珠三角畜禽養殖場周邊地表水污染特征及環境質量分析

宋磊 ，毛航球 ，李文英，高繡紡，歐俊，李倩

1. 廣東省農業科學院農業資源與環境研究所，廣東 廣州 510640；2. 長江大學資源與環境學院，湖北 武漢 430100

伴隨農業結構調整和產業規模發展壯大，由農業面源污染引起的地表水污染愈發嚴重，已成為地表水體污染的重要來源，極大制約著社會經濟的可持續發展（Wu et al.，2017；吳一鳴等，2012）。畜禽養殖污染作為農業面源污染的主要來源之一，已成為當前的關注熱點。據《第二次全國污染普查公報》顯示，畜禽養殖業主要水污染排放量中：化學需氧量1000.53×104t，總氮 59.63×104t，總磷 11.97×104t，是造成地表水體污染的重要因素之一（中華人民共和國生態環境部等，2020）。因此，分析研究畜禽養殖過程中的污染特征及環境質量，對于實現生態環境的可持續發展十分重要。近年來，畜禽養殖場周邊環境的調查研究引起了廣泛的關注，但大多數研究主要集中于畜禽養殖場廢水、周邊土壤和農作物中重金屬（奚功芳等，2014；楊潞等，2018；姜萍等，2010）或抗生素（姜冰等，2018；魏瑞成等，2010）殘留水平的研究，對于畜禽場周邊水環境污染的研究報道較少。珠三角地區作為中國重要的經濟中心，受到有效消納養殖污染農田面積的限制，規模化畜禽養殖快速發展的同時逐步脫離傳統種植業，大量集中排放的廢棄物無法完全消納（楊媛媛等，2012；陳瑤等，2014），其流失所造成的面源污染嚴重的破壞了當地的水生態環境。為摸清珠三角地區養殖場周邊地表水的污染情況，本研究以珠三角地區（廣州、東莞、惠州、肇慶和佛山）18個畜禽養殖區域周邊地表水為研究對象，通過調查珠三角地區畜禽養殖場周邊地表水中13項指標的污染情況，據此研究其污染特征并對其環境質量進行分析，為珠三角地區畜禽養殖業及生態環境的可持續發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 樣品來源

樣品均來自于畜禽養殖場周邊地表水體，養殖類型主要包括生豬、奶牛和鴨，其中生豬養殖場采用水沖糞進行糞污清理，畜禽糞尿固液分離后經厭氧發酵產生沼液用于農田施用，奶牛場和養鴨場采用干清糞處理糞污，畜禽糞便收集后堆肥處理，殘余糞便、尿液經厭氧發酵后回田利用。

1.2 樣品采集與保存

2018年3—5月期間選擇珠三角地區廣州、東莞、惠州、肇慶和佛山5市18個具有代表性的養殖區域進行水樣的采集，位點設置如圖1所示。以養殖場為中心，選取周邊的水塘、溝渠采集表層水樣（水下50 cm），同一區域內采集4—6個平行樣，現場混勻為1個樣品，共計采集水樣30個，采樣時盡量避開污染源及水產養殖區域，以減小誤差。采樣用聚乙烯塑料瓶預先使用稀鹽酸浸泡 24 h并用去離子水沖洗干凈后烘干，樣品采集完成后進行密封編號，帶回實驗室于24 h內完成水質測定。

1.3 水質指標及分析方法

考慮到水樣來源的特殊性和資源化利用的可能性，本次評價以地表水環境質量標準（V類）（國家環境保護總局等，2002）為基準，綜合畜禽養殖業污染物排放標準（國家環境保護總局等，2001）和農田灌溉水質標準（旱作）（中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局等，2005）建立了各污染指標的綜合評價標準，選取其中8項常規水質指標和 5項重金屬指標進行測定，主要包括：氨氮（NH3-N）、總磷（TP）、化學需氧量（CODCr）、五日生化需氧量（BOD5）、全鹽量（TS）、懸浮物（SS）、糞大腸菌群（FC）、酸堿度（pH）及重金屬（砷As、鎘Cd、六價鉻Cr、汞Hg、鉛Pb），各指標測定方法（國家環境保護總局，2002）及來源見表1所示。

1.4 評價方法

目前常見的水質評價方法主要有單因子污染指數法、綜合污染指數法和分級評價法等。本研究采用《GB/T 19525.2—2004畜禽場環境質量評價準則》（中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局等，2004）中的指數法對養殖場周邊地表水進行環境質量評價，評價過程中以預警級（Ii，P=1）作為綜合標準進行比對分析，該方法基于各污染物的單因子指數和綜合污染指數，綜合考慮畜禽廢棄物對周邊地區水環境可能產生的影響，能夠更全面的反映畜禽場場周邊地表水的污染狀況。此外，本研究還利用相關性分析和主成分分析法對地表中的各污染指標進行了分析，對地表水中各污染物的來源進行簡要的解析。

1.4.1 畜禽場環境質量評價

畜禽場環境質量評價按指數法確定環境質量級數，其計算公式如下：

式中，Ii為某污染物的單項污染指數；Ci為環境污染物的實測濃度；Csi為污染物的環境標準濃度限值；Imax為各項污染物中最大污染指數；n為參加評價污染指標的項目數；P為綜合污染指數。根據計算所得的Ii和P值的大小，參照表2劃分環境質量等級（中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局等，2004）。

圖1 采樣點位分布圖Fig. 1 Study area and sampling locations

表1 水質指標測定方法及標準限值Table 1 Determination methods of water-quality index and the related standard limits

表2 環境質量評價指數及分級標準Table 2 Environmental quality assessment index and classification standard

1.4.2 相關性分析與主成分分析

采用Pearson相關系數衡量各指標間的相關程度，同時利用主成分分析對多項水質指標降維提取主要指標，該指標能夠客觀、準確的反映水質的污染程度，實現對污染源的解析（蔡金傍等，2007；盛周君等，2007；Ouyang，2005），已廣泛應用于環境領域。

1.5 數據統計方法

本文數據經初步處理后，利用Excel 2016對相關結果進行圖表繪制，同時利用IBM SPSS 20.0對相關數據進行多元分析。

2 結果與分析

2.1 畜禽養殖場周邊地表水污染指標統計特征

畜禽養殖場周邊地表水中污染指標統計特征如表 3所示。從表中可以看出，常規污染指標：NH3-N、TP、CODCr、BOD5、TS、SS、FC、pH 的平均值分別為6.31、2.83、247.57、27.57、703.53、244.07 mg·L-1、6.28×106indiv.·L-1和 6.96，與綜合標準相比，僅pH和TS未超標，其他各項污染指標的最大濃度和平均濃度均遠遠超出了綜合標準限值。其中又以FC、TP、CODCr和NH3-N的污染最為嚴重，平均濃度分別超出綜合標準限值的 628、7.08、6.19、3.16倍。此外，根據各采樣點樣品數據統計可知，NH3-N、TP、CODCr、BOD5和FC的最高濃度值均出現于東莞地區，而TS和SS的最高濃度值出現于惠州地區。重金屬污染指標：As、Cd、Cr、Hg、Pb的平均濃度分別為1.67、0.89、49.52、0.58、6.61 μg·L-1，均低于標準限值，Cr和 Hg 的平均濃度雖低于綜合標準限值，但其最大濃度分別超過綜合標準限值的4.24倍和3.15倍。

畜禽養殖場周邊地表水中NH3-N、TP、CODCr、BOD5、TS、SS、FC、pH、As、Cd、Cr、Hg、Pb的變異系數分別為 148.97%、152.30%、59.41%、94.02%、244.44%、86.88%、490.45%、4.02%、65.87%、111.24%、200.22%、131.03%和91.23%，其大小排列順序為：FC＞TS＞Cr＞TP＞NH3-N＞Hg＞Cd＞BOD5＞Pb＞SS＞As＞COD＞pH，除 pH 外變異系數均超過50%，屬于高等程度以上變異，表明地表水中各污染物的濃度變化幅度均比較大，受到外界的干擾比較顯著。

表3 珠三角畜禽養殖場周邊地表水污染指標統計特征Table 3 Statistical characteristics of pollution index in surface water around Livestock and Poultry Farms

2.2 畜禽養殖場周邊地表水污染物來源分析

2.2.1 相關性分析

地表水中不同污染因子間Pearson相關性分析結果如表 4所示。NH3-N、TP、CODCr、BOD5和Cr之間呈極顯著相關性，其中NH3-N和TP之間相關系數最高，這說明它們之間關系密切，可能具有相似的來源。TS和其他各污染因子間均無顯著相關性。SS和Cr有極顯著相關關系，初步推測Cr的來源可能與水體中的懸浮物質有關。pH僅和 BOD5呈顯著相關性，相關系數為0.412，而BOD5和SS間又存在極顯著相關關系，說明水體中pH、SS和BOD5之間存在因果關系。重金屬元素中，Cr與其他重金屬元素均無顯著相關性，而As、Cd、Hg和Pb之間呈顯著或極顯著相關關系，初步表明 As、Cd、Hg和Pb來源可能相同，Cr來源與其他重金屬元素不同。

2.2.2 主成分分析

利用主成分分析法對地表水中各污染指標進行分析，為使得到的每個主成分意義更加明確，采用最大方差法進行旋轉，按照特征值大于1原則提取主成分。結果如表5所示，提取的4個主成分對樣本的累積貢獻率達到了79.687%。其中，NH3-N、TP、CODCr、BOD5、FC和Cr在第一主成分上載荷較大，載荷值分別為0.785、0.861、0.773、0.713、0.951和0.743，方差貢獻率為32.319%，反映了養殖場周邊地表水中營養鹽、有機污染物、糞大腸菌群和六價鉻的污染比較嚴重，故可推測主成分1主要是和周邊畜禽養殖生產活動污染有關。As、Cd、Hg和Pb在第二主成分上載荷較大，載荷值分別為0.522、0.828、0.901和 0.820，方差貢獻率為23.000%，主要反映了養殖場周邊地表水中重金屬污染水平。分析重金屬指標統計數據發現，養殖場周邊地表水體中As、Cd、Hg和Pb的含量均比較低，其平均值均遠低于地表水環境質量標準，同時相關性分析表明這幾種重金屬之間可能具有同一來源。據此推測這些重金屬元素可能與土壤侵蝕或流失有關，主要代表了環境背景值（解瑩等，2012）。SS和pH在第三主成分上載荷較大，載荷值為0.870和0.647，方差貢獻率為14.914%，主要代表了水體理化特性。TS在第四主成分上載荷較大，載荷值為0.939，方差貢獻率為 9.453%，主要反映了地表水體中鹽類物質污染水平，其濃度明顯低于標準限值，推測可能與底泥中鹽分的釋放有關。

表4 地表水體污染指標的Pearson相關矩陣Table 4 Pearson correlation matrix of the pollution index in surface water

表5 主成分載荷矩陣Table 5 Principal component loading matrix

2.3 畜禽養殖場周邊地表水環境質量分析

研究區域內各項污染指標的單項污染指數情況如圖2所示。從單項污染指數的評價結果來看，珠三角畜禽養殖場周邊地表水的 13項污染指標中有7項為理想級和良好級（TS、pH、As、Cd、Cr、Hg和Pb），2項為污染級（BOD5和SS），4項為重污染級（NH3-N、TP、CODCr和FC），其按大小排列為：FC＞TP＞CODCr＞NH3-N＞BOD5＞SS＞pH＞TS＞Hg＞Cr＞Cd＞Pb＞As，主要污染因子為 FC、TP、CODCr和 NH3-N，單項污染指數分別為 628、7.08、6.19和3.16，屬于重污染級別。此外，雖然地表水中各重金屬的污染指數都相對較低，但仍有個別超標現象，從長遠角度出發，考慮到環境中重金屬的遷移作用和累積效應，畜禽養殖場周邊地表水中的重金屬仍具有一定的環境風險。

珠三角各研究區域的綜合污染指數情況如圖 3所示。分析綜合污染指數評價結果可知，珠三角地區畜禽養殖場周邊地表水整體污染情況不容樂觀，綜合污染指數為 3.86（重污染級），各研究區域內的綜合污染指數表現出一定程度的差異性，其中肇慶和惠州地區情況較為良好，而廣州、佛山和東莞地區情況相對較差，綜合污染指數分別為 1.03、2.02、3.09、4.87和6.01，均在預警級以上。

3 討論

圖2 畜禽養殖場周邊地表水單項污染指數Fig. 2 Single pollution index of surface water around livestock and poultry farm

圖3 畜禽養殖場周邊地表水綜合污染指數Fig. 3 Comprehensive pollution index of surface water around livestock and poultry farm

地表水各污染因子中，除pH、TS和重金屬外，其他污染指標的平均含量均遠高于綜合標準限值，總體達到了重污染級，其中FC、TP、CODCr和NH3-N超標嚴重，所引起的污染最為嚴重，這一結果與畜禽養殖場廢水中的主要污染因子高度一致（李文英等，2013；曾悅等，2010），說明畜禽養殖場廢水在經過一系列的凈化處理后，其污染物濃度雖有明顯的下降，但許多污染指標仍無法達到相應的標準，排入環境后會造成嚴重的二次污染。NH3-N、TP、CODCr、BOD5和FC等最大污染濃度出現于東莞地區，而TS和SS主要出現于惠州地區，且各污染因子均表現出了高度的變異性。根據采樣點的分布情況及養殖情況可知，相對于惠州地區的規模化養殖，東莞地區的畜禽養殖相對分散且規模較小，在養殖類型上也存在著一定差異，這可能是造成以上現象的主要原因。規模化的養殖場一般擁有較為完整的生產線和配套的廢棄物處理設施，廢水經過集中處理后排放，而未形成規模化的養殖場往往無法具備相應條件，廢水不達標排放對周邊水體造成了嚴重污染（宣夢等，2018；葉紅玉等，2015）。重金屬指標中除Cr和Hg的最大濃度略微超標外，整體含量均低于標準限值。畜禽養殖過程中所產生的重金屬主要來源于飼料，一般情況下會富集于畜禽糞便中，而Hg和Cr作為分流作用較強的污染因子，部分會分流于廢水中，這可能是造成畜禽養殖場周邊地表水中Hg和Cr的最大濃度出現超標的因素之一（吳建敏等，2009）。

污染物來源分析結果顯示，Cr的來源與水中懸浮物質有關，而已有研究證明水體中的懸浮物表面積比較大，容易吸附重金屬，而水體環境改變后會重新析出，隨著水體中懸浮物沉降幅度的變化，Cr的遷移積累過程也發生相應變化（辛成林等，2015；杜佳等，2019）。NH3-N、TP、CODCr、BOD5、FC和 Cr在第一主成分上載荷較大，主要代表畜禽養殖活動所造成周邊環境的污染。研究表明，地表水中NH3-N、TP、CODCr、BOD5和高濃度的FC污染可能與多方面因素有關，主要是畜禽養殖廢棄物的排放和農業中化肥的使用造成的（Wilbers et al.，2014）。此外，畜禽飼料中鉻元素的添加使養殖廢水具有潛在的鉻污染風險，而畜禽對鉻的低吸收率和高排泄率往往會造成畜禽糞便中鉻的超標，經糞水的分流后是造成養殖場周邊地表水體中鉻污染的重要來源（王愛娜等，2005）。

環境質量分析表明，在畜禽養殖場的影響下，其周邊地表水環境會受到不同程度的污染，尤其是以FC、TP、CODCr和NH3-N的污染最為嚴重。若用于農田灌溉，其中所含大量的氮、磷等營養元素雖是很好的養分來源，但其中過量的糞大腸菌群對生態環境及人體健康會產生直接威脅，且所含微量重金屬在長期積累下也具有一定風險；若擴散至江河流域，其中所含大量的營養元素和有機污染物極易造成水體的富營養化，造成水生生物死亡，破壞水生態環境。

綜上所述，畜禽養殖場周邊地表水已受到不同程度污染，從污染評價角度來看，屬于劣V類水質，長期暴露于畜禽場周邊環境中極易造成水質惡化。針對珠三角畜禽養殖場周邊地表水污染現狀，可結合養殖場現有模式及周邊流域特征，充分考慮各類污染物的生物可利用性，在畜禽場到地表水體的過渡帶建立小型人工濕地進行攔蓄，實現污染物資源化利用的同時，有效防控畜禽養殖引起地表水體污染（高春芳等，2011；王韶華等，2007），達到人為活動與自然生態的和諧共處。

4 結論

（1）珠三角畜禽養殖場周邊地表水中NH3-N、TP、CODCr、BOD5、SS和 FC的平均濃度和最大濃度均高于綜合標準限值。重金屬指標中僅 Cr和Hg的最大濃度部分超標，需警惕重金屬長期積累所產生的風險。

（2）相關性分析與主成分分析表明，地表水中NH3-N、TP、CODCr、BOD5、FC和Cr反映了畜禽養殖活動對周邊地表水水質的影響，As、Cd、Hg和Pb與區域環境背景值有關，SS和pH代表了地表水體的理化性質，TS主要與底泥中鹽分的釋放有關。

（3）環境質量表明，珠三角畜禽養殖場周邊地表水污染情況較為嚴重，綜合污染指數為 3.86，各研究區域綜合污染指數均在預警級以上，主要污染因子為FC、TP、CODCr和NH3-N。基于以上情況，需針對畜禽養殖廢水中主要污染指標進行深度處理和設施防控，實現綠色種養與生態環保的共贏局面。