刘小屿++沈根祥++钱晓雍++汤正泽++舒雅娟++于绍凤

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2017.13.056[HT9.]

摘要：以辣椒为供试植物，采用盆栽试验方法，研究生物炭、化学吸附剂和微生物菌剂3种重金属钝化剂对猪粪有机肥中Cu、Zn的钝化效果。结果表明，向有机肥中投加这3种钝化剂会促进辣椒生长，提高辣椒产量；投加不同量不同种类的钝化剂对Cu和Zn表现出不同的钝化效果。除化学吸附剂外，生物炭和微生物菌剂均可不同程度地降低辣椒茎叶中Cu含量，同时这3种钝化剂均可以降低辣椒果实中Cu和Zn的累积量。生物炭处理组S4（投加量 1.25%）、化学吸附剂处理组H4（投加量1.25%）、微生物菌剂处理组W2（投加量1.00%）辣椒果实中Cu和Zn含量最低，与对照組相比，Cu含量分别降低了25.91%、17.39%和20.59%，Zn含量分别降低了30.72%、15.96%和28.99%，表现出较好的钝化效果。

关键词：畜禽粪便；有机肥；重金属；钝化剂；生物有效性

中图分类号： X53文献标志码： A[HK]

文章编号：1002-1302（2017）13-0209-04[HS）][HT9.SS]

收稿日期：2016-03-21

基金项目：上海市环境保护局青年基金（编号：沪环科2014-100）；上海市环境保护局重大科研项目（编号：沪环科2015-05）。

作者简介：刘小屿（1988—），男，江西赣州人，硕士研究生，主要从事土壤重金属污染控制研究。E-mail：1023522516@qq.com。

通信作者：沈根祥，博士，教授，主要从事农业和农村环境保护研究。Tel：（021）64032065；E-mail：shengx@saes.sh.cn。

[ZK）]

我国畜禽养殖业的迅速发展，导致畜禽粪便排放量剧增。1999年全国畜禽粪便产生量为190亿t，2010年末我国畜禽粪便产生总量约为223.5亿t[1]。同时，由于铜（Cu）、锌（Zn）、砷（As）等微量元素饲料投加剂的普遍使用，而畜禽对重金属的吸收利用率极低，造成畜禽粪便中重金属含量和以畜禽粪便为主要生产原料的商品有机肥中重金属含量超标[2-5]，调查发现，我国畜禽粪便有机肥中重金属以Cu、Zn超标最为严重[6-8]。

施用高铜、锌含量有机肥，可造成土壤中重金属的积累，存在着被作物吸收而进入食物链和污染农产品的风险。目前，对畜禽粪便中重金属的钝化技术研究主要集中在堆肥过程中投加重金属钝化剂，而对于畜禽粪便商品有机肥使用过程中应用重金属钝化剂的研究则鲜见报道[9]。何增明等研究表明，在好氧高温堆肥中，投加2.5%的膨润土对猪粪中Zn表现出较好的钝化效果[10]。荣湘民等在钝化剂对猪粪堆肥过程中重金属化学形态影响的研究中，仅限于几种物理和化学钝化剂，对于微生物菌剂没有涉及，同时也只通过堆肥前后某些形态重金属分配率的变化来评价钝化剂的优劣[11]。因此，本研究通过在猪粪有机肥中投加物理型（生物炭）、化学型（化学吸附剂）和生物型（微生物菌剂）3种不同类型的钝化剂，考察钝化剂种类和剂量对有机肥中Cu、Zn的钝化效果，并通过盆栽试验来表征其生物有效性，旨为筛选出效果较好的重金属钝化剂，为畜禽粪便有机肥的安全利用提供技术支撑，同时对于降低农作物对重金属Cu、Zn的吸收和累积、保证农产品的质量安全具有重大的现实意义。

1材料与方法

1.1试验材料

本研究所用基质土壤均来自上海市青浦现代农业园区；猪粪有机肥，来自上海市闵行区畜禽种场有机肥厂；生物炭，来自江苏省大丰市上海农场；化学吸附剂，来自上海速宜环境科技有限公司；微生物菌剂，来自奥库生物科技（苏州）有限公司。其中，基质土壤有机质含量为35.08 g/kg，Cu、Zn含量分别为26.10、128.01 mg/kg；猪粪有机肥有机碳含量为 44.67%，Cu、Zn含量分别为129.19、467.95 mg/kg；生物炭固定碳含量为87.14%，pH值为8.58，灰分含量为3.05%，比表面积600 m2/g；化学吸附剂是具有吸附性能的层状矿物类物质，是对重金属修复有实际效果的矿物和其他辅材制成的复合材料，对重金属有吸附并抑制其溶出的效果，pH值在8～10，毛质量比约0.8～1.0，灰白色粉末，无嗅；微生物菌剂是对重金属有富集和转化作用的多种微生物的复合菌剂，pH值在2.8～3.5之间，乳酸菌含量100万～470万CFU/mL，一般菌（含光合菌）含量100万～470万CFU/mL，酵母含量约2万CFU/mL，霉菌含量<10 CFU/mL。

1.2试验设计

1.2.1钝化剂用量

试验在上海市青浦现代农业园区大棚内进行，生物炭用量参考文献[12-13]，化学吸附剂和微生物菌剂用量参照使用说明。每种钝化剂设置5个质量分数梯度，生物炭为0.50%（S1）、0.75%（S2）、1.00%（S3）、1.25%（S4）、1.50%（S5）；化学吸附剂为0.50%（H1）、0.75%（H2）、1.00%（H3）、1.25%（H4）、1.50%（H5）；微生物菌剂为067%（W1）、1.00%（W2）、1.33%（W3）、1.67%（W4）、200%（W5），外加1个空白对照（CK），每个处理设置3个平行。每个处理将称好的商品有机肥和投加的钝化剂混合均匀，放置稳定14 d。

1.2.2盆栽试验

在每个内径22 cm、深度为17 cm的花盆中加入1.8 kg土壤，每盆按土壤与有机肥的质量比3 ∶[KG-*3]1投加有机肥，在每个花盆内移栽1株长势相同的辣椒幼苗，日常水肥条件按照辣椒生长需求统一管理。

1.3样品采集

辣椒60 d后采收地上部分，辣椒果实和辣椒植株分开，收取地上部分称鲜质量后，用自来水和去离子水洗净，称质量；再105 ℃杀青30 min，70 ℃烘干至恒质量，称量并记录干质量，再研磨成粉状，过60目筛，装入样品袋内备用。endprint

1.4测定方法

土壤和有机肥中重金属含量的测定：在称取的0.1 g（精确到0.000 1）样品中加入1 mL浓HNO3、3 mL浓HCl、3 mL HF和0.5 mL HClO4消解，消解完全后用蒸馏水、王水体积比1 ∶[KG-*3]1的溶液溶解，然后移至50 mL容量瓶中定容过滤，最后采用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES 8300）测定Cu、Zn含量。测定过程用国家标准土壤样（GBW07456）进行样品分析质量控制。

辣椒茎叶和辣椒果实中重金属含量的测定：在称取 0.25 g（精确到0.000 1）的样品中加入2.5 mL浓HNO3与 0.5 mL H2O2消解，消解完全后，用去离子水溶解，然后移至50 mL容量瓶中定容过滤，最后采用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES 8300）测定Cu、Zn含量。测定过程用国家标准植物样（GBW07603）进行样品分析质量控制。

1.5数据处理方法

试验数据采用Excel 2010和SPSS 17.0软件进行处理分析。

2结果与分析

2.1不同钝化剂处理对辣椒生物量的影响

由表1可知，与对照组相比，除生物炭处理组S1和化学吸附剂处理组H1、H3、H4以外，其他处理辣椒茎叶鲜质量均有不同程度的增加，但未达到显著性差异；生物炭处理组S2、S3、S5和微生物菌剂处理组W2、W3、W4、W5辣椒茎叶干质量均有不同程度的增加，但也未达到显著性差异。所有钝化剂处理组辣椒果实鲜质量均有明显增加，但除处理组S4外均未达到显著性差异；除了化学吸附剂处理组H1、H4、H5和生物炭处理组W1、W3以外，其他处理辣椒果实干质量均有不同程度的增加，但未达到显著性差异。

2.2不同钝化剂处理对辣椒植株重金属Cu、Zn含量的影响

2.2.1不同钝化剂处理对辣椒重金属Cu含量的影响

由图1可知，与空白对照相比，生物炭处理组辣椒茎叶Cu含量均有不同程度的降低，降幅最大的为S4处理，达到31.03%；化学吸附剂处理组辣椒茎叶Cu含量随着投加量的增加呈现先升高后下降又升高的趋势，增幅最大的为H3处理，达到60.56%；微生物菌剂处理组W2和W3辣椒茎叶Cu含量降低较多，降幅分别达到13.95%和12.97%。

由图2可知，所有钝化剂处理组的辣椒果实中Cu含量均低于空白对照组，生物炭处理组S4辣椒果实Cu量最低，为0.835 mg/kg，比对照组降低了25.91%，化学吸附剂处理组H4辣椒果实Cu含量最低，为0.931 mg/kg，降低了17.39%，[JP3]微生物菌剂处理组 W2 辣椒果实Cu 含量最低， 为0.895 mg/kg，降低了20.59%。

2.2.2不同钝化剂处理对辣椒重金属Zn含量的影响

由图3可知，所有钝化剂处理组辣椒茎叶Zn含量均低于空白对照组，生物炭处理组整体降幅最大，达到15.77%～36.55%，化学吸附剂处理组辣椒茎叶Zn含量总体上随着投加量的增加逐步下降，H4处理降幅最大，为35.62%，微生物菌剂处理组辣椒茎叶Zn含量随着投加量的增加呈现先下降后升高的趋势，W3处理降幅最大，为41.69%。

由图4可知，生物炭处理组辣椒果实Zn含量明显低于空白对照组，S4处理降幅最大，比空白对照组降低了30.72%，化学吸附剂处理组辣椒果实Zn含量总体低于空白对照组，H4处理降幅最大，为15.96%，微生物菌剂处理组辣椒果实Zn含量随着投加量的增加呈现先下降后升高的趋势，W2处理降幅最大，为28.99%。

3讨论

集约化、规模化养殖场的畜禽粪便中重金属对土壤环境和农产品质量安全的潜在危害越来越受到人们的关注，商品有机肥的长期施用已经成为农田土壤重金属的重要来源[14-15]。因此，开展商品有机肥重金属的钝化研究，筛选出对重金属钝化效果良好的钝化剂，对于降低重金属的生物有效性、保证农产品的质量安全和品质具有重要意义。

3.1不同钝化剂处理对辣椒生物量的影响

本研究结果表明，生物炭可以促进辣椒的生长，提高辣椒的生物量，这与Biederman等的研究结果[16-17]一致，支持了增产观点。这是因为生物炭具有较大的孔隙度和比表面积，较高的阳离子交换量（CEC）和碳氮比（C/N）[18-19]，增加了土壤孔隙度、有机碳的含量，提高了土壤肥力，有利于作物根系的生长，从而提高作物产量[20]。化学吸附剂处理组除了H4处理外，其他处理明显有利于辣椒果实增产，说明化学吸附剂可以提高辣椒果实产量，可能是因为化学吸附剂本身含有的一些微量矿质元素有利于辣椒的生长。此外，本研究中所用化学吸附剂是一种新型非传统的化学稳定剂，对辣椒生長的作用机制还有待进一步的研究。微生物菌剂处理组能不同程度地促进辣椒幼苗生长，提高果实产量，可能是由于微生物菌剂的施用促进了辣椒幼苗对花盆土壤中养分的吸收[21]。

3.2不同钝化剂处理对辣椒植株重金属Cu、Zn含量的影响

目前，大量研究都将Tessier法中的重金属可交换态和碳酸盐结合态[22]或BCR连续提取法中的乙酸可提取态和可还原态[23]在钝化剂钝化前后分配率的变化作为钝化效果的判定依据[9-10，24]。而重金属的这些有效形态易受pH值等因素的影响，从而影响其生物有效性和钝化效果的评价。因此，本研究选取盆栽作物辣椒中重金属的累积量作为钝化剂钝化效果和生物有效性的判定依据。然而，与张云青等研究结果[14]不同，本研究发现，钝化剂处理的辣椒生物量与对照组有明显差异，与干质量相比，鲜质量更能确切反映辣椒不同部位重金属富集情况。在Cu、Zn含量相同的土壤上种植辣椒，生物量直接影响辣椒体内Cu、Zn含量，生物量增加会对Cu、Zn含量产生稀释效应，生物量降低则产生浓缩效应。因此辣椒体内重金属Cu、Zn含量的差异可以反映其被辣椒吸收的能力以及土壤中Cu、Zn生物有效性的强弱，也反映钝化剂对有机肥Cu、Zn钝化效果的优劣。endprint

本研究中，与对照组相比，投加生物炭均可降低辣椒茎叶和果实中重金属Cu、Zn的含量，说明生物炭处理可以降低畜禽粪便有机肥中Cu、Zn的可迁移性和生物有效性，对Cu、Zn有较好的钝化效果。这是因为生物炭富含微孔，孔隙结构发达，比表面积大，具有很强的吸附能力，能吸附重金属[25-26]。在0.50%～1.00%范围内，随生物炭用量的增加，茎叶和果实中Cu含量增加，而后又出现降低的趋势，这是因为Cu向辣椒迁移的过程是多因素作用的结果，一方面生物炭会不断吸附Cu；另一方面，低量时可能是因为生物炭表面的含氧官能团结合水的阻塞造成生物炭对Cu吸附量降低[27]，超过一定范围后，Cu含量又出现降低的趋势，这是因为生物炭具有较高的pH值，生物炭的高投加量造成有机肥和土壤pH值的显著升高，促进生物炭表面的离子交换作用，降低了重金属Cu的活性和生物有效性[28]。然而对于1.50%的高生物炭投加量下的茎叶和果实中Cu、Zn含量反而较高，这表明Cu、Zn的迁移还受到另一个重要因素的影响，即有机质的含量。因为投加生物炭增加了有机肥和土壤中有机质的含量，有机质的增加促进了Cu、Zn的迁移，从而提高了辣椒对Cu、Zn的吸收，陈玲桂也有类似观点[29]。生物炭对于辣椒果實中Cu的钝化效果依次为S4>S1>S2>S5>S3，然而对于辣椒果实中Zn钝化效果依次为S4>S1>S3>S2>S5，从农产品安全角度看，生物炭的最佳投加量为1.25%。然而对于化学吸附剂处理组，茎叶中Cu含量高于对照组，而果实中Cu含量与对照组差异不明显，这说明化学吸附剂对Cu的钝化效果不明显。此外化学吸附剂处理的辣椒茎叶和果实中含Zn量大部分低于对照组，并且随着化学吸附剂的增加辣椒茎叶中含Zn量大致呈现降低的规律，说明化学吸附剂明显降低了Zn的移动性和生物有效性，对Zn有较好的钝化效果。这是因为化学吸附剂本身为无机物，Zn2+与化学吸附剂矿物中的离子交换达到化学吸附，保持在稳定状态，不易溶出。此外，微生物可以转化、吸附和富集重金属，这一特征可用于减轻污染土壤和有机肥中重金属污染物的毒害作用，减少植物对重金属的吸收[30]。本研究发现，当菌剂投加量为0.67%时，菌剂对有机肥中Cu、Zn钝化效果不明显，可能是因为菌剂量少，在与土著微生物竞争中处于劣势。随着菌剂用量的增加，辣椒茎叶和果实中Cu、Zn含量在一定范围内明显降低，在投加量为100%时，果实中Cu、Zn含量达到最低值，分别为 0.895、2381 mg/kg。结果表明，投加不同量的微生物菌剂对Zn含量的变化有不同的影响，选择合适的投加量对Zn表现出较好的钝化作用[31]，然后随着菌剂的增加，果实中Cu含量基本不变，而Zn含量明显增加，这可能是因为与Cu相比，Zn具有较高的活性和生物有效性，在环境中易受到多种共存重金属的影响[32]。本研究还表明，在总量相同的有机肥中，从农产品安全角度看，对Cu、Zn钝化效果最好的是S4、H4和W2处理，并且钝化效果依次为S4>W2>H4。

[JP2]为了更完整评价钝化剂对有机肥中Cu和Zn的钝化效果以及Cu和Zn在辣椒体内的富集情况，对于辣椒根中Cu和Zn累积量需要开展进一步的研究。此外，生物炭、化学吸附剂和微生物菌剂对畜禽粪便有机肥中重金属的钝化，因试验土壤、作物不同，效果可能会有差异，因此还需要开展长期定位研究和扩大作物品种研究。另外，微生物技术在重金属修复方面研究较少，研究结果存在一定的不确定性[33]。因此，需要大量的试验以获取丰富的经验，达到微生物修复技术的推广。最后，生物炭孔隙结构发达，具有固炭作用，有助于细菌等微生物的生长等[32]，生物炭和微生物菌剂混合钝化剂对于畜禽粪便有机肥中重金属的钝化可以开展进一步的研究。[JP]

4结论

生物炭、化学吸附剂和微生物菌剂对辣椒生长有明显的促进作用，除了化学吸附剂以外，生物炭和微生物菌剂均可以不同程度地降低辣椒茎叶中Cu含量，同时这3种钝化剂均可以降低辣椒果实Cu和Zn含量。其中，S4（生物炭投加量 1.25%）、W2（微生物菌剂投加量1.00%）、H4（化学吸附剂投加量1.25%）处理对有机肥中Cu和Zn钝化效果最好。

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