華東地區(qū)典型畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)重金屬產(chǎn)污系數(shù)研究

錢(qián)曉雍，王振旗，沈根祥，趙慶節(jié)，徐 昶，付 侃，湯正澤

（上海市環(huán)境科學(xué)研究院，上海 200233）

近年來(lái)，我國(guó)畜牧業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，規(guī)?；B(yǎng)殖水平顯著提高，保障了肉蛋奶供給，但大量養(yǎng)殖廢棄物沒(méi)有得到有效處理利用，成為農(nóng)村環(huán)境治理的一大難題[1]。“十二五”期間，規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場(chǎng)首次納入全國(guó)主要水污染物總量減排范圍，畜禽糞污資源化農(nóng)業(yè)利用是主要鼓勵(lì)模式[2]。2017年，國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于加快推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用的意見(jiàn)》，要求加快推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，開(kāi)啟了全國(guó)范圍內(nèi)全面推進(jìn)畜禽糞污資源化利用的帷幕[3]。畜禽糞污中豐富的有機(jī)質(zhì)、氮、磷等養(yǎng)分在被作物利用的同時(shí)，集約化、規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖過(guò)程中廣泛應(yīng)用于飼料添加劑的重金屬元素（如銅、鋅、砷等）以及飼料帶有的重金屬元素（如鉛、鉻等），大部分未被畜禽利用而隨畜禽糞便有機(jī)肥進(jìn)入農(nóng)田土壤，長(zhǎng)期施用會(huì)造成農(nóng)田土壤重金屬累積問(wèn)題[4]。但是，目前畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)體系主要側(cè)重于化學(xué)需氧量（COD）、氨氮、總氮、總磷等常規(guī)水污染物，對(duì)銅、鋅、砷、鉻等重金屬的污染問(wèn)題尚未重點(diǎn)關(guān)注[5-6]。目前國(guó)內(nèi)已有的畜禽糞污重金屬相關(guān)研究報(bào)道也更多地側(cè)重于銅、鋅兩種重金屬元素的產(chǎn)污系數(shù)，且基本采用單個(gè)品種進(jìn)行定位監(jiān)測(cè)的試驗(yàn)方法，未對(duì)其他重金屬元素進(jìn)行系統(tǒng)研究，也未系統(tǒng)考慮單個(gè)畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)總體產(chǎn)污的實(shí)際情況[7-12]；國(guó)外也有美國(guó)、日本、丹麥等國(guó)制定了畜禽養(yǎng)殖業(yè)相關(guān)產(chǎn)排污系數(shù)體系，涉及個(gè)別重金屬的產(chǎn)污系數(shù)[13-15]。因此，在當(dāng)前國(guó)內(nèi)大力推廣畜禽糞污資源化農(nóng)業(yè)利用的形勢(shì)下，有必要對(duì)畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)糞污重金屬總體產(chǎn)生狀況進(jìn)行系統(tǒng)研究，以更好地保護(hù)農(nóng)田土壤生態(tài)環(huán)境。

本研究以華東地區(qū)不同畜禽種類(lèi)的典型規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)為研究對(duì)象，選擇砷、汞、鉻、鎘、鉛、銅、鋅、錳等8種重金屬作為監(jiān)測(cè)指標(biāo)，研究了不同季節(jié)畜禽糞污重金屬產(chǎn)生規(guī)律，探索了典型畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)重金屬產(chǎn)污系數(shù)，為農(nóng)業(yè)污染源調(diào)查監(jiān)測(cè)、畜禽糞污資源化安全利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象

本研究選擇了上海地區(qū)生豬、奶牛、蛋雞3個(gè)典型規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)作為研究對(duì)象，其養(yǎng)殖品種比例具有一定的代表性[16-18]。其中，生豬場(chǎng)年出欄肉豬約15 000頭，存欄母豬約800頭，采用干清糞工藝，固體糞好氧堆肥生產(chǎn)有機(jī)肥，污水厭氧發(fā)酵后還田利用；奶牛場(chǎng)存欄奶牛約1400頭，包含泌乳牛900頭、育成牛300頭、犢牛200頭，采用干清糞工藝，固體糞厭氧發(fā)酵后生產(chǎn)有機(jī)肥，污水厭氧發(fā)酵后還田利用；蛋雞場(chǎng)存欄蛋雞約50 000羽，包括育雛育成雞15 000羽、產(chǎn)蛋雞35 000羽，采用干清糞工藝，糞便好氧堆肥生產(chǎn)有機(jī)肥。此外，上海地區(qū)春夏秋冬四季大致時(shí)間分別為3月—5月、6月—8月、9月—11月、12月—次年2月。典型規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)基本情況見(jiàn)表1。

1.2 采樣方法

考慮到不同季節(jié)動(dòng)物的飼養(yǎng)條件和飼料不同，在春夏秋冬四個(gè)季節(jié)連續(xù)3 d對(duì)典型畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)糞便和污水的產(chǎn)生量進(jìn)行計(jì)量，并對(duì)其重金屬含量進(jìn)行采樣監(jiān)測(cè)。固體糞在堆糞場(chǎng)采集5個(gè)點(diǎn)位充分混合，用四分法取2.0 kg左右，當(dāng)日送往檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)定；污水在進(jìn)入污水厭氧池前采集5個(gè)樣品充分混合，取2.0 L左右，當(dāng)日送往檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)定。

1.3 分析方法

固體糞中砷、汞采用原子熒光法測(cè)定，鉻、銅、鋅采用火焰原子吸收分光光度法測(cè)定，鎘、鉛采用石墨爐原子吸收分光光度法測(cè)定，錳采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定；污水中砷、鉻、鎘、鉛、銅、鋅、錳采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定，汞采用原子熒光法測(cè)定。

1.4 產(chǎn)污系數(shù)計(jì)算方法

畜禽養(yǎng)殖業(yè)COD、氨氮等污染物的產(chǎn)污系數(shù)，是指在典型的正常生產(chǎn)和管理?xiàng)l件下，一定時(shí)間內(nèi)單個(gè)畜禽所產(chǎn)生的原始污染物量?？紤]到畜禽的產(chǎn)污系數(shù)與動(dòng)物品種、飼養(yǎng)階段、飼料特性等相關(guān)，為了便于計(jì)量典型畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)重金屬產(chǎn)污系數(shù)，本文以天為單位，針對(duì)在各類(lèi)飼養(yǎng)階段畜禽比例、飼料類(lèi)型、養(yǎng)殖模式、清糞方式等方面都具有代表性的養(yǎng)殖場(chǎng)，分別計(jì)算不同動(dòng)物（生豬、奶牛、蛋雞）單個(gè)畜禽（存欄）的重金屬產(chǎn)污系數(shù)，而不計(jì)算同一個(gè)畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)中不同飼養(yǎng)階段的產(chǎn)污系數(shù)。具體計(jì)算公式如下：

表1 典型規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場(chǎng)養(yǎng)殖量基本情況Table 1 Basic information of typical livestock and poultry farms

式中：Pi為每頭（羽）畜禽的重金屬i產(chǎn)污系數(shù)，mg·d-1；QS為每頭（羽）固體糞產(chǎn)生量，kg·d-1；CSi為固體糞中重金屬i的含量，mg·kg-1；QL為每頭（羽）污水產(chǎn)生量，L·d-1；CLi為污水中重金屬i的含量，mg·L-1。

1.5 數(shù)據(jù)分析方法

采用Excel 2016和SPSS20.0軟件包進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同季節(jié)典型畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)固體糞產(chǎn)生量及重金屬含量

各類(lèi)典型畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)不同季節(jié)固體糞產(chǎn)生量及重金屬含量測(cè)定結(jié)果如表2所示。生豬場(chǎng)固體糞四季平均產(chǎn)生量為1.82 kg·d-1·頭-1，砷、汞、鉻、鎘、鉛、銅、鋅、錳8種重金屬平均含量分別為2.10、0.010、49.8、0.21、5.75、508、857、584 mg·kg-1；奶牛場(chǎng)固體糞四季平均產(chǎn)生量為 21.1 kg·d-1·頭-1，砷、汞、鉻、鎘、鉛、銅、鋅、錳8種重金屬平均含量分別為10.5、0.079、12.6、0.18、2.82、34.3、206、147 mg·kg-1；蛋雞場(chǎng)固體糞四季平均產(chǎn)生量為0.162 kg·d-1·羽-1，砷、汞、鉻、鎘、鉛、銅、鋅、錳8種重金屬平均含量分別為1.18、0.017、29.6、0.41、4.58、55.5、444、588 mg·kg-1。

從不同季節(jié)固體糞重金屬含量分析，生豬場(chǎng)固體糞砷、汞、鉻、鋅含量冬季最高、夏季最低，鎘含量秋季最高、夏季最低，鉛、錳含量冬季最高、春季最低，銅含量冬季最高、秋季最低；奶牛場(chǎng)固體糞砷、鎘含量冬季最高、夏季最低，汞含量春季最高、夏季最低，鉻、鉛、鋅含量秋季最高、夏季最低，銅含量秋季最高、冬季最低，錳含量秋季最高、春季最低；蛋雞場(chǎng)固體糞砷、鎘含量冬季最高、秋季最低，汞含量春季最高、冬季最低，鉻含量秋季最高、夏季最低，鉛含量冬季最高、夏季最低，銅、鋅、錳含量秋季最高、春季最低。

從不同畜禽固體糞重金屬含量分析，固體糞砷含量奶牛場(chǎng)顯著高于生豬場(chǎng)（P＜0.05），生豬場(chǎng)又顯著高于蛋雞場(chǎng)（P＜0.05）；固體糞鎘含量蛋雞場(chǎng)顯著高于生豬場(chǎng)（P＜0.05），生豬場(chǎng)又顯著高于奶牛場(chǎng)（P＜0.05）；固體糞銅含量生豬場(chǎng)顯著高于奶牛場(chǎng)和蛋雞場(chǎng)（P＜0.05）；固體糞鋅含量生豬場(chǎng)顯著高于蛋雞場(chǎng)（P＜0.05），蛋雞場(chǎng)又顯著高于奶牛場(chǎng)（P＜0.05）；固體糞中其余重金屬含量無(wú)顯著差異（P＞0.05）。

2.2 不同季節(jié)典型畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)污水產(chǎn)生量及重金屬含量

各類(lèi)典型畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)不同季節(jié)污水產(chǎn)生量及重金屬含量測(cè)定結(jié)果如表3所示（蛋雞場(chǎng)基本無(wú)污水產(chǎn)生，不計(jì)量）。生豬場(chǎng)污水四季平均產(chǎn)生量為4.78 L·d-1·頭-1，砷、汞、鉻、鎘、鉛、銅、鋅、錳8種重金屬平均含量分別為49.3、ND、36.2、ND、3.50、23.2、164、26.8 μg·L-1；奶牛場(chǎng)污水四季平均產(chǎn)生量為25.9 L·d-1·頭-1，砷、汞、鉻、鎘、鉛、銅、鋅、錳8種重金屬平均含量分別為67.8、ND、25.4、ND、4.80、14.2、56.7、39.8 μg·L-1。

表2 不同季節(jié)典型畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)固體糞產(chǎn)生量及重金屬含量Table 2 Production amount and heavy metal content of animal solid manure from typical livestock and poultry farms in different seasons

從不同季節(jié)污水中重金屬含量分析，生豬場(chǎng)污水砷、鉛、銅含量冬季最高、夏季最低，鉻含量冬季最高、秋季最低，鋅、錳含量四季基本穩(wěn)定；奶牛場(chǎng)污水砷含量冬季最高、秋季最低，鉻、銅含量春季最高、夏季最低，鉛含量春季最高、冬季最低，鋅含量春季最高、秋季最低，錳含量春季最高、冬季最低。

從不同畜禽污水中重金屬含量分析，污水銅、鋅含量生豬場(chǎng)顯著高于奶牛場(chǎng)（P＜0.05）；其余重金屬含量無(wú)顯著差異（P＞0.05）。

2.3 不同季節(jié)典型畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)重金屬產(chǎn)污系數(shù)

通過(guò)4個(gè)季節(jié)的測(cè)定，按照產(chǎn)污系數(shù)計(jì)算公式，獲得的平均結(jié)果如表4所示。從表中可以看出，生豬場(chǎng)砷、汞、鉻、鎘、鉛、銅、鋅、錳8種重金屬平均產(chǎn)污系數(shù)分別為 1.28、0.005、23.8、0.11、2.74、243、416、277 mg·d-1·頭-1；奶牛場(chǎng)砷、汞、鉻、鎘、鉛、銅、鋅、錳8種重金屬平均產(chǎn)污系數(shù)分別為 40.6、0.28、51.6、0.63、10.62、127、786、735 mg·d-1·頭-1；蛋雞場(chǎng)砷、汞、鉻、鎘、鉛、銅、鋅、錳8種重金屬平均產(chǎn)污系數(shù)分別為0.046、0.000 6、1.11、0.016、0.18、2.00、16.1、21.0 mg·d-1·羽-1。從結(jié)果分析，生豬場(chǎng)、奶牛場(chǎng)重金屬產(chǎn)污系數(shù)總體為秋冬季相對(duì)較高、春夏季相對(duì)較低；蛋雞場(chǎng)重金屬產(chǎn)污系數(shù)為冬春季相對(duì)較高、夏秋季相對(duì)較低。

3 討論

本文通過(guò)對(duì)華東地區(qū)生豬、奶牛、蛋雞典型規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)糞污重金屬產(chǎn)生情況的測(cè)算，提出基于生豬、奶牛、蛋雞養(yǎng)殖過(guò)程中不同階段畜禽品種常規(guī)性比例以及糞污收集和處理利用代表性工藝的典型畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)重金屬產(chǎn)污系數(shù)。生豬場(chǎng)銅、鋅產(chǎn)污系數(shù)總體略高于董紅敏等[7]、汪開(kāi)英等[8]、何志平等[9]按照華北、華東、西南地區(qū)生豬原始糞便和尿液測(cè)算的產(chǎn)污系數(shù)，可能與不同區(qū)域生豬養(yǎng)殖方式和攝入飼料種類(lèi)差異有關(guān)，也可能與生豬養(yǎng)殖過(guò)程中消毒、清洗等其他投入品使用有關(guān)；奶牛場(chǎng)銅、鋅產(chǎn)污系數(shù)總體與欒冬梅等[10]按照東北地區(qū)奶牛原始糞便和尿液測(cè)算的產(chǎn)污系數(shù)相當(dāng)，略低于張振偉等[11-12]按照西北地區(qū)育成牛和泌乳牛原始糞便和尿液測(cè)算的產(chǎn)污系數(shù)，可能與不同區(qū)域奶牛養(yǎng)殖方式和攝入飼料種類(lèi)差異有關(guān)。國(guó)內(nèi)缺乏砷、汞、鎘、鉻、鉛、錳產(chǎn)污系數(shù)相關(guān)系統(tǒng)研究資料，但與采用美國(guó)農(nóng)業(yè)生物工程師學(xué)會(huì)（ASABE）動(dòng)物糞便產(chǎn)生和特性參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)[13]進(jìn)行測(cè)算的結(jié)果相比，生豬、奶牛和蛋雞鎘、鉛產(chǎn)污系數(shù)低于A(yíng)SABE的系數(shù)，生豬銅、鋅、錳產(chǎn)污系數(shù)高于A(yíng)SABE的系數(shù)，奶牛、蛋雞銅、鋅、錳產(chǎn)污系數(shù)總體與ASABE系數(shù)相當(dāng)。

表3 不同季節(jié)典型畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)污水產(chǎn)生量及重金屬含量Table 3 Production amount and heavy metal content of animal liquid manure fromtypical livestock and poultry farms in different seasons

表4 典型畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)單位畜禽重金屬產(chǎn)污系數(shù)Table 4 Pollutant generation coefficient of heavy metals of typical livestock and poultry farms

本文以生豬、奶牛、蛋雞的單個(gè)畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)為整體進(jìn)行考慮，雖然無(wú)法獲得畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)不同階段畜禽品種的重金屬產(chǎn)污系數(shù)，但通過(guò)對(duì)整個(gè)畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)糞污重金屬產(chǎn)生狀況的系統(tǒng)研究，囊括了畜禽養(yǎng)殖生產(chǎn)和廢棄物處理過(guò)程中非來(lái)源于畜禽糞污的重金屬帶入情況以及糞污收集狀況，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合不同階段畜禽品種重金屬產(chǎn)生情況的相關(guān)研究，可以更加系統(tǒng)、完整地掌握不同類(lèi)型畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)重金屬的產(chǎn)生情況，為畜禽養(yǎng)殖業(yè)投入品的綜合管控和畜禽糞污資源化利用的風(fēng)險(xiǎn)防控提供基礎(chǔ)依據(jù)。

但是，由于本文研究過(guò)程是基于畜禽養(yǎng)殖過(guò)程中不同階段畜禽品種常規(guī)性比例以及糞污收集和處理代表性工藝，而各類(lèi)畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)實(shí)際養(yǎng)殖比例、糞污收集和處理利用工藝千差萬(wàn)別，同時(shí)本文僅采集了4個(gè)季度中個(gè)別天數(shù)的畜禽糞污進(jìn)行監(jiān)測(cè)，尚未針對(duì)畜禽生長(zhǎng)過(guò)程中不同時(shí)期含重金屬飼料攝入情況進(jìn)行針對(duì)性采樣監(jiān)測(cè)，后續(xù)應(yīng)考慮對(duì)不同養(yǎng)殖比例、不同糞污收集和處理工藝、不同飼料投入方式的畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)開(kāi)展重金屬產(chǎn)污系數(shù)研究，從而更好地完善畜禽養(yǎng)殖業(yè)重金屬產(chǎn)污系數(shù)體系。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)華東地區(qū)生豬、奶牛、蛋雞典型養(yǎng)殖場(chǎng)四季糞污產(chǎn)生量及其重金屬含量的測(cè)定，獲得了典型畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)的重金屬產(chǎn)污系數(shù)：生豬場(chǎng)砷、汞、鉻、鎘、鉛、銅、鋅、錳產(chǎn)污系數(shù)分別為1.28、0.005、23.8、0.11、2.74、243、416、277 mg·d-1·頭-1；奶牛場(chǎng)砷、汞、鉻、鎘、鉛、銅、鋅、錳產(chǎn)污系數(shù)分別為40.6、0.28、51.6、0.63、10.62、127、786、735 mg·d-1·頭-1；蛋雞場(chǎng)砷、汞、鉻、鎘、鉛、銅、鋅、錳產(chǎn)污系數(shù)分別為 0.046、0.000 6、1.11、0.016、0.18、2.00、16.1、21.0 mg·d-1·羽-1。

（2）研究采用的產(chǎn)污系數(shù)主要針對(duì)各類(lèi)畜禽養(yǎng)殖過(guò)程中不同階段畜禽品種常規(guī)性比例以及糞污收集和處理利用代表性工藝，可以為畜禽糞污資源化利用中重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)管控提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，后續(xù)可通過(guò)進(jìn)一步研究繼續(xù)完善畜禽養(yǎng)殖業(yè)重金屬產(chǎn)污系數(shù)體系。