李金澄 孫吉翠 張忠蘭 高煒城 楊守軍

摘要：為探討沼液還田后重金屬在土壤-玉米體系中的遷移、富集規(guī)律。試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理：不施加任何肥料（CK）;施加1倍氮當(dāng)量沼液（1N）;施加2倍氮當(dāng)量沼液（2N）;施加3倍氮當(dāng)量沼液（3N）;施加4倍氮當(dāng)量沼液（4N）。研究結(jié)果表明：在玉米苗期，1N處理的20～40 cm和40～60 cm土壤中Cd含量分別為0～20 cm土壤的26.17%和28.97%，而3N、4N處理20～40 cm和40～60 cm土壤中Cd含量則高于0～20 cm土壤。與Cd不同，沼液處理土壤中Cu、Zn的遷移與分布總體隨土壤深度的增加而降低，至玉米抽穗期，20～40 cm和40～60 cm土壤中的Cu、Zn含量無(wú)明顯差異。沼液處理土壤的As含量隨生育期的延長(zhǎng)而明顯降低，至玉米抽穗期，所有處理土壤均未檢出As。Cu、Zn、Cd 3種重金屬分別在秸稈、籽粒、根系中有明顯的富集，Zn、Cd分別在秸稈-籽粒和根系-秸稈中有較高的遷移能力。沼液中Pb、Ni、Hg、Cr 4種重金屬在土壤與作物間遷移與富集均不明顯。綜合分析認(rèn)為，沼液施用量不高于玉米氮需求4倍時(shí)，土壤和玉米中存在Zn、Cu、Cd、As的遷移與富集，但均不存在污染風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：沼液;施用量;重金屬;遷移;富集;土壤;玉米

中圖分類號(hào)：X53?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?文章編號(hào)：1002-1302（2020）21-0292-05

沼液是沼氣工程處理農(nóng)牧業(yè)廢棄物后產(chǎn)生的尚未達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)的廢水，如何有效處理沼液是當(dāng)今環(huán)境保護(hù)中亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題[1]。在眾多的處理利用工藝中，沼液以肥料的形式還田是傳統(tǒng)且經(jīng)濟(jì)有效的處置方法[2]。

沼液中富含N、P、K等大量元素和Na、Ca、Mg、Fe、有機(jī)質(zhì)、19種氨基酸以及活性酶，基本滿足農(nóng)作物生長(zhǎng)對(duì)肥料的需求，沼液的適量配施不僅能改善作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，還可提升土壤肥力[3-6]。雖然沼液還田能解決農(nóng)作物生長(zhǎng)對(duì)養(yǎng)分的需求問(wèn)題，并且能在作物耐受范圍內(nèi)盡可能地消耗沼液，以減少沼氣工程中沼液消解的農(nóng)田配套面積及沼液輸送等運(yùn)輸成本，但沼液過(guò)量還田也會(huì)導(dǎo)致一系列的環(huán)境生態(tài)問(wèn)題，尤其是作為飼料添加劑的重金屬可通過(guò)飼料-畜禽-糞便-沼液-土壤-植物的途徑，使土壤和農(nóng)產(chǎn)品存在重金屬積累的潛在風(fēng)險(xiǎn)[7]。重金屬進(jìn)入土壤后，大部分被土壤吸附和固定，部分被作物吸收并在體內(nèi)進(jìn)行再分配，最終通過(guò)作物收獲物被帶走，還有一部分可能會(huì)隨水淋洗進(jìn)入深層土壤及地下水中[8]。重金屬污染過(guò)程具有長(zhǎng)期性、隱蔽性和不可逆性，這給重金屬在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的遷移富集研究帶來(lái)一定的困難度，且目前的研究多集中于耕層土壤及作物方面，不足以說(shuō)明土壤重金屬的污染特性及在不同土層的積累情況，難以解釋人類活動(dòng)影響下重金屬的含量分布特征[9-11]。因此，本試驗(yàn)以玉米為試材，研究沼液中重金屬在土壤垂直空間的遷移與分布以及在土壤-玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的遷移與富集機(jī)理，以期為沼液灌溉農(nóng)田重金屬污染防控提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2018年5月至2018年8月在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺(tái)研究院大田試驗(yàn)基地進(jìn)行。土壤類型為棕壤，有機(jī)質(zhì)含量0.88%，堿解氮含量131.41 mg/kg，有效磷含量97.6 mg/kg，速效鉀含量135.76 mg/kg，pH值6.079，可溶性鹽濃度 （EC值）60.0 μS/cm。玉米（Zea mays L.）品種為登海662。試驗(yàn)所用沼液為山東省某沼液工程產(chǎn)生的雞糞沼液，其全氮、全磷、全鉀含量分別為0.59%、0.02%、0.37%，pH值為7.56，EC值為14 780 μS/cm。土壤和沼液中的重金屬含量見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共設(shè)5個(gè)處理：不施加任何肥料（CK）;施加1倍氮當(dāng)量沼液（1N）;施加2倍氮當(dāng)量沼液（2N）;施加3倍氮當(dāng)量沼液（3N）;施加4倍氮當(dāng)量沼液（4N），每個(gè)處理重復(fù)3次。玉米株、行距分別為45、35 cm，目標(biāo)產(chǎn)量為 7 500 kg/hm2，需氮量為 201 kg/hm2。沼液施用量按沼液氮養(yǎng)分供給和玉米氮養(yǎng)分需求基準(zhǔn)平衡進(jìn)行換算，沼液于土壤翻耕前一次性施入，所缺磷、鉀養(yǎng)分用化肥補(bǔ)齊。施肥情況詳見(jiàn)表2。

1.3 樣品采集與測(cè)定方法

在玉米的苗期、拔節(jié)期、抽穗期、完熟期分別采集0～20 cm（表層土）、20～40 cm（中層土）、40～60 cm （深層土）土層的土壤，用于重金屬含量的測(cè)定。在玉米的完熟期采集整株玉米，用于根系、秸稈和籽粒中重金屬含量的測(cè)定。土壤中Cu、Zn、Cd、Cr、Pb、Ni含量的測(cè)定采用原子吸收分光光度法[12];土壤中As、Hg含量的測(cè)定分別采用二乙基二硫代氨基甲酸銀分光光度法和氫化物發(fā)生-原子吸收分光光度法[13-14]。玉米根系、秸稈、籽粒中的Pb、Cd、Ni、Cu、Zn、Hg、As、Cr含量的測(cè)定分別按照GB 5009.12—2017《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中鉛的測(cè)定》、GB 5009.15—2014《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中鎘的測(cè)定》、GB 5009.138—2017《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中鎳的測(cè)定》、GB 5009.13—2017《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中銅的測(cè)定》、GB 5009.14—2017《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中鋅的測(cè)定》、GB 5009.17—2014《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中總汞及有機(jī)汞的測(cè)定》、GB 5009.11—2014《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中總砷及無(wú)機(jī)砷的測(cè)定》、GB 5009.123—2014《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中鉻的測(cè)定》。

1.4 重金屬遷移系數(shù)和富集系數(shù)的計(jì)算

富集系數(shù)FBC可表征重金屬在土壤-玉米根系之間的遷移能力，值越大，重金屬的遷移能力越強(qiáng);遷移系數(shù)FT1、FT2表示重金屬在根系-秸稈、秸稈-籽粒中的遷移能力，值越大，重金屬的遷移能力越強(qiáng);用累計(jì)富集系數(shù)（β）表示玉米籽粒中重金屬相對(duì)于土壤的富集系數(shù)，β值越大，重金屬的富集能力越強(qiáng)[15-16]。上述系數(shù)的計(jì)算公式如下：

4 結(jié)論

沼液氮供給不高于玉米氮需求4倍（600 t/hm2）時(shí)，Zn、Cu、Cd、As、Pb、Ni、Hg、Cr 8種重金屬在土壤和玉米中無(wú)污染風(fēng)險(xiǎn)。其中，Cd在0～60 cm土壤中的遷移明顯;Cu和Zn在0～20 cm的土壤中、Cd在20～40 cm的土壤中有明顯富集。Cd和Zn分別在玉米秸稈和籽粒中存在富集效果。

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