豬糞中重金屬元素含量及其變化特征分析

沈豐菊，韓建華，趙潤，張克強*

（1.農業農村部環境保護科研監測所，天津 300191；2.天津市農業環境保護管理監測站，天津 300061）

我國是世界上生豬生產和消費大國。2016 年世界生豬存欄量、出欄量和豬肉產量分別為78 483萬頭、119 212 萬頭和10 820 萬t，而我國則分別達45 112 萬頭、62 002 萬頭和5 185 萬t，分別占世界總量的57.48%、52.01%和47.92%[1]。近年來，國家通過一系列政策法規引導，大力支持畜禽養殖業向集約化、規模化方向發展，一方面可以滿足消費者越來越注重豬肉的品質和食品安全的需求，另一方面可以滿足養殖場在環保壓力以及各種資源束縛之下，對提高飼養水平、降低養殖成本、構筑產業鏈條的需要。目前，規模化、集約化養殖模式成為必然趨勢，天津市生豬、奶牛、蛋雞和肉雞產業規模化養殖比例已分別達到85%、95%、90%和95%[2]。但隨著畜禽養殖規模化、集約化發展，畜牧業對環境造成的污染也越來越嚴重，尤其是飼料中營養性微量元素的添加引發的畜產品安全問題及其對人畜健康的危害[3-4]，已經成為畜牧業健康可持續發展的瓶頸。為了提高畜禽生長效率、增強抗病能力，飼料生產企業和養殖場通常會在飼喂過程中添加一定量的微量元素添加劑，微量元素添加劑是畜禽糞便中重金屬的主要來源。各類添加劑均含有不同含量的重金屬，而動物對大部分重金屬的吸收程度有限，絕大部分重金屬會隨畜禽糞尿排出體外[5]。Nicholson 等[6]對英國境內的多種畜禽飼料和糞便樣品的重金屬含量測試結果表明，豬的不同生長階段飼料中Zn 和Cu 的含量范圍分別為150～2 920 mg·kg-1和18～217 mg·kg-1，而豬糞中Zn 和Cu 的平均含量分別為500 mg·kg-1和360 mg·kg-1。黃玉溢等[7]對廣西規模化豬場飼料和糞便中重金屬含量及其殘留特征的研究發現，Zn 和Cu 在豬配合飼料中的平均含量分別為238.2 mg·kg-1和159.4 mg·kg-1，而豬糞中的平均含量分別為1 330.2 mg·kg-1和828.0 mg·kg-1。豬糞中含量較高的重金屬主要為Cu 和Zn[8-9]，除此之外還含有As、Hg、Pb、Cr、Cd 等，這些重金屬隨糞肥施入土壤后，將造成土壤中重金屬元素積蓄、污染，從而對植物以及土壤微生物產生毒害作用，引起正常代謝紊亂，影響植物的生長發育，并且土壤中的重金屬隨降雨遷移至水體，亦將導致水體污染[10-12]。因此，本研究以天津市某豬場為例，開展豬糞中主要重金屬元素含量長期定位監測及其變化規律分析，為畜禽養殖場糞污無害化處理和肥料化利用提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 試驗監測點概況

本研究以天津市某豬場作為試驗監測點。該豬場主要從事種豬養殖，占地48 024 m2，建有標準化養殖豬舍32 棟，面積1.4 萬m2，生豬年存欄量約5 000頭，繁殖母豬約550 頭，年出欄量約10 000 頭（優質種豬約3 000 頭，育肥商品豬約7 000 頭）。豬舍地面為水泥地板，清糞方式為人工干清糞，糞便收集率超過95%，豬場糞便集中收集后售賣。

1.2 采樣方法

試驗期內糞便樣品采集點為豬舍外集糞池（鮮糞），監測周期為4年（2015年1月—2018年12月），每年春（4 月）、夏（7 月）、秋（10 月）、冬（12 月）四個季節采樣，每個季節連續采樣5 d。糞便樣品采集與保存按照《畜禽糞便監測技術規范》（GB/T 25169—2010）中的規定執行。

1.3 測定項目

糞便樣品的檢測指標包括Cu、Zn、As、Hg、Pb、Cr、Cd 7種重金屬。

1.4 樣品處理及檢測方法

糞便樣品中Cu、Zn 含量參照GB/T 17138—1997中規定的方法，Cr 含量參照HJ 491—2009 中規定的方法，Pb、Cd含量參照GB/T 17138—1997中規定的方法，采用TAS-990 原子吸收分光光度計測定；As、Hg含量參照GB/T 22105.2—2008 中規定的方法，采用SK-2003AZ非色散原子熒光光度計測定。

1.5 數據統計與分析

糞便樣品的每項指標測定均設定3 次平行，對3次平行數據取平均值作為檢測結果；再對5 d 數據取平均值作為當季最終檢測結果。采用SPSS 和Graphpad對糞便各項測定指標進行統計分析和作圖。

2 結果與討論

2.1 豬糞中的重金屬元素含量分析

圖1 豬糞中Zn含量年度季節變化Figure 1 Content of Zn in swine manure in different years and seasons

圖2 豬糞中Cu含量年度季節變化Figure 2 Content of Cu in swine manure in different years and seasons

試驗監測點豬糞中Cu、Zn、As、Hg、Pb、Cr、Cd等7種主要重金屬元素的平均含量如圖1～圖7 所示。由圖可知，豬場糞便中Zn 含量最高，其次是Cu 和Cr，Pb的含量較低，Cd、As 和Hg 的含量極低，甚至未檢出。Zn、Cu 和Cr 是豬糞中含量較高的3 種重金屬元素，它們在不同季節、不同年度的平均含量如圖1～圖3 所示。結果顯示：春季Zn、Cu 和Cr 的平均含量分別為（1 054.01±429.17）、（160.32±79.30）mg·kg-1和（40.87±31.47）mg·kg-1，夏季分別為（1 191.23±599.80）、（208.93±159.80）mg·kg-1和（155.99±162.91）mg·kg-1，秋季分別為（1 117.78±218.79）、（149.81±88.30）mg·kg-1和（31.14±15.59）mg·kg-1，冬季分別為（1 406.44±1 559.72）、（235.60±190.67）mg·kg-1和（107.04±95.86）mg·kg-1。Pb 在豬糞中的含量較低，Cd、As 和Hg 在豬糞中的含量極低，甚至未檢出，它們在不同季節、不同年度的平均含量如圖4～圖7 所示。結果顯示：春季Pb、Cd、As 和Hg 的平均含量分別為（5.177±4.750）、（0.280±0.284）、（0.390±0.385）mg·kg-1和（0.021±0.034）mg·kg-1，夏季分別為（7.745±8.869）、（0.326±0.263）、（0.202±0.222）mg·kg-1和（0.027±0.034）mg·kg-1，秋季分別為（3.396±2.630）、（1.838±2.591）、（0.200±0.211）mg·kg-1和（0.017±0.026）mg·kg-1，冬季分別為（1.737±0.556）、（1.378±1.887）、（0.199±0.312）mg·kg-1和（0.021±0.034）mg·kg-1。

圖3 豬糞中Cr含量年度季節變化Figure 3 Content of Cr in pig manure in different years and seasons

圖4 豬糞中Pb含量年度季節變化Figure 4 Content of Pb in swine manure in different years and seasons

圖5 豬糞中Cd含量年度季節變化Figure 5 Content of Cd in swine manure in different years and seasons

圖6 豬糞中As含量年度季節變化Figure 6 Content of As in swine manure in different years and seasons

圖7 豬糞中Hg含量年度季節變化Figure 7 Content of Hg in swine manure in different years and seasons

隨著我國規模化、集約化生豬養殖業的迅速發展，一些微量重金屬元素作為飼料添加劑也廣泛應用于生豬養殖業。我國豬飼料添加劑中普遍含有Cu、Zn、Cr 和As 等重金屬元素。朱建春等[13]對陜西省規模化豬場育肥豬飼料中重金屬元素的測定結果顯示，飼料中Cu 和Zn 的平均含量分別為185.56～368.75 mg·kg-1和392.26～906.25 mg·kg-1，Cr、As、Pb 和Cd 的平均含量分別為5.99～39.76、1.24～29.17、1.12～16.43 mg·kg-1和1.76～17.52 mg·kg-1；而豬糞中Cu和Zn的平均含量則分別為248.21～1 003.82 mg·kg-1和483.17～1 620.62 mg·kg-1，Cr、As、Pb 和Cd 的平均含量分別為10.32～63.79、0.93～28.37、2.55～14.88 mg·kg-1和1.71～16.64 mg·kg-1。潘尋等[14]對山東省規模化豬場不同生長階段配合飼料中重金屬含量的測定結果顯示，飼料中Zn、Cu、As、Cr、Pd 和Cd 的平均含量分別為179.6～2 724.4、87.3～188.5、18.9～31.2、7.5～13.5、2.9～3.4 mg·kg-1和0.7～1.3 mg·kg-1；豬糞中Zn、Cu、As、Cr、Pd 和Cd 的平均含量分別為（1 908.6±3 061.6）、（472.8±302.0）、（36.5±69.1）、（12.3±23.5）、（2.9±0.6）mg·kg-1和（0.9±0.2）mg·kg-1。王飛等[15]對華北地區豬飼料中重金屬含量的測定結果顯示，飼料中Zn、Cu、Cr、Pb、As、Cd 和Hg 的平均含量分別為（544.85±924.25）、（136.36±103.58）、（8.52±7.52）、（4.88±3.73）、（1.42±3.20）、（0.02±0.01）mg·kg-1和（0.01±0.00）mg·kg-1；豬糞中Zn、Cu、Cr、Pb、As、Cd 和Hg的平均含量分別為250.4～3 797.0、112.7～1 058.0、19.9～78.6、7.18～78.1、0.25～15.8、0.014～0.076 mg·kg-1和0.001～0.004 6 mg·kg-1。黃玉溢等[16]對廣西多個規模化養豬場的豬糞樣品進行檢測，結果發現：豬糞中Zn、Cu 和Cr 的平均含量分別為1 042.6、760.7 mg·kg-1和18.9 mg·kg-1。索超等[17]對北京多個區縣的集約化生豬養殖場的畜禽糞便樣品的檢測結果顯示：豬糞中Zn的平均含量為2 333.97 mg·kg-1，變化范圍為458.21～14 031.79 mg·kg-1。董占榮等[18]對杭州市郊規模化養殖場豬糞中重金屬含量測定結果顯示：豬糞中Zn和Cu的平均含量分別高達1 064.00 mg·kg-1和1 018.00 mg·kg-1。朱泉雯[19]調查分析了太湖流域西岸區域養豬場的糞便重金屬含量，結果顯示：豬糞中Zn、Cu和Cr的平均含量分別達6 455.46、1 082.47 mg·kg-1和199.61 mg·kg-1，豬糞中Pb、Cd和As的平均含量分別為421.24、28.34 mg·kg-1和42.46 mg·kg-1。本研究試驗豬場豬糞中主要重金屬含量與其研究結果相比，差異較大，這可能與地域、豬品種以及飼料配方等存在差異有關。由此可見，飼料重金屬含量是豬糞中重金屬的主要來源，豬糞中重金屬含量隨飼料中重金屬含量的變化而變化。飼料中微量重金屬元素的添加可預防動物疾病和促進動物生長，但由于動物對重金屬元素的吸收利用率低，添加在飼料中的重金屬在動物體內沉積量很少，絕大多數重金屬元素經動物排泄物排出體外，進而隨著糞肥施用在土壤中積蓄，使土壤中的重金屬含量大幅提升，對土壤、水體環境以及農產品質量安全造成危害。研究結果表明，豬糞中重金屬含量與飼料中重金屬含量之間總體呈正相關[20]，特別是在育肥階段飼料中Cu和Zn的含量與豬糞中Cu和Zn的含量呈極顯著正相關（P＜0.01），飼料中As的含量與糞便中As的含量呈正相關，但相關性不顯著（P＞0.05）；華北地區畜禽糞便與飼料中重金屬相關性分析結果顯示，畜禽糞便中重金屬Zn、Cu、Cd、Cr的含量與飼料中重金屬含量呈極顯著正相關（P＜0.01），Pb和As呈顯著正相關（P＜0.05）[15]。

2.2 豬糞中重金屬元素變化特征分析

豬糞中主要重金屬含量在不同年份、不同季節均表現出一定的差異性，這可能與豬的生長階段、飼料配比等因素有關。不同季節和不同年度豬糞中Zn、Cu 和Cr 含量差異性分析見表1～表3。結果顯示：Zn含量的年度差異在秋季最小、冬季最大，變異系數分別為19.6% 和110.9%，離散系數分別為0.144 和1.274；Cu 含量的年度差異在春季最小、冬季最大，變異系數分別為49.5% 和80.9%，離散系數分別為0.431 和0.752；Cr 含量的年度差異在秋季最小、夏季最大，變異系數分別為50.1%和104.4%，離散系數分別為0.380 和0.914。Zn 含量在2017 年冬季明顯偏高，表現出極大的季節差異性，變異系數為94.4%，離散系數為0.851；Cu 含量在2017 年夏季和冬季明顯高于春季和秋季，季節差異性較大，變異系數為77.5%，離散系數為0.696；Cr 含量在2015 年季節差異性最小，變異系數為45.8%，離散系數為0.280，而2016—2018 年則季節差異性較大，變異系數分別為87.6%、122.8%和125.1%，離散系數分別為0.870、1.250 和1.368。

表1 不同年度、季節豬糞中Zn含量對比（mg·kg-1）Table 1 Contents of Zn in different years and seasons of swine manure（mg·kg-1）

不同季節、不同年度豬糞中Pb、Cd、As 和Hg 含量差異性分析見表4～表7。結果顯示：豬糞中Pb 含量的年度差異在冬季最小、夏季最大，變異系數分別為32.0%和114.5%，離散系數分別為0.268 和1.299；Cd 含量的年度差異在春季和夏季明顯小于秋季和冬季，夏季最小、秋季最大，變異系數分別為80.8%和141.0%，離散系數分別為0.674 和2.111；As 和Hg含量的年度差異在不同季節均表現明顯，而在冬季差異最大，變異系數分別為157.0%和164.8%，離散系數分別為2.767 和3.364。Pb 含量在2016 年季節性差異最小，變異系數為44.4%，離散系數為0.354，2017 年和2018 年夏季含量明顯偏高，季節性差異較大，變異系數分別為129.9%和128.8%，離散系數分別為1.736 和1.718；Cd 含量在2016 年秋季和冬季明顯偏高，季節性差異較大，變異系數為101.7%，離散系數為0.932，2018 年季節性差異最小，變異系數為52.1%，離散系數為0.411；As 在2015 年僅在春季有檢出，而2017 年和2018 年明顯偏高；Hg 在2016年僅在春季未檢出，在2018 年則在四季均未檢出，而在2017 年春季和秋季以及2015 年夏季和冬季明顯偏高。

表2 不同年度、季節豬糞中Cu含量對比（mg·kg-1）Table 2 Contents of Cu in different years and seasons of swine manure（mg·kg-1）

表3 不同年度、季節豬糞中Cr含量對比（mg·kg-1）Table 3 Contents of Cr in different years and seasons of swine manure（mg·kg-1）

表4 不同年度、季節豬糞中Pb含量對比（mg·kg-1）Table 4 Contents of Pb in different years and seasons of swine manure（mg·kg-1）

表5 不同年度、季節豬糞中Cd含量對比（mg·kg-1）Table 5 Contents of Cd in different years and seasons of swine manure（mg·kg-1）

表6 不同年度、季節豬糞中As含量對比（mg·kg-1）Table 6 Contents of As in different years and seasons of swine manure（mg·kg-1）

表7 不同年度、季節豬糞中Hg含量對比（mg·kg-1）Table 7 Contents of Hg in different years and seasons of swine manure（mg·kg-1）

潘尋等[14]對山東省多家規模化豬場夏、冬兩季的糞便樣品進行檢測，結果發現：豬糞中Zn、Cu、As、Cr、Pb 和Cd 的平均含量夏季分別為（1 305.4±1 962.6）、（456.2±298.8）、（34.4±65.6）、（16.9±32.4）、（2.8±0.5）mg·kg-1和（0.8±0.1）mg·kg-1，冬季分別為（2 511.8±3 782.5）、（489.4±306.6）、（38.6±72.9）、（7.7±5.3）、（2.9±0.7）mg·kg-1和（1.0±0.2）mg·kg-1，Cu、As、Pb 的含量冬季和夏季差異不顯著（P＞0.05），Cd 的含量冬季顯著高于夏季（P＜0.05），Zn 的含量冬季明顯高于夏季，差異極顯著（P＜0.01），郭建鳳等[21]研究表明，Zn 作為飼料添加劑能有效降低豬腹瀉病的發病率，冬季氣溫較低，豬舍環境潮濕又寒冷，極易發生豬腹瀉病。因此，冬季豬場往往會增加飼料Zn 的添加量，造成冬季豬糞中Zn含量明顯增加，同時，Cd和Zn常常伴生存在，所以冬季和夏季Cd 和Zn 在豬糞中的含量差異呈現出相同的變化規律。夏季豬糞中Cr 的含量高于冬季，Cr 的含量夏季明顯高于冬季，差異極顯著（P＜0.01）。為防止夏季高溫影響豬的生長育肥和熱調節能力，夏季豬場通常會在飼料中補充一定量的含Cr添加劑，以緩解豬的高溫應激作用，提高豬的生長性能[22]。本研究所得結果與前人結論一致，但Pb 含量略高且存在較明顯的季節差異。本研究表明，豬糞中重金屬含量受季節、生長階段、飼料配比以及防病抗病等因素的影響。過量使用含重金屬添加劑的豬飼料，造成了豬糞中重金屬元素含量的蓄積，制約豬糞的資源化利用。為實現規模化豬場糞污安全、合理的資源化利用，需要從源頭嚴格控制飼料重金屬添加劑的種類和用量，同時開展豬糞中重金屬含量的長期定位監測，確保糞肥的農田安全利用。

3 結論

（1）Zn 和Cu 是豬糞中含量最高的兩種重金屬元素，平均含量分別為（1 192.371±153.33）、（188.67±40.53）mg·kg-1，這與飼料中營養性微量元素的添加有關，其次是Cr、Pb、Cd，平均含量分別為（83.76±58.79）、（4.51±2.57）、（0.98±0.75）mg·kg-1，As 和Hg 含量極低或未檢出，平均含量分別為（0.22±0.04）mg·kg-1和（0.021±0.004）mg·kg-1。

（2）豬糞中主要重金屬含量在不同年份、不同季節均表現出一定的差異性，這與豬的生長階段、飼料配比等因素有關。

（3）重金屬在豬的生長代謝過程中有逐漸被富集的趨勢，導致豬糞中的重金屬含量遠高于飼料中的重金屬含量，豬飼料中過量的重金屬添加劑導致豬糞中重金屬殘留量增加，帶來較高環境風險，制約糞便的資源化利用。因此，在豬糞作為有機肥施用到土壤的過程中，必須開展長期定位監測，實時掌握豬糞以及由豬糞制備成的有機肥中重金屬的含量，以降低有機肥施用過程中的環境風險。