畜禽養殖糞污還田對土壤和地下水的影響

洪欣 盧秋 姚蘇芝 張文捷

[摘要]隨著我國畜禽蕎殖的規模化水平不斷提高，較大量的養殖廢棄物未得到有效處理和綜合利用，逐漸成為農村環境治理的難題。畜禽糞污還田可提高農作物產量，還能提高土壤肥力，但養殖過程普遍使用獸用抗生素和重金屬等添加劑，給生態環境帶來較大的潛在風險。研究表明，畜禽養殖還田對土壤的影響主要存在氮、重金屬和抗生素等累積風險，對地下水的影響主要是氮、抗生素等擴散風險。

[關鍵詞]畜禽養殖;土壤;地下水

[中圖分類號]X713

[文獻標識碼]A

近年來，我國農業產業化不斷推進，大力發展規模化養殖，沒有對產生的畜禽養殖廢棄物進行有效綜合利用處理，產生較大的環境治理問題。畜禽養殖產生的污染物主要有三類包括廢水、糞渣和惡臭氣體等。2017年我國畜禽養殖規模化率達到58%，全國養殖廢棄物資源化利用率64%。2016年我國產生約38億t的畜禽養殖廢棄物，折合成純養分為3200萬t，生豬養殖產生的糞便量約占全國糞便總量的50.6%。目前畜禽糞便處理方式主要包括廢棄、直接還田、生產沼氣、出售和制造有機肥等形式，養殖廢水處理方式主要有自然處理、工業化處理以及資源回用處理三種模式，其中資源回用處理是作為肥料進行還田回用。

目前畜禽養殖中普遍使用重金屬和獸用抗生素，用來預防、治療疾病和促進生長。2015年我國獸用抗生素使用量超過10萬t，超過全球使用量的50%以上。大部分的抗生素和重金屬不能被豬吸收，通過糞便和尿液排出體外。規模化養殖場大量的畜禽糞便和廢水集中排放，如果耕地承載量不足，引起農牧脫節的問題，過剩的養分在耕地中經淋瀝下滲進入地下水或周邊飲用，會造成水體環境的富營養化污染。畜禽糞便中的重金屬、抗生素和有害病菌等污染物，隨著灌溉還田進人土壤環境中，可能會降低農田土壤的健康功能，增加土壤環境風險。對畜禽養殖糞污有效處理后，進行灌溉和施肥，達到糞污處理與資源綜合利用的目的，但也應考慮這種灌溉方式對生態環境的潛在風險。

1畜禽養殖糞污中污染物含量水平

一般未處理畜禽養殖廢水中化學需氧量、氨氮、五日生化需氧量和懸浮物等污染物濃度較高，還有大量的致病菌、重金屬、殘留抗生素等污染物。畜禽養殖場常規的污染物處理設備主要對懸浮物、化學需氧量、五日生化需氧量、總氮、總磷等污染物進行消減和控制，對重金屬、抗生素等新型痕量難降解污染物的去除能力有限。

1.1重金屬含量水平

畜禽養殖糞污中重金屬含量在不同規模不同養殖模式下存在差異。對長沙地區各規模化養豬場的糞便樣品、沼液樣品研究表明，糞便中Fe、Mn含量普遍較高，平均含量達到3.04g/kg、610mg/kg，其他重金屬含量較低，Cd含量為0.103～1.49mg/kg，Pb含量為0.73～15.6mg/kg，As含量為0.165～8.81mg/kg，Hg含量為0.006～0.149mg/kg，Cr含量為5.94～102mg/kg。沼液中Fe、Mn、Cu和Zn含量范圍在0.09～265mg/kgo章杰等對比分析種養結合循環利用模式與傳統養殖模式排放廢水中的污染物含量水平，不同養殖模式下的調查數據表明，豬場廢水中重金屬污染主要為Zn和Cu，含量分別為1.70～9.25mg/L、4.23～5.78mg/L。雷慧寧選取浙江典型的生豬養殖場研究發現不同的處理系統重金屬含量不同，沖欄水中Cu、Zn和Cd含量分別為1.23～1.69mg/L、2.46～6.20mg/L和0.00388～0.112mg/L，出水中三種元素的濃度分別為0.0333～1.04mg/L、0.134～3.93mg/L、0.00169～0.105mg/L。對珠江三角洲地區規模化養豬場調查表明，豬場廢水As、Cr、b、Cd和Hg檢出濃度平均值分別為53.3pgL、18.3ugL、6.99pug/L、1.29ug/L、0.21ug/L。對山東省20多家規模化豬場的豬糞和飼料樣品進行檢測，結果表明豬糞樣品中Zn、Cu、As、Cr、Cd和Pb的平均含量分別為1909mg/kg、473mg/kg、36.5mg/kg、12.3mg/kg、0.9mgkg、2.9mg/kg、飼料樣品中Zn、Cu和As的最大含量分別為2883mg/kg、212mg/kg、34.1mg/kg，超過國家標準規定最高添加量的17～35倍，飼料中的重金屬是豬糞中重金屬的主要來源。對陜西64家規模化養豬場研究發現，豬糞中以Cu和Zn含量最高，平均含量分為別79.0～1543mg/kg和68.7～3012mg/kg，飼料中Cr、Cu、Zn、As、Pb和Cd含量已經超過國家標準中的濃度限值，最高超標倍數分別為5.44、134、11.0、60.1、7.67和111。

2.2抗生素含冰平

對江蘇、山東、上海、浙江等8個省畜禽養殖場的糞污抗生素殘留水平開展調查，結果表明抗生素在豬糞中殘留量最高，其中土霉素、環丙沙星、恩諾沙星、金霉素的最高含量分別達到59.1mg/kg、34.0mg/kg、33.3mg/kg、21.1mg/kgo對浙北規模化畜禽養殖場和一般農戶家庭畜禽養殖點進行調查，結果表明豬糞中四環素殘留量平均為4.37mgAg，最高16.8mg/kg，雞糞中四環素殘留量平均為2.18mg/kg，最高8.36mgAg，牛糞中四環素殘留量平均為1.07mg/kg，最高5.81mg/kgo江蘇20多家典型畜禽養殖場廢水共檢測出10種抗生素，磺胺類抗生素檢出率達到50%以上。天津典型畜禽養殖廢水中共檢出40多種抗生素，養豬場廢水中抗生素的濃度明顯高于奶牛場廢水，糞污中殘留的抗生素種類在不同養殖場之間也存在較大差異。上海某養豬場沼氣池進水中檢出10多種磺胺類和B-內酰胺類抗生素，總量約為99.2～339Hg/L，同時檢測養豬場的貯存塘出水，檢測出磺胺類和B-內酰胺類這兩大類抗生素總量約為19.1～21.1ng/L。

3畜禽養殖糞污還田灌溉對土壤的影響

3.1對土壤理化指標的影響

浙江紹興選擇養殖污水不同灌溉年限的蔬菜地調查研究發現長期養殖污水灌溉明顯提高蔬菜地表層土壤（0～20cm）pH有機C、全N、全P、氨氮、硝酸鹽、有效P和有效K的含量。王韶華等對北京生態高效養殖園區的養豬場廢水處理后灌溉研究表明，0～100cm土壤樣品中與清水灌區相比，全氨、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮等含量均顯著增加。Daniel等對美國南部的耕地土壤肥力進行研究，調查結果表明長期使用脂禽糞便的耕地土壤中氮和磷含量要比對照的土壤含量高4～5倍。國外學者對加拿大及新西蘭的耕地進行研究，發現長期施用畜禽糞便的耕地土壤累積現象分明顯。

3.2對土壤重金屬含的影響

對貴陽長期養殖廢水灌溉的蔬菜地土壤進行調查研究，與對照比，污灌土壤Cd含量呈積累趨勢，平均含量0.56mg/kg，可還原態重金屬含量普遍升高，可還原態Cd從5.56%增加至57.2%。章明奎等研究表明長期畜禽養殖污水灌溉明顯增加了表層土壤（0～20cm）中Cu、Zn和Cd的積累，灌溉12年和23年后土壤中積累的Cu和Zn含量明顯高于對照，Cu含量分別增加8.08ing/kg、17.8mg/kg，Zn含量分別增加17.8mg/kg、46.9mg/kgo王韶華等開展豬場再生水灌溉與清水灌區比較研究，發現在0～100cm土壤中存在Cd、Cu、As、Zn和Ni含量顯著增加的情況。有研究發現養殖污水灌溉引人的金屬在土壤中有向下遷移的趨勢，養殖廢水灌溉能明顯增加土壤表層Cu、As和Zn的含量，Cu主要在土壤表層積累，As在土壤中下層積累較多，As存在隨著土壤淋失向下層遷移的趨勢。Shi等發現豬糞施用量與土壤中的Zn和Cu含量存在顯著正相關的關系，隨著含Cd豬糞的長期施用會引起土壤耕層Cd累積并向下遷移。黃洽平研究了施用規模化豬場豬糞不同年限的農田土壤重金屬全量和有效態含量變化，結果表明，長期污灌豬場廢水和施用豬場糞污主要增加土壤Zn、Cu、Mn的總量，土壤重金屬有效態含量明顯增加，數據統計分析表明，Zn、Cu、Mn和As主要來源為豬場廢水，Cd主要來源為豬場廢水和化肥，Pb主要來源為化肥。

3.3對土壤抗生素含的影響

對浙北地區施用畜禽糞肥的農田土壤中四環素類抗生素殘留狀況調查表明，規模化養殖場的畜禽糞便抗生素含量遠高于散養型的糞便中抗生素含量。施用畜禽糞肥的農田表層土壤中土霉素、金霉素和四環素的檢出率范圍為88%～93%，其平均殘留量分別為對照的38倍、12倍和13倍，結果表明農田土壤抗生素的主要來源是畜禽糞肥。劉艷萍等對貴陽長期養殖廢水灌溉蔬菜地土壤進行調查研究，污灌土壤中四環素類、磺胺類和喹諾酮類抗生素含量明顯增加，含量分別為0.14～15.8ug^kg、0.26～8.03ugKkg、0.31～32.8ug/kg。

3.4對土壤生物指標的影響

對浙江地區養殖污水不同灌溉年限的蔬菜地研究表明，長期養殖廢水灌溉明顯增加了土壤酶的活性，隨著灌溉年限的增加增幅增大，與對照相比，灌溉4、12和23年后，土壤中脲酶活性分別增加了16%、29%和37%;蛋白酶活性分別增加了20%、55%和97%;酸性磷酸酶活性分別增加了15%、41%和58%;纖維素分解酶活性增加了67%、103%和91%;脫氫酶活性增加了20%、28%和24%。污水灌溉土壤酶活性增幅最大的為蛋白酶和纖維素分解酶，原因分析可能是污水灌溉給土壤帶人了大量的有機氮、有機磷和有機物質，激發了土壤微生物分泌土壤酶。殷勤等研究表明施用豬糞水后的士壤鞘氨醇菌屬、壁菌門的顯著增加，表明施用豬糞水使土壤環境變得復雜，為了適應復雜的生存環境，微生物被動的改變了自身的多樣性，增加了自身對土壤脅迫的抵抗能力。

4畜禽養殖糞污還田灌溉對地下水的影響

4.1對地下水化學指標的影響

硝態氮是影響地下水水質的一個重要指標。相關研究表明農村地下飲用水硝酸鹽超標的主要因素之一是畜牧業養殖污染，對河北40多年污灌地區地下水硝酸鹽含量開展監測，硝酸鹽污染的主要來源是灌溉水中的氮。示蹤解析石家莊市地下水中硝酸鹽來源，表明主要化肥、動物糞便的施用和污染物質在遷移過程中硝化一反硝化作用是主要來源。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態氮、亞硝態氮和銨態氨進人土壤下層甚至進人淺層地下水。未經處理的豬場廢水有機磷含高，很難被農作物有效吸收，長期灌溉后會出現過量磷向下層土壤淋溶的現象，引起周圍水體和淺層地下水的污染風險。研究發現養殖廢水經過處理后鹽基離子濃度依然很高，經過這類污水灌溉后，土壤會吸附較多的Na*釋放原有的Cat，隨土壤淋溶液下滲進人地下水，造成地下水酸堿性、含鹽量的改變。

4.2對地下水重金屬含的影響

畜禽糞便中含有大量有機質，施入土壤后會增加土壤中有機質尤其是可溶性有機碳的含量，重金屬與可溶性有機碳易與形成可溶性的金屬絡合物，通過淋失而污染地下水。相關研究表明可溶性重金屬濃度與施用牛糞糞漿的土壤中可溶性有機碳成正相關，這些可溶性金屬絡合物可能會通過淋溶作用而使地下水的質量受到破壞。施用含高濃度重金屬的畜禽糞便會增加重金屬在土壤中的淋溶，進行農業灌溉或經雨水淋洗，土壤中的重金屬極易進入地下水，造成水環境污染。

4.3對地下水中抗生素含的影響

養殖污水中的有機污染物在進人環境后將發生一系列的生物、化學和物理作用，部分污染物發生降解或轉化，部分物質結構穩定不易降解長期存在環境中。李曉華等在豬場及周邊村鎮采集地下水樣進行抗生素殘留檢查，檢出率為78%，檢出的抗生素有諾氟沙星、金霉素、環丙沙星、恩諾沙星和土霉素等，含量范圍在0.22～222ug/L之間，在京津冀地區選取了9個相對獨立養殖場，周邊無農田、無污染源和其它養殖場，解析豬場污水與周邊地下水間的關聯，結果表明確實存在部分生豬養殖場糞污抗生素擴散至周邊地下飲用水中的情況，喹諾酮類和四環素是殘留最多的抗生素。長期低濃度抗生素有可能對水體中微生物群落產生影響，并通過食物鏈的傳遞作用影響高級生物而破壞生態系統平衡。

4.4對地下水生物學指標的影響

畜禽養殖廢棄物中含有大量的病原微生物，包括原生動物、病毒和細菌，這些對于土壤和水域環境都是一種潛在的污染源。顧靜等對北京市某區畜禽養殖區外圍地下水檢測，發現總大腸菌群、菌落總數都有一定程度超標，總大腸菌群超標較嚴重，菌落總數超標0.8倍。

5結語

針對國內養殖業抗生素和重金屬等存在不規范使用、過度使用和濫用的現象，急需制定法規政策進行管制，積極推進減量化添加和科學使用，減少飼料中有毒有害或容易富集的添加劑使用。畜禽養殖糞污還田灌溉對土壤和地下水的影響可能是一個不易察覺長期的過程，需要開展持續的跟蹤監測評估，才能探明畜禽養殖糞污還田對生態環境系統存在的潛在性風險。以往的研究重點在于氮、磷、鉀等大量元素對環境的影響，今后應更加關注重金屬、抗生素和激素等對水體、土壤和農作物的潛在環境風險，需要深人開展對不同畜禽養殖糞污處理模式、灌溉方式對土壤和地下水環境的影響研究，為畜禽養殖糞污的資源化利用和生態環境保護提供技術支撐。

[參考文獻]

[1]中國畜牧獸醫年鑒編輯委員會.中國畜牧獸醫年鑒[J].北京：中國農業出版社，2018.

[2]吳信，萬丹，印遇龍.畜禽養殖廢棄物資源化利用與現代生態養殖模式[J].農學學報，2018，8（1）：163-166.

[3]JjafaL.我國規模化養豬場糞便重金屬污染特征與農用風險評價[J].農業機械學報，2018，49（1）：258-267.

[4]常志遠，規模化畜禽養殖廢水處理技術探討[J].資源節約與環保，2018（8）：58.

[5]韓躍飛.養豬場廢水中抗生素去除技術研究[D]上海：華東理工大學，2019.

[6] Collignon Peter，Voss Andreas. China，what antibiotics and whatvolumes are used in food production animaJs[J]. Antimicrohial Resistanceand Infection Control，2015，4 （ 1） ： .16-17.

[7]雷慧寧.規模化豬場廢水處理工藝中抗生素和重金屬殘留及其生態風險[D]上海：華東師范大學，2016.

[8]董志新.不同有機廢棄物的肥料化利用研究[D].晉中：山西農業大學，2015.

[9]周軼韜.規模化養殖污染治理的思考[J].內蒙古農業大學學報（社會科學版），2009，lI（1）：117-120.

[10]孔祥才.畜禽養殖污染的經濟分析及防控政策研究[D].長春：吉林農業大學，2017.

{11}王韶華，張樹軍，劉昆鵬.畜禽養殖再生水灌溉試驗研究初步分析[J].灌溉排水學報，2007，26（3）：38-42.

[12]彭武厚.厭氧消化法處理畜禽糞的研究[J].業微生物，1997（4）：

[13]徐耀鵬.UASB、SBR、穩定塘組合工藝處理高濃度養殖廢水研究[D].成都：成都理工：大學，2011.

[14]饒中秀，李龍濤，黃鳳球，等.規模化養豬場糞污重金屬含量特征及其潛在污染風險[J].湖南畜牧獸醫，2019（3）：9-13.

[15]章杰，王永，馬力，等.種養結合循環利用模式下養殖廢水污染物分析[J].西南民族大學學報（自然科學版），2011（2）：222-227.

[16]李文英，彭智平，于俊紅，等.珠匯H角洲典型集約化豬場廢水污染特征及風險評價[J].化環境科學，2013，34（10）：3963-3968.

[17]潘尋，韓哲，賁偉偉.山東省規模化豬場豬糞及配合飼料中重金屬含量研究[J].農業環境科學學報，2013（1）：160-165.

[18]朱建春，李榮華，張增強，等.陜西規模化豬場豬糞與飼料重金屬齷研究[J].農業機械學報，2013（11）：98-104.

[19] WeiR， GeF，HuangS，（ et al. Occurrence of veterinary antibioticsin animal wastewater and rface ater round arms in Jiangsun Province，China[J]. Chemosphere，2011，82 （10） ： 1408-1414.

[20] Zhi S， Zhou J，Yang F，et al. Systematic analysis of occurrenceand variation tendency about 58 typical veterinary antibiotics duringanimal wastewater disposal processes in Tianjin， China[J]. Ecotoxicologyand Environmental Safety，2018，165 （15） ： 376- -385.

[21] Ling Zhao，Yuan Hua Dong， Hui Wang. Residues of veterinaryantibiotics in manures from feedlot livestock in eight provinces ofChina[J]. Science of the Total Environment， 2010，408 （5） .

[22]張慧敏，章明奎，顧國平.浙北地區畜禽糞便和農田土壤中四環素類抗生素殘留[J].生態與農村環境學報，2008，24（3）：69-73.

[23]章明奎，劉麗君，黃超.養殖污水灌溉對蔬菜地土壤質量和蔬菜品質的影響[J].水土保持學報，2011（1）：87-91.

[24] Daniel T C， Sharply A N， Stewart SJ， et al. Environmental impactof animal manure management in the southern plains[R]. Spokane，Washington： USDA-ARS，1993.

[25] Hooda G， Ermolieva T， Ermoliev Y，et al. Livestock productionplanning under environmental risks and uncertainties[J].Journal ofSystems Science and Systems Engineering，2001， 15 （4） ： 399- 418.

[26]劉艷萍，劉鴻雁，吳龍華，等.貴陽市某蔬菜地養殖廢水污灌土壤重金屬、抗生素復合污染研究[J].環境科學學報，2017，37（3）：1074-1082.

[27]劉紅恩，聶兆君，劉世亮，等.養殖污水灌溉對土壤養分和重金屬含量的影響[J].環境科學與技術，2016（S1）：47-51.

[28] SHIJ，YU X，ZHANG M，et al. Potential Risks of Copper， Zinc，and Cadmium Pollution due to Pig Manure Application in a Soil- -RiceSystem under Intensive Farming： A Case Study of Nanhu，China [].Journal of Environmental Quality，2011，40 （6） ： 1695-1704.

[29] RAO Z X， HUANG D Y，WU J S，et al. Distribution andavailability of cadmium in profile and aggregates of a paddy soil with30-year fertilization and its impact on Cd accumulation in rice plant [].Environmental Pollution，2018 （239） ： 198- -204.

[30]趙國華，陳貴，徐劼.豬糞尿源沼液中主要養分和重金屬分布特性[J].浙江農業科學，2014（9）：1454-1456.

[31]黃治平.規模化豬場區域農田土壤重金屬污染研究[D].北京：中國農業科學院，2007.

[32]張慧文，馬劍英，陳發虎，等.污水灌溉的研究進展[J].環境污染與防治，2007，29（8）：622-627.

[33] Chen J Y，Tang C Y，Shen Y J，et al.Nit rate pollution ofgroundwater in a wastewater irrigated field of Hebei Province，inri sk assessment of wastewater reuse on groundwater quality，joopsteenvoorden （ ed） [J] .Red-book of IAIIS， 2004， 285： 23- -27.

[34]劉君，陳宗宇.利用穩定同位素追蹤石家莊市地下水中的硝酸鹽來源[J].環境科學，2009，30（6）：1602-1607.

[35]米瑋潔，周義勇，朱端衛，等.養殖污水水體-沉積物中磷的化學行為[J].湖泊科學，2008，20（3）：271-276.

[36]于丹，張克強，王風，等.天津黃潮土剖面磷素分布特征及其影響因素研究[J].農業環境科學學報，2009，28（3）：518-521.

[37]白麗靜，王風，張克強，等.豬場廢水灌溉對潮土交換性鹽基離子含量的影響[D].農業環境科學學報，2010，29（3）：510-514.

[38] Kass A，Gavri eli 1，Yechieli Y.The impact off res hw at er andwastew aterirrigation on the chemistry of s hallow ground wateracasestudy from the Israeli Coast al Aquifer[J] .Journal of Hydrology，2005 ，1 （ 300） ： 314-331 .

[39]沈秀麗，楊增玲，韓魯佳.畜禽糞便引發的重金屬污染的研究現狀[C].中國農業工程學會（CSAE）.中國農業工程學會2011年學術年會論文集[M].北京：中國農業工程學會（CSAE），2011.

[41]王路光，朱曉磊，王靖飛，等.環境水體中的殘留抗生素及其潛在風險[J].工業水處理，2009，5（29）：10-15.

[42]李曉華.規模化豬場糞污中典型抗生素歸趨行為及抗性基因擴散特征研究[D].北京：中國農業科學院，2018.

[43]顧靜，和利釗，張海歐，等.畜禽養殖污染對土壤和地下水的影響——以北京市順義區龍灣屯鎮為例[J].安徽農業科學，2020，48（7）：89-94+99.

[44]趙君怡，劉鳴達，張克強.畜禽養殖廢水灌溉對地下水影響的研究進展[J].節水灌溉，2010（12）：13-15.

[45]楊潞.養豬糞污土地利用中土壤重金屬累積遷移轉化規律研究[D].重慶：重慶大學，2018.

[46]宋大平，左強，劉本生，等.農業面源污染中氨排放時空變化及其健康風險評價研究一以淮河流域為例[J].農業環境科學學報，2018，37（6）：1219-1231.

[47]殷勤.施用豬場糞水對種植土地土壤理化性狀及菌群組成的影響[D].泰安：山東農業大學，2019.