晉北地區(qū)規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)畜禽糞便中養(yǎng)分和重金屬含量分析

陳 芬，余 高

(銅仁學(xué)院 農(nóng)林工程與規(guī)劃學(xué)院，貴州 銅仁 554300)

畜禽糞便是農(nóng)作物生產(chǎn)中重要的傳統(tǒng)肥料[1]，現(xiàn)代有機(jī)農(nóng)業(yè)、綠色農(nóng)業(yè)、循環(huán)農(nóng)業(yè)均強(qiáng)調(diào)畜禽糞便有機(jī)肥的施用[2]。但在實(shí)際生產(chǎn)中，畜禽養(yǎng)殖者出于對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的追求，在飼喂過程中使用大量銅、鋅、鎘、砷等微量元素添加劑[3]，而畜禽對(duì)這些微量元素的利用率很低，導(dǎo)致其排出的糞便中含有大量重金屬[4-6]。若將這些畜禽糞便作為肥源持續(xù)施入農(nóng)田，將會(huì)造成農(nóng)田土壤重金屬累積和污染，威脅農(nóng)作物種植安全，進(jìn)而通過食物鏈威脅人類的身體健康[7-9]。大量研究表明，我國(guó)畜禽糞便重金屬含量超標(biāo)已成為普遍現(xiàn)象[10-12]。李書田等[11]對(duì)我國(guó)20個(gè)省(市)畜禽糞便的養(yǎng)分含量進(jìn)行取樣分析發(fā)現(xiàn)，雞糞中銅、鋅的超標(biāo)率分別為15.3%、27.1%；豬糞中銅、鋅的超標(biāo)率分別為70.0%、62.5%；牛糞中銅、鋅的超標(biāo)率分別為9.6%、3.8%；羊糞中的銅、鋅不超標(biāo)。王飛等[1]對(duì)華北地區(qū)畜禽飼料和糞便中重金屬的含量進(jìn)行調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，雖然畜禽糞便中具有較高含量的有機(jī)質(zhì)，氮、磷、鉀等養(yǎng)分含量較高，是較好的有機(jī)肥原料，但畜禽糞便中的重金屬含量超標(biāo)明顯，尤其以豬糞中的銅、鋅超標(biāo)最明顯。賈武霞等[12]對(duì)我國(guó)部分城市集約化養(yǎng)殖場(chǎng)的畜禽糞便進(jìn)行取樣分析發(fā)現(xiàn)，豬糞、雞糞、鴨糞中銅、鋅、砷均有不同程度的超標(biāo)，其中以豬糞中重金屬超標(biāo)最嚴(yán)重。調(diào)查分析畜禽糞便中的重金屬含量，有助于對(duì)畜禽糞便進(jìn)行更好的無害化處理和資源化利用，從而促進(jìn)我國(guó)有機(jī)農(nóng)業(yè)、綠色農(nóng)業(yè)、循環(huán)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。因此，本研究在晉北地區(qū)6個(gè)不同規(guī)模的養(yǎng)殖場(chǎng)采集畜禽糞便樣品65份，分析了畜禽糞便中的氮(TN)、磷(P2O5)、鉀(K2O)以及銅(Cu)、鋅(Zn)、砷(As)、鉛(Pb)、鎘(Cd)、鉻(Cr)、鎳(Ni)、汞(Hg)含量，旨在了解晉北地區(qū)規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)畜禽糞便中的養(yǎng)分、重金屬含量以及分布狀況，以期為安全利用畜禽糞便提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 樣品采集

分別在晉北地區(qū)大同縣、懷仁縣、應(yīng)縣、山陰縣、忻州市的6個(gè)規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)采集畜禽糞便樣品65份，其中雞糞19份、豬糞21份、牛糞25份。所采集的畜禽糞便樣品經(jīng)風(fēng)干、研磨，過尼龍篩(0.15 mm)后置于密封袋中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 測(cè)定方法

畜禽糞便的酸堿度(pH值)和電導(dǎo)率(Electrical conductivity，EC)的測(cè)定采用電極法[13]；畜禽糞便經(jīng)H2SO4-H2O2消化后，TN的測(cè)定采用蒸餾法，P2O5的測(cè)定采用釩鉬黃比色法，K2O的測(cè)定采用火焰光度法[13]；Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、Ni的測(cè)定采用HNO3-HClO4消解—原子吸收分光光度法，Hg、As的測(cè)定采用原子熒光光度法[14]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2013和SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 晉北地區(qū)規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)畜禽糞便中pH值和EC值分析

如表1所示，晉北地區(qū)規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)中，雞糞、豬糞、牛糞的pH值分別為6.23～8.95、6.34～8.98、6.79～9.76，EC值分別為1.15～4.93、1.13～4.82、1.23～4.74 mS/cm。3種畜禽糞便的pH值平均值均大于6.00，且以牛糞的pH值最高，為8.85；EC平均值為2.64～2.81 mS/cm。

表1 雞糞、豬糞和牛糞中pH值及EC值

注：同列數(shù)據(jù)后標(biāo)不同字母表示差異顯著(P≤0.05)，下同。

Note: The different letters in the same column indicate distinct difference (P≤0.05). The same below.

2.2 晉北地區(qū)規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)畜禽糞便中TN、P2O5、K2O含量分析

如表2所示，相同種類或不同種類的畜禽糞便TN、P2O5、K2O養(yǎng)分含量各不相同。雞糞中TN含量為1.62%～4.37%，73.70%的雞糞樣品中的TN含量為2.00%～4.00%；豬糞中TN含量為1.47%～3.45%，95.20%的豬糞樣品中TN含量超過1.50%；牛糞中TN含量為0.71%～2.47%，84.00%的牛糞樣品中TN含量超過1.00%。雞糞中P2O5含量為0.56%～2.86%，其中85.70%的雞糞樣品中P2O5含量超過2.00%；豬糞中P2O5含量為1.66%～5.48%，其中66.70%的豬糞樣品中P2O5含量集中在2.00%～4.00%；牛糞中P2O5含量為0.39%～2.57%，其中48.00%的牛糞樣品中P2O5含量小于1.50%，36.00%的牛糞樣品中P2O5含量集中在1.50%～2.00%。雞糞中K2O含量為0.34%～2.51%，其中68.00%的雞糞樣品中K2O含量集中在1.00%～2.00%；豬糞K2O含量為0.82%～4.57%，其中90.40%的豬糞樣品中K2O含量超過1.00%；牛糞中K2O含量為0.67%～4.26%，其中68.40%的牛糞樣品中K2O含量為1.00%～3.00%。雞糞中TN含量的平均值(2.91%)顯著高于豬糞(2.13%)和牛糞(1.31%)，3種畜禽糞便中TN的平均含量呈現(xiàn)出雞糞>豬糞>牛糞的特點(diǎn)；豬糞中P2O5含量的平均值(3.20%)顯著高于雞糞(1.72%)和牛糞(1.41%)，3種畜禽糞便中P2O5的平均含量呈現(xiàn)出豬糞>雞糞>牛糞的特點(diǎn)；牛糞中K2O含量的平均值(2.39%)和豬糞K2O含量的平均值(2.31%)顯著高于雞糞(1.40%)，3種畜禽糞便K2O的平均含量呈現(xiàn)出牛糞>豬糞>雞糞的特點(diǎn)。

表2 雞糞、豬糞和牛糞中TN、P2O5、K2O含量

2.3 晉北地區(qū)規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)畜禽糞便中重金屬含量分析

如表3所示，不同種類的畜禽糞便中同類重金屬含量均存在較大差異。雞糞、豬糞、牛糞中的Cu含量分別為47.40～149.70、297.90～1 180.32、7.19～90.18 mg/kg，Zn含量分別為249.30～610.50、556.58～1 268.05、19.29～337.05 mg/kg。豬糞中Cu平均含量(588.32 mg/kg)分別是雞糞(85.40 mg/kg)和牛糞(40.92 mg/kg)的6.89倍和14.38倍，Zn平均含量(934.33 mg/kg)分別是雞糞(395.40 mg/kg)和牛糞(120.08 mg/kg)的2.36倍和7.78倍。Cu、Zn、Cd、Ni、As在豬糞中的含量均最高，其次是雞糞，牛糞中最少。此外，Pb和Cr在雞糞中的含量高于豬糞和牛糞。除豬糞中As含量略低于Pb含量外，3種畜禽糞便中的重金屬元素的平均含量分布規(guī)律基本呈現(xiàn)出Zn>Cu>Cr>Ni>Pb>As>Cd>Hg的趨勢(shì)。

表3 雞糞、豬糞和牛糞中重金屬元素含量

注：ND表示未檢出。

Note: ND means that the element is not detected.

2.4 晉北地區(qū)規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)畜禽糞便中重金屬含量超標(biāo)情況分析

按照我國(guó)《農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 4284—1984)[15]，Cu、Zn、As、Pb、Cd、Cr、Ni、Hg等8種元素的施用臨界值分別為250、500、75、300、5、600、100、5 mg/kg。如表4所示，豬糞中Cu含量全部超過了250 mg/kg的限值，Zn含量全部超過了500 mg/kg的限值，Cu、Zn超標(biāo)率均為100%，As、Pb、Cd、Cr、Ni、Hg均未超標(biāo)；雞糞中Zn超標(biāo)率為21.05%，其余7個(gè)元素均未超標(biāo)；牛糞中8個(gè)元素均未超標(biāo)。按照《畜禽糞便安全使用準(zhǔn)則標(biāo)準(zhǔn)(旱地作物)》(NY/T 1334—2007)[16]，Cu、Zn、As的施用臨界值分別為600、2 700、50 mg/kg，豬糞中的Cu超標(biāo)率為23.81%，其余7個(gè)元素均未超標(biāo)；雞糞和牛糞中的8個(gè)元素均未出現(xiàn)超標(biāo)情況。按照《畜禽糞便安全使用準(zhǔn)則標(biāo)準(zhǔn)(蔬菜)》(NY/T 1334—2007)[16]，Cu、Zn、As的施用臨界值分別為170、700、30 mg/kg，豬糞中Cu、Zn超標(biāo)率分別為100%和76.19%，其余6個(gè)元素均未超標(biāo)；雞糞和牛糞中的8個(gè)元素也均未出現(xiàn)超標(biāo)情況。按照《德國(guó)腐熟堆肥中部分重金屬限量標(biāo)準(zhǔn)》[17]，Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni、Hg的最高限量值分別為100、400、150、1.5、100、50、1 mg/kg，豬糞中Cu、Zn超標(biāo)明顯，超標(biāo)率均為100%，雞糞中Cu、Zn超標(biāo)率分別為31.58%、36.84%，其余6個(gè)元素均未超標(biāo)；牛糞中8個(gè)元素均未出現(xiàn)超標(biāo)情況。

表4 雞糞、豬糞和牛糞中重金屬超標(biāo)率

續(xù)表4 雞糞、豬糞和牛糞中重金屬超標(biāo)率

注：“—”表示相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)未對(duì)該重金屬做限量規(guī)定。

Note: “—” indicates that the relevant standard does not impose a limit on the heavy metal.

3 結(jié)論與討論

pH值和EC值是畜禽糞便檢測(cè)的重要物理指標(biāo)[9]。本研究結(jié)果顯示，3種畜禽糞便平均pH值均大于6.00，其中以牛糞的pH值最高，為8.85，比SONG等[18]在2014年關(guān)于堆肥處理對(duì)畜禽糞便中養(yǎng)分含量影響的研究結(jié)果中牛糞、豬糞pH值的平均值(分別為9.54和8.98)偏??；3種畜禽糞便的EC平均值為2.64～2.81 mS/cm，均大于SONG等[18]的研究結(jié)果(0.95～1.35 mS/cm)。推測(cè)原因可能與動(dòng)物自身的生理特征、飲食習(xí)慣和飼料特點(diǎn)等有關(guān)[11,19-20]。

畜禽糞便中含有豐富的氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素，是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的寶貴資源。本研究中，3種畜禽糞便中TN的平均含量呈現(xiàn)雞糞>豬糞>牛糞的特點(diǎn)；P2O5的平均含量呈現(xiàn)豬糞>雞糞>牛糞的特點(diǎn)；K2O的平均含量呈現(xiàn)牛糞>豬糞>雞糞的特點(diǎn)。雞和豬都屬于單胃動(dòng)物，生產(chǎn)中常飼喂含有大量蛋白質(zhì)的生物精飼料，所以導(dǎo)致其糞便中含有大量的氮、磷；而牛屬于反芻動(dòng)物，其飼料以富含纖維的秸稈類為主，相關(guān)研究表明，植物的氮、磷主要集中在籽粒中，鉀主要集中在秸稈莖葉中[9]，因而牛糞中含有較高含量的鉀。

本研究中，Cu、Zn、Cd、Ni、As在豬糞中含量均為最高，雞糞次之，牛糞最少，而Pb和Cr在雞糞中含量均為最高。劉榮樂等[21]對(duì)全國(guó)14個(gè)省184個(gè)有機(jī)廢棄物樣品中的重金屬含量進(jìn)行分析，結(jié)果表明，豬糞中的Cu、Zn、Cd、As平均含量明顯高于其他有機(jī)廢棄物，而雞糞中的Cr平均含量最高；黃紹文等[22]對(duì)全國(guó)18個(gè)省(市)126個(gè)商品有機(jī)肥樣品和255個(gè)有機(jī)廢棄物樣品的重金屬含量進(jìn)行分析，結(jié)果表明，豬糞中的Cu、Zn含量最高，雞糞中的Cr、Pb含量最高。推測(cè)可能是因?yàn)椴煌笄菔褂玫娘暳咸砑觿┓N類和用量不同所致[11]。此外，本研究中3種畜禽糞便中的重金屬元素平均含量的分布規(guī)律基本呈現(xiàn)出Zn>Cu>Cr>Ni>Pb>As>Cd>Hg的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵诂F(xiàn)代化畜禽養(yǎng)殖過程中，為了減少細(xì)菌感染，促進(jìn)動(dòng)物更好的生長(zhǎng)和發(fā)育，動(dòng)物飼料中添加有大量的Cu、Zn等微量元素，而畜禽對(duì)這些重金屬元素的吸收率很低，95.00%以上隨糞便排出，導(dǎo)致糞便中含有較高濃度的Cu、Zn等重金屬[23-24]。

參照我國(guó)《農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 4284—1984)[15]和《畜禽糞便安全使用準(zhǔn)則標(biāo)準(zhǔn)》中旱田作物和蔬菜的安全使用要求[16]，以及《德國(guó)腐熟堆肥中部分重金屬限量標(biāo)準(zhǔn)》[17]，本研究中，豬糞中Cu、Zn存在嚴(yán)重超標(biāo)現(xiàn)象，雞糞中Cu、Zn也存在超標(biāo)現(xiàn)象，As、Pb、Cd、Cr、Ni、Hg均未超標(biāo)；牛糞中Cu、Zn、As、Pb、Cd、Cr、Ni、Hg均未超標(biāo)。賈武霞等[12]對(duì)172個(gè)畜禽糞便樣品分析發(fā)現(xiàn)，豬糞中Cu、Zn超標(biāo)率分別為59.84%、95.08%，As超標(biāo)率為3.28%，Cd、Cr、Hg、Ni、Pb含量均未超標(biāo)；李書田等[11]調(diào)查的170個(gè)畜禽糞便樣品中，豬糞中Cu、Zn超標(biāo)嚴(yán)重，超標(biāo)率分別為70.00%、62.50%；單英杰等[2]對(duì)浙江省155個(gè)畜禽糞便樣品分析發(fā)現(xiàn)，豬糞中Cu和Zn超標(biāo)明顯，超標(biāo)率分別為53.55%和43.87%，均與本研究結(jié)果相似。由此看出，近幾年來，畜禽糞便中的Cu、Zn含量一直維持在較高水平，且豬糞中的Cu、Zn含量尤其高。同時(shí)，有研究表明，目前我國(guó)80.00%以上的畜禽糞便沒有進(jìn)行綜合處理就直接用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，造成我國(guó)的農(nóng)田及菜地重金屬污染嚴(yán)重，給我國(guó)的生態(tài)環(huán)境造成了極大的威脅[25-28]。因此，在將畜禽糞便用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)之前，必須對(duì)其重金屬含量進(jìn)行嚴(yán)格控制。