巢湖藻—草—泥有機肥的重金屬安全性評價

陳婷+韓士群+周慶

摘要：針對巢湖取出物藍藻、水草和底泥作為有機肥利用可能帶來的重金屬安全性問題，采用高溫堆肥制成有機肥，測定有機肥、盆栽土壤和大白菜體內(nèi)重金屬的含量；采用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和單因子污染指數(shù)法分別評價土壤和大白菜中重金屬的安全性。結(jié)果表明，有機肥、盆栽土壤和大白菜中的鉛含量分別為0.16、0.24、0.05 mg/kg；鉻含量分別為0.29、0.12、<0.02 mg/kg；其余3種重金屬（砷、鎘、汞）在三者體內(nèi)的含量均為<0.04、<0.01、<0.04 mg/kg。重金屬評價結(jié)果表明，藻-草-泥有機肥中重金屬含量遠低于有機肥料中限量指標的要求，符合重金屬安全標準。土壤中的綜合污染指數(shù)為0.05，遠小于安全等級的限量值，屬于安全等級，此土壤上種植的作物不會被污染。大白菜中鉛、砷、鉻、鎘單因子污染指數(shù)分別為0.26、0.08、0.04、0.20，遠小于清潔水平的限量值，且均符合無公害蔬菜的安全要求。

關(guān)鍵詞：大白菜；巢湖藍藻；水草；底泥；有機肥；重金屬；安全性評價；綜合污染指數(shù)；清潔水平

中圖分類號： X592 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）18-0251-04

收稿日期：2016-04-11

基金項目：國家水專項巢湖項目（編號：2012ZX07103-005）。

作者簡介：陳 婷（1990—），女，安徽合肥人，碩士研究生，主要從事固體廢棄物資源化利用。E-mail：316640108@qq.com。

通信作者：韓士群，博士，研究員，主要從事富營養(yǎng)化水體治理。Tel：（025）84390241；E-mail：shqunh@126.com。 治理巢湖水體富營養(yǎng)化過程中打撈上岸的藍藻、水草和疏浚底泥等直接堆放，不僅占用大量土地資源，同時會產(chǎn)生二次污染，可能造成重金屬危害。目前，打撈的藍藻及水草較為重要的資源化利用方法為通過厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣、沼液、沼渣等副產(chǎn)物制作為肥料；或作為堆肥原料制備固體有機肥料。而疏浚底泥除了用于生產(chǎn)建筑材料，也較多地應用于堆肥。

目前，關(guān)于這3類湖泊取出物的重金屬研究頗多。韓士群等研究了太湖藍藻經(jīng)發(fā)酵產(chǎn)沼處理后，沼渣、沼氣等產(chǎn)物中的重金屬殘留問題[1]。謝萍等發(fā)現(xiàn)，將藍藻作為飼料喂養(yǎng)家禽家畜等，藍藻體內(nèi)富集的重金屬會對其生長產(chǎn)生不利影響[2]。季俊杰等研究了靜態(tài)通氣堆肥后，氧化塘底泥中的重金屬殘留[3]。薛澄澤等發(fā)現(xiàn)，通過堆肥可在不同程度上減少底泥中重金屬的含量[4]。呂彥等的研究結(jié)果則表明，通過快速堆肥處理，底泥中的鉛、鉻、鎘等重金屬的活性及毒性有所降低[5]。林丹妮等研究了電動修復法對底泥沉積物中重金屬的去除效果[6]。國外研究者曾利用電動力學技術(shù)對海港底泥沉積物中的鉻、鉛、銅等多種重金屬進行去除效果的研究[7-8]。

而通過堆肥法制作的有機肥料中重金屬的安全性也是一個研究熱點。本試驗將從巢湖中打撈的藍藻、水草及疏浚底泥等按比例混合進行堆肥，制作成藻-草-泥有機肥，再向堆肥成品中進一步添加珍珠巖、蛭石等，制備成藻-草-泥基質(zhì)。此方法可有效實現(xiàn)湖泊取出物的資源化利用，然而由于原料的特殊性，人們通常擔心藍藻、水草和底泥中富集的重金屬會伴隨著肥料的施用進入土壤以及在作物中累積繼而通過食物鏈進入人體[9]。

但是現(xiàn)階段研究多局限于藍藻、水草、底泥單獨的重金屬影響，而對三者共同處理后的產(chǎn)物及加工后的基質(zhì)中所攜帶的重金屬元素是否會在土壤及作物體內(nèi)累積的相關(guān)研究較少。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 盆栽材料 藻-草-泥有機肥（將從巢湖中打撈的藍藻、水草、疏浚底泥按質(zhì)量比1 ∶ 2 ∶ 2進行配比，添加適量秸稈堆肥而成的終產(chǎn)物）；蛭石、珍珠巖，均購自江蘇省南京市某市場；土壤，取自江蘇省農(nóng)業(yè)科學院試驗田。

1.1.2 供試作物 供試作物為大白菜，商品名稱為北京白菜，購自江蘇省南京市某市場。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設置 試驗在溫室大棚內(nèi)進行，在等氮量條件下采用盆栽試驗，每盆裝11 kg土壤，每盆移栽1棵苗齡為15 d的大白菜植株。試驗共設置3組處理：T1，400 g藻-草-泥有機肥；T2，400 g藻-草-泥有機肥+350 g珍珠巖；T3，400 g 藻-草-泥有機肥+350 g蛭石。以原始土壤作空白對照。每組處理設置4個重復，隨機排列。

1.2.2 檢測項目與方法 肥料樣品中重金屬測定方法參考GB/T 23349—2009《肥料中砷鎘鉻鉛汞生態(tài)指標》[10]；土壤樣品中重金屬測定方法參考《土壤農(nóng)業(yè)化學分析方法》[11]；大白菜中各重金屬的測定方法分別參照相應的食品安全國家標準[12-16]。

1.3 重金屬污染評價

1.3.1 單因子污染指數(shù)法 在我國對土壤、蔬菜重金屬污染作出評價時，若想具體分析某種重金屬的污染累積現(xiàn)狀，可利用樣品中某污染因子的實際測量值與標準值進行對比，即單因子污染指數(shù)法。此法計算公式如下：

其中：Pi為某種重金屬i的單因子污染指數(shù)；Ci為某介質(zhì)中實際測得的重金屬i含量；Si為重金屬i在此介質(zhì)中的標準值。Pi值的大小與介質(zhì)中重金屬的污染程度如表1所示，兩者呈正相關(guān)關(guān)系。

1.3.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法是一種計權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)， 為目前土壤等環(huán)境污染的主要評價方法。在現(xiàn)實情況下，土壤等介質(zhì)中的重金屬污染通常是多種重金屬同時作用的結(jié)果，而此方法可同時考慮多種重金屬的共同污染情況，也兼顧到極值的影響，相對于單因子污染指數(shù)法的單一性，對重金屬污染的評價更為全面和準確。其計算公式為

其中：P為多種重金屬的綜合污染指數(shù)；Pi為各個重金屬的單因子污染指數(shù)的平均值；maxPi為各重金屬中單因子污染指數(shù)的最大值。同時，不同的綜合污染指數(shù)P值對應不同的污染水平，具體分級標準如表2所示endprint

1.4 統(tǒng)計分析方法

采用SPSS Statistics 17.0軟件進行統(tǒng)計分析，采用Microsoft Excel 2013作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 藻-草-泥有機肥的重金屬安全性評價

在堆肥1、3、15、23、43、63、93 d后進行采樣，對藻-草-泥有機肥樣品中鉻、鉛、鎘、砷、汞等5種重金屬的含量進行測定。由表3可知，這5種重金屬中，只有鉻和鉛2種重金屬的具體含量可測得，而鎘、砷、汞3種重金屬的實際含量分別低于儀器檢出下限，所以無法檢測出具體數(shù)值。直至堆肥完成后，藻-草-泥有機肥中鉻、鉛、鎘、砷、汞的含量分別為029、015、<0.01、<0.04、<0.046 mg/kg。將檢測所得數(shù)值與農(nóng)業(yè)行業(yè)標準制定的有機肥料重金屬標準進行比較可知，藻-草-泥有機肥料中5種重金屬含量遠低于農(nóng)業(yè)行業(yè)標準規(guī)定的最大允許值，符合有機肥料的重金屬安全標準。

除了可知不同堆肥時間堆體中重金屬總量，還可觀察其在堆肥過程中的動態(tài)變化。由圖1可知，隨著堆肥的進行，堆體中鉻和鉛的總含量呈動態(tài)變化。相對于堆肥初始，總體為下降趨勢，但降低幅度較小。如鉻含量由初始值0.31 mg/kg降至0.29 mg/kg，鉛從最初的0.16 mg/kg降至0.15 mg/kg。

2.2 盆栽土中重金屬污染評價

2.2.1 盆栽土壤中重金屬含量及污染狀況分析 為保護土壤環(huán)境的質(zhì)量，我國于1995年頒布了《國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準》[17]，如表4所示，依據(jù)土地的不同功能對土壤中各類污染

物的最高允許濃度指標值等作出了詳細規(guī)定， 經(jīng)過多次調(diào)整完善后，目前此標準已成為我國環(huán)保法系中的重要組成部分。

不同處理盆栽中的大白菜收割后，對盆栽中的土壤進行取樣后測定體內(nèi)5種重金屬含量及pH值。由表5可知，不同處理盆栽土pH值均大于7.5且各處理間差別較小，基本均屬堿性土，相對于大部分南方地區(qū)土壤（pH值約為7）而言，此pH值稍顯偏大。將處理盆栽土與原始土壤相比較可知，施加適量的不同類型的肥料對土壤pH值的影響較小。

盆栽土壤中5種重金屬的含量均較少。相對于原始土壤中鉻含量而言，施用了藻-草-泥有機肥料或基質(zhì)的盆栽土壤中鉻含量均有輕微幅度的上升。但是將盆栽土壤中鉻和鉛的含量分別與原始土壤中的含量進行顯著性差異分析可知，差異并不顯著性。

3個處理中的鉻和鉛的含量基本保持在相同水平，可能是因為這3個處理中的藻-草-泥有機肥的添加量相同，而其中摻加的蛭石和珍珠巖對土壤中的重金屬含量并無影響。與表4中pH值>7.5條件下5種重金屬的土壤二級標準限量值進行比較可知，盆栽土中5種重金屬的含量完全符合農(nóng)田用地標準要求。

2.2.2 盆栽土壤中重金屬污染評價 在利用綜合污染指數(shù)法對盆栽土壤中重金屬污染進行評價時，由于盆栽土中鎘、砷、汞3種重金屬的具體含量并未測得精確數(shù)值，但可知其含量小于檢出限，所以可將其值分別用檢測方法的檢測下限替代作大致評價。

由表6可知，3種處理下盆栽土壤中5種重金屬的污染指數(shù)均較小，對比表1中單因子指數(shù)分級標準，5種重金屬各自的單因子污染指數(shù)數(shù)值均遠小于Ⅰ級標準中要求的Pi≤1，可判斷作物并未受到這5種重金屬的污染。將各處理5種重金屬的綜合污染指數(shù)與表2中土壤綜合污染指數(shù)分級標準進行對比可知，不同處理盆栽土壤中的5種重金屬綜合污染指數(shù)均遠小于0.7。綜上所述，施用了藻-草-泥有機肥及其基質(zhì)的土壤并未遭受重金屬的污染，屬于安全等級；此土壤上種植的作物處于清潔水平，未受重金屬污染。

2.3 大白菜中重金屬污染評價

2.3.1 大白菜中重金屬含量及污染狀況分析 作物對土壤中的各類型污染物有不同程度的吸收和富集作用。作物吸收過量重金屬會影響生長，若人類食用重金屬超標的作物，會直接危害健康。因此，做好蔬菜中重金屬污染的安全評價至關(guān)重要。我國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局對農(nóng)作物中重金屬允許含量作出嚴格要求，盆栽大白菜中5種重金屬的測定含量及無公害蔬菜的限量指標要求[18]如表7所示。

3 討論

本研究采用巢湖藍藻、水草和底泥作為有機肥原料，制備的有機肥中重金屬含量符合有機肥安全標準。從材料的來源上分析，巢湖曾經(jīng)作為水源地，有較多關(guān)于巢湖水體及表層底泥或沉積物中的重金屬、其他污染物的污染程度及分布狀況的研究。韓小勇的研究結(jié)果表明，巢湖水體以富營養(yǎng)化污染為主，主要表現(xiàn)為氮磷等營養(yǎng)元素的高度超標，重金屬等其他污染并不十分顯著[19]。劉偉等對巢湖清淤合肥項目區(qū)域污染底泥調(diào)查的研究表明，底泥中鉛、鉻、鎘、砷的含量對巢湖尚不構(gòu)成潛在生態(tài)危害[20]。童軍華等對巢湖水體及沉積物中的銅、鉛、鎘、鉻等元素進行檢測發(fā)現(xiàn)，巢湖水體中重金屬含量偏低[21]。因此，基于這些研究也可間接證明巢湖中藍藻、水草和底泥中的重金屬含量不高。至于其他湖泊或河道的藻、草、泥是否可以作為肥料利用，同樣須要對其進行安全性評價。

另一方面，雖然本試驗施用的藻-草-泥有機肥料符合重金屬安全標準，但由于原料的特殊性，重金屬含量相對于化肥偏高，有機肥攜帶的重金屬污染除了直接帶入一定量重金屬進入土壤，還可以通過影響土壤的理化性質(zhì)來間接改變土壤中重金屬的存在形態(tài)，從而影響重金屬在作物體內(nèi)的富集轉(zhuǎn)化[22]。研究表明，施用不同溯源的有機肥料后，土壤中銅、鋅、 鎘、 鉛、 鉻、砷、 汞等重金屬元素含量呈不同程度的增加[23]。若進行長期的定量施用有機肥料試驗，作物體內(nèi)不同種類的重金屬含量會有不同程度的變化，如鉛含量的增幅范圍為0.01～0.31 mg/kg[24]。本試驗在這方面也有所體現(xiàn)，雖然盆栽土壤重金屬評價為安全等級，生長的白菜為清潔水平，但盆栽土壤重金屬含量略微有所提升。因此，長期定位施用藻-草-泥有機肥或其基質(zhì)，是否也會帶來重金屬累積有待進一步研究。endprint

4 結(jié)論

巢湖生態(tài)治理過程中打撈出的生物體（藻類和植物體）與疏浚污泥等廢棄物制備的藻-草-泥有機肥料中5種重金屬（鉛、砷、鉻、鎘、汞）的含量符合有機肥料的重金屬安全標準。

施用藻-草-泥有機肥盆栽土壤中5種重金屬的綜合污染指數(shù)遠小于0.7，說明土壤處于安全等級。因此，施用藻-草-泥有機肥不會對土壤造成重金屬污染。

大白菜中鉛、砷、鉻、鎘的含量均符合無公害蔬菜的質(zhì)量安全要求，而汞的含量低于儀器檢出下限，未檢出。分析結(jié)果表明，食用此大白菜不會對人體造成重金屬傷害。

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