陳婷+韓士群+周慶
摘要:針對(duì)巢湖取出物藍(lán)藻、水草和底泥作為有機(jī)肥利用可能帶來的重金屬安全性問題,采用高溫堆肥制成有機(jī)肥,測(cè)定有機(jī)肥、盆栽土壤和大白菜體內(nèi)重金屬的含量;采用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和單因子污染指數(shù)法分別評(píng)價(jià)土壤和大白菜中重金屬的安全性。結(jié)果表明,有機(jī)肥、盆栽土壤和大白菜中的鉛含量分別為0.16、0.24、0.05 mg/kg;鉻含量分別為0.29、0.12、<0.02 mg/kg;其余3種重金屬(砷、鎘、汞)在三者體內(nèi)的含量均為<0.04、<0.01、<0.04 mg/kg。重金屬評(píng)價(jià)結(jié)果表明,藻-草-泥有機(jī)肥中重金屬含量遠(yuǎn)低于有機(jī)肥料中限量指標(biāo)的要求,符合重金屬安全標(biāo)準(zhǔn)。土壤中的綜合污染指數(shù)為0.05,遠(yuǎn)小于安全等級(jí)的限量值,屬于安全等級(jí),此土壤上種植的作物不會(huì)被污染。大白菜中鉛、砷、鉻、鎘單因子污染指數(shù)分別為0.26、0.08、0.04、0.20,遠(yuǎn)小于清潔水平的限量值,且均符合無公害蔬菜的安全要求。
關(guān)鍵詞:大白菜;巢湖藍(lán)藻;水草;底泥;有機(jī)肥;重金屬;安全性評(píng)價(jià);綜合污染指數(shù);清潔水平
中圖分類號(hào): X592 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A 文章編號(hào):1002-1302(2017)18-0251-04
收稿日期:2016-04-11
基金項(xiàng)目:國(guó)家水專項(xiàng)巢湖項(xiàng)目(編號(hào):2012ZX07103-005)。
作者簡(jiǎn)介:陳 婷(1990—),女,安徽合肥人,碩士研究生,主要從事固體廢棄物資源化利用。E-mail:316640108@qq.com。
通信作者:韓士群,博士,研究員,主要從事富營(yíng)養(yǎng)化水體治理。Tel:(025)84390241;E-mail:shqunh@126.com。 治理巢湖水體富營(yíng)養(yǎng)化過程中打撈上岸的藍(lán)藻、水草和疏浚底泥等直接堆放,不僅占用大量土地資源,同時(shí)會(huì)產(chǎn)生二次污染,可能造成重金屬危害。目前,打撈的藍(lán)藻及水草較為重要的資源化利用方法為通過厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣、沼液、沼渣等副產(chǎn)物制作為肥料;或作為堆肥原料制備固體有機(jī)肥料。而疏浚底泥除了用于生產(chǎn)建筑材料,也較多地應(yīng)用于堆肥。
目前,關(guān)于這3類湖泊取出物的重金屬研究頗多。韓士群等研究了太湖藍(lán)藻經(jīng)發(fā)酵產(chǎn)沼處理后,沼渣、沼氣等產(chǎn)物中的重金屬殘留問題[1]。謝萍等發(fā)現(xiàn),將藍(lán)藻作為飼料喂養(yǎng)家禽家畜等,藍(lán)藻體內(nèi)富集的重金屬會(huì)對(duì)其生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響[2]。季俊杰等研究了靜態(tài)通氣堆肥后,氧化塘底泥中的重金屬殘留[3]。薛澄澤等發(fā)現(xiàn),通過堆肥可在不同程度上減少底泥中重金屬的含量[4]。呂彥等的研究結(jié)果則表明,通過快速堆肥處理,底泥中的鉛、鉻、鎘等重金屬的活性及毒性有所降低[5]。林丹妮等研究了電動(dòng)修復(fù)法對(duì)底泥沉積物中重金屬的去除效果[6]。國(guó)外研究者曾利用電動(dòng)力學(xué)技術(shù)對(duì)海港底泥沉積物中的鉻、鉛、銅等多種重金屬進(jìn)行去除效果的研究[7-8]。
而通過堆肥法制作的有機(jī)肥料中重金屬的安全性也是一個(gè)研究熱點(diǎn)。本試驗(yàn)將從巢湖中打撈的藍(lán)藻、水草及疏浚底泥等按比例混合進(jìn)行堆肥,制作成藻-草-泥有機(jī)肥,再向堆肥成品中進(jìn)一步添加珍珠巖、蛭石等,制備成藻-草-泥基質(zhì)。此方法可有效實(shí)現(xiàn)湖泊取出物的資源化利用,然而由于原料的特殊性,人們通常擔(dān)心藍(lán)藻、水草和底泥中富集的重金屬會(huì)伴隨著肥料的施用進(jìn)入土壤以及在作物中累積繼而通過食物鏈進(jìn)入人體[9]。
但是現(xiàn)階段研究多局限于藍(lán)藻、水草、底泥單獨(dú)的重金屬影響,而對(duì)三者共同處理后的產(chǎn)物及加工后的基質(zhì)中所攜帶的重金屬元素是否會(huì)在土壤及作物體內(nèi)累積的相關(guān)研究較少。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)材料
1.1.1 盆栽材料 藻-草-泥有機(jī)肥(將從巢湖中打撈的藍(lán)藻、水草、疏浚底泥按質(zhì)量比1 ∶ 2 ∶ 2進(jìn)行配比,添加適量秸稈堆肥而成的終產(chǎn)物);蛭石、珍珠巖,均購(gòu)自江蘇省南京市某市場(chǎng);土壤,取自江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)田。
1.1.2 供試作物 供試作物為大白菜,商品名稱為北京白菜,購(gòu)自江蘇省南京市某市場(chǎng)。
1.2 試驗(yàn)方法
1.2.1 試驗(yàn)設(shè)置 試驗(yàn)在溫室大棚內(nèi)進(jìn)行,在等氮量條件下采用盆栽試驗(yàn),每盆裝11 kg土壤,每盆移栽1棵苗齡為15 d的大白菜植株。試驗(yàn)共設(shè)置3組處理:T1,400 g藻-草-泥有機(jī)肥;T2,400 g藻-草-泥有機(jī)肥+350 g珍珠巖;T3,400 g 藻-草-泥有機(jī)肥+350 g蛭石。以原始土壤作空白對(duì)照。每組處理設(shè)置4個(gè)重復(fù),隨機(jī)排列。
1.2.2 檢測(cè)項(xiàng)目與方法 肥料樣品中重金屬測(cè)定方法參考GB/T 23349—2009《肥料中砷鎘鉻鉛汞生態(tài)指標(biāo)》[10];土壤樣品中重金屬測(cè)定方法參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[11];大白菜中各重金屬的測(cè)定方法分別參照相應(yīng)的食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[12-16]。
1.3 重金屬污染評(píng)價(jià)
1.3.1 單因子污染指數(shù)法 在我國(guó)對(duì)土壤、蔬菜重金屬污染作出評(píng)價(jià)時(shí),若想具體分析某種重金屬的污染累積現(xiàn)狀,可利用樣品中某污染因子的實(shí)際測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比,即單因子污染指數(shù)法。此法計(jì)算公式如下:
其中:Pi為某種重金屬i的單因子污染指數(shù);Ci為某介質(zhì)中實(shí)際測(cè)得的重金屬i含量;Si為重金屬i在此介質(zhì)中的標(biāo)準(zhǔn)值。Pi值的大小與介質(zhì)中重金屬的污染程度如表1所示,兩者呈正相關(guān)關(guān)系。
1.3.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法是一種計(jì)權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù), 為目前土壤等環(huán)境污染的主要評(píng)價(jià)方法。在現(xiàn)實(shí)情況下,土壤等介質(zhì)中的重金屬污染通常是多種重金屬同時(shí)作用的結(jié)果,而此方法可同時(shí)考慮多種重金屬的共同污染情況,也兼顧到極值的影響,相對(duì)于單因子污染指數(shù)法的單一性,對(duì)重金屬污染的評(píng)價(jià)更為全面和準(zhǔn)確。其計(jì)算公式為
其中:P為多種重金屬的綜合污染指數(shù);Pi為各個(gè)重金屬的單因子污染指數(shù)的平均值;maxPi為各重金屬中單因子污染指數(shù)的最大值。同時(shí),不同的綜合污染指數(shù)P值對(duì)應(yīng)不同的污染水平,具體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示endprint
1.4 統(tǒng)計(jì)分析方法
采用SPSS Statistics 17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,采用Microsoft Excel 2013作圖。
2 結(jié)果與分析
2.1 藻-草-泥有機(jī)肥的重金屬安全性評(píng)價(jià)
在堆肥1、3、15、23、43、63、93 d后進(jìn)行采樣,對(duì)藻-草-泥有機(jī)肥樣品中鉻、鉛、鎘、砷、汞等5種重金屬的含量進(jìn)行測(cè)定。由表3可知,這5種重金屬中,只有鉻和鉛2種重金屬的具體含量可測(cè)得,而鎘、砷、汞3種重金屬的實(shí)際含量分別低于儀器檢出下限,所以無法檢測(cè)出具體數(shù)值。直至堆肥完成后,藻-草-泥有機(jī)肥中鉻、鉛、鎘、砷、汞的含量分別為029、015、<0.01、<0.04、<0.046 mg/kg。將檢測(cè)所得數(shù)值與農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定的有機(jī)肥料重金屬標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較可知,藻-草-泥有機(jī)肥料中5種重金屬含量遠(yuǎn)低于農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大允許值,符合有機(jī)肥料的重金屬安全標(biāo)準(zhǔn)。
除了可知不同堆肥時(shí)間堆體中重金屬總量,還可觀察其在堆肥過程中的動(dòng)態(tài)變化。由圖1可知,隨著堆肥的進(jìn)行,堆體中鉻和鉛的總含量呈動(dòng)態(tài)變化。相對(duì)于堆肥初始,總體為下降趨勢(shì),但降低幅度較小。如鉻含量由初始值0.31 mg/kg降至0.29 mg/kg,鉛從最初的0.16 mg/kg降至0.15 mg/kg。
2.2 盆栽土中重金屬污染評(píng)價(jià)
2.2.1 盆栽土壤中重金屬含量及污染狀況分析 為保護(hù)土壤環(huán)境的質(zhì)量,我國(guó)于1995年頒布了《國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[17],如表4所示,依據(jù)土地的不同功能對(duì)土壤中各類污染
物的最高允許濃度指標(biāo)值等作出了詳細(xì)規(guī)定, 經(jīng)過多次調(diào)整完善后,目前此標(biāo)準(zhǔn)已成為我國(guó)環(huán)保法系中的重要組成部分。
不同處理盆栽中的大白菜收割后,對(duì)盆栽中的土壤進(jìn)行取樣后測(cè)定體內(nèi)5種重金屬含量及pH值。由表5可知,不同處理盆栽土pH值均大于7.5且各處理間差別較小,基本均屬堿性土,相對(duì)于大部分南方地區(qū)土壤(pH值約為7)而言,此pH值稍顯偏大。將處理盆栽土與原始土壤相比較可知,施加適量的不同類型的肥料對(duì)土壤pH值的影響較小。
盆栽土壤中5種重金屬的含量均較少。相對(duì)于原始土壤中鉻含量而言,施用了藻-草-泥有機(jī)肥料或基質(zhì)的盆栽土壤中鉻含量均有輕微幅度的上升。但是將盆栽土壤中鉻和鉛的含量分別與原始土壤中的含量進(jìn)行顯著性差異分析可知,差異并不顯著性。
3個(gè)處理中的鉻和鉛的含量基本保持在相同水平,可能是因?yàn)檫@3個(gè)處理中的藻-草-泥有機(jī)肥的添加量相同,而其中摻加的蛭石和珍珠巖對(duì)土壤中的重金屬含量并無影響。與表4中pH值>7.5條件下5種重金屬的土壤二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限量值進(jìn)行比較可知,盆栽土中5種重金屬的含量完全符合農(nóng)田用地標(biāo)準(zhǔn)要求。
2.2.2 盆栽土壤中重金屬污染評(píng)價(jià) 在利用綜合污染指數(shù)法對(duì)盆栽土壤中重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí),由于盆栽土中鎘、砷、汞3種重金屬的具體含量并未測(cè)得精確數(shù)值,但可知其含量小于檢出限,所以可將其值分別用檢測(cè)方法的檢測(cè)下限替代作大致評(píng)價(jià)。
由表6可知,3種處理下盆栽土壤中5種重金屬的污染指數(shù)均較小,對(duì)比表1中單因子指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),5種重金屬各自的單因子污染指數(shù)數(shù)值均遠(yuǎn)小于Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中要求的Pi≤1,可判斷作物并未受到這5種重金屬的污染。將各處理5種重金屬的綜合污染指數(shù)與表2中土壤綜合污染指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比可知,不同處理盆栽土壤中的5種重金屬綜合污染指數(shù)均遠(yuǎn)小于0.7。綜上所述,施用了藻-草-泥有機(jī)肥及其基質(zhì)的土壤并未遭受重金屬的污染,屬于安全等級(jí);此土壤上種植的作物處于清潔水平,未受重金屬污染。
2.3 大白菜中重金屬污染評(píng)價(jià)
2.3.1 大白菜中重金屬含量及污染狀況分析 作物對(duì)土壤中的各類型污染物有不同程度的吸收和富集作用。作物吸收過量重金屬會(huì)影響生長(zhǎng),若人類食用重金屬超標(biāo)的作物,會(huì)直接危害健康。因此,做好蔬菜中重金屬污染的安全評(píng)價(jià)至關(guān)重要。我國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局對(duì)農(nóng)作物中重金屬允許含量作出嚴(yán)格要求,盆栽大白菜中5種重金屬的測(cè)定含量及無公害蔬菜的限量指標(biāo)要求[18]如表7所示。
3 討論
本研究采用巢湖藍(lán)藻、水草和底泥作為有機(jī)肥原料,制備的有機(jī)肥中重金屬含量符合有機(jī)肥安全標(biāo)準(zhǔn)。從材料的來源上分析,巢湖曾經(jīng)作為水源地,有較多關(guān)于巢湖水體及表層底泥或沉積物中的重金屬、其他污染物的污染程度及分布狀況的研究。韓小勇的研究結(jié)果表明,巢湖水體以富營(yíng)養(yǎng)化污染為主,主要表現(xiàn)為氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素的高度超標(biāo),重金屬等其他污染并不十分顯著[19]。劉偉等對(duì)巢湖清淤合肥項(xiàng)目區(qū)域污染底泥調(diào)查的研究表明,底泥中鉛、鉻、鎘、砷的含量對(duì)巢湖尚不構(gòu)成潛在生態(tài)危害[20]。童軍華等對(duì)巢湖水體及沉積物中的銅、鉛、鎘、鉻等元素進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn),巢湖水體中重金屬含量偏低[21]。因此,基于這些研究也可間接證明巢湖中藍(lán)藻、水草和底泥中的重金屬含量不高。至于其他湖泊或河道的藻、草、泥是否可以作為肥料利用,同樣須要對(duì)其進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)。
另一方面,雖然本試驗(yàn)施用的藻-草-泥有機(jī)肥料符合重金屬安全標(biāo)準(zhǔn),但由于原料的特殊性,重金屬含量相對(duì)于化肥偏高,有機(jī)肥攜帶的重金屬污染除了直接帶入一定量重金屬進(jìn)入土壤,還可以通過影響土壤的理化性質(zhì)來間接改變土壤中重金屬的存在形態(tài),從而影響重金屬在作物體內(nèi)的富集轉(zhuǎn)化[22]。研究表明,施用不同溯源的有機(jī)肥料后,土壤中銅、鋅、 鎘、 鉛、 鉻、砷、 汞等重金屬元素含量呈不同程度的增加[23]。若進(jìn)行長(zhǎng)期的定量施用有機(jī)肥料試驗(yàn),作物體內(nèi)不同種類的重金屬含量會(huì)有不同程度的變化,如鉛含量的增幅范圍為0.01~0.31 mg/kg[24]。本試驗(yàn)在這方面也有所體現(xiàn),雖然盆栽土壤重金屬評(píng)價(jià)為安全等級(jí),生長(zhǎng)的白菜為清潔水平,但盆栽土壤重金屬含量略微有所提升。因此,長(zhǎng)期定位施用藻-草-泥有機(jī)肥或其基質(zhì),是否也會(huì)帶來重金屬累積有待進(jìn)一步研究。endprint
4 結(jié)論
巢湖生態(tài)治理過程中打撈出的生物體(藻類和植物體)與疏浚污泥等廢棄物制備的藻-草-泥有機(jī)肥料中5種重金屬(鉛、砷、鉻、鎘、汞)的含量符合有機(jī)肥料的重金屬安全標(biāo)準(zhǔn)。
施用藻-草-泥有機(jī)肥盆栽土壤中5種重金屬的綜合污染指數(shù)遠(yuǎn)小于0.7,說明土壤處于安全等級(jí)。因此,施用藻-草-泥有機(jī)肥不會(huì)對(duì)土壤造成重金屬污染。
大白菜中鉛、砷、鉻、鎘的含量均符合無公害蔬菜的質(zhì)量安全要求,而汞的含量低于儀器檢出下限,未檢出。分析結(jié)果表明,食用此大白菜不會(huì)對(duì)人體造成重金屬傷害。
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