规模化养殖场粪便中主要农化指标检测的研究

李梦婷，张晓倩，刘海学

(天津农学院农学与资源环境学院，天津 300380)



规模化养殖场粪便中主要农化指标检测的研究

李梦婷，张晓倩，刘海学*

(天津农学院农学与资源环境学院，天津 300380)

目的以天津市有代表性的某规模化养殖场秋季新鲜猪粪为材料，测定新鲜猪粪中有机质、含水率、挥发性固体以及重金属元素(Cu、Zn、As等)的含量和各元素间的相关性，为畜禽粪便对环境污染影响相关方面的研究及畜禽养殖环境管理决策提供科学依据。方法粪便中各元素的测定方法主要依照相关的国家标准。结果有机质含量、含水率、挥发性固体、总氮和总磷的平均值分别为52.44%、69.22%、71.96%、2.97%和0.2164%；重金属元素Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、As、Hg质量平均值分别为460.60、191.4、0.796 1、0.034 64、26.34、0.53 10、0.228 4 mg·kg-1。As与Cd存在显著正相关，但与Cr存在显著负相关；含水率与Cr存在极显著正相关；挥发性固体与Cd存在显著负相关；总氮与Hg存在极显著负相关。结论新鲜粪便中有机质含量较高，总氮和Cu均超标，超标率分别为60%、100%，其余元素均未超标。各元素间相关性大都不显著。

粪便；农化指标；重金属；相关性

0　引　言

近年来，中国畜禽养殖业发展迅速，创造了连续20年年平均增长量10%的奇迹，产值增加近5倍。但是，随着畜禽养殖业迅速发展，特别是畜禽养殖规模越来越大，集约化和机械化程度越来越高，畜禽粪污染已成为不容忽视的环境问题[1]。中国在20世纪90年代初对国内主要有机肥源中的养分和有害元素进行过调查分析[2]，但近年来，随着畜禽养殖方式的转变，畜禽粪便的成分发生较大的变化[3]。周博等[4]的研究表明,现代养殖条件下，由于饲料、添加剂等的普遍使用，畜禽有机肥中的重金属含量明显增加。虽然Zn、Cu是作物必需的微量元素，但需要量较小，过量投入会对作物造成伤害，导致农产品中含量超标，对人类健康构成威胁。覃丽霞等[5]的研究表明，在所调查的各有机肥样品中，猪粪肥的重金属含量最高，合格率最低，其中Cu的含量远高于其他有机肥。畜禽粪便是商品有机肥生产的主要原料，但随着畜禽饲料添加剂的大量使用，许多未被畜禽吸收的微量元素积累在畜禽粪便中，集约化畜禽养殖场的畜禽粪便有可能成为一些重金属污染的富集库[6]。石艳平等[7]的研究表明生猪粪便中重金属含量较高的元素种类与对应饲料相一致，剂高量重金属的饲料对应高量重金属的粪便。而且，随着农业的集约化发展及环境污染的加剧，农产品产地土壤重金属积累逐年增加，已经影响到食物链安全和人体健康[8]。由于有机肥在农业生产中地位的不断上升，有机肥的氮、磷、重金属污染已成为必不可少的研究话题。

本文通过对天津市有代表性的某规模化养殖场新鲜粪便中各农化指标的研究，以期为畜禽粪便对环境污染影响相关方面的研究及畜禽养殖环境管理决策提供科学依据。

1　材料与方法

1.1采样地点

天津市某规模化养殖场作为粪便采样点。采样后，参考HJ/T166-2004中规定保存。运输前逐一与采样记录和样品标签进行核对，无误后装箱。采集的粪便保存于保温样品箱内低温运输，避免途中破损、日光照射以及新的污染物玷污原样品，24 h内送至检测实验室分析化验。

1.2样品预处理

采样后，对新鲜样品进行预处理和保存，每次采集的新鲜粪便中，4/5样品加浓度为4.5 mol·L-1的浓硫酸，添加比例为每100 g加20 ml。1/5样品不进行预处理，用于含水率和总氮的测定。除分析含水率和全氮的样品，其余样品风干，人工研磨过2 mm尼龙筛，再经玛瑙研磨机过0.15 mm(100目)尼龙筛，制备完毕的样品用磨口瓶盛装。

1.3监测参数及监测方法

猪粪中各指标的监测参数方法及标准号见表1：

表1　猪粪中各指标的参数监测方法及标准号

1.4数据处理方法

采用 Excel 软件和 SPSS 统计软件进行数据处理。

2　结果与分析

2.1新鲜粪便中重金属含量情况

表2为天津市某规模化养殖场新鲜粪便中各重金属含量的情况。2011年农业部发布有机肥行业标准(NY 525—2011),Cd、Cr、Pb、As、Hg的限量值分别为3、150、50、15、2 mg·kg-1[9]。在此次采集的所有样品中，以上元素均未超标。但按照德国腐熟堆肥中部分重金属限量标准，Cd、Cr、Cu、Pb、Zn、Ni、Hg的最高限量值分别为1.5、100、100、150、400、50、1 mg·kg-1[9]。新鲜猪粪中除Cu的超标率为100%，其余元素均未超标。

变异系数反映了总体样本中各采样点的平均变异程度。一般情况下，变异系数在0%～10%之间属于弱变异，在10%～100%之间属于中等变异，100%以上属于强变异[10,11]。表2中Cu、Zn变异系数小于10%，属于弱变异，说明Cu、Zn受人为因素影响较小;Pb、Cd、Cr和As为中等变异;Hg变异系数为132.81%，属于强变异,说明Hg受人为因素影响较大。实验中，由于原子荧光光度计管道中Hg的吸附能力极强，尽管清洗管道多次，也不排除有残留的可能性。

朱建华等研究表明有机肥料重(类)金属中最多出现的是铜超标，其次为砷，第三为镉；铅与汞没有发生超标现象[12]。张绪美等[13]测定的苏南某市有代表性的规模化养殖场中，根据德国《腐熟堆肥中部分重金属元素》表，猪粪中的Cu超标率为96.15%，平均值为(444.62±306.72)mg·kg-1,与此次测定结果相近，此次Cu的测定结果超标率为100%，平均值为(460.60±39.06)mg·kg-1。说明粪便中Cu的含量普遍超标。

表2　规模化养殖场新鲜粪便中各重金属含量的情况

2.2新鲜粪便中部分农化指标含量状况

表3　规模化养殖场新鲜粪便中部分农化指标含量情况

由表3可知新鲜猪粪含水率的平均值为69.22%，变幅为63.51%～73.91%；有机质含量的平均值为52.44%，变幅为51.11%～53.63%；挥发性固体含量的平均值71.96%，变幅为70.87%～72.61%；总氮的平均值为2.97%，变幅为2.82%～3.04%(污染限值为3%)，超标率为60%；总磷的平均值为0.216 4%，变幅为0.017 0%～0.869 8%(污染限值为1.5%)，无超标现象。周博等[4]研究表明猪粪平均总氮及总磷的含量分别为1.65%及0.85%，相比之下，此次结果总氮含量较高，测量结果均大于1.65%，而总磷含量跨度较大,最小值为0.017 0%，最大值为0.869 8%。

含水率、有机质、挥发性固体和总氮的变异系数均小于10%，属于弱变异，其中，挥发性固体变异系数最小，为0.95%；含水率变异系数相对较大，为5.62%，说明上述指标受人为干扰较少。但总磷的变异系数为152.6%，为强变异，说明人为干扰较多。

2.3新鲜粪便重金属之间的相关性

如表4所示，Cu与Zn、Pb、Hg、As均为不显著正相关，其中，与As相关程度最弱，相关系数为0.130；与Zn低度相关，相关系数为0.414；与Pb、Hg中度相关，相关系数分别为0.523、0.693。Cu与Cd、Cr呈不显著负相关，与Cd基本不相关，相关系数为-0.169；与Cr为中度负相关，相关系数为-0.523。Zn与Pb、Cr、Hg存在不显著的正相关，其中，与Pb的相关系数为0.451，低度相关；与Cr相关系数为0.019，基本不相关；与Hg的相关系数为0.697。中度相关。Zn与Cd、As存在不显著低度负相关，相关系数分别为-0.331、-0.366。Pb与Cr、Hg存在不显著高度相关，其中，与Cr为负相关，相关系数为-0.862；与Hg为正相关，相关系数为0.843。Pb与Cd、As存在不显著中度正相关，相关系数分别为0.597、0.660。Cd与Cr存在不显著中度负相关，相关系数为-0.729；与Hg相关程度弱，相关系数为0.216。但Cd与As存在显著高度正相关，相关系数为0.917。Cr与Hg存在不显著中度负相关，相关系数为-0.578；与As存在显著高度负相关，相关系数为-0.900。Hg和As相关程度弱，相关系数为0.249。

表4　新鲜粪便中各重金属之间的相关系数(n=5)

注：**表示显著性水平P<0.01(极显著)，*表示显著性水平P<0.05(显著)，下同。

2.4新鲜粪便部分农化指标之间的相关性

由表5可知，含水率与有机质、总磷存在不显著负相关，相关系数分别为-0.454、-0.228；与挥发性固体、总氮存在不显著中度正相关，相关系数分别为0.636、0.693。有机质与挥发性固体、总氮、总磷基本不相关，相关系数分别为0.058、-0.017、-0.085。挥发性固体与总氮基本不相关，相关系数为0.191；与总磷存在不显著高度负相关，相关系数为-0.857。总氮与总磷存在不显著低度正相关，相关系数为0.340。

表5　新鲜粪便部分农化指标之间的相关系数(n=5)

2.5新鲜粪便部分农化指标与重金属的相关性

表6所示，含水率与Cu、Pb、Cd、Hg、As存在不显著负相关，相关系数在-0.857～-0.549之间；与Zn基本不相关，相关系数为0.033，与Cr存在极显著高度正相关，相关系数为0.962。有机质与Cr、As存在不显著中度相关，其中，与Cr为负相关，相关系数为-0.596；与As为正相关，相关系数为0.562；与Cu、Zn存在不显著低度相关，其中，与Cu为正相关，相关系数为0.433，与Zn为负相关，相关系数为-0.410；与Pb、Cd和Hg基本不相关，相关系数分别为0.210、0.208和-0.112。挥发性固体与Pb、Hg和As存在不显著负相关，相关系数分别为-0.640、-0.331和-0.783；与Cr存在不显著中度正相关，相关系数为0.621；与Cd存在显著高度负相关，相关系数为-0.955；与Cu、Zn基本不相关，相关系数分别为0.238、0.110。总氮与Cu、Zn、Pb、Cd和As存在不显著负相关，相关系数从-0.133～-0.825；与Cr存在不显著中度正相关，相关系数为0.589；与Hg存在极显著负相关，相关系数为-0.965。总磷与Pb、Cr和Hg基本不相关，相关系数绝对值均小于0.3；与Zn存在不显著低度负相关，相关系数为-0.369；与Cd存在不显著高度正相关，相关系数为0.833；与Cu和As存在不显著中度相关，其中，与Cu存在负相关，相关系数为-0.666，与As存在正相关，相关系数为0.607。

表6　新鲜粪便部分农化指标与重金属的相关系数(n=5)

3　结论与讨论

实验结果表明，天津市某规模化养殖场中新鲜粪便的有机质含量、含水率、挥发性固体的平均值分别为52.44%、69.22%、71.96%；总氮的平均值为2.97%，超标率为60%(污染限值为3%)；总磷的平均值为0.216 4%，没有超标(污染限值为1.5%)。目前，饲料厂及养殖场多用铜、锌、砷等金属元素作为饲料添加剂喂养牲畜[5]，一些研究表明，猪对这些重金属添加剂吸收很少，95%以上都通过粪便、尿等形式排出体外[14-16]，所以猪粪便中的重金属含量普遍较高。此次研究中，重金属元素中除Cu超标率为100%(德国《腐熟堆肥中部分重金属元素标准》)，其余元素在相应标准下均未超标，但猪粪便中重金属含量的范围跨度较大，推测可能与饲料添加剂的种类有关。

含水率、有机质、挥发性固体、总氮、Cu和Zn变异系数小于10%，属于弱变异；Pb、Cd、Cr和As为中等变异，变异系数分布在10%～100%；总磷和Hg属于强变异，变异系数分别为152.6%和132.81%。

新鲜粪便重金属元素相关性中，As与Cd存在显著高度正相关，相关系数为0.917，但与Cr存在显著高度负相关，相关系数为-0.900；新鲜粪便部分农化指标相关性中，各元素间均无显著的相关性；新鲜粪便部分农化指标与重金属的相关性中，含水率与Cr存在极显著高度正相关，相关系数为0.962；挥发性固体与Cd存在显著高度负相关，相关系数为-0.955；总氮与Hg存在极显著高度负相关，相关系数为-0.965。

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[责任编辑：刘守义英文编辑：刘彦哲]

Detection of Main Agrochemical Indexes of Feces in Large-Scale Farms

LI Meng-ting,ZHANG Xiao-qian,LIU Hai-xue

(Agriculture and Resources and Environment School,Tianjin Agricultural College,Tianjin 300380,China)

ObjectiveThe fresh autumn pig manure in a representative farm of Tianjin was taken as material to determine the contents of organic matter in fresh pig manure,moisture rate,volatile solids and heavy metals(Cu,Zn,As,etc.)and the correlation between each element.This study provided a scientific basis for the research of the influence of pollution from poultry and animal feces on environment and decision-making on livestock and poultry breeding environment management.MethodsThe determination method of each element of the feces were mainly based on the relevant national standards.ResultsThe organic matter content,moisture rate,volatile solids,total nitrogen and total phosphorus average were 52.44%,69.22%,71.96%,69.22% and 0.2164%,respectively.As to Heavy metal elements Cu,Zn,Pb,Cd,Cr,As,Hg,the average quantities were 460.60,191.4,0.796 1,0.034 64,26.34,0.531 0,26.34 mg/kg,respectively.As had significantly positive correlation with Cd,but significantly negative correlation with Cr;Moisture rate had significantly positive correlation with Cr;Volatile solids and Cd existed significantly negative correlation;Total nitrogen was significantly negatively correlated with Hg.ConclusionThe organic matter content is higher in fresh dejection;total nitrogen and Cu were overweight,which were 60%,100%;the rest of the elements are not overweighted.No significant correlation is found between the elements.

feces；agrochemical indicator；heavy metal；correlation

10.3969/j.issn.1673-1492.2016.05.005

天津市大学生创新创业训练计划项目(201510061068)

李梦婷(1995-)，女，四川广元人，天津农学院农学与资源环境学院在读学生，主要从事化学检验方面的研究。

刘海学(1965-)，男，内蒙古通辽人，博士，研究员，主要从事生化与分子生物学研究。

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来稿日期：2016-03-08