畜禽养殖粪污还田对土壤和地下水的影响

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　　 [摘要]随着我国畜禽荞殖的规模化水平不断提高，较大量的养殖废弃物未得到有效处理和综合利用，逐渐成为农村环境治理的难题。畜禽粪污还田可提高农作物产量，还能提高土壤肥力，但养殖过程普遍使用兽用抗生素和重金属等添加剂，给生态环境带来较大的潜在风险。研究表明，畜禽养殖还田对土壤的影响主要存在氮、重金属和抗生素等累积风险，对地下水的影响主要是氮、抗生素等扩散风险。
　　 [关键词]畜禽养殖;土壤;地下水
　　 [中图分类号]X713
　　 [文献标识码]A
　　 近年来，我国农业产业化不断推进，大力发展规模化养殖，没有对产生的畜禽养殖废弃物进行有效综合利用处理，产生较大的环境治理问题。畜禽养殖产生的污染物主要有三类包括废水、粪渣和恶臭气体等。2017年我国畜禽养殖规模化率达到58%，全国养殖废弃物资源化利用率64%。2016年我国产生约38亿t的畜禽养殖废弃物，折合成纯养分为3200万t，生猪养殖产生的粪便量约占全国粪便总量的50.6%。目前畜禽粪便处理方式主要包括废弃、直接还田、生产沼气、出售和制造有机肥等形式，养殖废水处理方式主要有自然处理、工业化处理以及资源回用处理三种模式，其中资源回用处理是作为肥料进行还田回用。
　　 目前畜禽养殖中普遍使用重金属和兽用抗生素，用来预防、治疗疾病和促进生长。2015年我国兽用抗生素使用量超过10万t，超过全球使用量的50%以上。大部分的抗生素和重金属不能被猪吸收，通过粪便和尿液排出体外。规模化养殖场大量的畜禽粪便和废水集中排放，如果耕地承载量不足，引起农牧脱节的问题，过剩的养分在耕地中经淋沥下渗进入地下水或周边饮用，会造成水体环境的富营养化污染。畜禽粪便中的重金属、抗生素和有害病菌等污染物，随着灌溉还田进人土壤环境中，可能会降低农田土壤的健康功能，增加土壤环境风险。对畜禽养殖粪污有效处理后，进行灌溉和施肥，达到粪污处理与资源综合利用的目的，但也应考虑这种灌溉方式对生态环境的潜在风险。
　　1畜禽养殖粪污中污染物含量水平
　　 一般未处理畜禽养殖废水中化学需氧量、氨氮、五日生化需氧量和悬浮物等污染物浓度较高，还有大量的致病菌、重金属、残留抗生素等污染物。畜禽养殖场常规的污染物处理设备主要对悬浮物、化学需氧量、五日生化需氧量、总氮、总磷等污染物进行消减和控制，对重金属、抗生素等新型痕量难降解污染物的去除能力有限。
　　 1.1重金属含量水平
　　 畜禽养殖粪污中重金属含量在不同规模不同养殖模式下存在差异。对长沙地区各规模化养猪场的粪便样品、沼液样品研究表明，粪便中Fe、Mn含量普遍较高，平均含量达到3.04g/kg、610mg/kg，其他重金属含量较低，Cd含量为0.103～1.49mg/kg，Pb含量为0.73～15.6mg/kg，As含量为0.165～8.81mg/kg，Hg含量为0.006～0.149mg/kg，Cr含量为5.94～102mg/kg。沼液中Fe、Mn、Cu和Zn含量范围在0.09～265mg/kgo章杰等对比分析种养结合循环利用模式与传统养殖模式排放废水中的污染物含量水平，不同养殖模式下的调查数据表明，猪场废水中重金属污染主要为Zn和Cu，含量分别为1.70～9.25mg/L、4.23～5.78mg/L。雷慧宁选取浙江典型的生猪养殖场研究发现不同的处理系统重金属含量不同，冲栏水中Cu、Zn和Cd含量分别为1.23～1.69mg/L、2.46～6.20mg/L和0.00388～0.112mg/L，出水中三种元素的浓度分别为0.0333～1.04mg/L、0.134～3.93mg/L、0.00169～0.105mg/L。对珠江三角洲地区规模化养猪场调查表明，猪场废水As、Cr、b、Cd和Hg检出浓度平均值分别为53.3pgL、18.3ugL、6.99pug/L、1.29ug/L、0.21ug/L。对山东省20多家规模化猪场的猪粪和饲料样品进行检测，结果表明猪粪样品中Zn、Cu、As、Cr、Cd和Pb的平均含量分别为1909mg/kg、473mg/kg、36.5mg/kg、12.3mg/kg、0.9mgkg、2.9mg/kg、饲料样品中Zn、Cu和As的最大含量分别为2883mg/kg、212mg/kg、34.1mg/kg，超過国家标准规定最高添加量的17～35倍，饲料中的重金属是猪粪中重金属的主要来源。对陕西64家规模化养猪场研究发现，猪粪中以Cu和Zn含量最高，平均含量分为别79.0～1543mg/kg和68.7～3012mg/kg，饲料中Cr、Cu、Zn、As、Pb和Cd含量已经超过国家标准中的浓度限值，最高超标倍数分别为5.44、134、11.0、60.1、7.67和111。
　　 2.2抗生素含冰平
　　 对江苏、山东、上海、浙江等8个省畜禽养殖场的粪污抗生素残留水平开展调查，结果表明抗生素在猪粪中残留量最高，其中土霉素、环丙沙星、恩诺沙星、金霉素的最高含量分别达到59.1mg/kg、34.0mg/kg、33.3mg/kg、21.1mg/kgo对浙北规模化畜禽养殖场和一般农户家庭畜禽养殖点进行调查，结果表明猪粪中四环素残留量平均为4.37mgAg，最高16.8mg/kg，鸡粪中四环素残留量平均为2.18mg/kg，最高8.36mgAg，牛粪中四环素残留量平均为1.07mg/kg，最高5.81mg/kgo江苏20多家典型畜禽养殖场废水共检测出10种抗生素，磺胺类抗生素检出率达到50%以上。天津典型畜禽养殖废水中共检出40多种抗生素，养猪场废水中抗生素的浓度明显高于奶牛场废水，粪污中残留的抗生素种类在不同养殖场之间也存在较大差异。上海某养猪场沼气池进水中检出10多种磺胺类和B-内酰胺类抗生素，总量约为99.2～339Hg/L，同时检测养猪场的贮存塘出水，检测出磺胺类和B-内酰胺类这两大类抗生素总量约为19.1～21.1ng/L。 　　 3畜禽养殖粪污还田灌溉对土壤的影响
　　 3.1对土壤理化指标的影响
　　 浙江绍兴选择养殖污水不同灌溉年限的蔬菜地调查研究发现长期养殖污水灌溉明显提高蔬菜地表层土壤（0～20cm）pH有机C、全N、全P、氨氮、硝酸盐、有效P和有效K的含量。王韶华等对北京生态高效养殖园区的养猪场废水处理后灌溉研究表明，0～100cm土壤样品中与清水灌区相比，全氨、硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮等含量均显著增加。Daniel等对美国南部的耕地土壤肥力进行研究，调查结果表明长期使用脂禽粪便的耕地土壤中氮和磷含量要比对照的土壤含量高4～5倍。国外学者对加拿大及新西兰的耕地进行研究，发现长期施用畜禽粪便的耕地土壤累积现象分明显。
　　3.2对土壤重金属含的影响
　　 对贵阳长期养殖废水灌溉的蔬菜地土壤进行调查研究，与对照比，污灌土壤Cd含量呈积累趋势，平均含量0.56mg/kg，可还原态重金属含量普遍升高，可还原态Cd从5.56%增加至57.2%。章明奎等研究表明长期畜禽养殖污水灌溉明显增加了表层土壤（0～20cm）中Cu、Zn和Cd的积累，灌溉12年和23年后土壤中积累的Cu和Zn含量明显高于对照，Cu含量分别增加8.08ing/kg、17.8mg/kg，Zn含量分别增加17.8mg/kg、46.9mg/kgo王韶华等开展猪场再生水灌溉与清水灌区比较研究，发现在0～100cm土壤中存在Cd、Cu、As、Zn和Ni含量显著增加的情况。有研究发现养殖污水灌溉引人的金属在土壤中有向下迁移的趋势，养殖废水灌溉能明显增加土壤表层Cu、As和Zn的含量，Cu主要在土壤表层积累，As在土壤中下层积累较多，As存在随着土壤淋失向下层迁移的趋势。Shi等发现猪粪施用量与土壤中的Zn和Cu含量存在显著正相关的关系，随着含Cd猪粪的长期施用会引起土壤耕层Cd累积并向下迁移。黄洽平研究了施用规模化猪场猪粪不同年限的农田土壤重金属全量和有效态含量变化，结果表明，长期污灌猪场废水和施用猪场粪污主要增加土壤Zn、Cu、Mn的总量，土壤重金属有效态含量明显增加，数据统计分析表明，Zn、Cu、Mn和As主要来源为猪场废水，Cd主要来源为猪场废水和化肥，Pb主要来源为化肥。
　　 3.3對土壤抗生素含的影响
　　 对浙北地区施用畜禽粪肥的农田土壤中四环素类抗生素残留状况调查表明，规模化养殖场的畜禽粪便抗生素含量远高于散养型的粪便中抗生素含量。施用畜禽粪肥的农田表层土壤中土霉素、金霉素和四环素的检出率范围为88%～93%，其平均残留量分别为对照的38倍、12倍和13倍，结果表明农田土壤抗生素的主要来源是畜禽粪肥。刘艳萍等对贵阳长期养殖废水灌溉蔬菜地土壤进行调查研究，污灌土壤中四环素类、磺胺类和喹诺酮类抗生素含量明显增加，含量分别为0.14～15.8ug^kg、0.26～8.03ugKkg、0.31～32.8ug/kg。
　　 3.4对土壤生物指标的影响
　　 对浙江地区养殖污水不同灌溉年限的蔬菜地研究表明，长期养殖废水灌溉明显增加了土壤酶的活性，随着灌溉年限的增加增幅增大，与对照相比，灌溉4、12和23年后，土壤中脲酶活性分别增加了16%、29%和37%;蛋白酶活性分别增加了20%、55%和97%;酸性磷酸酶活性分别增加了15%、41%和58%;纤维素分解酶活性增加了67%、103%和91%;脱氢酶活性增加了20%、28%和24%。污水灌溉土壤酶活性增幅最大的为蛋白酶和纤维素分解酶，原因分析可能是污水灌溉给土壤带人了大量的有机氮、有机磷和有机物质，激发了土壤微生物分泌土壤酶。殷勤等研究表明施用猪粪水后的士壤鞘氨醇菌属、壁菌门的显著增加，表明施用猪粪水使土壤环境变得复杂，为了适应复杂的生存环境，微生物被动的改变了自身的多样性，增加了自身对土壤胁迫的抵抗能力。
　　 4畜禽养殖粪污还田灌溉对地下水的影响
　　 4.1对地下水化学指标的影响
　　 硝态氮是影响地下水水质的一个重要指标。相关研究表明农村地下饮用水硝酸盐超标的主要因素之一是畜牧业养殖污染，对河北40多年污灌地区地下水硝酸盐含量开展监测，硝酸盐污染的主要来源是灌溉水中的氮。示踪解析石家庄市地下水中硝酸盐来源，表明主要化肥、动物粪便的施用和污染物质在迁移过程中硝化一反硝化作用是主要来源。耕地土壤中的氮素，在灌溉水和降雨的作用下，大部分以可溶性的硝态氮、亚硝态氮和铵态氨进人土壤下层甚至进人浅层地下水。未经处理的猪场废水有机磷含高，很难被农作物有效吸收，长期灌溉后会出现过量磷向下层土壤淋溶的现象，引起周围水体和浅层地下水的污染风险。研究发现养殖废水经过处理后盐基离子浓度依然很高，经过这类污水灌溉后，土壤会吸附较多的Na*释放原有的Cat，随土壤淋溶液下渗进人地下水，造成地下水酸碱性、含盐量的改变。
　　4.2对地下水重金属含的影响
　　 畜禽粪便中含有大量有机质，施入土壤后会增加土壤中有机质尤其是可溶性有机碳的含量，重金属与可溶性有机碳易与形成可溶性的金属络合物，通过淋失而污染地下水。相关研究表明可溶性重金属浓度与施用牛粪粪浆的土壤中可溶性有机碳成正相关，这些可溶性金属络合物可能会通过淋溶作用而使地下水的质量受到破坏。施用含高浓度重金属的畜禽粪便会增加重金属在土壤中的淋溶，进行农业灌溉或经雨水淋洗，土壤中的重金属极易进入地下水，造成水环境污染。
　　4.3对地下水中抗生素含的影响
　　 养殖污水中的有机污染物在进人环境后将发生一系列的生物、化学和物理作用，部分污染物发生降解或转化，部分物质结构稳定不易降解长期存在环境中。李晓华等在猪场及周边村镇采集地下水样进行抗生素残留检查，检出率为78%，检出的抗生素有诺氟沙星、金霉素、环丙沙星、恩诺沙星和土霉素等，含量范围在0.22～222ug/L之间，在京津冀地区选取了9个相对独立养殖场，周边无农田、无污染源和其它养殖场，解析猪场污水与周边地下水间的关联，结果表明确实存在部分生猪养殖场粪污抗生素扩散至周边地下饮用水中的情况，喹诺酮类和四环素是残留最多的抗生素。长期低浓度抗生素有可能对水体中微生物群落产生影响，并通过食物链的传递作用影响高级生物而破坏生态系统平衡。 　　 4.4对地下水生物學指标的影响
　　 畜禽养殖废弃物中含有大量的病原微生物，包括原生动物、病毒和细菌，这些对于土壤和水域环境都是一种潜在的污染源。顾静等对北京市某区畜禽养殖区外围地下水检测，发现总大肠菌群、菌落总数都有一定程度超标，总大肠菌群超标较严重，菌落总数超标0.8倍。
　　 5结语
　　 针对国内养殖业抗生素和重金属等存在不规范使用、过度使用和滥用的现象，急需制定法规政策进行管制，积极推进减量化添加和科学使用，减少饲料中有毒有害或容易富集的添加剂使用。畜禽养殖粪污还田灌溉对土壤和地下水的影响可能是一个不易察觉长期的过程，需要开展持续的跟踪监测评估，才能探明畜禽养殖粪污还田对生态环境系统存在的潜在性风险。以往的研究重点在于氮、磷、钾等大量元素对环境的影响，今后应更加关注重金属、抗生素和激素等对水体、土壤和农作物的潜在环境风险，需要深人开展对不同畜禽养殖粪污处理模式、灌溉方式对土壤和地下水环境的影响研究，为畜禽养殖粪污的资源化利用和生态环境保护提供技术支撑。
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