基于农田土壤抗生素生态风险值的畜禽粪污农田承载力估算

楚天舒 王柄雄 孟 坦 赖世宣 杨增玲*

(1.中国农业大学 工学院，北京 100083；2.中国农业大学 动物医学院，北京 100094)

我国是畜禽养殖大国，养殖过程中产生大量粪便，对农村环境造成了较大压力[1-3]。畜禽粪便无害化处理与资源化利用已成为养殖业绿色发展的重要环节。2017年国务院发布《关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见》，大力推广畜禽粪便肥料化利用。畜禽粪便中含有丰富的有机物、氮、磷、钾等养分[4]，其肥料化利用有益于种养业间养分循环利用[5]，在减少化肥用量方面潜力巨大[6]。

而在畜禽粪便肥料化利用过程中，畜禽粪便中抗生素带来的生态风险引起科研人员广泛关注，也成为当下研究热点。各地采样分析发现，畜禽粪便中残留四环素类[7-10]、喹诺酮类[11-14]、大环内酯类[15-17]、磺胺类[18-20]、β-内酰胺类[10,21]、林可酰胺类[22-23]、多肽类[10]等多类抗生素，并且各个大类抗生素下细分种类繁多、质量分数差异较大[10,21]。经养殖生产全过程追溯发现，抗生素的主要来源为饲料添加剂、兽药[24]。最终，残留的抗生素随着有机肥进入农田土壤中[25-26]，给土壤生态带来一定的风险[27]。

为了保障农田土壤健康，需要分析抗生素在养殖业-种植业生产系统中流动与降解过程，即畜禽粪便中抗生素→畜禽粪便有机肥中抗生素→农田土壤中抗生素；进而，对抗生素所带来的土壤生态风险进行评估，合理限制有机肥施用量。本研究拟追溯抗生素在养殖业-种植业生产系统中流动过程，根据农田土壤抗生素风险筛选值和风险商法，逆向计算出农田土壤抗生素的静态环境容量与每hm2农田可施用畜禽粪便有机肥的限量，并进一步推导出不同畜禽种类的养殖量限值，以期为畜禽粪便有机肥施用量与畜禽粪污农田承载力的估算提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究对象

黑龙江农垦和新疆生产建设兵团作为我国两大重要的农垦地区，其农业总产值分别占全国农垦农业总产值的25.10%和29.35%。农业生产水平全国领先，种植业耕种收综合机械化率均超过95%，已实现主要农作物生产全程机械化。在种植业方面，2018年黑龙江农垦和新疆生产建设兵团农作物种植面积分别为289.30和138.28万hm2，黑龙江农垦粮食产量为2 279.64万t，新疆生产建设兵团粮食和棉花产量分别为238.46、204.65万t。在养殖业方面，黑龙江农垦和新疆生产建设兵团的大牲畜年末存栏量分别为20.49和54.05万头，家禽年末存栏量分别为938.3和1 291.8万羽，肉类产量分别为27.37和46.78万t，牛奶产量分别为37.61和71.67万t。随着农业绿色发展的深入实施，种养业协调发展成为未来农业的发展方向。黑龙江农垦和新疆生产建设兵团种植业机械化生产水平先进，一方面，可实现有机肥机械化还田；另一方面，有机肥的增施，有助于提升其农田土壤肥力。因此，其养殖业未来发展潜力巨大。研究适宜区域的畜禽粪污农田承载力等关键参数，有助于黑龙江农垦和新疆生产建设兵团协调各自种养业生产规模，促进种养平衡发展。

1.2 研究内容

在畜禽养殖中，抗生素以饲料添加剂、兽药等途径进入动物体内，其部分被动物自身吸收利用，其他随粪尿排泄，导至畜禽粪便含有抗生素[28]。此后，畜禽粪便经过好氧堆肥处理，制成的有机肥中也残留一定量的抗生素[12,29]。因此，需对农田有机肥施用量进行风险评估。

在种植业生产过程中，抗生素主要以施肥、灌溉等途径向农田土壤中输入(图1)，使得土壤抗生素逐渐累积，进而对土壤微生物群落结构、功能与土壤健康等多方面造成影响[30]，并且诱导耐药菌产生[31-32]。此外，抗生素可被农作物主动吸收进入人类食物链中[33]，给人体健康带来潜在风险。畜禽粪便有机肥作为农田土壤抗生素主要来源之一，需根据畜禽粪便有机肥中抗生素质量分数与农田土壤抗生素环境容量，优化出有机肥施用限量，进而可获得每hm2农田不同畜禽的最大承载量，以促进区域内种养平衡发展。

图1 农田土壤抗生素输入途径示意图

本研究思路如下：首先，采用风险商法(Risk quotients，RQ)[34]，对农田土壤抗生素进行生态风险评估分析。然后，参考土壤环境影响预测标准方法[35]，将区域农田土壤参数带入计算得到农田土壤抗生素的静态环境容量。其次，将静态环境容量除以一定的时间段获得农田土壤抗生素的年平均静态环境容量。此外，经过实地调研，将畜禽粪便有机肥作为农田土壤抗生素主要输入途径。将农田土壤抗生素的年平均静态环境容量等价于畜禽粪便有机肥的抗生素预测最大增量。最后，考虑到有机肥主要是由畜禽粪便经过好氧堆肥产生，由堆肥处理后抗生素的降解比例、不同畜禽的产污系数、收集率等参数计算出不同畜禽的最大养殖量(图2)。

综合考虑数据可获得性与代表性、畜牧兽医专家咨询建议、养殖场实地调研成果等多方面因素，确定本研究的11种抗生素或抗菌药物，分为4大类。1)四环素类抗生素：土霉素(Oxytetracycline， OTC)、四环素(Tetracycline，TC)、金霉素(Chlorotetracycline，CTC)；2)喹诺酮类抗生素：诺氟沙星(Nnorfloxacin，NOR)、恩诺沙星(Enrofloxacin，ENR)、洛美沙星(Lomefloxacin，LOM)、环丙沙星(Ciprofloxacin，CIP)；3)大环内酯类抗生素：泰乐菌素(Tylosin，TS)；4)磺胺类抗菌药物：磺胺嘧啶(Sulfadiazine，SD)、磺胺二甲嘧啶(Sulfamethazine，SM2)、磺胺氯哒嗪(Sulfachloro-pyridazine，SCP)。

图2 本研究思路简图

1.3 计算数据与过程

1.3.1农田土壤抗生素的预测质量分数

根据生态环境部和卫生健康委印发的《化学物质环境风险评估技术方法框架性指南(试行)》[36]中的评估方法指南，采用风险商法(risk quotients，RQ)[34]，对农田土壤抗生素进行生态风险评估，确定农田土壤抗生素的预测质量分数，具体计算式为：

(1)

PNECsoil=PNECwater·Kd

(2)

(3)

式中：PNECwater为水环境中抗生素毒性无效的质量浓度，μg/L；EC50为抗生素半最大效应的质量浓度，mg/L，检索美国环境保护署ECOTOX知识库获取；AF为评估因子，取值为1 000；PNECsoil为土壤环境中抗生素毒性无效的质量分数，mg/kg；Kd为土-水分配系数，L/kg。相关参数取值见表1。RQ为风险商值，RQ<0.01，无风险；0.01≤RQ<0.1，低等风险；0.1≤RQ<1，中等风险；RQ≥1，高风险。PEC为土壤环境中抗生素的质量分数，mg/kg。

1.3.2农田土壤抗生素的年平均静态环境容量

参考土壤环境影响预测标准方法[35]和区域农田土壤参数，农田土壤抗生素的年平均静态环境容量采用式(4)计算：

(4)

式中：Q为农田土壤抗生素的环境容量，mg/a；D为农田耕层厚度[52-53]，m；S为农田面积，本研究中，S取值为10 000 m2；ρb为农田耕层土壤容重[54-55]，kg/m3；t为时间，本研究中，将短期、中期和长期分别设定为20、50和100 a。

农田土壤抗生素输入途径有有机肥、灌溉水等。根据黑龙江农垦和新疆生产建设兵团的长期调研结果，其灌溉用水主要来自于江河和地下水。因此，本研究暂不考虑污水灌溉的情况。并且兼顾到数据的可获得性，仅以有机肥作为输入途径。因此，可使历年农田土壤抗生素的环境容量等于畜禽粪便有机肥的抗生素预测最大增量，具体计算式为：

Q=Qo

(5)

表1 抗生素对应敏感物种的毒性参数

式中，Qo为畜禽粪便有机肥的抗生素预测最大增量，mg。

1.3.3不同畜禽的最大养殖量

考虑有机肥主要是由畜禽粪便经过好氧堆肥产生，但好氧堆肥处理后抗生素发生降解，畜禽粪便抗生素预测最大增量采用式(6)计算：

Qm=Qo/(1-η1)

(6)

式中：Qm为畜禽粪便抗生素预测最大增量，mg；η1为堆肥处理后抗生素的降解比例，%。分析得到猪粪[56-78]、牛粪[79-83]和鸡粪[58,60,71,77,84-90]的堆肥处理后抗生素的降解比例范围。考虑到环境条件、添加物种类与量等堆肥工程工艺的影响，本研究暂选其算数平均值作为不同畜禽粪便的抗生素降解比例，详见表2。由于牛粪、鸡粪中部分抗生素降解比例尚未有研究报道，在计算过程中，本研究暂且选用猪粪中同种抗生素降解比例进行替代，但未来随着研究深入，将采用实测数据进行计算与分析。

畜禽粪便预测最大量采用式(7)计算：

Nm=Qm/(wm·η2)

(7)

式中：Nm为畜禽粪便预测最大量，kg；wm为畜禽粪便中抗生素的质量分数，mg/kg；η2为畜禽粪便中抗生素的检出率，%。分析得猪粪[7-11,14-17,19-23,57,91-105]、牛粪[7,10-11,14-16,21,95-96,99-101,103,105]以及鸡粪[7-8,13-18,20-21,92,94-96,98-101,103,105-107]中抗生素的质量分数和检出率范围。考虑到养殖水平等因素影响，本研究暂取其算数平均值作为不同畜禽粪便中抗生素的质量分数与检出率，详见表3。由于牛粪中诺氟沙星的检出率缺乏研究报道，在计算过程中，本研究暂且选用猪粪中诺氟沙星的检出率进行替代，但未来随着研究深入，将采用实测数据进行计算与分析。

考虑到畜禽粪便收集与利用现状，采用畜禽粪便收集率等参数预测出不同畜禽的最大养殖量，计算式为：

n=Nm/[mη3(1-w)]

(8)

式中：n为预测畜禽最大养殖量，头或羽；m为畜禽整个饲养周期的粪便排泄量[108]，kg/头或kg/羽；η3为畜禽粪便收集率[108-109]，%；w为畜禽粪便含水率[110-111]，%。

表2 堆肥处理后抗生素的降解比例

表3 畜禽粪便中抗生素的质量分数和检出率

2 结果与分析

2.1 黑龙江农垦畜禽粪污农田承载力估算

当农田土壤抗生素生态风险等级为高风险(RQ=1)时，采用式(1)～(8)计算获得黑龙江农垦不同畜禽的最大养殖量(图3)。从抗生素种类分析，恩诺沙星(ENR)是奶牛、肉牛、蛋鸡和肉鸡粪便有机肥施用量的限制性抗生素，而磺胺嘧啶(SD)是生猪粪便有机肥施用量的限制性抗生素，导至生猪粪污的农田承载力仅为0.5 头/hm2，如此低的农田承载力将极大地限制生猪养殖规模。因此，建议养殖场减少使用磺胺嘧啶等高生态风险的抗生素。从不同畜禽种类分析，以恩诺沙星为限值，奶牛、肉牛、蛋鸡、肉鸡和生猪的预测最大养殖量分别为：短期条件下，5头、8头、1 061羽、3 309羽和290头；中期条件下，2头、3头、424羽、1 323羽和116头；长期条件下，1头、1.6头、212羽、662羽和58头。

图3 黑龙江农垦畜禽最大养殖量(n)预测结果

本研究将黑龙江农垦畜禽粪污农田承载力研究结果转化为猪当量，即每hm2农田可承载的猪当量均为58头，猪当量折算规则：100头猪相当于1.7头奶牛或3头肉牛或365羽蛋鸡或1141羽肉鸡。

2.2 新疆生产建设兵团畜禽粪污农田承载力估算

当农田土壤抗生素生态风险等级为高风险(RQ=1)时，采用式(1)～(8)计算获得新疆生产建设兵团不同畜禽的最大养殖量(图4)。从抗生素种类分析，恩诺沙星(ENR)是奶牛、肉牛、蛋鸡和肉鸡粪便有机肥施用量的限制性抗生素，而磺胺嘧啶(SD)是生猪粪便有机肥施用量的限制性抗生素。从不同畜禽种类分析，以恩诺沙星为限值，奶牛、肉牛、蛋鸡、肉鸡和生猪的预测最大养殖量分别为：短期条件下，9头、11头、1 235羽、3 853羽和333头；中期条件下，3头、4头、494羽、1 541羽和133头；长期条件下，2头、2头、247羽、770羽和66头。

图4 新疆生产建设兵团畜禽最大养殖量(n)预测结果

本研究将新疆生产建设兵团畜禽粪污农田承载力研究结果转化为猪当量，即每hm2农田可承载的猪当量均为66头，猪当量折算规则：100头猪相当于3头奶牛或3头肉牛或374羽蛋鸡或1 166羽肉鸡。

此外，当农田土壤抗生素生态风险等级为无风险(RQ=0.01)时，按照上述计算方法，可获得黑龙江农垦和新疆生产建设兵团的每hm2农田可承载的猪当量分别为0.58和0.66头。其畜禽粪污农田承载力过低，将极大限制区域养殖业的发展。因此，为了保障农田土壤长期健康，黑龙江农垦与新疆生产建设兵团需建立地方标准，严格控制畜禽粪便中各种抗生素的残留量，尤其是高生态风险的抗生素种类。

3 讨 论

根据抗生素在养殖业-种植业生产系统中流动与降解过程，本研究从以下3方面展开分析与讨论：

1)畜禽舍环境调控。抗生素在预防与治疗过程中的使用，与动物在养殖过程中被细菌感染有关。在畜禽舍内，细菌主要经空气传播。从工程防疫的角度思考，当今已实现对畜禽舍的温湿度、二氧化碳、氨气等环境因素的实时监测与调控，未来也需要对主要致病细菌或致病因子进行实时监测，并配套相关空气自动净化技术与设备，确保动物在无应激环境下健康生长，避免有害细菌感染，减少抗生素作为预防与治疗的使用，这也有助于减少畜禽粪便中抗生素的残留量，增大畜禽粪污农田承载力。

2)抗生素使用。根据研究结果(表3)可知，现阶段畜禽粪便存在不少抗生素的残留，检出率也偏高。因此，源头管理是控制抗生素在养殖业-种植业生产系统中流动的重中之重。从图3和图4可知，不同抗生素的生态风险差异过大，黑龙江农垦与新疆生产建设兵团的畜禽粪污农田承载力现阶段主要受到磺胺嘧啶和恩诺沙星的限制。究其根本原因，这两种抗生素均具有土壤静态环境容量低、生态风险高的特点。因此，在畜禽预防与治疗中，若存在多种治疗方案的情况下，建议兽医减少高生态风险的抗生素使用，并优先选用低生态风险、易于工程降解的抗生素。此外，也可以考虑使用中兽药、发酵饲料等抗生素替代品。

3)工程配套。采用好氧堆肥等工程技术对畜禽粪便进行无害化处理，能促进抗生素降解(表2)，减少抗生素在有机肥中的残留。由此可见，过程处理是控制抗生素在养殖业-种植业生产系统中流动的关键步骤。抗生素的降解比例不仅由自身理化性质决定，也受堆肥工程工艺的影响。因此，从工程配套方面出发，在兼顾工程建设成本与技术可行性的条件下，建议养殖场负责人优先选用抗生素降解比例更高的工艺与配套设施设备。

此外，本研究中来源于黑龙江农垦和新疆生产建设兵团的畜禽粪便抗生素相关数据相对较少，在客观条件允许情况下，本研究团队将采取代表性样品进行数据补充。

4 结 论

本研究构建了基于农田土壤抗生素生态风险值的畜禽粪污农田承载力估算模型，将黑龙江农垦与新疆生产建设兵团相关数据带入进行计算，获得其畜禽粪污农田承载力，初步得到以下结论：

1)黑龙江农垦和新疆生产建设兵团每hm2农田可承载的猪当量分别为58和66头。

2)在畜禽粪便有机肥施用过程中，黑龙江农垦和新疆生产建设兵团农田土壤抗生素生态风险防范应以磺胺嘧啶和恩诺沙星等高生态风险抗生素为主。