有机废弃物堆肥过程重金属钝化研究进展

随着规模化养殖业的迅速发展,由于各种含重金属元素的饲料添加剂的使用,导致大量的Cu、Zn、Pb、Cd等重金属随畜禽粪便排放到环境中。堆肥是畜禽粪便等废弃物资源化利用的主要方式之一,研究表明,随着堆肥腐殖化进程,畜禽粪便中重金属可被钝化,生物有效性降低。基于堆肥过程中重金属含量及其形态变化、重金属钝化机理以及添加不同种类钝化剂对重金属钝化效果影响等方面,深入分析了该领域的研究现状和存在问题,并提出了今后研究的重点。堆肥过程中重金属浓度普遍升高,而重金属经过物理吸附、络合钝化、微生物强化等钝化机制,逐步从不稳定态向稳定态转化,但堆肥过程中钝化机理尚不完全清楚,今后应进一步加强钝化材料对畜禽粪便堆肥过程中重金属的钝化机理研究,并开展复合型高效重金属钝化剂的研发。     

畜禽粪便中重金属含量、形态及转化的研究进展

随着集约化、规模化养殖业的发展,畜禽粪便中重金属引发的环境污染问题日益严重。文章综述了畜禽粪便中重金属的来源、含量、形态及转化的研究进展,指出堆肥是当前畜禽粪便中重金属污染控制的有效手段,在堆肥过程中添加沸石、膨润土和风化煤等钝化剂,能够有效降低畜禽粪便中某些重金属元素的生物有效性,减少其对土壤环境和农产品污染的风险;在保持有效养分的条件下,研究不同钝化剂对畜禽粪便堆肥过程中重金属形态转化的影响以及不同处理对畜禽粪便中重金属生物有效性的影响,将是今后研究的重点。     

畜禽粪便重金属污染现状及生物钝化研究进展

随着畜禽养殖业的迅速发展,畜禽粪便重金属污染已成为全世界关注的环境问题。重金属会被农作物富集并通过食物链危害人类健康,堆肥是畜禽粪便无害化资源化利用的主要方式,研究表明,堆肥可以降低畜禽粪便重金属的生物有效性,使其向有机结合态和残渣态转变。基于对物理化学钝化的研究现状和存在问题的比较分析,重点介绍了生物钝化重金属的机制,其主要是通过微生物的细胞外、细胞表面和细胞内的吸附钝化机制使重金属向生物有效性低的形态转变。综合分析认为,生物钝化应加强耐重金属菌株的筛选及钝化机理研究,并与物理化学钝化相结合。     

钝化剂修复重金属污染土壤研究进展

化学钝化修复技术作为修复重金属污染土壤的重要方法之一,成本低、操作简单、修复效率高,具有良好的应用前景。钝化剂类型多样,分布广泛,可分为无机类钝化剂、有机类钝化剂、微生物类钝化剂、复合型钝化剂及新型材料钝化剂,不同类型的钝化剂对重金属污染土壤的钝化修复效果各不相同。主要从各类型钝化剂的自身特性、作用机理、修复效果概述了钝化剂的研究进展和前景,分析了存在的问题,并从钝化剂的合理施用、风险评估、长期有效性、完善分类系统、修复方法集成等方面提出展望,以期为钝化修复重金属污染土壤提供参考。     

耕地土壤重金属污染钝化修复技术研究进展

耕地土壤重金属污染引起的环境和粮食安全问题令人堪忧,钝化修复已成为农田耕地土壤重金属污染修复的重要方式。重金属原位化学钝化修复是通过向污染土壤中施加钝化剂使重金属的赋存形态发生改变从而达到钝化的效果。本文在对耕地污染土壤常用的无机、有机、无机-有机复合钝化修复技术分析总结的基础上,指出钝化修复技术应用中存在的问题及今后的研究方向,以期为进一步推动该领域的研究和推广工作提供参考。     

堆肥工艺钝化粪肥中重金属及其形态变化的研究进展

随着我国规模化养殖业迅猛发展,集约化养殖场产生的粪肥对农田土壤造成了巨大的环境压力,其中,饲料中的重金属元素是环境压力的重要来源之一。堆肥钝化粪便中的重金属是有效的处理措施,通过在堆肥中添加无机、有机和生物钝化剂可以固定重金属并降低其生物有效性。目前研究涉及的钝化材料及其钝化机理有待深入探究,而堆肥施用于土壤后重金属的迁移转化过程及其与土壤的交互影响仍不十分明晰。本文通过分析重金属在粪肥中赋存状态、堆肥过程中的形态转变和钝化剂的钝化机制,探讨了粪肥钝化重金属在土壤中的转化机制。     

基于农田土壤重金属污染风险筛选值的畜禽粪污农田承载力估算

针对有机肥施用中,畜禽粪便中重金属造成农田土壤污染的问题,对重金属在养殖业-种植业生产系统中的流动过程进行分析,建立基于农田土壤重金属污染风险筛选值的畜禽粪污农田承载力估算模型,以黑龙江农垦和新疆生产建设兵团的养殖业-种植业生产系统为研究对象,计算获得相应的畜禽粪污农田承载力。结果表明:1)在水稻、玉米和大豆种植情况下,黑龙江农垦每hm2农田可承载的猪当量分别为37、21和21头;在棉花、小麦和玉米种植情况下,新疆生产建设兵团每hm2农田可承载的猪当量均为67头。2)在畜禽粪便有机肥施用过程中,黑龙江农垦和新疆生产建设兵团农田土壤重金属污染风险防控应以Cd、Cu和Zn为主。建议未来注重防控农田土壤酸化和以磷肥途径的Cd输入,并根据各自实际畜禽养殖生产现状与农田土壤重金属本底值,建立地方标准控制畜禽粪便有机肥中Cu和Zn的质量分数。     

基于发明专利的重金属钝化技术的文献计量分析

降低环境基质中重金属含量及其生物有效性,使重金属从活性较高的形态向活性较低的形态转化,是当前中国农牧业生产及资源利用中亟待解决的一个关键问题。专利文献是技术信息最有效的载体,本文以国家专利局公开的95项重金属钝化专利为依据,对钝化技术发明专利开展了文献计量分析。重金属钝化技术的专利申请数量呈持续增长趋势,并于2014年之后进入快速增长阶段。该技术主要应用领域有土壤、城市污泥和畜禽粪便3种,多数研究属于盆栽试验或批次堆肥实验。无机钝化材料主要通过化学反应和调节土壤中的pH来降低重金属在土壤中的有效浓度;有机钝化技术通过与重金属经化学作用形成不溶性金属-有机复合物,来增加土壤阳离子交换量,以降低重金属的水溶态及可交换态组分,进而降低其生物有效性和可迁移性;而微生物的钝化修复作用还与氧化还原环境有关。不同钝化剂对不同重金属的钝化效果不同,且不同钝化剂优化组合对重金属形态也具有很大影响,在实践中大面积应用面临着较大的困难。借助于材料科学,对高效吸附剂的筛选和分离技术仍需进一步研究和完善。     

不同钝化剂对鸡粪有机肥还田中Cr、Pb的钝化作用

以烤烟为供试植物,采用土培盆栽试验方法,利用连续提取法研究了不同钝化剂对发酵鸡粪生物有机肥还田Cr、Pb的钝化作用。结果表明发酵鸡粪生物有机肥本身也是一种钝化剂,对重金属Cr有一定程度的钝化效果;向土壤中施加钝化剂会使土壤p H升高,但不会影响烤烟植株的正常生长;添加不同钝化剂处理的土壤中Cr和Pb形态分配率不同,对Cr添加膨润土和钾长石钝化效果较理想,达到了71.93%和60.90%;Pb钝化效果效果最理想的是钾长石,达到了52.74%。     

钝化剂对土壤重金属污染修复研究进展

总结了常见的钝化剂包括石灰性物质、炭材料、粘土矿物、含磷材料、有机肥和农业废弃物等对土壤重金属污染修复的原理、技术和方法。介绍了钝化剂对土壤重金属修复的效果和注意事项,并对钝化剂进行土壤重金属污染修复的前景和目前存在的问题进行了展望。     

不同种类有机物对污染农田土壤重金属活性的影响

为了解施用不同种类有机物对污染农田土壤重金属行为的影响,布设了田间小区试验,观察研究施用6种不同类型有机物对土壤水溶性重金属和农作物对重金属吸收等的影响。试验设7个处理,分别为对照（不施有机肥）、施新鲜水稻秸秆、新鲜鸡粪、鸡粪堆肥、新鲜猪粪、猪粪堆肥和商品有机肥,动态检测土壤中水溶性重金属含量、田面水中重金属浓度及收获水稻籽粒中重金属含量的变化。结果表明,与不施有机物的对照处理比较,施用各类有机物在试验前期均可明显提高土壤中水溶性重金属和田面水中重金属的含量,总体上以施用新鲜猪粪的最高,其次为新鲜鸡粪,施用商品有机肥的最低。土壤中水溶性重金属含量随试验时间增长逐渐下降。施用各类有机物对水稻籽粒中重金属的积累影响不明显。土壤中水溶性重金属及田面水中重金属含量均与相应的水溶性碳（DOC）浓度呈显著相关性,表明因有机物施用增加土壤中DOC浓度可能是土壤中水溶性重金属含量增加的主要原因;而不同有机物对土壤重金属活性影响的差异可能与有机物本身的分解程度及可释放DOC大小有关。但施用有机物引起的农田土壤水溶性重金属含量的增加是暂时的,对水稻生长后期籽粒中重金属积累的影响不明显。     

不同肥料对栽参土壤中Cr、Cu、Pb和Zn全量及有效态的影响

为了解施肥对农田栽参土壤重金属的影响,利用ICP-0ES方法对多功能微生物制剂基肥(A)、多功能微生物制剂激活后作基肥(B)、多功能微生物制剂激活后花期施入(C)、鹿粪(D)、EM菌肥(E)、猪粪(F)和对照(ck)7个施肥处理土壤中Cr、Cu、Pb和Zn含量进行了测定。结果表明：随鹿粪和猪粪施入量增加,土壤中重金属C...     

浙江省畜禽粪源有机肥质量安全风险与控制对策

收集浙江省历年商品有机肥、农家堆肥和畜禽粪便样品1 000余份,通过样品基本理化性质、养分含量、重金属含量、抗生素残留浓度和盐分含量检测分析等,探讨浙江省畜禽粪源有机肥质量状况和潜在风险。结果表明:参照现行的NY 525—2012有机肥料标准,2014—2016年市场抽检的浙江省商品有机肥料平均合格率为72.5%,合格率呈逐年上升趋势,其中,重金属超标是产品不合格的主要原因。在调查的样本中,重金属As、Cd、Pb、Cr、Hg均有发现超标,其中,猪粪源有机肥的重金属超标率高于其他粪源有机肥。畜禽粪便重金属残留是成品有机肥中重金属污染的主要来源。四环素类、氟喹诺酮类和磺胺类抗生素在商品有机肥料样本中均有检出,最高的检出质量浓度可达71.0 mg·kg^-1。此外,作为有机肥原料的畜禽粪便中高盐现象普遍,盐分含量可高达26.1 g·kg^-1。分析认为,相关行业标准不配套、现行标准执行不严格、部分饲料添加物质达不到相关标准要求、有机肥加工辅料和成品添加物杂乱等是导致有机肥使用安全风险的主要原因。由此提出以饲料添加剂的科学、规范使用和有机肥发酵工艺与成品质量的严格管控为主要内容的畜禽粪源有机肥施用安全风险控制对策建议。     

不同土壤改良剂对菜地系统铅镉累积的调控作用

[目的]研究不同土壤改良剂对菜地系统中重金属的调控效果,为污染菜地的治理提供依据。[方法]以青菜和萝卜为材料,以有机肥、栏肥、腐殖酸和石灰作为土壤改良剂,采用大棚小区试验研究不同土壤改良剂对菜地系统重金属的改良作用。[结果]4种土壤改良剂对镉和铅在土壤-作物中的迁移均有一定的抑制作用,在土壤-青菜系统中对镉的改良效果为:腐殖酸>石灰>有机肥>栏肥;在土壤-萝卜系统中镉的改良效果为:石灰>栏肥>腐殖酸>有机肥;在土壤-青菜系统和土壤-萝卜系统中,铅的改良效果均为:有机肥>腐殖酸>石灰>栏肥。[结论]试验所选的4种土壤改良剂中,腐殖酸和石灰对镉和铅在土壤-作物系统中的迁移具有较好的抑制效果。     

长期施用猪粪和化肥对稻田土壤Cu、Zn和Cd含量及有效性的影响

为研究有机肥与化肥处理下稻田土壤Cu、Zn、Cd含量之间的差异,并探明关键影响因子,本研究利用持续了35 a的长期定位试验,分析了土壤重金属全量及有效态、土壤理化性质和水稻产量,并利用多种统计分析方法研究了猪粪组和化肥组土壤Cu、Zn和Cd与土壤理化指标之间的关系。结果表明：与对照（不施肥）相比,长期施用猪粪使土壤Cu、Zn、Cd全量和有效态含量分别提高了134%~239%、57%~124%、58%~171%和191%~380%、285%~811%、61%~184%,并显著提升了土壤有机质（SOM）、阳离子交换量（CEC）及氮磷养分含量;而化肥处理对土壤重金属全量及有效态含量无显著影响,对土壤理化指标的提升相对较小。冗余分析（RDA）发现,猪粪组土壤全氮（TN）、CEC和速效磷（AP）分别解释了重金属方差变异的89.1%、6.4%和2.0%,化肥组土壤pH和全磷（TP）分别解释了方差变异的45.0%和22.2%,达到显著水平。进一步通过偏最小二乘路径模型（PLS-PM）分析发现,猪粪对重金属有效态的贡献远大于化肥,主要通过影响土壤重金属全量和CEC从而影响重金属有效性,其路径系数分别为0.621 7和0.295 3,均达到显著水平。猪粪组土壤重金属与理化指标之间由于“同源”关系呈显著正相关,而化肥组两者的关系受水稻生长活动等因素影响较大。研究表明,长期施肥可以通过调控土壤理化指标等影响重金属有效性,施用猪粪进行稻田土壤培肥的同时,需要注意土壤重金属的累积风险。     

长期施用猪粪源有机肥对蔬菜-土壤系统重金属积累的影响

为了解长期施用由集约化养殖场畜禽粪堆制的有机肥对蔬菜地土壤与蔬菜中重金属积累的影响,设计了对照（化肥）、化肥+猪粪堆肥、猪粪堆肥和2 倍猪粪堆肥等4 种施肥方法,进行了为期3 年的田间小区蔬菜试验。结果表明：施用猪粪堆肥可促进蔬菜地土壤养分的提高,减弱土壤酸化。但试验也表明虽然施用的猪粪堆肥符合中国有机肥的行业标准(NY 525—2012),当猪粪堆肥被单独作为肥源用于蔬菜地时,其可显著增加土壤和蔬菜中重金属的积累,重金属含量随猪粪堆肥用量和施用年限的增加而增加。连续施用猪粪堆肥3 年后土壤中Cu、Zn 和Cd 含量分别比试验前提高了31.2%、27.3%和14.0%,蔬菜中Cu、Zn、Pb 和Cd含量也均显著高于对照处理;连续施用2 倍猪粪堆肥3 年后,土壤中Cu、Zn、Pb、Cd、Hg和As 含量分别比试验前增加了67.4%、53.0%、13.1%、24.4%、25.9%和13.8%,蔬菜中Cu、Zn、Pb、Cd、Hg和As 含量均显著高于对照处理;但化肥+猪粪堆肥配合施用的蔬菜产品中重金属含量与对照处理无显著差异。研究建议重视化肥与有机肥配施;在蔬菜地中应用富含有Cu和Zn 等重金属的畜禽粪时应严格控制用量,避免长期、连续施用富含有Cu和Zn等重金属的畜禽粪。     

红壤稻田长期施用猪粪的生态效益及承载力评估

【目的】有机粪肥还田是实现废弃物资源循环利用的重要途径之一,大量研究证实,猪粪还田施用可以显著提高土壤肥力和作物产量,但是,由于饲料添加剂含有较高的Cu、Zn、As等重金属元素,再加上养猪业中饲料添加剂的广泛应用,猪粪长期还田也可能导致土壤中重金属元素大量累积,从而威胁土壤质量和粮食安全。因此,利用长期定位探讨和综合评价长期施用猪粪下红壤稻田的生态效益就显得十分重要。【方法】以始于1981年的红壤性水稻土有机肥定位试验为载体,分析了长期施用猪粪30年间红壤稻田的水稻产量和土壤有机碳含量影响,以期明确猪粪对水稻产量的增产幅度和对土壤有机碳的贡献潜力,同时分析不同猪粪施用年限（包括试验前、试验5年、16年、22年和30年）的土壤重金属Cu、Zn、Cr和As等含量变化,基于国家土壤质量二级标准（GB 15618-1995）的土壤重金属含量的临界值,利用本研究中土壤重金属的累积速率对红壤稻田施用猪粪的超标时间进行估算,并进一步探讨猪粪的安全用量。【结果】施用猪粪显著提高了水稻产量和土壤有机碳含量,与施化肥处理（NPK）相比,产量增加了10.3%-12.0%,土壤有机碳含量增加了18.8%-23.7%,但是猪粪施用对红壤稻田的酸化阻控作用较小。在试验30年后,分别在早稻和晚稻施用猪粪的处理（OM1和OM2）的土壤pH值与未施肥对照无显著差异。此外,施用猪粪的土壤Cu、Zn、Cr和As含量亦显著增加,与施用化肥处理相比,OM1和OM2的Cu、Zn、Cr和As含量分别增加了72.0%-82.6%、29.1%-55.2%、194.8%-262.6%和90.5%-192.7%,但是未超过国家土壤环境质量二级标准（GB15618-1995）。按照现行猪粪施用量（22.5 t•hm-2•a-1）推算,土壤Cu、Zn、Cr和As含量确保安全水平的施用时间分别还有22、67、44和14年。若确保连续施用猪粪50年土壤Cu、Zn、Cr和As含量不超标,则红壤稻田每公顷最多猪粪施用量应不超过6.40 t•hm-2•a-1。【结论】在红壤稻田上,猪粪长期还田虽然能够显著提高稻米产量和土壤肥力（尤其是土壤有机碳含量）,但也同时导致土壤Cu、Zn、Cr和As含量大幅增加,从而可能引起土壤出现重金属污染风险,进而威胁稻米质量和人类安全。因此,权衡稻田长期施用猪粪对作物产量、土壤肥力和重金属累积的生态效益,确定土壤对猪粪的最大环境承载力将为科学合理的利用猪粪以实现区域农业的可持续发展提供依据。     

有机肥中重金属对菜田土壤微生物群落代谢的影响

基于慈溪掌起镇的蔬菜施肥试验,结合常规理化分析和Micro RESPTM方法,在2年4次施肥后,分析不施肥(CK)、重金属达标商品有机肥(T1)和Pb-As-Cu-Zn添加有机肥(T2)施用土壤的基本理化性质、重金属累积以及微生物群落代谢特征,探讨重金属对施用有机肥土壤微生物群落代谢特征的影响。结果表明,T1和T2显著提高了旱地蔬菜轮作土壤有机质和部分养分含量,且二者无显著差异。但从重金属含量上看,T2土壤Cu、Zn全量以及有效态Cu、Zn、As含量显著高于T1和CK土壤。基于Micro RESPTM的微生物群落代谢特征分析指出,与CK相比,T1显著促进了土壤基础呼吸作用和微生物代谢功能多样性,T2却无类似的促进效果,可见T2土壤Cu、Zn和有效态As含量的大幅增加削弱了有机肥中有机质等养分对土壤微生物的促进作用。主成分和聚类分析进一步表明,T1与T2土壤的微生物群落水平生理指纹图谱(CLPP)存在明显差异,T2土壤中重金属及其有效性的增加诱导柠檬酸、苹果酸和草酸等羧酸代谢利用增强。综上,畜禽粪便有机肥对菜田土壤微生物群落代谢的作用同时受到有机肥本身及其残留重金属的影响,有机肥中过高的重金属残留会改变有机肥养分对土壤微生物代谢的影响。