41份商品有机肥养分、重金属质量分数及重金属溯源分析_湛润生.pdf

342023 年第 3 期（总第 167 期）41 份商品有机肥养分、重金属质量分数及重金属溯源分析湛润生1，岳新丽2，顾怀琴1，程宁1（1.山西大同大学农学与生命科学学院，山西大同，037009；2.山西农业大学高寒区作物研究所，山西大同，037008）摘 要：为深入开展商品有机肥应用推广工作，本研究试验采集蒙晋冀长城金三角合作区商品有机肥 41 份，就其养分、重金属质量分数进行分析测试，并依据有机肥料行业标准 NY/T5252021 开展评价。结果表明，41 份商品有机肥 pH 值均值 8.12，整体偏碱性，有机质均值 38.66%，NPK 总养分均值 5.05%。依据 NY/T5252021，有机质质量分数合格率为 90.33%；NPK 总养分质量分数合格率为 68.29%，不合格样品均为羊粪肥；pH 值合格率为 73.17%，不合格样品均为牛粪肥，且其 pH 值8.5。商品有机肥中重金属 Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb 和 Hg 质量分数平均值分别为 22.75mgkg-1、17.04mgkg-1、61.20mgkg-1、75.28mgkg-1、7.04mgkg-1、0.57mgkg-1、28.74mgkg-1、0.10mgkg-1，依据 NY/T5252021，Pb 超标率 7.32%，Cr、As、Cd 和 Hg 元素均不超标；依据德国堆肥相关标准，Cr 超标率 2.44%，Cu 超标率 12.20%，Cd 超标率 4.88%，Ni、Zn、Pb 和 Hg 均未超标，且上述重金属超标有机肥均为鸡粪肥和猪粪肥。相关性分析及主成分分析结果表明，畜禽饲料，磷肥添加，畜禽饲养、有机肥生产过程大气沉降等环境污染因素，以及有机废弃物，黏结剂添加都是商品有机肥重金属的重要来源。关键词：商品有机肥；养分；重金属；质量评价；来源解析中图分类号：X71 文献标志码：A 文章编号：1008-3103（2023）03-0034-04Nutrients，Heavy Metal Mass Fraction and Heavy Metal Traceability Analysis of 41 Commercial Organic FertilizerZhanRun-sheng1，YueXin-li2，GuHuai-qin1，ChengNing1（1.CollegeofAgronomyandLifeSciences，ShanxiDatongUniversity，DatongShanxi037009，China；2.InstituteofHighLatitudeandColdAreaCrops，ShanxiAgriculturalUniversity，DatongShanxi037008，China）Abstract：Inordertopromotetheapplicationandpromotionofcommercialorganicfertilizer，41samplesofcommercialorganicfertilizerintheGreatWallGoldenTriangleCooperationZoneofMongolia，ShanxiandHebeiProvincewerecollected，andtheirnutrientandheavymetalmassfractionswereanalyzed，andtheevaluationwascarriedoutaccordingtotheindustrystandardofOrganicFertilizer，NY/T 5252021.TheresultsshowedthattheaveragepHvalueof41commercialorganicfertilizerswas8.12，slightlyalkaline，theaverageorganicmatterwas38.66%，andtheaverageNPKtotalnutrientwas5.05%.AccordingtoNY/T 5252021，thequalifiedrateoforganicmatterwas90.33%，andthequalifiedrateofNPKtotalnutrientswas68.29%，theunqualifiedsamplesweresheepmanure，andthequalifiedrateofpHvaluewas73.17%，theunqualifiedsampleswerecowmanure，thepHvaluewasmorethan8.5.TheaveragemassfractionsofheavymetalsCr，Ni，Cu，Zn，As，Cd，PbandHgincommercialorganicfertilizerwere22.75mg kg-1，17.04mg kg-1，61.20mg kg-1，75.28mg kg-1，7.04mg kg-1，0.57mg kg-1，28.74mg kg-1and0.10mg kg-1，respectively.AccordingtoNY/T 5252021，Pbexceeded基金项目：山西大同大学 2019 年度教育扶贫专项研究项目“有机肥中重金属含量检测及控制技术研究”（2019ZX2）。作者简介：湛润生（1979），男，汉族，副教授，硕士，从事土壤环境化学方面的教学科研工作。DOI:10.14127/ki.jiangxihuagong.2023.03.009352023 年 6 月41 份商品有机肥养分、重金属质量分数及重金属溯源分析0 引言有机肥富含有机质、作物生长必需的养分及有机酸等物质，具有培肥、改良土壤的功效，是无公害农业、绿色农业和有机农业生产中的主要肥料1。同时，施用有机肥是维持农业生态系统物质与能量平衡的重要措施，能提高农业生产效率及生态系统对于扰动的抵抗力和恢复力2。然而部分有机肥生产原料如规模化养殖场的畜禽粪便往往富含 Cu、Zn、Cd 和 Hg等重金属。一些重金属元素既是植物生长的必需营养成分，同时又是环境污染源，且在堆制过程中难以降解，并随微生物的作用及碳和水分的损失而浓缩，最终进入农业生态环境3。这些元素一旦过量，就会造成土壤环境污染，对土壤动物、微生物、土壤酶产生潜在威胁，致使土壤肥力和质量降低，影响植物生长，引发系列食品安全问题，最终危及人类健康。相关研究表明，施用不同来源的有机肥料后，土壤 Cd、Pb、Cr、As、Hg 等重金属元素含量超标的事件屡有发生4。研究有机肥中的重金属含量对农产品安全和有机废弃物的再利用具有重要意义。在与有机肥料养分及重金属含量检测相关的研究中，未见关于蒙晋冀（乌兰察布、大同、张家口）长城金三角合作区有机肥资料的系统研究报道。本项目采集上述三地有机肥企业的有机肥商品样品，测定重金属 Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb 和 Hg 元素含量，追溯重金属元素来源，并进一步将结果反馈给相应养殖社和有机肥生产企业，从源头控制商品有机肥中重金属元素来源，保障消费者的健康饮食。1 材料与方法1.1 研究区域概况及样品采集蒙晋冀长城金三角合作区包括内蒙古自治区乌兰察布市、山西省大同市、河北省张家口市，于 2013 年倡议建设。区域面积 10.6 万平方公里，共辖 42 个旗县市区，总人口 1078.8 万人。区域突出地域特色产业优势，致力于打造京津冀肉食蛋奶供应基地，大力发展养殖业，同时也是商品有机肥的重要输出基地。课题组于 2021 年 12 月至 2022 年 5 月期间，在合作区下辖的阳高、天镇、云冈、怀仁市（属于朔州市）、集宁、丰镇市、察哈尔右翼中旗、商都、兴和、张北、康保和尚义 12 个县区，采集畜禽粪便商品有机肥样品 41 份。按照商品有机肥主要成分划分，计牛粪肥 20 份、羊粪肥 14 份、鸡粪肥 4 份、猪粪肥 3 份。混合样品带回实验室风干后研磨，过 100 目尼龙筛，存储备用。1.2 分析测试及数据处理pH 值测定采用 pH 计法，有机质含量测定采用K2Cr2O7容量法，总 N 含量测定采用标准酸滴定法，P2O5含量测定采用分光光度法，K2O 含量测定采用火焰光度法，Zn、Cu、Cr 和 Ni 测定采用火焰原子分光光度法，Cd 和 Pb 测定采用石墨炉原子分光光度法，Hg和 As 测定采用原子荧光光度法5。数 据 采 用 Excel97-2003 和 SPSS18.0 统 计 分 析，其中定量变量的相关分析采用 Pearson 相关系数法，主成分分析（PCA）采用因子分析法。thestandardby7.32%，andCr，As，CdandHgdidntexceedthestandard.AccordingtotherelevantGermancompostingstandards，theover-standardrateofCrwas2.44%，theover-standardrateofCuwas12.20%，theover-standardrateofCdwas4.88%，andNi，Zn，PbandHgwerentexceeded.Theaboveheavymetalorganicfertilizerswerechickenmanureandpigmanure.Correlationanalysisandprincipalcomponentanalysisshowedthatlivestockandpoultryfeed，phosphorusfertilizeraddition，atmosphericsedimentationduringlivestockandpoultryfeeding，organicfertilizerproduction，aswellasorganicwasteandbinderadditionwereimportantsourcesofheavymetalsincommercialorganicfertilizer.Keywords：commercialorganicfertilizer；nutrient；heavymetal；qualityevaluation；sourceanalysis表 1 有机肥 pH 值、养分质量分数表参数pH 值有机质（%）N（%）P2O5（%）K2O（%）氮磷钾总量（%）范围6.579.7624.8553.510.712.910.504.230.734.172.388.93均值8.1238.661.571.591.905.05中值8.0438.791.541.371.674.76标准偏差0.676.590.510.940.921.70362023 年第 3 期（总第 167 期）2 结果与分析2.1 有机肥养分质量分数从 表 1 可 以 看 出，有 机 肥 pH 值 变 化 范 围 为6.579.76，均值 8.12，整体偏碱性。其中牛粪肥、羊粪肥、鸡粪肥和猪粪肥 pH 值均值分别为 8.41、7.86、7.87 和 7.68，牛粪肥 pH 值鸡粪肥、羊粪肥pH 值猪粪肥 pH 值。有机质质量分数变化范围为24.85%53.51%，均值为 38.66%。其中，牛粪肥、羊粪肥、鸡粪肥和猪粪肥有机质质量分数均值分别为41.13%、36.46%、33.43%和 35.85%。4 种 粪 肥，牛 粪肥有机质质量分数均值最高。氮磷钾总养分质量分数变化范围为 2.38%8.93%，均值为 5.05%。其中，牛粪肥、羊粪肥、鸡粪肥和猪粪肥总养分质量分数均值分别为5.66%、3.31%、5.73%和 8.15%，猪粪肥养分鸡粪肥、牛粪肥养分羊粪肥养分。依据有机肥料行业标准 NY/T 52520216，有机质的质量分数（以烘干基计）30%，总养分（N-P2O5-K2O）的质量分数 4.0%，pH 值 5.58.5。所有样品中，有机质质量分数 30%样品共 4 份，不合格率为 9.67%；NPK 总养分质量分数 4.0%样品 13份，不合格率为 31.71%，且均为羊粪肥，占羊粪肥取样总份数的 92.86%；试验中 pH 值 8.5 样品 11 份，其中牛粪肥 10 份、羊粪肥 1 份，不合格率为 26.83%，无 pH 值 5.0 样品。2.2 有机肥料重金属质量分数及超标率研究从表2可以看出，41份商品有机肥重金属Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb和Hg质量分数变化范围分别为5.24105.45mg kg-1、3.8741.37mg kg-1、5.75221.05mg kg-1、16.93105.55mg kg-1、1.3715.17mg kg-1、0.0212.77mg kg-1、6.70117.56mg kg-1和 0.0140.38mg kg-1，平均值分别为 22.75mg kg-1、17.04mg kg-1、61.20mg kg-1、75.28mg kg-1、7.04mg kg-1、0.57mg kg-1、28.74mg kg-1、0.10mg kg-1。依据有机肥料行业标准 NY/T525-2021，有机肥重金属 Pb 超标率 7.32%，Cr、As、Cd 和 Hg 元素均不超标，Pb 超标有机肥为鸡粪肥、猪粪肥。依据我国畜禽粪便安全使用准则（NY/T 13342007）（旱田作物，土壤 pH 值 7.5）7，重金属 Cu、Zn、As 均未超标；依据畜禽粪便安全使用准则（NY/T 13342007）（蔬菜，土壤 pH 值 7.5），重金属 Cu 超标率 2.44%，Zn、As 均未超标，Cu 超标有机肥为猪粪肥。依据德国堆肥相关标准8，Cr 超标率 2.44%，Cu 超标率 12.20%，Cd 超标率4.88%，Ni、Zn、Pb 和 Hg 均未超标。其中，猪粪肥 Cr、Cu、Cd 超标，鸡粪肥 Cu、Cd 超标。2.3 商品有机肥料重金属来源解析2.3.1 有机肥料不同重金属之间的相关性分析表 3 有机肥各重金属质量分数的相关系数矩阵元素NiCuZnAsCdPbHgCr0.0042 0.036-0.2900.0640.016-0.0370.022Ni0.1300.160-0.1050.021-0.0390.0022Cu0.054-0.1840.0890.4290.165Zn-0.1780.1430.069-0.024As-0.128-0.0860.152Cd0.0210.246Pb-0.193注：表示在 0.01 水平（双侧）上显著相关。Pearson 相关系数分析结果见表 3，可以看出 Cu 与Pb 之间呈极显著正相关，其余元素两两之间也存在正表 2 有机肥重金属质量分数及超标率统计表（mg kg-1）CrNiCuZnAsCdPbHg范围5.24105.453.8741.375.75221.0516.93105.551.3715.170.0212.776.70117.560.0140.38均值22.7517.0461.2075.287.040.5728.740.10中值19.0517.0658.5176.316.780.4521.580.061标准偏差17.9339.180.102.7917.130.5622.256.78超标率A（%）0.002.440.0012.200.00超标率B（%）0.000.000.00超标率C（%）2.440.000.00超标率D（%）2.440.0012.200.004.880.000.00注：“-”表示相关标准未对该重金属做限量要求。超标率 A（%），NY/T525-2021 有机肥重金属超标率；超标率 B，NY/T13342007 中国畜禽粪便安全使用准则（旱田作物，土壤 pH 值 7.5）有机肥重金属超标率；超标率 C，NY/T13342007 中国畜禽粪便安全使用准则（蔬菜，土壤 pH 值 7.5）有机肥重金属超标率；超标率 D，德国堆肥标准化学参数类标准有机肥重金属超标率。372023 年 6 月41 份商品有机肥养分、重金属质量分数及重金属溯源分析相关或负相关关系。2.3.2 有机肥重金属来源解析表 4 重金属元素主成分分析成分矩阵元素主成分 1主成分 2主成分 3主成分 4Cr-0.2640.530-0.3310.474Ni0.313-0.0800.2220.771Cu0.6600.445-0.2740.026Zn0.525-0.4180.433-0.087As-0.5440.2250.035-0.282Cd0.3800.4070.440-0.159Pb0.5960.121-0.570-0.306Hg-0.0200.6510.581-0.111利用主成分分析（PCA）解析有机肥重金属来源，前 4 个主成分可以解释总变量的 66.36%，能够反映原始变量的大部分信息。主成分 1 方差贡献率为 20.94%，Cu、Zn 和 Pb 在第 1 主成分上具有较高的载荷。据国外报道，Cu、Zn具有促进生长和降低仔猪断奶后腹泻概率的效果，是猪饲料重要添加剂成分之一。由于 Cu、Zn 在仔猪体内的吸收率较低，因此饲料中添加的 Cu、Zn 大量排出体外，造成猪粪肥 Cu、Zn 质量分数超标9。Pb 也是饲料中添加元素之一10，同时 Cu、Pb 呈极显著正相关，使得 Pb 也在第 1 主成分上具有较高的载荷。因此，主成分 1 代表了饲料中重金属来源。主成分 2 方差贡献率 16.45%，Cr、Hg 在第 2 主成分上具有较高的载荷。有机肥生产过程中，为了弥补商品有机肥总氮磷钾含量不足，生产企业经常添加磷肥，这是有机肥中 Cr、Hg 的重要来源。因此，主成分 2 代表了添加的化肥重金属来源。主成分 3 方差贡献率 15.97%，Hg 在第 3 主成分上具有较高的载荷。Hg 与饲料中 Hg 含量值偏高有关11。主成分 4 方差贡献率 15.97%，Ni 在第 4 主成分上具有较高的载荷。Ni 与畜禽饲养、有机肥生产过程受到环境污染（例如大气沉降、交通污染）等因素有关12。从表 4 主成分分析结果可以看出，总变量的 33.64%还未被解释，这说明有机肥中重金属还有别的来源。以重金属污染较为突出的鸡粪肥、猪粪肥为例，两种粪肥的主要原料是鸡粪或猪粪，其次还含有其他畜禽粪便、工农业有机废弃物（如酒渣、蘑菇渣等），也是有机肥中重金属的重要来源。另据报道，有机肥生产中使用的黏结剂凹凸棒、膨润土、磷石膏等含有重金属，因此，黏结剂的添加也可能是有机肥重金属的重要来源之一。3 结论蒙晋冀长城金三角合作区 41 份商品有机肥整体偏碱性，牛粪肥 pH 值均值、有机质质量分数均值最高，羊粪肥 NPK 总养分均值最低。依据 NY/T 5252021 最新行业标准，41 份商品有机肥 Pb 超标率 7.32%；依据德国堆肥相关行业标准，Cr 超标率 2.44%，Cu 超标率12.20%，Cd 超标率 4.88%。且超标有机肥均为鸡粪肥和猪粪肥。源解析结果表明，Cu、Zn、Pb 和 Hg 来源于畜禽饲料，Cr、Hg 来源于磷肥的添加，Ni 与畜禽饲养、有机肥生产过程受到环境污染有关。除此之外，有机废弃物、黏结剂添加也是商品有机肥重金属的重要来源。参 考 文 献1 刘荣乐，李书田，王秀斌，等我国商品有机肥料和有机废弃物中重金属的含量状况与分析J.农业环境科学学报，2005（02）：392-3972 刘兰英，何肖云，黄薇，等福建省有机肥中养分和重金属含量特征J.福建农业学报，2020，35（6）：640-6483 陈芬，余高晋北地区规模化养殖场畜禽粪便中养分和重金属含量分析J.河南农业科学，2019，48（05）：143-1484 覃丽霞，马军伟，孙万春，等浙江省畜禽有机肥重金属及养分含量特征研究J.浙江农业学报，2015，27（4）：604-6105 戴慧峰有机肥料中重金属测定方法简述J.上海农业科技，2018（1）：33-346 中华人民共和国农业部.中华人民共和国农业行业标准有机肥料：NY/T 5252021S 7 中华人民共和国农业部畜禽粪便安全使用准则：NY/T 13342007S.8 金杰，孙世群，MichaelNelles，等中德生物垃圾堆肥相关标准之比较J.合肥学院学报（自然科学版），2006（01）：29-339 杨阳，刘月敏，王晗阳，郑向群河南省有机肥重金属含量特征及溯源分析J.天津城建大学学报，2021，27（02）：130-13610 王飞，赵立欣，沈玉君，等华北地区畜禽粪便有机肥中重金属含量及溯源分析J.农业工程学报，2013，29（19）：202-20811 谭晓冬，董文光商品有机肥中重金属含量状况调查J 农业环境与发展，2006（01）：50-5112 湛润生，胡冬梅，甄莉娜，等山西省天镇县设施菜地土壤重金属污染评价及其源解析J.环境污染与防治，2021，43（12）：1573-1577