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1、摘要：为确定既能避免较高的土壤重金属污染风险，又满足农业生产较大经济效益的双孢蘑菇菌渣还田量，设置不施肥对照（CK） ， 常规化肥 （CF） ， 双孢蘑菇菌渣分别提供 25%、 50%、 75%、 100%和 125%的 N （M1M5） 共 7 个施肥处理， 研究两年稻麦轮作周期土壤重金属 Cu、 Pb、 Zn、 Cd 含量及污染指数和作物投入产出比。结果表明， 随着菌渣年施用量的增加， Cu、 Pb 和 Zn 年净增加值呈上升趋势， 而 Cd 年净增加值表现出先减小后增加的趋势。 土壤重金属潜在生态风险系数、 综合污染系数和投入产出比均与菌渣年施用量存在明显的二次函数关系 （P0.05）
2、。随着化肥和菌渣的施用和时间的推移，各处理之间土壤重金属含量差异逐渐显现， Cu、 Pb、 Zn 和 Cd 含量均有不同程度增加， 都符合 食用农产品产地环境质量评价标准 （HJ/T 3322006） 要求。其中， 施入高量菌渣的 M5 处理下农田土壤 Cu、 Pb 和 Zn 含量最高， 均显著高于菌渣与化肥混施的 M1M3处理和常规施肥 CF 处理 （P0.05） ， 但均显著高于其他处理 （P0.05） 。这一情况可能与化肥和菌渣等物料带入土壤的重金属种类及含量不同有关20。 2.2 基于农田土壤重金属风险的菌渣还田量评估为直观了解菌渣对土壤重金属 Cu、 Pb、 Zn 和 Cd的影响，
3、经 CF、 M1M5 处理下土壤重金属 Cu、 Pb、 Zn和 Cd 含量得到 Cu、 Pb、 Zn 和 Cd 年净增加值， 通过回归分析得到菌渣年施用量与土壤重金属 Cu、 Pb、 Zn和 Cd 年净增加值的回归关系， 如图 2 所示。 Cu、 Pb 和 Zn 年净增加值与菌渣年施用量的回归关系分别为 yCu=4.98伊10-6x+1.84伊10-1， yPb=6.16伊10-6x+2.39伊10-1和 yZn=1.42伊10-6x+2.10伊10-1，显著性均为 P0.05，表明 Cu、Pb 和 Zn 年净增加值与菌渣年施用量的回归关系具有显著性。由图可知， 随着菌渣年施用量的增加， Cu
4、、 Pb 和 Zn 年净增加值呈现上升的趋势。而 Cd 年净增加值与菌渣年施用量的回归关系为 yCd=3.01伊10-11x2- 7.53伊10-7x+1.02伊10-2， 其 P=0.0460.05， 表明 Cd 年净增加值与菌渣年施用量的回归关系同样具有显著性，呈现出随菌渣年施用量增高， Cd 年净增加值先减小后增大的趋势。有研究表明， 这种情况可能与化肥特别是过磷酸钙有一定的关系20。由于受到生产原料及生产工艺影响，造成过磷酸钙中重金属含量尤其是 Cd 含量普遍高于其他化肥， 长期施用后土壤 Cd 含量增加明显20。因而， 随着菌渣年施用量逐渐增加， 过磷酸钙等化肥的施用量缓慢减少， 造
5、成了 Cd 年净增加值减少。 而随着菌渣年施用量不断增多， 农田土壤 Cd年净增加值受到菌渣影响超过化肥对其的影响， Cd年净增加值随菌渣年施用量增多而不断上升。由于农田土壤重金属风险受到多种重金属的毒性、 生态敏感性等因素的影响， 应用潜在生态风险指数法， 得到菌渣年施用量与农田土壤重金属年净增加值潜在生态风险系数的回归方程 yP=2.78伊10-9x2-373635BPAORPATRPa aaaaaaa aa aaa bababccdcdde0.250.200.150.10BPAORPATRPa aaaaaabacdba ebac dbaeCKCFM1M2M3M4M5510第 32 卷第
6、1 期2017 年 3 月图 2 菌渣年施用量与农田土壤重金属年增加值的回归关系Figure 2 Regression relations between annual mushroom residue application rate and annual heavy metals increases in farmland soil菌渣年施用量 Annual MR application rate/伊104kg hm-20.40.200123ababcab c cyCu=4.98伊10-6x+1.84伊10-1R2=0.989 6， P0.001菌渣年施用量 Annual MR appli
7、cation rate/伊104kg hm-20.40.200123bacbdeyZn=1.42伊10-6x+2.10伊10-1R2=0.985 5， P0.001菌渣年施用量 Annual MR application rate/伊104kg hm-20.60.300123aabbbcyPb=6.16伊10-6x+2.39伊10-1R2=0.978 7， P0.001菌渣年施用量 Annual MR application rate/伊104kg hm-20.020.0100123baedcabyCd=3.01伊10-11x2-7.53伊10-7x+1.02伊10-2R2=0.872 5，
8、P=0.0466.89伊10-5x+1.05， P=0.0490.05，回归关系具有显著性， 其曲线趋势如图 3 所示， 与 yCd回归方程的趋势类似，这可能与潜在生态风险评价法中设定的Cd 元素毒性系数较高有关系。有研究表明， 潜在生态风险指数法的结果受到 Cd 等毒性系数较高的重金属影响较大， 容易造成评价结果趋势与毒性系数较高的重金属的含量趋势相近21。 通过方程计算， 当 x=12 390 时，即菌渣施用量为 12 390 kg hm-2时， 农田土壤重金属年净增加值的潜在生态风险系数最低， 为 0.618 9。从农田土壤重金属潜在生态风险角度考虑， 潜在生态风险系数小于 0.62 时
9、， 经计算， 菌渣施用量为 11 763 13 018 kg hm-2。有研究者认为潜在生态风险指数法中重金属元素的毒性加权系数具有一定主观性21。为使得结果更具科学性， 利用综合污染指数法， 得到菌渣年施用量与农田土壤重金属年净增加值综合污染系数的回归方程 yCPI=9.30伊10-11x2-2.09伊10-6x+4.15伊10-2， P=0.038 0.05， 回归关系具有显著性， 其趋势如图 3， 经计算得到当 x=11 237 时，即菌渣施用量为 11 237 kg hm-2时，农田土壤重金属年净增加值的综合污染系数最低， 为 0.029 8。从农田土壤重金属综合污染指数角度考虑， 年
10、净增加值综合污染系数小于 0.03 时， 得到菌渣施用量为 962312 850 kg hm-2。因此， 结合潜在生态风险系数和综合污染系数的结果， 菌渣年施用量应为 11 76312 850 kg hm-2。 2.3 基于投入产出比的菌渣适宜还田量评估经调查， 生产成本包括种子、 化肥、 菌渣、 农药、 机械 （打田及收割） 、 人工 （施肥、 播种等） ， 经济产出包括籽粒 （当地按照水稻 2.2 元 kg-1和小麦 1.6 元 kg-1收购） 和秸秆 （用于菌渣培养基生产， 当地按照 400 元 t-1收购） 。由菌渣还田下稻麦轮作周期的平均生产成本与经济产出情况 （表 2） 可知， 菌
11、渣还田下随着菌渣年施用量逐渐增加， 化肥和菌渣等施入物料成本比例由 16.04%增涨到 26.11%，由于试验地菌渣均为人工搬运并施入农田，导致人工费用比例也由 31.45%增涨到 33.14%。 然而， 作物籽粒和秸秆的产出随着菌渣施入量的增多呈现出先上升后下降的状况。 已有研究表明，菌渣中能够被作物利用和吸收的 N 不到 10.8%，因而需要增施无机化肥才能满足作物生长的需求。 可见， 适量的菌渣配施无机化肥， 可促进作物生产及产周伟， 等： 基于土壤重金属风险和经济效益的双孢蘑菇菌渣还田量估算511农业环境科学学报第 36 卷第 3 期表 2 菌渣还田下稻麦轮作周期生产成本与经济产出 （
12、元 hm-2）Table 2 Production cost and economic output in the rice-wheat rotation period under mushroom residue recycling （Yuan hm-2）菌渣年施用量 Annual MR application rate/伊104kg hm-21.61.20.80.400123aacbbayP=2.78伊10-9x2-6.89伊10-5x+1.05R2=0.865 1， P=0.049菌渣年施用量 Annual MR application rate/伊104kg hm-20.080.060
13、.040.0200123badccbyCPI=9.30伊10-11x2-2.09伊10-6x+4.15伊10-2R2=0.886 3， P=0.038图 3 菌渣年施用量与土壤重金属净增加值潜在生态风险系数和综合污染系数的回归关系Figure 3 Relations between annual mushroom residue application rate and potential ecological risk index and comprehensivepollution index about heavy metals increases in soil出， 但是随着菌渣施用量
14、不断增多， 无机化肥施入量明显减少， 导致作物所能利用的营养物质减少， 不利于作物生长， 造成经济产出表现出 “凸” 趋势5，11。 其中M2 和 M3 处理下经济产出最高， 较常规施肥 CF 处理显著高出 14.84%和 16.48% （P0.05） 。 经统计， 随着菌渣施入量增多， 各处理的净收入呈现出先上升后下降的趋势，其中 M2 处理净收入最高，达到 13 366 元 hm-2，比 CF 处理高 23.14%， M5 处理净收入最低， 只有 6393 元 hm-2， 仅为 M2 处理的 47.83%。为探究菌渣年施用量与菌渣还田的经济价值的关系， 将菌渣年施用量与菌渣还田下投入产出比
15、进行回归分析，得到 yROI=-1.80伊10-9x2+3.15伊10-5x+0.896（图 4） ， P=0.0010.05， 表明菌渣还田投入产出比与菌渣年施用量的回归关系具有显著性， 随菌渣年施用量增加， 投入产出比出现先增加后减少的趋势。 经计算，当菌渣施用量为 8750 kg hm-2时， 投入产出比最高可达到 1.03。若从经济价值角度出发， 将投入产出比设定为大于 1，经计算菌渣适宜还田量为 442913 071 kg hm-2。结合基于土壤重金属风险所得到的菌渣年还田量 11 76312 850 kg hm-2来计算， 菌渣还田下农田土壤重金属净增加值潜在生态风险系数小于 0.
16、62， 综合污染系数小于 0.03， 投入产出比大于 1， 既能使农田土壤重金属污染程度较低， 也能达到菌渣还田促进农户增收的效果。 综上所述， 菌渣适宜还田量应为 11763图 4 菌渣年施用量与投入产出比的关系Figure 4 Regression relations between annual mushroom residueapplication rate and output-input ratio菌渣年施用量 Annual MR application rate/伊104kg hm-21.20.80.400123yROI=-1.80伊10-9x2+3.15伊10-5x+0.896R2=0.991 0， P=0.001处理 Treatment生产成本 Production cost经济产出 Economic output 净收入 Net profit种子 Seed化肥 CF菌渣 MR农药 Pesticide机械 Machi
