上海地区畜禽粪便中的重金属含量分析

张亦菲，张浩然，徐汀，黄家莺，华贤辉，田恺，曹莹

(上海市兽药饲料检测所，上海 201103)

目前，畜禽规模化养殖程度不断提高，铜(Cu)、锌(Zn)等对于维持动物健康和促进动物生长具有重要作用的重金属元素被广泛添加在饲料中使用[1-2]。因重金属元素具有难迁移、易富集、不可逆等特点，当未被消化吸收的重金属元素随粪便排到环境中，不仅会严重污染周边的土壤、水体，富集至一定程度会对种植业造成影响，随食物链进入动物体内累积后，甚至也会为食品安全带来一定的风险[3-4]。近年来，由重金属带来的污染问题受到了广泛关注，各地均开展了对养殖场畜禽粪污的重金属监测工作。朱建春等[5]测定了陕西省11个地区规模化养猪场的猪粪样品，结果表明猪粪中含有大量重金属并以Cu、Zn含量最高；王飞等[6]通过检测华北地区畜禽饲料和粪便后发现超标以Cu、Zn为主，且猪粪、鸡粪超标情况最为严重；张树清等[7]对北京、浙江、山东、吉林、江苏、宁夏、陕西等7个省市的典型规模化养殖畜禽粪便的重金属质量分数进行了研究测定，结果显示除Cu、Zn外，粪便中砷(As)、铬(Cr)含量偏高，且地区间存在较大差异性，可能与饲料添加剂和预混剂的使用量和饲喂水平有关。

上海市在2018年制定出台了《上海市都市现代绿色农业发展三年行动计划》，提出建立种养环境养护制度及绿色低碳循环生产方式，积极推行种养结合等节肥节药生态农业模式，以全面贯彻《国务院办公厅关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见》(国办发﹝2017﹞48号)。计划中提出增施以畜禽粪便为主的有机肥料，以破解当前农药过量施用等农业污染问题，在大力推行种养循环的发展机制下，上海地区畜禽粪便中重金属残留量的监测便显得尤为必要。

1 材料与方法

1.1 样品采集与处理

按照国家标准《畜禽粪便监测技术规范》[8]的要求，选择上海市崇明区、奉贤区、金山区和松江区的15家畜禽养殖场，共采集畜禽粪便样品138份，其中猪粪样品88份，牛粪样品15份，鸡粪样品15份，羊粪样品20份，见表1。88份猪粪样品中有40份分别来自配种、妊娠、哺乳和保育阶段，48份来自育肥阶段，见表2。样品经自然风干后，粉碎，装入密闭容器中，于阴凉处存放。

表1 不同地区畜禽粪便样品数量

表2 不同养殖阶段猪粪样品信息数量

1.2 试剂与仪器

试剂：硝酸(优级纯)购自上海安谱实验科技股份有限公司；镉(Cd)(100 μg·mL-1)以及Cr、镍(Ni)、Cu、Zn、As、汞(Hg)、铅(Pb)元素标准溶液(1 000 μg·mL-1)购自美国Inorganic Venture公司；土壤成分分析标准物质(GBW07401a)购自中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所；内标混合溶液(100 mg·L-1)购自美国Agilent公司；试验用水均为一级水。

仪器：8800型电感耦合等离子体质谱仪，美国Agilent公司；SPB 50-48型电热板，美国Perkin Elmer公司。

1.3 方法

1.3.1 稀释溶液的制备

准确移取20 mL硝酸于1 000 mL容量瓶中，加入2 mL金元素标准溶液，用一级水定容至刻度，制备得到稀释溶液。

1.3.2 标准系列溶液及内标工作溶液的制备

准确移取各元素标准溶液适量，用稀释溶液稀释至不同浓度，制备得到标准系列溶液，用以绘制标准曲线。选择安捷伦公司提供的内标溶液，用一级水稀释至1 mg·mL-1，制备得到内标工作溶液，利用蠕动泵在线添加。各元素系列浓度及相应的内标元素见表3。

表3 标准系列溶液浓度 ng·mL-1

1.3.3 样品溶液的制备

制作平行样2份。准确称取粪便样品0.5 g，放入一次性平底消解管中，加入硝酸10 mL，置于电热板中120 ℃加热30 min。冷却至室温，转移至50 mL棕色瓶中，用一级水定容至刻度，制备得到消解溶液。准确移取1 mL消解溶液于10 mL棕色容量瓶中，用一级水定容至刻度，制备得到样品溶液，待上机。若个别重金属元素含量超出标准曲线范围，则用一级水进一步稀释至曲线范围内，重新测定。

1.3.4 质控溶液的制备

准确称取0.5 g标准物质，按照1.3.1进行处理，制备得到质控溶液。根据证书上提供的标准值范围，对测定值的准确度进行判定。

1.3.5 仪器的分析条件

使用安捷伦公司提供调谐溶液对仪器状态进行调谐，使仪器达到最佳状态，并得到如下分析参数。RF功率，1 550 W；等离子气流量，15 L·min-1；载气流量，1.05 L·min-1；采样深度，8.0 mm；雾化室温度，2 ℃；碰撞池气体流量，10 mL·min-1；蠕动泵转速，0.5 r·s-1；检测模式，He模式；扫描数，20次；重复数，3次；采集点数，3个；进样时间，60 s；冲洗时间，20 s。

1.3.6 样品的测定

按照1.3.5的仪器条件，对标准系列溶液、样品溶液及质控溶液进行测定，内标法定量。

1.4 数据统计与分析

采用Excel软件进行数据统计，单因素方差分析进行差异性比较，数据采用“平均值±标准差”表示。

2 结果与分析

2.1 方法的线性及质控溶液的测定

由表4可见，对标准系列溶液和质控溶液进行测定，得到标准曲线的相关系数r≥0.999 9，表明本方法线性关系良好。质控溶液的测定值均在标准值的范围内，相对标准偏差(RSD)在0.8%～2.6%范围内，表明本方法具有良好的准确度和精密度。

表4 线性关系及质控样品测定结果(n=5)

2.2 不同类别畜禽粪便中重金属含量分析

本市3个猪场、3个奶牛场、3个鸡场和4个羊场采集的共计98份粪便样本中8种重金属含量测定结果见表5。由测定结果可知，育肥猪粪、鸡粪、牛粪和羊粪中各项重金属元素含量之间存在较大差异，且含量波动范围很大。重金属平均含量在不同类别畜禽粪便中整体表现为Zn>Cu>Cr>Ni>Pb>As>Cd>Hg ，其中猪粪中Zn、Cu、Ni的平均含量显著高于鸡粪、牛粪和羊粪(P<0.05)；羊粪中Cu、Zn的平均含量显著低于其他3种畜禽粪便(P<0.05)，而As、Cd的平均含量显著高于其他畜禽粪便(P<0.05)；Cr的平均含量在4种畜禽粪便中无显著差异(P>0.05)；Pb、Cd在牛粪中的含量显著低于其他3种畜禽粪便(P<0.05)；Hg仅在猪粪中检出。

2.3 不同地区粪便中重金属水平比较

因上海各区退养进程不一致，仅羊粪样品覆盖崇明、奉贤、金山和松江4个地区，其他3种粪便均只涵盖3个地区，不同地区粪便中重金属含量比较见表6。猪粪样品中，崇明区Cu、Zn和Pb含量显著高于金山区和松江区(P<0.05)，金山区As、Cd含量显著高于崇明区和松江区(P<0.05)，松江区Cr含量显著低于崇明区和金山区(P<0.05)，Ni含量在3个地区样品中无显著差异(P>0.05)。鸡粪样品中，除Cu、Cd外其他元素含量均在松江区样品中显著高于奉贤区和金山区(P<0.05)，奉贤区Cu含量显著高于金山区和松江区(P<0.05)，Cd含量在3个地区样品中无显著差异(P>0.05)。牛粪样品中，Cr、Ni、As和Pb在奉贤区样品中含量显著高于崇明区和金山区(P<0.05)，Cu、Zn、Cd在金山区样品中含量较高。羊粪样品中，Cr含量在崇明、奉贤、金山和松江4个地区无显著差异(P>0.05)，松江区样品中Zn、As和Cd含量水平显著高于其他3个地区(P<0.05)。

表5 不同类别畜禽粪便中重金属含量 mg·kg-1

表6 不同地区畜禽粪便中重金属含量比较 mg·kg-1

2.4 不同养殖阶段猪粪便中重金属水平比较

因生猪养殖场各阶段的饲料配方及饲喂注意事项均有所差异，本试验以崇明某养殖场采集的猪粪便为样本进行不同养殖阶段重金属水平比较，见表7。由检测结果可知，猪粪中8种重金属检出率为100%，且不同养殖阶段猪粪中各重金属含量均存在差异：育肥阶段猪粪中Cr的平均含量显著高于其他4个养殖阶段(P<0.05)；保育阶段猪粪中Cu、Zn、As、Cd的平均含量显著高于其他养殖阶段(P<0.05)，该养殖阶段检出Cu含量最高的达1 155.02 mg·kg-1，而Zn含量最高检测结果达到14 712.25 mg·kg-1，但同时保育阶段Cr和Ni含量水平显著低于其他阶段(P<0.05)。

表7 不同养殖阶段猪粪便中重金属含量比较(n=10) mg·kg-1

3 讨论

据相关部门统计，以畜禽粪尿为原料的有机肥每年带入土壤的重金属约有13.3万t，与上个世纪90年代初相比，畜禽粪便中Zn、Cu、As、Hg含量均增加较多[9]。此次重金属含量调查的粪便样品采自上海市各规模化养殖场，可以反映局部地区规模养殖的畜禽粪便性质。根据朱建春等[5]在评价粪便产生量时采用的估算方法，计算猪粪产生量时养殖数量以肉猪出栏头数为样本量，饲养周期为育肥猪饲养周期，故在本文中选择48份育肥阶段的猪粪为样本进行重金属含量水平比较分析。由测定结果来看，猪、鸡、牛、羊4种主要养殖动物粪便中重金属含量主要以Cu、Zn为主，Cr含量也高于其他重金属元素，并且猪粪中重金属含量普遍高于鸡粪、牛粪和羊粪，这与候月卿等[10]对上海、福建、山东和安徽等8个省的畜禽养殖场重金属调研结果一致。这种普遍的含量状况可能与饲喂过程中饲料添加剂的使用有关，Cu、Zn是畜禽生长、繁育所必需的微量元素，Cr可显著提高机体免疫力、改善胴体品质[11]。

目前，上海市涉及的9个区畜禽养殖发展方向划分为全部退养区、逐步消减区及适度保持现状规模区。本研究中样本覆盖的4个地区中松江、崇明和金山区均为适度保持现状规模区，奉贤区为逐步消减区，现已完成生猪全面退养[12]。各区畜禽粪便中重金属含量水平虽有一定的差异显著性，但仍表现为Zn>Cu>Cr>Ni>Pb>As>Cd>Hg，反映出各地区规模化养殖中多使用相似的商品化饲料；崇明区、松江区各有部分重金属元素含量水平较高，可能与养殖户的饲喂方式不同有关；但对于Pb等饲料卫生指标也表现出地区性含量差异，则反映出不同地区养殖场的水源、环境中Pb元素本底水平可能存在差异[13]。

生猪饲养过程中为了满足不同时期不同生长情况的动物营养需求，会利用不同饲料原料进行合理搭配，以提高生长速度与肉品质量[14]。保育猪是指从出生后3～5周龄断奶到10周龄阶段的仔猪，也是容易产生重大应激的养殖阶段，饲喂时会更加注重饲料营养配比。根据2018年发布的中华人民共和国农业部公告第2625号中相关规定，仔猪(≤25 kg)配合饲料或全混合日粮中Cu元素最高限量则为125 mg·kg-1，而在仔猪断奶后前2周特定阶段，允许在Zn元素最高限量110 mg·kg-1的基础上使用氧化锌或碱式氯化锌至1 600 mg·kg-1。但此次检测结果中保育期猪粪便中Cu、Zn含量平均水平也分别高达1 111.81和13 105.23 mg·kg-1，明显高于饲料中对应限量值，直接反映出饲喂阶段养殖户为了满足快速增长发育的需求而在饲料中进行了高剂量添加。

近年来，有机肥重金属污染问题在国内外引起了广泛关注，各个国家都制定和实施了有机肥相关标准[15]，若参照欧盟有机肥标准中有机耕种用途的限量要求，此次检测的上海地区猪粪中Cu与Zn平均含量均超标，牛粪和鸡粪中的Zn元素超标。而我国目前出台的相关标准中规定的元素种类有限，《畜禽粪便安全使用准则》[16]仅规定了Cu、Zn及As的限量要求，《有机肥料》[17]对Cr、As、Cd、Hg及Pb等5种重金属元素的限量作出规定。结合以上2个农业行业标准的限量要求，除Ni未做规定外，此次检测的上海地区4种畜禽粪便中重金属平均含量均符合规定。但检测结果也反映出上海市不同地区、不同养殖阶段猪粪的Cu、Zn含量水平存在较大差异，如崇明地区保育阶段猪粪样品中Cu、Zn平均含量均超出《畜禽粪便安全使用准则》[16]中Cu、Zn的标准限量值(800和3 400 mg·kg-1)，但上海地区育肥阶段的猪粪中Cu、Zn平均含量水平符合限量要求，可见猪粪中高铜高锌的情况会随着饲喂方式的变化而得到控制。

针对该结果，建议在上海各养殖场设立监测点，定点分阶段监测畜禽粪便重金属含量的变化规律及对农田环境、农业生产和农产品质量的影响，逐步建立监控体系。同时应加强对饲料原料质量管理及饲料添加剂使用等环节的控制，关注各养殖阶段的饲喂情况，严格按照相关要求科学合理地使用微量元素添加剂和饲料药物添加剂，严禁超剂量、超范围使用，从源头上控制畜禽粪便重金属污染问题。

畜禽退养实施后，仍保留的畜禽规模养殖场现有的粪污处理设备及技术还较为落后，不能完全达到环保部门制定的要求，除了加强源头控制及末端监控，粪污的处理能力水平也亟需提高，规模化畜禽养殖场必须加大环保投入，更新设施设备并完善处理工艺，加强末端控制，以实现上海都市绿色农业的可持续发展[18]。