猪粪对土壤不同形态铜、锌含量及蔬菜的影响

张辉，李文凤，赵盈盈，张井

(温州市农业科学研究院，浙江 温州 325006)

我国传统农业的施肥以有机肥为主，随着生态农业的兴起，越来越多的农户和农业企业重视有机肥的使用，但大多只注重有机养分的含量，却忽视了其中重金属的危害[1-2]，而重金属污染是环境污染的主要渠道之一[3]。自20世纪40年代以来相继发现在猪日粮中添加高剂量的铜或锌可显著提高猪的生产性能后，高剂量的铜、锌作为一种高效而廉价的促生长添加剂在世界各国养猪业中得到广泛应用[4]。作为有机肥生产原料，含有重金属的猪粪施入农田后势必对土壤造成污染，且重金属具有积累性和难以迁移等特点，长期使用势必造成重金属在土壤中富集，进而影响农作物的质量安全，甚至通过食物链影响食品安全及人类健康[5]。土壤中重金属的形态分级是衡量其生物有效性的重要依据，采用Tessler连续浸提法，重金属的形态一般可分为可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态、残留态[6]，一般交换态被认为有效态，在自然土壤中约占全量的1%；有机结合态是有效态的直接补充来源，与有效态的含量有明显的相关性，但取决于土壤有机质的种类和含量；铁锰氧化物结合态对植物有效性较低；碳酸盐结合态主要出现在pH值较高且含有碳酸盐的土壤中，占土壤总量的5%～20%；残留态被视为无效态。林琦等[7]的研究表明，各形态重金属的可利用顺序是交换态>有机结合态>碳酸盐结合态>铁锰氧化物结合态>残留态，上述不同形态在一定条件下可以相互转化。本文以温州普通农田土壤为对照，研究添加猪粪有机肥前后土壤中各形态铜、锌含量的变化，并通过所种植的花椰菜，分析土壤输入猪粪有机肥后对花椰菜中铜、锌含量的影响。

1 材料与方法

1.1 试材与仪器

试验土壤采自温州市郊区普通农田，猪粪采自温州市规模生猪养殖场。微波消解仪(MARSX，美国培安公司)；原子吸收分光光度计(ICE3500，赛默飞世尔科技公司)。

1.2 试验过程

采集猪粪25 kg进行堆肥，待发酵腐熟后备用。以温州市郊区普通土壤为背景，添加猪粪有机肥后搅拌均匀放置6个月。采集普通土壤与施入猪粪有机肥的土壤各20份，检测其中全量及各形态铜、锌含量，再以普通土壤为对照，在添加猪粪有机肥的土壤中种植花椰菜，待花椰菜成熟后，抽取两种土壤种植的花椰菜各20份，检测可食用部位中铜、锌的含量。

1.3 样品制备

去除土壤样品中的石子及动植物残体等杂物，自然晾干后用木棒碾压成粉末，经孔径0.149 mm(100目尼龙筛)过筛后装瓶待测。花椰菜取其可食用部位，洗净切成小块后进行匀浆。

1.4 铜、锌含量检测前处理

1.4.1 土壤全量铜、锌含量

采用盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸消解方法。称取试样0.2～0.5 g，置于聚四氟乙烯坩埚中，用水润湿后加入10 mL盐酸轻摇，使试样充分浸透，置于120 ℃电热板加热(最好先在通风橱中放置过夜，翌日再消化)。当盐酸剩余3 mL时取下高型烧杯冷却，加5 mL硝酸、3 mL高氯酸、5 mL氢氟酸，于180 ℃加热，期间经常摇动坩埚达到飞硅的效果，至冒白烟时继续加热至内容物成粘稠状，视消解情况可继续加入上述3种酸，重复消解过程，消解完成后加入1 mL硝酸温热溶解残渣，转移至容量瓶用超纯水定容，用火焰原子吸收法进行检测。

1.4.2 土壤各形态铜锌含量

采用Tisser的形态连续提取法。

1)可交换态。在室温下，称取样品1 g，连续搅拌下用8 mL的MgCl2(1 mmol·L-1，pH值 7.0)提取1 h，10 000 r·min-1离心30 min后取上清液待测。

2)碳酸盐结合态。将1)中的沉淀物在室温下连续搅拌，用8 mL的pH值5.0的醋酸缓冲液提取至反应完全(5 h)，10 000 r·min-1离心30 min后取上清液待测。

3)铁锰氧化物结合态。利用20 mL的溶解于25%(V/V)醋酸中的0.04 M的NH2OH·HCl溶液两种方法对沉淀物进行提取。后一种方法在(96±3)℃下进行偶尔的搅拌(6 h)，10 000 r·min-1离心30 min后取上清液待测。

4)有机结合态。对3)得到的沉淀物中加入3 mL 0.02 mmol·L-1的HNO3和5 mL 30%的用HNO3调整pH值至2的H2O2。将混合液在(85±2)℃下加热2 h，适当搅拌。再加入另外3 mL的用HNO3调整pH值至2的H2O2，再在(85±2) ℃下加热3 h，间歇搅拌。冷却后，再加入5 mL溶解于20%(V/V)HNO3中的3.2 mmol·L-1的NH4OAc溶液，连续搅拌30 min，10 000 r·min-1离心30 min后取上清液待测。

5)残余态。对4)中的沉淀物采用盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸消解方法进行消解(参考土壤全量铜、锌含量的检测)。

1.4.3 花椰菜铜锌检测方法

微波消解法。称取花椰菜样品1 g左右于微波消解罐中，加入8 mL硝酸浸泡过夜，次日置于加热架上120 ℃预热30 min左右，待黄烟冒尽停止加热冷却，冷却至室温后加2 mL H2O2，拧紧消解罐盖子置于微波消解仪中，微波消解仪温度梯度的设置：由室温经5 min升至60 ℃后保持10 min，再经5 min升至100 ℃后保持10 min，最后经5 min升至180 ℃后保持20 min。微波消解完后在加热架上120 ℃下赶酸至黄色烟消失，开始冒白烟(约10 min)后用超纯水定容至25～50 mL(根据样品中被测元素含量而定)，上机检测。

1.5 利用火焰-原子吸收分光光度计检测

将上述各样品消解液定容后，采用原子吸收分光光度计，选用火焰检测模式进行检测，夹缝设置为0.2 nm，空气压力为0.25 MPa，乙炔压力为0.05 MPa，铜元素波长为324.8 nm，锌元素波长为213.93 nm，灯的电流为2.0 MA。

2 结果与分析

将猪粪进行堆肥发酵腐熟后，与土壤按1∶4进行混配，搅拌均匀，放置6个月使其充分平衡，检测其中土壤全量及各形态铜、锌含量。

2.1 添加猪粪有机肥后土壤全铜含量及各形态铜含量变化

由表1可以看出，土壤中施入有机肥后，铜总量及各形态含量均有不同程度上升，两组数据均呈极显著差异(P<0.01)。各形态占全量的百分比有不同的变化，其中交换态、铁锰氧化物结合态、残留态占全量比例有所下降，碳酸盐结合态和有机结合态占全量比例呈上升趋势，其中以有机结合态上升趋势较大。对照GB15618—1995，当土壤pH值在6.5～7.5时，铜含量农田土壤的二级标准为35～100 mg·kg-1，三级标准为100～400 mg·kg-1。本试验采用的土壤pH值为6.8，其中对照土壤铜含量在二级标准范围内，加入猪粪有机肥后，铜含量均已达到三级标准。

表1 添加猪粪有机肥后土壤全量及 各形态铜含量变化

注：同列无相同大小写字母分别表示组间在0.01和0.05水平差异显著。表2～3同。

2.2 添加猪粪有机肥后土壤全锌含量及各形态锌含量变化

由表2可以看出，土壤中施入有机肥后，除残余态锌有所下降且呈显著差异外，锌总量及各形态含量均有不同程度上升，并均呈极显著差异。各形态占全量的比例变化不一，其中残余态呈下降趋势，其他形态均呈上升趋势。对照GB 15618—1995，当土壤pH在6.5～7.5时，锌含量农田土壤的二级标准为100～250 mg·kg-1，三级标准为250～500 mg·kg-1。本试验采用的土壤pH值为6.8，其中对照土壤锌含量在二级标准范围内，加入猪粪有机肥后，锌含量已达到三级标准。

表2 添加猪粪有机肥后土壤全量及 各形态锌含量变化

2.3 两种土壤所种花椰菜中铜、锌含量的变化

由表3可以看出，土壤中添加猪粪有机肥后，种植的花椰菜中铜、锌含量随之上升，两组数据呈极显著差异。参考食品中铜、锌限量卫生标准GB 13106—1991、GB 15199—1994(两种标准于2011年1月10日废止，但目前尚未出台关于蔬菜中铜、锌的限量标准，仅作参考)，蔬菜中铜、锌含量应不超过10和20 mg·kg-1。研究表明，花椰菜中铜、锌含量均未超过限量标准的要求。由此可见，土壤中铜锌含量会对蔬菜造成一定的影响，但影响不大。

表3 两种土壤种植花椰菜中铜、锌含量的变化

3 小结与讨论

综上研究结果可知，采用猪粪有机肥进行施肥后，土壤中铜、锌总量及各形态含量总体有不同程度的上升，但各形态占总量比例变化不一。其中，残留态锌所占总量比例呈下降趋势。对照标准GB 15618—1995，土壤在施入猪粪有机肥后，铜、锌总量均由二级标准降至三级标准；根据GB 15618—1995的土壤环境质量分类和标准分级的要求，二级标准是保障农业生产、维护人体健康的土壤限制值，适用于一般农田，如蔬菜园等，土壤质量对植物和环境基本不造成危害和污染。三级标准是保障农林业生产和植物正常生长的土壤临界值，主要适用于林地土壤、污染物容量较大的高背景值土壤及矿产附近等地的农田土壤(蔬菜地除外)，土壤质量对植物和环境基本不造成危害和污染。三级标准的土壤不适合蔬菜种植，但在该土壤环境下种植的蔬菜中铜、锌含量虽有所上升，却并未超过食品限量标准。同种蔬菜对不同重金属有不同的吸收能力，不同蔬菜对同种重金属的吸收能力也不同[8]。本研究仅做了高铜、高锌有机肥施入土壤后对花椰菜品质的影响，对于其他蔬菜的影响并未了解，不排除其他蔬菜对铜、锌具有较高的吸附性，导致高铜、高锌有机肥输入土壤后造成蔬菜铜、锌超标。另外，因重金属具有积累性和难以迁移等特点，长期使用高铜、高锌有机肥势必造成重金属在土壤中富集，土壤一旦受到污染，很难恢复，治理污染需要付出很大代价，减少污染最根本的办法就是控制污染源头，降低饲料中铜、锌添加量，并合理地使用猪粪有机肥，避免污染加重。