海河流域典型畜禽养殖场土壤污染调查评价

徐凤伟，吴文强，朱长军，萨茹拉，彭文启

(1.河北工程大学能源与环境工程学院，河北 邯郸 056038； 2.中国水利水电科学研究院，北京 100038)

0 引 言

当前土壤污染问题愈演愈烈，土壤环境质量的保护面临着一定的挑战[1]。目前，针对农业土壤污染特征，国内外进行了大量的研究[2,3],近些年，国内对于农业面源污染中的畜禽养殖业土壤污染方面的研究也开展了诸多工作[4,5]。如刘培芳等[6]对长江三角洲地区的畜禽养殖状况及其对环境的影响作了深入研究,发现畜禽粪便流失是该地区重要的有机污染源；张绪美等[7]对中国畜禽养殖结构及其粪便氮污染负荷特征进行了分析，发现中国的畜禽粪便污染负荷存在区域上的差异，且与当地的自然条件和经济发展水平有着密切的关系，对环境构成潜在威胁程度东部地区远高于西部地区；张维理等[8]对中国农业面源污染的形势进行了估计，认为农村畜禽养殖是农业面源污染的主要来源。畜禽养殖业对环境的影响具有畜禽粪便产生量大、畜禽粪便污染严重等特点[9]。据统计，我国是世界上农业废弃物产出量最大的国家,每年产出量约40 亿t，其中畜禽粪便排放量达到26. 1 亿t[10]。1999-2000年国家环保总局对全国规模化养殖业污染情况进行了调查,结果显示，畜禽养殖业带来的环境问题日趋严重,是形成农村面源污染的主要因素之一[11]。

海河流域是我国人口密集区和最主要的农业产区之一。农业面源污染对区域地下水环境的影响一直以来未曾开展更为深入的研究。经过查阅相关文献，朱梅等[12]研究发现，海河流域地下水污染源主要为农业面源污染源，在整个海河流域面源污染物入河等标负荷量中，种植业污染源占3.3%，农村生活污染源占15.7%，畜禽养殖污染源占81%。土壤层是农业面源污染的必经通道，畜禽养殖对地下水污染占据着主导地位。为进一步证明畜禽养殖所产生的污染是否对该研究区域地下水产生较大影响，通过对畜禽养殖场污染物(畜禽粪便堆放处空地)经雨水冲刷以及清洗(饲养圈舍、器具等)等所产生的未经处理的污水淋溶到地下及周围环境，对养殖场内、外土壤层的污染状况进行研究分析，可为此提供一定的科学论证支撑。因此，研究海河平原典型畜禽养殖场对该区土壤的污染具有特别重要的意义。

1 土壤污染调查区背景

根据《中国畜牧业年鉴》(2012)，2011年河北省在全国猪、牛、羊和家禽出栏量中分别占到4.89%、7.26%、7.69%和18.97%，河北省邯郸市是农业大市，农村人口占总人口的80%以上，根据第一次全国污染源普查城镇生活源产排污系数手册，邯郸市位于一区三类。综上选择河北省邯郸市馆陶县作为典型调查区。馆陶县位于华北平原南部，河北省南端偏东，是河北省邯郸市下辖县，地处河北省东南部，以卫运河为界与山东省冠县、临清市毗邻。总面积为456.3 km2，其中耕地面积3.2 万hm2，总人口约为32.9万人。通过《华北平原地下水可持续利用图集》了解到，馆陶县土壤类型多为黏土、亚黏土以及粉土土壤。

2 样品的采集与检测

2.1 样品采集

参照国家环境保护总局发布实施的《农田土壤环境质量监测技术规范(NY/T395-2012)农田土壤取样布点的方法。馆陶试验区共设置8个采样点，总计监测样品88个，包括养鸡场(养殖10 a)、养猪场(养殖10 a)、养牛场(养殖15 a)和养羊场(养殖5 a)4个典型农村集约化养殖企业。检测点位包括：养鸡场的鸡粪储蓄池、鸡场外30 m草地，养猪场的猪粪堆积场、猪场外10 m草地，养牛场的牛舍旁0.5 m(牛舍内地面硬化)、牛场内距离牛舍20 m杨树旁2 m，养羊场的羊舍粪便积蓄地面、羊场外10 m人工草地。各监测点位见表1。

表1 研究区域采样点统计Tab.1 Statistical table of sample points in the study area

为了避免土壤在垂直方向分布的不均匀性，本次调查采用了5点取样法，即先确定对角线的中点作为中心取样点，再在对角线上选择4个与中心取样点距离相等的点作为取样点(5点取样范围为1 m方格)，然后将这5个点所取的土壤进行混合作为最终的土壤样品。土壤采样深度为2 m，采取分层取样的方式，依次为地表、0～20 cm混合样、垂向依次递增20 cm至200 cm共计11个样品。将各层所取土样装入样品袋，带回实验室进行处理分析。

2.2 样品检测

参照国家《土壤环境质量标准》(GB15168-2018)以及《中国土壤元素背景值》对土壤环境元素在不同层位的含量进行检测和对比分析。样品委托北京新奥环标理化分析测试中心进行检测。监测指标包括全氮、全磷、硝态氮、铵态氮、铅、汞、铬、镉、砷和pH值。其中铬采用EN-001-01 GBC932原子吸收分光光度计(火焰)测定；铅、镉采用EN-001-02 GBC908AA原子吸收分光光度计(石墨炉)测定；汞采用冷原子吸收法测定；砷采用EN-065 AFS-2202E双道原子荧光光度计测定；pH采用玻璃电极法测定。

3 土壤污染特征的调查结果与分析

通过对养殖场内外样点检测分析结果可知，各检测点位重金属元素与营养盐指标呈现截然不同的变化趋势。各养殖场内外检测结果分析见图1～图4。

3.1 馆陶县某养羊场土壤检测与分析

通过对馆陶县某养羊场内、外的土壤剖面的检测结果(见图1)分析可以发现：养羊场对土壤重金属含量影响不大，在场地内土壤表层(0～20 cm)铅、镉、砷、汞和总铬重金属的含量分别是养羊场外的1.17倍、1.27倍、0.58倍、0.9倍和0.69倍；研究区内重金属的浓度在土壤深度约为60 cm后到达天然背景值，场地内外重金属铅、镉、砷、汞和总铬元素的平均浓度均满足土壤环境质量一级标准。养羊场对土壤表层内营养盐的含量变化影响较大，在场地内土壤表层全氮、全磷、硝态氮和铵态氮营养盐的含量分别是养羊场外的10.35倍、3.01倍、18.49倍和1.12倍，超出率分别为935%、201%、1 749%和22%；在养羊场内，土壤表层内的营养盐浓度明显高于土壤深层的浓度，具有一定的表层富集现象；营养盐浓度在土壤深度约为20 cm后达到天然背景值；养羊场内的pH值为8.18～9.25，平均值为8.71，养羊场外的 pH值变化范围为8.36～8.85，平均值为8.57，根据《中国土壤元素背景值》知道该研究区pH值的背景值为7.9，所以在该研究区的土壤具有一定的碱性污染问题,且养羊场对其有一定的加剧作用。

3.2 馆陶县某养牛场土壤检测与分析

通过图2的土壤检测结果垂向分布可以发现：养牛场内土壤表层重金属铅、镉、砷、汞和总铬重金属的含量分别是养牛场杨树下的0.22倍、0.88倍、0.19倍、0.17倍和0.42倍，说明在养牛场对于土壤表层重金属的影响具有一定的减缓作用；土壤表层营养盐的含量受养牛场影响较大，特别是全氮、全磷和硝态氮养牛场牛棚内的含量分别是养牛场杨树下的12.25倍、3.99倍和15.83倍，超出率分别达到1 125%、299%和1 483%；养牛场内土壤表层的营养盐的含量明显高于土壤深层的营养盐含量，表明营养盐的含量受养牛场影响较大，受土壤深度的影响较大，具有明显的表层富集现象；养牛场内的pH值变化范围为8.4～9.6，平均值为8.7，养牛场杨树下的pH值变化范围为8.91～9.4，平均值为9.12，均超出中国土壤环境质量pH背景值，表明该区域具有一定的碱性污染问题，且养牛场对其有一定的消减作用。

图1 馆陶县某养羊场内、外土壤检测结果垂向分布Fig. 2 Vertical distribution diagram of soil detection results in and out of the sheep farm in Guantao County

图2 馆陶县某养牛场内、杨树下土壤检测结果垂向分布Fig.3 Vertical distribution diagram of soil detection results under poplar trees in a cattle raising yard in Guantao County

图4 馆陶县某养鸡场内、外土壤检测结果垂向分布图Fig.5 Vertical distribution diagram of soil detection results in and out of the chicken farm in Guantao County

3.3 馆陶县某养猪场土壤检测与分析

根据图3可以看到：养猪场对土壤重金属含量影响不大，在场地内土壤表层(0～20 cm)铅、镉、砷、汞和总铬重金属的含量分别是养猪场外的0.77倍、1.1倍、0.82倍、0.71倍和0.84倍；在土壤表层内，养猪场内的重金属铅、砷、汞以及总铬元素的浓度均低于养猪场外的浓度。养猪场对土壤表层内营养盐的含量变化影响较大，养猪场内表层全氮、全磷、硝态氮和铵态氮营养盐的含量分别是猪场外的5.96倍、12.11倍、3.86倍和14.56倍，超出率分别为496%、1 111%、286%和1 356%；在养猪场内，土壤表层营养盐的含量明显高于土壤深层营养盐的含量，具有一定的表层富集现象；养猪场内的pH值为5.91～8.77，平均值为8.12，养猪场外的pH值为8.39～8.8，平均值为8.61，均略高于背景值。

3.4 馆陶某养鸡场土壤检测与分析

由图4土壤检测结果可以看到：养鸡场对重金属的浓度变化影响微弱，养鸡场内铅、镉、砷、汞和总铬重金属的含量分别是养鸡场外的0.99倍、0.75倍、1.15倍、0.83倍和1.002倍，几乎没什么影响。养鸡场对营养盐的含量变化影响极大，养鸡场内表层全氮、全磷、硝态氮和铵态氮营养盐的含量分别是鸡场外的23.64倍、2.04倍、31.25倍和84.47倍，超出率分别为2 264%、104%、3 025%和8 347%；在养鸡场内，营养盐在土壤表层的含量明显高于土壤深层的含量，由于样点为鸡粪堆场，营养盐表层富集现象十分明显；养鸡场内的pH值变化范围为8.57～9.12，平均值为8.80，养鸡场外的pH值变化范围为8.27～8.72，平均值为8.48，均超出背景值，表明该研究区土壤存在碱性问题且养鸡场对其具有一定的加剧作用。

4 结 论

通过对海河平原典型畜禽养殖场土壤污染特征的调查研究，在垂直剖面结果分析中，各养殖场内、外的铅、镉、砷、汞和总铬重金属元素在各土壤分层的平均浓度均符合国家土壤环境质量二级标准，个别点位重金属元素的平均含量超出国家土壤环境质量一级标准界限值。各养殖场内的营养盐含量在土壤表层内明显高于土壤深层的含量，表明在养殖场内的土壤表层内具有一定的表层富集现象。该研究区域内，各养殖场土壤表层营养盐污染物浓度极大，但垂向浓度急速减小，一般至土壤深度60 cm左右处浓度就接近天然状态，最多至100 cm土壤深度，主要的土壤污染物浓度基本达到天然值。

在该研究区，各养殖场内的重金属含量是对应各养殖场外重金属含量的0.17～1.27倍，对重金属元素的浓度变化具有较小的影响。各养殖场的营养盐全部富集在土壤表层，表层营养盐含量是养殖场外的0.646～84.47倍，超出率最高达到8 347%。在各养殖场内外区域pH值都高于该研究区的土壤环境质量背景值，表明该区域土壤存在一定的盐碱化问题。