有机物料部分替代化肥对茶园土壤重金属生物有效性的影响及其污染风险评价

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有机物料部分替代化肥可以缓解长期单施化肥导致的茶园土壤质量下降和环境污染的问题,促进农业废弃物资源化利用,但长期施用仍可能存在土壤重金属污染风险,进而影响生态环境和人体健康。本研究试验以茶园土壤为研究对象,选用兔粪、酒糟和菜籽饼三种不同的有机物料,分别以年施用总氮量50%和30%的比例部分替代化肥,并配以微生物菌剂对比研究,共设置不施肥(CK),单施化肥(F)、单施化肥+微生物菌剂(FW)、50%化肥+50%酒糟(FJ1)、50%化肥+50%酒糟+微生物菌剂(FJW1)、70%化肥+30%酒糟(FJ2)、70%化肥+30%酒糟+微生物菌剂(FJW2)等,共计15个处理。田间试验于2019年10月开始,为期两年,探究不同处理对茶园土壤重金属的全量、形态以及生物有效性的影响,分析评价不同处理下土壤重金属风险和人体健康风险,以期为茶树种植体系化肥减量增效提供科学依据。本研究主要结论如下:(1)有机物料部分替代化肥可以改善土壤理化性质,但会增加外源重金属输入,造成土壤重金属的积累,改变土壤重金属形态分布。有机物料部分替代化肥处理下土壤重金属全量均有增加,土壤Cu、Zn和Pb全量增加显著,有机物料50%替代化肥处理土壤重金属全量较有机物料30%替代化肥处理高。有机物料部分替代化肥各处理下土壤重金属的可交换态、可氧化态和可还原态含量高于不施肥和单施化肥处理;土壤重金属可交换态主要与土壤理化性质显著相关,可还原态和可氧化态与土壤理化性质、重金属全量的相关性不显著,土壤重金属残渣态与土壤理化性质、重金属全量显著相关。(2)有机物料部分替代化肥会提高茶园土壤重金属的生物有效性,增强土壤中重金属向茶叶的转移能力,导致茶叶重金属含量增高。本研究中,有机物料替代化肥处理下茶叶中重金属含量提高,相同有机物料50%替代化肥处理下茶叶重金属含量整体高于有机物料30%替代化肥处理;有机物料部分替代化肥各处理下土壤Zn、Cd和Pb元素转移系数明显提高,添加微生物菌剂则会降低土壤重金属转移系数;茶叶中重金属含量主要与土壤重金属可交换态和可还原态含量相关,表明土壤重金属可交换态和可还原态具有较高的生物有效性。(3)有机物料部分替代化肥会提高内梅罗综合污染指数、潜在生态风险系数和人体健康风险,降低重金属形态风险。本试验各处理下茶园土壤重金属全量风险处于中等风险,其中Cd污染贡献率最高,有机物料部分替代化肥会提高内梅罗综合污染指数和潜在生态风险系数,提高未改变风险等级;茶园土壤Cd形态风险评估为中等风险,其余重金属形态风险均对环境低风险或无风险,有机物料部分替代化肥会降低重金属形态风险评估系数;茶叶重金属健康风险评估指数均小于1,有机物料部分替代化肥会略微提高茶叶健康风险评估指数,但不会对人体健康造成威胁。综上所述:有机物料部分替代化肥可以改善茶园土壤理化性质,有利于缓解茶园土壤酸化,促进土壤有机质积累,但有机物料部分替代化肥会增加重金属外源输入,改变土壤重金属形态分布,提高土壤重金属的生物有效性,进而增加土壤和茶叶中重金属污染风险,而加入微生物菌剂会降低茶园土壤和茶叶重金属污染风险。本研究所有处理中,兔粪部分替代化肥处理下茶园土壤重金属污染风险较高,菜籽饼部分替代化肥处理下茶园土壤重金属污染风险较低;本研究为期两年的试验中,施用有机物料未对人体健康构成威胁,但随着有机物料持续施用,茶园土壤重金属污染风险和人体健康风险可能会不断增加。因此,施用畜禽粪便等有机物料前,应对其进行前期预处理,减少土壤重金属的外源输入。同时,本研究区域的Cd污染背景值较高,建议使用物理、化学或生物等方式进行相应的防控。
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