北京畜禽糞肥中重金屬的污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

范珊珊 劉繼遠(yuǎn) 譚曉東 季衛(wèi) 高飛 李昌偉 何威明

摘 要：隨著畜牧業(yè)集約化和規(guī)模化的發(fā)展，畜禽糞便產(chǎn)生量不斷增加，畜禽糞肥還田利用率不斷提高，但畜禽糞肥重金屬污染問題日益突出。為防控畜禽糞肥的環(huán)境污染、促進(jìn)養(yǎng)殖業(yè)廢棄物安全利用和有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)，以2012—2019年抽檢的畜禽糞肥樣品為主要研究對(duì)象，通過了解北京市畜禽糞肥中的Hg、As、Pb、Cr和Cd重金屬含量情況，采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)法和Hakanson生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)其污染程度和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度。結(jié)果表明，各類畜禽糞肥重金屬的平均含量均在《畜禽糞便堆肥技術(shù)規(guī)范》的限量范圍內(nèi)，整體超標(biāo)率較低;重金屬綜合污染指數(shù)均在安全范圍內(nèi)，農(nóng)用還田利用不會(huì)引起嚴(yán)重重金屬污染，但仍存在一定的潛在生態(tài)危害，尤其以羊糞中的Cd和農(nóng)家堆肥中的Hg、Cd最為嚴(yán)重，達(dá)到強(qiáng)或很強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)污染程度。在今后畜禽糞肥的堆肥和無(wú)害化處理中，應(yīng)加強(qiáng)管理，嚴(yán)防生態(tài)污染。

關(guān)鍵詞：畜禽糞肥;重金屬;風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào) S141 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2021）24-0080-05

Risk Assessment of Heavy Metal Pollution from Livestock and Poultry Manure Fertilizer in Beijing

FAN Shanshan et al.

（Beijing Soil Fertilizer Extension Service Station， Beijing 100029， China）

Abstract： With the development of animal husbandry intensification and large-scale， the livestock manure output and promotion is increasing， and heavy metal pollution from livestock and poultry manure is increasingly prominent. To prevent and control environmental pollution from livestock and poultry manure， promote the safe use of livestock waste and the development of organic food， the article was studied with nine kinds of manure samples from 2011 to 2019 as the experimental material. The content of the Hg、As、Pb、Cr and Cd were analyzed， the degree of pollution was evaluated by the Nemerow comprehensive pollution indexes and the the potential ecological risk was evaluated by adopting Hakanson ecological risk index. The results show that the content of all the kinds of livestock and poultry manure are under the scope of the Technical specification for animal manure composting， and the exceeding rate is relatively low. The comprehensive pollution index was clean and safe level， using to the farm does not cause serious heavy metal pollution problems. But there are certain ecological risks， especially the Hg and Cd in sheep and farm compost are the moderate or strong ecological risk. The management should be strengthened and ecological pollution should be strictly controlled in the composting and harmless treatment of livestock manure in the future.

Key words： Livestock and poultry manure fertilizer; Heavy metals; Risk assessment

近年來(lái)，我國(guó)養(yǎng)殖方式從家庭散養(yǎng)向規(guī)模化養(yǎng)殖迅速轉(zhuǎn)變，畜牧業(yè)養(yǎng)殖區(qū)、養(yǎng)殖大戶的建設(shè)逐漸增多，規(guī)模化、集約化程度不斷提高，養(yǎng)殖量快速增長(zhǎng)[1]。與此同時(shí)，伴隨產(chǎn)物畜禽糞便排放量也在不斷增加，到2016年將達(dá)到3.8×109t，但畜禽糞便資源化利用率不高，僅60%[2]，由此產(chǎn)生了農(nóng)業(yè)面源污染等一系列環(huán)境污染問題。畜禽糞便農(nóng)用是比較常見的處理方式，2017年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部制定《畜禽糞污資源化利用行動(dòng)方案（2017—2020年）》，全面推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用，促進(jìn)畜禽糞污還田利用[3]。然而，糞便的還田施用會(huì)造成潛在的環(huán)境污染問題，其中尤以重金屬污染為主要問題[4]，重金屬通過還田被引入農(nóng)田，經(jīng)農(nóng)作物吸收等途徑最終進(jìn)入人體，威脅人類健康。

畜禽糞便中的重金屬引起了公眾對(duì)畜禽糞便農(nóng)用造成土壤和農(nóng)產(chǎn)品安全潛在風(fēng)險(xiǎn)的擔(dān)憂[5-7]。為此，本研究對(duì)北京市2012—2019年連續(xù)8年檢測(cè)的畜禽糞肥中重金屬含量情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，通過內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)法和Hakanson生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)其污染程度和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度，以期為畜禽糞肥還田利用，規(guī)范有機(jī)肥料生產(chǎn)和使用以及制定肥料標(biāo)準(zhǔn)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 樣品采集 供試樣品來(lái)源于2012—2019年北京市肥料登記抽檢的980個(gè)畜禽糞肥樣品，涉及房山、大興、順義、通州、昌平、密云、延慶、懷柔等多個(gè)區(qū)縣，采樣按肥料采集方法統(tǒng)一采集與處理。

1.2 樣品重金屬測(cè)定方法 樣品重金屬含量參照NY/T 1978-2010[8-9]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行處理，將樣品風(fēng)干后過2mm篩，置于樣品袋中干燥保存。樣品經(jīng)過鹽酸-硝酸消煮后，用原子吸收分光光度法分析測(cè)定Cd、Pb、Cr，采用原子熒光分光光度法測(cè)定As、Hg的含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理 采用Microsoft Excel 2010統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

1.4 評(píng)價(jià)方法

1.4.1 單因子污染指數(shù)法 單因子評(píng)價(jià)法[10-12]，是指對(duì)一種重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià)，然后通過污染指數(shù)的大小評(píng)價(jià)各種污染物的主次，以污染指數(shù)的大小來(lái)表示污染程度。單因子指數(shù)法能比較好地評(píng)價(jià)出肥料中重金屬的污染程度。單因子污染指數(shù)計(jì)算公式為：

Pi=[CiSi]

式中，Pi為第i種重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（單因子污染指數(shù)），Ci為第i種重金屬含量的均值（mg·kg-1），Si為第i種重金屬限量標(biāo)準(zhǔn)（mg·kg-1），Pi值越大重金屬污染越嚴(yán)重。單因子污染指數(shù)法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

1.4.2 內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)價(jià)法 內(nèi)梅羅指數(shù)法可以全面、整體地反映肥料中重金屬的污染程度，所以把單因子污染指數(shù)通過一定的方法綜合起來(lái)利用，然后對(duì)多種重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，即應(yīng)用綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)。重金屬元素綜合污染評(píng)價(jià)采用兼顧單元素污染指數(shù)平均值和最大值的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法[12-14]。其計(jì)算公式如下：

P綜=[（Pl）2+（Pimax）22]

[Pl=1ni=1nPi]

式中，P綜為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù);Pi為某種重金屬單因子污染指數(shù);Pimax為5重金屬單因子污染指數(shù)的最大值。綜合污染指數(shù)法不僅考慮了各種污染物的平均污染狀況，而且考慮了污染程度最嚴(yán)重的污染物的權(quán)重，能夠較全面地反映出重金屬污染的真實(shí)狀況。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

1.4.3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià) 采用Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）[15-18]對(duì)畜禽糞便農(nóng)用的重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，是一種既可以了解單個(gè)重金屬對(duì)土壤的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，又可以綜合的了解重金屬對(duì)土壤生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)方法。計(jì)算公式如下：

RI=[Eir];

[Eir=][Tir×Cif];

[Cif=][CiD/Cin]

式中：[Eir]為重金屬i的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，[Tir]為重金屬i的毒性響應(yīng)因子（Pb、Cd、Cr、As、Hg分別為5、30、2、10、40）[15]，[Cif]為重金屬i的污染系數(shù)，[CiD]為重金屬i的測(cè)定值，[Cin]為當(dāng)?shù)刂亟饘賗的背景值見表3[19-21]，RI為綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)危害評(píng)價(jià)指標(biāo)見表4。

2 結(jié)果與分析

2.1 畜禽糞肥中的重金屬含量 從重金屬含量情況可以看出（表5），在5種重金屬元素中，影響畜禽糞肥品質(zhì)的最主要元素是Cr，其平均含量均高于其他元素，其次是Pb，Hg和Cd的平均含量最低，不超過0.8mg·kg-1。重金屬元素在不同種類的畜禽糞肥中含量也各有差異，As在豬糞中含量高于其他糞肥，Cr在雞糞中含量高于其他糞肥，這與賈武霞等的研究結(jié)果相同[22]，Pb在沼渣沼液中含量高于其他糞肥，Cd在農(nóng)家堆肥中高于其他糞肥。

以往我國(guó)對(duì)畜禽糞便堆肥的重金屬無(wú)害化標(biāo)準(zhǔn)采用的是GB 4284-2018《農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》[23]，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定Cd、Hg、Pb、Cr、As總含量的最大極限值分別為3、3、300、500、30mg kg-1，2019年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布的《畜禽糞便堆肥技術(shù)規(guī)范》NY/T3442-2019[24]，規(guī)定堆肥產(chǎn)物質(zhì)量要求As、Hg、Pb、Cd、Cr，為15、2、50、3、150mg·kg-1，這個(gè)規(guī)定比以往的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)重金屬含量要求更嚴(yán)格，更規(guī)范，因此本文采用《畜禽糞便堆肥技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行比較。結(jié)果顯示（表5），羊糞、其他糞肥和沼渣沼液重金屬未超標(biāo)，鴨糞和農(nóng)家堆肥僅有1種元素超標(biāo)，雞糞和豬糞超標(biāo)元素最多。從不同重金屬元素超標(biāo)情況看，Cd未超標(biāo)，Pb超標(biāo)率較低，As超標(biāo)率最高，以豬糞中的As超標(biāo)最為嚴(yán)重。畜禽糞便中的重金屬含量與飼料中的添加劑及防病蟲害的微量元素有關(guān)，企業(yè)為了利益最大化，加大了使用劑量，這些元素在體內(nèi)消化吸收低，大都隨糞便排出，造成畜禽糞便重金屬含量超標(biāo)[25-26]。

2.2 污染評(píng)價(jià)

2.2.1 污染指數(shù)評(píng)價(jià) 從表6可以看出，5種重金屬的單因子污染指數(shù)Pi值均小于等于0.6，全部為清潔等級(jí)，除雞糞和農(nóng)家堆肥外，As元素的Pi值高于其他重金屬的Pi值，其中豬糞中的As最高，為0.52;雞糞中Cr的Pi最高，農(nóng)家堆肥中Cd的Pi最高。從綜合污染指數(shù)來(lái)看，所有種類的畜禽糞肥重金屬污染等級(jí)均為安全等級(jí)，分別為0.35、0.39、0.23、0.29、0.27、0.33、0.26、0.24、0.16，豬糞的污染程度最高，其次是豬糞。因此，今后生產(chǎn)有機(jī)肥產(chǎn)品時(shí)應(yīng)注重As的污染性，同時(shí)還應(yīng)加強(qiáng)豬糞還田應(yīng)用時(shí)的污染防控。

2.2.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià) 根據(jù)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（表7），Pb、Cr、As污染水平均為輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn);Cd為中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)以上，在羊糞中為強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)達(dá)100.8，在農(nóng)家堆肥中為很強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)高達(dá)201.7;Hg在農(nóng)家堆肥中為強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)達(dá)100.0，在雞糞、豬糞、牛糞和羊糞中為中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為50.0，在其他種類糞肥中為輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，羊糞農(nóng)用為中等生態(tài)危害，農(nóng)家堆肥農(nóng)用為強(qiáng)生態(tài)危害，而其他種類糞肥均為輕微生態(tài)危害。因此，在今后糞肥還田利用中，應(yīng)加強(qiáng)土壤中Cd和Hg的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)防控。

3 討論與結(jié)論

根據(jù)2017年北京市統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，畜禽養(yǎng)殖出欄量如下：豬112.2萬(wàn)頭、牛12.8萬(wàn)頭、羊35.2萬(wàn)只，家禽1382.4萬(wàn)只，共占全國(guó)畜禽養(yǎng)殖出欄量的0.23%[27]。北京雖不是畜牧業(yè)發(fā)達(dá)的省市，但畜禽糞便帶來(lái)的重金屬污染不可避免，因此，對(duì)畜禽糞便農(nóng)用帶來(lái)的重金屬污染進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警十分必要。另一方面，畜禽糞便是生產(chǎn)商品有機(jī)肥料的主要原料，畜禽糞便中重金屬含量增加，商品有機(jī)肥的質(zhì)量也會(huì)受到影響，重金屬通過糞肥直接還田或者商品有機(jī)肥應(yīng)用被引入農(nóng)田[28]。由于重金屬元素不能被土壤中的微生物降解，它們將長(zhǎng)期滯留在土壤中，如果大量施用，超過土壤的承受能力，便會(huì)產(chǎn)生毒害，影響土壤健康功能，從而帶來(lái)生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

本研究結(jié)果表明，不同類型畜禽糞肥中重金屬含量各不相同，北京市畜禽糞肥中重金屬的平均含量均在《畜禽糞便堆肥技術(shù)規(guī)范》限量范圍內(nèi)，但仍有部分樣品存在超標(biāo)現(xiàn)象，Cd無(wú)超標(biāo)情況，As超標(biāo)率最高，其中以豬糞中的As超標(biāo)最為嚴(yán)重;內(nèi)梅洛綜合污染指數(shù)均為安全等級(jí)，畜禽糞肥重金屬污染程度較低;但農(nóng)用還田時(shí)存在一定的潛在生態(tài)危害，其中Cd、Hg潛在生態(tài)危害較大，尤其以羊糞中的Cd和農(nóng)家堆肥中的Hg、Cd最為嚴(yán)重，綜合評(píng)價(jià)指數(shù)達(dá)到強(qiáng)或很強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)污染程度。因此，使用畜禽糞肥還田不致引起嚴(yán)重重金屬污染問題，但應(yīng)加強(qiáng)對(duì)畜禽糞肥的無(wú)害化處理和監(jiān)管，嚴(yán)防生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]曹潔.淺析土壤重金屬元素的來(lái)源、危害及化學(xué)修復(fù)[J].化學(xué)工程與裝，2015（6）：208-210.

[2]王建才，朱榮生，王懷中，等.畜禽糞便重金屬污染現(xiàn)狀及生物鈍化研究進(jìn)展[J].山東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018，50（10）：156-161.

[3]中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部關(guān)于印發(fā)《畜禽糞污資源化利用行動(dòng)方案（2017-2020年）》的通知[Z/OL].[2020-08-23].http：//www.moa.gov.cn/nybgb/2017/dbq/201801/t201801036 134011.htm.

[4]Feng Z M，Zhu H H，Deng Q F，et al.Environmental pollution induced by heavy metal（loid） s from pig farming[J].Environmental Earth Sciences，2018，77（3）：103.

[5]范麗霞，王磊，楊發(fā)斌，等.山東省畜禽糞便農(nóng)用的重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].山東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2020，52（4）：150-154.

[6]陳秋會(huì)，席運(yùn)官，張弛，等.有機(jī)與常規(guī)養(yǎng)殖生豬糞便重金屬污染特征與農(nóng)用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].環(huán)境污染與防治，2019，41（3）：351-356.

[7]龐妍，唐希望，吉普輝，等.關(guān)中平原畜禽糞便重金屬農(nóng)用風(fēng)險(xiǎn)估算[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2015，35（12）：3824-3832.

[8]魯如坤.土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社，2000.

[9]中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部，肥料汞、砷、鎘、鉛、鉻含量的測(cè)定，NY/T 1978-2010[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

[10]覃麗霞.養(yǎng)殖源有機(jī)肥的重金屬污染及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

[11]黃會(huì)前，何騰兵，李陽(yáng)，等.長(zhǎng)期施用豬糞土壤的重金屬含量及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2018，31（4）：824-829.

[12]唐功政，劉國(guó)棟，高潤(rùn)青，等.利用單因子污染指數(shù)與內(nèi)梅羅綜合指數(shù)進(jìn)行土壤重金屬污染程度評(píng)級(jí)[J].環(huán)境科學(xué)，2019，05：125-126.

[13]常瑛，李彥榮，施志國(guó)，等.基于內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)的農(nóng)田耕層土壤重金屬污染評(píng)價(jià)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019，47（19）：63-67，80.

[14]羅芳，伍國(guó)榮，王沖，等.內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和單因子評(píng)價(jià)法在水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2016，41（5）：87-89.

[15]徐爭(zhēng)啟，倪師軍，庹先國(guó)，等.潛在生態(tài)危害指數(shù)法評(píng)價(jià)中重金屬毒性系數(shù)計(jì)算[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2008，31（2）：112-115.

[16]李彩丹，何成芳，閆曉明，等.滁州市養(yǎng)豬場(chǎng)糞污中重金屬殘留及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，58（12）：2125-2128，2134.

[17]金德，史永紅，高良敏.應(yīng)用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)沉積物中重金屬污染[J].山西建筑，2010，36（13）：335-336.

[18]劉文清，甘柯，邢宇鑫，等.潮白河流域土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法研究[J].城市地質(zhì)，2016，11（2）：14-19.

[19]陳同斌，鄭袁明，陳煌，等.北京市土壤重金屬含量背景值的系統(tǒng)研究[J].環(huán)境科學(xué)，2004，25（1）：117-122.

[20]李健，鄭春江.環(huán)境背景值數(shù)據(jù)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1988.

[21]姜菲菲，孫丹峰，李紅，等.北京市農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（8）：330-337.

[22]賈武霞，文炯，許望龍，等.我國(guó)部分城市畜禽糞便中重金屬含量及形態(tài)分布[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，35（4）：764-773.

[23]國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理局，農(nóng)用污泥污染物控制標(biāo)準(zhǔn)，GB 4284-2018[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2018.

[24]中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部，畜禽糞便堆肥技術(shù)規(guī)范，NY/T3442-2019[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2019.

[25]李林海.畜禽糞便中的主要養(yǎng)分和重金屬含量分析[J].南方農(nóng)業(yè)，2018，12（23）：126-128.

[26]吳綺雯，熊云霞，李平，等.畜禽糞污重金屬污染的現(xiàn)狀與防治[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019，46（9）：85-91.

[27]北京市統(tǒng)計(jì)局.北京統(tǒng)計(jì)年鑒[J].北京：中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2018.

[28]郝秀珍，周東美.畜禽糞中重金屬環(huán)境行為研究進(jìn)展[J].土壤，2007，39（4）：509-513.

（責(zé)編：張宏民）