不同鈍化劑對畜禽糞便有機肥重金屬銅鋅的鈍化作用

劉小嶼++沈根祥++錢曉雍++湯正澤++舒雅娟++于紹鳳

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2017.13.056[HT9.]

摘要：以辣椒為供試植物，采用盆栽試驗方法，研究生物炭、化學吸附劑和微生物菌劑3種重金屬鈍化劑對豬糞有機肥中Cu、Zn的鈍化效果。結果表明，向有機肥中投加這3種鈍化劑會促進辣椒生長，提高辣椒產量；投加不同量不同種類的鈍化劑對Cu和Zn表現出不同的鈍化效果。除化學吸附劑外，生物炭和微生物菌劑均可不同程度地降低辣椒莖葉中Cu含量，同時這3種鈍化劑均可以降低辣椒果實中Cu和Zn的累積量。生物炭處理組S4（投加量 1.25%）、化學吸附劑處理組H4（投加量1.25%）、微生物菌劑處理組W2（投加量1.00%）辣椒果實中Cu和Zn含量最低，與對照組相比，Cu含量分別降低了25.91%、17.39%和20.59%，Zn含量分別降低了30.72%、15.96%和28.99%，表現出較好的鈍化效果。

關鍵詞：畜禽糞便；有機肥；重金屬；鈍化劑；生物有效性

中圖分類號： X53文獻標志碼： A[HK]

文章編號：1002-1302（2017）13-0209-04[HS）][HT9.SS]

收稿日期：2016-03-21

基金項目：上海市環境保護局青年基金（編號：滬環科2014-100）；上海市環境保護局重大科研項目（編號：滬環科2015-05）。

作者簡介：劉小嶼（1988—），男，江西贛州人，碩士研究生，主要從事土壤重金屬污染控制研究。E-mail：1023522516@qq.com。

通信作者：沈根祥，博士，教授，主要從事農業和農村環境保護研究。Tel：（021）64032065；E-mail：shengx@saes.sh.cn。

[ZK）]

我國畜禽養殖業的迅速發展，導致畜禽糞便排放量劇增。1999年全國畜禽糞便產生量為190億t，2010年末我國畜禽糞便產生總量約為223.5億t[1]。同時，由于銅（Cu）、鋅（Zn）、砷（As）等微量元素飼料投加劑的普遍使用，而畜禽對重金屬的吸收利用率極低，造成畜禽糞便中重金屬含量和以畜禽糞便為主要生產原料的商品有機肥中重金屬含量超標[2-5]，調查發現，我國畜禽糞便有機肥中重金屬以Cu、Zn超標最為嚴重[6-8]。

施用高銅、鋅含量有機肥，可造成土壤中重金屬的積累，存在著被作物吸收而進入食物鏈和污染農產品的風險。目前，對畜禽糞便中重金屬的鈍化技術研究主要集中在堆肥過程中投加重金屬鈍化劑，而對于畜禽糞便商品有機肥使用過程中應用重金屬鈍化劑的研究則鮮見報道[9]。何增明等研究表明，在好氧高溫堆肥中，投加2.5%的膨潤土對豬糞中Zn表現出較好的鈍化效果[10]。榮湘民等在鈍化劑對豬糞堆肥過程中重金屬化學形態影響的研究中，僅限于幾種物理和化學鈍化劑，對于微生物菌劑沒有涉及，同時也只通過堆肥前后某些形態重金屬分配率的變化來評價鈍化劑的優劣[11]。因此，本研究通過在豬糞有機肥中投加物理型（生物炭）、化學型（化學吸附劑）和生物型（微生物菌劑）3種不同類型的鈍化劑，考察鈍化劑種類和劑量對有機肥中Cu、Zn的鈍化效果，并通過盆栽試驗來表征其生物有效性，旨為篩選出效果較好的重金屬鈍化劑，為畜禽糞便有機肥的安全利用提供技術支撐，同時對于降低農作物對重金屬Cu、Zn的吸收和累積、保證農產品的質量安全具有重大的現實意義。

1材料與方法

1.1試驗材料

本研究所用基質土壤均來自上海市青浦現代農業園區；豬糞有機肥，來自上海市閔行區畜禽種場有機肥廠；生物炭，來自江蘇省大豐市上海農場；化學吸附劑，來自上海速宜環境科技有限公司；微生物菌劑，來自奧庫生物科技（蘇州）有限公司。其中，基質土壤有機質含量為35.08 g/kg，Cu、Zn含量分別為26.10、128.01 mg/kg；豬糞有機肥有機碳含量為 44.67%，Cu、Zn含量分別為129.19、467.95 mg/kg；生物炭固定碳含量為87.14%，pH值為8.58，灰分含量為3.05%，比表面積600 m2/g；化學吸附劑是具有吸附性能的層狀礦物類物質，是對重金屬修復有實際效果的礦物和其他輔材制成的復合材料，對重金屬有吸附并抑制其溶出的效果，pH值在8～10，毛質量比約0.8～1.0，灰白色粉末，無嗅；微生物菌劑是對重金屬有富集和轉化作用的多種微生物的復合菌劑，pH值在2.8～3.5之間，乳酸菌含量100萬～470萬CFU/mL，一般菌（含光合菌）含量100萬～470萬CFU/mL，酵母含量約2萬CFU/mL，霉菌含量<10 CFU/mL。

1.2試驗設計

1.2.1鈍化劑用量

試驗在上海市青浦現代農業園區大棚內進行，生物炭用量參考文獻[12-13]，化學吸附劑和微生物菌劑用量參照使用說明。每種鈍化劑設置5個質量分數梯度，生物炭為0.50%（S1）、0.75%（S2）、1.00%（S3）、1.25%（S4）、1.50%（S5）；化學吸附劑為0.50%（H1）、0.75%（H2）、1.00%（H3）、1.25%（H4）、1.50%（H5）；微生物菌劑為067%（W1）、1.00%（W2）、1.33%（W3）、1.67%（W4）、200%（W5），外加1個空白對照（CK），每個處理設置3個平行。每個處理將稱好的商品有機肥和投加的鈍化劑混合均勻，放置穩定14 d。

1.2.2盆栽試驗

在每個內徑22 cm、深度為17 cm的花盆中加入1.8 kg土壤，每盆按土壤與有機肥的質量比3 ∶[KG-*3]1投加有機肥，在每個花盆內移栽1株長勢相同的辣椒幼苗，日常水肥條件按照辣椒生長需求統一管理。

1.3樣品采集

辣椒60 d后采收地上部分，辣椒果實和辣椒植株分開，收取地上部分稱鮮質量后，用自來水和去離子水洗凈，稱質量；再105 ℃殺青30 min，70 ℃烘干至恒質量，稱量并記錄干質量，再研磨成粉狀，過60目篩，裝入樣品袋內備用。endprint

1.4測定方法

土壤和有機肥中重金屬含量的測定：在稱取的0.1 g（精確到0.000 1）樣品中加入1 mL濃HNO3、3 mL濃HCl、3 mL HF和0.5 mL HClO4消解，消解完全后用蒸餾水、王水體積比1 ∶[KG-*3]1的溶液溶解，然后移至50 mL容量瓶中定容過濾，最后采用電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP-OES 8300）測定Cu、Zn含量。測定過程用國家標準土壤樣（GBW07456）進行樣品分析質量控制。

辣椒莖葉和辣椒果實中重金屬含量的測定：在稱取 0.25 g（精確到0.000 1）的樣品中加入2.5 mL濃HNO3與 0.5 mL H2O2消解，消解完全后，用去離子水溶解，然后移至50 mL容量瓶中定容過濾，最后采用電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP-OES 8300）測定Cu、Zn含量。測定過程用國家標準植物樣（GBW07603）進行樣品分析質量控制。

1.5數據處理方法

試驗數據采用Excel 2010和SPSS 17.0軟件進行處理分析。

2結果與分析

2.1不同鈍化劑處理對辣椒生物量的影響

由表1可知，與對照組相比，除生物炭處理組S1和化學吸附劑處理組H1、H3、H4以外，其他處理辣椒莖葉鮮質量均有不同程度的增加，但未達到顯著性差異；生物炭處理組S2、S3、S5和微生物菌劑處理組W2、W3、W4、W5辣椒莖葉干質量均有不同程度的增加，但也未達到顯著性差異。所有鈍化劑處理組辣椒果實鮮質量均有明顯增加，但除處理組S4外均未達到顯著性差異；除了化學吸附劑處理組H1、H4、H5和生物炭處理組W1、W3以外，其他處理辣椒果實干質量均有不同程度的增加，但未達到顯著性差異。

2.2不同鈍化劑處理對辣椒植株重金屬Cu、Zn含量的影響

2.2.1不同鈍化劑處理對辣椒重金屬Cu含量的影響

由圖1可知，與空白對照相比，生物炭處理組辣椒莖葉Cu含量均有不同程度的降低，降幅最大的為S4處理，達到31.03%；化學吸附劑處理組辣椒莖葉Cu含量隨著投加量的增加呈現先升高后下降又升高的趨勢，增幅最大的為H3處理，達到60.56%；微生物菌劑處理組W2和W3辣椒莖葉Cu含量降低較多，降幅分別達到13.95%和12.97%。

由圖2可知，所有鈍化劑處理組的辣椒果實中Cu含量均低于空白對照組，生物炭處理組S4辣椒果實Cu量最低，為0.835 mg/kg，比對照組降低了25.91%，化學吸附劑處理組H4辣椒果實Cu含量最低，為0.931 mg/kg，降低了17.39%，[JP3]微生物菌劑處理組 W2 辣椒果實Cu 含量最低， 為0.895 mg/kg，降低了20.59%。

2.2.2不同鈍化劑處理對辣椒重金屬Zn含量的影響

由圖3可知，所有鈍化劑處理組辣椒莖葉Zn含量均低于空白對照組，生物炭處理組整體降幅最大，達到15.77%～36.55%，化學吸附劑處理組辣椒莖葉Zn含量總體上隨著投加量的增加逐步下降，H4處理降幅最大，為35.62%，微生物菌劑處理組辣椒莖葉Zn含量隨著投加量的增加呈現先下降后升高的趨勢，W3處理降幅最大，為41.69%。

由圖4可知，生物炭處理組辣椒果實Zn含量明顯低于空白對照組，S4處理降幅最大，比空白對照組降低了30.72%，化學吸附劑處理組辣椒果實Zn含量總體低于空白對照組，H4處理降幅最大，為15.96%，微生物菌劑處理組辣椒果實Zn含量隨著投加量的增加呈現先下降后升高的趨勢，W2處理降幅最大，為28.99%。

3討論

集約化、規?；B殖場的畜禽糞便中重金屬對土壤環境和農產品質量安全的潛在危害越來越受到人們的關注，商品有機肥的長期施用已經成為農田土壤重金屬的重要來源[14-15]。因此，開展商品有機肥重金屬的鈍化研究，篩選出對重金屬鈍化效果良好的鈍化劑，對于降低重金屬的生物有效性、保證農產品的質量安全和品質具有重要意義。

3.1不同鈍化劑處理對辣椒生物量的影響

本研究結果表明，生物炭可以促進辣椒的生長，提高辣椒的生物量，這與Biederman等的研究結果[16-17]一致，支持了增產觀點。這是因為生物炭具有較大的孔隙度和比表面積，較高的陽離子交換量（CEC）和碳氮比（C/N）[18-19]，增加了土壤孔隙度、有機碳的含量，提高了土壤肥力，有利于作物根系的生長，從而提高作物產量[20]?；瘜W吸附劑處理組除了H4處理外，其他處理明顯有利于辣椒果實增產，說明化學吸附劑可以提高辣椒果實產量，可能是因為化學吸附劑本身含有的一些微量礦質元素有利于辣椒的生長。此外，本研究中所用化學吸附劑是一種新型非傳統的化學穩定劑，對辣椒生長的作用機制還有待進一步的研究。微生物菌劑處理組能不同程度地促進辣椒幼苗生長，提高果實產量，可能是由于微生物菌劑的施用促進了辣椒幼苗對花盆土壤中養分的吸收[21]。

3.2不同鈍化劑處理對辣椒植株重金屬Cu、Zn含量的影響

目前，大量研究都將Tessier法中的重金屬可交換態和碳酸鹽結合態[22]或BCR連續提取法中的乙酸可提取態和可還原態[23]在鈍化劑鈍化前后分配率的變化作為鈍化效果的判定依據[9-10，24]。而重金屬的這些有效形態易受pH值等因素的影響，從而影響其生物有效性和鈍化效果的評價。因此，本研究選取盆栽作物辣椒中重金屬的累積量作為鈍化劑鈍化效果和生物有效性的判定依據。然而，與張云青等研究結果[14]不同，本研究發現，鈍化劑處理的辣椒生物量與對照組有明顯差異，與干質量相比，鮮質量更能確切反映辣椒不同部位重金屬富集情況。在Cu、Zn含量相同的土壤上種植辣椒，生物量直接影響辣椒體內Cu、Zn含量，生物量增加會對Cu、Zn含量產生稀釋效應，生物量降低則產生濃縮效應。因此辣椒體內重金屬Cu、Zn含量的差異可以反映其被辣椒吸收的能力以及土壤中Cu、Zn生物有效性的強弱，也反映鈍化劑對有機肥Cu、Zn鈍化效果的優劣。endprint

本研究中，與對照組相比，投加生物炭均可降低辣椒莖葉和果實中重金屬Cu、Zn的含量，說明生物炭處理可以降低畜禽糞便有機肥中Cu、Zn的可遷移性和生物有效性，對Cu、Zn有較好的鈍化效果。這是因為生物炭富含微孔，孔隙結構發達，比表面積大，具有很強的吸附能力，能吸附重金屬[25-26]。在0.50%～1.00%范圍內，隨生物炭用量的增加，莖葉和果實中Cu含量增加，而后又出現降低的趨勢，這是因為Cu向辣椒遷移的過程是多因素作用的結果，一方面生物炭會不斷吸附Cu；另一方面，低量時可能是因為生物炭表面的含氧官能團結合水的阻塞造成生物炭對Cu吸附量降低[27]，超過一定范圍后，Cu含量又出現降低的趨勢，這是因為生物炭具有較高的pH值，生物炭的高投加量造成有機肥和土壤pH值的顯著升高，促進生物炭表面的離子交換作用，降低了重金屬Cu的活性和生物有效性[28]。然而對于1.50%的高生物炭投加量下的莖葉和果實中Cu、Zn含量反而較高，這表明Cu、Zn的遷移還受到另一個重要因素的影響，即有機質的含量。因為投加生物炭增加了有機肥和土壤中有機質的含量，有機質的增加促進了Cu、Zn的遷移，從而提高了辣椒對Cu、Zn的吸收，陳玲桂也有類似觀點[29]。生物炭對于辣椒果實中Cu的鈍化效果依次為S4>S1>S2>S5>S3，然而對于辣椒果實中Zn鈍化效果依次為S4>S1>S3>S2>S5，從農產品安全角度看，生物炭的最佳投加量為1.25%。然而對于化學吸附劑處理組，莖葉中Cu含量高于對照組，而果實中Cu含量與對照組差異不明顯，這說明化學吸附劑對Cu的鈍化效果不明顯。此外化學吸附劑處理的辣椒莖葉和果實中含Zn量大部分低于對照組，并且隨著化學吸附劑的增加辣椒莖葉中含Zn量大致呈現降低的規律，說明化學吸附劑明顯降低了Zn的移動性和生物有效性，對Zn有較好的鈍化效果。這是因為化學吸附劑本身為無機物，Zn2+與化學吸附劑礦物中的離子交換達到化學吸附，保持在穩定狀態，不易溶出。此外，微生物可以轉化、吸附和富集重金屬，這一特征可用于減輕污染土壤和有機肥中重金屬污染物的毒害作用，減少植物對重金屬的吸收[30]。本研究發現，當菌劑投加量為0.67%時，菌劑對有機肥中Cu、Zn鈍化效果不明顯，可能是因為菌劑量少，在與土著微生物競爭中處于劣勢。隨著菌劑用量的增加，辣椒莖葉和果實中Cu、Zn含量在一定范圍內明顯降低，在投加量為100%時，果實中Cu、Zn含量達到最低值，分別為 0.895、2381 mg/kg。結果表明，投加不同量的微生物菌劑對Zn含量的變化有不同的影響，選擇合適的投加量對Zn表現出較好的鈍化作用[31]，然后隨著菌劑的增加，果實中Cu含量基本不變，而Zn含量明顯增加，這可能是因為與Cu相比，Zn具有較高的活性和生物有效性，在環境中易受到多種共存重金屬的影響[32]。本研究還表明，在總量相同的有機肥中，從農產品安全角度看，對Cu、Zn鈍化效果最好的是S4、H4和W2處理，并且鈍化效果依次為S4>W2>H4。

[JP2]為了更完整評價鈍化劑對有機肥中Cu和Zn的鈍化效果以及Cu和Zn在辣椒體內的富集情況，對于辣椒根中Cu和Zn累積量需要開展進一步的研究。此外，生物炭、化學吸附劑和微生物菌劑對畜禽糞便有機肥中重金屬的鈍化，因試驗土壤、作物不同，效果可能會有差異，因此還需要開展長期定位研究和擴大作物品種研究。另外，微生物技術在重金屬修復方面研究較少，研究結果存在一定的不確定性[33]。因此，需要大量的試驗以獲取豐富的經驗，達到微生物修復技術的推廣。最后，生物炭孔隙結構發達，具有固炭作用，有助于細菌等微生物的生長等[32]，生物炭和微生物菌劑混合鈍化劑對于畜禽糞便有機肥中重金屬的鈍化可以開展進一步的研究。[JP]

4結論

生物炭、化學吸附劑和微生物菌劑對辣椒生長有明顯的促進作用，除了化學吸附劑以外，生物炭和微生物菌劑均可以不同程度地降低辣椒莖葉中Cu含量，同時這3種鈍化劑均可以降低辣椒果實Cu和Zn含量。其中，S4（生物炭投加量 1.25%）、W2（微生物菌劑投加量1.00%）、H4（化學吸附劑投加量1.25%）處理對有機肥中Cu和Zn鈍化效果最好。

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