華東地區(qū)典型畜禽養(yǎng)殖場重金屬產(chǎn)污系數(shù)研究

錢曉雍，王振旗，沈根祥，趙慶節(jié)，徐 昶，付 侃，湯正澤

（上海市環(huán)境科學(xué)研究院，上海 200233）

近年來，我國畜牧業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，規(guī)?；B(yǎng)殖水平顯著提高，保障了肉蛋奶供給，但大量養(yǎng)殖廢棄物沒有得到有效處理利用，成為農(nóng)村環(huán)境治理的一大難題[1]?！笆濉逼陂g，規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場首次納入全國主要水污染物總量減排范圍，畜禽糞污資源化農(nóng)業(yè)利用是主要鼓勵模式[2]。2017年，國務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于加快推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用的意見》，要求加快推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，開啟了全國范圍內(nèi)全面推進(jìn)畜禽糞污資源化利用的帷幕[3]。畜禽糞污中豐富的有機質(zhì)、氮、磷等養(yǎng)分在被作物利用的同時，集約化、規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖過程中廣泛應(yīng)用于飼料添加劑的重金屬元素（如銅、鋅、砷等）以及飼料帶有的重金屬元素（如鉛、鉻等），大部分未被畜禽利用而隨畜禽糞便有機肥進(jìn)入農(nóng)田土壤，長期施用會造成農(nóng)田土壤重金屬累積問題[4]。但是，目前畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)體系主要側(cè)重于化學(xué)需氧量（COD）、氨氮、總氮、總磷等常規(guī)水污染物，對銅、鋅、砷、鉻等重金屬的污染問題尚未重點關(guān)注[5-6]。目前國內(nèi)已有的畜禽糞污重金屬相關(guān)研究報道也更多地側(cè)重于銅、鋅兩種重金屬元素的產(chǎn)污系數(shù)，且基本采用單個品種進(jìn)行定位監(jiān)測的試驗方法，未對其他重金屬元素進(jìn)行系統(tǒng)研究，也未系統(tǒng)考慮單個畜禽養(yǎng)殖場總體產(chǎn)污的實際情況[7-12]；國外也有美國、日本、丹麥等國制定了畜禽養(yǎng)殖業(yè)相關(guān)產(chǎn)排污系數(shù)體系，涉及個別重金屬的產(chǎn)污系數(shù)[13-15]。因此，在當(dāng)前國內(nèi)大力推廣畜禽糞污資源化農(nóng)業(yè)利用的形勢下，有必要對畜禽養(yǎng)殖場糞污重金屬總體產(chǎn)生狀況進(jìn)行系統(tǒng)研究，以更好地保護農(nóng)田土壤生態(tài)環(huán)境。

本研究以華東地區(qū)不同畜禽種類的典型規(guī)?；B(yǎng)殖場為研究對象，選擇砷、汞、鉻、鎘、鉛、銅、鋅、錳等8種重金屬作為監(jiān)測指標(biāo)，研究了不同季節(jié)畜禽糞污重金屬產(chǎn)生規(guī)律，探索了典型畜禽養(yǎng)殖場重金屬產(chǎn)污系數(shù)，為農(nóng)業(yè)污染源調(diào)查監(jiān)測、畜禽糞污資源化安全利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本研究選擇了上海地區(qū)生豬、奶牛、蛋雞3個典型規(guī)?；B(yǎng)殖場作為研究對象，其養(yǎng)殖品種比例具有一定的代表性[16-18]。其中，生豬場年出欄肉豬約15 000頭，存欄母豬約800頭，采用干清糞工藝，固體糞好氧堆肥生產(chǎn)有機肥，污水厭氧發(fā)酵后還田利用；奶牛場存欄奶牛約1400頭，包含泌乳牛900頭、育成牛300頭、犢牛200頭，采用干清糞工藝，固體糞厭氧發(fā)酵后生產(chǎn)有機肥，污水厭氧發(fā)酵后還田利用；蛋雞場存欄蛋雞約50 000羽，包括育雛育成雞15 000羽、產(chǎn)蛋雞35 000羽，采用干清糞工藝，糞便好氧堆肥生產(chǎn)有機肥。此外，上海地區(qū)春夏秋冬四季大致時間分別為3月—5月、6月—8月、9月—11月、12月—次年2月。典型規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場基本情況見表1。

1.2 采樣方法

考慮到不同季節(jié)動物的飼養(yǎng)條件和飼料不同，在春夏秋冬四個季節(jié)連續(xù)3 d對典型畜禽養(yǎng)殖場糞便和污水的產(chǎn)生量進(jìn)行計量，并對其重金屬含量進(jìn)行采樣監(jiān)測。固體糞在堆糞場采集5個點位充分混合，用四分法取2.0 kg左右，當(dāng)日送往檢測實驗室進(jìn)行測定；污水在進(jìn)入污水厭氧池前采集5個樣品充分混合，取2.0 L左右，當(dāng)日送往檢測實驗室進(jìn)行測定。

1.3 分析方法

固體糞中砷、汞采用原子熒光法測定，鉻、銅、鋅采用火焰原子吸收分光光度法測定，鎘、鉛采用石墨爐原子吸收分光光度法測定，錳采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定；污水中砷、鉻、鎘、鉛、銅、鋅、錳采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定，汞采用原子熒光法測定。

1.4 產(chǎn)污系數(shù)計算方法

畜禽養(yǎng)殖業(yè)COD、氨氮等污染物的產(chǎn)污系數(shù)，是指在典型的正常生產(chǎn)和管理條件下，一定時間內(nèi)單個畜禽所產(chǎn)生的原始污染物量?？紤]到畜禽的產(chǎn)污系數(shù)與動物品種、飼養(yǎng)階段、飼料特性等相關(guān)，為了便于計量典型畜禽養(yǎng)殖場重金屬產(chǎn)污系數(shù)，本文以天為單位，針對在各類飼養(yǎng)階段畜禽比例、飼料類型、養(yǎng)殖模式、清糞方式等方面都具有代表性的養(yǎng)殖場，分別計算不同動物（生豬、奶牛、蛋雞）單個畜禽（存欄）的重金屬產(chǎn)污系數(shù)，而不計算同一個畜禽養(yǎng)殖場中不同飼養(yǎng)階段的產(chǎn)污系數(shù)。具體計算公式如下：

表1 典型規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場養(yǎng)殖量基本情況Table 1 Basic information of typical livestock and poultry farms

式中：Pi為每頭（羽）畜禽的重金屬i產(chǎn)污系數(shù)，mg·d-1；QS為每頭（羽）固體糞產(chǎn)生量，kg·d-1；CSi為固體糞中重金屬i的含量，mg·kg-1；QL為每頭（羽）污水產(chǎn)生量，L·d-1；CLi為污水中重金屬i的含量，mg·L-1。

1.5 數(shù)據(jù)分析方法

采用Excel 2016和SPSS20.0軟件包進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同季節(jié)典型畜禽養(yǎng)殖場固體糞產(chǎn)生量及重金屬含量

各類典型畜禽養(yǎng)殖場不同季節(jié)固體糞產(chǎn)生量及重金屬含量測定結(jié)果如表2所示。生豬場固體糞四季平均產(chǎn)生量為1.82 kg·d-1·頭-1，砷、汞、鉻、鎘、鉛、銅、鋅、錳8種重金屬平均含量分別為2.10、0.010、49.8、0.21、5.75、508、857、584 mg·kg-1；奶牛場固體糞四季平均產(chǎn)生量為 21.1 kg·d-1·頭-1，砷、汞、鉻、鎘、鉛、銅、鋅、錳8種重金屬平均含量分別為10.5、0.079、12.6、0.18、2.82、34.3、206、147 mg·kg-1；蛋雞場固體糞四季平均產(chǎn)生量為0.162 kg·d-1·羽-1，砷、汞、鉻、鎘、鉛、銅、鋅、錳8種重金屬平均含量分別為1.18、0.017、29.6、0.41、4.58、55.5、444、588 mg·kg-1。

從不同季節(jié)固體糞重金屬含量分析，生豬場固體糞砷、汞、鉻、鋅含量冬季最高、夏季最低，鎘含量秋季最高、夏季最低，鉛、錳含量冬季最高、春季最低，銅含量冬季最高、秋季最低；奶牛場固體糞砷、鎘含量冬季最高、夏季最低，汞含量春季最高、夏季最低，鉻、鉛、鋅含量秋季最高、夏季最低，銅含量秋季最高、冬季最低，錳含量秋季最高、春季最低；蛋雞場固體糞砷、鎘含量冬季最高、秋季最低，汞含量春季最高、冬季最低，鉻含量秋季最高、夏季最低，鉛含量冬季最高、夏季最低，銅、鋅、錳含量秋季最高、春季最低。

從不同畜禽固體糞重金屬含量分析，固體糞砷含量奶牛場顯著高于生豬場（P＜0.05），生豬場又顯著高于蛋雞場（P＜0.05）；固體糞鎘含量蛋雞場顯著高于生豬場（P＜0.05），生豬場又顯著高于奶牛場（P＜0.05）；固體糞銅含量生豬場顯著高于奶牛場和蛋雞場（P＜0.05）；固體糞鋅含量生豬場顯著高于蛋雞場（P＜0.05），蛋雞場又顯著高于奶牛場（P＜0.05）；固體糞中其余重金屬含量無顯著差異（P＞0.05）。

2.2 不同季節(jié)典型畜禽養(yǎng)殖場污水產(chǎn)生量及重金屬含量

各類典型畜禽養(yǎng)殖場不同季節(jié)污水產(chǎn)生量及重金屬含量測定結(jié)果如表3所示（蛋雞場基本無污水產(chǎn)生，不計量）。生豬場污水四季平均產(chǎn)生量為4.78 L·d-1·頭-1，砷、汞、鉻、鎘、鉛、銅、鋅、錳8種重金屬平均含量分別為49.3、ND、36.2、ND、3.50、23.2、164、26.8 μg·L-1；奶牛場污水四季平均產(chǎn)生量為25.9 L·d-1·頭-1，砷、汞、鉻、鎘、鉛、銅、鋅、錳8種重金屬平均含量分別為67.8、ND、25.4、ND、4.80、14.2、56.7、39.8 μg·L-1。

表2 不同季節(jié)典型畜禽養(yǎng)殖場固體糞產(chǎn)生量及重金屬含量Table 2 Production amount and heavy metal content of animal solid manure from typical livestock and poultry farms in different seasons

從不同季節(jié)污水中重金屬含量分析，生豬場污水砷、鉛、銅含量冬季最高、夏季最低，鉻含量冬季最高、秋季最低，鋅、錳含量四季基本穩(wěn)定；奶牛場污水砷含量冬季最高、秋季最低，鉻、銅含量春季最高、夏季最低，鉛含量春季最高、冬季最低，鋅含量春季最高、秋季最低，錳含量春季最高、冬季最低。

從不同畜禽污水中重金屬含量分析，污水銅、鋅含量生豬場顯著高于奶牛場（P＜0.05）；其余重金屬含量無顯著差異（P＞0.05）。

2.3 不同季節(jié)典型畜禽養(yǎng)殖場重金屬產(chǎn)污系數(shù)

通過4個季節(jié)的測定，按照產(chǎn)污系數(shù)計算公式，獲得的平均結(jié)果如表4所示。從表中可以看出，生豬場砷、汞、鉻、鎘、鉛、銅、鋅、錳8種重金屬平均產(chǎn)污系數(shù)分別為 1.28、0.005、23.8、0.11、2.74、243、416、277 mg·d-1·頭-1；奶牛場砷、汞、鉻、鎘、鉛、銅、鋅、錳8種重金屬平均產(chǎn)污系數(shù)分別為 40.6、0.28、51.6、0.63、10.62、127、786、735 mg·d-1·頭-1；蛋雞場砷、汞、鉻、鎘、鉛、銅、鋅、錳8種重金屬平均產(chǎn)污系數(shù)分別為0.046、0.000 6、1.11、0.016、0.18、2.00、16.1、21.0 mg·d-1·羽-1。從結(jié)果分析，生豬場、奶牛場重金屬產(chǎn)污系數(shù)總體為秋冬季相對較高、春夏季相對較低；蛋雞場重金屬產(chǎn)污系數(shù)為冬春季相對較高、夏秋季相對較低。

3 討論

本文通過對華東地區(qū)生豬、奶牛、蛋雞典型規(guī)?；B(yǎng)殖場糞污重金屬產(chǎn)生情況的測算，提出基于生豬、奶牛、蛋雞養(yǎng)殖過程中不同階段畜禽品種常規(guī)性比例以及糞污收集和處理利用代表性工藝的典型畜禽養(yǎng)殖場重金屬產(chǎn)污系數(shù)。生豬場銅、鋅產(chǎn)污系數(shù)總體略高于董紅敏等[7]、汪開英等[8]、何志平等[9]按照華北、華東、西南地區(qū)生豬原始糞便和尿液測算的產(chǎn)污系數(shù)，可能與不同區(qū)域生豬養(yǎng)殖方式和攝入飼料種類差異有關(guān)，也可能與生豬養(yǎng)殖過程中消毒、清洗等其他投入品使用有關(guān)；奶牛場銅、鋅產(chǎn)污系數(shù)總體與欒冬梅等[10]按照東北地區(qū)奶牛原始糞便和尿液測算的產(chǎn)污系數(shù)相當(dāng)，略低于張振偉等[11-12]按照西北地區(qū)育成牛和泌乳牛原始糞便和尿液測算的產(chǎn)污系數(shù)，可能與不同區(qū)域奶牛養(yǎng)殖方式和攝入飼料種類差異有關(guān)。國內(nèi)缺乏砷、汞、鎘、鉻、鉛、錳產(chǎn)污系數(shù)相關(guān)系統(tǒng)研究資料，但與采用美國農(nóng)業(yè)生物工程師學(xué)會（ASABE）動物糞便產(chǎn)生和特性參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)[13]進(jìn)行測算的結(jié)果相比，生豬、奶牛和蛋雞鎘、鉛產(chǎn)污系數(shù)低于ASABE的系數(shù)，生豬銅、鋅、錳產(chǎn)污系數(shù)高于ASABE的系數(shù)，奶牛、蛋雞銅、鋅、錳產(chǎn)污系數(shù)總體與ASABE系數(shù)相當(dāng)。

表3 不同季節(jié)典型畜禽養(yǎng)殖場污水產(chǎn)生量及重金屬含量Table 3 Production amount and heavy metal content of animal liquid manure fromtypical livestock and poultry farms in different seasons

表4 典型畜禽養(yǎng)殖場單位畜禽重金屬產(chǎn)污系數(shù)Table 4 Pollutant generation coefficient of heavy metals of typical livestock and poultry farms

本文以生豬、奶牛、蛋雞的單個畜禽養(yǎng)殖場為整體進(jìn)行考慮，雖然無法獲得畜禽養(yǎng)殖場內(nèi)不同階段畜禽品種的重金屬產(chǎn)污系數(shù)，但通過對整個畜禽養(yǎng)殖場糞污重金屬產(chǎn)生狀況的系統(tǒng)研究，囊括了畜禽養(yǎng)殖生產(chǎn)和廢棄物處理過程中非來源于畜禽糞污的重金屬帶入情況以及糞污收集狀況，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合不同階段畜禽品種重金屬產(chǎn)生情況的相關(guān)研究，可以更加系統(tǒng)、完整地掌握不同類型畜禽養(yǎng)殖場重金屬的產(chǎn)生情況，為畜禽養(yǎng)殖業(yè)投入品的綜合管控和畜禽糞污資源化利用的風(fēng)險防控提供基礎(chǔ)依據(jù)。

但是，由于本文研究過程是基于畜禽養(yǎng)殖過程中不同階段畜禽品種常規(guī)性比例以及糞污收集和處理代表性工藝，而各類畜禽養(yǎng)殖場實際養(yǎng)殖比例、糞污收集和處理利用工藝千差萬別，同時本文僅采集了4個季度中個別天數(shù)的畜禽糞污進(jìn)行監(jiān)測，尚未針對畜禽生長過程中不同時期含重金屬飼料攝入情況進(jìn)行針對性采樣監(jiān)測，后續(xù)應(yīng)考慮對不同養(yǎng)殖比例、不同糞污收集和處理工藝、不同飼料投入方式的畜禽養(yǎng)殖場開展重金屬產(chǎn)污系數(shù)研究，從而更好地完善畜禽養(yǎng)殖業(yè)重金屬產(chǎn)污系數(shù)體系。

4 結(jié)論

（1）通過對華東地區(qū)生豬、奶牛、蛋雞典型養(yǎng)殖場四季糞污產(chǎn)生量及其重金屬含量的測定，獲得了典型畜禽養(yǎng)殖場的重金屬產(chǎn)污系數(shù)：生豬場砷、汞、鉻、鎘、鉛、銅、鋅、錳產(chǎn)污系數(shù)分別為1.28、0.005、23.8、0.11、2.74、243、416、277 mg·d-1·頭-1；奶牛場砷、汞、鉻、鎘、鉛、銅、鋅、錳產(chǎn)污系數(shù)分別為40.6、0.28、51.6、0.63、10.62、127、786、735 mg·d-1·頭-1；蛋雞場砷、汞、鉻、鎘、鉛、銅、鋅、錳產(chǎn)污系數(shù)分別為 0.046、0.000 6、1.11、0.016、0.18、2.00、16.1、21.0 mg·d-1·羽-1。

（2）研究采用的產(chǎn)污系數(shù)主要針對各類畜禽養(yǎng)殖過程中不同階段畜禽品種常規(guī)性比例以及糞污收集和處理利用代表性工藝，可以為畜禽糞污資源化利用中重金屬污染風(fēng)險管控提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，后續(xù)可通過進(jìn)一步研究繼續(xù)完善畜禽養(yǎng)殖業(yè)重金屬產(chǎn)污系數(shù)體系。