人工模拟条件下藏猪猪粪对土壤pH值及重金属影响的研究

Study on Effects of Tibetan Pig Manure on Soil Heavy Metals under Artificial Simulated Conditions

摘要

本研究旨在探究藏猪猪粪有机肥施用田间后对土壤中pH值及铜、锌、砷、铬和镉等重金属含量的影响，于个体农户中搜集藏猪猪粪，经厌氧发酵后配制成粪水作为有机肥料，以林芝市巴宜区百巴镇百巴村农田周围土壤作为供试原始土壤，采用模拟试验方法，以0 cm、10 cm、20 cm、40 cm、80 cm、150 cm和300 cm处土层土壤为样本，测定施用藏猪猪粪有机肥30 d后土壤中pH值及铜、锌、砷、铬和镉等重金属含量的变化情况。结果表明：施用藏猪猪粪后，土壤pH值显著提高，表明藏猪猪粪对改善土壤pH值，抑制土壤酸化或修复酸化土壤具有良好效果；施用藏猪猪粪后，土壤中铜、锌、砷、镉和铬等重金属元素含量未见有显著变化，表明藏猪猪粪施用于田间对土壤重金属含量无明显影响，藏猪猪粪可以作为有机肥料参与到农业生产活动中。目前关于藏猪猪粪对土壤的影响未见报道，本研究填补了藏猪猪粪对土壤重金属含量影响的研究空白，同时也为西藏地区农牧民在农业生产活动过程中合理利用藏猪猪粪有机肥资源提供了理论依据。

Abstract

The purpose of this study was to explore the effects of applying organic fertilizer manure derived from Tibetan pig manure on soil pH levels and the concentrations of heavy metals such as copper, zinc, arsenic, chromium, and cadmium in field conditions. The research involved collecting Tibetan pig manure from individual farmers, subjecting it to anaerobic fermentation, and preparing it as organic fertilizer. Soil samples were obtained from the vicinity of farmland in Baiba Village, Baiba Town, Bayi District, Nyingchi City. A simulated experimental approach was employed, with samples taken from soil layers at depths of 0 cm, 10 cm, 20 cm, 40 cm, 80 cm, 150 cm, and 300 cm. Changes in soil pH and the levels of heavy metals were measured after the application of Tibetan pig manure for 30 days. The results showed a significant increase in soil pH values following the application of Tibetan pig manure, indicating its effectiveness in ameliorating soil acidity and mitigating acidification. However, there were no notable alterations in the concentrations of heavy metal elements, including copper, zinc, arsenic, cadmium, and chromium in the soil after Tibetan pig manure application. This suggested that the use of Tibetan pig manure in field applications did not significantly affect the levels of heavy metals in the soil. Consequently, Tibetan pig manure held promise as an organic fertilizer for participation in agricultural production activities. It is important to note that there is currently no existing research on the impact of Tibetan pig manure on soil, and this study fills a gap in understanding the influence of Tibetan pig manure on soil heavy metal content. Furthermore, this paper provides a theoretical foundation for farmers and herders in Tibet to make rational use of organic manure resources derived from Tibetan pig manure in their agricultural production processes.

Graphical abstract

关键词

藏猪猪粪 / 农田土壤 / 土壤重金属

Key words

Tibetan pig manure / farmland soil / soil heavy metals

藏猪一般分布在我国西藏、四川、云南和甘肃等地，以耐粗饲、抗病力强、耐高寒等优点著称，藏猪对于青藏高原上恶劣的气候和以放牧为主的饲养条件有很高的适应能力，是我国唯一高原猪种^[1]。放养模式下的藏猪多在山林和田间活动，其每日活动范围及其广阔，但这种饲养模式下的藏猪所产生的粪便等排泄物分布及其分散，因此其对土壤产生的影响是微乎其微的。近年来藏猪的饲养模式逐渐由放牧转变为半舍饲，半舍饲饲养模式下的藏猪每日的活动范围极其有限，因此藏猪每日的排泄物也随之堆积在固定的地方，农民对藏猪排泄物最常见的处理方式就是将之还田作为有机肥料，进而导致藏猪猪粪对农田土壤的影响随之扩大。

土壤pH值是土壤酸碱度的直接反应，土壤酸碱度又是土壤氮、磷、钾等许多化学性状的一个综合反应，土壤pH值的变化情况不仅能够反应出土壤质量状况，而且还将直接对土壤微生物的活性和土壤有效养分产生影响^[2]。同时，土壤的pH值也对土壤中的铜和锌等重金属元素的形态与迁移以及作物的生长和发育均具有极其深远的影响^[3-7]。目前，畜禽粪便作为有机肥料往往被大量施用于田间，对土壤pH值产生了极大的影响，因此，深入探究藏猪猪粪作为有机肥料施用于田间后对土壤pH值的影响情况极其必要。

近年来，随着西藏地区藏猪养殖业的迅速发展，规模化、集约化的藏猪养殖基地应运而生。藏猪养殖产业扩大，生猪数量激增，猪粪污产量增长速度加快。养猪业产生的粪便、尿液和污水具有量大、流动性强以及不易贮存等特点，极易污染土壤和水源^[8]。不同的畜禽类型有机肥中的重金属含量也不同，其中猪粪有机肥的重金属含量是最高的。我国有机肥重金属的含量超标是比较普遍的，而且重金属含量与原料来源关系密切，以猪粪为原料的有机肥重金属超标现象最为严重^[9]。目前，饲料中的营养性微量元素的添加引发的畜产品安全问题已成为制约畜牧业可持续发展的重要因素^[10]。猪粪中的铜、锌、砷、铬和镉等重金属元素随着粪肥进入到土壤当中后，将造成土壤中的重金属元素积累，进而造成土壤重金属污染，从而对植物以及土壤内的生物产生极大的毒害作用，影响土壤中动植物的正常生长与发育^[11,12]。因此，深入研究猪粪有机肥施用对土壤重金属含量的影响，确定粪肥的安全施用量对减少土壤环境污染、促进猪粪有机肥资源合理利用等方面具有十分重要的意义。

1 材料与方法

1.1 试验场地与材料

1.1.1 试验场地

本研究选择试验场地在西藏农牧学院动物科学院牧场。

1.1.2 试验材料

本研究供试土壤取自林芝市巴宜区百巴镇百巴村，取土地为农田周围林地，主要植被类型为灌丛和针叶林，取土地土壤为未受污染的原始土壤，取回土壤后筛去杂质装入PVC管中备用，供试猪粪取自林芝市巴宜区八一镇境内农牧民家中，据了解该地区农牧民喂养藏猪以玉米和植物根茎为主，辅以少量饲料，极少使用微量元素添加剂，取回藏猪猪粪后将其置于密封塑料桶中，待其厌氧发酵后与蒸馏水混合配制成粪水，供试蒸馏水和医用脱脂棉均取自西藏农牧学院藏猪遗传育种与繁殖研究中心实验室，供试PVC管及其其他辅助材料均购自林芝市志辉管业。

1.2 试验方法

1.2.1 试验装置

本研究为模拟试验，试验容器采用3根长度为4 m，内径为0.2 m，管壁厚度为5 mm的圆柱形PVC管。为防止试验过程中PVC管内土壤受外界影响过大，每根管上端加装非密封盖，下端加入带孔底盖。竖直放置PVC管，上端1 m用于存放添加的试验材料，下端3 m用于放置土壤。在上端80 cm处设置1 cm小孔，用于判断土层深度是否满足试验要求，在土层30 cm处水平设置3个小孔，以此类推，每隔30 cm设置3个小孔，为保障底端封盖牢固，靠近底端的孔可向上偏移5~10 cm。在管壁上设置采样孔，土层深度0~120 cm处每间隔10 cm水平设置3个采样孔，120~300 cm每间隔 15 cm水平设置3个采样孔，便于后续采样工作，将试验装置固定完成后，使用防水胶布将PVC管壁上所有小孔密封，PVC管底部加入医用脱脂棉，以防止试验过程中水土流失。

1.2.2 试验分组

空白对照组：初始加入原始土壤与约32升蒸馏水，每日早晚各加入一次蒸馏水至PVC管顶部，使水深度保持在1 m，记为A，本处理模拟原始土壤在自然条件下重金属含量情况，在模拟实验中与施用藏猪猪粪肥处理形成对比。

加猪粪处理：初始加入原始土壤与约32升藏猪猪粪水，每日早晚各加入一次藏猪猪粪水至PVC管顶部，使粪水深度始终保持在1 m，记为B，本处理中藏猪猪粪水由藏猪猪粪和蒸馏水配制而成，本处理用于模拟施用藏猪猪粪有机肥后，其对土壤重金属含量的影响。

1.2.3 样品采集与处理

在试验组初始加入猪粪水30日后，打开PVC管壁上的采样孔，使PVC管内的水流出，待管内水流干后再根据管壁的采样孔进行样本采集，本研究在PVC管0 cm、10 cm、20 cm、40 cm、 80 cm、150 cm和300 cm处各水平采集了3个样本，每个样本土壤大约为200 g。

样本取出后将其放置在通风干净且阴凉干燥处，对其进行充分翻动，使其能够快速风干且防止发霉，待其彻底风干后，使用1 mm筛筛出100 g装入自封袋常温保存备用。

1.2.4 试验指标测定

pH值测定方法：

1.配制pH=4.00标准缓冲溶液、pH=6.86标准缓冲溶液和pH=9.18标准缓冲溶液。

2.称取5.00 g土壤放入烧杯，再倒入25 mL蒸馏水，充分搅拌后静置，待土壤沉淀后使用pH仪测定土壤悬液pH值。

重金属指标测定由成都栢晖生物科技有限公司完成，土壤砷测定方法为消煮-原子荧光法；土壤铜、锌、铬和镉检测方法为消煮-ICP-MSC。

1.2.5 数据统计与分析

本研究采用WPS Excel计算相关数据平均值、标准差等，并运用Prism和Ai软件绘制相关柱形图，运用IBM SPSS Statistics 23对土壤铜、锌、砷、铬和镉的含量及PH值进行单因素方差分析。数据以“平均值±标准误”表示，P<0.05时有显著差异，P<0.01时有极显著差异。

2 结果与分析

2.1 施用藏猪猪粪有机肥后土壤pH值变化情况

土壤pH值对地表作物的生长与发育以及地区土壤生态环境的演变均有极其重要的作用^[13-14]，目前，土壤酸化的问题已经成为我国专家学者共同关注的热点之一，土壤的酸化程度对与土壤质量的保护是极其重要的^[15]，经测定，本研究中原始土壤为碱性土，添加藏猪猪粪后0 cm处土层土壤pH值有显著提高，10 cm~80 cm处土层土壤pH值有极显著提升，80 cm以下土层土壤中的pH值无显著性差异，表明施用藏猪猪粪后，0 cm~80 cm处土层土壤pH值会有比较明显的提升，藏猪猪粪对提高土壤pH值，延缓或抑制土壤酸化具有重要的作用。

2.2 施用藏猪猪粪后土壤重金属含量变化情况

2.2.1 施用藏猪猪粪后土壤铜、锌和砷含量变化

经检测发现，向土壤中加入藏猪猪粪30 d后土壤铜含量变化情况如图1所示。

土壤中过量的铜会对地表植被的根系产生极其严重的危害，其可能会直接导致植物根系生理作用紊乱，从而对地表植被产生毒害作用，特别是农作物，土壤中过量的铜元素会使得农作物体内的物质代谢受到极大的影响，最终导致作物减产^[16]。由图1可知，本研究中施用藏猪猪粪后表层土壤中的铜含量虽然有所增加，但与未施用藏猪猪粪的土壤相比并无显著性差异，表明藏猪猪粪的施用对土壤铜元素的影响并不明显。

锌是猪粪中含量最多的重金属元素之一，经检测发现，施用藏猪猪粪30日后，土壤锌含量变化情况如图2所示。

锌是植物在生长与发育过程中必不可少的一种微量营养元素^[17]，作物在生长发育的过程中不能缺锌，但过量的锌会对农作物产生氧化胁迫的作用，从而改变作物的生理特性，对作物产生毒害作用^[18]，由图2可知，本研究中施用藏猪猪粪后各土层土壤锌含量均有不同程度的增加，但并无显著性差异，表明藏猪猪粪的施用对土壤锌含量的影响并不显著。

经检测发现，施用藏猪猪粪30日后土壤中砷含量变化情况如图3所示。

砷是一种在自然界中广泛存在的类金属元素，砷及其化合物具有剧毒的特性，目前，土壤砷污染在我国已成为了极其严重的环境问题，人们对砷污染的关注度也随之日益增长^[19]，由图3可知，本研究中施用藏猪猪粪后土壤砷含量略高于未施用藏猪猪粪的土壤，但总体上并未出现显著性差异，表明施用藏猪猪粪对土壤砷含量并无明显影响。

2.2.2 施用藏猪猪粪后土壤镉和铬含量变化

施用藏猪猪粪有机肥30 d后对土壤镉和铬含量的影响如图4、图5所示。

由图4、图5可知，施用藏猪猪粪后土壤镉和铬含量总体上均略有增加，但并无显著性差异，土壤镉和铬含量总体上呈现出由表层土壤向深层土壤递增的趋势。但由于本研究在试验过程中有加入蒸馏水，表层土壤中的镉和铬元素存在着随水的下渗而向深层土壤富集的趋势，这与刘娟等人得出的土壤中的重金属元素会随地表径流进入到土壤中的研究结果相似^[20]。

3 讨论

3.1 pH值变化对土壤的影响

土壤pH值是反映土壤质量优劣的一个重要指标，土壤pH值对植物生长有着直接影响；因此，对于土壤pH值的研究有利于了解土壤中氮、磷、钾等其他营养物质转化机制。同时，土壤pH是土壤肥力的重要影响因子，其直接影响着土壤养分转化及其有效性^[8]。

本研究中，在0 cm土层土壤中施用藏猪猪粪后的土壤pH值显著高于未施用藏猪猪粪的土壤pH值；10 cm~80 cm土层土壤中施用藏猪猪粪后的土壤pH值极显著高于未施用藏猪猪粪的土壤pH值；而80 cm以下土层土壤中施用藏猪猪粪前后的土壤pH值无显著性差异。在0 cm~80 cm土层土壤中施用藏猪猪粪前后土壤pH值有显著差异，可能是因为将藏猪猪粪施用在土壤中后，猪粪中的有机质等被微生物快速分解，土壤中的营养物质增加，藏猪猪粪中的盐分也随着地表径流进入到土壤中，导致土壤pH值增加；而施用藏猪猪粪前后80 cm以下土层土壤中的pH值无显著性差异，可能是因为80 cm以下土层土壤比较密实，土壤孔隙较小，微生物生存环境恶劣，水的下渗量减少，导致藏猪猪粪对80 cm以下土层土壤pH值影响减小，施用藏猪猪粪和未施用藏猪猪粪的土壤pH值无显著性差异。

王辉等人研究表明土壤酸化的重要诱导因素就是不合理施肥^[21-22]，而谭军利等人的研究结果表明，造成土壤酸化的另一大诱因就是不合理的灌溉施肥方式和不同的作物种植年限^[23-24]。土壤酸化程度越大，土壤营养元素有效性下降速度就越快，由此可见，在农业生产活动中合理使用藏猪猪粪有机肥是有利于保持土壤良好性状的。

3.1 土壤重金属含量变化的影响

重金属在土壤中很难被降解，所以当重金属在土壤中的浓度达到一定程度的时候就会使土壤中动物和微生物生存环境质量下降，导致土壤动物和微生物生物量减少，进而导致农作物光合作用降低，最终对农作物产生毒害作用，降低作物产量^[25]。

本研究中，与未施用藏猪猪粪的土壤相比，施用藏猪猪粪后的土壤中铜、锌、砷、镉和铬等重金属含量虽略有增加，但两个处理组间并无显著性差异，表明藏猪猪粪对土壤重金属含量影响不明显，农民在进行农业生产活动的过程中是可以将藏猪猪粪作为有机肥料施用于田间的。可能是因为个体农户在藏猪养殖过程中往往以玉米等粮食作物或者一些植物茎叶作为其主食，期间可能辅以少量饲料，但个体农户在藏猪喂养过程中极少添加重金属微量元素添加剂，故藏猪体内摄入的重金属元素较低，其粪便中的重金属元素含量也较少；因此，藏猪猪粪施用于田间时，其对土壤重金属含量的影响不明显，这正好符合任玉琴等^[26]发现添加营养性微量元素的饲料是猪体内重金属元素的重要来源的研究结果。

有研究表明，为降低养殖成本，促进猪生长发育，养殖场会在饲料中添加铜和锌等重金属微量元素^[27]，石艳萍^[28]等研究发现，由于一些营养性微量元素的添加，饲料中的铜和锌的超标率高达62.5%和19.64%，且猪粪中的铜和锌含量分别超标了71.9%和78.9%。猪的身体对重金属的吸收效率较低，重金属进入猪的身体后，大部分会随着排泄物被排出体外，因此猪粪中是含有大量的重金属元素的，其中少部分的重金属元素能够为农作物的生长提供营养元素，大部分重金属对土壤和农作物具有一定的毒害作用^[29-30]。因此，有必要进一步探究在农业生产活动中如何合理施用有机粪肥才能保证土壤环境质量，促进土壤环境与农业生产和谐健康发展。

4 结论

本研究通过采集原始土壤与藏猪粪便，建立施用藏猪猪粪前后的土壤模拟装置进行30 d模拟试验，最终得出以下结论：

本研究试验过程中的原始土壤pH值均在7以上，是碱性土壤，而施用藏猪猪粪后土壤pH值有显著的升高，表明藏猪猪粪是可以增加土壤含盐量，提高土壤pH值的，这可以有效缓解土壤的酸化过程，对酸化土壤的修复具有明显的效果。

（2）以玉米等粮食作物和植物根茎为主食，配以饲料为辅助喂养的藏猪所产生的粪便在施用田间后，其对土壤铜、锌、砷、镉和铬等重金属含量的影响并不明显，这表明藏猪猪粪是可以作为有机肥料施用于田间，并且其对农田土壤重金属含量的影响并不明显，农民在农业生产活动中可以适量施用藏猪粪便作为有机肥料来提高土肥料，促进作物生长，提高作物产量。

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基金资助

西藏农牧学院研究生教育创新计划项目(YJS2022-06)