連續施用有機肥的田間土壤和果蔬重金屬風險評估

葛贊，楊威，王宇航，譚啟玲，田有國，胡承孝，孫學成

1.華中農業大學資源與環境學院/新型肥料湖北省工程實驗室，武漢430070； 2.全國農業技術推廣服務中心，北京100125

耕地質量是我國農業綠色、可持續發展、經濟發展和社會穩定的基礎核心［1］。由于化肥施用過量或者施用方法不當，造成土壤貧瘠、鹽堿化、資源浪費、環境污染等一系列問題，導致我國耕地質量逐年下降。2021年中央一號文件提出鼓勵農民施用有機肥替代化肥?？茖W合理地施用有機肥，可以使土壤養分的有效性及土壤保水保肥能力得到顯著提高，從而改善由于過度施用化肥造成的土壤板結等問題［2］。我國有機肥資源豐富，每年生產約7 500萬t有機肥，但據報道其施用量僅占肥料施用總量的25%，實際利用率卻不足40%［3］，造成巨大的資源浪費。

畜禽糞便制成的有機肥是增加土壤有機質、改善農產品品質的重要肥料來源。由于畜禽對飼料中的重金屬利用率偏低，大部分會隨糞便排出，致使畜禽糞便富含重金屬，成為商品有機肥中重金屬污染的主要來源［4-5］。對浙江省和海南省商品有機肥的調查發現，浙江省豬糞、牛糞、雞糞、混合糞便Cu、Zn、As等超標現象較為普遍［6］，海南省抽檢樣品近一半商品有機肥存在Pb、Cr、Cd、Cu、Zn、As、Hg 7種重金屬超標［7］。長期大量施用重金屬超標的有機肥會造成重金屬在土壤、作物中的累積，進而影響在土壤、農產品遷移轉化。長期定位試驗發現，施用中、高量有機肥顯著提高了土壤Cr、As和Fe有效態含量［8］。此外，豬糞的施用使土壤和花生籽粒中Cd和Zn的含量顯著提高［9］?？梢?，施用有機肥容易造成土壤及作物重金屬累積已達成共識。

施用有機肥雖可提升土壤養分，但長期施用則會加大土壤及生物重金屬污染的風險。因此，有機肥的選擇、管理、施用方式等安全控制至關重要。本試驗通過探究有機肥連續施用對土壤和果蔬重金屬含量的影響，明確有機肥料中重金屬對土壤和果蔬存在的污染風險，以期為合理施用并推廣有機肥，降低農業污染風險，保障農產品質量安全，維護農田生態系統健康提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究均采用田間試驗，其中蔬菜試驗點位于華中農業大學田間試驗基地（114.54°E，30.28°N），土壤為黃棕壤，基本理化性狀為pH 5.05、有機質21.45 g/kg、堿解氮82.37 mg/kg、速效磷30.53 mg/kg、速效鉀133.52 mg/kg；馬家柚試驗點位于江西上饒廣豐區（118.19°E，28.27°N），土壤為山地黃紅壤，基本理化性狀為：pH 5.82、有機質23.97 g/kg、堿解氮120.86 mg/kg、速效磷14.75 mg/kg、速效鉀183.89 mg/kg。蔬菜為三季蔬菜連作，分別是：小白菜（上海青）、蘿卜（廣州南畔洲晚蘿卜）以及辣椒（鼎蘿一號辣椒）；馬家柚為12年樹齡的枳砧紅肉馬家柚。蔬菜習慣施肥處理用的常規化肥尿素（46%）、過磷酸鈣（12%）和氯化鉀（60%），所用有機肥為部分超過華中華南地區調查有機肥樣品重金屬平均值含量的2種有機肥［10-11］，分別用OF1和OF2表示；馬家柚所用常規化肥為復合肥（15∶15∶15），有機肥為牛糞有機肥和當地常用的商品有機肥，分別用OF1和OF2表示（表1）。4種商品有機肥均為前期調查樣品，其有機質、總養分、酸堿度及含水量均符合現行有機肥質量行業標準（NY 525-2021《有機肥料》），其中蔬菜所用OF2有機肥As含量接近現行有機肥質量行業標準。

表1 供試有機肥養分及重金屬含量狀況Table 1 Nutrient contents and heavy metals contents in tested organic fertilizers

1.2 試驗設計與方法

試驗設4個處理：不施肥對照（CK）、習慣施肥（化肥CF）、等氮有機肥處理1（OF1）、等氮有機肥處理2（OF2）。蔬菜為完全隨機區組的田間試驗，每個處理重復3次，共12個試驗小區，每個小區面積5.4 m2。馬家柚每個處理重復3次，每3株果樹為1次重復，共36株果樹。CK處理為不施肥，CF處理為施用化肥，OF1和OF2處理均通過與CF處理等氮養分施用計算施肥量，具體施肥情況見表2。

表2 兩季蔬菜及馬家柚各處理施肥的純養分含量Table 2 Pure nutrient content in fertilization of two season vegetables and Majia pomelo kg/667 m2

蔬菜種植3季不同品種蔬菜。（1）小白菜組于2020年9月1日進行田間施肥，所有肥料均作為基肥一次性施入土壤，2 d后進行小白菜種子的播種，7 d后選取長勢一致的幼苗進行定植（20 cm×20 cm），于2020年10月22日收獲，期間實施正常的田間管理。（2）蘿卜組于2020年10月31日進行田間施肥，氮肥分作2次追肥，其他肥料均作為基肥一次性施入土壤，2 d后進行蘿卜種子的播種，14 d后選取長勢一致的幼苗進行定植（25 cm×25 cm），于2021年2月24日收獲，期間實施正常的田間管理。（3）辣椒于2021年4月1日進行田間施肥，氮肥分作2次追肥，其他肥料均作為基肥一次性施入土壤，2 d后進行辣椒種子的播種，14 d后選取長勢一致的幼苗進行定植（25 cm×25 cm），于2021年7月1日收獲。蔬菜種植期間均實施正常的除草澆水等田間管理。

選取長期施用有機肥及不施用有機肥的馬家柚果園，于2020年3月5日對果樹進行不同施肥處理，習慣處理期間作一次追肥，其他肥料均作為基肥一次性施入土壤，于2020年11月4日進行果實與土壤采樣，期間實施正常的田間管理。

1.3 測定項目與方法

果蔬質量采用百分之一天平測定，蔬菜產量=單株蔬菜質量×單位面積內蔬菜株數，馬家柚產量=掛果數×單果質量；果蔬縱徑、橫徑、果長、果肩寬均采用30 cm直尺測量，果皮厚、葉片厚采用游標卡尺測量；蔬菜葉面積采用Image J分析；果實可溶性固形物（TSS）采用手持數顯糖量計（日本，PAL- 1）測定；果實可滴定酸（TA，用檸檬酸表示）采用氫氧化鈉中和滴定法測定；果實維生素C（Vc）采用2， 6-二氯靛酚氧化還原滴定法測定；固酸比=可溶性固形物（TSS）/可滴定酸（TA）；果形指數=果實縱徑/橫徑，出汁率=（果汁質量/果肉質量）×100%。

果蔬重金屬含量測定采用硝酸/高氯酸4∶1 消解-ICP-MS法；土壤重金屬含量測定采用王水消解-ICP-MS法，有機質含量測定采用外加熱重鉻酸鉀容量法，堿解氮采用堿解擴散法，速效磷采用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀采用 NH4OAc 浸提-火焰光度法，EC值采用電極法（HJ 802-2016），pH值采用pH計法（土水比1∶2.5）（NY/T 1121.2-2006）。分別采用果蔬重金屬含量限量國家標準（GB 2762-2005《 食品中污染物限量》）、農用地土壤（pH≤5.5）重金屬含量限量國家標準（GB 15618-2018《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）），作為分析試驗作物與土壤的重金屬含量是否超標的依據。

1.4 數據處理

利用Microsoft Excel 2016、SPSS 19.0及Origin 2018進行數據統計、分析和作圖。運用Duncan’s法進行多重比較（a=0.05），圖表中所有數據均為±SE。

2 結果與分析

2.1 有機肥連續施用對果蔬產量及品質的影響

等氮有機肥完全替代化肥，能夠在短期內滿足果蔬的生長和產量要求，同時相較單施化肥還能提高果蔬的品質。與CF相比，OF1和OF2處理均能保證第一季和第二季蔬菜以及馬家柚的產量不下降。同時，OF2顯著提高了小白菜和辣椒的產量，分別增產13.8%和19.2%（圖1）。但OF1處理的第三季蔬菜較CF處理有顯著的下降，說明等氮有機肥替代化肥在短時間內不會減少蔬菜和馬家柚的產量，但隨著兩季不施用化肥，會導致第三季作物產量的下降。由表3、表4可知，較CF處理，等氮有機肥處理顯著增加小白菜葉面積、辣椒以及馬家柚單果質量，說明等氮有機肥替代化肥不僅能促進果蔬的生長而且較化肥處理明顯更優；較CF處理，CK處理及OF1、OF2處理均顯著增加馬家柚可溶性固形物的含量，可能與該果園連年施用化肥導致果實品質下降有關，而通過施用有機肥可改善狀況。OF1、OF2處理的果形指數、固酸比、可滴定酸、維生素C、出汁率較CK以及CF處理雖然差異不顯著，但均有增加的趨勢，說明施用有機肥對馬家柚果實的內外品質均有一定的提高作用。

表3 不同施肥處理對蔬菜外在品質的影響Table 3 Effects of different types of fertilizers on growth of vegetables

表4 不同施肥處理對馬家柚內外在品質的影響Table 4 Effects of different types of fertilizers on external quality of Majia pomelo

圖1 不同施肥處理對果蔬產量的影響Fig.1 Effects of different types of fertilizers on yield of vegetables and fruits

2.2 有機肥連續施用對土壤理化性質的影響

由圖2和表5可知，在三季蔬菜連作后的土壤中，較CF處理，土壤速效磷、速效鉀以及有機質的含量顯著增加，其中有機質分別增加了42.4%、25.6%。在果園土壤中，OF1、OF2處理的土壤堿解氮、速效磷、速效鉀較CF處理雖然差異不顯著，但含量均高于CF處理。EC值各處理間未有顯著差異；CF處理的蔬菜土壤pH顯著下降，而OF1、OF2處理的pH顯著提升，說明施用有機肥還能顯著改善土壤酸化問題。

表5 不同施肥處理對土壤理化性質的影響Table 5 Effects of different types of fertilizers on physical and chemical properties of soil

圖2 不同施肥處理對土壤有機質含量的影響Fig.2 Effects of different types of fertilizers on organic matter content of soi

2.3 有機肥連續施用對果蔬重金屬含量的影響

有機肥連續施用會增加果蔬重金屬含量超標的風險。由表6可見，三季蔬菜可食部重金屬含量均未出現超標現象，但OF1、OF2處理的蘿卜可食部Pb含量分別為92.32、92.78 μg/kg，已臨近限量標準（100 μg/kg），其他重金屬含量均遠低于蔬菜限量標準；前兩季蔬菜不同處理間重金屬含量差異不顯著，但在第三季蔬菜中，OF1、OF2處理的辣椒可食部Cr、As、Cu、Zn 含量較CF處理出現顯著增加，尤其是OF2有機肥處理增加最快，而Pb含量較CF處理卻出現顯著下降。馬家柚OF1處理的果肉、果皮Pb含量分別為205.02、203.93 μg/kg，已超出限量標準（200 μg/kg），OF2處理的果肉、果皮Pb含量分別為196.92、194.99 μg/kg也已臨近限量值，其中果肉重金屬含量均略高于果皮，其余重金屬均未出現超標現象；OF1、OF2處理各重金屬含量較CF處理均出現了一定程度的積累，其中Pb、Cd、Hg、Cu、Zn含量出現顯著差異。

表6 不同施肥處理對果蔬重金屬含量（干基）的影響Table 6 Effects of different types of fertilizers on heavy metals contents （DW） of vegetables

2.4 有機肥連續施用對土壤重金屬含量的影響

有機肥連續施用會造成土壤重金屬含量的積累。由圖3可見，經過三季蔬菜連作后，較CF處理，土壤Pb、Cd、Hg含量均出現顯著性增加，其中Hg含量積累最多，其次分別為Cd、Pb，OF1處理的土壤Hg含量顯著增加42.89%，OF2處理則顯著增加90.36%，但各項指標均在風險篩選值以內，遠低于風險管控值。由表7可見，在果園土壤中，雖然OF1、OF2較CF處理之間差異不顯著，但Pb、Cd、Cr、As、Cu、Zn、Hg均有不同程度的增加。

表7 不同施肥處理對馬家柚果園土壤重金屬含量的影響Table 7 Effects of different types of fertilizers on heavy metals contents of soil

圖3 不同施肥處理對蔬菜土壤重金屬含量的影響Fig.3 Effects of different types of fertilizers on heavy metals contents of vegetable soil

3 討論

3.1 有機肥可以短期完全替代化肥

在兼顧作物產量和改善土壤理化性狀的雙重考慮下，有機肥替代部分化肥是當前農業生產中一種很好的施肥方式，但由于替代比例不明確，使有機肥的應用受到一定限制。有機肥部分替代化肥較單施化肥相比能提高生菜、甜瓜等作物產量和品質［12-13］。蔬菜種植中有機肥氮替代25%～50%化肥氮時，產量和質量較好，并減少因硝態氮造成的環境污染［14］。但當有機肥氮替代化肥氮的比例超過75%時，作物的產量會降低［15］。例如當有機肥完全或部分替代化肥比例過高時，水稻產量會隨著替代比例的提高而下降［16］。然而，這些研究并沒有充分考慮土壤、作物以及有機肥的特定變量以及完全替代和試驗持續時間的影響。例如研究發現，長期連續施用化學氮肥，如尿素和其他銨基肥料，會降低土壤pH值，并可能惡化土壤結構和土壤的供氮能力［17］，相比之下，有機肥具有酸中和能力，會提高土壤pH值。此外，酸性土壤可能會相對缺乏容易淋失的鈣、鎂和微量養分，而這些養分可以從有機肥中獲取，所以有機肥部分替代化肥的增產作用在酸性土壤中比較明顯［18］。本試驗在充分考慮以上因素的情況下，進行了2種有機肥完全替代化肥進行試驗處理。從結果來看，等氮量有機肥全部替代化肥，不僅改善了土壤理化性質，同時在兩季蔬菜中與單施化肥一樣能夠滿足果蔬的生長、品質及產量要求，馬家柚的可溶性固形物、維生素C、出汁率較施用化肥相比均有所增加，這與童盼盼等［19］施用有機肥改善庫爾勒香梨品質的研究結果相一致。但隨著第三季有機肥繼續完全替代化肥則出現蔬菜產量下降現象。說明在短期內有機肥完全替代化肥是可行的，但連續施用有機肥會有減產的風險。

3.2 有機肥完全替代化肥要注意重金屬污染風險

目前許多研究對于有機肥施用會帶來土壤重金屬積累問題已達成共識，特別是Pb、As、Hg元素，我們在施用等氮量有機肥后發現其在土壤、果蔬中均表現出較強的積累性，有增加蔬菜Pb含量超標的風險，并直接導致馬家柚果實Pb含量超標，這與施用有機肥顯著增加番茄、茴香中Cr、Pb、As含量的結果一致［20-21］。此外，顧思婷等［21］研究發現有機肥部分替代氮肥比例為30%時，也會導致生菜根上部Pb顯著積累。以上可能與有機肥中Pb、As含量較高，而在果蔬中限定值較低有關，因此對于這類有機肥有必要在使用時減少用量和避免連續施用。土壤Cd、Zn、Cu的含量會隨著有機肥施入量的增加而增加［22-23］，該發現與我們的研究相一致。綜上，我們認為有機肥完全替代化肥時會存在重金屬污染風險，同時針對有機肥完全替代化肥引起的重金屬污染風險問題，需要針對不同的農田土壤以及所用有機肥進行綜合分析與評價。有機肥企業應針對不同種類的有機肥，做相對應的長期定位大田試驗，通過試驗結果對產品的風險進行評估，對有機肥的生產工藝進行革新，并從源頭上進行質量把控，確保有機肥質量的安全性。