典型河源區(qū)畜禽糞便農(nóng)田施用的環(huán)境承載力研究

胡家晴，王 洋，于 銳，崔政武

(1.中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 濕地生態(tài)與環(huán)境重點實驗室，吉林 長春 130102;2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引 言

畜禽廢棄物的還田施用是最經(jīng)濟(jì)實用的資源化利用方式，同時也成為農(nóng)業(yè)面源與水環(huán)境污染的主要來源之一。畜禽廢棄物中重金屬和抗生素是制約土地利用的限制因素。飼料中添加的重金屬以及各類抗生素添加劑在畜禽糞便中的殘留量極高，其中，重金屬以Cu和Zn的含量最高，進(jìn)入動物體內(nèi)的Cu和Zn元素90%以上會隨畜禽糞便和尿液被排出體外[1]；而抗生素中四環(huán)素類抗生素(TCs)在養(yǎng)殖場的原廢水中殘留濃度最高，其中動物糞便中土霉素(OTC)和金霉素(CTC)的濃度最高[2]。糞便作為有機肥超過當(dāng)?shù)赝寥老{能力時，糞便中的重金屬和抗生素不僅會使土壤肥力下降、微生物死亡、誘導(dǎo)微生物產(chǎn)生抗性基因[3-5]，還會隨著降雨降雪滲入地下后污染地下水，或通過雨水徑流污染水環(huán)境。因此，畜禽糞便中重金屬及抗生素含量、排放特征以及對農(nóng)田施用的環(huán)境承載力研究成為當(dāng)前面臨的重要問題。

吉林省東遼河是遼河的發(fā)源地，由于源頭區(qū)水環(huán)境容量低、污染負(fù)荷大，農(nóng)業(yè)農(nóng)村面源污染嚴(yán)重，畜禽養(yǎng)殖廢棄物處理利用率低等造成了水環(huán)境污染、水源涵養(yǎng)問題突出，嚴(yán)重制約了區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展。該區(qū)域是我國重要的優(yōu)質(zhì)商品糧基地，糧食商品率達(dá)70%以上，確保該區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食安全至關(guān)重要。同時畜禽養(yǎng)殖業(yè)作為該區(qū)域重要的支柱產(chǎn)業(yè)，畜禽糞便的土地利用面臨巨大壓力。目前東遼河源區(qū)畜禽糞便及其重金屬、抗生素產(chǎn)生與排放特征研究較少，農(nóng)田施用的環(huán)境承載力不明確。本研究通過調(diào)查研究東遼縣畜禽糞便中的重金屬及抗生素種類和含量，分析重金屬環(huán)境承載力及糞便安全施用年限、抗生素生態(tài)風(fēng)險，探究畜禽糞便農(nóng)田施用的環(huán)境承載力，為畜禽糞便資源化利用及耕地土壤污染處理與防治提供數(shù)據(jù)支持，對改善東遼河源區(qū)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與測試分析

選取東遼河源區(qū)東遼縣4個養(yǎng)豬、4個養(yǎng)牛、4個養(yǎng)雞的典型規(guī)模化養(yǎng)殖場，進(jìn)行畜禽糞便污染物排放與含量監(jiān)測。畜禽糞便中重金屬Cr、Cu、Zn、Ni、Pb、Cd、Hg和As根據(jù)土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試用)(GB15618-2018)檢測[6]，檢出限分別0.01 mg·kg-1、0.1 mg·kg-1、0.1 mg·kg-1、0.1 mg·kg-1、0.01 mg·kg-1、0.001 mg·kg-1、0.01 mg·kg-1和0.04 mg·kg-1。

畜禽糞便中四環(huán)素類抗生素采用pH為4的Na2EDTA-McIlvaine(0.05 mol·L-1EDTA+0.06 mol·L-1Na2HPO4+0.08 mol·L-1檸檬酸)緩沖液提取[7]，用高效液相色譜法(HPLC)-紫外檢測法檢測分析，土霉素、四環(huán)素和金霉素的檢出限均為5 μg·kg-1。

1.2 分析方法

1.2.1 畜禽糞便量的計算。根據(jù)王磊、肖琴等[8-9]的研究結(jié)果，選擇牛的年末存欄量、雞和豬的年出欄量作為飼養(yǎng)量。根據(jù)國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)-畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染治理工程技術(shù)規(guī)范(HJ 497-2009)[10]，牛、豬、雞的日排泄量分別為20.0 kg·(只·d)-1、2.0 kg·(只·d)-1、0.12 kg·(只·d)-1，飼養(yǎng)周期分別為365 d、199 d、210 d，通過下式計算糞便年排放量：

N=Ti×Ni×Pi

式中：N為某畜禽動物的糞便總排放量；Ni為此畜禽動物日糞便排放量；Ti為飼養(yǎng)周期；Pi為此畜禽動物飼養(yǎng)量。

1.2.2 畜禽糞便耕地負(fù)荷。畜禽糞便耕地負(fù)荷是指區(qū)域單位面積承載的畜禽糞便量。計算公式如下：

r=q/p

式中：q為耕地豬糞當(dāng)量負(fù)荷值，t·hm-2；p為農(nóng)田有機肥理論最大適宜施用量，取30 t·hm-2[11-12]；r為區(qū)域畜禽糞便負(fù)荷量承受程度的預(yù)警值，可反映各地區(qū)畜禽糞便耕地負(fù)荷承受程度。因不同類別畜禽糞便的肥效成分和農(nóng)田消納量不同，將牛糞、雞糞轉(zhuǎn)換成豬糞當(dāng)量，轉(zhuǎn)換系數(shù)分別為0.69、2.51[13]。畜禽糞便負(fù)荷預(yù)警級別見表1。

1.2.3 畜禽糞便中重金屬的土壤環(huán)境承載力。重金屬的環(huán)境承載力采用承載力飽和度法計算[14]：

Ri=Cm/C0

(1)

(2)

假設(shè)一年產(chǎn)生的畜禽糞便全部均勻施向農(nóng)田，利用1.2 g·cm-3土壤容重及0.2 m耕層深度計算重金屬耕地負(fù)荷[8]，與吉林省土壤環(huán)境背景值之和作為重金屬含量現(xiàn)實值Cm，選擇吉林省土壤環(huán)境背景值為指標(biāo)上限值C0。根據(jù)表2及表3所示污染指數(shù)分級評價污染級別[9]。Ri或R越大，表示環(huán)境承載力越小。

表2 單因子污染指數(shù)分級Table 2 Single factor pollution index classification

表3 綜合因子污染指數(shù)分級Table 3 Comprehensive factor pollution index classification

1.2.4 畜禽糞便安全施用年限。以目前畜禽糞便中重金屬含量水平，利用重金屬含量變化估算公式[8]，預(yù)測農(nóng)田土壤中重金屬積累量及安全施加年限：

Ct=C0+kt

(1)

(2)

式中：Ct為t時刻土壤中重金屬含量(mg·kg-1)；C0為土壤重金屬背景值(mg·kg-1)，本研究選擇吉林省土壤背景值；k為土壤重金屬積累速率(mg·(hm2·a)-1)；t為有機肥施用年限(a)；A為每年每公頃土地施肥量(kg·(hm2·a)-1)；M為糞便重金屬濃度(mg·kg-1)；ρ為吉林省土壤容重，取1.2 g·cm-3；D為耕層深度，取0.2 m。假設(shè)當(dāng)重金屬含量水平超過土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)(GB15618-2018)[6]中重金屬篩選值時，t為安全施加年限。

假設(shè)東遼縣產(chǎn)生的全部畜禽糞便平均分配至325個規(guī)?；B(yǎng)殖場并以其為圓心向外按旱田、水田面積比例擴(kuò)散施用，總面積分別為88 703 hm2、3 226 hm2，每個養(yǎng)殖場可施用的旱田、水田面積分別為272.9 hm2、9.9 hm2，計算當(dāng)重金屬達(dá)到篩選值時糞便最小施用半徑與最大可施用半徑之比：

式中：i為安全施用年限中糞便最小施用半徑與最大可施用半徑比值；a為安全施用年限分別為50、100、150年時最小施用半徑(m)；A為旱田或水田中最大可施用半徑，分別為932.1 m、177.8 m。

1.2.5 畜禽糞便中抗生素生態(tài)風(fēng)險。采用RQ法評估抗生素在土壤中的生態(tài)風(fēng)險：

RQ=MEC/PNECs

(1)

PNECs=PNECw×K

(2)

PNECw=EC50/AF

(3)

式中：MEC為實測濃度(μg·kg-1)；PNECs為土壤中預(yù)測無效應(yīng)濃度(μg·kg-1)；PNECw為水體中預(yù)測無效應(yīng)濃度(μg·kg-1)；K為土壤-水分配系數(shù)(L·kg-1)；EC50為半最大效應(yīng)濃度(mg·L)；AF為評估因子，取1000。PNECw、PNECw、K、EC50取值見表4[15]。評價抗生素生態(tài)風(fēng)險等級有三級：RQ<0.01表示無風(fēng)驗；0.01≤RQ<1表示中等風(fēng)險；RQ≥1表示高風(fēng)險?？股豏Q越大，表示抗生素產(chǎn)生的生態(tài)風(fēng)險越大。

表4 抗生素的PNECw、PNECs、K、EC50Table 4 PNECw,PNECs,K,and EC50 of antibiotic

2 結(jié)果與分析

2.1 東遼河源區(qū)畜禽糞便耕地負(fù)荷

東遼縣肉牛、生豬、肉雞近三年的平均飼養(yǎng)量分別為2 382、25 029、3 060 784只，根據(jù)畜禽飼養(yǎng)量及日排泄量，估算一年產(chǎn)生的糞便總量(表5)。

表5 東遼縣牛、豬和雞年飼養(yǎng)量及糞便總量Table 5 Annual feeding quantity and total feces of cattle,pigs and chickens in Dongliao County

東遼縣雞糞便產(chǎn)生量77 132 t>牛糞便產(chǎn)生量17 389 t>豬糞便產(chǎn)生量9 962 t。利用畜禽糞便耕地負(fù)荷預(yù)警值r，表征其對環(huán)境的威脅程度，東遼縣耕地面積為112 868 hm2，計算后可得，東遼縣畜禽糞便耕地平均負(fù)荷量為1.92 t· hm-2，r值為0.064。由表1可知，預(yù)警級別為Ⅰ級，耕地受納潛力大，在不添加外源化肥的情況下，畜禽糞便中有機物及營養(yǎng)物質(zhì)對耕地基本沒有威脅。

2.2 畜禽糞便中重金屬污染狀況

總體上看，規(guī)模化養(yǎng)殖場畜禽糞便的重金屬平均含量表現(xiàn)為：豬糞>雞糞>牛糞，其中，以Cu和Zn含量最高(圖1)。根據(jù)表7，豬糞、雞糞、牛糞中的Cu平均含量分別為241 mg·kg-1、134 mg·kg-1和33.8 mg·kg-1，Zn平均含量分別為478 mg·kg-1、367 mg·kg-1和106 mg·kg-1。從不同的畜禽糞便角度分析，豬糞、雞糞中Cu的平均含量分別是牛糞中的7.2倍和4.0倍，Zn平均含量分別是牛糞中的4.5倍和3.4倍。

注：含量以以干糞計，mg·kg-1。下同。Note:Content calculated as dry manure,mg·kg-1.The same is as below.圖1 不同類別畜禽糞便中重金屬含量Fig.1 Heavy metal contents in different types of livestock manures

根據(jù)我國農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)(GB4284-2018)[16](表6)，豬糞和雞糞中Cu的超標(biāo)率分別為29.9%和9.8%；雞糞中Cu超標(biāo)率為14.3%。根據(jù)有機肥料標(biāo)準(zhǔn)(NY 525-2012)[17]，牛糞、豬糞、雞糞中Cr的超標(biāo)率分別為20.0%、33.3%、14.3%，Pb的超標(biāo)率分別為90.0%、60%、57.1%，該標(biāo)準(zhǔn)未對Cu和Zn作出限量。根據(jù)德國腐熟堆肥標(biāo)準(zhǔn)，牛糞、豬糞、雞糞中的Ni超標(biāo)率分別為40.0%、22.2%、42.9%；豬糞、雞糞中Cu的超標(biāo)率分別為55.6%、14.3%，Zn的超標(biāo)率分別為44.4%、28.6%。牛糞中的重金屬Cu、Zn均未超標(biāo)，豬糞中Cu、Zn超標(biāo)現(xiàn)象最為嚴(yán)重。

表6 不同類別畜禽糞便中重金屬含量及重金屬標(biāo)準(zhǔn)限定(mg·kg-1)Table 6 Heavy metal contents and heavy metal standard limits in different types of livestock and poultry manures(mg·kg-1)

2.3 畜禽糞便中抗生素污染狀況

總體上看，規(guī)?；B(yǎng)殖場畜禽糞便四環(huán)素類抗生素平均含量表現(xiàn)為：豬糞>雞糞>牛糞；其中，又以土霉素含量最高，其次為金霉素(圖2)；豬糞中土霉素、金霉素、四環(huán)素的平均含量分別為7.38 mg·kg-1、5.52 mg·kg-1和3.89 mg·kg-1，其中土霉素的含量是四環(huán)素的近二倍，檢出率均為88.9%；雞糞中土霉素、金霉素、四環(huán)素的平均含量分別為3.88 mg·kg-1、2.37 mg·kg-1和2.6 mg·kg-1，檢出率均為85.7%；牛糞中抗生素含量及檢出率最低，土霉素、金霉素、四環(huán)素的平均含量分別為1.14 mg·kg-1、0.55 mg·kg-1和0.67mg·kg-1，檢出率分別為50%、30%、30%(表7)。

表7 不同類別畜禽糞便中四環(huán)素類抗生素含量(mg·kg-1)Table 7 Tetracycline antibiotics contents in different livestock and poultry feces(mg·kg-1)

圖2 不同類別畜禽糞便中抗生素含量Fig.2 Antibiotic contents in different livestock and poultry feces

2.4 東遼縣畜禽糞便重金屬環(huán)境承載力

根據(jù)東遼縣畜禽糞便耕地負(fù)荷及重金屬含量，推算各重金屬年污染耕地負(fù)荷以及重金屬環(huán)境承載力：利用單因子污染指數(shù)Ri、綜合污染指數(shù)R分別評價單個重金屬及重金屬綜合污染程度(表8)。

表8 東遼縣畜禽糞便重金屬耕地負(fù)荷Table 8 Heavy metal farmland load in Dongliao County

假設(shè)一年產(chǎn)生的畜禽糞便均勻施向東遼縣全部農(nóng)田，所有重金屬Ri均稍高于1.00，證明以環(huán)境背景值為基準(zhǔn)評估污染水平均僅為輕度污染，未達(dá)到污染篩選值，畜禽糞便仍可繼續(xù)施用。重金屬綜合污染指數(shù)R為0.97，污染達(dá)警示水平，接近輕度污染水平。

2.5 東遼縣畜禽糞便安全施用年限

畜禽糞便中高含量的Zn導(dǎo)致其i值最高，因此糞便最小施用半徑應(yīng)以Zn的i值為標(biāo)準(zhǔn)(表9)。當(dāng)安全施用年限為50年時，水田、旱田中i值均為0.18；安全施用年限為100年時，其i值均達(dá)到0.25，此時水田、旱田中畜禽糞便的最小施用半徑分別為233 m、44.5 m，表明在大于此半徑的范圍內(nèi)施用，其安全施用年限才會達(dá)到100年以上。

表9 在安全施用年限內(nèi)畜禽糞便施用i值Table 9 The i value of livestock manure application within the safe application period

2.6 東遼縣畜禽糞便中抗生素生態(tài)風(fēng)險

根據(jù)東遼縣畜禽糞便耕地負(fù)荷及其中抗生素含量，推算東遼縣耕地各抗生素年污染負(fù)荷以及抗生素生態(tài)風(fēng)險值RQ(表10)。結(jié)果表明：一年產(chǎn)生的畜禽糞便全部均勻施向土壤后，土霉素、金霉素、四環(huán)素RQ值均小于0.01，無環(huán)境風(fēng)險；但四環(huán)素RQ值為0.009，極其接近中等風(fēng)險水平。

表10 東遼縣畜禽糞便抗生素生態(tài)風(fēng)險Table 10 Ecological risks of antibiotics for livestock and poultry feces in Dongliao County

3 討 論

水源區(qū)的水環(huán)境優(yōu)劣對整個流域生態(tài)系統(tǒng)影響深遠(yuǎn)，重金屬與抗生素產(chǎn)生的污染會嚴(yán)重威脅中下游水環(huán)境安全及經(jīng)濟(jì)發(fā)展。根據(jù)本研究測定結(jié)果，畜禽糞便中的重金屬以Cu和Zn超標(biāo)最為嚴(yán)重，其中又以豬糞中含量最高，其次為雞糞，這是由于牛、雞對Cu、Zn攝入量過高時會對機體產(chǎn)生負(fù)面影響[19-20]，故一般情況下為了保證畜禽的健康狀況和生長速度，牛和雞飼料中添加量偏低。重金屬在環(huán)境中極易富集[21]，畜禽糞便中大量的Cu、Zn即使短期內(nèi)不會產(chǎn)生污染，但隨著畜禽糞便的長期施用，會導(dǎo)致其在土壤中高度富集產(chǎn)生污染。在施加酸性農(nóng)藥后，加之東北地區(qū)弱酸性土壤，重金屬將從土壤中轉(zhuǎn)移至水中，進(jìn)而污染當(dāng)?shù)厮磪^(qū)水質(zhì)。且高含量的Cu、Zn使畜禽糞便安全施用年限大大縮短，假設(shè)將在東遼區(qū)二級河源保護(hù)區(qū)附近建立養(yǎng)殖場，經(jīng)過計算，養(yǎng)殖場離保護(hù)區(qū)最短應(yīng)保證233 m的保護(hù)距離。

畜禽糞便中的Hg進(jìn)入水體后，極易被水體中的微生物轉(zhuǎn)換為高毒性、易吸收的甲基汞，這導(dǎo)致在安全施用年限內(nèi)其水田中的i值為旱田中的約2倍，且Hg在水源區(qū)產(chǎn)生污染后會在下游水生生物體內(nèi)富集、放大后進(jìn)入人體產(chǎn)生顯著的神經(jīng)毒性。

抗生素水溶性較高，易通過淋溶及滲濾等途徑污染地表水和地下水[22]。雖然本研究中東遼縣耕地抗生素含量較低，但畜禽糞便中的抗生素在土壤中難降解[23]，且在東北酸性土壤中，共存的金屬陽離子如Cu2+等會和其競爭相同吸附點位，從而促進(jìn)抗生素從土壤向水體的轉(zhuǎn)移[22]。目前對低濃度抗生素的長期影響研究較少，對抗生素產(chǎn)生的危害同樣不能忽視，尤其是四環(huán)素生態(tài)風(fēng)險值RQ為0.009，已極其接近中等風(fēng)險水平。

本研究為畜禽糞便資源化利用及耕地土壤污染處理與防治提供數(shù)據(jù)支持，對改善河源區(qū)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。結(jié)合實際情況，為節(jié)省建設(shè)成本，可利用臨時儲糞池，添加玉米秸稈等對畜禽糞便進(jìn)行好氧堆肥；篩選高效、經(jīng)濟(jì)的鈍化劑降低畜禽糞便中重金屬生物有效性，利用微生物分解抗生素，建立畜禽糞便好氧堆肥與重金屬穩(wěn)定、抗生素分解的優(yōu)化耦合技術(shù)框架。

4 結(jié) 論

東遼河源區(qū)東遼縣農(nóng)田消納潛力大，畜禽糞便負(fù)荷預(yù)警級別為Ⅰ級，不添加外源化肥時其營養(yǎng)物質(zhì)基本無環(huán)境威脅。畜禽糞便中的重金屬以Cu、Zn超標(biāo)最為嚴(yán)重，因喂養(yǎng)飼料的不同，其中又以豬糞中含量最高，其次為雞糞。四環(huán)素類抗生素平均含量表現(xiàn)為：豬糞>雞糞>牛糞；其中，又以土霉素含量最高，其次為金霉素。假定東遼縣一年內(nèi)產(chǎn)生的畜禽糞便全部還田，所有重金屬僅稍超過背景值，為輕度污染。重金屬綜合因子承載率為0.97，污染程度達(dá)到警示水平。畜禽糞便安全施用年限為100年時，旱田、水田最小施用半徑分別為233 m、44.5m，與最大可施用半徑比值均為0.25。土霉素、金霉素、四環(huán)素的RQ值均小于0.01，無生態(tài)風(fēng)險，其中，四環(huán)素RQ值為0.009極其接近于中等風(fēng)險水平。在今后的研究中可以注重對重金屬各形態(tài)含量的測定、重金屬與抗生素在土壤與水體中的分配問題、抗生素與重金屬的復(fù)合污染，進(jìn)一步研究其對水體的潛在性威脅。