长期施用猪粪土壤的重金属含量及风险评价

2018-06-05黄会前何腾兵曾庆庆谷培科

西南农业学报 2018年4期

黄会前，何腾兵，2*，李阳，曾庆庆，谢朝，谷培科，向黎

(1.贵州大学农学院，贵州贵阳 550025；2.贵州大学新农村发展研究院，贵州贵阳 550025；3.贵州大学资源与环境学院，贵州贵阳 550025)

【研究意义】近年来，畜禽养殖业迅速发展，集约化程度不断提高，养殖场畜禽粪便排放量增大。2011年贵州省生猪饲养量为1616.34万头，按每头生猪每年排放2.5 t粪尿[1]计算，2011年贵州省养猪业排放的粪尿达4040.85万t[2]，据估算，到2020年全国畜禽粪便排放量约达30亿t[3]。如今，年出栏500头生猪以上的规模化养殖比重达到50 %，并且养殖粪便直接或间接还田量约占到总排放量的60 %。然而，在养殖过程中为防止畜禽疾病、促进动物的生长和提高出栏率，添加剂如硫酸铜、硫酸锌、阿散酸和氧化锰等[4]被广泛应用于饲料和药物中，而动物对添加剂利用率较低[5]，大量未被吸收的元素随粪便排出，粪便还田后将不可避免地改变土壤重金属的含量[6]，进而可能导致重金属在植物体内的富集。畜禽粪便农用是我国传统农业生产中的重要环节，一方面可改善土壤养分、提高作物产量；另一方面，也会导致重金属等有毒有害物质在土壤中积累，是造成土壤污染的原因之一[7]。重金属在土壤中潜伏期长、毒性大及不可逆的特点[8]，对生态环境危害极大。土壤重金属污染不仅对农作物的产量和品质产生影响，还可能通过食物链对人的生命健康造成危害[9]。因此，研究土壤重金属污染具有重要的现实意义。【前人研究进展】有研究表明，菜园土壤施用高含量Cu和Zn猪粪对土壤中Cu、Zn积累的贡献较大，且土壤存在重金属污染的风险[10]；在猪粪集中施用区，土壤剖面中Cd、Hg、Pb、As、Cu、Zn均表现出明显的表层或亚表层聚集现象[11]；长期施用猪粪的土壤重金属Cu、Zn含量明显高于施用氮磷钾的土壤[12]。【本研究切入点】目前，对畜禽粪便还田土壤中重金属分布情况及风险评价的研究主要针对禹城、滁州、辽阳和江西等施用畜禽粪便后在土壤养分、作物品质以及土壤重金属风险评价方面[13-16]，而关于贵州喀斯特地区典型规模化养猪场周围的土壤重金属含量及风险评价未见报道。【拟解决的关键问题】以贵州喀斯特地区猪场周围长期施用猪粪的黄壤为对象，研究长期施用猪粪对土壤重金属含量的影响，并评价其风险，以期为贵州喀斯特地区农业生产科学合理利用猪场粪肥，确保农田土壤安全和防止土壤重金属污染提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于贵阳市北部，地处北纬26°48′～27°22′、东经106°45′～107°17′，属于北亚热带季风湿润气候，年平均气温12 ℃，年降雨量1419 mm，地势呈西南高、东北低，海拔1100～1400 m。土壤类型为砂页岩风化物发育的黄壤，pH 6.28±0.27。2007-2016年，农户用养猪场粪便堆制发酵后施于农田，主要种植玉米，一年一熟，春季翻耕、播种，秋季收获，收获后撒施猪粪，年施用量21～80 t/hm2，长期循环。

图1 研究区采样点(n=45)分布Fig.1 Distribution of sampling sites in the tested area(n=45)

1.2 样品采集与测定

2017年1月，在研究区采集土壤样品，采样点分布见图1。每个点位采集表层(0～20 cm)土壤，先用铁铲挖约25 cm的斜面，用木铲刮去铁铲接触面的土样(小于1 cm)，再用木铲在斜面上垂直取样。每个点位按5点采样法混合采样，将采集的土壤样品摊放在塑料布上用手捏碎、混匀，四分法对角取2份混合(约1 kg)放于布袋中，附上标签，并记录采样地点、经纬度、海拔、采样日期和采样人等基本信息。

采用水浸提-电位法(水∶土= 2.5∶1.0)测定pH；采用硝酸-高氯酸-氢氟酸三酸消解，电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定重金属Cu、Zn、Pb、Cd和Cr含量；采用王水消解，双道原子荧光光度计测定As含量。样品分析过程加入国家土壤标准物质GSS-5进行质量控制。

1.3 重金属污染与潜在生态风险评价

1.3.1 污染评价根据土壤pH，以国家土壤环境质量二级标准为评价标准 GB/T 15618-1995，运用单因子污染指数法(Pi)和内梅罗综合污染指数法(P综)进行土壤重金属污染评价(pH<6.5)，土壤重金属污染分级标准见表1。Pi和P综的计算公式：

Pi=Ci/Si

式中，Ci为环境中污染物i的实测数据(mg/kg)，Si为污染物i的二级标准标准，Pi max为污染物中最大污染指数，Pi mean为污染物中平均值。

1.3.2 潜在生态风险评价采用潜在生态危害指数法[17]对养猪场周边土壤进行重金属污染评价(评价标准见表2)。计算公式：

表1 土壤重金属污染分级标准

表2 Hakanson潜在生态危害评价指标

1.4 数据处理

试验数据采用软件Excel 2007进行重金属含量统计，DPS 2006进行相关性分析(LSD法)、聚类分析(欧式距离法)。

2 结果与分析

2.1 土壤重金属含量与来源

2.1.1 含量从表3看出，长期施用猪粪土壤重金属的含量差异较大，Cd为0.204～0.507 mg/kg，Cr为17.25～78.68 mg/kg，Pb为38.06～114.58 mg/kg，As为5.25～48.48 mg/kg，Hg为0.080～0.694 mg/kg，Cu为23.62～59.77 mg/kg，Zn为109.46～247.97 mg/kg。7种重金属的变异系数为16.27 %～60.59 %，属于中等变异(10 %<变异系数<100 %)，其中重金属Hg的变异系数最大，为60.59 %，可能是土壤中Hg含量受到人类活动影响较大。

长期施用猪粪土壤重金属Cd、Hg的平均含量在土壤环境质量二级标准的边界范围，其余重金属平均含量均为超标。从单个样本看，重金属Pb、Cr在所有样本土壤中均未超标，而Cd、As、Hg、Cu和Zn均有样本超标，其中Hg超标率最高，为40 %；其次为Cd、Zn，超标率分别为37.78 %和26.67 %；Cu、As超标率分别为15.56 %和11.11 %。表明，长期施用猪粪对土壤重金属Cd、As、Hg、Cu和Zn的含量有一定影响，其中对Hg、Cd和Zn影响较明显。

长期施用猪粪土壤重金属Pb、As、Hg、Cu和Zn的平均含量均超过贵州土壤背景值，出现不同程度的积累。从单个样本看，重金属Cd、Cr在所有样本土壤中均未超过贵州土壤背景值，Pb、As、Hg、Cu和Zn均有样本超标，其中样本超标率较高的重金属为Pb、Zn和Hg，均高于95 %；其次为Cu，有86.67 %的样本超过贵州土壤背景值；As的样本超标率为80.0 %。表明，在贵州喀斯特地区，长期施用规模化养猪场猪粪的土壤重金属Pb、Zn、Hg、Cu和As的积累比较明显。

2.1.2 来源土壤中重金属有的来源于同一污染物途径，有的来源于多种污染途径，来源同一途径的重金属元素之间常存在一定的相关性。从表4看出，pH与Cr、Cu、Zn极显著相关，相关系数分别为0.47、0.52、0.61，与Cd显著相关，相关系数为0.39；与Pb、As、Hg相关不显著，说明长期施用猪粪的土壤其pH对重金属Cr、Cu、Zn和Cd积累有一定影响。Cd与Cu、Pb显著相关，其中与Cu为正相关，相关系数为0.32；与Pb为负相关，相关系数为-0.30，说明重金属Cd与Cu有同源性，存在复合污染现象；重金属Cd与Pb的来源途径差异较大。Cr与Pb显著负相关，相关系数为-0.30，说明其来源途径不同。Pb与Cu显著负相关，相关系数为-0.36，表明来源途径存在差异。Hg与Cu、Zn极显著相关，其中与Cu为正相关，相关系数为0.87；与Zn为负相关，相关系数为-0.57，说明Hg与Cu来源途径相似，与Zn来源存在差异。重金属Cu 与Zn极显著负相关，表明Cu 与Zn来源存在差异。

表3 研究区土壤重金属的含量

表4 土壤重金属、pH间的相关系数矩阵

注：**表示在0.01水平极显著，*表示在0.05水平显著。

Note: ** and * indicate 0.01 and 0.05 significant levels respectively.

从图2可知，长期施用猪粪的土壤中7种重金属划分为3类，Zn为第1类，可能主要来源于饲料添加剂中添加的硫酸锌，生猪将未吸收的Zn元素随粪尿排除，因此长期施用猪粪的土壤较容易积累Zn，即由人为添加猪粪造成。Pb为第2类，由于样本中重金属Pb均未超过土壤环境质量二级标准，但土壤样本均超过贵州土壤背景值，推测Pb可能来源于研究区土壤成土母质，该含量超过贵州土壤背景值的平均含量，即Pb的污染来源于该研究区母质的影响。Cd、Hg、Cr、Cu、As为第3类，该类重金属变异系数较高，来源比较复杂且，可能受到人为和自然双重作用的影响。

2.2 土壤重金属污染评价

经计算，长期施用猪粪土壤重金属Cd、Cr、Pb、As、Hg、Cu、Zn的单项污染指数分别为1.00、0.23、0.27、0.64、0.97、0.80和0.92，均小于或等于1，表明土壤清洁，未受到污染，但Cd、Hg、Zn相对较高，单项污染指数均高于0.9，单项污染指数为Cd>Hg>Zn>Cu>As>Pb>Cr。从表5看出，有4 %的样点受到Hg中度污染，10 %以上的样点均受到Cd、As、Hg、Cu、Zn轻度污染，其中土壤样本受重金属Cd、Hg、Zn轻度污染的比例超过30 %，说明长期施用猪粪，土壤污染较突出的重金属是Cd、Hg和Zn。长期施用猪粪的所有土壤样本仅重金属Cr、Pb为清洁。研究区长期施用猪粪土壤重金属Cd、Hg的单项污染情况较严重污染分担率分别为21 %和20 %，说明长期施用猪粪重金属Cd、Hg是造成土壤重金属积累的主要影响因子，其次是Zn，分担率为19 %，表明长期施用猪粪的土壤，污染较突出的重金属是Cd、Hg和Zn。研究区土壤环境质量内梅罗综合指数(P综)为1.01，该区域长期施用猪粪的土壤重金属综合污染程度为轻度污染(1.0

图2 土壤重金属聚类分析图谱Fig.2 Cluster analysis of heavy metals in soils

项目 Item单项污染指数PiCdCrPbAsHgCuZn样点比例Sample proportionPi≤160 100 100 89 27 84 69 130 0 0 0 0 0 0 分担率 Share ratio21 5 6 13 20 17 19

表6 土壤重金属单项生态风险系数及污染样点比例

2.3 土壤重金属潜在生态风险评价

从表6看出，研究区土壤中重金属Cd、Cr、Pb、As、Hg、Cu、Zn的潜在生态风险系数分别为9.25～23.04、0.36～1.64、5.41～16.28、10.50～96.97、7.11～63.10、3.69～9.43和1.27～2.88，潜在生态风险系数为As>Hg>Cd>Pb>Cu>Zn>Cr。所用土壤样本重金属Cd、Cr、Pb、Cu、Zn的生态风险系数均小于40，为轻微生态危害程度；As、Hg为轻微或中等生态危害程度，其中71 %的样本As为中等生态危害，87 %的土壤样本Hg为中等生态危害。长期施用猪粪土壤7种重金属的综合潜在生态风险指数最大值为176.45，最小值为54.11，平均为109.88，研究区整体为轻微生态危害程度(RI<150)。表明，在贵州喀斯特地区，长期施用规模化养猪场猪粪的土壤潜在生态危害程度较低。

3 讨论

长期大量施用畜禽养殖废弃物，不仅是土壤重金属的主要来源，也是土壤重金属活性提高的重要原因[12]。黄治平等[20]研究表明，连续施用规模化养猪场猪粪，温室土壤重金属Cu和Zn较容易积累，As有一定积累，Pb、Cd、Ni、Mn和Cr积累效应不明显。姜萍等[9]研究重金属在猪饲料-粪便-土壤-蔬菜中的分布特征表明，在大型养猪场猪粪中Cu、Zn含量严重超标，土壤中Zn、Cd部分样品超过国家环境质量标准。薄录吉等[21]研究表明，连续多年施用猪粪土壤中Cd、Cu和Zn超过土壤二级质量标准，与本研究结果相似，与段然[22]的研究结果存在差异。在贵州喀斯特地区，养猪场周边长期施用猪粪的土壤，重金属Cd、As、Hg、Cu和Zn超过环境质量二级标准，且Pb、As、Hg、Cu和Zn超过贵州土壤背景值。由于养猪场猪粪中含有重金属，长期施用猪粪导致土壤中有效重金属含量增高，提高重金属活性，重金属Cu、Zn易富集于土壤。重金属Hg、As的超标情况与姜萍等[9]的研究结果存在差异；姜萍等[9]研究中猪粪施用在土壤中Hg、As未明显积累，本研究中Hg、As均超过国家环境质量二级标准和贵州土壤背景值，并且分别是贵州土壤背景值的2.66和1.27倍，积累程度较高，推测重金属Hg、As可能受到自然因素的作用，同时也受到人为施用猪粪的影响。

内梅罗综合污染指数法在评价土壤重金属污染程度时，突出高浓度污染物对土壤的影响，但没考虑到土壤中各种污染物对作物毒害的影响。潜在生态风险指数法通过毒性响应系数，将重金属的环境生态效应与毒理学结合，对土壤进行潜在的生态危害评价[18]。朱凤连[23]研究连续施用集约化养猪场粪便的红壤旱地重金属残留表明，不同猪粪施用量处理中Zn、Cu的污染指数较大，但综合污染指数未超过0.7，土壤清洁，未受污染。本研究Cd、Hg、Cu、Zn的单项污染指数均小于或等于1，土壤清洁，未受到污染，但综合污染指数为1.01，土壤为轻度污染；通过潜在生态风险指数法评价研究区长期施用猪粪对土壤的安全性，其潜在生态风险值为109.88，土壤处于轻微生态危害程度，长期施用猪粪的土壤潜在生态危害程度较低。

4 结论

(1)研究区土壤长期施用猪粪，除Cr、Cd以外，Pb、As、Hg、Cu和Zn均超过贵州土壤背景值，呈现不同程度的积累。重金属Cd、As、Hg、Cu和Zn均超过土壤环境质量二级标准，Pb和Cr远低于二级标准。

(2)研究区重金属Cu、Cd、Hg间相关性显著，表现为同源关系或复合污染关系。7种重金属分为3类，Zn可能为长期施用猪粪导致积累；Pb可能来源于土壤成土母质；Cd、Hg、Cr、Cu、As来源比较复杂，可能受到人为和自然的双重影响。

(3)土壤中重金属的单项污染指数为Cd>Hg>Zn>Cu>As>Pb>Cr，土壤环境质量内梅罗综合污染指数为1.01，表现为轻度污染。重金属Cd、Hg是主要的影响因子，综合污染分担率分别为21 %和20 %，其次是Zn，污染分担率为19 %。长期施用猪粪的土壤，污染较突出的重金属是Cd、Hg和Zn。

(4)长期施用猪粪的土壤重金属潜在生态风险指数为As>Hg>Cd>Pb>Cu>Zn>Cr，研究区70 %以上的土壤样本受到As、Hg的中等污染。土壤平均潜在生态风险值为109.88，处于轻微生态危害程度，土壤潜在生态危害程度较低。

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