猪粪施用量对土壤和辣椒中Cd和Pb积累的影响

    马国泰 杜红艳 刘芝妨 杨继刚 张昊 梁军 马利利 关天霞

    

    

    

    摘要：采用田间随机区组试验设计，研究了施用不同量（0、15、30、45、60 t /hm2）猪粪对辣椒不同生育时期土壤和辣椒各器官（根、茎、叶和果实）重金属Cd和Pb积累的影响。结果表明，土壤Cd和Pb的含量随着猪粪有机肥施用量的增加而增加，随着辣椒生长发育进程有所下降，Cd和Pb含量的最大值分别为0.360 3、29.11 mg/kg，均未超过土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（GB15618 — 2018）。在相同猪粪施用量条件下，辣椒根和茎中的Cd和Pb含量随着生育进程而增加，各器官中Cd和Pb的含量分布由大到小依次为根、叶、茎、果实。辣椒果实中Cd的含量为0.023 3～0.049 0 mg/kg，Pb含量为0.062 7～0.086 5 mg/kg，均未超过食品安全国家标准食品中污染物限量（GB 2762 — 2017），可安全食用。虽然猪粪有机肥的施用导致了土壤Cd和Pb的积累，但对辣椒各器官影响较小。辣椒根对重金属的富集能力为Cd > Pb，说明Cd更容易从土壤向辣椒中转移，对辣椒造成的危害可能会更大。

    关键词：猪粪;辣椒;Cd;Pb;灌漠土

    中图分类号：S641.3;S141.2? ?文献标志码：A? ?文章编号：1001-1463（2021）01-0028-07

    doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2021.01.006

    Abstract：The effect of pig manure on the accumulation of Cd and Pb in soil and organs （roots， stems， leaves and fruits） of pepper at different growth stages were studied by randomized block experiment design after different amount of pig manure application （0， 15， 30， 45 and 60 t /hm2）.? The results showed that the content of Cd and Pb in soil increased with the increase of the pig manure application， and decreased with the growth stages of pepper. The maximum content of Cd and Pb in the soil were 0.360 3 mg/kg and 29.11 mg/kg， respectively， which do not exceed The soil environmental quality and soil pollution risk control standard for agricultural land （GB 15618 — 2018）. Under the same amount of pig manure， the content of Cd and Pb in the roots and stems of pepper increased with the growth stages of pepper. The contents of Cd and Pb in each organ were? distributed from large to small in order as roots、 leaves、 stems、 fruits. The contents of Cd and Pb in pepper fruits were 0.023 3～0.049 0 mg/kg and 0.062 7～0.086 5 mg/kg， but they were all within the limit of pollutants in National food safety standard （GB2762 — 2017） and can be eaten safely. It can be concluded that although the application of pig manure results in the accumulation of Cd and Pb in soil， it has little effect on the organs of pepper. The enrichment capacity of pepper roots to heavy metals was Cd > Pb， which indicated that Cd was more easily transferred from soil to pepper， and the harm to pepper may be greater.

    Key words：Pig manure;Pepper;Cd;Pb;Irrigation desert soil

    隨着人们对蔬菜产品的需求越来越多，蔬菜的安全生产越来越受到人们的关注[1 ]。影响蔬菜安全问题的原因有很多，重金属污染是主要威胁之一。重金属在蔬菜中富集累积，可以通过食物链危害人体健康和生命安全[2 ]，其中Cd和Pd是我国蔬菜的主要重金属污染物[3 ]，全国约有24. 1%的菜地Cd含量超标[4 ]。王婷等[5 ]研究表明，甘肃白银土壤中Cd含量0.170～82.400 mg/kg，属重度污染;陈同斌等[6 ]研究表明，北京市蔬菜基地的土壤Pb是背景值的1.21倍，猪粪有机肥中Cd的超标率为51.7%[7 - 8 ];王飞等[9 ]发现，猪粪有机肥Pb超标率高达80.56%;刘荣乐等[10 ]研究发现，有机肥Pb和Cd超标率为1.2%和67.9%，长期施用重金属超标的猪粪会导致土壤的重金属含量有不同程度的积累[11 - 12 ]。刘赫等[13 ]的研究表明，长期施用猪粪有机肥会增加土壤中重金属Cd和Pb的含量，分别对比照增加了1.23 mg/kg和9.66 mg/kg;唐政等[14 ]研究表明，在有机蔬菜辣椒生产中施用猪粪有机肥使果实中Cd等重金属元素超标。长沙市各主要蔬菜基地生产的13个蔬菜种类Cd和Pb超标率分别为51%和60%[15 ]。李富荣等[16 ]研究发现，茄果类蔬菜均有Cd超标现象。茹淑华等[17 ]研究了重金属在番茄植株各器官中的积累情况，发现Cd和Pb等在番茄各器官的含量为根 > 茎叶 > 果;李非里等[18 ]对贵阳某市郊菜园辣椒不同器官Cd元素含量的研究中发现，根部对Cd元素有明显的富集作用，其次为茎叶，果实中Cd元素的含量最少，仅为茎叶的0.42～0.51倍。因此，如何安全施用畜禽粪便有机肥，不仅是实现有机肥良性循环的需要，也是保障土壤、环境、蔬菜质量的迫切需要。

    辣椒是人们最喜爱的蔬菜之一，其营养价值高，富含多种营养成分，近年来，种植面积和年产量不断增长，在生产中施用畜禽粪便十分普遍，是生产中一项重要的农艺措施。我们以辣椒为材料，以灌漠土为研究对象，采用田间随机区组试验设计，研究了施用不同量的猪粪有机肥后重金属Cd和Pb在土壤和辣椒各器官中的积累情况，为科学合理施用猪粪有机肥及辣椒安全生产提供参考。

    1? ?材料与方法

    1.1? ?供试材料

    供试辣椒品种为陇椒3号。试验地位于张掖市新墩鎮城儿闸村（北纬38° 54′ 43″，东经100° 24′ 43″），土壤类型为灌漠土。供试猪粪购买自当地养殖场，工艺为二次翻堆通风发酵。土壤和猪粪基本理化性质见表1。

    1.2? ?试验设计

    采用田间随机区组试验设计，共设5个猪粪施用量水平，分别为0（CK）、15、30、45、60 t/hm2，小区面积4.56 m2（1.2 m×3.8 m），重复4次。化肥常规施肥量为N 150 kg/hm2、P2O5 90 kg/hm2，K2O 75 kg/hm2。辣椒株行距为40 cm×45 cm，每小区播种24株。辣椒生长期间根据土壤墒情适时灌水、锄草。试验从2015年开始，每年均按照相同方案进行施肥处理。

    1.3? ?样品采集

    在辣椒幼苗期（2017年6月11日）、开花坐果期（2017年7月11日）、辣椒盛果期（2017年8月15日）、收获期（2017年9月23日）按照“S”形采样法采集耕层（0～20 cm）土样，自然风干后用全自动磨土机处理，过0.25 mm筛保存，测定土壤重金属Cd和Pb含量。采集植株辣椒样品（包括根、茎、叶和果实），用自来水冲洗附着的土壤，用去离子水冲洗3遍，烘箱中105 ℃杀青2 h，然后在70 ℃下烘干至恒重，称重（精确到0.000 1 g），研磨过0.25 mm筛，装入无色聚乙烯样品袋备用，并做好标签，贮存在干燥器中，用于重金属Cd和Pb含量测定。

    1.4? ?测定指标与方法

    土壤全量Cd和Pb含量采用HCl-HNO3- HF-HClO4消解，火焰原子吸收分光光度测定[19 - 20 ];植物样品全量Cd和Pb含量采用干灰化法，火焰原子吸收分光光度法测定[21 - 22 ]。

    1.5? ?数据处理与分析

    所有试验数据均采用Microsoft Excel 2016进行计算，所得结果为4个重复的平均值和标准差。不同处理间参数的差异显著性通过SPSS 21.0，采用Ducan检验进行统计分析，在P < 0.05条件下认为存在显著性差异。用Origin 8.0软件进行图形绘制。

    2? ?结果与分析

    2.1? ?施用猪粪对土壤Cd和Pb含量的影响

    从表2可知，在幼苗期，施用60 t/hm2猪粪有机肥与对照相比，Cd增加了9.98%，显著提高了土壤Cd含量（P < 0.05），但猪粪有机肥不同施用量处理间差异不显著。随着辣椒生长发育期的推进，土壤重金属Cd含量有所下降。在收获期，施用猪粪有机肥显著降低了土壤Cd含量，施用量15、30、45、60 t/hm2比对照分别降低了4.91%、7.37%、7.50%、7.09%。在施肥量为60 t/hm2时，与幼苗期相比，收获期Cd含量下降了18.15%。

    从表3可知，在幼苗期，施猪粪45、60 t/hm2均可以显著增加土壤中的Pb含量（P < 0.05），分别比对照增加了20.34%、19.80%，但猪粪有机肥各施用量处理间差异不显著。在开花坐果期和盛果期，施用45 t/hm2猪粪有机肥可以显著提高土壤Pb含量（P < 0.05），分别比对照提高了12.61%、12.47%。随着辣椒生长发育，土壤重金属Pb含量有所下降，施用60 t/hm2猪粪时，收获期Pb含量比幼苗期下降11.90%。

    2.2? ?对辣椒各器官Cd和Pb积累的影响

    2.2.1? ? 根部? ? 如图1所示，在幼苗期、开花坐果期和收获期，施用猪粪有机肥60 t/hm2可以显著提高辣椒根部Cd含量（P < 0.05），比对照分别增加了18.25%、23.51%、15.58%，但施猪粪有机肥30、45、60 t /hm2处理间差异不显著。随着辣椒生长发育，辣椒根部的Cd含量逐渐增加，在收获期达到最大，为0.097 6 mg/kg，比幼苗期增加了28.86%。

    在幼苗期，施用猪粪有机肥60 t/hm2可以显著提高辣椒根部Pb含量（P < 0.05），比对照增加了15.11%;在开花坐果期和收获期，辣椒根部Pb含量在施用量为15 t/hm2时最低。随着辣椒生长发育推进，辣椒根中Pb的含量逐渐增加，收获期茎根中Pb含量达最大，为0.379 8 mg/kg，比幼苗期增加了38.14%。

    2.2.2? ? 茎部? ? 如图2所示，在辣椒的整个生育时期，施用猪粪有机肥对辣椒茎部Cd含量影响不显著。辣椒茎部的Cd含量变化范围为 0.056 0～0.094 5 mg/kg，在收获期达到最大。随着辣椒生长发育，辣椒茎中Cd的含量逐渐增加，收获期茎中Cd含量达最大，为0.092 8 mg/kg，比幼苗期增加了44.65%。

    在收获期，施用猪粪有机肥60 t/hm2显著提高了辣椒茎部Pb含量（P < 0.05），比对照增加了8.86%;而在幼苗期、开花坐果期和盛果期，施用猪粪有机肥对辣椒茎部Pb含量影响不显著。随着辣椒生长发育，Pb含量逐渐增加，收获期Pb含量比幼苗期增加了47.93%。

    2.2.3? ? 叶片? ? 如图3所示，在幼苗期，施猪粪有机肥45、60 t/hm2显著提高了辣椒叶片Pb含量（P < 0.05），分别比对照提高了34.88%、3.98%。在辣椒的整个生长发育时期，辣椒叶片Cd含量变化范围为0.054 4～0.087 5 mg/kg，无论猪粪有机肥施用量多少，辣椒叶片中的Cd含量由高到低表现为幼苗期、盛果期、收获期、开花坐果期。

    施用猪粪有机肥可以在一定程度上降低辣椒叶片Pb含量（P < 0.05），但在收獲期并没有明显影响。在辣椒的整个生长发育时期，辣椒叶片Cd含量变化范围为0.130 2～0.190 9 mg/kg，无论猪粪有机肥施用量多少，辣椒叶片Pb的含量由高到低表现为收获期、开花坐果期、盛果期、幼苗期。

    2.2.4? ? 果实? ? 如图4所示，在开花坐果期，施用猪粪有机肥60 t/hm2显著提高了辣椒果实Cd含量（P < 0.05），比对照增加了14.20%，但猪粪有机肥各施用量处理间差异不显著。而在收获期，施用猪粪有机肥15 t /hm2后辣椒果实Cd含量比对照显著提高了16.68%（P < 0.05）。在辣椒整个生长发育时期，辣椒果实Cd含量变化范围为0.023 3～0.049 0 mg/kg，无论猪粪有机肥施用量多少，辣椒果实Cd含量由高到低表现为收获期、开花坐果期、盛果期。

    在辣椒的整个生长发育期，施用猪粪有机肥对辣椒果实Pb含量影响不显著，Pb含量变化范围为0.062 7～0.086 5 mg/kg，无论猪粪有机肥施用量多少，果实中Pb含量由高到低表现为收获期、开花坐果期、盛果期。

    2.3? ?对辣椒Cd和Pb富集系数的影响

    富集系数是蔬菜根部重金属含量与相应的土壤重金属含量之比，反映蔬菜从土壤中吸收重金属的能力[23 ]。从表4可以看出，施用猪粪有机肥在幼苗期和收获期均可以提高Cd的富集系数，Cd富集系数的变化范围为0.184 1～0.330 9，而Pb富集系数的变化范围为0.007 4～0.017 5。在同一猪粪用量下，随着辣椒生长发育，辣椒根部对重金属Cd和Pb的富集能力大小均有所上升。无论猪粪有机肥施用量多少，Cd富集系数远大于Pb，说明 Cd更容易从土壤进入植物根部，但Pb和Cd的富集系数始终小于1。

    3? ?结论与讨论

    猪粪是一种有机质含量较高的有机肥，经常被施入农田土壤中，用于改善土壤理化性质，提高土壤肥力[24 ]，但近年来也有很多学者发现猪粪中重金属超标的现象。参照我国农业行业标准，有机肥料（NY525 —? 2012）中重金属限量标准（Pb≤50 mg/kg，Cd ≤3 mg/kg）[25 ]，本试验供试猪粪有机肥中Cd和Pb含量（Cd为0.410 5 mg/kg，Pb为37.89 mg/kg）均在限量范围之内，属于达标有机肥。研究结果表明，土壤重金属Cd和Pb的含量随着猪粪有机肥施用量的增加而增加。土壤中Cd和Pb的最大含量分别为0.360 3 mg/kg和29.11 mg/kg，均未超过土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（GB15618 —2018，pH > 7.5时，Cd含量≤0.60 mg/kg，Pb含量≤170 mg/kg）[19 ]，可以认为短期施入猪粪源有机肥不会造成土壤重金属污染，但长期施用则有可能造成土壤Cd和Pb的污染，有必要进行进一步监测。

    施用不同量的猪粪有机肥后，辣椒各器官Cd和Pb的含量由高到低均表现为根、叶、茎、果实，说明根部对Cd和Pb具有一定的截留作用[26 ]。辣椒果实中Cd含量变化范围为0.023 3～0.049 0 mg/kg，Pb含量变化范围为0.062 7～0.086 5 mg/kg，均未超过食品安全国家标准食品中污染物限量（GB 2762 — 2017，Cd含量≤0.05 mg/kg，Pb含量≤0.1 mg/kg）[27 ]，可以安全食用。可以认为，虽然猪粪有机肥的施用导致了土壤Cd和Pb的积累，但对辣椒各器官影响较小，这可能是因为猪粪有机肥的施用增加了辣椒整株生物量，从而使Cd和Pb含量并没有明显增加，说明短期施用有机肥一般不会导致辣椒果实Cd和Pb含量的超标。辣椒对重金属的富集能力为 Cd > Pb，说明辣椒根对Cd的富集能力强于Pb，因此Cd更容易被辣椒吸收进而进入植物体内，进而通过食物链传递，增加人体健康风险。

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    （本文责编：陈? ? 珩）