農田施用沼液的重金屬污染評價及承載力估算——以江蘇濱海稻麥輪作田為例

湯逸帆,汪玲玉,吳 旦,戴 成,韓建剛*

?

農田施用沼液的重金屬污染評價及承載力估算——以江蘇濱海稻麥輪作田為例

湯逸帆1,2,汪玲玉1,吳 旦3,戴 成3,韓建剛1,2*

(1.南京林業大學生物與環境學院,江蘇 南京 210037；2.南京林業大學江蘇省南方現代林業協同創新中心,江蘇 南京 210037；3.中糧肉食(江蘇)有限公司,江蘇 東臺 224200)

以江蘇濱海稻麥輪作田為對象,研究沼液施用0, 3, 5a對土壤和作物籽粒重金屬(Cu、Zn、Pb、Cd)含量的影響,評價其污染風險并估算農田沼液承載力.結果表明:沼液施用3,5a后,土壤和作物籽粒中Cu、Zn、Pb、Cd均未超標,內梅羅指數與土壤和農產品綜合質量指數顯示農田重金屬污染程度屬于清潔.土壤Cu和Zn顯著富集,沼液施用5a后,小麥季土壤Cu、Zn含量分別為22.59,63.08mg/kg,較未施用分別提高了19.52%和28.89%.水稻季土壤Cu、Zn含量分別為26.12,78.74mg/kg,較未施用分別提高了27.73%和31.80%.小麥和水稻籽粒Zn含量隨沼液施用年限增加而增加(< 0.05),沼液施用5a分別達到25.07,30.98mg/kg,較未施用分別提高了23.50%和16.29%.小麥季和水稻季0~15cm土壤中Cu的累積速率分別為0.74,1.13mg/(kg·a),Zn的累積速率分別為2.83,3.80mg/(kg·a).基于土壤重金屬累積速率,江蘇濱海稻麥輪作田沼液安全施用年限為63a.

沼液；重金屬；施用年限；濱海農田；稻麥輪作

隨著我國畜禽養殖業生產水平的提升,養殖量和規?；潭炔粩嗵岣?畜禽糞污帶來的生態環境問題日益嚴重[1-3].沼氣工程是畜禽糞污處理和資源化利用最有效的途徑,但同時會產生連續、大量、集中的副產物沼液[4-6].沼液富含速效養分,是一種優質液態有機肥,施用于農田有節水減肥的效益[7-8].研究表明,沼液還田能夠有效改善土壤肥力、提高作物產量[9-10].然而,由于防病促長、毛發提亮、飼料利口等目的,重金屬被廣泛應用于畜禽養殖飼料添加劑中,不可避免的造成其在畜禽糞污和沼液中殘留[11-13].衛丹等[14]對嘉興市10家規?；i場沼氣工程沼液進行了水質調查,結果表明沼液重金屬以Cu、Zn為主,平均值分別為1.88,7.63mg/L,Pb和Cd含量分別為0.21和0.01mg/L.已有學者對沼液還田的重金屬污染風險進行了研究,但結果卻大相徑庭.例如,Bian等[15]檢測了中國太湖周邊施用沼液的農田土壤重金屬含量,發現土壤Zn、Pb含量超過中國土壤環境二級質量標準(GB15618-2008)[16];陳瑤等[17]的研究卻表明沼液施用對土壤Cu、Zn、Pb含量影響不顯著;Win等[18]的水稻田間試驗表明沼液施用不會顯著增加土壤Cu含量,但籽粒Cu含量卻顯著提升.以往的研究多為關注沼液用量、施用方式等單季作物控制實驗,而沼液連續施用對農田重金屬累積和污染風險的研究卻鮮有報道.

江蘇沿海地區是我國重要的糧食生產基地,土地后備資源豐富,畜禽養殖沼液受納潛力大.然而,濱海農田土壤鹽堿度高、離子遷移行為復雜,沼液農田消納的重金屬污染風險尚不明確.因此,本文以江蘇濱海稻麥輪作田為對象,研究不同沼液施用年限(0, 3, 5a)對土壤和作物籽粒重金屬(Cu、Zn、Pb、Cd)含量的影響,評價其污染風險并估算農田沼液承載力,以期為畜禽養殖沼液安全、持續的農田消納提供科學依據.

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于江蘇省東臺市弶港鎮金東臺農場(32°55′24″N,120°52′50″E),屬于亞熱帶和暖溫帶過渡區域,年均氣溫14.4℃,降水量1059.9mm,日照時間221.38h,四季分明,雨量多集中在夏季,冬冷夏熱.研究區域農田于1995年由灘涂圍墾改良成稻麥輪作田,土壤砂粒、粉粒、黏粒含量分別為36.2%、56.7%、7.1%,質地為粉砂質壤土,pH = 7.8,電導率(EC)為0.75mS/cm,有機碳含量為10.55g/kg.水稻種植周期為6月中旬~10月下旬,小麥為11月上旬~次年6月上旬,長期種植品種分別為淮稻5號和揚麥16號.

根據當地耕作傳統,水稻常規施肥量為基肥磷酸二銨300kg/hm2,分蘗肥、穗肥、粒肥分別為尿素150, 300, 225kg/hm2.小麥常規施肥量為基肥磷酸二銨375kg/ha,苗肥和穗肥分別為尿素187,150kg/ hm2.該農場于2012年起,逐年增加田塊施用豬場沼液(水稻沼液全量替代化肥,施用量為450m3/hm2,基肥:分蘗肥:穗肥比例為2:1:2;小麥在原有化肥基礎上額外增施沼液,施用量為45m3/hm2,基肥:穗肥比例為1:1).

沼液來自中糧肉食(江蘇)有限公司金東臺豬場沼氣工程.豬場糞污經水泡糞工藝收集,通過勻漿池后(總固體含量TS為2.0%~3.0%)進入發酵罐,36~ 38℃下全混合厭氧反應器(CSTR)發酵15d.產生的沼氣并網發電,液體進入存貯池.存貯池中液體穩定1~2個月后,底部為沼渣,中上部為沼液(TS為0.7%~ 1.0%).沼液基本性狀見表1.

表1 沼液基本性狀

注:除pH值外,單位均為mg/L.

1.2 實驗方案設計

根據沼液施用歷史,設置未施用沼液(BS0)、施用3a(BS3)、施用5a(BS5)3個處理,每個處理設3個重復田塊,每個田塊面積為1hm2.于小麥和水稻收獲期采集耕層土壤和籽粒樣品,測定分析其重金屬(Cu、Zn、Pb、Cd)含量,采用內梅羅指數法與土壤和農產品綜合質量指數法評價其污染風險,并基于土壤重金屬累積速率估算農田沼液承載力.

1.3 樣品采集與分析

分別于2017年6月1日和10月24日采集小麥季和水稻季樣品.各田塊按S形布點法多點采集0~15cm土壤制成混合土樣,同步“點對點”采集作物籽粒[19].土樣自然風干后去除沙礫、植物殘體,過100目篩,采用HCl-HNO3-HF-HClO4體系消煮[20].作物籽粒于105℃殺青0.5h,80℃烘干至恒重后研磨過100目篩,采用HNO3-HF-HClO4體系消煮[21].消煮液用電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS; NexION 300X, PerkinElmer, USA)測定重金屬含量.

1.4 污染評價方法

目前,農田重金屬污染評價方法多樣,其中包括單因子指數法、內梅羅指數法、地積累指數法和模糊判別法等,而內梅羅指數法是最為常用的多種重金屬復合污染綜合評價方法[22].此外,王玉軍等[23]將土壤和農產品重金屬緊密聯系,構建了土壤和農產品綜合質量指數法,顯著提升了農田重金屬污染評價的科學性和可靠性.

1.4.1 內梅羅指數法 內梅羅指數法是以土壤元素實測值和環境質量標準計算各因子的污染指數,再通過其平均值和最大值綜合評價重金屬污染程度[24-25].計算公式如下:

式中:為內梅羅綜合指數;C為第種重金屬的實測值;S為第種重金屬在環境質量標準中的限值,Cu、Zn、Pb、Cd分別為100, 300, 170, 0.6mg/kg(GB 15618-2018)[26].內梅羅指數法評價標準為￡0.7清潔(安全),0.7 <￡1.0尚清潔(警戒限),1.0 <￡2.0輕度污染,2.0 <￡3.0中度污染,> 3.0重污染.

1.4.2 土壤和農產品綜合質量指數法 土壤和農產品綜合質量指數法基于土壤環境質量標準、土壤元素背景值、農產品污染物限量標準和元素價態效應等,通過計算土壤相對影響當量、土壤偏離背景值程度、土壤標準偏離背景值程度和農產品品質指數,在此基礎上得到土壤綜合質量影響指數和農產品綜合質量指數,最后求和構建綜合質量影響指數.計算公式如下:

式中:RIE為土壤相對影響當量;DDDB為土壤偏離背景值程度;DDSB為土壤標準偏離背景值程度; QIAP為農產品品質指數;為測定重金屬的種類數量;為各重金屬在土壤中的穩定態氧化數;C為土壤第種重金屬的實測值;S為第種重金屬在土壤環境質量標準中的限值,Cu、Zn、Pb、Cd分別為100, 300, 170, 0.6mg/kg(GB 15618-2018)[26];B為第種重金屬的土壤背景值,Cu、Zn、Pb、Cd分別為22.3, 62.6, 26.2, 0.126mg/kg(江蘇)[27];APi為農產品第種重金屬的實測值;APi為第種重金屬在農產品污染物限量標準中的限值,Cu、Zn、Pb、Cd分別為10, 50, 0.2, 0.1mg/kg(GB 2762-2017)[28].

式中:IICQS為土壤綜合質量影響指數;IICQAP為農產品綜合質量指數;IICQ為綜合質量影響指數;、、分別為實測值超過土壤環境質量標準限值、土壤背景值和農產品污染物限量標準限值的重金屬種類數量;為背景校正因子,一般取5.土壤和農產品綜合質量指數法評價標準為IICQ￡1清潔,1 < IICQ￡2輕微污染,2 < IICQ￡3輕度污染,3 < IICQ￡5中度污染,IICQ > 5重度污染.

1.5 農田沼液安全承載力計算

采用累積速率法計算農田沼液安全承載力[29],計算公式如下:

式中:HMI為土壤重金屬累積速率,mg/(kg·a);HMT為土壤重金屬超標時間,a;HM和HM分別為第和年的土壤重金屬含量,mg/kg;HMs為土壤環境質量標準限值,Cu、Zn、Pb、Cd分別為100, 300, 170, 0.6mg/kg(GB 15618-2018)[26];HM0為初始年限土壤重金屬含量,mg/kg.

1.6 數據處理

采用Excel 2016進行數據整理,SPSS 22.0進行單因素方差分析和Duncan法比較不同處理間土壤和作物籽粒重金屬含量的差異顯著性(< 0.05),并用Origin 2017進行作圖.

2 結果與分析

2.1 沼液施用年限對土壤重金屬含量的影響

由圖1可見,濱海稻麥輪作田小麥季土壤Cu、Zn含量隨沼液施用年限增加而增加(<0.05),其中BS5分別為22.59,63.08mg/kg,較BS0分別提高了19.52%和28.89%.各處理小麥季土壤Pb和Cd含量無顯著差異.水稻季土壤Cu、Zn含量的處理間差異和變化趨勢與小麥季保持一致(圖2),其中BS5分別為26.12, 78.74mg/kg,較BS0分別提高了27.73%和31.80%.各處理水稻季土壤Pb含量無顯著差異,BS5的水稻季土壤Cd含量顯著高于BS0和BS3.

圖1 不同沼液施用年限下濱海稻麥輪作田小麥季土壤重金屬含量

不同字母表示差異顯著,下同

圖2 不同沼液施用年限下濱海稻麥輪作田水稻季土壤重金屬含量

2.2 沼液施用年限對作物籽粒重金屬含量的影響

由圖3可見,小麥籽粒Zn含量隨沼液施用年限增加而增加(<0.05),其中BS5為25.07mg/kg,較BS0提高了23.50%.各處理小麥籽粒Cu和Pb含量無顯著差異,BS5的小麥籽粒Cd含量顯著高于BS0和BS3.水稻籽粒Zn含量的處理間差異和變化趨勢與小麥籽粒保持一致(圖4),其中BS5為30.98mg/kg,較BS0提高了16.29%.各處理水稻籽粒Pb含量無顯著差異,BS3和BS5的水稻籽粒Cu含量顯著高于BS0.此外,BS0的水稻籽粒Cd含量最高,與BS3存在顯著性差異.

圖3 不同沼液施用年限下濱海稻麥輪作田小麥籽粒重金屬含量

圖4 不同沼液施用年限下濱海稻麥輪作田水稻籽粒重金屬含量

2.3 不同沼液施用年限下的農田重金屬污染評價

表2 不同沼液施用年限下濱海稻麥輪作田重金屬內梅羅評價指數(小麥季/水稻季)

注:為內梅羅綜合指數.

表3 不同沼液施用年限下濱海稻麥輪作田重金屬土壤和農產品綜合質量指數(小麥季/水稻季)

2.4 江蘇濱海稻麥輪作田沼液承載力估算

由于沼液中重金屬以Cu和Zn為主(表1),且在小麥季和水稻季土壤均出現顯著富集(圖1、2),故以二者為約束條件計算江蘇濱海稻麥輪作田沼液承載力(累積速率以BS0和BS5為間隔計算).由表4可見,Zn的累積速率高于Cu,水稻季的累積速率高于小麥季.江蘇濱海稻麥輪作田小麥季和水稻季分別在沼液施用110,70a后出現土壤Cu超標,在89,63a后出現Zn超標.

表4 Cu、Zn約束下的江蘇濱海稻麥輪作田沼液安全施用年限(小麥/水稻)(a)

3 討論

作為畜禽糞污厭氧發酵副產物,沼液農田施用的重金屬安全問題近年來備受關注[30-32].研究表明,豬糞沼液中重金屬以Cu、Zn為主[12],這與本研究供試沼液性狀吻合(表1).江蘇濱海稻麥輪作田沼液施用3,5a后,小麥季和水稻季土壤Cu、Zn、Pb、Cd均未超過農用地土壤質量標準限值(GB 15618- 2018)[26],但Cu、Zn出現了顯著富集(圖1、2),這與宋三多等[33]的研究一致.本研究中,小麥和水稻籽粒Cu、Zn、Pb、Cd均未超過食品中污染物限量標準限值(GB 2762-2017)[28],而籽粒Zn含量和土壤保持一致,隨沼液施用年限的增加而增加(圖3、4),Cu、Pb、Cd則無此現象.究其原因,沼液中Zn含量較其他重金屬最高,并且土壤中Zn的作物可利用度也高于其他重金屬[34-35].此外,水稻籽粒Cd含量在沼液施用3a后顯著下降,而施用5a后無顯著變化.董同喜等[36]認為是由于有機肥中重金屬與有機質結合緊密復雜,隨著有機質分解和組分變化,導致了重金屬形態和生物有效性發生了改變.根據內梅羅評價指數以及土壤和農產品綜合質量指數,沼液施用3和5a后,江蘇濱海稻麥輪作田重金屬污染均屬于未受污染(表2、3).一方面是由于江蘇濱海農田土壤本底較為清潔(BS0),另一方面也表明沼液農田施用的重金屬污染風險較低.內梅羅評價指數顯示,沼液施用的小麥季土壤重金屬污染程度變化不大,這可能是由于小麥季沼液施用量小的原因.值得注意的是,水稻季重金屬土壤和農產品綜合質量指數逐年增加而小麥季無規律性趨勢,但沼液施用5a后小麥季卻有較大提升且高于水稻季.因此,今后的研究不僅要以沼液施用造成的土壤重金屬累積為主,還要關注于稻麥輪作田沼液施用的重金屬形態和環境行為變化.

已有較多研究基于土壤重金屬累積速率和環境質量標準對農田有機肥安全施用年限進行了估算.例如,孫國峰等[37]的研究中,當豬糞替代化學氮肥50%時的安全施用年限為20a;Yang等[38]的研究中,當有機肥用量為45t/hm2時的安全施用年限為15a.在沼液施用63a后,江蘇濱海稻麥輪作田水稻季土壤Zn含量會超出環境質量標準(表4).本研究中沼液安全施用年限遠大于上述二者,可能的原因是其研究對象為豬糞有機肥,重金屬含量較高,而經過厭氧發酵和存貯過程,重金屬由于有機質絡合和沉淀作用大多存在于沼渣當中,沼液中含量則較低[13,39].為降低沼液農田施用的重金屬污染風險和增加安全施用年限,一方面可從源頭控制飼料重金屬添加劑投入從而降低沼液重金屬含量[40],另一方面,積極地向土壤中配施生物炭等重金屬鈍化材料顯得尤為必要[41-42].

4 結論

4.1 江蘇濱海稻麥輪作田沼液施用3和5a后,土壤和作物籽粒中Cu、Zn、Pb、Cd均未超標,土壤Cu、Zn和籽粒Zn含量隨沼液施用年限增加而顯著增加.沼液施用5a后,小麥季和水稻季重金屬內梅羅評價指數分別為0.28和0.23,土壤和農產品綜合質量指數分別為0.35和0.31,均顯示清潔或未受污染.

4.2 江蘇濱海稻麥輪作田連續施用沼液,小麥季和水稻季0~15cm土壤中Cu的累積速率分別為0.74, 1.13mg/(kg·a),Zn的累積速率分別為2.83,3.80mg/ (kg·a),安全施用年限為63a.

[1] Hu Y, Cheng H, Tao S. Environmental and human health challenges of industrial livestock and poultry farming in China and their mitigation [J]. Environment International, 2017,107:111-130.

[2] 沈 麗,于興娜,項 磊.2006~2014年江蘇省氨排放清單 [J]. 中國環境科學, 2018,38(1):26-34. Shen L, Yu X, Xiang L. Estimation of ammonia emissions inventories in Jiangsu province from 2006 to 2014 [J]. China Environmental Science, 2018,38(1):26-34.

[3] 盧少勇,張 萍,潘成榮,等.洞庭湖農業面源污染排放特征及控制對策研究 [J]. 中國環境科學, 2017,37(6):2278-2286. Lu S, Zhang P, Pan C, et al. Agricultural non-point source pollution discharge characteristic and its control measures of Dongtinghu Lake [J]. China Environmental Science, 2017,37(6):2278-2286.

[4] Li F, Cheng S, Yu H, et al. Waste from livestock and poultry breeding and its potential assessment of biogas energy in rural China [J]. Journal of Cleaner Production, 2016,126:451-460.

[5] Sakar S, Yetilmezsoy K, Kocak E. Anaerobic digestion technology in poultry and livestock waste treatment--a literature review [J]. Waste Management & Research, 2009,27(1):3-18.

[6] 陳菲菲,張崇尚,王藝諾,等.規?；i養殖糞便處理與成本收益分析 [J]. 中國環境科學, 2017,37(9):3455-3463. Chen F, Zhang C, Wang Y, et al. Patterns and cost-benefit analysis of manure disposal of scale pig production in China [J]. China Environmental Science, 2017,37(9):3455-3463.

[7] Niyungeko C, Liang X, Liu C, et al. Effect of biogas slurry application rate on colloidal phosphorus leaching in paddy soil: A column study [J]. Geoderma, 2018,325:117-124.

[8] 吳樹彪,崔 暢,張笑千,等.農田施用沼液增產提質效應及水土環境影響 [J]. 農業機械學報, 2013,44(8):118-125+179. Wu S, Cui C, Zhang X, et al. Effect of biogas slurry on yield increase, quality improvement, water and soil environment [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013,44(8):118- 125+179.

[9] 吳華山,郭德杰,馬 艷,等.豬糞沼液施用對土壤氨揮發及玉米產量和品質的影響 [J]. 中國生態農業學報, 2012,20(2):163-168. Wu H, Guo D, Ma Y, et al. Effects of pig manure-biogas slurry application on soil ammonia volatilization and maize output and quality [J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2012,20(2):163-168.

[10] 鄭學博,樊劍波,周 靜,等.沼液化肥配施對紅壤旱地土壤養分和花生產量的影響 [J]. 土壤學報, 2016,53(3):675-684. Zheng X, Fan J, Zhou J, et al. Effects of combined application of biogas slurry and chemical fertilizer on soil nutrients and peanut yield in upland red soil [J]. Acta Pedologica Sinica, 2016,53(3):675-684.

[11] 劉思辰,王莉瑋,李希希,等.沼液灌溉中的重金屬潛在風險評估 [J]. 植物營養與肥料學報, 2014,20(6):1517-1524. Liu S, Wang L, Li X, et al. Potential risk assessment of heavy metal in biogas slurry irrigation [J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2014,20(6):1517-1524.

[12] 鐘 攀,李澤碧,李清榮,等.重慶沼氣肥養分物質和重金屬狀況研究 [J]. 農業環境科學學報, 2007,(S1):165-171. Zhong P, Li Z, Li Q, et al. Contents of selected nutrients and heavy metals in biogas slurry [J]. Journal of Agro-Environment Science, 2007(S1):165-171.

[13] 朱泉雯.重金屬在豬飼料-糞污-沼液中的變化特征 [J]. 水土保持研究, 2014,21(6):284-289. Zhu Q. Distribution characteristics of heavy metals in feeds, pig manures and biogas slurry [J]. Research of Soil and Water Conservation, 2014,21(6):284-289.

[14] 衛 丹,萬 梅,劉 銳,等.嘉興市規?；B豬場沼液水質調查研究 [J]. 環境科學, 2014,35(7):2650-2657. Wei D, Wan M, Liu R, et al. Study on the quality of digested piggery wastewater in large-scale farms in jiaxing [J]. Environmental Science, 2014,35(7):2650-2657.

[15] Bian B, Lv L, Yang D, et al. Migration of heavy metals in vegetable farmlands amended with biogas slurry in the Taihu Basin, China [J]. Ecological Engineering, 2014,71:380-383.

[16] GB15618-2008 土壤環境質量標準 [S]. GB15618-2008 Environmental quality standard for soils [S].

[17] 陳 瑤,史秋萍,陳玉成.沼液連續澆灌對旱作和水田土壤養分及重金屬含量的影響 [J]. 水土保持學報, 2015,29(2):76-80+105. Chen Y, Shi Q, Chen Y. Effects of continuous irrigation of biogas slurry on nutrient and heavy metal content in soil of dry land and paddy fields [J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2015,29(2): 76-80+105.

[18] Win A T, Toyota K, Ito D, et al. Effect of two whole-crop rice (Oryza sativa L.) cultivars on methane emission and Cu and Zn uptake in a paddy field fertilized with biogas slurry [J]. Soil Science and Plant Nutrition, 2016,62(1):99-105.

[19] 陳懷滿.耕地土壤環境質量評價中點對點土壤-農產品同時采樣的重要性和必要性 [J]. 農業環境科學學報, 2016,35(3):404. Chen H. Importance and necessity of point-to-point soil and product sampling in the environmental quality assessment of cropland soil [J]. Journal of Agro-Environment Science, 2016,35(3):404.

[20] 趙忠明,陳衛平,焦文濤,等.再生水灌溉對土壤性質及重金屬垂直分布的影響 [J]. 環境科學, 2012,33(12):4094-4099. Zhao Z, Chen W, Jiao W, et al. Effect of reclaimed water irrigation on soil properties and vertical distribution of heavy metal [J]. Environmental Science, 2012,33(12):4094-4099.

[21] 王瓊瑤,李 森,周 玲,等.豬糞-秸稈還田對土壤、作物重金屬銅鋅積累及環境容量影響研究 [J]. 農業環境科學學報, 2016,35(9): 1764-1772. Wang Q, Li S, Zhou L, et al. Accumulation and environmental capacity of Cu and Zn in soil-crop with swine manure applying and straw returning [J]. Journal of Agro-Environment Science, 2016, 35(9):1764-1772.

[22] 王玉軍,吳同亮,周東美,等.農田土壤重金屬污染評價研究進展 [J]. 農業環境科學學報, 2017,36(12):2365-2378. Wang Y, Wu T, Zhou D, et al. Advances in soil heavy metal pollution evaluation based on bibliometrics analysis [J]. Journal of Agro- Environment Science, 2017,36(12):2365-2378.

[23] 王玉軍,劉 存,周東美,等.一種農田土壤重金屬影響評價的新方法:土壤和農產品綜合質量指數法 [J]. 農業環境科學學報, 2016, 35(7):1225-1232. Wang Y, Liu C, Zhou D, et al. A new approach for evaluating soil heavy metal impact: A comprehensive index combined soil environmental quality and agricultural products quality [J]. Journal of Agro-Environment Science, 2016,35(7):1225-1232.

[24] 李宏薇,尚二萍,張紅旗,等.耕地土壤重金屬污染時空變異對比——以黃淮海平原和長江中游及江淮地區為例 [J]. 中國環境科學, 2018,38(9):3464-3473. Li H, Shang E, Zhang H, et al. Comparative research on spatio- temporal variability of heavy metal pollution in cultivated soils—A case study of Huang-Huai-Hai Plain and middle reaches of the Yangtze River and Jianghuai Region [J]. China Environmental Science, 2018,38(9):3464-3473.

[25] 吳勁楠,龍 健,劉靈飛,等.某鉛鋅礦區農田重金屬分布特征及其風險評價 [J]. 中國環境科學, 2018,38(3):1054-1063. Wu J, Long J, Liu L, et al. Spatial distribution and risk assessment of heavy metal pollution in farmland soil of a lead-zinc mining area [J]. China Environmental Science, 2018,38(3):1054-1063.

[26] GB15618-2018 農用地土壤污染風險管控標準[S]. GB15618-2018 Risk control standard for soil contamination of agricultural land [S].

[27] 中國環境監測總站.中國土壤元素背景值 [M]. 北京:中國環境科學出版社, 1990:334-378. China National Environmental Monitoring Centre. Background value of soil element in China [M]. Beijing: China Environmental Science Press, 1990:334-378.

[28] GB2762-2017 食品中污染物限量[S]. GB2762-2017 Limit standard for contaminants in foods [S].

[29] 柳開樓,李大明,黃慶海,等.紅壤稻田長期施用豬糞的生態效益及承載力評估 [J]. 中國農業科學, 2014,47(2):303-313. Liu K, Li D, Huang Q, et al. Ecological benefits and environmental carrying capacities of red paddy field subjected to long-term pig manure amendments [J]. Scientia Agricultura Sinica, 2014,47(2):303- 313.

[30] 龐 妍,唐希望,吉普輝,等.關中平原畜禽糞便重金屬農用風險估算 [J]. 中國環境科學, 2015,35(12):3824-3832. Pang Y, Tang X, Ji P, et al. The agricultural pollution risk estimation of livestock manures on heavy metals in Guanzhong plain [J]. China Environmental Science, 2015,35(12):3824-3832.

[31] Huang L, Yang J, Gao W, et al. Effects of pig slurry as basal and panicle fertilizer on trace element content and grain quality in direct-seeding rice [J]. Sustainability, 2016,8(8):714.

[32] 周 楊,章明奎.長三角城郊區沼液化學組分特點及其農用重金屬污染風險評價 [J]. 中國農學通報, 2016,32(20):101-106. Zhou Y, Zhang M. Characteristics of chemical component and agricultural potential risk assessment of heavy metal of biogas slurry in suburban areas of Yangtze Delta [J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2016,32(20):101-106.

[33] 宋三多,劉漢軍,劉軼豪,等.沼肥施用對成都平原稻麥輪作土壤及作物養分和重金屬含量的影響 [J]. 生態科學, 2018,37(1):35-41. Song S, Liu H, Liu Y, et al. Effects of biogas manure application on nutrient and heavy metal content in soil and crop under rice-wheat rotation in Chengdu plain [J]. Ecological Science, 2018,37(1):35-41.

[34] Collin B, Doelsch E. Impact of high natural soilborne heavy metal concentrations on the mobility and phytoavailability of these elements for sugarcane [J]. Geoderma, 2010,159(3):452-458.

[35] Mantovi P, Bonazzi G, Maestri E, et al. Accumulation of copper and zinc from liquid manure in agricultural soils and crop plants [J]. Plant & Soil, 2003,250(2):249-257.

[36] 董同喜,張 濤,李 洋,等.畜禽糞便有機肥中重金屬在水稻土中生物有效性動態變化 [J]. 環境科學學報, 2016,36(2):621-629. Dong T, Zhang T, Li Y, et al. Bioavailability dynamics of heavy metals in manure and their effect on uptake of rice [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2016,36(2):621-629.

[37] 孫國峰,陳虞雯,盛 婧,等.稻麥農田土壤Cu累積條件下豬糞安全施用量 [J]. 農業環境科學學報, 2016,35(12):2361-2366. Sun G, Chen Y, Shen J, et al. Safety dosage of pig manure based on soil copper accumulation on rice and wheat rotated farmland [J]. Journal of Agro-Environment Science, 2016,35(12):2361-2366.

[38] Yang X, Wang Y, Yan J, et al. Investigation on the accumulation of heavy metals from organic fertilizer in soil and plant [J]. 農業科學與技術(英文版), 2013,14(7):1021-1025.

[39] Luo H, Lv T, Shi M, et al. Stabilization of preliminary anaerobically digested slurry in post-storage: Dynamics of chemical characteristics and hygienic quality [J]. Water Air & Soil Pollution, 2017,228(8):306.

[40] 王 飛,邱 凌,沈玉君,等.華北地區飼料和畜禽糞便中重金屬質量分數調查分析 [J]. 農業工程學報, 2015,31(5):261-267. Wang F, Qiu L, Shen Y, et al. Investigation and analysis of heavy metal contents from livestock feed and manure in North China [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2015, 31(5):261-267.

[41] 李夢柯,周 丹,高 震,等.稻殼生物炭對污染土壤中稀土元素生物有效性的影響 [J]. 中國環境科學, 2018,38(10):3823-3832. Li M, Zhou D, Gao Z, et al. Effect of rice husk biochar on bioavailability of rare earth elements in polluted soil [J]. China Environmental Science, 2018,38(10):3823-3832.

[42] 劉 沖,劉曉文,吳文成,等.生物炭及炭基肥對油麥菜生長及吸收重金屬的影響 [J]. 中國環境科學, 2016,36(10):3064-3070. Liu C, Liu X, Wu W, et al. Effect of biochar and biochar based fertilizer on growth of Lactuca sativa L. and absorption of heavy metals [J]. China Environmental Science, 2016,36(10):3064-3070.

Assessment of heavy metal pollution and bearing capacity estimation of continuous biogas slurry application on cropland: A case study of the coastal rice-wheat rotated farmland in Jiangsu, China.

TANG Yi-fan1,2, WANG Ling-yu1, WU Dan3, DAI Cheng3, HAN Jian-gang1,2*

(1.College of Biology and the Environment, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China；2.Collaborative Innovation Center of Sustainable Forestry in Southern China of Jiangsu Province, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China；3.COFCO Meat (Jiangsu) Co., Ltd, Dongtai 224200, China)., 2019,39(4)：1687~1695

In order to evaluate the pollution risk and estimate the bearing capacity, the coastal rice-wheat rotated farmland in Jiangsu Province was studied to investigate the effects of biogas slurry application for 0, 3, and 5years on heavy metal (Cu, Zn, Pb, Cd) contents in soil and crop grains. Cu, Zn, Pb, and Cd contents in soil and crop grains did not exceed the national standard limits after 3 and 5years of biogas slurry application, and the degree of heavy metal pollution in farmland met the requirements of cleaning according to Nemerow index and the Influence Index of Comprehensive Quality. The Cu and Zn contents in soil enriched significantly after 5years of application of biogas slurry and the contents of Cu and Zn in wheat and rice season were 22.59 and 63.08mg/kg (26.12 and 78.74mg/kg), which were 19.52% and 28.89% (27.73% and 31.80%) higher than those grains without application. As the increasing of application age of biogas slurry, the content of Zn in crop grains increased significantly (< 0.05) and the Zn contents in wheat and rice grains reached up to 25.07 and 30.98mg/kg after 5years of biogas slurry application, which was 23.50% and 16.29% higher than those grains without application. The accumulation rate of Cu and Zn in soil (0~15cm depth) was 0.74mg/(kg·a), 2.83mg/(kg·a) and 1.13mg/(kg·a), 3.80mg/(kg·a) for wheat and rice season, respectively. Based on the accumulation rate of heavy metals in soil, the safe application period of biogas slurry in coastal rice-wheat rotated farmland was 63years.

biogas slurry；heavy metal；application age；coastal farmland；rice-wheat rotation

X53

A

1000-6923(2019)04-1687-09

2018-09-03

國家重點研發計劃項目(2017YFC0505803);江蘇省農業科技自主創新資金項目(CX(16)1003-8);江蘇省“六大人才高峰”高層次人才資助項目(2016-NY-064)

*責任作者, 教授, hjg@njfu.edu.cn

湯逸帆(1993-),男,江蘇鎮江人,南京林業大學博士研究生,主要從事種養結合與土壤生態方面研究.發表論文4篇.