遼寧省畜禽養殖場周邊土壤重金屬污染評價

王星蒙

(遼寧省生態環境監測中心，遼寧 沈陽 110161)

遼寧省位于我國東北地區南部，全省土地面積14.8萬km2。全省土壤分布有棕壤、潮棕壤、草甸土、潮土、泥炭土、沼澤土、褐土、水稻土等類型。根據地貌和土壤組合特點，遼寧土壤的區域性分布可分為遼東山地丘陵區、遼西低山丘陵區、遼河平原區3種類型。

遼寧省是畜牧業大省，從2014年開始遼寧省的蛋、肉、奶產量連續3a都居于全國前10的水平[1]。2019年，遼寧省豬牛羊禽肉產量365.6萬t，全年禽蛋產量307.9萬t，全年生牛奶產量133.9萬t，全年生豬出欄2240.2萬頭，年末生豬存欄1055.2萬頭[2]。隨著全省畜牧業的發展，規模化養殖場也快速發展，與此同時，為提高養殖效率、防治畜禽疾病等問題，抗生素和多種重金屬元素等添加劑常被添加到飼料中，并且大部分隨著畜禽糞便排出體外[3]，如處理不當，極易造成周邊土壤受到重金屬污染，對生態環境構成極大威脅。由于重金屬元素在土壤中移動性很小，不易隨水淋濾，不為微生物降解，其在土壤中的含量會逐年累積[4]。本文通過對遼寧省16個規模化畜禽養殖場周邊土壤進行監測分析及評價，進而了解遼寧省畜禽養殖場周邊土壤的環境質量狀況。

1 研究方法

1.1 采樣時間

2020年4—6月。

1.2 點位布設

選取規模為500頭以上的豬、3萬羽以上的雞和100頭以上的牛等規模化畜禽養殖場。在養殖場外圍500m范圍內采用網格法進行隨機布點，網格大小為100m×100m，每個養殖場布設3～5個監測點位和1個對照點。以500m緩沖區為范圍，建立100m×100m大小的網格，對網格進行編號。查隨機數表，得到3～5個隨機數，隨機數對應的網格編號，則該網格的中心點作為監測點位。在距場界2000m以外(主導上風向或地下水流向上游)布設1個對照監測點。需要注意如果所布設的養殖場周邊一定距離分布有耕地或農田，可將緩沖區進行擴大或增加相應的點位。16個畜禽養殖場總計布設75個土壤監測點位。

1.3 樣品采集及制備

按照《土壤環境監測技術規范》[5]采集和制備樣品。每個監測點位采集表層0～20cm的土樣。土樣避光自然風干，揀出碎石、沙礫及動植物殘體等雜物，用木棍敲碎土樣。研磨后土樣過2mm篩，充分混合、攪拌至均勻，四分法取樣。1份用于pH值分析；1份細磨至0.15mm用于金屬元素分析。

1.4 樣品測定

土壤pH值、金屬元素均由取得資質認定的實驗室檢測，具體檢測方法見表1。儀器設備通過檢定或校準，按照《土壤環境監測技術規范》[5]進行準確度和精密度控制。

表1 各項目實驗室測定方法

1.5 評價方法

1.5.1 單因子污染評價指數法

單因子污染評價指數計算公式：

Pi=Ci/Si

(1)

式中，Pi為單項污染指數；Ci為調查土壤中污染物的實測濃度；Si為污染物的評價標準值或參考值，本文選擇遼寧省土壤環境背景值[6]，污染程度劃分如表2。

表2 單項污染指數土壤環境質量評價分級

1.5.2 綜合污染指數法

綜合污染指數法(內梅羅綜合污染指數法)計算公式：

(2)

式中，maxPi為單項污染指數的最高值；Pi為各單項污染指數的平均值。通常污染程度和污染水平劃分如表3。

表3 內梅羅綜合污染指數分級標準

1.5.3 潛在生態風險評價法

潛在生態風險評價法[7]計算公式：

(3)

表4 潛在生態風險指數分級標準

1.5.4 地累積指數評價法

地累積指數評價法[9]計算公式：

(4)

式中，Cn為實際采集的土壤中測試出的重金屬質量分數，mg·kg-1，K為轉換系數(一般取1.5)；Bn為該區域相對應的土壤環境背景值，本文選擇遼寧省土壤環境背景值[6]。根據Muller指數值的大小可判定以下7個等級(表5)。

2 結果與分析

2.1 畜禽養殖場周邊域土壤pH值監測

規模化畜禽養殖場周邊點位總計有75個，土壤pH值監測結果顯示，pH≤5.5的點位數有20個，占比

表5 地累積指數評價分級標準

26.7%；5.57.5的點位數有20個，占比26.7%。土壤pH值最大值為8.21，最小值為4.36，中位值為6.5，平均值為6.46，標準差為1.13。

2.2 畜禽養殖場周邊土壤重金屬含量分析

各監測點位土壤樣品重金屬測量值統計結果見表6。由表6可知，土壤中Cd、Hg、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni和As的均值分別是遼寧省土壤背景值的2.4、1.4、1.3、1.0、1.1、1.3、1.0和0.8倍，其中Cd的超標倍率最高，其余金屬的含量接近土壤背景值。另外，8類土壤重金屬中Cd的變異系數很大，為130%，屬于極高變異度；Hg和Cr為高變異度，其余均為中變異度。說明Cd、Hg和Cr 3種重金屬質量分數值變化的幅度較大，連續性較弱，空間變異性較大。

2.3 畜禽養殖場周邊土壤重金屬污染評價

根據單因子指數評價方法的統計結果(見表7)可知，采集的75個土壤樣品點位中，通過單因子污染指數計算得出的平均值從高到低的順序依次為Cd>Pb>Hg>Zn>Cu>Ni>Cr>As，其中Cd和Hg的重度污染點位比例分別為8%、1.3%，其余均分布在無污染和輕微污染。計算出的平均值排序上同時也反映出了8類重金屬對土壤的污染狀況。

表6 測量值統計表

表7 單因子污染評價統計

由內梅羅指數計算出的綜合污染指數評價法的統計結果(見表8)可知，內梅羅計算出綜合污染指數的平均值為1.78，其中最大值為12.62，最小值為0.66，處于輕度污染和中度污染的比例為49.3%和21.3%，表明畜禽養殖場周邊總體處于輕中度污染的污染程度，由于研究區內的重金屬Cd、Hg有數值均很高，且單因子指數的最大值元素為Cd和Hg，即超過遼寧省土壤環境背景值的倍數最大，因此Cd、Hg元素是造成內梅羅綜合污染指數增大的主要原因。

表8 綜合污染評價統計

根據潛在生態風險污染程度(Er)的平均值(圖1)表明，研究區土壤重金屬Er的平均值排序為Cd>Hg>As>Pb>Cu>Ni>Cr>Zn；生態風險污染程度(Er)的平均值分別為71.9、53.0、7.8、6.7、5.7、4.9、1.9、1.3，其中重金屬Cd和Hg被評價為輕微生態危害，其余6種重金屬被評價為清潔生態危害；潛在生態危害指數(RI)<150，即評價為清潔生態危害的點位數為46，占總點位數的61.3%；RI介于150～300(輕微生態危害)的點位數為22，占總點位數的29.3%；RI介于300～600(中度生態危害)的點位數為6，占總點位數的8.0%；RI>600的(強生態危害)點位數為1，占總點位數的1.3%；總體上研究區處于清潔-輕微生態危害的污染狀況，其中潛在生態危害指數最大值達到635.3，導致RI偏高的主要原因是重金屬Cd和Hg的生態風險污染程度Er值出現高值，從數據的整體性上可以看出，Cd和Hg是研究區影響生態危害水平的主要原因。

圖1 生態風險污染程度平均值

根據地累積指數(Igeo)的計算公式得出研究區各個點位的地累積指數值，并根據算術平均數和中位數繪制出地累積指數評級圖(圖2)，研究區土壤重金屬地累積指數Igeo的算術平均值排列順序為Cd>Pb>Zn>Cu>Ni>Hg>Cr>As，其中Cd被評定為輕度污染，其余元素均被評定為無污染。Cd屬于輕度污染和偏中度污染的點位占比分別為25.3%和10.7%；Hg和Pb屬于輕度污染的點位占比分別為30.7%和34.7%；其余金屬屬于無污染的點位占比均大于80%。這表明，研究區內Cd、Hg和Pb有小范圍上的污染，其它重金屬基本未受到污染。

圖2 地累積指數評級圖

2.4 畜禽養殖場周邊監測點與對照點的對比

通過計算畜禽養殖場中監測點的內梅羅指數的平均數與對照點內梅羅指數的變化率，來體現畜禽養殖場的污染狀況。對照點變化率計算公式：

(5)

由圖3可知，A養殖場等8個養殖場的對照點變化率為正，說明其監測點的內梅羅指數大于對照點的內梅羅指數；J養殖場等7個養殖場的對照點變化率為負，說明其監測點的內梅羅指數小于對照點的內梅羅指數；I養殖場的變化率為0，說明其監測點的內梅羅指數與對照點的內梅羅指數相同。A養殖場的對照點變化率為78.3%，說明其監測點的污染程度遠高于比對照點；B養殖場的對照點變化率均超過20%，說明其監測點的污染程度顯著高于比對照點；C和D養殖場的對照點變化率均超過10%，說明其監測點的污染程度略高于比對照點；E養殖場等9家養殖場的對照點變化率均小于±5%，說明其監測點與對照點污染程度基本一致；N、O和P養殖場的對照點變化率均低于-20%，說明其對照點的污染程度高于比監測點。

圖3 16個中規模化畜禽養殖場對照點變化率統計圖

3 討論

有研究表明，莆田市畜禽養殖場周邊農田土壤8種元素中，只有As未富集，其它7種重金屬元素均存在不同程度的富集現象，其中Cd、Cu、Zn超背景值較高，富集較明顯[10]。遼寧省16個畜禽養殖場周邊土壤中Cd、Cu、Zn的超標倍數分別為2.4、1.1、1.3，Cu、Zn在不同的土壤重金屬污染評價中均評價為輕微污染以下。同時，本次監測的規模化畜禽養殖場點位大部分均處在農田之中，并且距離村莊較近，受污染的畜禽養殖場和污染點位集中分布在遼西地區，受污染的養殖場存在監測點和對照點同時受污染的情況。綜上，并不能將污染歸因于畜禽養殖場的影響。以位于遼西地區的A養殖場為例，A養殖場點位存在超標的污染因子為鎘，對照點為輕微污染，監測點位為輕度、中度污染。由于對照點存在污染情況，因此不能直接將監測點的污染歸結為養殖場。A養殖場所處的遼西地區鎘金屬含量濃度高且污染區域集中，采樣區附近的某有色金屬冶煉企業存在歷史污染[11]，同時結合相應歷史數據，可以將污染成因歸納為受歷史污染影響。

4 結論

遼寧省畜禽養殖場周邊土壤中Cd、Hg、Pb、Cu和Zn5種重金屬均高于遼寧省土壤背景值，其中Cd的含量是背景值的2.4倍，Cd為極高變異度；Hg和Cr為高變異度，其余均為中變異度。

單因子污染指數顯示，8種重金屬整體為無污染-輕微污染，Cd和Hg存在重度污染點位；內梅羅綜合污染指數顯示，畜禽養殖場周邊土壤總體處于輕中度污染的污染程度；潛在生態風險污染系數(Er)顯示，Cd和Hg被評價為輕微生態危害，其余6種重金屬被評價為清潔生態危害，潛在生態危害指數(RI)顯示，畜禽養殖場周邊處于清潔-輕微生態危害的污染狀況。地累積指數(Igeo)顯示，Cd被評定為輕度污染，其余元素均被評定為無污染。

監測點與對照點的對比顯示，16家畜禽養殖場中，有8個養殖場的對照點變化率為正，有7個養殖場的對照點變化率為負，1個養殖場的變化率為0。