基于農田土壤重金屬污染風險篩選值的畜禽糞污農田承載力估算

楚天舒 王柄雄 高思程 成天一 楊增玲

(中國農業大學 工學院，北京 100083)

我國是畜禽養殖大國，每年生產大量的肉蛋奶，以滿足人們營養需求，但在畜禽養殖過程中也產生大量的畜禽糞便。2015年畜禽糞便資源量估算約為31.584億t[1]，大量且集中的畜禽糞便對農村生態環境造成巨大的壓力[2]。采用高效清潔的生產技術，如堆肥和沼氣等技術，將其轉化成有機肥料[3]，不僅能科學利用豐富的氮、磷、鉀養分[4]，而且能有效緩解農村環境保護的壓力，已成為當下的研究熱點[5-7]。并且，政府高度重視畜禽糞便資源化利用工作，隨著2017年國務院《關于加快推進畜禽養殖廢棄物資源化利用的意見》等一系列政策的發布，畜禽糞污資源化利用整縣推進等項目也在緊張實施中。

在畜禽糞便資源化利用深入推廣實施中，畜禽糞便中含有重金屬的問題引起科研人員的關注。取樣測試發現，豬糞[8-11]、牛糞[12-13]、雞糞[14-16]等糞便中均含有一定量的重金屬。其中，以Cu和Zn污染為主[16-19]。對畜禽糞便中重金屬來源進行追溯發現，其主要與飼料添加劑的使用有關[10,20-22]。若畜禽糞便有機肥長期大量施用，可能導至農田土壤中重金屬的積累，繼而引發農田土壤重金屬質量分數超標，給土壤環境帶來污染風險[23-25]。

但從我國現階段畜禽養殖生產水平看，短時間內無法完全取代相關的飼料添加劑。因此，需要對重金屬在養殖業-種植業生產系統中的流動進行計算分析，即畜禽糞便中重金屬→畜禽糞便有機肥中重金屬→農田土壤中重金屬。已有研究[23-25]也是秉承該思路，從正向分析，即先計算重金屬養分流動，進而確定土壤環境風險情況。本研究擬采用逆向分析方法，即根據農田土壤重金屬本底值和污染風險篩選值之間的差值，逆向計算出農田土壤重金屬的靜態環境容量，即農田土壤重金屬的可消納量；進而根據農田土壤重金屬平衡，倒推出每hm2農田的畜禽糞便有機肥的可施用限值，也獲得不同畜禽種類的養殖量限值，以期為實現區域種養結合與農業綠色發展提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 研究對象

黑龍江農墾與新疆生產建設兵團種植業生產水平高度發達，農業機械化率均超過90%，基本上實現主要農作物生產全程機械化，是我國現代化農業的示范基地。在種植業方面，黑龍江農墾和新疆生產建設兵團主要耕作制度為一年一季。2018年，黑龍江農墾主要栽培作物為水稻、玉米和大豆，種植面積分別為155.79、70.86和54.59萬hm2，占總種植面積的53.85%、24.49%和18.87%。新疆生產建設兵團主要栽培作物為棉花、小麥和玉米，種植面積分別為85.4、10.9和10.2萬hm2，占總種植面積的61.75%、7.88%和7.38%。養殖業方面，黑龍江農墾奶牛、肉牛、生豬和家禽存欄量分別為11.8萬頭、6.8萬頭、70.5萬頭和938.3萬羽。新疆生產建設兵團奶牛、肉牛、生豬和家禽存欄量分別為23.4萬頭、26.5萬頭、172.5萬頭和1 291.8萬羽?，F階段國家對養殖業環境保護問題高度重視，畜禽糞污資源化利用成為重中之重。合理配套可消納畜禽糞便有機肥的農田，是養殖場生產的必備條件。黑龍江農墾與新疆生產建設兵團種植業生產水平高度發達，擁有大量農田，農機配套齊全，未來可實現有機肥機械化還田，養殖業發展潛力巨大。

1.2 研究內容

根據動物不同生長階段的營養需求，飼料添加劑被廣泛應用在各個飼養階段，而部分飼料添加劑未經動物消化吸收直接隨糞便排泄，導致畜禽糞便中含有一定量的重金屬[20]。后續畜禽糞便經堆肥處理產生有機肥，重金屬也隨之進入有機肥中。所以，為了使畜禽糞便有機肥在種植業上更好的應用，需要評估其重金屬輸入對土壤環境的影響。

在種植業生產過程中，重金屬以施肥、大氣干濕沉降、灌溉等途徑向農田土壤中輸入(圖1)，并以作物收獲等途徑輸出，輸入與輸出的差值引起農田土壤重金屬的積累。而長時間的重金屬累積會增大農田土壤環境污染風險，對農產品品質和產量產生影響[26]。因此，調控種植業各個生產環節的重金屬輸入與輸出，有利于在較長時間內保障農產品與土壤生態環境安全。其中，畜禽糞便有機肥作為農田土壤重金屬輸入主要來源之一，需根據畜禽糞便有機肥重金屬質量分數與農田土壤重金屬環境容量，優化出有機肥施用限量。進而可得到每hm2農田不同畜禽種類的最大養殖量，以協調區域內種養關系。

圖1 農田土壤重金屬輸入途徑示意圖

基于對研究內容的分析，給出具體研究步驟：首先，查閱農田土壤污染風險標準[27]，獲取農田土壤重金屬污染風險篩選值。進而，參照土壤環境影響預測標準方法[28]，將土壤重金屬背景值等區域農田土壤參數帶入計算得到農田土壤重金屬的靜態環境容量。再將靜態環境容量除以一定的時間段獲得農田土壤重金屬的年平均靜態環境容量。進而，將農田土壤重金屬的年平均靜態環境容量等價于農田土壤重金屬的預測最大增量(采用農田土壤重金屬平衡計算，即重金屬輸入與輸出的差值)。其中，農田土壤重金屬輸入主要有化肥、有機肥、大氣干濕沉降等途徑；重金屬輸出主要有農作物籽粒與秸稈的途徑。將區域主要種植作物對應的化肥、農作物籽粒、秸稈和大氣干濕沉降等數值帶入，可以推導出有機肥重金屬的預測最大增量。最后，考慮有機肥主要是由畜禽糞便經過好氧堆肥產生，由不同畜禽的產污系數、收集率等計算出不同畜禽的最大養殖量，詳見圖2?？紤]到相關數據的可獲得性，確定本研究的8種重金屬分別是Cd、Cr、As、Hg、Pb、Cu、Zn和Ni。

圖2 本研究思路簡圖

1.3 計算數據與過程

根據《化學物質環境風險評估技術方法框架性指南(試行)》[29]、HJ 964—2018《環境影響評價技術導則 土壤環境(試行)》[28]、GB 15618—2018《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》[27]的技術指導資料，按照研究思路，建立計算模型，將黑龍江農墾與新疆生產建設兵團的農田土壤數據、作物和肥料等的8種重金屬數據帶入計算。

1.3.1農田土壤重金屬的年平均靜態環境容量

參考土壤環境影響預測標準方法[28]和區域農田土壤參數，農田土壤重金屬的年平均靜態環境容量采用式(1)計算：

(1)

式中：ΔQ為農田土壤重金屬的年平均靜態環境容量，mg/a；Rs為農田土壤重金屬污染風險篩選值，mg/kg，根據黑龍江農墾與新疆生產建設兵團的土壤pH[30]、主要種植制度與作物，查閱標準[27]獲??；Rb為農田土壤重金屬本底值[31]，mg/kg；D為農田耕層厚度[32-33]，m；S為單位農田面積，1 hm2；ρb為農田耕層土壤容重[34-35]，kg/m3；t為時間，本研究中將短期、中期和長期分別設定為20、50、100 a。

1.3.2畜禽糞便有機肥的重金屬預測最大增量

農田土壤重金屬平衡，輸入途徑有化肥、有機肥、大氣干濕沉降、灌溉水等，輸出途徑有農作物籽粒、秸稈等。首先，考慮到灌溉水數據的可獲得性和計算方法的可行性，灌溉水輸入途徑暫且不計。其次，根據長期農場實地走訪調研成果和政策導向，農場現主要推行農作物秸稈還田，并不存在大量秸稈從農田移走的情況。因此，秸稈輸出途徑也暫且不計。農田土壤重金屬的輸入與輸出的差值作為農田土壤重金屬的預測最大增量采用式(2)計算：

ΔQ=Qc+Qo+Qa-Qg

(2)

式中：Qc為化肥的重金屬輸入量，mg；Qo為畜禽糞便有機肥的重金屬預測最大增量，mg；Qa為大氣干濕沉降的重金屬輸入量，mg；Qg為作物籽粒的重金屬輸出量，mg。

根據各地主要的耕作制度和種植農作物種類，化肥的重金屬輸入量采用式(3)計算：

Qc=(Nn×wN+Np×wP+Nk×wK)×S

(3)

式中：Nn為每hm2氮肥施用量(以N計)[36-37]，kg/hm2；wN為氮肥重金屬質量分數[38]，mg/kg；Np為每hm2磷肥施用量(以P2O5計)[36-37]，kg/hm2；wP為磷肥重金屬質量分數[39]，mg/kg；Nk為每hm2鉀肥施用量(以K2O計)[36-37]，kg/hm2；wK為鉀肥重金屬質量分數[40]，mg/kg。

大氣干濕沉降的重金屬輸入量采用式(4)計算：

Qa=S×wa,h

(4)

式中：wa,h為大氣干濕沉降的重金屬質量分數[41]，kg/hm2。

農作物籽粒的重金屬輸出量采用式(5)計算：

Qg=Yg×S×Rg×wg,h

(5)

式中：Yg為農作物單產，kg/hm2，考慮到數據代表性，遂取黑龍江農墾與新疆生產建設兵團主要作物籽粒的近5年單產求其平均值，單產數據來源于《黑龍江墾區統計年鑒》[42]、《新疆生產建設兵團統計年鑒》[43]；Rg為作物籽粒的干物質比例[44]，%；wg,h為作物籽粒中的重金屬質量分數，數據來源于當地農作物籽粒重金屬測定的相關研究報道[45-47]，mg/kg。

1.3.3不同畜禽的最大養殖量

考慮有機肥主要是由畜禽糞便經過好氧堆肥產生，由于好氧堆肥過程中重金屬主要發生形態變化[48]，暫不計算重金屬的物質量損失。因此，畜禽糞便重金屬預測最大增量采用式(6)計算：

Qo=Qm

(6)

式中：Qm為畜禽糞便重金屬預測最大增量，mg。畜禽糞便的預測最大量采用式(7)計算：

Qm=Nm×wm

(7)

式中：Nm為畜禽糞便的預測最大量，kg；wm為畜禽糞便的重金屬質量分數，mg/kg。分析得到豬糞[11,12,16-18,23,25,49-70]、牛糞[12,16-18,23,25,51-53,55-59,62-63,65,67,69-71]和雞糞[12,16-18,50-59,62-63,65,69-73]的重金屬質量分數范圍?？紤]到養殖水平等因素影響，本研究暫選其算數平均值作為不同畜禽糞便的重金屬質量分數(表1)。

表1 畜禽糞便中重金屬的質量分數

根據NY/T 3442—2019《畜禽糞便堆肥技術規范》[74]中質量要求對畜禽糞便重金屬質量分數(表1)進行初步判斷可知，豬糞中As存在超標情況，并且Cu和Zn質量分數極其高。3種重金屬元素主要來源于飼料添加劑。因此，在畜禽糞便資源化利用過程中，需要重點關注As、Cu和Zn。

考慮到畜禽糞便收集與利用現狀，采用畜禽糞便收集率等參數計算出不同畜禽的預測最大養殖量，具體計算式為：

Nm=nmη(1-w)

(8)

式中：n為畜禽的預測最大養殖量，頭或羽；m為畜禽整個飼養周期的糞便排泄量[75]，kg/頭或kg/羽；η為畜禽糞便收集率[75-76]，%；w為畜禽糞便含水率[70,77]，%。

2 結果與分析

2.1 黑龍江農墾畜禽糞污農田承載力估算

2.1.1以水稻為種植作物計算

采用式(1)～(8)計算獲得黑龍江農墾水稻種植情況下不同畜禽的最大養殖量(圖3)。從重金屬元素種類分析，Cd是奶牛、肉牛、蛋雞和肉雞糞便有機肥施用量的限制性元素；Cu和Zn是生豬糞便有機肥施用量的限制性元素。因此，以Cd、Cu和Zn為限值，奶牛、肉牛、蛋雞、肉雞和生豬的最大養殖量分別為：短期條件下，23頭、42頭、3 911羽、12 200羽和217頭；中期條件下，8頭、14頭、1 345羽、4 196羽和82頭；長期條件下，3頭、5頭、489羽、1 528羽和37頭。

圖3 黑龍江農墾水稻種植情況下畜禽最大養殖量(n)預測結果

2.1.2以玉米為種植作物計算

采用式(1)～(8)計算獲得黑龍江農墾玉米種植情況下不同畜禽的最大養殖量(圖4)。從重金屬元素種類分析，Cd是奶牛、肉牛、蛋雞和肉雞糞便有機肥施用量的限制性元素；Cu和Zn是生豬糞便有機肥施用量的限制性元素。因此，以Cd、Cu和Zn為限值，奶牛、肉牛、蛋雞、肉雞和生豬的最大養殖量分別為：短期條件下，15頭、26頭、2 437羽、7 602羽和117頭；中期條件下，4頭、8頭、753羽、2 349羽和45頭；長期條件下，1頭、2頭、191羽、597羽和21頭。

圖4 黑龍江農墾玉米種植情況下畜禽最大養殖量(n)預測結果

2.1.3以大豆為種植作物計算

采用式(1)～(8)計算獲得黑龍江農墾大豆種植情況下不同畜禽的最大養殖量(圖5)。從重金屬元素種類分析，Cd是奶牛、肉牛、蛋雞和肉雞糞便有機肥施用量的限制性元素；Cu和Zn是生豬糞便有機肥施用量的限制性元素。因此，以Cd、Cu和Zn為限值，奶牛、肉牛、蛋雞、肉雞和生豬的最大養殖量分別為：短期條件下，15頭、26頭、2 429羽、7 578羽和117頭；中期條件下，4頭、8頭、745羽、2 324羽和45頭；長期條件下，1頭、2頭、183羽、573羽和21頭。

圖5 黑龍江農墾大豆種植情況下畜禽最大養殖量(n)預測結果

黑龍江農墾水稻種植情況下的畜禽糞污農田承載力均高于玉米和大豆。究其原因，由于水稻種植過程中磷肥施用量約為玉米和大豆的一半，導至由磷肥引入的Cd量也約為玉米和大豆的一半。因此，以Cd為限值，計算出的畜禽糞污農田承載力高于玉米和大豆。

為便于研究成果的推廣與應用，本研究將黑龍江農墾3種作物種植情況下畜禽糞污農田承載力研究結果轉化為豬當量，即在水稻、玉米和大豆種植情況下，每hm2農田可承載的豬當量分別為37、21、21頭。水稻種植情況下的豬當量折算規則：100頭豬相當于8頭奶?；?3頭肉?；? 321羽蛋雞或 4 129 羽肉雞。玉米和大豆種植情況下的豬當量折算規則：100頭豬相當于4頭奶?；?頭肉?；?09羽蛋雞或2 842羽肉雞。

2.2 新疆生產建設兵團畜禽糞污農田承載力估算

2.2.1以棉花為種植作物計算

采用式(1)～(8)計算獲得新疆生產建設兵團棉花種植情況下不同畜禽的最大養殖量(圖6)。從重金屬元素種類分析，Cd是奶牛、肉牛、蛋雞和肉雞糞便有機肥施用量的限制性元素；Cu和Zn是生豬糞便有機肥施用量的限制性元素。因此，以Cd、Cu和Zn為限制元素，奶牛、肉牛、蛋雞、肉雞和生豬的最大養殖量分別為：短期條件下，74頭、86頭、6 972羽、21 749羽和3 473頭；中期條件下，27頭、31頭、2 545羽、7 941 羽和136頭；長期條件下，11頭、13頭、1 070羽、3 339羽和66頭。

圖6 新疆生產建設兵團棉花種植情況下畜禽最大養殖量(n)預測結果

2.2.2以小麥為種植作物計算

采用式(1)～式(8)計算獲得新疆生產建設兵團小麥種植情況下不同畜禽的最大養殖量(圖7)。從重金屬元素種類分析，Cd是奶牛、肉牛、蛋雞和肉雞糞便有機肥施用量的限制性元素；Cu和Zn是生豬糞便有機肥施用量的限制性元素。因此，以Cd、Cu和Zn為限制元素，奶牛、肉牛、蛋雞、肉雞和生豬的最大養殖量分別為：短期條件下，74頭、86頭、6 986羽、21 791羽和348頭；中期條件下，27頭、31頭、2 559羽、7 984 羽和137頭；長期條件下，11頭、13頭、1 084羽、3 382羽和67頭。

圖7 新疆生產建設兵團小麥種植情況下畜禽最大養殖量(n)預測結果

2.2.3以玉米為種植作物計算

采用式(1)～(8)計算獲得新疆生產建設兵團玉米種植情況下不同畜禽的最大養殖量(圖8)。從重金屬元素種類分析，Cd是奶牛、肉牛、蛋雞和肉雞糞便有機肥施用量的限制性元素；Cu和Zn是生豬糞便有機肥施用量的限制性元素。因此，以Cd、Cu和Zn為限制元素，奶牛、肉牛、蛋雞、肉雞和生豬的最大養殖量分別為：短期條件下，74頭、86頭、6 978羽、21 769羽和349頭；中期條件下，27頭、31頭、2 552羽、7 962 羽和138頭；長期條件下，11頭、13頭、1 077羽、3 359羽和68頭。

圖8 新疆生產建設兵團玉米種植情況下畜禽最大養殖量(n)預測結果

新疆生產建設兵團棉花、小麥和玉米種植情況下的畜禽糞污農田承載力相近。究其原因，3種作物種植過程中磷肥施用量相當，由磷肥引入的Cd量也相當。因此，以Cd為限制元素，計算出的畜禽糞污農田承載力相近。

為便于研究成果的推廣與應用，本研究將新疆生產建設兵團3種作物種植情況下畜禽糞污農田承載力研究結果轉化為豬當量，即在棉花、小麥和玉米種植情況下，每hm2農田可承載的豬當量均為67頭，豬當量折算規則：100頭豬相當于16頭奶?；?9頭肉?；? 617羽蛋雞或5 047羽肉雞。

將黑龍江農墾與新疆生產建設兵團的研究結果進行橫向比較分析可知，新疆生產建設兵團畜禽糞污農田承載力遠高于黑龍江農墾。究其根本原因，黑龍江農墾土壤Cd質量分數(0.109 mg/kg)低于新疆生產建設兵團(0.169 mg/kg)，但黑龍江農墾農田土壤pH(6.0)低于新疆生產建設兵團(7.9)，導至新疆生產建設兵團的Cd風險篩選值(0.6 mg/kg)遠高于黑龍江農墾(0.3 mg/kg)。在最終計算結果中，新疆生產建設兵團畜禽糞污農田承載力高于黑龍江農墾。由此可見，農田土壤偏酸性不利于農田土壤重金屬污染防控。

3 討 論

本研究分析了重金屬在養殖業-種植業生產系統中流動過程，建立基于農田土壤重金屬污染風險篩選值的畜禽糞污農田承載力估算模型，以黑龍江農墾和新疆生產建設兵團的養殖業-種植業生產系統為研究對象，發現該地區Cd、Cu和Zn是畜禽糞便有機肥利用過程中重點防控的重金屬元素。因此，本研究對這3種元素進行進一步討論與分析。

3.1 農田土壤酸化與土壤Cd風險防控

結合橫向比較分析結果和實地調研成果發現，黑龍江農墾和新疆生產建設兵團在大田作物種植過程中，大量施用化肥，有機肥施用量相對較少，土壤pH存在一定的下降趨勢。氮肥過量施用會造成土壤的酸化[78]，并且，農田土壤酸化會使土壤中重金屬活性增強和植物對重金屬的吸收量增加[79]。研究表明，當土壤pH每下降1個單位，土壤中Cd的活性增加100倍[78]。而且，Cd具有較高的向農產品遷移的風險與生物毒害性[80]。由黑龍江農墾3種作物種植情況下畜禽最大養殖量預測結果(圖3～圖5)可知，水稻種植情況下以Cd計算的農田土壤每hm2畜禽承載量高于玉米和大豆。其主要原因是水稻施用磷肥的量低于玉米和大豆，而磷肥中Cd質量分數相對較高[81]。因此，為了保障農產品安全與土壤健康，增大畜禽糞污農田承載力，建議黑龍江農墾和新疆生產建設兵團增大有機肥施用量，減緩土壤酸化速率，并控制農田土壤Cd的各種輸入途徑，尤其是磷肥輸入途徑，選用優質磷肥。

3.2 土壤Cu和Zn風險防控

從本研究結果(圖3～圖8)可知，農田土壤Cu和Zn的環境容量相對有限。究其根本原因，生豬養殖過程中富含Cu和Zn的飼料添加劑大量使用，導至畜禽糞便中Cu和Zn質量分數高(表1)，最終致使畜禽糞便有機肥施用量受到限制，這也與袁凱等[82]的研究結果相一致。因此，對于飼料企業，建議科研機構與飼料企業加快新型螯合物等替代產品的研發，從源頭上減少Cu和Zn進入養殖業—種植業生產系統。對于養殖企業，建議相關養殖企業科學高效地使用含Cu和Zn的飼料添加劑，合理控制其添加量。在政府管理層面，建議黑龍江農墾與新疆生產建設兵團在畜禽糞便有機肥施用前，對有機肥中Cu和Zn質量分數進行快速檢測，并結合各自實際畜禽養殖生產現狀與農田土壤重金屬本底值，建立地方標準控制畜禽糞便有機肥中Cu和Zn的質量分數，從而控制Cu和Zn在土壤中的累積，確保有機肥安全施用。

此外，研究發現，重金屬形態與其生物有效性密切相關[12]，因此，在好氧堆肥過程中，建議采取適量添加鈍化劑等措施，降低畜禽糞便有機肥中重金屬的生物有效性，尤其針對Cd、Cu和Zn，保障有機肥安全施用，有助于增大畜禽糞污農田承載力。

本研究中來源于黑龍江農墾和新疆生產建設兵團的畜禽糞便重金屬相關數據相對較少，在未來客觀條件允許情況下，本研究團隊將隨即采取代表性樣品進行數據補充。

4 結 論

本研究構建了基于農田土壤重金屬污染風險篩選值的畜禽糞污農田承載力估算模型，將黑龍江農墾與新疆生產建設兵團相關數據帶入進行計算，選取農田土壤重金屬污染風險篩選值為限值，計算獲得其畜禽糞污農田承載力，得到以下結論：

1)在水稻、玉米和大豆種植情況下，黑龍江農墾每hm2農田可承載的豬當量分別為37、21和21頭。在棉花、小麥和玉米種植情況下，新疆生產建設兵團每hm2農田可承載的豬當量均為67 頭。

2)在畜禽糞便有機肥施用過程中，黑龍江農墾和新疆生產建設兵團農田土壤重金屬污染風險防控應以Cd、Cu和Zn為主。

建議未來注重防控農田土壤酸化和以磷肥途徑的Cd輸入，并根據各自實際畜禽養殖生產現狀與農田土壤重金屬本底值，建立地方標準以控制畜禽糞便有機肥中Cu和Zn質量分數。