定; 总钾采用酸溶-电感耦合等离子体发射光谱仪(inductively coupled plasma-optical emission spectrometer, ICP-OES) 法测定.

(2) 青椒植物生化指标测定[19]: 叶片叶绿素、类胡萝卜素采用乙醇浸提比色法测定; 果实中硝态氮采用水杨酸比色法测定; 可溶性蛋白质采用考马斯亮蓝染色法测定; 可溶性总糖采用蒽酮法测定.

(3) 土壤重金属含量测试用硝酸-高氯酸-氢氟酸消解; 肥料、植物样品(鲜样) 采用硝酸-高氯酸消解. 土壤、肥料、植物消化液, 采用ICP 测定Fe、Mn 重金属含量; 采用石墨炉原子吸收光度计(atomic absorption spectrometer, AAS) 测定Cu、Zn、Ni、Pb、Cd 含量. 重金属含量测试过程采用标样监控, 测试精度和误差均＜5%.

1.5 数据处理

实验数据使用Microsoft Excel 2010 处理, 差异性分析使用SPSS Statistics 24 处理, 图形使用Origin 94 绘制.

2 结 果

2.1 青椒株高

青椒生长前期(5 月4 日至5 月19 日), FV1、AB1、SM1、CM1 处理株高分别相对于CK1 增加12.28%、1.49%、21.10%、10.70%, FV1、SM1 处理株高均显著高于CK1 (p ＜0.05).青椒生长中后期(6 月28 日), FV1、AB1、SM1、CM1 处理株高分别相对于CK1 增加27.46%、43.27%、49.19%、33.00%, 各处理株高均显著高于CK1 (p ＜0.05)(见图1).

图1 青椒株高与叶片数Fig.1 Plant height and leaf number of green pepper

青椒生长前中期(5 月4 日至6 月2 日), FV1、AB1、SM1、CM1 处理叶片数分别相对于CK1 增加39.75%、71.61%、137.85%、46.69%, FV1、SM1 处理株高显著高于CK1(p ＜0.05). 青椒生长后期(6 月16 日), FV1、AB1、SM1、CM1 处理叶片数分别相对于CK1增加85.81%、92.48%、131.97%、48.55%, FV1、SM1 处理株高显著高于CK1 (p ＜0.05).

显然, 施用菇渣和粪肥可有效促进青椒生长, 尤其是施用猪粪肥对于青椒生长的促进效果更为显著.

2.2 青椒品质与产量

FV1、AB1、SM1、CM1 处理青椒叶片叶绿素含量比CK1 分别增加3.54%、17.91%、24.42%、26.87%; 叶片类胡萝卜素含量比CK1 分别增加8.35%、22.71%、57.58%、31.78%,SM1 处理叶片类胡萝卜素含量显著高于CK1(p ＜0.05). AB1、SM1 处理青椒果实可溶性蛋白质含量比CK1 分别增加4.02%、14.97%; FV1、SM1 处理果实可溶性总糖含量比CK1分别增加10.30%、7.16%. FV1、AB1、SM1、CM1 处理果实硝态氮含量比CK1 分别增加8.27%、11.73%、13.85%、6.93%, 各施肥处理果实硝态氮含量显著高于CK1(p ＜0.05).FV1、AB1、SM1、CM1 处理青椒产量比CK1 分别增加81.94%、57.94%、93.74%、63.50%,各施肥处理均显著高于CK1 (p ＜0.05) (见表8).

表8 青椒品质与产量Table 8 Quality and yield of green pepper

2.3 青椒土壤和果实重金属含量

各施肥处理下青椒土壤Pb 含量均显著高于CK1(p ＜0.05). SM1 处理土壤Cu、Zn、Cd含量显著高于CK1(p ＜0.05). 施用双孢菇菇渣土壤Cu、Zn 含量有所增加, 但未显著高于CK1(p ＞0.05) (见图2). 各施肥处理下青椒根部Cu 含量均显著高于CK1(p ＜0.05), 尤其施用双孢菇菇渣和猪粪肥根系Cu 增加更加显著. 施用两种菇渣和猪粪肥, 青椒根部Pb 和Cd 含量均有增加, 尤其施用双孢菇菇渣和猪粪肥, 根部Pb 和Cd 含量显著高于CK1(p ＜0.05). 不同施肥处理下青椒果实Zn、Pb、Cd 含量均有增加. SM1 处理青椒果实Zn、Pb、Cd 含量均显著高于CK1(p ＜0.05)(见图2).

2.4 水稻土壤和稻米重金属含量

SM2 处理水稻土壤Cu、Zn、Pb 含量相对于CK2 有显著增加(p ＜0.05). AB2 处理土壤Cu、Cd 含量与CK2 差异并不显著, 但DAB2 处理导致土壤Cu、Zn、Pb、Cd 含量显著高于CK2(p ＜0.05). FV2 处理土壤重金属没有明显增加; DFV2 处理土壤Zn、Pb 含量显著高于CK2(p ＜0.05). CM2 处理土壤Zn、Pb 含量也显著高于CK2(p ＜0.05).

SM2 处理水稻根部Cu、Zn、Pb 含量相对于CK2 有显著增加(p ＜0.05). DAB2 处理水稻根部Cu、Zn、Pb、Cd 含量均显著高于CK2(p ＜0.05). DFV2 处理水稻根部Pb 含量略有增加. CM2 处理水稻根部Cu、Pb、Cd 含量显著高于CK2(p ＜0.05).

SM2 处理稻米Cu、Zn、Pb、Cd 含量显著高于CK2(p ＜0.05). AB2 处理稻米Cu、Zn、Pb含量增加并不显著. DAB2 处理稻米Pb、Cd 含量显著高于CK2. FV2、DFV2、CM2 处理稻米重金属含量与CK2 无显著差异(p ＞0.05).

水稻根部和稻米重金属质量分数如图3 所示.

图3 水稻试验中土壤、根部和稻米重金属质量分数Fig.3 Heavy metal mass fraction in soil, roots and rice in rice test

3 讨 论

3.1 施用菇渣和粪肥显著改善青椒品质

氮素化肥施用越多, 蕹菜中积累的硝态氮含量就越高[20], 用优良的有机肥替代化肥, 已成为当代农业绿色生产的大趋势. 已有研究表明, 施加枯草芽孢杆菌肥料、哈茨木霉菌肥料、枯草芽孢杆菌+哈茨木霉菌肥料等生物有机肥, 可显著提高土壤有机质含量、土壤微生物量和酶活性[21]. 45% 水稻秸秆和55% 猪粪混合肥料替代化肥使用, 能有效提高水稻产量51.7%[22].减量50% 化肥、配合施加生物有机肥相比于单施加化肥能够有效提高土壤中速效氮磷钾含量,有机质含量提高26.8%～31.8%, 可优化土壤中的微生物结构[23]. 菇渣归田能够有效提高大白菜产量43.5%, 且大白菜硝酸盐含量比施用化肥降低3.4%～24.2%[24]. 本工作施用菇渣和粪肥, 能显著增加青椒可溶性蛋白质、可溶性总糖含量; 虽使青椒硝态氮含量略有增加, 但远低于《农用无公害蔬菜安全要求》标准[25]. 施用菇渣、牛粪肥和猪粪肥均有显著增产效应. 双孢菇和金针菇菇渣的增产效应分别达81.9%、57.9%. 猪粪肥的增产效应更为显著, 达到93.7%.这表明菇渣经简单发酵后也可以成为优良的有机肥料.

3.2 施用菇渣和粪肥使土壤存在重金属累积风险

在生猪养殖过程中, 通常在饲料中添加Cu、Zn、Mn、Fe 微量元素, 起到增加养分、预防疾病的作用[26]. 饲料中Cu、Zn、Mn 等重金属元素大部分通过粪便物排泄[27], 使得猪粪中Cu、Zn 等重金属累积[28]. 猪粪施入土壤后, 很可能导致土壤Cu、Zn 等重金属的累积[29-30].本工作中牛粪肥各种重金属含量并不高, 但猪粪肥Cu、Zn 含量超标(见表4). 显然, 这是因为牛是食草动物, 猪、牛饲料配方存在差异. 在青椒生长期施用猪粪肥, 土壤Cu、Zn 含量分别增加30.8%、22.8%. 施用猪粪肥(SM2) 导致水稻土壤中Cu、Zn、Pb 含量显著增加, 其中Cu、Pb 含量比CK2 分别增加33.2%、125.5%. 相比之下, 施用牛粪肥, 各种重金属含量的增加较轻微. 长期施用猪粪肥, 土壤重金属累积风险应引起充分重视.

在双孢菇培养基成分中含有鸡粪, 而金针菇培养基不含禽畜粪便. 本工作中双孢菇菇渣Cu、Zn、Ni、Mn、Pb、Cd 等重金属含量显著高于金针菇菇渣, 显然与前者配料中含有鸡粪有关. Cu、Zn 和Mn 等重金属因具有抗菌和促进生长的功能而广泛用作饲料添加剂[31]. 鸡体内Cu、Zn 和Mn 的吸附率分别仅为50%～60%、30%～40% 和5%～15%[32-33], 导致鸡粪重金属含量偏高. 本工作施用双孢菇菇渣的青椒土壤呈现出Pb 累积风险, Pb 含量相对于CK1 增加69.0%; 双倍施用双孢菇菇渣(DAB2) 的水稻土壤中Cu、Zn、Pb、Cd 含量均显著增加, 其中Cu、Zn 含量比CK2 分别增加了39.2%、43.2%. 相比之下, 施用金针菇菇渣, 土壤重金属累积风险较低.

3.3 土壤重金属增加促使作物富集重金属能力增强

食品安全在农业可持续发展中占有重要地位, 长期食用重金属污染食品会对人体健康造成严重危害[34]. 已有研究表明, 水稻生长过程中易从土壤中吸收重金属, 导致稻米中重金属含量增加[35-36]. 吴燕玉等[37]发现, 水稻植株中重金属分布呈现根＞茎＞叶＞籽实的特点,重金属富集主要集中在根部. 水稻生长中重金属Cd 富集主要集中在根、茎, 成熟后期重金属集中在根部[38-39]. 猪粪作为有机肥, 其中的营养成分含量远高于其他粪肥和稻草秸秆[3], 但施加重金属含量过高的粪便肥, 会导致土壤可利用态重金属含量增加, 可能会造成作物重金属含量增加[40]. 菇渣中含有大量的菌丝体以及半分解的纤维素或木质素等营养物质[11], 但双孢菇菇渣中含有鸡粪, 过量施用菇渣肥会导致土壤中重金属含量增加, 且稻米中重金属存在潜在污染. 本工作中猪粪肥会导致土壤重金属含量显著增加, 青椒根部Cu、Zn 含量相对于CK1 分别增加63.5%、26.3%, 青椒果实Zn、Pb 含量也显著增加; 水稻根部Cu、Zn、Pb 显著累积,Cu、Zn 含量分别是CK2 的1.7 倍、3.0 倍, 稻米Cu、Zn、Pb、Cd 含量均有显著增加, 其中Cu、Zn 含量比CK2 分别增加21.1%、48.8%, 但仍处于食用安全范围内. 双孢菇菇渣肥也会导致土壤重金属含量显著增加, 青椒中Pb 含量相对于CK1 增加129.5%, 青椒根部Cd 含量也有显著增加; 水稻根部Cu、Zn、Pb、Cd 含量显著增加, 其中Cu、Zn、Cd 含量比CK2 分别增加了55.4%、185.3%、48.1%, 稻米Pb、Cd 含量比CK2 显著增加, 其中Cd 比CK2 增加了46.9%. 相比之下, 施用金针菇菇渣和牛粪肥, 作物中重金属累积风险较低.

4 结束语

猪粪肥中Cu、Zn 等重金属元素累积显著高于菇渣. 由于双孢菇培养基料中添加少量鸡粪, 使得双孢菇菇渣Cu、Zn、Pb、Cd 含量显著高于金针菇菇渣(p ＜0.05). 青椒田间试验表明, 施用菇渣和粪肥能显著增加青椒产量, 其中施用猪粪肥的增产效应更加显著. 猪粪肥处理青椒根部Cu、Pb、Cd 含量显著高于CK1(p ＜0.05), 且Cu 含量高于其他处理; 果实中Zn、Pb、Cd 含量显著高于CK1(p ＜0.05), 且Zn、Cd 含量高于其他处理. 双孢菇菇渣处理青椒根部Cd 含量显著高于CK1; 果实Pb 含量显著高于CK1(p ＜0.05). 水稻田间试验表明, 猪粪肥处理水稻根部Cu、Zn、Pb 显著累积, Cu、Zn 含量分别是CK2 的1.7 倍、3.0 倍; 稻米Cu、Zn、Pb、Cd 含量显著增加, 其中Cu、Zn 比CK2 分别增加21.1%、48.8%, 但仍处于食用安全范围内. 双倍双孢菇菇渣处理水稻根部Cu、Zn、Pb、Cd 含量显著增加, 其中Cu、Zn、Cd含量比CK2 分别增加55.4%、185.3%、48.1%; 稻米Pb、Cd 含量显著增加, 其中Cd 比CK2增加46.9%. 长期施用猪粪肥和双孢菇菇渣对土壤和作物的重金属累积风险要引起充分重视.相比之下, 施用金针菇菇渣和牛粪肥, 土壤和作物重金属累积风险较低.