生物浆料与化学肥料施用对马拉维玉米和芸薹属蔬菜土壤理化性质及特定重金属浓度的影响

《Environmental Health Insights》：Effects of Bio-Slurry and Chemical Fertiliser Application on Soil Physicochemical Properties and Selected Heavy Metal Concentrations in Maize and Brassica Vegetables in Malawi

　　

本研究评估了相对于未改良对照，施用生物浆料与化学肥料对土壤理化性质以及土壤和生长于马拉维Zomba地区的玉米（Zea mays L.）、油菜（Brassica napus）和白菜（Brassica pekinensis）中特定重金属（Fe、Mn、Zn、Cu、Pb、Cd、Cr和Hg）浓度的影响。研究采用随机完全区组设计，设3个处理（100%生物浆料、100%化学肥料和未改良对照）和3次重复。在种植前和收获后采集土壤样品，并使用原子吸收光谱法分析土壤、生物浆料和作物样品中的重金属。相对于化学肥料和对照，生物浆料显著增加了土壤有机碳、有机质和交换性盐基（Ca、Na、Mg、K），而化学肥料和对照均与土壤pH显著下降相关。土壤和作物中所有测得重金属浓度均低于FAO/WHO允许限值，其中铁（Fe）含量最高，镉（Cd）含量最低。然而，生物浆料本身的中温需氧细菌、霉菌和大肠菌群含量超过了CODEX微生物限值，表明存在微生物食品安全隐患，须在田间施用前进行进一步处理或卫生化处理。研究结果表明，生物浆料比化学肥料更有效地改善土壤肥力，且不会增加所测作物中的重金属风险，但在其被推荐为马拉维无条件安全土壤改良剂之前，必须解决其微生物质量问题。

论文解读：生物浆料与化学肥料对马拉维土壤性质及作物重金属积累的影响

**研究背景与意义**

土壤作为地球自然资本的基础组成部分，承载着粮食、饲料、纤维和燃料的生产功能。土壤健康被定义为土壤作为动态生命系统维持植物生产力、调节养分循环并支持生物活动与生态系统服务的能力。在马拉维，玉米（Zea mays L.）是最主要的粮食作物，约占每日热量摄入的60%和耕地面积的80%；油菜（Brassica napus）和白菜（Brassica pekinensis）则是小农户重要的营养和收入来源。然而，高度风化的土壤有机质含量低、养分贫乏，加之长期过量施用化学肥料导致的土壤酸化、有机质下降和重金属潜在积累，严重制约了农业可持续性。生物浆料作为沼气生产中厌氧消化的富含养分副产物，被认为是一种可改善土壤肥力、减少化学投入的环境友好型改良剂，但在马拉维缺乏本地实证证据。因此，该研究旨在比较生物浆料与化学肥料对土壤理化性质及玉米、油菜和白菜中重金属积累的影响，为可持续土壤养分管理和食品安全提供科学依据。该论文发表于《Environmental Health Insights》（《环境健康见解》）。

**研究设计与关键技术方法**

该研究在马拉维南部Zomba地区的Kalimbuka进行，采用随机完全区组设计（randomized complete block design，RCBD），设3个处理（100%生物浆料、100%化学肥料和未改良对照），3次重复，共27个小区。生物浆料取自布兰太尔Zingwangwa（Soche）污水处理厂。种植前和收获后采集0–20 cm土层土壤样品，分析pH、有机碳（organic carbon，OC）、有机质（organic matter，OM）、交换性盐基（Ca、K、Mg、Na）及8种重金属（Fe、Mn、Zn、Cu、Pb、Cd、Cr、Hg）；生物浆料同步进行化学和微生物分析；作物样品经湿法酸消解后，使用原子吸收光谱法（atomic absorption spectrometry，AAS）测定重金属含量。统计分析采用SPSS 25.0，通过独立t检验和单因素方差分析（one-way ANOVA）检验处理间差异，显著性水平设定为p ≤ 0.05。

**主要研究结果**

**3.1 种植前土壤理化性质**
种植前土壤为砂质粘壤土（23%黏粒、37%粉粒、40%砂粒），pH范围为6.1～7.3，呈微酸性至中性；有机碳含量（2.28%）评估为低，有机质（3.93%）为中等；交换性钙、钠、镁、钾均处于低水平，表明土壤基础肥力有限。

**3.2 生物浆料与化学肥料对土壤理化性质的影响**

**3.2.1 土壤pH**
生物浆料施用未显著提高玉米、油菜和白菜种植土壤的pH，这与其有机质缓冲作用及缓慢矿化特性有关。相反，化学肥料处理和对照土壤pH显著下降，原因是铵态氮肥硝化过程释放氢离子，导致土壤酸化。

**3.2.2 土壤有机碳**
生物浆料显著增加了玉米和白菜种植土壤的有机碳含量，而化学肥料显著降低了有机碳。生物浆料的高有机质输入促进了土壤碳积累；化学肥料则通过酸化和改变微生物群落结构，破坏有机碳动态平衡。

**3.2.3 土壤有机质**
生物浆料处理土壤有机质显著高于化学肥料和对照，尤其在玉米和油菜种植土壤中增幅明显。化学肥料因干扰土壤氮循环和微生物活性，导致有机质下降，特别是在玉米种植条件下。

**3.2.4 交换性盐基（钙、钾、镁、钠）**
生物浆料显著提高了土壤交换性钙（Ca）、钾（K）、镁（Mg）和钠（Na）含量，尤其以玉米和油菜种植土壤中Ca增幅最为突出；化学肥料处理则导致这些盐基阳离子水平降低。生物浆料本身富含盐基离子，并通过提升阳离子交换容量（cation exchange capacity，CEC）增强了养分保持能力。

**3.3 生物浆料与化学肥料施用对土壤重金属浓度的影响**

**3.3.1 生物浆料中的重金属浓度**
施用前生物浆料中所有重金属平均浓度均低于最大允许限值（MPL），Pb和Hg未检出，金属浓度顺序为Fe > Mn > Cu > Cr > Zn > Cd。Fe含量较高可能源于市政污水处理系统中铁质构件的腐蚀；Cd含量低与有限的工业废水输入有关。

**3.3.2 生物浆料的化学性质**
生物浆料pH为6.6，呈微酸性至中性；有机碳含量2.45%，有机质含量4.25%；交换性Ca、Na、Mg、K分别为8.2、1.5、1.8和2.3 cmol kg^-1，可直接补充土壤盐基养分。

**3.3.3 生物浆料中的微生物负荷**
生物浆料中温需氧细菌（4.4 × 10⁷ CFU ml^-1）、霉菌（1 × 10⁸ CFU ml^-1）和大肠菌群（1 × 10⁵ CFU ml^-1）均超过CODEX限值。高霉菌含量可能反映储存条件不佳，大肠菌群超标指示粪便污染；中温厌氧消化（30～40°C）对病原菌灭活效果不如高温消化，存在作物污染风险。

**3.3.4 种植前后土壤重金属浓度**
所有处理土壤中重金属水平均低于FAO/WHO限值。Pb和Hg未检出，Cd在化学肥料处理土壤中未检出。Fe浓度最高且处理后显著升高，生物浆料处理达744.10 ± 7.92 mg kg^-1，化学肥料处理为710.03 ± 5.32 mg kg^-1，均高于对照（321.27 ± 2.78 mg kg^-1）。Cd浓度最低且与土壤近中性pH（6.1～7.3）及有限耕作历史有关。

**3.3.5 生物浆料与化学肥料对土壤重金属浓度的影响**
生物浆料施用显著增加了土壤Fe（357.02 ± 2.31至744.10 ± 7.92 mg kg^-1）、Zn（2.06 ± 0.21至3.35 ± 0.41 mg kg^-1）和Cr（8.53 ± 0.97至32.10 ± 1.02 mg kg^-1）浓度，这与污水污泥源生物浆料特性及有机质螯合作用增强金属移动性有关。化学肥料显著增加Fe（232.10 ± 1.99至710.03 ± 5.32 mg kg^-1）但降低Zn（4.10 ± 0.10至2.88 ± 0.61 mg kg^-1），后者可能归因于碱性条件下Zn形成不溶性化合物。

**3.4 生物浆料与化学肥料对玉米、油菜和白菜重金属浓度的影响**

**3.4.1 镉**
白菜在生物浆料处理下Cd浓度（1.70 ± 0.11 mg kg^-1）显著高于化学肥料和对照，但仍低于FAO/WHO限值。

**3.4.2 铁**
生物浆料处理下玉米（346.50 ± 6.52 mg kg^-1）和油菜（260.00 ± 5.49 mg kg^-1）中Fe浓度显著较高，但均未超过最大允许限值。

**3.4.3 铅和汞**
所有处理作物样品中Pb和Hg均未检出，表明未受这两种金属污染。

**3.4.4 锰和锌**
各处理间Mn和Zn浓度无显著差异；化学肥料处理下白菜Zn含量最高（11.7 ± 0.17 mg kg^-1），油菜Mn含量最高（39.03 ± 1.34 mg kg^-1），但均低于安全阈限。

**3.4.5 铜和铬**
Cu和Cr浓度在处理间无统计学显著差异，但生物浆料处理的白菜和油菜中检出最高平均值，仍远低于WHO/FAO（2011）限值。

总体上，作物重金属累积顺序为油菜 > 白菜 > 玉米，叶菜类由于叶面积大和根-地上部转运机制较强而积累更多金属。各处理作物中重金属浓度顺序为：生物浆料处理Fe > Cu > Cr > Mn > Zn > Cd；化学肥料和对照处理为Fe > Mn > Cr > Cu > Zn > Cd。

**讨论与结论**

综合讨论表明，生物浆料在维持土壤有机碳、有机质和交换性盐基方面始终优于化学肥料，符合有机-无机改良剂对比研究的普遍规律，支持其在马拉维小农条件下作为土壤肥力改良剂的应用前景。然而需注意两点：其一，生物浆料虽使土壤Fe、Zn、Cr呈上升趋势，但均未超过安全限值，表明单季施用风险低；其二，生物浆料本身的微生物学质量不达标，构成独立于重金属风险的食品安全隐患，尤其对常被少煮食用的油菜和白菜而言意义重大。总体研究结论为：生物浆料改善了土壤有机碳、有机质和交换性盐基，化学肥料则导致土壤pH下降并减少这些养分参数；土壤和作物中所有重金属均低于FAO/WHO允许限值，Pb和Hg未检出；叶菜类比玉米积累更多重金属；生物浆料虽可有效提升土壤肥力，但其微生物学质量必须先经充分处理（如延长腐熟、高温消化或卫生操作）方可安全推广。该研究为单季、单点试验，结果外推需谨慎；未来应开展长期定位试验，并采用每日估计摄入量（estimated daily intake，EDI）和目标危害商数（target hazard quotient，THQ）方法进行定量膳食暴露风险评估，以更全面评价生物浆料农用的安全性。