山东省生猪主产区土壤重金属沉积存量研究

张建臣

（山东畜牧兽医职业学院，山东 潍坊261061）

山东省是我国生猪养殖的大省，生猪存栏量及猪类产品产出量位居全国前列，其中潍坊市生猪养殖过程中产出粪污量明显超出其他地市区域产出量（表1），固态废弃物经腐熟过程不能降低重金属存量，进而严重造成种植区土壤重金属沉积现象，间接危害自然生态环境和人类健康。自本世纪初，贵州省，黑龙江省，山东省等省市地区，针对工农业废弃物排放重金属做调查，分析了土壤重金属种类及沉积现状，近84.6%以上的省市地区出现土壤重金属超过国家历史背景值，80.1%以上超过地方历史背景值，调查地区一半上沉积量不符合《国家土壤质量标准》GB15648—1995的要求；同时也进行了土壤潜在风险的评估，50.2%地区土壤潜在生态风险处于中强风险。基于之前相关研究的领域多集中在工业和交通等造成的土壤重金属污染、领域内研究主要是多年前的猪粪肥重金属输入量调查，不能代表现在土壤重金属特点，本研究点将立足于山东生猪主产区潍坊市区域内连续施用腐熟猪粪肥五年以上的土壤重金属存量进行测定及土壤潜在风险评估，得出现在沉积存量和污染程度。通过本研究，经过长期施用猪粪肥后的土壤重金属类型、沉积存量和潜在风险等级，为农业有针对性的选择农作物和相关科研研究提供数据支撑及技术帮助。

表1 山东省生猪主产区粪尿五年排放量均值（万吨/年）

1 材料与方法

1.1 试验场地试验区域位于山东省潍坊市诸城市东茂才沟村（GPS定位在北纬35.7989和东经119.4099，海拔68.33m），该场地占地403.1亩的蔬菜种植区，周围无工厂和主要公路，场地无社会性污染渗侵（图1）；用途为轮种玉米和短季蔬菜，自2013年起至今，肥料施用周边猪场固态粪污，已连续施用7年。

图1 试验场地环境

1.2土样采集土样采集方法采取梅花点式；场地中心点用GPS定位，中心点等角度辐射五个采样点单位，采样点距离场地边界25～30m，确保不被周围环境因素渗透污染，每个采样单位内随机选择5个采样点，每先对采样点挖深20～30cm左右的坑，每点采集在标底基础上深度5～25cm或坑侧面土样200～300g的土样，去除肉眼可见根、杂草和石块等杂质，每5份混合（1000～1500g），标签记录，登记取样信息。

2 土壤重金属指标

2.1 土壤重金属存量测定采取水侵提—点位方法测定Ph值（水:土=2.5:1.0）；重金属测定方法采取硝酸—高氯酸—氢氟酸消解法，硝酸纯度为优级，所用电阻率不小于10MΩ的去离子水，电感耦合等离子体谱仪（ICP—MS）测取Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、Hg土壤重金属含量。样土测定过程使用国家土壤标物Gss-5对检测质量进行保障。

2.2 土壤重金属污染评估据国家对土壤质量二级标准为本试验的评估标准（GB/T15618—1995），采用单因子污染指数法和内梅罗（Nemerow）综合污染指数法对土壤重金属的污染评估，参照重金属污染等级分别标注（表2）。

表2 污染指数分级标准

计算方法：Pi=Ci/Sk PN=[（Pimax）2/2+（Pimean）2/2]-2

2.3 重金属污染潜在风险评估（Hakanson）运用评估土壤潜在风险指数法对潍坊市地区长期施用腐熟猪粪土壤重金属的生态风险评价；评估潜在风险指标（参照表3）。计算方法：Eri=TriCfi=TriCsi/Cni RI=∑Eri

表3 土壤潜在风险评估指标

2.4 数据分析处理试验过程数据经过汇总和整理，采用Microsoft Excel2009对重金属含量做统计及DPS2006做数据相关性分析，采用Arcgis对试验区域Nemrow污染指标进行分析。

3 结果与分析

3.1 土壤重金属存量样土pH值范围为7.02±0.02～6.81±0.14，属中性范围；试验区周边无较大污染工业生产，本试验排除工业污染因素；在试验区内长期施用腐熟猪粪的土壤，由表4可见，Cu为26.32～31.25mg/kg；Zn为88.26～162.06mg/kg；Pb为11.04～22.15mg/kg；Cd为0.102～0.148mg/kg；Hg为8.15～15.22mg/kg；Cr为51.03～62.70mg/kg。离散系数16.97%～45.54%，为中等离散，系数差异不显著，重金属均属施用粪便带入。三酸消解法测定重金属Pb、Hg、Cr和Cd均有检出，Zn和Cu在土壤中残留量较明显超于其他4种重金属，超山东土壤背景值，但未超过国家土壤环境质量二级标准；Hg超山东土壤背景值，生态风险处于轻度危害程度。Pb，Cd和Cr有检出，不超过山东土壤背景值，在国家土壤环境质量二级标准含量内，Zn和Cu土壤生态风险处于中度危害程度，Hg处于土壤生态风险为安全。土壤含量均值Zn＞Cu＞Cr＞Pb＞Hg＞Cd；其中Zn和Cu样土超标量达50.54%，其他有检出，超标量20.2%以下。

表4 试验区土壤重金属含量（mg·kg-1）

3.2 土壤重金属污染指数单因子污染指数法和Nemerow综合污染指数法对土壤重金属的污染评估结果，从表5可见，Zn和Cu分担率分别为36.48%和21.05%，在土样重金属中出现率最高，Hg和Cd分担率分别为8.91%和16.26%，土样重金属出现率居中，Pb和Cr分担率分别为12.14%和5.16%，土样重金属出现率最低。PN由大到小为Zn＞Cu＞Hg＞Cd＞Pb＞Cr，几种重金属污染Zn和Cu土壤污染为3级，超过山东地区背景值，轻度污染，作物开始受到污染，开始危害人类健康；Hg和Cd土壤污染2级，警戒线，土壤尚清洁，对人类健康危害较小；Pb和Cr土壤污染为1级，安全，土壤清洁，对人类健康危害无。

表5 试验区土壤重金属PN及分担率（%）

3.3土壤环境潜在生态风险评估试验区土壤重金属Cu、Hg、Pb、Zn、Cd和Cr环 境 潜 在 风 险 系 数 为26.09～84.27、15.64～36.12、4.75～15.18、40.62～90.01、4.75～15.18和7.24～12.60；系数均值为70.21、23.65、8.63、75.81、12.87和8.08。全部样土中Hg、Pb、Cd和Cr潜在生态风险系数，小于40，P综≤1.0，RI小于150在土壤环境评估中为轻度生态危害程度，其中Hg取样点污染占比率上出现3%中度污染，结合以上评估数据分析，可能是采用仪器在检测中个别重金属浓度较高，影响敏感度所致，将其低比例数据不作为明显差异统计，排除误差。Cu和Zn潜在生态风险系数均值40～80，综合评估为环境污染中等程度，但样土中最大值均超80的占比率分别为13%和11%，2.0＞P综＞1.0，RI＜150在土壤环境评估中为中度生态危害程度。

表6 试验区土壤重金属Eri及样点占比率（%）

4 分析与结论

4.1 分 析《（2017年修订版）饲料添加剂安全使用规范》和《（2017年修订版）饲料和饲料添加剂管理条例》对含重金属类添加剂使用规范和严格管理，在规范出台之前，由于Zn、Cu、Hg、Cd、Pb和Cr等元素在猪生长发育中具有促进作用，因此大部分相关企业添加现象十分普遍，呈现出用量不规范和投入化学形态多样的问题；重金属添加剂的滥用或超量添加，会在猪肝脏和肾脏等器官大量沉积，严重影响猪健康，通过施肥进入土壤，经食物链直接或间接影响人类健康。

2017年有研究表明，山东土壤重金属输入途径主要是工业，交通，畜牧养殖和燃料焚烧等，同时土壤重金属输入量调查研究结果表明，畜禽养殖粪污输入量占比在24.91%，其中猪粪输入量占比达58.77%。而土壤重金属存在性质具有典型的实时性和区域性，为此本研究立足山东生猪主产区的一块长期施用腐熟猪粪种植区土壤重金属沉积量和风险评估，该试验场地周边无工业和交通等人为因素的污染（如图1），因此土壤重金属为猪粪肥污染；经分析发现，土壤中的重金属沉积现象依然存在，沉积存量与区域背景值对比，较2018年土壤Zn、Cu、Hg、Cd、Pb和Cr的存量都有不同程度的减少，其中土壤中Hg、Cd、Pb和Cr沉积存量呈显著性减少，土壤环境潜在风险均处于低或无风险，对人危害较小或无害；土壤中Zn和Cu的沉积存量较高，依然处于较高风险等级，危害人类健康，这与政策出台和逐年的农作物重金属的生物富集与生物转运相关度极高，根据该区域土壤Zn和Cu的实际情况，针对性选择对Zn和Cu生物富集率较高的作物种植（如菠菜、金针菜、小白菜和豆类等作物）。从研究角度看，以Zn、Cu、Hg、Cd、Pb和Cr土壤沉积特征为代表，可深入研究生猪养殖过程输入土壤的重金属类型及污染程度，定期进行监测土壤生态风险评估，建立山东省生猪产区土壤重金属动态数据库。

4.2 结 论在山东种植区每年均采用猪腐熟粪肥施做，但在相关法规和规范的监管下和养殖相关企业环境保护的意识的提升，由猪粪肥的输入土壤的重金属呈减少趋势；Zn和Cu在猪生产中特殊存在意义，其土壤沉积存量和风险等级要引起重视，应采取植物自然消解的方法进行土壤修复。