养殖场沼液还田对作物及土壤重金属含量的影响

杨 琴，彭朝辉，朱顺熙,孙家宾，樊战辉

(成都市农林科学院，成都 611130)

改革开放以来，农村经济不断发展，农业产业结构不断向规模化、集约化发展。随着集约化养殖业的不断扩大，养殖业废弃物对环境的破坏问题日益严重，如何将养殖废弃物资源化、减量化、无害化，成为畜牧业可持续发展面临的重大难点和焦点[1]。国际上多采用沼气工程来处理养殖场废弃物，如欧洲一些国家，建设沼气工程的主要动力就是发展有机农业[2]，一方面，产生沼气可以回收清洁可再生能源，另一方面，将沼气发酵残余物作为肥料用于农田。国内也逐步形成以沼气为纽带的生态循环农业模式—“养殖-能源-种植”，以实现保护和改善农业生态环境的目的。

沼液是沼气工程发酵产物之一，可替代化肥和农药，能减少化肥和农药的使用量20%以上，科学合理地应用在农作物和果蔬上，可提高农作物和果蔬的产量、改善品质、提高抗性、预防病虫害等[3]，在农业生产中已经得到了广泛应用。养殖场沼液含有植物所需的大量元素和微量元素，可作为优质有机肥用于农业种植[4]。沼液中含有90%以上的水分，施用沼液可减少作物的灌溉用水[5]，起到节约水资源的作用[6]。沼液的肥效作用得到广泛的认可，如沼肥施用可使小麦产量提高15.0%～25.0%，叶片叶绿素和光合速率分别比对照提高15.0%～22.0%和8.7%～24.7%，且在基施的基础上追施沼液，效果更加显著[7]。沼液还田施用可增加玉米产量和改善玉米品质，粗蛋白、粗脂肪、粗淀粉含量分别提高了19.82%，89.01%，11.31%，产量提高1.08倍[8]。沼液喷施能全面促进水稻秧苗快速生长，提升水稻种植质量与产量[9]。施用沼液能显著提高水稻籽粒产量，最高产量为18.75 t·hm-2，相比清水对照和常规化肥处理分别提高15.5%和9.93%，施用沼液还可显著提高稻米蛋白质和矿物质[10]。沼液也具有改善农产品品质的效果，沼液处理茭白维生素C提高12.6%～17.8%，蛋白质增加3.42%～5.69%，总糖增加3.82%～5.93%[11]；沼液的施用使番茄可溶性糖、可滴定酸、糖酸比、维生素C及果实硬度均有提高[12]。施用沼液可提前春茶萌动时间，增加春茶发芽密度，能改善茶叶品质，提高水浸出物、游离氨基酸含量，降低咖啡碱、茶多酚和酚氨比[13]。猪粪沼液处理改善了土壤结构和持水能力，显著提高了土壤饱和导水率、土壤团聚体量，在改善土壤环境方面具有很高的化肥替代性[14]。

尽管沼液有着诸多的优点，但是现代养殖为了促进生长和疾病预防，矿物元素被广泛添加于饲料当中，矿物质元素多来源于矿石，其中包含一些重金属元素，动物对矿物质元素吸收利用量有限，大部分随粪便排出，进而分布在沼液中。沼液作为有机肥施用于作物，重金属元素被作物吸收而影响农产品的安全性，通过食物链危害人类健康，残留在土壤中的重金属造成土壤环境污染，毒害土壤微生物，降低土壤微生物活性和破坏微生物群落结构[15]。重金属具有难迁移、难降解、易富集、危害大等特点，也逐渐成为沼液利用的限制因素。基于此，笔者对沼液还田利用对作物和土壤重金属含量的影响进行综述，旨在为沼液安全还田利用提供借鉴。

1 养殖场沼液中重金属含量

1.1 重金属来源

养殖场沼液中可能含有的重金属包括As，Cd，Cr，Hg，Pb，Cu，Zn，Ni等，沼液中重金属来源于发酵原料，养殖场沼液中重金属来源于饲料，重金属类型、含量一般与养殖类型及饲料构成有关。随着集约养殖业的快速发展，具有促进生长和疾病预防作用的重金属被广泛添加于饲料中，但由于畜禽对重金属的利用率较低，其大部分会通过原样的形式随着排泄物(粪便、尿)排出体外，而厌氧发酵对重金属的钝化作用有限，一部分重金属分布于沼渣沼液中，粪污经过厌氧发酵后约有56%的进料固体物质沉降在沼渣中，液相中重金属会吸附在固体表面或胶团上沉淀在沼渣中，沼液中重金属含量大幅度降低[16]。魏世清[17]等研究结果表明，猪场粪污经过厌氧发酵后留存在沼液中的重金属含量明显低于粪污中的含量，并且不同月份沼液中重金属含量差异较大。但有相关研究表明，经过厌氧发酵后的沼液中的重金属浓度仍然超过了农田灌溉水质标准[18-19]，存在还田风险。

1.2 重金属含量

由于沼液中重金属来源于发酵原料，相关研究调查表明，不同畜禽粪便沼气发酵的沼液中重金属含量和畜禽粪便中重金属平均含量的分布规律基本呈现出Zn>Cu>Cr>Ni>Pb>As>Cd>Hg的趋势[20]。常见的养殖场沼液重金属含量见表1。

2 沼液还田对作物中重金属含量的影响

农产品中重金属来源比较复杂，有土壤、农药、化肥、工业“三废”及农业废弃物等，比较受关注的有铜、砷、铅、铬、汞、镉等。重金属近年来备受关注，主要原因是其不能被生物降解，一般不会引起急性中毒，易于累积并转化为毒性大的甲基化合物，特别是通过食物链进入人体内累积造成不可逆转的危害，严重影响人体健康。

沼液中含有的大量有机物官能团、微生物对重金属等离子有很强的吸附、转化功能，而且其能力远远超过其他矿质胶体，从而降低重金属离子活性，减少植物对重金属的吸收[27]。张月[28]等研究表明，施沼肥对植物中重金属含量有明显的降低作用。艾天[29]等通过沼肥与化肥混合灌溉生菜，发现施肥方式显著影响重金属的积累，完全施用沼液能够显著降低生菜中的重金属含量。

而另一些研究表明沼液施用会使作物重金属超标，周灵君[30]等研究沼液-土壤-蔬菜系统中重金属变化特征显示，蔬菜中重金属Ni，Zn，Cd和Pb含量超过国内标准限值。郑时选[31]等通过分区域施用沼渣、沼液与化肥配合的不同比例对不同品种的果树和蔬菜的田间试验表明，试验区所有供试作物(蔬菜、水果)中Pb的含量几乎全部超出GB2762-2005(食品中污染物限量) 规定的限量值。李震宇[32]等研究认为，适宜的沼肥施用对甘蔗各器官中Zn含量有降低的作用，但沼肥施用过量则会造成Zn含量的增加。

沼液-土壤-作物是一个复杂的生态系统，作物中重金属含量受作物自身对重金属的吸收能力、土壤供给能力、沼液中重金属含量、沼液施用强度、施用年限、耕作模式以及区域环境等多方面因素影响，具有不确定性，因此，在实际生产中需要建立“沼液-土壤-作物”适宜的生产关系，在利用沼液养分的同时避免造成重金属污染风险。

3 沼液还田对土壤重金属含量的影响

土壤重金属含量是土壤环境质量标准的重要指标，2018年颁布的《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618-2018)，废止了《土壤环境质量标准》(GB 15618-1995)，明确了镉、汞、砷、铅、铬、铜、镍和锌8种重金属筛选值和管制值，更利于保护农用地土壤环境，管控农用地土壤污染风险，保障农产品质量安全、农作物正常生长和土壤生态环境。由于畜禽饲养过程中使用的饲料中含有重金属，如添加的硫酸铜、锌含量分别高达100～250 mg·kg-1，2000～3000 mg·kg-1，而这些重金属在动物体内利用率较低，所以绝大部分随着畜禽排泄物进入环境中[33]。因此，沼液还田利用重金属风险备受关注。

李胜利[34]等将沼液∶水= 1∶2通过滴灌施入基质栽培的生菜和小白菜中，试验结束后施用沼液的基质中铜、锌、铬、镉、铅含量与对照无显著差异。Guo[35]等在稻-麦轮作模式下发现，沼液施用处理后，土壤中的Pb，Cr，Cu，Zn含量均在允许范围内。黄继川[36]等在稻田生态系统中进行试验，证明在连续施用2茬沼液的条件下，稻田土壤中Cd，Cr，As，Pb和Hg含量都符合标准，无重金属污染风险，但As和Cr含量与沼液用量呈现明显正相关性，长期施用沼液可能会致使土壤中As和Cr含量超标。赖星[37]等明确了连续多年施用猪场沼液会增加土壤中重金属Pb，Cd，Cr，As，Hg的累积量。杨乐[38]等的试验表明连续5年施用沼液后，土壤中的Cr，Cd，As，Pb，Ni含量显著高于对照和施用化肥处理。

综上，沼液还田在一些研究中没有出现重金属污染，但是多数学者认定会造成一定的环境风险。原因在于，沼液中存在重金属，而重金属不会自身降解，随着沼液施用量的增加，土壤中的重金属会长期累积被作物吸收，从而对人体身体健康造成潜在的威胁；并且长期施用沼液还会对地下水造成污染，破坏水生态环境，引起藻类疯长等。所以，沼液的施用一定要因地制宜、合理施用，有必要时需要对沼液进行施用前的处理，比如延长陈化时间等，将潜在的风险降到可控范围。

与施用化肥比较尽管沼液中重金属含量较低，但是要达到化学肥料相当的肥效，施用沼液要远远大于化学肥料的量，带入农田的重金属含量略高，如果作物不能带走重金属，将会在土壤中累积，长期累积就会产生污染风险。尽管沼液还田会对土壤、作物造成一定的潜在威胁，但是出现没有受到污染的研究也表明在严格的源头管控、合理施用可以将风险降到可控范围内。

4 总结与展望

经调查研究发现，沼液在长期、高强度施用条件下可能会引起土壤及农产品重金属污染风险。然而当前经济技术条件下，养殖场废水通过厌氧发酵获取清洁可再生能源及沼液还田利用被认为是最优的处置模式。如何降低养殖场沼液还田的重金属风险，笔者认为可以从以下几个方面着手。

4.1 源头减控

源头减控主要有两方面，一控制好矿物质饲料原料品质，减少重金属进入养殖生产环节，如一些饲料企业中重金属含量超标比较普遍，尤其是磷酸氢钙和磷酸二氢钙中超标的重金属元素较多[39]，可改换原料或调整设计比例；其次，养殖上减少或不添加矿物质，寻找环境友好型原料。

4.2 重金属去除研究

开发畜禽粪便、沼液及土壤等重金属去除的新工艺、新技术、新材料和新设备等。

4.3 低累积作物品种选育

土壤重金属通常选择超积累植物吸附去除，反过来思考也就有低累积植物，有报道Duan[40]等鉴定出一些低积累重金属的水稻基因型，低累积作物品种选育有利于农产品质量安全。

4.4 利用大数据

沼液还田利用引起的重金属污染与土壤背景值、土壤理化性质、作物对重金属吸收累积能力、沼液的施用强度、施用年限及耕作模式等多方面因素有关，对现有的研究利用大数据分析，总结降低沼液还田重金属污染的技术模式。