山東省豬糞便和糞源重金屬排放量估算及環境效應分析

李培培，王建華，張寶珣，郝海玉，黃 曉，祝貴華

（青島市畜牧獸醫研究所，山東 青島 266100）

畜禽糞便含有豐富的有機質、氮、磷、鉀等養分，可以作為肥料還田，保持和改善土壤質量，提高作物產量[1]。畜禽糞便中殘留了部分重金屬，施用重金屬含量超標的糞肥可能污染土壤[2]，該污染具有不可逆性和難以修復性，而且會導致農產品中出現較明顯的重金屬累積現象[3]，一旦食用便會危害人體健康。隨著人們對農產品生態、安全、環保等的日益關注，畜禽糞肥重金屬超標問題亟待解決。

山東省是畜牧業大省，生豬養殖是畜牧業的傳統產業之一，2016年生豬出欄4 662.04萬頭，占全國總出欄的6.81%，居第4位。目前，豬飼料添加劑中大量使用銅、鐵、鋅等微量元素[4]，而豬對重金屬的吸收率較低，大部分通過糞便排出體外，導致糞源重金屬污染。本文根據豬飼養數量、飼養周期、排泄系數等估算其糞便排放量、養分、污染物及重金屬含量等，并對其產生的環境效應進行分析，提出減排措施，為豬糞便的無害化處理和資源化利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 數據來源

2016年，山東省生豬產業情況見表1。該年度，濰坊市生豬存欄量、出欄量分別為431.60萬頭、821.47萬頭，豬肉產量62.58萬t，均居全省首位；菏澤市生豬存欄402.41萬頭，居全省第二位，臨沂市存欄386.28萬頭，列第三位；臨沂市、菏澤市生豬出欄量、豬肉產量分別居全省第二、三位。

表1 2016年山東省豬存欄量、出欄量及豬肉產量

1.2 研究方法

1.2.1 豬糞便排放量 豬糞便排泄系數[5]、畜禽糞便干物質含量[6]見表2，能繁母豬按照占總存欄量的10%測算，全年飼養；生豬飼養周期按180 d計算。

表2 豬糞便排泄系數和干物質含量

畜禽排泄系數乘以該畜禽飼養量及飼養周期，可測算出畜禽糞便排放量。豬年糞便排放量計算公式如下[7]：

其中：Q為豬年糞便排放量，t；P為排泄系數kg/[頭（只）·d]；N為飼養量，頭；T為飼養周期，d。

能繁母豬按存欄量計算，生豬按出欄量計算；飼養周期根據調研確定，能繁母豬飼養期按365 d計算，生豬180 d出欄。

1.2.2 豬糞便中養分、污染物、重金屬含量 豬糞便中有機質、氮、磷等含量基本保持穩定，本文鮮豬糞中主要養分、污染物含量來源于國家環保總局自然生態保護司推薦的數據[8]，見表3。

表3 鮮豬糞中養分、污染物含量 kg/t

糞便中養分、污染物計算公式為：

式中：M為糞便中養分或污染物含量，t；C為單位質量糞便養分、污染物含量，kg/t。

畜禽糞源重金屬受飼料原料中元素含量及添加量、動物生長階段等因素的影響，本文參考潘尋等[9]豬糞便中重金屬含量，見表4。

表4 山東省規模化養殖場豬糞便中主要重金屬含量 mg/kg

重金屬排放量計算公式為：

式中：A為糞源重金屬排放量，t；0.18為鮮豬糞中干物質比例；F為單位質量糞便重金屬含量，mg/kg。

2 結果與分析

2.1 豬糞便排放量

2016年，山東省豬糞便排放量為5 839.74萬t（表5），其中糞2 203.67萬t，尿3 636.07萬t。從區域看，濰坊市豬糞便排放量最高，為867.18萬t，其次為臨沂市（666.75萬 t）、菏澤市（646.07萬 t）。

表5 山東省2016年豬糞便排放量 萬t

2.2 豬糞便養分、污染物含量

2016年，山東省豬糞便TN、TP排放量分別為24.96萬t、9.41萬t，NH3-N為12.00萬t（表6），氮、磷分別占本年度化肥（折純）施用量的17.09%、20.00%。濰坊市豬糞便氮、磷排放量最高，分別為3.71萬t和1.40萬t，占該年度化肥（折純）施用量的37.50%、44.32%。可見，如果用糞肥替代化肥，能夠顯著降低化肥使用量。

表6 山東省豬糞便養分、污染物含量 萬t

2.3 豬糞源重金屬排放量

糞源重金屬主要受飼糧中微量元素含量的影響。2016年，山東省豬糞便Zn排放量為75.71 t，其余依次為 Cu 18.75 t、As 1.45 t、Cr 0.49 t、Pb 0.12 t、Cd 0.04 t（表7）。Zn、Cu是豬生長發育必需的微量元素，也是其糞便中含量最多的重金屬，不但造成資源浪費，而且污染了環境。As、Cr、Pb、Cd 一般不在飼料中添加，主要來源于飼料、污染或殘留，排放量遠低于Zn、Cu，但毒副作用大，對水體、土壤造成污染。

表7 山東省豬糞便重金屬含量 kg

3 討論

3.1 豬糞便排放量估算

豬糞便排放量受排泄系數、飼養量和飼養周期的影響，是一組動態數據，尤其排泄系數與飼料營養成分及消化率、個體、環境等因素有關，需要長期觀測確定。2014—2016年山東省豬存欄量、出欄量逐年減少，導致估算結果可能偏小；生豬飼養周期根據市場需求波動，導致計算結果可能偏大；誤差在一定范圍內相互抵消，基本能夠反映山東省豬糞便排放情況。

3.2 降低糞便中氮、磷等污染物排放量

畜禽糞便氮、磷排放量與飼糧蛋白質、磷水平及消化率高度相關，源頭減量是解決規模化豬場環保問題的關鍵環節之一。在氨基酸平衡條件下，低氮飼料對豬的生長性能和骨骼發育無顯著影響，但能夠降低氮排放，提高蛋白質的利用率[10]。許遲等（2017）[11]研究表明：低氮磷排放飼糧能夠提高生長豬抗氧化能力和免疫性能，提高氨基酸的利用效率，降低飼養成本。飼糧中添加植酸酶，可以有效提高植酸磷、蛋白質和微量元素的消化率，降低糞便中氮、磷和金屬元素的含量[12-13]。在飼料中添加益生菌劑，能夠起到提高飼料消化率，降低飼糧氮水平的作用。所以，適度降低飼糧中粗蛋白質水平、減少無機磷添加量、添加益生菌劑和植酸酶等是實現氮、磷減排的有效途徑。

3.3 減少豬糞源重金屬排放量

3.3.1 降低飼料中微量元素含量 重金屬只有極小部分能被畜禽機體吸收，絕大部分隨糞便排出體外[14]。王飛等（2015）[15]研究表明，華北地區豬飼料重金屬超標嚴重，畜禽糞便中重金屬Cd、Cr、Cu、Zn的質量分數與飼料中重金屬質量分數呈極顯著正相關，Pb、As與飼料中重金屬呈顯著相關性。黃玉溢等[16]研究顯示：豬糞便中Cu、Zn、Cr含量與其在飼料中含量呈正相關或極顯著正相關。所以飼料是畜禽糞源重金屬污染的源頭[17]，因而減少飼糧中重金屬的添加量、選擇無污染和安全性高的飼料原料，可有效降低豬糞源重金屬的排放量。

3.3.2 采用有機微量元素（Organic Trace Minerals）有機微量元素是金屬元素與蛋白質、小肽、氨基酸、有機酸等配位體通過共價鍵或離子鍵結合形成的絡合物或螯合物[18]，具有化學性能穩定，生物學效價和機體吸收利用率高等特點。在飼糧中，用有機微量元素替代無機微量元素，在不影響豬生長性能的情況下，可顯著降低糞便中重金屬的排放量[19-20]，降低養殖的環保壓力。其中氨基酸微量元素螯合物是一種更為高效、環保的綠色飼料添加劑，可以同時補給畜禽必需的有效微量元素和限制性氨基酸，在養豬業中得到廣泛應用。

2016年，山東省豬糞便排放量5 839.74萬t，總氮、總磷排放量分別占該年度化肥施用量的17.09%、20.00%，如果能夠合理利用，不但解決豬糞便對環境的污染問題，還可以降低化肥使用量，緩解土壤板結，提升基礎地力。豬糞便重金屬排放量大，其中 Zn、Cu 排放量分別為 75.71 t、18.75 t，具有難遷移、難降解、易富集等特點，施用糞肥后，重金屬在土壤或水體中累積，成為豬糞便無害化處理和資源化利用的限制因素。在養豬生產中應以源頭減量為重點，減少重金屬排放，并研發糞肥生產中去除重金屬的新技術、新工藝、新材料等，解決規模豬場環保問題，促進產業健康可持續發展。