环境科学  2022, Vol. 43 Issue (10): 4613-4621   PDF    
我国茶叶主产区有机肥重金属含量现状
伊晓云, 方丽, 杨向德, 马立锋, 刘美雅, 张群峰, 倪康, 石元值     
中国农业科学院茶叶研究所, 杭州 310008
摘要: 调查分析我国茶叶主产区有机肥重金属含量可以为有机肥的安全使用提供指导,从而保障茶园土壤和茶叶质量安全.对2017~2019年期间收集的茶园施用的有机肥样品中的重金属含量进行了分析,并对不同种类有机肥的施用风险进行了测算.结果表明,我国茶叶主产区有机肥中ω(As)、ω(Hg)、ω(Pb)、ω(Cd)、ω(Cr)、ω(Cu)、ω(Zn)和ω(Ni)的平均含量分别为4.60、0.22、27.1、0.78、27.9、58.3、250.1和16.3 mg ·kg-1.依据NY/T 525-2021中的评价标准,采集的有机肥样品中As、Hg、Pb、Cd和Cr超标率分别为6.19%、1.33%、4.42%、4.42%和1.33%.从不同地区看,陕西、江苏、安徽、福建和广西的有机肥合格率100%,山东、浙江、湖北、四川、云南和广东的有机肥合格率在80%~90%,而江西茶园施用的有机肥合格率仅54.5%.从不同来源看,有机肥合格率在菜籽饼肥、大豆饼肥和猪粪肥中为100%,羊粪肥95.8%、牛粪肥91.7%、鸡粪肥90.7%、其它动物类有机肥87.2%、动植物混合源类有机肥82.4%、其它植物类有机肥65.2%、其它类有机肥63.6%.根据推荐施用量估算,施用猪粪肥、牛粪肥、鸡粪肥和羊粪肥的土壤重金属累积速率将远超施用菜籽饼肥和大豆饼肥,动物源有机肥是植物源有机肥平均累积速率的7~30倍.因此,茶园上施用有机肥,建议选用菜籽饼肥和大豆饼肥,另一方面,对风险较高地区应加强监测,以降低土壤和茶叶重金属累积风险.
关键词: 有机肥      重金属      超标率      合格率      累积风险     
Status of Heavy Metal in Organic Fertilizers in Main Tea Growing Regions of China
YI Xiao-yun , FANG Li , YANG Xiang-de , MA Li-feng , LIU Mei-ya , ZHANG Qun-feng , NI Kang , SHI Yuan-zhi     
Tea Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Hangzhou 310008, China
Abstract: To provide guidance for the safe use of organic fertilizers and improve soil quality and tea safety, it is necessary to conduct systematic analyses of the heavy metal content of organic fertilizers applied in the main tea producing areas of China. In this study, we analyzed the heavy metal contents in organic fertilizer samples collected from 2017 to 2019. The risks of collected organic fertilizers from different areas and sources were calculated. The results showed that the average concentrations of ω(As), ω(Hg), ω(Pb), ω(Cd), ω(Cr), ω(Cu), ω(Zn), and ω(Ni) in the collected organic fertilizers were 4.60, 0.22, 27.1, 0.78, 27.9, 58.3, 250.1, and 16.3 mg·kg-1, respectively. According to the assessment standard in NY/T 525- 2021, the over-limit rates of As, Hg, Pb, Cd, and Cr were 6.19%, 1.33%, 4.42%, 4.42%, and 1.33%, respectively. With respect to the area, the qualified rates were 100% in Shaanxi, Jiangsu, Anhui, Fujian, and Guangxi; 80%-90% in Shandong, Zhejiang, Hubei, Sichuan, Yunnan, and Guangdong; and only 54.5% in Jiangxi. The qualified rates of sources were 100% in rapeseed cake, soybean cake, and pig manure; 95.8% in sheep manure; 91.7% in cow manure; 90.7% in chicken manure; 87.2% in manure of other animals; 82.4% in the mixture of plant and animal sources; 65.2% in other plant sources; and 63.6% in other sources. According to the recommended application rate, the accumulation rate of heavy metals in soil with pig manure, cow manure, chicken manure, and sheep manure would be much higher than that with rapeseed cake and soybean cake. The average accumulation rate of organic fertilizer from animal sources was 7-30 times higher than that from plant sources. Therefore, it is recommended to use rapeseed cake or soybean cake fertilizer in tea plantation and to increase the supervision of heavy metal accumulation in soil and tea in those high-risk areas.
Key words: organic fertilizer      heavy metal      over limit rate      qualified rate      cumulative risk     

茶叶是我国的重要经济作物, 我国茶叶种植面积逐年增加, 2019年我国茶园面积达3.10×106 hm2, 茶叶产量达2.78×107 t, 是全球第一大茶叶生产国[1].施肥是提高茶叶产量和品质的重要措施[2~4], 然而在茶叶生产过程中由于对产量的片面追求而导致我国茶园化肥过量施用问题突出[5~7].调查显示我国30%的茶园存在化肥过量施用问题, 而施用有机肥的茶园不足50%, 有机肥养分投入比例仅15%[8].科学试验证明有机肥的施用不仅可以提高茶叶产量和品质[9, 10], 还可以改善茶园土壤质量[11, 12], 同时还能实现化肥减量的目标[13], 应该倡导有机肥在茶叶生产上的应用.文献[14]的发布以促进茶园有机肥施用, 随着茶园有机肥替代化肥行动的推进, 茶农对茶园有机肥的使用积极性有望提升.

重金属是影响茶叶质量安全的重要因素, 尽管现有文献表明茶园有机肥替代尚未导致茶园土壤重金属含量超标[15], 但重金属污染存在隐蔽性和长期性的特点, 因此在促进茶园有机肥施用过程中, 茶园有机肥重金属安全风险应引起充分重视.有研究表明有机肥中的重金属会通过施肥向土壤和作物转移[16], 长期施用有机肥会导致土壤和作物中重金属超标风险提升[17~19], 因此监控有机肥中的重金属含量是有机肥安全施用的保障.同时, 不同种类有机肥由于其来源不同重金属含量存在较大差异[20], 不同种类有机肥施用后在土壤中的累积存在差异[21], 因此有必要测算不同种类有机肥施用后土壤重金属累积差异, 从而为选择最佳的有机肥提供依据.

当前商品有机肥质量状况虽然引起了人们的关注[22~24], 但有机肥重金属含量的报道大多数集中在对某一区域使用的有机肥的调查[25~32], 茶园有机肥重金属含量现状尚未见报道, 茶园有机肥替代化肥行动实施还存在基础数据薄弱的短板, 为此国家茶叶产业技术体系从2017年开始启动了全国茶叶主产区有机肥质量安全现状调查工作.本文对2017~2019年期间采集的茶园有机肥重金属含量现状进行了分析, 并对不同种类有机肥施用风险进行了评价, 以期为茶叶生产中有机肥的使用提供技术指导, 从而保障茶园土壤和茶叶生产绿色健康发展.

1 材料与方法 1.1 样品采集方法

有机肥样品于2017~2019年期间在全国茶叶主产区收集, 共收集有机肥样本226个, 来自14个主要产茶省市, 其中陕西3个、山东21个、江苏17个、安徽15个、浙江38个、福建12个、江西11个、湖北29个、湖南7个、贵州8个、四川41个、云南6个、广东11个和广西7个.样品收集来源包括茶农、茶场当年使用的有机肥和茶叶主产区农资公司中销售的有机肥.采集的有机肥按照生产原料分为植物源有机肥、动物源有机肥、动植物混合源有机肥以及其它有机肥.其中植物源有机肥3种, 包括菜籽饼肥(18个)、大豆饼肥(5个)和其它植物源有机肥(23个, 主要成分为中药渣、食品及饮料加工产生的有机废弃物等).动物源有机肥5种, 包括鸡粪肥(43个)、牛粪肥(24个)、羊粪肥(24个)、猪粪肥(22个)和其它动物源有机肥(39个, 主要成分为蚕粪、鸽粪、兔粪、蚯蚓粪以及各类动物混合粪便等).生产原料中含有一种或多种植物原料并含有一种或多种畜禽粪便的有机肥归为动植物混合源有机肥(17个), 含有腐殖酸和菌种等的有机肥归为其它有机肥(11个).

1.2 样品分析方法

有机肥样品经105℃烘干至恒重, 粉碎过0.25 mm筛后待用.样品中总的As、Hg、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn和Ni含量的测定参照文献[33]的方法, 采用微波消解和电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测定.每个样品测定3个平行, 取其算术平均值作为测定结果, 同时做空白对照.

1.3 有机肥重金属评价标准

有机肥重金属评价标准参照文献[34]的方法.有机肥重金属超标率指超过该标准中各重金属限量指标的样品个数占总数的比例.有机肥重金属合格率指有机肥中As、Hg、Pb、Cd和Cr均不超标的样品个数占总数的比例.

1.4 数据分析

本研究分别计算了施用菜籽饼肥、大豆饼肥、鸡粪肥、牛粪肥、羊粪肥和猪粪肥这6种有机肥后土壤重金属元素累积速率和各类有机肥最大施用年限, 以测算不同种类有机肥施用风险, 计算方法参照穆虹宇等[24]的研究方法.

计算公式如下:

(1)

式中, R为土壤重金属元素累积速率[μg·(kg·a)-1]; M为不同种类有机肥年施用量, 参照文献[35], 2种植物源有机肥施用量设定为2 250 kg·(hm2·a)-1, 4种动物源有机肥施用量设定为3 750 kg·(hm2·a)-1; C为不同种类有机肥重金属元素含量(mg·kg-1), 取不同种类有机肥各元素含量的均值; h为耕层深度(m), 按照茶园有机肥常规施用深度设定为0.30 m; ρ为土壤容重(g·cm-3), 设定为1.05 g·cm-3; 10 000为土壤面积10 000 m2; 1 000为换算系数.

(2)

式中, Tmax为不同种类有机肥最大施用年限(a); Csv为农用地土壤污染风险筛选值(mg·kg-1), 参照文献[36]; Cbv为土壤背景值, 其中土壤Cd、Cr、Cu、Pb和Zn含量取张小敏等[37]调查的涉及本研究取样的14个省的均值, As、Hg和Ni含量取宋伟等[38]统计的我国耕地主要土壤重金属元素含量的均值; R为土壤各重金属元素累积速率[μg·(kg·a)-1]; 1 000为换算系数.

2 结果与分析 2.1 有机肥重金属含量整体情况

茶叶主产区有机肥重金属含量统计分析结果显示(图 1), 除As和Hg外, Pb、Cd、Cr、Cu、Zn和Ni在调查的226份有机肥中均有检出, 各元素含量均呈偏态分布, 大部分样品的含量均较低.由于少量样品含量偏离较大, 各元素含量的平均值均比中值高, As、Hg、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn和Ni含量的平均值分别是中值的1.51、2.90、2.83、1.82、1.65、1.94、1.83和1.21倍.

ND表示未检出(not detected) 图 1 有机肥重金属含量频次分布与累积频率 Fig. 1 Frequency distribution and cumulative frequency of heavy metal contents in organic fertilizers

表 1所示, 依据NY/T 525-2021对As、Hg、Pb、Cd和Cr的限制标准, 不同年份采集的有机肥合格率为84.6%~88.3%, 整体合格率为87.6%. 5类重金属中, As的超标率最高, 2017、2018和2019年As超标率均高于其他元素.

表 1 有机肥重金属超标率和合格率 Table 1 Over-limit rate and qualified rate of organic fertilizers

2.2 不同省份有机肥重金属含量差异

不同省份采集的有机肥各重金属含量情况如表 2所示, 陕西、江苏、安徽、福建和广西有机肥合格率均为100%, 山东、浙江、湖北、四川、云南和广东有机肥合格率为80%~90%.湖南和贵州有机肥合格率未达80%, 主要是因为As、Pb和Cd超标较多.江西采集的有机肥合格率最低, 仅有54.5%, 主要是As和Pb的超标率较高, ω(As)平均值达10.1 mg·kg-1.

表 2 不同省份有机肥重金属含量、超标率和合格率 Table 2 Content, over-limit rate, and qualified rate of organic fertilizers collected from different provinces

2.3 不同种类有机肥重金属含量差异

不同种类有机肥重金属含量情况如表 3所示, 其中菜籽饼肥和大豆饼肥合格率均为100%, As、Hg、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn和Ni含量均较低.猪粪肥的合格率也为100%, 但Cu和Zn含量较高.羊粪肥、牛粪肥和鸡粪肥的合格率在90%以上, 羊粪肥主要是As和Cd超标, 牛粪肥主要是Pb和Cr超标, 鸡粪肥除Hg外其余4个元素均有样品超标, 鸡粪肥的Zn和Ni含量也较高.其它动物源有机肥和动植物混合源有机肥的合格率在85%左右, 主要是Cd、As和Pb超标.其它植物源有机肥和其它类有机肥合格率仅有65%左右, 其中其它植物源有机肥5个元素均有样品超标, 其它类有机肥Zn含量较高.

表 3 不同种类有机肥中重金属含量、超标率和合格率 Table 3 Content, over-limit rate, and qualified rate of different kinds of organic fertilizers

2.4 施用不同种类有机肥土壤重金属累积速率和累积风险

土壤重金属累积速率因施用不同种类有机肥而异, 8个重金属元素土壤累积速率均表现为动物源有机肥较植物源有机肥高, 动物源有机肥各重金属平均累积速率是植物源有机肥平均累积速率的7~30倍(表 4). 4种动物源有机肥中, 施用鸡粪肥时土壤As、Hg和Ni的累积速率最高, 施用牛粪肥时土壤Pb、Cd和Cr的累积速率最高, 施用猪粪肥时土壤Cu和Zn的累积速率最高, 其中施用猪粪肥时土壤Cu累积速率是牛粪和羊粪的6倍以上(表 4).

表 4 施用不同种类有机肥后土壤重金属累积速率/μg·(kg·a)-1 Table 4 Accumulation rate of heavy metal in soil due to different kinds of organic fertilizers/μg·(kg·a)-1

以目前土壤各重金属元素背景值[38]为土壤重金属基础含量, 测算了连续施用同一种类有机肥后土壤重金属含量不超过农用地土壤污染风险筛选值[39]时的有机肥最大施用年限, 结果显示动物源有机肥的最大施用年限均比植物源有机肥的最大施用年限少, 其中施用猪粪肥105 a即存在土壤Cu超标的风险, 施用牛粪肥115 a即存在土壤Cd超标的风险, 施用羊粪肥132 a即存在土壤Cd超标的风险, 施用鸡粪肥138 a即存在土壤Cd超标的风险(表 5).

表 5 不同种类有机肥最大施用年限/a Table 5 The Tmax values under the input of different kinds of organic fertilizers/a

3 讨论 3.1 有机肥重金属含量变化

我国自2011年修订有机肥料标准(NY 525)时增加了重金属(总As、总Hg、总Pb、总Cd和总Cr)限量标准后, 在2012年和2021年修订的版本中均沿用了这5个参数及其限量值.与标准制定前的2009年调查结果相比[22], 标准制定后的2014年有机肥As超标率明显降低(由13.6%降低为2.38%)[23], 但Cr超标率有所增加(由4.24%升高为12.7%)[23].本次调查的有机肥As、Hg、Pb、Cd和Cr超标率分别为6.19%、1.33%、4.42%、4.42%和1.33%(表 1), As超标率较2014年有所回升[23], Cr超标率较2014年有所下降[23], Hg、Pb和Cd的超标率与2009年[22]和2014年[23]的调查结果基本接近.

与德国和欧盟生态标准相比, 我国对Cd、Hg、As和Cr的标准要求较低, 对Pb的要求比德国和欧盟严格2~3倍[39].在我国现行标准下, 本次调查有机肥Cd的超标率较之前的调查结果并未有增加[22, 23], 但ω(Cd)在1~3 mg·kg-1之间的样品比例由2009年[22]的6.62%提高到15.9%(图 1).如参照德国和欧盟有机肥Cd标准(1 mg·kg-1以下)[39], ω(Cd)在1~3 mg·kg-1之间的样品均属于不合格样品.本次调查的有机肥中Hg含量也表现出一样特点, 即ω(Hg)在1~2 mg·kg-1的样品也由2009年[22]的0增加到3.10%(图 1), 如按照德国和欧盟有机肥Hg标准(1 mg·kg-1以下)[39]这些有机肥也不合格.尽管按照我国现行的有机肥重金属标准这些样品并未超标, 但这部分样品数量有所增加的问题应引起重视.

当前我国尚未对有机肥中的Cu、Zn和Ni含量实施限制标准, 但参照欧盟和德国堆肥的限制标准[ω(Cu)为100mg·kg-1ω(Zn)为300 mg·kg-1ω(Ni)为50 mg·kg-1][39], 本次调查的茶园有机肥Cu和Zn超标率分别有12.8%和25.7%, 且含量超过标准2倍的样品比例分别达到了6.19%和11.1%, 只有Ni超标率相对较低(为3.08%, 图 1).有研究表明, 长期施用有机肥会导致作物和土壤中的Cu和Zn含量超标[40~42], 并有向土壤深层迁移现象出现[43], 因此有必要加强对有机肥中Cu、Ni和Zn含量的关注, 探讨增加有机肥料标准中Cu、Ni和Zn限量标准的必要性.

3.2 不同种类有机肥重金属含量差异和施用风险比较

本次调查结果显示, 不同原料生产的有机肥其重金属含量存在较大差异(表 3).魏益华等[44]和刘兰英等[45]的研究表明动物性有机肥其重金属含量比植物性有机肥高, 而赵文等[28]和沈月等[30]的调查结果显示植物源的有机肥重金属超标率并不比动物源有机肥的低.本研究将植物源有机肥进行了细分后发现以菜籽饼和大豆饼为原料生产的有机肥8个重金属的含量整体均较低, 而以食品及饮料加工有机废弃物和其它植物成分为来源制作的其它植物类有机肥As、Hg、Pb、Cd和Cr均超标, 合格率低于动物源有机肥(表 3).由于有机肥料中的这些常见重金属元素来源复杂, 要保证有机肥料产品质量安全, 首先需要了解其中重金属元素的可能来源.已有研究结果表明[26, 46~48], 动物源有机肥料中的重金属通常可能通过饲料添加剂的方式进入有机肥原料畜禽粪中从而对有机肥料产生污染, 这可能是导致动物源有机肥重金属超标率较菜籽饼肥和大豆饼肥高的主要原因.本研究结果表明植物源有机肥, 如以食品及饮料加工有机废弃物和其它植物成分为来源制作的有机肥也可能通过食品及饮料加工过程或者通过其他途径使重金属进入有机肥, 从而降低有机肥产品合格率.

有机肥中的重金属会经施肥向土壤和作物转移[16, 49], 不同施肥措施下土壤对重金属的最高承载年限是有限的[50, 51], 由于不同种类有机肥施用后各类重金属在土壤中的累积速率存在差异[24], 导致有机肥施用安全年限因有机肥种类而异[44, 52].本研究结果显示, 茶园不同种类有机肥施用后土壤重金属的累积速率存在较大差异(表 4), 不同种类有机肥的最大施用年限差异可达60倍以上(表 5).有研究表明肥料中的重金属是茶叶重金属的主要来源之一[53], 为降低土壤和茶叶重金属风险, 茶园施用有机肥应首选菜籽饼肥和大豆饼肥.

4 结论

(1) 我国茶叶主产区有机肥As、Hg、Pb、Cd和Cr超标率为1.33%~6.19%, 其中As的超标率最高.有机肥整体合格率为87.6%, 陕西、江苏、安徽、福建和广西省采集的有机肥100%合格, 江西采集的有机肥合格率仅有54.5%.不同种类有机肥合格率大小为:菜籽饼肥、大豆饼肥和猪粪肥>羊粪肥>牛粪肥>鸡粪肥>其它动物类有机肥>动植物混合源类有机肥>其它植物类有机肥>其它类有机肥.

(2) 施用动物源有机肥土壤重金属累积速率远超施用植物源有机肥的累积速率.从重金属风险考虑, 茶园施用有机肥应首选菜籽饼肥和大豆饼肥.选用鸡粪肥、牛粪肥和羊粪肥时, 应注重土壤中Cd风险监控.施用猪粪肥时, 除加强土壤中Cd的风险监控外, 还应加强Cu的风险监控.

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