珠三角畜禽養(yǎng)殖場周邊地表水污染特征及環(huán)境質(zhì)量分析

宋磊 ，毛航球 ，李文英，高繡紡，歐俊，李倩

1. 廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，廣東 廣州 510640；2. 長江大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430100

伴隨農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)規(guī)模發(fā)展壯大，由農(nóng)業(yè)面源污染引起的地表水污染愈發(fā)嚴(yán)重，已成為地表水體污染的重要來源，極大制約著社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展（Wu et al.，2017；吳一鳴等，2012）。畜禽養(yǎng)殖污染作為農(nóng)業(yè)面源污染的主要來源之一，已成為當(dāng)前的關(guān)注熱點。據(jù)《第二次全國污染普查公報》顯示，畜禽養(yǎng)殖業(yè)主要水污染排放量中：化學(xué)需氧量1000.53×104t，總氮 59.63×104t，總磷 11.97×104t，是造成地表水體污染的重要因素之一（中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部等，2020）。因此，分析研究畜禽養(yǎng)殖過程中的污染特征及環(huán)境質(zhì)量，對于實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展十分重要。近年來，畜禽養(yǎng)殖場周邊環(huán)境的調(diào)查研究引起了廣泛的關(guān)注，但大多數(shù)研究主要集中于畜禽養(yǎng)殖場廢水、周邊土壤和農(nóng)作物中重金屬（奚功芳等，2014；楊潞等，2018；姜萍等，2010）或抗生素（姜冰等，2018；魏瑞成等，2010）殘留水平的研究，對于畜禽場周邊水環(huán)境污染的研究報道較少。珠三角地區(qū)作為中國重要的經(jīng)濟中心，受到有效消納養(yǎng)殖污染農(nóng)田面積的限制，規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖快速發(fā)展的同時逐步脫離傳統(tǒng)種植業(yè)，大量集中排放的廢棄物無法完全消納（楊媛媛等，2012；陳瑤等，2014），其流失所造成的面源污染嚴(yán)重的破壞了當(dāng)?shù)氐乃鷳B(tài)環(huán)境。為摸清珠三角地區(qū)養(yǎng)殖場周邊地表水的污染情況，本研究以珠三角地區(qū)（廣州、東莞、惠州、肇慶和佛山）18個畜禽養(yǎng)殖區(qū)域周邊地表水為研究對象，通過調(diào)查珠三角地區(qū)畜禽養(yǎng)殖場周邊地表水中13項指標(biāo)的污染情況，據(jù)此研究其污染特征并對其環(huán)境質(zhì)量進行分析，為珠三角地區(qū)畜禽養(yǎng)殖業(yè)及生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品來源

樣品均來自于畜禽養(yǎng)殖場周邊地表水體，養(yǎng)殖類型主要包括生豬、奶牛和鴨，其中生豬養(yǎng)殖場采用水沖糞進行糞污清理，畜禽糞尿固液分離后經(jīng)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼液用于農(nóng)田施用，奶牛場和養(yǎng)鴨場采用干清糞處理糞污，畜禽糞便收集后堆肥處理，殘余糞便、尿液經(jīng)厭氧發(fā)酵后回田利用。

1.2 樣品采集與保存

2018年3—5月期間選擇珠三角地區(qū)廣州、東莞、惠州、肇慶和佛山5市18個具有代表性的養(yǎng)殖區(qū)域進行水樣的采集，位點設(shè)置如圖1所示。以養(yǎng)殖場為中心，選取周邊的水塘、溝渠采集表層水樣（水下50 cm），同一區(qū)域內(nèi)采集4—6個平行樣，現(xiàn)場混勻為1個樣品，共計采集水樣30個，采樣時盡量避開污染源及水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)域，以減小誤差。采樣用聚乙烯塑料瓶預(yù)先使用稀鹽酸浸泡 24 h并用去離子水沖洗干凈后烘干，樣品采集完成后進行密封編號，帶回實驗室于24 h內(nèi)完成水質(zhì)測定。

1.3 水質(zhì)指標(biāo)及分析方法

考慮到水樣來源的特殊性和資源化利用的可能性，本次評價以地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（V類）（國家環(huán)境保護總局等，2002）為基準(zhǔn)，綜合畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（國家環(huán)境保護總局等，2001）和農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（旱作）（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局等，2005）建立了各污染指標(biāo)的綜合評價標(biāo)準(zhǔn)，選取其中8項常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)和 5項重金屬指標(biāo)進行測定，主要包括：氨氮（NH3-N）、總磷（TP）、化學(xué)需氧量（CODCr）、五日生化需氧量（BOD5）、全鹽量（TS）、懸浮物（SS）、糞大腸菌群（FC）、酸堿度（pH）及重金屬（砷As、鎘Cd、六價鉻Cr、汞Hg、鉛Pb），各指標(biāo)測定方法（國家環(huán)境保護總局，2002）及來源見表1所示。

1.4 評價方法

目前常見的水質(zhì)評價方法主要有單因子污染指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法和分級評價法等。本研究采用《GB/T 19525.2—2004畜禽場環(huán)境質(zhì)量評價準(zhǔn)則》（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局等，2004）中的指數(shù)法對養(yǎng)殖場周邊地表水進行環(huán)境質(zhì)量評價，評價過程中以預(yù)警級（Ii，P=1）作為綜合標(biāo)準(zhǔn)進行比對分析，該方法基于各污染物的單因子指數(shù)和綜合污染指數(shù)，綜合考慮畜禽廢棄物對周邊地區(qū)水環(huán)境可能產(chǎn)生的影響，能夠更全面的反映畜禽場場周邊地表水的污染狀況。此外，本研究還利用相關(guān)性分析和主成分分析法對地表中的各污染指標(biāo)進行了分析，對地表水中各污染物的來源進行簡要的解析。

1.4.1 畜禽場環(huán)境質(zhì)量評價

畜禽場環(huán)境質(zhì)量評價按指數(shù)法確定環(huán)境質(zhì)量級數(shù)，其計算公式如下：

式中，Ii為某污染物的單項污染指數(shù)；Ci為環(huán)境污染物的實測濃度；Csi為污染物的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)濃度限值；Imax為各項污染物中最大污染指數(shù)；n為參加評價污染指標(biāo)的項目數(shù)；P為綜合污染指數(shù)。根據(jù)計算所得的Ii和P值的大小，參照表2劃分環(huán)境質(zhì)量等級（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局等，2004）。

圖1 采樣點位分布圖Fig. 1 Study area and sampling locations

表1 水質(zhì)指標(biāo)測定方法及標(biāo)準(zhǔn)限值Table 1 Determination methods of water-quality index and the related standard limits

表2 環(huán)境質(zhì)量評價指數(shù)及分級標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Environmental quality assessment index and classification standard

1.4.2 相關(guān)性分析與主成分分析

采用Pearson相關(guān)系數(shù)衡量各指標(biāo)間的相關(guān)程度，同時利用主成分分析對多項水質(zhì)指標(biāo)降維提取主要指標(biāo)，該指標(biāo)能夠客觀、準(zhǔn)確的反映水質(zhì)的污染程度，實現(xiàn)對污染源的解析（蔡金傍等，2007；盛周君等，2007；Ouyang，2005），已廣泛應(yīng)用于環(huán)境領(lǐng)域。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法

本文數(shù)據(jù)經(jīng)初步處理后，利用Excel 2016對相關(guān)結(jié)果進行圖表繪制，同時利用IBM SPSS 20.0對相關(guān)數(shù)據(jù)進行多元分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 畜禽養(yǎng)殖場周邊地表水污染指標(biāo)統(tǒng)計特征

畜禽養(yǎng)殖場周邊地表水中污染指標(biāo)統(tǒng)計特征如表 3所示。從表中可以看出，常規(guī)污染指標(biāo)：NH3-N、TP、CODCr、BOD5、TS、SS、FC、pH 的平均值分別為6.31、2.83、247.57、27.57、703.53、244.07 mg·L-1、6.28×106indiv.·L-1和 6.96，與綜合標(biāo)準(zhǔn)相比，僅pH和TS未超標(biāo)，其他各項污染指標(biāo)的最大濃度和平均濃度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了綜合標(biāo)準(zhǔn)限值。其中又以FC、TP、CODCr和NH3-N的污染最為嚴(yán)重，平均濃度分別超出綜合標(biāo)準(zhǔn)限值的 628、7.08、6.19、3.16倍。此外，根據(jù)各采樣點樣品數(shù)據(jù)統(tǒng)計可知，NH3-N、TP、CODCr、BOD5和FC的最高濃度值均出現(xiàn)于東莞地區(qū)，而TS和SS的最高濃度值出現(xiàn)于惠州地區(qū)。重金屬污染指標(biāo)：As、Cd、Cr、Hg、Pb的平均濃度分別為1.67、0.89、49.52、0.58、6.61 μg·L-1，均低于標(biāo)準(zhǔn)限值，Cr和 Hg 的平均濃度雖低于綜合標(biāo)準(zhǔn)限值，但其最大濃度分別超過綜合標(biāo)準(zhǔn)限值的4.24倍和3.15倍。

畜禽養(yǎng)殖場周邊地表水中NH3-N、TP、CODCr、BOD5、TS、SS、FC、pH、As、Cd、Cr、Hg、Pb的變異系數(shù)分別為 148.97%、152.30%、59.41%、94.02%、244.44%、86.88%、490.45%、4.02%、65.87%、111.24%、200.22%、131.03%和91.23%，其大小排列順序為：FC＞TS＞Cr＞TP＞NH3-N＞Hg＞Cd＞BOD5＞Pb＞SS＞As＞COD＞pH，除 pH 外變異系數(shù)均超過50%，屬于高等程度以上變異，表明地表水中各污染物的濃度變化幅度均比較大，受到外界的干擾比較顯著。

表3 珠三角畜禽養(yǎng)殖場周邊地表水污染指標(biāo)統(tǒng)計特征Table 3 Statistical characteristics of pollution index in surface water around Livestock and Poultry Farms

2.2 畜禽養(yǎng)殖場周邊地表水污染物來源分析

2.2.1 相關(guān)性分析

地表水中不同污染因子間Pearson相關(guān)性分析結(jié)果如表 4所示。NH3-N、TP、CODCr、BOD5和Cr之間呈極顯著相關(guān)性，其中NH3-N和TP之間相關(guān)系數(shù)最高，這說明它們之間關(guān)系密切，可能具有相似的來源。TS和其他各污染因子間均無顯著相關(guān)性。SS和Cr有極顯著相關(guān)關(guān)系，初步推測Cr的來源可能與水體中的懸浮物質(zhì)有關(guān)。pH僅和 BOD5呈顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.412，而BOD5和SS間又存在極顯著相關(guān)關(guān)系，說明水體中pH、SS和BOD5之間存在因果關(guān)系。重金屬元素中，Cr與其他重金屬元素均無顯著相關(guān)性，而As、Cd、Hg和Pb之間呈顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系，初步表明 As、Cd、Hg和Pb來源可能相同，Cr來源與其他重金屬元素不同。

2.2.2 主成分分析

利用主成分分析法對地表水中各污染指標(biāo)進行分析，為使得到的每個主成分意義更加明確，采用最大方差法進行旋轉(zhuǎn)，按照特征值大于1原則提取主成分。結(jié)果如表5所示，提取的4個主成分對樣本的累積貢獻率達到了79.687%。其中，NH3-N、TP、CODCr、BOD5、FC和Cr在第一主成分上載荷較大，載荷值分別為0.785、0.861、0.773、0.713、0.951和0.743，方差貢獻率為32.319%，反映了養(yǎng)殖場周邊地表水中營養(yǎng)鹽、有機污染物、糞大腸菌群和六價鉻的污染比較嚴(yán)重，故可推測主成分1主要是和周邊畜禽養(yǎng)殖生產(chǎn)活動污染有關(guān)。As、Cd、Hg和Pb在第二主成分上載荷較大，載荷值分別為0.522、0.828、0.901和 0.820，方差貢獻率為23.000%，主要反映了養(yǎng)殖場周邊地表水中重金屬污染水平。分析重金屬指標(biāo)統(tǒng)計數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，養(yǎng)殖場周邊地表水體中As、Cd、Hg和Pb的含量均比較低，其平均值均遠(yuǎn)低于地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，同時相關(guān)性分析表明這幾種重金屬之間可能具有同一來源。據(jù)此推測這些重金屬元素可能與土壤侵蝕或流失有關(guān)，主要代表了環(huán)境背景值（解瑩等，2012）。SS和pH在第三主成分上載荷較大，載荷值為0.870和0.647，方差貢獻率為14.914%，主要代表了水體理化特性。TS在第四主成分上載荷較大，載荷值為0.939，方差貢獻率為 9.453%，主要反映了地表水體中鹽類物質(zhì)污染水平，其濃度明顯低于標(biāo)準(zhǔn)限值，推測可能與底泥中鹽分的釋放有關(guān)。

表4 地表水體污染指標(biāo)的Pearson相關(guān)矩陣Table 4 Pearson correlation matrix of the pollution index in surface water

表5 主成分載荷矩陣Table 5 Principal component loading matrix

2.3 畜禽養(yǎng)殖場周邊地表水環(huán)境質(zhì)量分析

研究區(qū)域內(nèi)各項污染指標(biāo)的單項污染指數(shù)情況如圖2所示。從單項污染指數(shù)的評價結(jié)果來看，珠三角畜禽養(yǎng)殖場周邊地表水的 13項污染指標(biāo)中有7項為理想級和良好級（TS、pH、As、Cd、Cr、Hg和Pb），2項為污染級（BOD5和SS），4項為重污染級（NH3-N、TP、CODCr和FC），其按大小排列為：FC＞TP＞CODCr＞NH3-N＞BOD5＞SS＞pH＞TS＞Hg＞Cr＞Cd＞Pb＞As，主要污染因子為 FC、TP、CODCr和 NH3-N，單項污染指數(shù)分別為 628、7.08、6.19和3.16，屬于重污染級別。此外，雖然地表水中各重金屬的污染指數(shù)都相對較低，但仍有個別超標(biāo)現(xiàn)象，從長遠(yuǎn)角度出發(fā)，考慮到環(huán)境中重金屬的遷移作用和累積效應(yīng)，畜禽養(yǎng)殖場周邊地表水中的重金屬仍具有一定的環(huán)境風(fēng)險。

珠三角各研究區(qū)域的綜合污染指數(shù)情況如圖 3所示。分析綜合污染指數(shù)評價結(jié)果可知，珠三角地區(qū)畜禽養(yǎng)殖場周邊地表水整體污染情況不容樂觀，綜合污染指數(shù)為 3.86（重污染級），各研究區(qū)域內(nèi)的綜合污染指數(shù)表現(xiàn)出一定程度的差異性，其中肇慶和惠州地區(qū)情況較為良好，而廣州、佛山和東莞地區(qū)情況相對較差，綜合污染指數(shù)分別為 1.03、2.02、3.09、4.87和6.01，均在預(yù)警級以上。

3 討論

圖2 畜禽養(yǎng)殖場周邊地表水單項污染指數(shù)Fig. 2 Single pollution index of surface water around livestock and poultry farm

圖3 畜禽養(yǎng)殖場周邊地表水綜合污染指數(shù)Fig. 3 Comprehensive pollution index of surface water around livestock and poultry farm

地表水各污染因子中，除pH、TS和重金屬外，其他污染指標(biāo)的平均含量均遠(yuǎn)高于綜合標(biāo)準(zhǔn)限值，總體達到了重污染級，其中FC、TP、CODCr和NH3-N超標(biāo)嚴(yán)重，所引起的污染最為嚴(yán)重，這一結(jié)果與畜禽養(yǎng)殖場廢水中的主要污染因子高度一致（李文英等，2013；曾悅等，2010），說明畜禽養(yǎng)殖場廢水在經(jīng)過一系列的凈化處理后，其污染物濃度雖有明顯的下降，但許多污染指標(biāo)仍無法達到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，排入環(huán)境后會造成嚴(yán)重的二次污染。NH3-N、TP、CODCr、BOD5和FC等最大污染濃度出現(xiàn)于東莞地區(qū)，而TS和SS主要出現(xiàn)于惠州地區(qū)，且各污染因子均表現(xiàn)出了高度的變異性。根據(jù)采樣點的分布情況及養(yǎng)殖情況可知，相對于惠州地區(qū)的規(guī)?；B(yǎng)殖，東莞地區(qū)的畜禽養(yǎng)殖相對分散且規(guī)模較小，在養(yǎng)殖類型上也存在著一定差異，這可能是造成以上現(xiàn)象的主要原因。規(guī)模化的養(yǎng)殖場一般擁有較為完整的生產(chǎn)線和配套的廢棄物處理設(shè)施，廢水經(jīng)過集中處理后排放，而未形成規(guī)?；酿B(yǎng)殖場往往無法具備相應(yīng)條件，廢水不達標(biāo)排放對周邊水體造成了嚴(yán)重污染（宣夢等，2018；葉紅玉等，2015）。重金屬指標(biāo)中除Cr和Hg的最大濃度略微超標(biāo)外，整體含量均低于標(biāo)準(zhǔn)限值。畜禽養(yǎng)殖過程中所產(chǎn)生的重金屬主要來源于飼料，一般情況下會富集于畜禽糞便中，而Hg和Cr作為分流作用較強的污染因子，部分會分流于廢水中，這可能是造成畜禽養(yǎng)殖場周邊地表水中Hg和Cr的最大濃度出現(xiàn)超標(biāo)的因素之一（吳建敏等，2009）。

污染物來源分析結(jié)果顯示，Cr的來源與水中懸浮物質(zhì)有關(guān)，而已有研究證明水體中的懸浮物表面積比較大，容易吸附重金屬，而水體環(huán)境改變后會重新析出，隨著水體中懸浮物沉降幅度的變化，Cr的遷移積累過程也發(fā)生相應(yīng)變化（辛成林等，2015；杜佳等，2019）。NH3-N、TP、CODCr、BOD5、FC和 Cr在第一主成分上載荷較大，主要代表畜禽養(yǎng)殖活動所造成周邊環(huán)境的污染。研究表明，地表水中NH3-N、TP、CODCr、BOD5和高濃度的FC污染可能與多方面因素有關(guān)，主要是畜禽養(yǎng)殖廢棄物的排放和農(nóng)業(yè)中化肥的使用造成的（Wilbers et al.，2014）。此外，畜禽飼料中鉻元素的添加使養(yǎng)殖廢水具有潛在的鉻污染風(fēng)險，而畜禽對鉻的低吸收率和高排泄率往往會造成畜禽糞便中鉻的超標(biāo)，經(jīng)糞水的分流后是造成養(yǎng)殖場周邊地表水體中鉻污染的重要來源（王愛娜等，2005）。

環(huán)境質(zhì)量分析表明，在畜禽養(yǎng)殖場的影響下，其周邊地表水環(huán)境會受到不同程度的污染，尤其是以FC、TP、CODCr和NH3-N的污染最為嚴(yán)重。若用于農(nóng)田灌溉，其中所含大量的氮、磷等營養(yǎng)元素雖是很好的養(yǎng)分來源，但其中過量的糞大腸菌群對生態(tài)環(huán)境及人體健康會產(chǎn)生直接威脅，且所含微量重金屬在長期積累下也具有一定風(fēng)險；若擴散至江河流域，其中所含大量的營養(yǎng)元素和有機污染物極易造成水體的富營養(yǎng)化，造成水生生物死亡，破壞水生態(tài)環(huán)境。

綜上所述，畜禽養(yǎng)殖場周邊地表水已受到不同程度污染，從污染評價角度來看，屬于劣V類水質(zhì)，長期暴露于畜禽場周邊環(huán)境中極易造成水質(zhì)惡化。針對珠三角畜禽養(yǎng)殖場周邊地表水污染現(xiàn)狀，可結(jié)合養(yǎng)殖場現(xiàn)有模式及周邊流域特征，充分考慮各類污染物的生物可利用性，在畜禽場到地表水體的過渡帶建立小型人工濕地進行攔蓄，實現(xiàn)污染物資源化利用的同時，有效防控畜禽養(yǎng)殖引起地表水體污染（高春芳等，2011；王韶華等，2007），達到人為活動與自然生態(tài)的和諧共處。

4 結(jié)論

（1）珠三角畜禽養(yǎng)殖場周邊地表水中NH3-N、TP、CODCr、BOD5、SS和 FC的平均濃度和最大濃度均高于綜合標(biāo)準(zhǔn)限值。重金屬指標(biāo)中僅 Cr和Hg的最大濃度部分超標(biāo)，需警惕重金屬長期積累所產(chǎn)生的風(fēng)險。

（2）相關(guān)性分析與主成分分析表明，地表水中NH3-N、TP、CODCr、BOD5、FC和Cr反映了畜禽養(yǎng)殖活動對周邊地表水水質(zhì)的影響，As、Cd、Hg和Pb與區(qū)域環(huán)境背景值有關(guān)，SS和pH代表了地表水體的理化性質(zhì)，TS主要與底泥中鹽分的釋放有關(guān)。

（3）環(huán)境質(zhì)量表明，珠三角畜禽養(yǎng)殖場周邊地表水污染情況較為嚴(yán)重，綜合污染指數(shù)為 3.86，各研究區(qū)域綜合污染指數(shù)均在預(yù)警級以上，主要污染因子為FC、TP、CODCr和NH3-N?；谝陨锨闆r，需針對畜禽養(yǎng)殖廢水中主要污染指標(biāo)進行深度處理和設(shè)施防控，實現(xiàn)綠色種養(yǎng)與生態(tài)環(huán)保的共贏局面。