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隨著(zhù)種植業(yè)和養殖業(yè)的集約化和規?；l(fā)展,沼氣工程成為畜禽養殖場(chǎng)糞便及其養殖污水處理和循環(huán)利用的重要環(huán)節之一21。連續、大量的沼液如不能及時(shí)消納,會(huì )對環(huán)境造成二次污染3-4。沼液的及時(shí)消納已成為制約沼氣工程發(fā)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(cháng)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(zhì)(吲哚乙酸、赤霉  素、細胞分裂素)和抗生素(喹啉酮類(lèi)),具有促進(jìn)生長(cháng)、抑菌、刺激、提高抗逆性等功效。

養殖過(guò)程中作為飼料添加劑的重金屬元素通過(guò)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(chǎn)品重金屬積累的潛在風(fēng)險:劉思辰9分析了全國約100個(gè)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(chǎng)沼液,沼液中Hg和Cd超標的風(fēng)險較大;李堯琴對重慶市5個(gè)養豬場(chǎng)的沼液檢測發(fā)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(huì )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(guò)對長(cháng)期施用沼液的土壤進(jìn)行采樣分析,研究施用沼液對土壤養分和重金屬含量、農產(chǎn)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(fēng)險提供參考依據。

材料和方法

1.1試驗地點(diǎn)

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(píng)果種植基地(A)、山東省煙臺蓬萊市劉家溝鎮園藝場(chǎng)蘋(píng)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(zhì)見(jiàn)表

各采樣點(diǎn)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(kāi)花前5m3·677m-2,謝花后7

67m-2,果實(shí)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(shí)膨大期時(shí)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(gè)月施用沼液一次,同時(shí)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(cháng)期間根據墑情大水漫灌;玉米收獲至第2年種植前,連續多次采用大水漫灌至土壤飽和含水量。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(diǎn)的確定:以連續平整的約677m2土地為采樣單元,采用對角線(xiàn)布點(diǎn),采集5個(gè)土樣,混勻。A,B,C,D共4個(gè)采樣單元,分別采集0~20cm,2040cm和40~60cm深的土樣,共12個(gè)樣品。

采樣后放置于陰涼處風(fēng)干。然后分別測定其速

效氮、速效磷、速效鉀、全氮、有機質(zhì)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(zhì)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(shí)樣品。  采集的土壤和果實(shí)樣品送至煙臺出入境檢驗檢  疫局檢驗檢疫技術(shù)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(jìn)行統計分析

2結果與分析

2.1長(cháng)期施用沼氣池沼液對土壤理化性質(zhì)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(fā)現,過(guò)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(jiàn)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(jiàn)表3)。張東“等通過(guò)分析黃土高原成齡富士蘋(píng)果園土壤養分含量對土壤進(jìn)行分級,將土壤中養分含量分為缺乏、低值正常值、高值、過(guò)高5個(gè)等級。4個(gè)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(huì )造成土壤中速效氮含量的不足。

2.1.3長(cháng)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最高,原因可能為:地塊C園每  隔半個(gè)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(jiàn)表4)。地塊D  的0~20cm土層土壤速效磷含量顯著(zhù)高于A(yíng),B兩  個(gè)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(gè)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(guò)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(gè)地塊均處于過(guò)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(cháng)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(gè)地塊中3層土壤中速效鉀含量都超過(guò)200ng·kg-,地塊D的20-40cm速效鉀含量達到175896mg·kg(見(jiàn)表5)。張東研究認為土壤速效鉀含量>350mg·kg為過(guò)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(guò)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(zhù)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(zhù)高于其它兩個(gè)地塊,造成土壤中鉀元素的過(guò)多累積。

2.1.5長(cháng)期施用沼氣池沼液對土壤中的有機質(zhì)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(zhì)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(zhì)含量>3%為過(guò)高范圍,1.8%~3%為高值范圍。地塊A,C,D的0~20cm土壤有機質(zhì)的含量位于高值范圍,C位于過(guò)高范圍(見(jiàn)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(zhì)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(zhì)含量也可達到張東4等人認定的高值范圍和過(guò)高范圍:假設沼氣池沼液中2.01%的固形物全為有機質(zhì),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(cháng)期施用沼氣池沼液對土壤和果實(shí)重金屬含量的影

2.2.1長(cháng)期施用沼氣池沼液對土壤中的重金屬含量的影響

楊樂(lè )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(zhù)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(huì )增加重金屬風(fēng)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(gè)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(guò)滴灌  施入基質(zhì)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(zhì)中銅、鋅、鉻、鎘、鉛含量與對照無(wú)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(zhù);B,C,D地塊的土

壤P含量;B地塊的土壤As含量顯著(zhù)高于A(yíng)地塊  (見(jiàn)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(zhù)高于A(yíng)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(huán)境質(zhì)量標準》中一級(自  然背景)土壤中的限定值,而B(niǎo)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(guò)二級土壤中的限定值(為保障農業(yè)  生產(chǎn),維護人體健康的土壤限制值)。

2.2.2長(cháng)期施用沼氣池沼液對果實(shí)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(wú)論是常規管理還是施用沼氣池沼液,柑桔果實(shí)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(fā)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(shí)中檢測出Cr外,A,B,C地塊的果實(shí)中都未檢測出其它重金屬(見(jiàn)表8)。B和C地塊中果實(shí)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(zhì)  的農田利用不僅能消納沼氣池沼液,同時(shí)也可促進(jìn)植物  長(cháng)、提高果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)。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(zhì)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(zhì)位于  高范圍;綜合4個(gè)指標評判,B和C果園屬于張  東等人劃分的“高產(chǎn)園”。且通過(guò)與B和C地塊  的主人訪(fǎng)談,他們認為自己果園產(chǎn)量與常規管理果  園無(wú)差異,并且品質(zhì)和銷(xiāo)售價(jià)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(fā)現沼氣池沼液灌會(huì )增加土壤中重金屬的含  量,也有試驗發(fā)現沼氣池沼液灌溉不會(huì )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(guān)。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(zhù)上升,大量施用沼氣池沼液的D地塊土壤Cd含量甚至超過(guò)了二級土壤中的限定值(為保障農業(yè)生產(chǎn),維護人體健康的土壤限制值)因此,長(cháng)期大量施用沼氣池沼液存在土壤重金屬污染風(fēng)險。并且B和C地塊的果實(shí)中檢測出Cr,因此長(cháng)期大量施用沼氣池沼液也存在食品重金屬安全問(wèn)題

4結論

(1)施用雞糞沼氣池沼液配合水溶肥料,可以滿(mǎn)足作物對氮、磷、鉀、有機質(zhì)的需求,并且可以提高土壤  p值.,改善土壤酸化的問(wèn)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(shí)中Cr含量,但是未超過(guò)  國家相關(guān)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(zhù)高于未施用沼氣池沼液  的A地塊,并且土壤中Cd含量超過(guò)了《GB1568  199土壤環(huán)境質(zhì)量標準》二級土壤中的限定值/為  保障農業(yè)生產(chǎn),維護人體健康的土限制值)

摘自《中國沼氣》2018第二期 劉向林 王麗霞 吳冬悅 羅星 董仁杰 邵蕾 

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