山东省畜禽粪便农用的重金属污染风险评价

来源:用户上传      作者:范丽霞　王磊　杨发斌　张丙春　陈璐　梁京芸　苑学霞　董燕婕　赵善仓

　　 摘要：为了解山东省畜禽粪便的重金属污染情况及其农用存在的生态风险，采集山东省内牛、猪、鸡的粪便样品作为研究对象，采用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）和汞分析仪对样品中8种重金属含量进行分析，并用内梅罗综合污染指数评价其农用潜在的生态风险。结果表明，牛粪达到重金属中度污染水平，猪粪和鸡粪达到重污染水平;牛粪农用存在轻微生态危害，鸡粪和猪粪农用存在中等生态危害。
　　关键词：畜禽粪便;重金属污染;风险评价;山东省
　　中图分类号：S141：X712（252） 文献标识号：A 文章编号：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
　　
　　现代集约化和大规模养殖业中，为了满足动物对矿物质的需求，促进畜禽生长、提高产量，矿物添加剂被广泛添加于动物饲料中[1]。但由于饲料中矿物添加剂的纯度较低，在为畜禽提供生长发育必不可少的矿质元素（如铁、锰、铜、锌、铬、钴）的同时，一些非必需微量元素（如铅、镉、砷、汞等）也随之进入畜禽体内[2，3]。而且，饲料中的矿质元素只有少量被畜禽吸收，大多数则以粪便的形式排出[4]，如猪对铜和锌的吸收率仅为10%～20%，未被利用的重金属累积在粪便中[5-7]。
　　畜禽粪便是含有大量有机质、有用微生物和植物所需养分（如无机营养素氮、磷、钾等）的重要资源[8]，畜禽粪便回田可以增加土壤有机质含量，改善土壤理化性状，并可以减少化肥施用量，有利于促进农业可持续发展[9，10]。然而，粪肥的施用也会造成潜在的环境问题[11]，如有毒重金属通过粪肥被引入农田，增加了经农作物吸收等途径最终进入人体的可能性，威胁人类健康。
　　畜禽粪便中重金属的形态与其化学性质及粪便的特性有关，而粪便的特性又与饲料和粪便的处理方式有关[12]。堆肥处理虽然能够在一定程度上和一定时期内降低重金属的移动性和生物有效性，但不能从本质上消除重金属的潜在危害[13，14]。重金属元素不像有机污染物能被土壤中的微生物降解，它们将长期滞留在土壤中，导致其在土壤中的含量不断增加，从而带来风險隐患[15]。当土壤中的重金属含量超出土壤的承受限度，或土壤环境条件发生变化时，重金属就有可能活化，引起严重的生态危害，被称为“化学定时炸弹”[16]。畜禽粪便中的重金属已经引起公众对畜禽粪便农用造成土壤和农产品安全潜在风险的担忧[17，18]。因此，本研究针对山东省畜禽粪便的重金属污染情况进行调查，并对其农用的生态风险进行综合评价。
　　1 材料与方法
　　1.1 仪器与试剂
　　iCAP Q电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS），美国Thermofisher Scientific公司产品;Mars5微波消解仪，美国CEM公司产品;RA 915汞分析仪产品，俄罗斯Lumex公司产品;1 000 μg/L Pb、Cr、Ni、As、Cd、Cu、Zn、Hg、Au、Bi、In、Sc、Ge标准溶液，购自国家有色金属及电子材料分析测试中心。
　　1.2 样品的采集与制备
　　在山东省内规模化畜禽养殖场随机采集牛粪（14份）、猪粪（10份）、鸡粪（37份）样品共计61份，每份样品不少于500 g。样品经干燥研磨，过100目尼龙筛后保存备用。
　　1.3 样品的前处理
　　准确称取0.3 g 粪便样品置于微波消解罐中，加入硝酸5 mL、盐酸0.5 mL、过氧化氢1 mL，放入微波消解仪。微波消解条件：300 W功率，5 min内匀速升温至120℃，保持2 min;然后600 W功率，5 min内匀速升温至160℃，保持3 min;再以1 200 W功率，10℃/min升温至180℃，保持15 min。至消解完全后，冷却，转移定容至50 mL容量瓶中，混匀待测。 　　1.4 样品分析
　　采用ICP-MS测定样品中Pb、Cr、Ni、As、Cd、Cu、Zn含量，采用快速测汞仪直接测定粪便样品中的Hg含量。
　　1.5 重金属污染及风险评价
　　1.5.1 污染评价采用单因子污染指数法（Pi）和内梅罗综合污染指数法（P综）[19，20]对源于畜禽粪便的重金属进行污染评价，计算公式如下：
　　式中：Pi为样品中i元素的污染指数，Ci为重金属i的实测浓度（mg·kg-1），Si为当地土壤中i元素的背景值。Pi max为重金属i的最大污染指数，Pi mean为重金属i的平均污染指数。
　　单因子污染指数和内梅罗综合污染指数均按表1标准进行分级。
　　1.5.2 潜在生态风险评价 采用Hakanson潜在生态风险指数（RI）[21，22]对畜禽粪便农用的重金属潜在生态风险进行评价。该法能反映出不同重金属对某一区域的影响，同时可以综合反映多种重金属的影响。计算公式如下：
　　式中：Eir为重金属i的潜在生态风险系数，Tir为重金属i的毒性响应因子（Pb、Cd、Cr、As、Hg、Ni、Cu、Zn分别为5、30、2、10、40、5、1、5），Cif为重金属i的污染系数，Cin为重金属i的测定值，Ci0为当地重金属i的背景值，RI为综合潜在生态风险指数。潜在生态风险危害评价指标见表2。
　　1.6 数据分析
　　采用SPSS 22.0软件进行数据分析，采用@RISK7.5软件进行风险评估分析。
　　2 结果与分析
　　2.1 畜禽粪便中重金属污染情况
　　牛粪、猪粪、鸡粪样品中重金属含量如表3所示。三种粪便中的Zn含量最高，其次为Cu和Cr;Cd、Hg含量最低，均不超过0.5 mg·kg-1。牛粪中Cr含量高于猪粪和鸡粪;猪粪中的Cu、Zn、Cd含量尤其Cu、Zn含量，明显高于牛粪和鸡粪;鸡粪中Pb、Ni、As含量高于牛粪和猪粪，牛粪和鸡粪中的Hg含量略高于猪粪。
　　2.2 污染评价
　　根据污染指数分级标准，畜禽粪便农用的重金属污染指数如表4所示，牛粪、猪粪、鸡粪农用的Pb、Cr、Ni、As污染等级均为安全;猪粪中的Hg达到警戒值;牛粪和鸡粪农用的Hg和Cd为轻污染;牛粪的Cu、猪粪的Cd为中污染;猪粪和鸡粪中的Cu、三种粪便中的Zn均达到重污染。从总体污染水平来看，牛粪达到中污染水平，猪粪和鸡粪达到重污染水平。三种畜禽粪便中的单项污染指数均为Zn>Cu>Cd>Hg>Cr>Ni>As>Pb。说明粪便农用污染最为突出的重金属是Zn和Cu，其次为Cd和Hg，Pb、Cr、Ni、As的污染水平较低。
　　2.3 潜在生态风险评价
　　根据潜在生态风险指数（图1），牛粪、猪粪、鸡粪农用的Pb、Cr、Ni、As污染水平均属于轻微生态风险，Cd为中等生态风险;猪粪的Cu、Zn分别属于强和中等生态风险，而牛粪和鸡粪的Cu、Zn属于轻度生态风险;但牛粪和鸡粪农用的Hg为中等生态风险，而猪粪的Hg为轻微生态风险;牛粪农用的潜在风险指数Cd>Hg>Cu>Zn>As>Cr>Ni>Pb，豬粪农用的潜在风险指数Cu>Cd>Zn>Hg>As>Ni>Cr> Pb，鸡粪农用的潜在风险指数Cd>Hg>Cu>Zn>As>Ni>Cr>Pb。综合潜在生态风险评价结果表明，牛粪农用存在轻微生态危害，而鸡粪和猪粪农用存在中等生态危害。
　　3 讨论
　　虽然我国畜禽业已经朝着规模化、集约化发展，部分规模化养殖场也通过堆肥等方式处理畜禽粪便，但综合利用率仍然不高，仅为60%，畜禽粪便仍然是重金属等农业污染的重要来源[23]。畜禽粪便中所含重金属等污染物在还田后进入土壤可能会影响农田土壤健康功能，带来生态环境风险，并成为威胁农产品质量安全的影响因素之一[24]。作为没有草原的畜牧大省，山东省畜牧养殖业发达，畜禽粪便带来的重金属污染不可避免，因此，对畜禽粪便农用带来的重金属污染进行风险预警十分必要[25]。
　　不同地区不同类型畜禽粪便中重金属含量差异较大，由于条件有限，本研究抽样量较少，但仍代表了山东省畜禽粪便中重金属含量的一般水平，研究结果同其他报道类似[26]，即猪粪中Cu、Zn、Cd含量高于鸡粪和牛粪。国家标准《畜禽粪便还田技术规范》（GB/T 25246—2010）中规定：制作肥料的畜禽粪便中As、Cu、Zn的最大极限值分别为50、800、3 400 mg·kg-1。据此可以看出，猪粪中的Cu、Zn及鸡粪中的Cu均有超标现象;结合污染指数和潜在生态风险评价结果，猪粪的污染水平最高，其次为鸡粪，牛粪最轻，这也与其他学者的研究结果一致[26，27]。
　　4 结论
　　本研究结果表明，山东省三种畜禽粪便中的Cd、Hg含量均较低，但污染水平较高，牛粪和鸡粪中均达到轻污染程度，而猪粪中分别达到警戒和中污染程度;三种畜禽粪便中均为Zn、Cu含量最高，且达到中或重污染程度。综合评价畜禽粪便农用的重金属总体污染和潜在生态风险，牛粪农用带来的重金属污染相对较轻，鸡粪居中，猪粪农用的重金属污染风险较大。
　　参 考 文 献：
　　[1] 苏杨. 我国集约化畜禽养殖场污染问题研究[J]. 中国生态农业学报， 2006， 14（2）： 15-18.
　　[2] Nies D H. Microbial heavy-metal resistance [J]. Applied Microbiology & Biotechnology， 1999， 51（6）： 730-750. 　　[3] Hill G M， Cromwell G L， Crenshaw T D，et al. Growth promotion effects and plasma changes from feeding high dietary concentrations of zinc and copper to weanling pigs （regional study）[J].Journal of Animal Science， 2000， 78（4）： 1010-1016.
　　[4] Cang L， Wang Y J， Zhou D M， et al. Heavy metals pollution in poultry and livestock feeds and manures under intensive farming in Jiangsu Province， China[J]. Journal of Environmental Sciences， 2004， 16（3）： 371-374.
　　[5] Ciraj A M， Mohammed M， Bhat K G， et al. Copper resistance & its correlation to multiple drug resistance in Salmonella typhi isolates from south Karnataka[J].Indian Journal of Medical Research， 1999， 110（110）：181.
　　[6] Ito T， Katayama Y， Asada K， et al. Structural comparison of three types of staphylococcal cassette chromosome mec integrated in the chromosome in methicillin-resistant Staphylococcus aureus [J]. Antimicrob. Agents Chemother.， 2001， 45（5）： 1323-1336.
　　[7] Zhou Y， Xu Y B， Xu J X， et al. Combined toxic effects of heavy metals and antibiotics on a Pseudomonas fluorescens strain ZY2 isolated from swine wastewater[J]. International Journal of Molecular Sciences， 2015， 16（2）： 2839-2850.
　　[8] Kumar D R R， Park B J， Cho J Y. Application and environmental risks of livestock manure [J].Journal of the Korean Society for Applied Biological Chemistry， 2013， 56（4）： 497-503.
　　[9] Dao T. Mineralizable phosphorus， nitrogen， and carbon relationships in dairy manure at various carbon-to-phosphorus ratios [J].Bioresource Technology， 2010， 101（10）： 3567-3574.
　　[10]翟晓松， 胡海生， 宋亚红. 泗阳县林地资源综合开发利用现状及发展对策[J]. 现代农业科技， 2013（2）： 197-198.
　　[11]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.
　　[12]沈秀麗， 杨增玲， 韩鲁佳. 畜禽粪便引发的重金属污染的研究现状[C]//中国农业工程学会2011年学术年会论文集.2011.
　　[13]侯月卿， 沈玉君， 刘树庆. 我国畜禽粪便重金属污染现状及其钝化措施研究进展[J]. 中国农业科技导报， 2014， 16（3）： 112-118.
　　[14]韩志英， 丁颖， 朱军， 等. 畜禽养殖废弃物主要有害成分及其控制技术研究进展[J]. 科技通报， 2008， 24（4）： 559-564.
　　[15]Ogiyama S， Sakamoto K， Suzuki H， et al. Accumulation of zinc and copper in an arable field after animal manure application[J].Soil Science & Plant Nutrition， 2005， 51（6）：801-808.
　　[16]任玉琴， 黄娟， 饶凤琴， 等. 浙江省重点地区猪粪中重金属含量及安全施用评估[J]. 植物营养与肥料学报， 2018， 24（3）： 703-711.
　　[17]陈秋会， 席运官， 张弛， 等. 有机与常规养殖生猪粪便重金属污染特征与农用风险评价[J]. 环境污染与防治， 2019， 41（3）： 351-356.
　　[18]庞妍， 唐希望， 吉普辉， 等. 关中平原畜禽粪便重金属农用风险估算[J]. 中国环境科学， 2015， 35（12）：3824-3832.
　　[19]覃丽霞. 养殖源有机肥的重金属污染及环境风险评价研究[D]. 南京：南京农业大学， 2014.
　　[20]黄会前， 何腾兵， 李阳， 等. 长期施用猪粪土壤的重金属含量及风险评价[J]. 西南农业学报， 2018， 31（4）： 824-829.
　　[21]徐争启， 倪师军， 庹先国， 等. 潜在生态危害指数法评价中重金属毒性系数计算[J]. 环境科学与技术， 2008， 31（2）： 112-115.
　　[22]李彩丹， 何成芳， 闫晓明， 等. 滁州市养猪场粪污中重金属残留及风险评价[J]. 浙江农业科学， 2017， 58（12）： 2125-2128，2134.
　　[23]王建才， 朱荣生， 王怀中， 等. 畜禽粪便重金属污染现状及生物钝化研究进展[J]. 山东农业科学， 2018， 50（10）： 162-167.
　　[24]孔祥才， 王桂霞. 我国畜牧业污染治理政策及实施效果评价[J]. 西北农林科技大学学报（社会科学版）， 2017， 17（6）： 75-80.
　　[25]王成贤， 石德智， 沈超峰， 等. 畜禽粪便污染负荷及风险评估——以杭州市为例[J]. 环境科学学报， 2011， 31（11）： 2562-2569.
　　[26]贾武霞， 文炯， 许望龙， 等. 我国部分城市畜禽粪便中重金属含量及形态分布[J]. 农业环境科学学报， 2016， 35（4）： 764-773.
　　[27]潘寻， 韩哲， 贲伟伟. 山东规模化猪场猪粪及配合饲料中重金属含量研究[J]. 农业环境科学学报， 2013， 32（1）： 160-165.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-15264408.htm