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沼气发酵成为我国畜牧业发展中的一种可再生的绿色能源模式。沼渣(BR)是沼气发酵后的固体部分,能够作为有机肥料改善土壤肥力,提高作物的产量和质量。因此沼渣作为一种新型的绿色肥料在我国农业上被广泛应用。然而沼渣中含有高浓度的重金属,因此它的使用应被关注。一些研究表明,沼渣中含有高浓度的铜(Cu)和锌(Zn)。这类沼渣的使用在增加土壤中Cu和Zn浓度的同时,也增加了作物的生物毒性。据报道,由于Cu和Zn在表层土壤中能够积累,长期在耕地土壤中施用此类有机肥会导致环境污染的风险。本研究以两种典型的沼渣作为研究对象,对沼渣本身含有的重金属种类、浓度和形态等进行了分析,并通过沼渣施加到两种典型土壤后进行的老化实验和盆栽实验,对沼渣中重金属释放和对土壤的影响进行了研究,为评价沼渣农用的风险评价提供数据依据。具体的研究内容及结果如下:
(1)通过氯化钙(CaCl2)、乙二胺四乙酸(EDTA)、醋酸(HOAc)一步提取法和改进的欧盟三步分级提取法(BCR三步法)对6种沼渣中的重金属Cu和Zn的形态进行了研究。结果表明:沼渣中重金属的形态组成与重金属的种类和沼渣的类型有关;单一提取剂对沼渣中Cu、Zn的提取效率顺序为:EDTA>HOAc>CaCl2,其中EDTA的提取效率可达70%以上,HOAc提取效率在11%和62%之间,中性盐CaCl2的提取效果最差,其提取效果最高不到0.6%;沼渣中Zn的可移动性大于Cu的可移动性,若原沼渣中含有高浓度的Zn,施入土壤中可能使得植物吸收过多的Zn,从而产生农用风险。
(2)通过猪沼渣(PBR)和鸡沼渣(CBR)分别在留民营土壤(LS)和宜兴土壤(LS)中的老化培养实验来评价沼渣中重金属的农用风险。根据BCR分步提取结果,PBR和CBR的添加增加了土壤中可交换态Zn的浓度,PBR的添加增加了土壤中可交换态Cu的浓度。重金属的结合强度计算结果也呈现了相同的结果。在PBR添加的处理中,LS和YS土壤中可交换态的Zn最高浓度为分别增加了3.6倍和9.5倍,可交换态Cu最高浓度分别增加了52.6%和187.1%。DOC是可交换态Cu的控制因子,pH是可交换态Zn的控制因子。PBR的农用风险大于CBR的农用风险。根据重金属释放结果表明,沼渣更适用于LS。
(3)通过油菜盆栽实验来研究沼渣中的重金属在沼渣-土壤-植物系统的释放和影响。结果表明,沼渣的添加显著增加了油菜的生物量,这使得油菜体内的重金属浓度得到稀释。同时沼渣向土壤中释放了重金属,使得油菜与对照处理相比吸收了更多的Cu和Zn。因此油菜体内的重金属浓度是二者综合作用的结果。同时,油菜对Zn的富集能力要大于对Cu的富集能力,而转运系数的结论则相反,说明在本实验中Cu更容易在油菜体内向地上部转移。