沼液施灌模式下稻田系統(tǒng)重金屬風險評估

羅旭輝，項 赟，閆 晶，李小女

(1.福建省農(nóng)業(yè)科院農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所/福建省紅壤山地農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點實驗室， 福建福州 350013； 2.生態(tài)環(huán)境部華南環(huán)境科學研究所， 廣東 廣州 510655； 3.中國農(nóng)業(yè)大學生物質(zhì)工程中心， 北京 100193； 4.南平市光澤生態(tài)環(huán)境局， 福建 南平 354100)

污水灌溉指利用工業(yè)廢水或城市生活污水灌溉農(nóng)田。近年來，污水灌溉的范圍也延伸至沼液施灌。目前，我國污灌農(nóng)田面積達140萬hm2，重金屬污染普遍，其中鎘(Cd)污染最為普遍，面積達1.3萬hm2，涉及11個省的25個地區(qū)[1]，成為農(nóng)田土壤重金屬中污染概率最高的元素[2]，東南沿海地區(qū)水稻土Cd的平均濃度為0.21 mg·kg-1[3]。但是土壤重金屬富集與污水類型、土壤各種理化性質(zhì)、成土母質(zhì)以及重金屬全量和有效態(tài)含量等指標相關(guān)，急需加強針對不同地區(qū)、不同土壤、不同生產(chǎn)模式開展深入研究，為生態(tài)環(huán)境風險模型模擬與預測提供依據(jù)。沼液是人、畜糞便和秸稈等生物質(zhì)資源經(jīng)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣過程的液體廢棄物，富含多種水稻生長所需的有機物質(zhì)、營養(yǎng)元素和活性物質(zhì)，通過稻田消解沼肥不僅可以有效處理廢棄物和節(jié)省水稻氮肥投入，有研究表明[4-5]施入等量氮肥的沼液在維持水稻產(chǎn)量的同時，可以減少23%的氨揮發(fā)，但過度施用則會導致農(nóng)田土壤及水體污染。當前規(guī)模養(yǎng)殖場依然存在沼液完全利用難、達標處理成本高的問題。水稻是南方耕地主要種植作物，同時稻田基礎(chǔ)設(shè)施相對完善，為沼液輸送提供前置條件，這讓施灌稻田成為沼液利用的優(yōu)先選擇。本研究在環(huán)武夷山國家公園保護發(fā)展帶開展試驗，評價沼液施灌稻田的環(huán)境效應，以期科學推動該區(qū)種養(yǎng)循環(huán)發(fā)展提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于光澤縣寨里鎮(zhèn)山頭村新豐組，海拔490 m，年降雨量1 850 mm，年均溫度17.2℃，主要種植優(yōu)質(zhì)稻，距離武夷山國家公園直線最近距離約20 km。

1.2 試驗處理

試驗設(shè)T1(100%化肥)、T2(50%化肥+50%沼液)、T3(50%化肥+100%沼液)、T4(50%化肥+200%沼液)4個處理每個處理3次重復，各處理施肥方法見表1。

表1 不同處理的氮投入

1.3 試驗材料

基肥化肥為“江南豐收”(N 13%、P2O55%、K2O 7%)，施肥時間2021年6月11日；沼液總氮濃度為1 382 mg·L-1(即每噸沼液相當于1.382 kg純氮)，施用時間2021年5月22日。分蘗肥化肥為“金土地”(N 15%、P2O515%、K2O 15%)，施肥時間2021年7月15日；沼液總氮濃度為3 780 mg·L-1(即每噸沼液相當于3.78 kg純氮)，施用時間為2021年7月14日。沼液理化性質(zhì)見表2，土壤理化性質(zhì)見表3，各處理間差異不顯著。水稻品種為高稈、抗倒伏的野香優(yōu)676。

表2 沼液的理化性質(zhì)

表3 土壤理化性質(zhì)

1.4 測定項目與方法

在種植前(2021年5月15日)測定各處理土壤基本理化性質(zhì)(pH、EC、OM、TN、TP、TK)、重金屬(Pb、Cd、Cr、As、Hg、Ni、Zn、Cu)含量；種植后(2021年9月30日)實地取0～20 cm土樣混合，每個處理3個重復，送檢測定。

1.5 數(shù)據(jù)分析方法

稻米生態(tài)風險采用單因子指數(shù)法[6-7]。

Pi=RCi/RSi

(1)

其中RCi為稻米污染物i的實際檢測濃度(mg·kg-1)，RSi為稻米污染物i的限制標準，Pi為稻米污染物i的風險指數(shù)。

土壤生態(tài)風險采用Hakanson潛在生態(tài)污染風險指數(shù)法[8-10]，相關(guān)毒性響應系數(shù)和背景值見表4，其中背景值參考福建省花崗巖發(fā)育紅壤背景值[11]。

表4 重金屬的毒性響應系數(shù)與背景值

Cfi=SCi/SSi

(2)

Eri=Tri×Cfi

(3)

RI=∑Eri

(4)

其中，SCi為土壤中污染物i的實際檢測濃度(mg·kg-1)，SSi為當?shù)赝寥牢廴疚飅的背景值(mg·kg-1)，Cfi為相對富集系數(shù)，Tri為污染物i的毒性響應系數(shù)，Eri為單一重金屬的生態(tài)污染風險指數(shù)，RI多種重金屬的潛在生態(tài)污染風險綜合指數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻米重金屬含量

9月29日實際測產(chǎn)結(jié)果表明，T2(50%化肥+50%沼液)稻谷產(chǎn)量最高，比對照T1(100%化肥)提高8.8%，各處理間差異不顯著。稻米主要重金屬含量測定結(jié)果表明，Cd、Hg、Cr、As、Pb含量均低于食品安全國家標準GB 2762-2017《食品中污染物限量》[12],PCd<0.005,PHg為0.450～0.700，PCr為0.009～0.014，PAs為0.080～0.166，PPb為0.110～0.325(表5)。

表5 不同處理稻谷產(chǎn)量、稻米重金屬含量和生態(tài)風險指數(shù)

2.2 土壤重金屬富集系數(shù)

由表6可知，對標福建省花崗巖發(fā)育紅壤背景值，試驗地土壤Cd、Hg、Pb、Ni、Zn、Cr、Cu、As的相對富集系數(shù)分別為250.0%～363.3%、227.0%～349.2%、160.4%～183.6%、137.5%～158.7%、115.2%～139.0%、87.3%～98.2%、66.2%～83.4%、40.3%～44.9%(表6)。相對富集系數(shù)較高的重金屬元素為Cd、Hg，其中與種植前相比，T2處理(50%化肥+50沼液)種植后Cd富集系數(shù)提高了56.6%，T3處理(50%化肥+100沼液)Hg富集系數(shù)提高了28.6%，其他處理的Cd、Hg富集系數(shù)均表現(xiàn)為下降。

表6 不同處理土壤重金屬相對富集系數(shù)

2.3 土壤重金屬富集風險

Hakanson潛在生態(tài)污染風險指數(shù)分析表明(表7)，試驗地區(qū)Hg、Cd生態(tài)風險指數(shù)較高，其中Hg的生態(tài)風險指數(shù)為90.8～139.7，Cd的生態(tài)風險指數(shù)為75.0～109.0，應當重點關(guān)注。不同處理種植前后Hg、Cd生態(tài)風險有所差異，T3(50%化肥+100%沼液)處理Hg生態(tài)風險指數(shù)提高11.4，T2(50%化肥+50%沼液)處理Cd生態(tài)風險指數(shù)提高17.0，其他處理Hg、Cd生態(tài)風險指數(shù)均表現(xiàn)為下降趨勢?？傮w而言，T2綜合生態(tài)污染風險指數(shù)增加11.9，T1、T3、T4綜合生態(tài)污染風險指數(shù)分別下降56.9、11.3、18.2。

表7 不同處理土壤重金屬生態(tài)風險指數(shù)

3 討論與結(jié)論

重金屬富集是沼液施灌稻田模式的敏感問題。稻米的重金屬風險指數(shù)Pi<1表示未受到重金屬污染，Pi≥1表示受到重金屬污染[7]。本試驗結(jié)果表明沼液施灌處理稻米的重金屬風險指數(shù)PCd<0.005，PHg為0.450～0.700、PCr為0.009～0.014、PAs為0.080～0.166、PPb為0.110～0.325(表5)，顯示稻米未受到污染。土壤相對富集系數(shù)最高為Cd(250.0%～363.3%)，次高為Hg(227.0%～349.2%)(表6)。Hakanson潛在生態(tài)污染風險指數(shù)結(jié)果顯示T2(50%化肥+50%沼液)Cd生態(tài)風險指數(shù)上升17.0，T3(50%化肥+100%沼液)Cd生態(tài)風險指數(shù)下降22.0，值得進一步關(guān)注與跟蹤研究(表7)。試驗地的Cd含量為0.07～0.11 mg·kg-1，低于沿海水稻土的Cd平均濃度(0.21 mg·kg-1)[3]。賴星等[9]研究表明，在水稻—油菜輪作田當3年沼液施用總量546～626 t·hm-2，土壤Pb、Cd、Cr、As、Hg有輕微積累，本試驗T2、T3、T4處理，年沼液施用量為42.69～170.8 t·hm-2，為前者27.4%～81.8%，未發(fā)現(xiàn)明顯重金屬累積。

沼液施灌水稻，普遍存在水稻貪青現(xiàn)象，導致稻谷產(chǎn)量下降。這與過量頻繁澆灌尤其是在抽穗期澆灌有關(guān)，也與水稻品種相關(guān)。本試驗采用沼液精準施灌，T2(50%化肥+50沼液)、T3(50%化肥+100%沼液)、T4(50%化肥+200%沼液)的稻谷產(chǎn)量分別為8 708、7 866、8 040 kg·hm-2，與T1(100%化肥)產(chǎn)量(7 991 kg·hm-2)差異不顯著，研究結(jié)果與楊潤等[4]一致。選擇莖稈粗壯不易倒伏的優(yōu)質(zhì)稻品種是關(guān)鍵，易倒伏的水稻品種不適宜沼液澆灌。