3種有機物料配肥下的宅基地復墾土壤重金屬污染風險評估

陳露丹，鄧良基，周 偉，劉子驍，鄒光基

（四川農業大學資源學院，成都 611130）

中國是一個農業大國，基本國情是人多地少、耕地質量不高、后備資源不足，開展農村宅基地復墾是集約利用土地資源、增加耕地數量的措施之一[1]。但宅基地復墾土壤因物理結構被嚴重破壞，土壤養分狀況差，土壤功能基本喪失[2-4]，因此需要采用有機物料等對復墾土地的土壤進行改良。已有研究表明[5-9]，秸稈、菌渣、豬糞等有機物料富含多種營養元素，不但能夠提供作物生長所需要的營養物質，還可以提高土壤中酶活性，能夠改善土壤理化性質，提升土壤肥力。然而由于秸稈等有機物料的利用途徑較少、利用率較低，大量有機物料被焚燒或被直接丟棄[10-11]，不僅造成有機碳等物質的浪費，而且給環境造成了一定的污染，因此利用有機物料對復墾土地進行土壤改良具有較強的理論和實踐意義。

部分研究者認為，秸稈、菌渣及豬糞中殘留有一定量的重金屬[12-14]，長期施用這些有機物料可能會給土壤帶來重金屬污染的風險[15-16]。目前對耕地和礦區復墾土地的重金屬研究較多[17-19]，但是對于秸稈、菌渣、豬糞3 種有機物料施用的宅基地復墾土壤重金屬污染方面的研究鮮有報道，因此，摸清秸稈、菌渣、豬糞3 種有機物料施用下宅基地復墾土壤重金屬含量及其變化特征，能夠為有機物料的選擇、施用方案推薦和污染風險的防控奠定基礎。

當前對于土壤重金屬的評價方法有單因子指數法、地質累積指數法、富集因子法、潛在生態風險評價法等，均存在一些缺陷[20-21]，為了提高評價結果的可行性，避免單個方法帶來的差異，研究者們多采用兩種以上的評價方法進行評價[21-23]。此外，大多數研究者并未根據所涉及的重金屬種類，修正潛在風險指數評價標準，而采用原有的評價標準進行評價，造成評價結果參考性不強[22-26]。因此，本研究以成都平原宅基地復墾土壤為研究對象，根據Cu、Cd、Cr、Pb、Zn 和As 重金屬類型修訂潛在風險指數的評價標準，并運用內梅羅綜合指數法及潛在風險評價法對秸稈、菌渣、豬糞3 種有機物料施用下宅基地復墾土壤重金屬含量進行評價，以期為有機物料有效安全利用提供路徑，為宅基地復墾土地的綠色安全培肥方案的確立提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地情況

本試驗在四川農業大學農業研發基地進行（位于成都平原崇州市榿泉鎮），供試土壤為岷江河流沖積物形成的黃壤，試驗地為就近客土的復墾宅基地土壤。

試驗地土壤理化性質：耕作層土壤（0～20 cm），pH 值為6.75，總有機碳（TOC）含量5.70 g/kg，全氮（TN）含量0.69 g/kg，全磷（TP）含量0.46 g/kg，全鉀（TK）含量8.77 g/kg，銅（Cu）含量34.93 mg/kg，鎘（Cd）含量0.16 mg/kg，鉻（Cr）含量46.76 mg/kg，鉛（Pb）含量30.39 mg/kg，鋅（Zn）含量88.55 mg/kg，砷（As）含量10.49 mg/kg。

1.2 供試材料

供試秸稈和菌渣均來自試驗地及周邊食用菌廠，其中秸稈在施用前切碎混合均勻，菌渣為腐熟后的雙孢蘑菇廢棄培養基；供試豬糞由百事康有機肥廠提供（全磷P2O5，全鉀K2O），經腐熟后進行還田施用。

供試化肥為當地麥玉輪作常用化肥，分別為尿素（含N 量46.3%）、過磷酸鈣（含P2O5量12.0%）、氯化鉀（含K2O 量60.0%）。小麥季試供品種是內麥836；玉米季試供品種是成單30。供試材料的具體化學性質如表1所示。

1.3 試驗方案

依據當地小麥季常規化肥施用量（N、P2O5、K2O分別為150、75、75 kg/hm2）和玉米季常規化肥施肥量（N、P2O5、K2O 分別為180、100、120 kg/hm2）為施肥標準，以秸稈帶入碳量為基準計算菌渣和豬糞施用量；秸稈、菌渣、豬糞帶入土壤N、P2O5、K2O 的不足常規施肥量部分，用配施化肥補充；試驗共設8 個處理，分別為空白對照（CK）、常規化肥處理（CF）、秸稈全量還田處理（S1）、秸稈1.5 倍還田處理（S2）、菌渣等碳量還田處理（R1）、菌渣1.5 倍碳量還田處理（R2）、豬糞等碳量還田處理（M1）、豬糞1.5 倍碳量還田處理（M2），具體試驗方案見表2。

表1 供試材料的化學性質Table 1 Chemical properties of raw materials used for experiments

試驗小區采用隨機排列，3 次重復，各小區面積為25 m2，小區之間設立10 cm 寬，20 cm 深的土溝，并將整塊田剩余部分設立為保護行。在小麥季，所有化肥和有機物料均在小麥播種前以基肥形式全部用穴施方法施入各小區；玉米季除40%無機氮肥在拔節期追肥外，其余化肥和有機物料均在玉米播種前以基肥形式用穴施方法施入各個小區。

1.4 樣品采集與測定

樣品采集：土壤的采集時間是2014年10月—2017年10月，分別是每年的小麥季和玉米季時期，按五點采樣法在各個小區0～20 cm 土層采集混合土樣。將樣品帶回實驗室，自然風干，并過0.15 mm（100 目）尼龍篩，放入自封袋備用。

重金 屬測定：Cu、Cd、Cr、Pb、Zn 全量測定經HNO3-HF-HClO4三酸消煮、過濾后，其中Cu、Cr、Pb、Zn 用火焰原子吸收分光光度計測定，Cd 用石墨爐原子吸收分光光度計測定；As 全量測定采用硝酸-硫酸消解后，用原子熒光光譜儀測定[25-27]。

土壤理化性質測定：土壤pH、總有機碳（TOC）、全氮（TN）、全磷（TP）、全鉀（TK）的測定均采用常規方法[13]。

試驗過程所用均為優級純的試劑，分析用水均使用高純水（Milli-Q 儀器制成）。每批樣品在消煮過程中添加土壤標樣和空白進行分析質量控制。不同處理的有機物料、化肥養分施入量如表2所示。

表2 不同處理的有機物料、化肥養分施入量Table 2 The nutrients of chemical fertilizers and organic material application amount in each treatmentskg·hm-2

1.5 計算公式

1.5.1 內梅羅綜合污染指數法

利用內梅羅綜合污染指數法計算土壤重金屬綜合污染指數，評價土壤重金屬綜合污染程度，計算基于重金屬含量和標準值[28]。其計算公式為：

式中：Pi為單因子指數；Ci為元素i 的實測值，mg/kg；Si為元素i 的標準值，mg/kg。若Pi≥1，則存在污染；若Pi＜1，則不存在污染。標準值遵照《土壤環境質量—農用地土壤污染風險管控標準》（GB 15618—2018）中的農用地土壤污染篩選值。Pn為內梅羅綜合指數；Pimax為各重金屬元素單因子指數的最大值；Piave為各重金屬元素單因子指數的平均值。Pn的分級標準[29]如表3所示。

表3 內梅羅綜合指數法分級標準Table 3 Grade standard of nemerow composite index

1.5.2 潛在生態風險評價法

有機物料給土壤帶入一定的重金屬，可能會給環境帶來潛在生態風險，因此本研究運用潛在生態風險評價法對重金屬進行評價（見表4）。潛在生態危害指數（RI）評價方法是瑞典學者L.Hakanson[30]于1980年建立的一套應用沉淀學原理評價重金屬污染及生態危害的方法。其公式為：

式中：Pi為單因子污染指數，Csi為重金屬濃度實測值，Cni為《土壤環境質量—農用地土壤污染風險管控標準》（GB 15618—2018）中的農用地土壤污染篩選值，Eri為單因子危害系數，Tri為毒性響應系數，RI 為多因子綜合潛在生態危害指數。其中毒性響應因子采用Hakanson 制定的標準化重金屬毒性響應系數為評價依據，分別為：Zn=1，Cr=2，Cu=5，

Pb=5，As=10，Cd=30。

Eri與RI 的大小與研究的微量元素的數量和種類有關，微量元素的毒性越強、數目越多，Eri和RI值就越大，應用Eri和RI 進行潛在生態風險評價時，應根據研究的微量元素的數量和種類對評價分級標準進行調整，能夠提高評價的適應性和準確性[31-32]。因此，參考原有定級規則，根據研究重金屬元素的數量及種類，得到Eri和RI 第一級界限值分別為30和60；其他級別的分級值分別用上一級的分級值乘2 得到[27]，如表4所示。

1.6 數據統計分析

數據處理采用Microsoft Excel 2016 進行，采用SPSS 20.0 軟件進行單因素方差分析（ANOVA），對土壤Cu、Cd、Cr、Pb、Zn 和As 的含量、內梅羅指數和潛在風險系數的差異性及顯著性進行LSD 和SNK檢驗。

2 結果與分析

2.1 復墾土壤重金屬含量狀況及其變化特征

秸稈、菌渣和豬糞3 種不同有機物料還田下復墾土壤重金屬含量在試驗前后總體狀況，如表5所示。試驗前各小區重金屬含量高低次序為Zn（88.55～88.75 mg/kg）＞Cr（46.76～46.78 mg/kg）＞Cu（34.94～34.99 mg/kg）＞Pb（30.39～30.40 mg/kg）＞As（10.52～10.53 mg/kg）＞Cd（0.161～0.162 mg/kg），各小區間的變幅很小、差異不顯著（P＞0.05），說明試驗田的均一性和可比性較好。

經過3年試驗，不同處理下復墾土壤Cu、Cd、Cr、Pb、Zn 和As 重金屬含量均呈現上升的趨勢，Cu、Cd、Cr、Pb、Zn 和As 分別增加了5.09%～10.23%、11.18%～20.37%、2.63%～6.67%、3.55%～7.57%、2.43%～4.77%和9.60%～20.93%，含量高低次序為Zn（88.55～92.88 mg/kg）＞Cr（46.76～49.89 mg/kg）＞Cu（34.94～38.57 mg/kg）＞Pb（30.40～32.70 mg/kg）＞As（10.52～12.71 mg/kg）＞Cd（0.161～0.195 mg/kg）。3年試驗后，CK 處理下復墾土壤Cu、Cd、Cr、Pb、Zn 和As 重金屬含量出現不同程度的增長。已有研究表明，大氣沉降、成土母質、人為活動等途徑可能會給成都平原的土壤帶來重金屬污染的威脅[27，33-34]。此外，CF、S1、S2、R1、R2、M1 和M2 處理下土壤重金屬含量可能是由于化肥及有機物料等長期施用呈現出逐漸上升的趨勢，已有研究證實，長期施用化肥及有機物料會給農田土壤造成一定的重金屬潛在污染[35-36]。可能是由于在一定施用量范圍內，化肥以及秸稈、菌渣和豬糞有機物料施入帶進土壤的重金屬含量大于作物增長所富集的重金屬含量[13]，同時隨著大氣沉降、人為活動等途徑給土壤帶進一定量的重金屬，造成土壤重金屬含量呈現增長趨勢[34]。

表4 潛在生態風險評價分級標準Table 4 Grade standard of potential ecological risk evaluation

表5 3 種有機物料還田處理下復墾土壤重金屬含量Table 5 Heavy metal content in reclaimed soil treated with three organic materials returning to fieldmg·kg-1

經過3年試驗，常規化肥處理（CF）下復墾土壤Cu、Cd、Cr、Pb、Zn 和As 重金屬含量增量明顯高于對照處理（CK），其中高出量最大的是As，高出5.64%，其次是Cu 和Cd，分別高出2.32%和1.94%，表明施用化肥也存在重金屬污染的風險[37]，As、Cu 和Cd 污染的風險較大。M2 處理下復墾土壤的Cu、Cd、Cr、Zn、As 重金屬含量顯著高于其他施肥處理（P＜0.05），結果表明，相對其他施肥處理大量施用豬糞會給復墾土壤帶來了重金屬污染較高。已有研究表明，長期大量施用豬糞等有機物料會給成都平原土壤帶來潛在的重金屬污染及威脅[38]。而S1 處理下復墾土壤Cd、As 重金屬含量顯著低于其他施肥處理（P＜0.05），S1 和S2 處理下復墾土壤Cr、Pb 重金屬含量顯著低于其它施肥處理（P＜0.05），表明長期秸稈施用相對于菌渣和豬糞施用給復墾土壤帶來的Cd、Cr、Pb、As重金屬污染較低，其原因可能是由于秸稈中重金屬殘留量與豬糞和菌渣相比較少，而給土壤帶來的潛在重金屬污染威脅較輕[36-39]。

3 種有機物料還田處理下復墾土壤重金屬含量增量如表6所示。與CK 處理比較，秸稈還田（S1、S2）、菌渣還田（R1、R2）和豬糞還田3 個處理（M1、M2）的同期Cu、Cd、Cr、Pb、Zn 和As 重金屬含量增長量均高于CK 處理，其增量增加的次序是豬糞還田處理＞菌渣還田處理＞秸稈還田處理，并隨有機物料的增加而呈現上升趨勢，即M2＞M1、R2＞R1、S2＞S1；3 個處理的同期重金屬含量增加的次序是As＞Cd＞Cu＞Pb＞Cr＞Zn，表明有機物料會給土壤輸入重金屬，特別是豬糞還田處理輸入土壤的As、Cd、Cu 的量較高，并隨有機物料施用量的增加而增加，與已有研究結論基本一致，其原因可能是由于有機物料含有較多的重金屬[13]，其中豬糞的As、Cd、Cu 含量較高[37]。

與CF 比較，秸稈還田處理（S1）除Pb、Zn 以外的Cu、Cd、Cr 和As 同期含量增長量均低于常規化肥施用處理，秸稈還田（S2）、菌渣還田（R1、R2）和豬糞還田（M1、M2）3 個處理同期含量增長量呈現與CK處理基本一致的變化特征，進一步說明秸稈還田處理（S1）重金屬污染風險很小。

2.2 內梅羅指數法的評價結果

參照《土壤環境質量—農用地土壤污染風險管控標準》（GB15618—2018）對3 種物料還田下復墾土地土壤重金屬進行評價，得到的內梅羅指數的計算統計結果如表7所示。

從表7看出，試驗前Cu、Cd、Cr、Pb、Zn、As 重金屬污染指數變幅分別為0.349～0.350、0.537～0.541、0.234～0.234、0.253～0.253、0.354～0.355、0.350～0.351；3年試驗后，Cu、Cd、Cr、Pb、Zn、As 重金屬污染指數變幅分別為0.367～0.386、0.598～0.651、0.240～0.249、0.262～0.273、0.363～0.372、0.384～0.424，其中Cd 為6種重金屬中的主要污染物，而Pb 與Cr 元素相對污染程度較低，已有研究表明，成都平原土壤重金屬中Cd 的累積效應較大，相對于其他重金屬污染風險較高[40-41]。試驗前土壤的綜合污染程度介于0.452～0.454＜0.7，3年試驗后，土壤的綜合污染程度介于0.479～0.538＜0.7，根據內梅羅綜合指數法分級標準（表3）得出試驗前后復墾土壤處于清潔狀況，表明各處理對復墾土壤的重金屬污染水平較低。

表6 3 種有機物料還田處理下復墾土壤重金屬含量增量Table 6 Increment of heavy metal content in reclaimed soil treated with three organic materials returning to field%

表7 復墾土壤的內梅羅綜合指數Table 7 Nemerow composite index of reclaimed soil

從相同有機物料不同用量處理，S2 處理下的內梅羅綜合污染指數顯著高于S1 處理（P＜0.05），R2處理下的內梅羅綜合污染指數顯著高于R1 處理（P＜0.05），M2 處理下的內梅羅綜合指數顯著高于M1處理（P＜0.05），表明隨著有機物料施用量的增長，給土壤帶來的重金屬污染風險增加，已有研究表明，隨著秸稈、菌渣和豬糞有機物料的施用量增大，帶入的重金屬總量增多，可能是造成土壤重金屬含量呈現出上升的趨勢的原因[11，42]。

從等碳量不同施肥處理之間的污染指數分析得出，豬糞化肥混施的污染指數顯著高于菌渣化肥混施和秸稈化肥混施（P＜0.05），而秸稈化肥混施的污染指數顯著低于豬糞化肥混施和菌渣化肥混施（P＜0.05），其原因已有研究表明，豬糞帶給土壤的重金屬污染威脅較于其他有機物料大[12，36]，而秸稈帶給土壤的重金屬污染威脅較小[36]。

從不同施肥處理的綜合污染指數分析得出，M2處理下的內梅羅綜合污染指數顯著高于其他施肥處理（P＜0.05），表明長期采用M2 處理帶來的土壤重金屬污染風險最高，而在S1 處理下的內梅羅綜合污染指數顯著低于其他施肥處理（P＜0.05），表明長期采用S1 處理給土壤造成的重金屬污染較低。已有研究表明，長期施用大量的豬糞會給土壤帶來的重金屬污染較大[36，38]，而長期采用秸稈與化肥配施給土壤帶來的重金屬積累不明顯[36，39]。

2.3 潛在生態風險評價結果

參照《土壤環境質量—農用地土壤污染風險管控標準》（GB15618—2018）對不同施肥作用下的潛在生態風險進行評價，結果如表8。

從表8得出，試驗前Cu、Cd、Cr、Pb、Zn、As 單因子危害系數分別為1.747～1.750、16.110～16.230、0.468～0.468、1.266～1.267、0.354～0.355、3.497～3.510，3年試驗后Cu、Cd、Cr、Pb、Zn、As 單因子危害系數分別為1.836～1.929、17.930～17.540、0.480～0.499、1.312～1.363、0.363～0.372、3.843～4.237，均處于輕微風險（＜30），在6 種重金屬中，其中Cd 的風險指數試驗前就超過16.000，3年試驗后超過17.000，雖仍處于輕微風險，但占綜合風險指數的68.7%～69.9%，在綜合風險指數中占比高，表明在6 種重金屬中Cd 的重金屬污染風險最高，有研究者認為其原因可能是因為土壤重金屬中Cd 的積累最明顯并且Cd 的毒性系數（30）較高所導致的潛在生態風險系數較大[25-27]。

所有施肥處理下的綜合潛在風險系數試驗前后分別為23.453～23.573、25.764～27.940，均處于輕微風險等級。而從表8可以看出，在等碳量不同施肥處理下的潛在風險系數呈現出：豬糞+化肥＞菌渣+化肥＞秸稈+化肥，表明采用豬糞與化肥混施比菌渣與化肥混施及秸稈與化肥混施對土壤造成的重金屬污染風險更大。M2 處理下的綜合潛在風險系數顯著高于其他施肥處理（P＜0.05），表明潛在風險系數與不同種類有機肥施用有相關聯系，其中豬糞帶給土壤的重金屬污染風險較大，而在S1 處理下的潛在風險系數顯著低于其他施肥處理（P＜0.05），表明秸稈給土壤帶來的重金屬潛在污染風險較小。

表8 復墾土壤的潛在生態風險評價結果Table 8 Potential ecological risk assessment results of reclaimed soil

3 討論與結論

3.1 有機物料綠色培肥方案推薦

以復墾土壤的培肥需求、實際生產需要、土壤污染情況為基礎，以土壤重金屬含量分析、內梅羅指數評價以及潛在生態風險評價結果為依據，堅持重金屬污染風險最小、成本低等原則，選擇有機物料還田施用方案為：最佳方案—秸稈全量還田處理配施化肥（S1）、較佳方案—菌渣等碳量還田配施化肥（R1）、實用方案—豬糞等碳量還田配施化肥（M1），各方案詳細有機物料用量和化肥配施量如表9所示。

由于地區復墾土壤、秸稈種類、食用菌種類和養殖廠家等差異，可能會導致秸稈、菌渣和豬糞中重金屬含量有所差別，進而導致還田下土壤重金屬的含量狀況不同。因此，有機物料還田方案實用時，還應評估不同地區施用秸稈、菌渣和豬糞帶來的土壤重金屬風險，應根據實際情況和較長時期的田間試驗數據來修正還田方案。

表9 推薦方案的有機物料、化肥養分施入量Table 9 The nutrients of chemical fertilizers and organic material application amount in recommendation schemekg·hm-2

3.2 結論

①秸稈、菌渣和豬糞有機物料施用下的復墾土壤的重金屬含量隨有機物料施用量的增加而呈現上升趨勢。Cu、Cd、Cr、Pb、Zn、As 在豬糞1.5 倍碳量還田處理（M2）下含量最高；Cd、As 在秸稈全量還田處理（S1）下含量最低，Cr、Pb 在秸稈全量還田處理（S1）和秸稈1.5 倍還田處理（S2）下含量最低。

②通過內梅羅指數法和潛在生態風險評價法對不同有機物料處理下的復墾土壤重金屬進行評價，施入等碳量情況下土壤重金屬污染及風險情況呈現出豬糞+化肥混施＞菌渣+化肥混施＞秸稈+化肥混施，豬糞1.5 倍碳量還田（M2）下的重金屬污染指數和潛在風險系數顯著高于其他施肥處理（P＜0.05），而秸稈全量還田（S1）下的重金屬污染指數和潛在風險系數顯著低于其他施肥處理。

③綜合土壤重金屬含量、內梅羅污染指數和潛在生態風險系數，復墾土地綠色安全培肥最佳方案推薦：秸稈全量還田處理（S1），即小麥季使用55 911 kg/hm2的秸稈與276 kg/hm2的尿素、575 kg/hm2的過磷酸鈣、15 kg/hm2的氯化鉀混施還田，玉米季使用46 449 kg/hm2的秸稈與350 kg/hm2的尿素、792 kg/hm2的過磷酸鈣、108 kg/hm2的氯化鉀混施還田。