山東省畜禽糞便農用的重金屬污染風險評價

范麗霞　王磊　楊發斌　張丙春　陳璐　梁京蕓　苑學霞　董燕婕　趙善倉

摘要：為了解山東省畜禽糞便的重金屬污染情況及其農用存在的生態風險，采集山東省內牛、豬、雞的糞便樣品作為研究對象，采用電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS）和汞分析儀對樣品中8種重金屬含量進行分析，并用內梅羅綜合污染指數評價其農用潛在的生態風險。結果表明，牛糞達到重金屬中度污染水平，豬糞和雞糞達到重污染水平;牛糞農用存在輕微生態危害，雞糞和豬糞農用存在中等生態危害。

關鍵詞：畜禽糞便;重金屬污染;風險評價;山東省

中圖分類號：S141：X712（252）文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2020）04-0150-05

Abstract The heavy metal pollution status of livestock and poultry manures and their ecological risk for agricultural use were studied with the cow， pig and chicken manure samples from Shandong Province as experimental materials. The content of eight heavy metals were analyzed by inductively coupled plasma mass spectrometer （ICP-MS） and mercury analyzer， and the potential ecological risk of the manures for agricultural use was evaluated by the Nemerow comprehensive pollution index. The results showed that the heavy metals in cattle manure reached the moderate pollution level， while that in pig and chicken manures reached heavy pollution level. The cow manure for agricultural use had slight ecological risk， and the chicken and pig manures used in agriculture had moderate ecological risk.

Keywords Livestock and poultry manure; Heavy metal pollution; Risk assessment; Shandong Province

現代集約化和大規模養殖業中，為了滿足動物對礦物質的需求，促進畜禽生長、提高產量，礦物添加劑被廣泛添加于動物飼料中[1]。但由于飼料中礦物添加劑的純度較低，在為畜禽提供生長發育必不可少的礦質元素（如鐵、錳、銅、鋅、鉻、鈷）的同時，一些非必需微量元素（如鉛、鎘、砷、汞等）也隨之進入畜禽體內[2，3]。而且，飼料中的礦質元素只有少量被畜禽吸收，大多數則以糞便的形式排出[4]，如豬對銅和鋅的吸收率僅為10%～20%，未被利用的重金屬累積在糞便中[5-7]。

畜禽糞便是含有大量有機質、有用微生物和植物所需養分（如無機營養素氮、磷、鉀等）的重要資源[8]，畜禽糞便回田可以增加土壤有機質含量，改善土壤理化性狀，并可以減少化肥施用量，有利于促進農業可持續發展[9，10]。然而，糞肥的施用也會造成潛在的環境問題[11]，如有毒重金屬通過糞肥被引入農田，增加了經農作物吸收等途徑最終進入人體的可能性，威脅人類健康。

畜禽糞便中重金屬的形態與其化學性質及糞便的特性有關，而糞便的特性又與飼料和糞便的處理方式有關[12]。堆肥處理雖然能夠在一定程度上和一定時期內降低重金屬的移動性和生物有效性，但不能從本質上消除重金屬的潛在危害[13，14]。重金屬元素不像有機污染物能被土壤中的微生物降解，它們將長期滯留在土壤中，導致其在土壤中的含量不斷增加，從而帶來風險隱患[15]。當土壤中的重金屬含量超出土壤的承受限度，或土壤環境條件發生變化時，重金屬就有可能活化，引起嚴重的生態危害，被稱為“化學定時炸彈”[16]。畜禽糞便中的重金屬已經引起公眾對畜禽糞便農用造成土壤和農產品安全潛在風險的擔憂[17，18]。因此，本研究針對山東省畜禽糞便的重金屬污染情況進行調查，并對其農用的生態風險進行綜合評價。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

iCAP Q電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS），美國Thermofisher Scientific公司產品;Mars5微波消解儀，美國CEM公司產品;RA 915汞分析儀產品，俄羅斯Lumex公司產品;1 000 μg/L Pb、Cr、Ni、As、Cd、Cu、Zn、Hg、Au、Bi、In、Sc、Ge標準溶液，購自國家有色金屬及電子材料分析測試中心。

1.2 樣品的采集與制備

在山東省內規模化畜禽養殖場隨機采集牛糞（14份）、豬糞（10份）、雞糞（37份）樣品共計61份，每份樣品不少于500 g。樣品經干燥研磨，過100目尼龍篩后保存備用。

1.3 樣品的前處理

準確稱取0.3 g 糞便樣品置于微波消解罐中，加入硝酸5 mL、鹽酸0.5 mL、過氧化氫1 mL，放入微波消解儀。微波消解條件：300 W功率，5 min內勻速升溫至120℃，保持2 min;然后600 W功率，5 min內勻速升溫至160℃，保持3 min;再以1 200 W功率，10℃/min升溫至180℃，保持15 min。至消解完全后，冷卻，轉移定容至50 mL容量瓶中，混勻待測。

1.4 樣品分析

采用ICP-MS測定樣品中Pb、Cr、Ni、As、Cd、Cu、Zn含量，采用快速測汞儀直接測定糞便樣品中的Hg含量。

1.5 重金屬污染及風險評價

1.5.1 污染評價采用單因子污染指數法（Pi）和內梅羅綜合污染指數法（P綜）[19，20]對源于畜禽糞便的重金屬進行污染評價，計算公式如下：

式中：Pi為樣品中i元素的污染指數，Ci為重金屬i的實測濃度（mg·kg-1），Si為當地土壤中i元素的背景值。Pi max為重金屬i的最大污染指數，Pi mean為重金屬i的平均污染指數。

單因子污染指數和內梅羅綜合污染指數均按表1標準進行分級。

1.5.2 潛在生態風險評價 采用Hakanson潛在生態風險指數（RI）[21，22]對畜禽糞便農用的重金屬潛在生態風險進行評價。該法能反映出不同重金屬對某一區域的影響，同時可以綜合反映多種重金屬的影響。計算公式如下：

式中：Eir為重金屬i的潛在生態風險系數，Tir為重金屬i的毒性響應因子（Pb、Cd、Cr、As、Hg、Ni、Cu、Zn分別為5、30、2、10、40、5、1、5），Cif為重金屬i的污染系數，Cin為重金屬i的測定值，Ci0為當地重金屬i的背景值，RI為綜合潛在生態風險指數。潛在生態風險危害評價指標見表2。

1.6 數據分析

采用SPSS 22.0軟件進行數據分析，采用@RISK7.5軟件進行風險評估分析。

2 結果與分析

2.1 畜禽糞便中重金屬污染情況

牛糞、豬糞、雞糞樣品中重金屬含量如表3所示。三種糞便中的Zn含量最高，其次為Cu和Cr;Cd、Hg含量最低，均不超過0.5 mg·kg-1。牛糞中Cr含量高于豬糞和雞糞;豬糞中的Cu、Zn、Cd含量尤其Cu、Zn含量，明顯高于牛糞和雞糞;雞糞中Pb、Ni、As含量高于牛糞和豬糞，牛糞和雞糞中的Hg含量略高于豬糞。

2.2 污染評價

根據污染指數分級標準，畜禽糞便農用的重金屬污染指數如表4所示，牛糞、豬糞、雞糞農用的Pb、Cr、Ni、As污染等級均為安全;豬糞中的Hg達到警戒值;牛糞和雞糞農用的Hg和Cd為輕污染;牛糞的Cu、豬糞的Cd為中污染;豬糞和雞糞中的Cu、三種糞便中的Zn均達到重污染。從總體污染水平來看，牛糞達到中污染水平，豬糞和雞糞達到重污染水平。三種畜禽糞便中的單項污染指數均為Zn>Cu>Cd>Hg>Cr>Ni>As>Pb。說明糞便農用污染最為突出的重金屬是Zn和Cu，其次為Cd和Hg，Pb、Cr、Ni、As的污染水平較低。

2.3 潛在生態風險評價

根據潛在生態風險指數（圖1），牛糞、豬糞、雞糞農用的Pb、Cr、Ni、As污染水平均屬于輕微生態風險，Cd為中等生態風險;豬糞的Cu、Zn分別屬于強和中等生態風險，而牛糞和雞糞的Cu、Zn屬于輕度生態風險;但牛糞和雞糞農用的Hg為中等生態風險，而豬糞的Hg為輕微生態風險;牛糞農用的潛在風險指數Cd>Hg>Cu>Zn>As>Cr>Ni>Pb，豬糞農用的潛在風險指數Cu>Cd>Zn>Hg>As>Ni>Cr> Pb，雞糞農用的潛在風險指數Cd>Hg>Cu>Zn>As>Ni>Cr>Pb。綜合潛在生態風險評價結果表明，牛糞農用存在輕微生態危害，而雞糞和豬糞農用存在中等生態危害。

3 討論

雖然我國畜禽業已經朝著規模化、集約化發展，部分規模化養殖場也通過堆肥等方式處理畜禽糞便，但綜合利用率仍然不高，僅為60%，畜禽糞便仍然是重金屬等農業污染的重要來源[23]。畜禽糞便中所含重金屬等污染物在還田后進入土壤可能會影響農田土壤健康功能，帶來生態環境風險，并成為威脅農產品質量安全的影響因素之一[24]。作為沒有草原的畜牧大省，山東省畜牧養殖業發達，畜禽糞便帶來的重金屬污染不可避免，因此，對畜禽糞便農用帶來的重金屬污染進行風險預警十分必要[25]。

不同地區不同類型畜禽糞便中重金屬含量差異較大，由于條件有限，本研究抽樣量較少，但仍代表了山東省畜禽糞便中重金屬含量的一般水平，研究結果同其他報道類似[26]，即豬糞中Cu、Zn、Cd含量高于雞糞和牛糞。國家標準《畜禽糞便還田技術規范》（GB/T 25246—2010）中規定：制作肥料的畜禽糞便中As、Cu、Zn的最大極限值分別為50、800、3 400 mg·kg-1。據此可以看出，豬糞中的Cu、Zn及雞糞中的Cu均有超標現象;結合污染指數和潛在生態風險評價結果，豬糞的污染水平最高，其次為雞糞，牛糞最輕，這也與其他學者的研究結果一致[26，27]。

4 結論

本研究結果表明，山東省三種畜禽糞便中的Cd、Hg含量均較低，但污染水平較高，牛糞和雞糞中均達到輕污染程度，而豬糞中分別達到警戒和中污染程度;三種畜禽糞便中均為Zn、Cu含量最高，且達到中或重污染程度。綜合評價畜禽糞便農用的重金屬總體污染和潛在生態風險，牛糞農用帶來的重金屬污染相對較輕，雞糞居中，豬糞農用的重金屬污染風險較大。

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