長期施用沼氣池沼液對土壤及產品的影響
隨著種植業和養殖業的集約化和規?；l展,沼氣工程成為畜禽養殖場糞便及其養殖污水處理和循環利用的重要環節之*21。連續、大量的沼液如不能及時消納,會對環境造成二次污染3-4。沼液的及時消納已成為制約沼氣工程發展的限制性因素。沼液中含有氮磷鉀和中微量元素,已有大量研究探討了沼液替代化肥后對土壤養分供應和對植物生長的影響5-7。沼液中不僅含有植物所需要的養分元素,還包含多種生理活性物質(吲哚乙酸、赤霉 素、細胞分裂素)和抗生*(喹啉酮類),具有促進生長、抑菌、刺激、提高抗逆性等功效。
養殖過程中作為飼料添加劑的重金屬元素通過飼料一畜禽一糞便一沼液一土壤一植物的途徑,導致沼液施用存在使土壤和農產品重金屬積累的潛在風險:劉思辰9分析了全國約100個沼液樣品中重金屬的含量,認為豬糞沼液重金屬含量高于牛場沼液,沼液中Hg和Cd超標的風險較大;李堯琴對重慶市5個養豬場的沼液檢測發現,沼液中As嚴重超標,Hg和Cd輕微超標;趙麒淋的研究表明施用沼液增加土壤中Cd,Cr,Hg含量和玉米籽粒中Cd,Cr,Pb含量。
沼氣工程的原料、工藝等不同會導致沼液的養
分、重金屬含量也不同;而不同作物的需肥規律和需肥量也各不相同。因此不同原料的沼液應用于不同的作物,其效果不同。本文通過對長期施用沼液的土壤進行采樣分析,研究施用沼液對土壤養分和重金屬含量、農產品的重金屬含量的影響,以期為沼液的安全利用、降低土壤被重金屬污染的風險提供參考依據。
材料和方法
1.1試驗地點
2016年9月19日采集山東省煙臺蓬萊市劉家溝鎮從未施用沼液的蘋果種植基地(A)、山東省煙臺蓬萊市劉家溝鎮園藝場蘋果種植基地(B)、山東煙臺蓬萊市北溝鎮徐家集村葡萄種植基地(C)以及冬天沼氣工程中直接澆灌沼液的自留土地(D)的土壤樣品。
所施沼液為山東煙臺某沼氣工程雞糞沼液。其理化性質見表
各采樣點沼液施用情況:
B:面積50畝,土地平整,連續施用沼液8年,沼液施用量為開花前5m3·677m-2,謝花后7
67m-2,果實膨大期前5m3·677m-2,采果后
3·67m2,共22m3·677m2。全年不施用有機肥,只在果實膨大期時施用高鉀水溶肥料15g·677m-
C:面積466667m2,土地平整,連續施用沼液8年,3月初~11月底結合澆水,每隔半個月施用沼液一次,同時施用水溶肥料。全年施用沼液量約10m3·677m-2,葡萄采摘后施用有機肥1t·677m-2。
D面積66667m2,土地平整,玉米生長期間根據墑情大水漫灌;玉米收獲*第2年種植前,連續多次采用大水漫灌*土壤飽和含水量。連續施用沼液8年,全年沼液的施用量約50m3·677m2。
1.2樣品的采集與測定
采樣點的確定:以連續平整的約677m2土地為采樣單元,采用對角線布點,采集5個土樣,混勻。A,B,C,D共4個采樣單元,分別采集0~20cm,2040cm和40~60cm深的土樣,共12個樣品。
采樣后放置于陰涼處風干。然后分別測定其速
效氮、速效磷、速效鉀、全氮、有機質和pH值。其中 速效氮采用堿解擴散法測定,速效磷采用碳酸氫鈉 提取鉬銻抗顯色法測定,速效鉀采用醋酸銨提取 火焰分光光度計法測定,有機質采用重鉻酸鉀硫酸 外氧化法測定,pH值采用水溶酸度計法測定。 果和葡萄收獲后采集果實樣品。 采集的土壤和果實樣品送*煙臺出入境檢驗檢 疫局檢驗檢疫技術中心測定其As,Hg,Cr,Cd,P含量
1.3數據統計與處理
數據均采用Excl和sAS程序軟件進行統計分析
2結果與分析
2.1長期施用沼氣池沼液對土壤理化性質的影響
2.1.1施用沼氣池沼液對土壤pH值的影響
王存龍12等人的研究發現,過量施用化肥工礦污染以及污染形成的酸雨使煙臺市區內土壤明顯酸化。煙臺市酸化土壤面積占全市土壤面積的21.18%013。地塊A,B,C,D的0~20cm,20-4cm,40~60cm土壤pH值都小于7(見表2)。地塊A的pH值低于B,C和D,原因可能為:B,C和D施用的沼氣池沼液pH值為8.24,可以中和土壤酸度,從而提高土壤pH值。
表2施用沼氣池沼液對土壤pH值的影響
2.1.2施用沼氣池沼液對土壤中速效氮含量的影響
全國第二次土壤普查將土壤肥力從高到低分為1-6級,地塊A的土壤速效氮含量達到2級標準(120~150mg·kg-1),地塊B,C和D地塊達到3級標準(90~120mg·kg)(見表3)。張東“等通過分析黃土高原成齡富士蘋果園土壤養分含量對土壤進行分級,將土壤中養分含量分為缺乏、低值正常值、高值、過高5個等級。4個地塊的土壤速效氮含量都位于高值范圍(85~150mg·kg-)。因此,施用沼氣池沼液不會造成土壤中速效氮含量的不足。
2.1.3長期施用沼氣池沼液對土壤中的速效磷的影響
C地塊的0~20cm,20~40cm,40~60cm土層土壤速效磷含量*高,原因可能為:地塊C園每 隔半個月沖施一次沼氣池沼液和速效養分水溶肥,頻繁的 澆水和施肥造成磷的下移和累積(見表4)。地塊D 的0~20cm土層土壤速效磷含量顯著高于A,B兩 個地塊,原因可能為:地塊D沼氣池沼液施用量遠高于其它地塊,造成了土壤速效磷的累積。
全國第二次土壤普查養分分級標準將土壤速效磷含量>40mg·kg-作為一級土壤的指標值。4個地塊的0~20cm土層土壤速效磷含量都大于40mg·kg-。張東等人認為土壤速效磷含量3545mg·kg-為果園土壤的高值范圍,大于45mg·kg為過高。A地塊的土壤速效磷含量接近高值范圍的上限,其余3個地塊均處于過高范圍,尤其是C地塊,其土壤速效磷含量為45mg·kg的3.47 倍
2.1.4長期施用沼氣池沼液對土壤中的速效鉀的影響
全國第2次土壤普查養分分級標準將土壤速效 鉀含量>00mg·kg作為一級土壤的指標值。4個地塊中3層土壤中速效鉀含量都超過200ng·kg-,地塊D的20-40cm速效鉀含量達到175896mg·kg(見表5)。張東研究認為土壤速效鉀含量>350mg·kg為過高范圍,300350mg·kg-1為高值范圍。地塊A,C,D的0~20cm土層速效鉀含量處于過高范圍,B為高值范圍。
D地塊0-20cm,20~40cm,40~60cm土層土壤速效鉀含量顯著高于B和C地塊,原因可能 為:D地塊沼氣池沼液的施用量顯著高于其它兩個地塊,造成土壤中鉀元素的過多累積。
2.1.5長期施用沼氣池沼液對土壤中的有機質含量的影響
全國第二次土壤普查養分分級標準將一、二、三級土壤有機質含量的指標值分別為>4%,3%4%,2%~3%。C地塊0~20cm土壤為一級土壤,A和D為二級土壤,B為三級土壤。張東研究認為土壤有機質含量>3%為過高范圍,1.8%~3%為高值范圍。地塊A,C,D的0~20cm土壤有機質的含量位于高值范圍,C位于過高范圍(見表6)。
C地塊每年施用有機肥1噸·677m-2,所以其 3層土壤中有機質含量都高于不施用有機肥的B和 D地塊。因為沼氣池沼液中含有2.01%的固形物,即使B和D不施用有機肥,其土壤中有機質含量也可達到張東4等人認定的高值范圍和過高范圍:假設沼氣池沼液中2.01%的固形物全為有機質,則B和D地塊每年 分別施用22m3·67m-2,50m3·677m2沼氣池沼液,相當于每年施用有機肥(含水量30%)0.68 677m2和1.45t·677m-2
2.2長期施用沼氣池沼液對土壤和果實重金屬含量的影
2.2.1長期施用沼氣池沼液對土壤中的重金屬含量的影響
楊樂15等人的試驗表明連續5年施用沼氣池沼液后,施用沼氣池沼液處理土壤中的Cr,Cd,As,Pb,Ni含量顯著高于對照和施用化肥處理;但也有試驗表明施用沼氣池沼液不會增加重金屬風險:王衛平16等人的試驗表明柑桔施用沼氣池沼液后,與常規管理的處理相比較,土壤中砷、汞、鎘、鉻含量2個處理間變化較小,但鉛含量有 上升趨勢;李勝利等人將沼氣池沼液:水=1:2通過滴灌 施入基質栽培的生菜和小白菜中,試驗結束后施用 沼氣池沼液的基質中銅、鋅、鉻、鎘、鉛含量與對照無差異。 施用沼氣池沼液的B,C地塊的土壤Cr,Hg,Cd含量與 未施用沼氣池沼液的A地塊差異不顯著;B,C,D地塊的土
壤P含量;B地塊的土壤As含量顯著高于A地塊 (見表7)。而大量施用沼氣池沼液的D地塊土壤Pb,As, Cr,Hg,Cd含量都顯著高于A地塊。 施用沼氣池沼液的B和C地塊As,Cr,Hg,Cd含量低 于《GB15618-1995土壤環境質量標準》中一級(自 然背景)土壤中的限定值,而B和C地塊的P含量 高于一級土壤中的限定值。D地塊的土壤Pb,As, Cd含量高于一級土壤中的限定值,cd含量(0.39mg·kg-)超過二級土壤中的限定值(為保障農業 生產,維護人體健康的土壤限制值)。
2.2.2長期施用沼氣池沼液對果實重金屬含量的影響
李勝利等人的試驗表明施用沼氣池沼液相對于常規管理未增加生菜和小白菜中Pb,Cr,Cd含量。王衛平6等人的試驗表明無論是常規管理還是施用沼氣池沼液,柑桔果實中未檢出Pb,As,Cr,Hg,Cd。武立葉8等人的試驗表明施用豬糞沼氣池沼液未增加豇豆Pb,As,Cr,Hg,Cd的含量。楊軍芳等人的試驗發現追施沼氣池沼液增加了白菜Cd含量。除了B和C地塊中果實中檢測出Cr外,A,B,C地塊的果實中都未檢測出其它重金屬(見表8)。B和C地塊中果實中Cr含量分別為0.16mg·kg,0.11mgkg,低于《GB2762-2012食品安全國家標準食品中污染物限量》中的限定值0.5mg·kg
3討論
沼氣池沼液含有豐富養分元素和生理活性物質 的農田利用不僅能消納沼氣池沼液,同時也可促進植物 長、提高果實產量和品質。B和C地塊在主要 沼氣池沼液的基礎上補充施用水溶肥料,土壤速效和 機質含量位于全國第二次土壤普查養分分級標外 的三級,速效磷和鉀為一級;土壤速效氮位于張東等 人劃分的高值范圍,速效磷、速效鉀和有機質位于 高范圍;綜合4個指標評判,B和C果園屬于張 東等人劃分的“高產園”。且通過與B和C地塊 的主人訪談,他們認為自己果園產量與常規管理果 園無差異,并且品質和銷售價格高于常規管理果園 所以才能連續8年施用沼氣池沼液,這也從側面證明了器 液代替部分化肥和有機肥的可行性 有試驗發現沼氣池沼液灌會增加土壤中重金屬的含 量,也有試驗發現沼氣池沼液灌溉不會增加土壤中重金屬 的含量。不同試驗的不同試驗結果,可能與沼氣池沼液中 重金屬含量施用量、稀釋倍數、作物、降雨量等因素 相關。相對于常規管理的A地塊,施用沼氣池沼液B和 地塊中P和As含量顯著上升,大量施用沼氣池沼液的D地塊土壤Cd含量甚*超過了二級土壤中的限定值(為保障農業生產,維護人體健康的土壤限制值)因此,長期大量施用沼氣池沼液存在土壤重金屬污染風險。并且B和C地塊的果實中檢測出Cr,因此長期大量施用沼氣池沼液也存在食品重金屬安全問題
4結論
(1)施用雞糞沼氣池沼液配合水溶肥料,可以滿足作物對氮、磷、鉀、有機質的需求,并且可以提高土壤 p值.,改善土壤酸化的問題。
(2)BC地塊連續8年施用雞糞沼氣池沼液增加了士 壤中部分重金屬含量和果實中Cr含量,但是未超過 國家相關標準。
(3)D地塊施用雞糞沼氣池沼液50m3,67m2,土壤 中As,Cr,Hg,CA,P的含量都顯著高于未施用沼氣池沼液 的A地塊,并且土壤中Cd含量超過了《GB1568 199土壤環境質量標準》二級土壤中的限定值/為 保障農業生產,維護人體健康的土限制值)