连续施用鸡猪废弃物堆肥对土壤和小麦铜锌积累的影响

近年来，我国经济快速发展，畜禽养殖业逐渐从小型化养殖走向了集约化养殖，养殖规模与产值每年的递增速度均超过了10% [1]。同时，畜禽养殖业产生的废弃物急剧增长，对环境造成了严重的污染。畜禽粪便作为土壤的改良材料已经有好几百年的历史，恰当施用能够改善土壤理化性质，提高土壤肥力，增加作物产量[2]。在集约化养殖过程中，饲料中广泛使用含有重金属的添加剂，而且由于其生物利用度比较低，大部分重金属随着粪便排出体外[3-4]，致使畜禽粪便中重金属含量超标。因此，农用畜禽粪便会对土壤产生污染风险。农田中土壤重金属的来源主要包括肥料施用、大气降尘和污水灌溉[5-7]，其中，土壤重金属更多来源于肥料的长期施用[8]。在中国，畜禽粪便对土壤中重金属Cu和Zn的贡献率分别达到了69%和51%[9]。Nicholson等[10]分析了英国85份动物粪便样品中的重金属含量，结果表明：猪粪中的Zn和Cu含量高于其他粪便，均值为500，360 mg/kg。茹淑华等[11]通过对河北省全省区域典型集约化养殖场的主要畜禽粪便中 Cu、Zn、Cd等8 种重金属含量的分析，结果表明，按德国腐熟堆肥标准和中国有机肥(NY 525-2012)的标准，河北省畜禽粪便的 Cu、Zn、Cr超标率分别为 41.73%，50.39%，31.50%。贾武霞等[12]通过对我国部分城市集约化养殖场畜禽粪便的调查结果表明，畜禽粪便中重金属 Cu、Zn含量分布差异较大，其平均值分别为377.5，1 610.4 mg/kg。根据畜禽粪便安全使用准则中在蔬菜地使用限量标准，猪粪中 Zn、Cu 超标率分别为 78.69%，74.59%。黄绍文等 [13] 分析了我国商品有机肥和有机废弃物中重金属状况结果表明，鸡粪和猪粪中 Cu、Zn 含量远高于20世纪 90 年代初，分别增加1.5～16.2倍，1.3～4.7倍。贾武霞[14]采用14 年长期定位试验探讨了不同猪粪施用量和施用年限对土壤中重金属含量的影响，结果表明，每吨猪粪平均向土壤中贡献了Cu 1.59 mg/kg、Zn 2.15 mg/kg和Cd 0.014 mg/kg，因此，畜禽粪便施用量是影响土壤中重金属累积的重要因子之一。

因此，为防止土壤重金属污染，保障食品安全，明确畜禽粪便有机肥安全施用的重金属负荷成为首要任务，研究连续施用畜禽粪便有机肥后，不同重金属在农田土壤中的积累，对科学地确定土壤的重金属负荷以及确保农产品安全具有重要意义。基于此，本研究通过田间小区试验与室内分析相结合的方法，定量地研究连续施用鸡、猪废弃物堆肥后Cu、Zn在土壤和小麦中的积累及土壤Cu、Zn有效性的影响规律，为从源头上控制农田土壤重金属污染提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

田间试验地位于河北省农林科学院大河试验站(北纬38°07′32″，东经114°23′00″)。土壤母质为洪冲积物，土壤类型为黏壤质洪冲积石灰性褐土。土壤基本理化性质：pH值为7.93、有机质1.81 g/kg 、全氮1.11g/kg、土壤硝态氮25.8 mg/kg、全磷0.08 g/kg、有效磷14.5 mg/kg、全钾1.79 g/kg 、速效钾96.3mg/kg。在此处选取的试验田土壤中重金属含量均低于土壤环境质量一级标准值(GB 15618-1995)。供试鸡粪有机肥选用正定县希星有机肥厂生产的成品有机肥，猪粪有机肥选用正定县农富有机肥厂生产的半成品有机肥。基础土和所施用的鸡粪和猪粪中铜和锌的含量见表1。

1.2 试验设计

本试验共设9个处理，包括1个常规施化肥处理 (CK：施N 300 kg/hm2、P2O5 150 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2) 、4个猪粪用量梯度处理(ZF1：15 t/hm2、ZF2：30 t/hm2、ZF3：45 t/hm2、ZF4：60 t/hm2) ，4个鸡粪用量梯度处理(JF1：15 t/hm2、JF2：30 t/hm2、JF3：45 t/hm2、JF4：60 t/hm2)。每个处理设置3个重复，共27个小区，每个小区面积为12 m2( 长3 m，宽4 m) ，均随机排列，小区南北向用田埂隔开，东西向用塑料板隔开。为了控制施肥方式一致，所有鸡、猪废弃物堆肥和化肥均采用小麦播种前一次性基肥施用，施肥后与耕层土壤(0～15 cm) 用小型悬耕机充分混匀。本研究于2010年10月开始，到2017年6月结束，试验期共7年，种植类型包括小麦单作、小麦-小白菜轮作、小麦-玉米轮作。为使各小区产量基本保持一致，有机肥中的N和P含量按化肥的70%折算，养分不足的用化肥补充，田间管理方式参照当地习惯管理。

1.3 样品采集

于2011-2017年在小麦成熟期时采集土壤样品，每小区取耕层(0～15 cm)土壤样品，土样经自然风干后研磨先过1 mm筛，供分析土壤Cu、Zn有效态用；然后取部分土样过0.149 mm尼龙筛，供土壤Cu、Zn全量分析。于2017年在小麦成熟期时采集小麦样品，小麦秸秆与籽粒放置烘箱于70 ℃烘干，秸秆剪碎用不锈钢粉碎机粉碎，籽粒用高速粉碎机粉碎，消煮测定Cu、Zn含量。

1.4 样品分析、质量控制

土壤 pH值、电导率等按常规方法测定。土壤全Cu、Zn含量用HNO3-HF-HClO4电热板消煮，小麦植株样品采用HNO3-HClO4电热板消煮。土壤有效态Cu、Zn含量的测定：用0.05 mol/L DTPA 振荡浸提2 h后过滤。土壤或植物样品的待测液用电感耦合等离子源自发射质谱仪ICP-OES测定Cu、Zn含量。

1.5 数据处理

数据图表采用 Microsoft Office Excel 2007 绘制，显著性差异采用 SPSS 18.0 分析。

2 结果与分析

2.1 连续施用鸡猪废弃物堆肥对土壤理化性质的影响

表2为连续7年施用鸡猪废弃物堆肥对土壤理化性质的影响。从表2中可以看出，随着鸡粪施用量的增加，土壤pH值均呈降低的趋势。与施化肥处理(CK)相比，连续 7 年施用猪粪用量为45，60 t/hm2的处理土壤pH值显著降低，分别降低了3.42%，3.42% (P<0.05)。与CK相比，除施用鸡粪用量为15 t/hm2的处理外，连续7年施用鸡粪用量为30，45，60 t/hm2的处理土壤 pH值也显著降低，分别降低了5.70%，10.14%，11.53%，而且施用相同量鸡粪的处理(30，45，60 t/hm2)也显著低于猪粪处理，分别降低了3.63%，6.96%，8.40%。

随着猪粪和鸡粪施用量的增加，连续7年施用猪粪处理土壤电导率无显著差异，连续7年施用鸡粪30～60 t/hm2处理的土壤电导率显著提高。与施化肥处理(CK)相比，除施用鸡粪用量为15 t/hm2的处理外，施用鸡粪用量为30，45，60 t/hm2的处理均显著提高了土壤电导率，分别提高了113.20%，110.66%，170.56%，且也显著高于施用相同量猪粪的处理，鸡粪施用量为15，30，45，60 t/hm2时，分别比施用猪粪的处理增加91.82%，95.35%，54.28%，90.36%。

Notes：Different letters indicate significant differences between different treatments.The same as Tab.3-4.

2.2 连续施用鸡猪废弃物堆肥对土壤铜、锌含量的影响

表3为连续7年施用鸡猪废弃物堆肥对0～15 cm土壤Cu、Zn含量的影响。从表3可以看出，随着猪粪施用量的增加，土壤全Cu和有效态Cu含量均呈明显增加的趋势。连续7年施用猪粪用量为45，60 t/hm2的处理土壤全Cu含量显著高于15 t/hm2的处理，连续7年施用猪粪用量为30 t/hm2的处理土壤全Cu含量显著高于15 t/hm2的处理。连续7年施用猪粪用量为45，60 t/hm2的处理土壤有效Cu含量显著高于15 t/hm2的处理。所有施用不同鸡粪用量间土壤全Cu和有效态Cu含量均差异不显著。与施化肥处理(CK)相比，连续7年施用猪粪用量为15，30，45，60 t/hm2的处理土壤全Cu含量均显著增加，分别为施化肥处理的1.73，2.46，3.12，3.38倍；连续7年施用猪粪用量为15，30，45，60 t/hm2的处理土壤有效Cu含量也均显著增加，分别为施化肥处理(CK)的5.12，9.37，12.68，13.84倍。随着鸡粪施用量的增加，土壤全Cu和有效Cu含量均有明显增加的趋势，与施化肥处理(CK)相比，仅连续7年施用鸡粪用量为 60 t/hm2的处理土壤全Cu含量显著增加，其余施用量处理均无显著差异。随着猪粪施用量的增加，土壤有效Cu占全Cu含量的比例明显增加。随着鸡粪施用量的增加，土壤有效Cu占全Cu含量的比例变化不大。相同施用量下，施用鸡粪土壤有效Cu占全Cu含量的比例低于猪粪。

随着猪粪施用量的增加，土壤全Zn含量显著增加，有效Zn含量呈明显增加的趋势。连续7年施用猪粪用量为45，60 t/hm2的处理土壤有效Zn含量显著高于15 t/hm2的处理。随着鸡粪施用量的增加，土壤全Zn和有效Zn含量均显著增加。与施化肥处理(CK)相比，连续7年施用猪粪用量为15，30，45，60 t/hm2的处理土壤全Zn含量显著增加，增幅为34.17%～139.21%，除施用猪粪用量15 t/hm2的处理外，猪粪用量30，45，60 t/hm2的处理土壤有效Zn含量显著增加，分别为施化肥处理(CK)的7.25，9.35，12.34倍。与施化肥处理(CK)相比，连续7年施用鸡粪用量为15，30，45，60 t/hm2的处理土壤全Zn显著增加，增幅为123.54%～421.22%，施用鸡粪为15，30，45，60 t/hm2的处理土壤有效Zn含量显著增加，分别为施化肥处理(CK)的13.08，21.61，28.97，33.76倍。其中，连续7年施用鸡粪45，60 t/hm2的处理土壤全Zn含量均超过国家土壤环境质量二级标准限值，其余施肥处理土壤Cu、Zn含量均未超过国家土壤环境质量二级标准。随着猪粪施用量的增加，土壤有效Zn占全Zn含量的比例增加。随着鸡粪施用量的增加，土壤有效Zn占全Zn含量的比例变化不大。相同施用量下，施用鸡粪土壤有效Zn占全Zn含量的比例高于猪粪。

2.3 鸡猪废弃物堆肥用量与土壤铜、锌含量间的关系

图1鸡猪废弃物堆肥用量与土壤中 Cu、Zn 的相关关系。可以看出，随着鸡粪和猪粪施用量的增加，土壤中Cu、Zn的含量均呈明显升高的趋势。通过分别对连续 7 年不同鸡粪和猪粪施用量与土壤铜和锌含量之间的关系用数学模型模拟，发现二者符合线性相关关系，且达到极显著相关。根据国家土壤环境质量二级标准规定的土壤Cu限值 (pH值>7.5，Cu≤100 mg/kg)，推算出鸡、猪废弃物堆肥的安全施用量分别为2 386.26，616.10 t/hm2。如果鸡粪、猪粪有机肥每年施用量为15 t/hm2，分别可以安全施用159.08，41.7 年。当土壤Zn含量达到国家土壤环境质量二级标准限值(pH值>7.5，Zn≤300 mg/kg)时，推算出鸡、猪废弃物堆肥的安全用量为205.18，993.89 t/hm2，如果鸡、猪废弃物堆肥每年施用量为15 t/hm2，可以安全施用13.67，66.26 年。

2.4 连续施用鸡猪废弃物堆肥对小麦铜、锌含量的影响

表4为连续7年施用鸡猪废弃物堆肥对小麦Cu、Zn含量的影响。从表4中可以看出，随着鸡粪施用量的增加，小麦秸秆和籽粒中的Cu含量均没有显著变化，而随着猪粪施用量的增加，小麦秸秆和籽粒中的Cu含量均呈明显增加的趋势。猪粪用量45，60 t/hm2的处理小麦秸秆中Cu含量显著高于15，30 t/hm2的处理，猪粪用量60 t/hm2的处理小麦籽粒中Cu含量显著高于15，30 t/hm2的处理。与施化肥处理(CK)相比，除鸡粪用量为15 t/hm2的处理外，连续7年施用鸡粪用量30，45，60 t/hm2的处理小麦秸秆中Cu含量均显著增加，增幅为26.26%～30.73%。所有施用鸡粪的处理小麦籽粒中的Cu含量与施化肥处理(CK)相比均无显著变化。与施

化肥处理(CK)相比，连续7年施用猪粪用量为15，30 t/hm2的处理小麦秸秆中Cu含量没有显著变化，而猪粪用量为45，60 t/hm2的处理小麦秸秆中Cu含量显著增加，分别增加31.56%，36.31%。连续7年施用猪粪用量为60 t/hm2的处理小麦籽粒中Cu含量相比施化肥处理(CK)显著增加，为29.83%。

随着鸡粪施用量的增加，小麦秸秆和籽粒中的Zn含量均呈明显增加的趋势，而随着猪粪施用量的增加，小麦秸秆和籽粒中的Zn含量均没有显著变化。鸡粪用量45，60 t/hm2的处理小麦秸秆中Zn含量显著高于15，30 t/hm2的处理，鸡粪用量30 t/hm2的处理小麦秸秆中Zn含量显著高于15 t/hm2的处理，鸡粪用量45，60 t/hm2的处理间小麦秸秆中Zn含量没有显著差异。鸡粪用量60 t/hm2的处理小麦籽粒中Zn含量显著高于15，30 t/hm2的处理，鸡粪用量30，45 t/hm2的处理小麦籽粒中Zn含量显著高于15 t/hm2的处理，鸡粪用量30，45 t/hm2的处理间小麦籽粒中Zn含量没有显著差异。与施化肥处理(CK)相比，施用鸡粪用量为15，30，45，60 t/hm2的处理小麦秸秆中 Zn 含量显著增加，增幅为44.23%～214.95%；同样，与施化肥处理(CK)相比，施用鸡粪用量为15，30，45，60 t/hm2的处理小麦籽粒中Zn 含量也显著增加，增幅为29.90%～99.72%。除施用猪粪用量为15 t/hm2的处理小麦秸秆中的 Zn 含量与施化肥处理(CK)相比显著降低外，其他猪粪用量处理小麦秸秆中的 Zn 含量均与施化肥处理没有显著变化；所有施用猪粪的处理小麦籽粒中Zn 含量与施化肥处理没有显著变化。

施用相同用量鸡粪和猪粪的处理，籽粒Cu 与秸秆Cu的比值基本上差异不大，而施用相同用量猪粪的处理籽粒Zn 与秸秆Zn 的比值明显高于鸡粪，可见猪粪中Zn元素从秸秆向籽粒的迁移能力明显高于鸡粪。随着猪粪和鸡粪用量的增加，籽粒Zn 与秸秆Zn 的比值均呈下降趋势。

3 讨论与结论

畜禽粪便种类、施用量是影响土壤中重金属Cu、Zn积累的重要因素。董同喜等[15]通过文献查阅和采样分析结果表明，华北农田小麦-玉米轮作体系下，Cu、Zn、Cd、Ni、Pb、Cr 6 种重金属元素的主要输入源为畜禽粪便有机肥，其占总输入量的比例分别是：86.1%，83.8%，76.6%，72.5%，64.3%和 46.3%。刘海东等[16]探讨了华东地区畜禽粪便对农田土壤重金属输入的贡献，结果表明，畜禽粪便中重金属对农田土壤的输入量从大到小依次为 Zn>Cu>Cr>Pb>As>Cd>Hg，其中，Zn 和 Cu 为主要输入的元素。杨子仪等[17]在黑土中施用化肥和畜禽粪便有机肥3年后，土壤中Zn含量均表现出一致变化：猪粪>鸡粪>CK和单施化肥处理。本研究表明，施用鸡、猪粪后，耕层(0～15 cm)土壤中全Cu、Zn和有效Cu、Zn含量均出现了明显的积累，且随着施用量的增加，土壤中全Cu、Zn和有效Cu、Zn含量显著增加，即土壤中Cu、Zn含量与鸡、猪粪施用量呈显著正相关关系，而且施用猪粪土壤Cu累积明显高于鸡粪，施用鸡粪土壤Zn累积明显高于猪粪。本研究中连续7年施用鸡粪45，60 t/hm2的处理，土壤中的Zn含量已经超过了国家土壤质量二级标准。另外，连续7年施用较高用量的鸡、猪粪后，土壤pH值均显著低于施化肥处理，随着鸡粪和猪粪施用量的增加土壤中Cu、Zn的有效性呈明显增加的趋势，且施用猪粪土壤中Cu的有效性明显高于鸡粪。在商和平等[18]的研究中也推断了施入鸡粪和猪粪后土壤中有效态Cu含量随施用量的增加而显著增加的原因，可能是施入有机肥导致土壤pH值降低，使Cu向其活性较高的有效态转化，有效态Zn也有类似的变化，且比有效态Cu的变化更为明显。

另外，由于畜禽粪便中的重金属主要来源于饲料中的添加剂，如果土壤长期大量无节制地施用畜禽粪便作为有机肥，则有可能对土壤环境造成重金属污染[19]，适量施用畜禽粪便有机肥是确保粮食作物安全的重要方法，在农业生产过程中应尽量避免长期连续施用或者一次性大量施用畜禽粪便有机肥。因此，除了从畜禽养殖源头上严格控制即控制饲料添加剂重金属元素的添加外[20]，根据畜禽有机肥中重金属的含量高低，采用量化施用有机肥的方法也是十分必要的。

相同施用量下，施用鸡粪土壤有效Cu占全Cu含量的比例低于猪粪，施用鸡粪土壤有效Zn占全Zn含量的比例高于猪粪。连续7年施用鸡粪45，60 t/hm2的处理土壤全Zn含量均超过国家土壤环境质量二级标准限值，其余施肥处理土壤Cu、Zn含量均未超标。与CK(施用化肥)相比，连续7年施用鸡粪用量为60 t/hm2的处理小麦籽粒中Zn含量显著增加，为 99.72%，连续7年施用猪粪用量为60 t/hm2的处理小麦籽粒中Cu含量显著增加，为29.83%。

随着鸡粪和猪粪施用量的增加，土壤中Cu、Zn的含量均呈明显升高的趋势。通过分别对连续 7 年不同鸡粪和猪粪施用量与土壤铜和锌含量之间的关系用数学模型模拟，发现二者符合线性相关关系，且达到极显著相关。根据国家土壤环境质量标准规定的土壤Cu限值时，推算出鸡粪、猪粪有机肥的安全施用量分别为2 386.26，616.10 t/hm2。如果鸡粪、猪粪有机肥每年施用量为15 t/hm2，分别可以安全施用159.08，41.7 年。当土壤Zn含量达到国家土壤环境质量标准限值时，推算出鸡粪、猪粪有机肥的安全用量为205.18，993.89 t/hm2，如果鸡粪、猪粪有机肥每年施用量为15 t/hm2，可以安全施用13.67，66.26 年。

[1] 赵利利.养猪场粪便中重金属含量及其对土壤-蔬菜体系的影响研究[D].南昌：南昌大学，2010.

[2] Lazcano C，Gómez-Brandón M，Domínguez J.Comparison of the effectiveness of composting and vermicomposting for the biological stabilization of cattle manure[J].Chemosphere，2008，72(7)：1013-1019.

[3] Nasiru A，Ismail N，Ibrahim M H.Vermicomposting：tool forsustainable ruminant manure management[J]． Journal of Waste Management，2013，7(1)：732-759．

[4] Sarmah A K，Meyer M T，Boxall A B.A global perspective on the use，sales，exposure pathways，occurrence，fate and effects of veterinary antibiotics (VAs) in the environment[J].Chemosphere，2006，65(5)：725-759.

[5] Mortvedt J J.Heavy metal contaminants in inorganic and organic fertilizers[J].Fertilizer Research，1996，43(1/3)：55-61.

[6] Chen W，Chang A C，Wu L.Assessing long-term environmental risks of trace elements in phosphate fertilizers[J].Ecotoxicology and Environmental Safety，2007，67(1)：48-58.

[7] Cheng S.Heavy metal pollution in China：origin，pattern and control[J].Environmental Science and Pollution Research International，2003，10(3)：192-198.

[8] 曹志洪，周健民.中国土壤质量[M].北京：科学出版社，2008：528-625.

[9] Luo L，Ma Y，Zhang S，et al.An inventory of trace element inputs to agricultural soils in China[J].Journal of Environmental Management，2009，90(8)：2524-2530.

[10] Nicholson F A，Chambers B J，Williams J R，et al.Heavy metal contents of livestock feeds and animal manures in England and Wales[J].Bioresouse Techno1，1999，70：23-31.

[11] 茹淑华，苏德纯，张永志，等.河北省集约化养殖场畜禽粪便中重金属含量及变化特征[J].农业资源与环境学报，2016，33(6)：533-539.

[12] 贾武霞，文炯，许望龙，等.我国部分城市畜禽粪便中重金属含量及形态分布[J].农业环境科学学报，2016，35(4)：764-773.

[13] 黄绍文，唐继伟，李春花.我国商品有机肥和有机废弃物中重金属、养分和盐分状况[J].植物营养与肥料学报，2017，23(1)：162-173.

[14] 贾武霞.畜禽粪便施用对土壤中重金属累积及植物有效性影响研究[D].北京：中国农业科学院，2016.

[15] 董同喜，杨海雪，李花粉，等.华北农田小麦-玉米轮作体系下土壤重金属积累特征研究[J].农业资源与环境学报，2014，31(4)：355-365.

[16] 刘海东，李琳，张维俊，等.华东地区不同种类畜禽粪便对农田土壤重金属输入的影响[J].环境与可持续发展，2017，42(6)：136-139.

[17] 杨子仪，吴景贵，冯娜娜，等.不同畜禽粪肥与化肥配施下黑土中Zn含量及形态变化特征[J].农业环境科学学报，2014，33(9)：1728-1735.

[18] 商和平，李洋，张涛，等.畜禽粪便有机肥中Cu、Zn在不同农田土壤中的形态归趋和有效性动态变化[J].环境科学，2015，36(1)：314-324.

[19] 茹淑华，张国印，杨军芳，等.鸡粪和猪粪对小麦生长及土壤重金属累积的影响[J].华北农学报，2015，30(S)：494-499.

[20] 何梦媛，董同喜，茹淑华，等.畜禽粪便有机肥中重金属在土壤剖面中积累迁移特征及生物有效性差异[J].环境科学，2017，38(4)：1576-1586.