高铜猪粪对土壤生化指标影响的研究进展

杨海天，蒙洪娇，惠铄智，孔祥杰，姜海龙

（吉林农业大学动物科学技术学院，吉林 长春 130118）

高铜猪粪对土壤生化指标影响的研究进展

杨海天，蒙洪娇，惠铄智，孔祥杰，姜海龙*

（吉林农业大学动物科学技术学院，吉林 长春 130118）

在规模化畜禽生产中，铜作为生长促进剂被广泛添加到猪的饲粮中，但是饲料中大部分的铜不会被动物吸收，而随着动物粪便排出体外。大量的含铜猪粪排放到环境中，会对环境造成严重的危害。作为含铜猪粪的承载体，过量的铜会对土壤内部中的酶活性、微生物群落组成及土壤呼吸等生化指标造成影响，进而对土壤肥力造成影响。

含铜猪粪；酶活性；微生物

铜是动物必需的微量元素，在动物新陈代谢过程中发挥着重要的生理功能，在畜禽生产中作为生长促进剂被广泛应用，添加铜是提高猪生产性能的重要措施之一。但铜在猪体内的生物效价有限，超过90%的铜不能被动物利用而随粪便排出体外。据朱宁等[1]估算，到2020年，我国畜禽粪便年产生量将达到28.75亿t，其中猪粪产生量占19.59%。现如今，含有过量铜元素的畜禽粪便已经成为土壤铜污染的重要来源[2]。当施加含铜猪粪的土地超过土壤对铜的承载量时，势必会对土壤内部的环境质量生物学指标造成严重的影响，进而破坏土壤内部的平衡以及影响土壤的肥力。

1 高铜在养猪生产中的现状

1.1 饲料中的铜含量

高剂量的铜作为一种廉价高效的促生长添加剂被广泛应用于养猪业中。在NRC（2012）营养标准中，饲粮中的铜含量仅为3.5～6 mg/kg即可满足猪的营养需求。而在养猪生产中，现有日粮中常添加125～250 mg/kg[3]的铜，甚至375 mg/kg的铜以刺激猪生长。饶辉[4]等对9家预混料生产厂家的4%系列猪用预混料共45个产品中的铜含量进行检测，在不考虑其他原料本身含有微量元素的情况下，按照企业制定的标准值和添加比例生产的配合饲料的铜含量均高于中国瘦肉型生长肥育猪和妊娠母猪的饲养标准(1986)和美国NRC (1998)建议的猪营养需要量。姜萍[5]等对江西省余江县39家大型养猪场所用饲粮进行分析发现，大猪和小猪饲料 Cu含量超标率分别为 81.6%和 30.8%。

目前日粮中添加铜源主要以硫酸铜、碳酸铜、碱式氯化铜（TBCC）、氨基酸铜(AA-Cu)等为主，硫酸铜因其生物学利用率和价格等因素被作为猪、禽生产中的主要铜源。众多研究表明饲料中添加不同铜源对猪的生长性能并无显著影响。高风仙[6]等分别以硫酸铜、碱式氯化铜、氨基酸铜作为铜源对生长猪进行消化试验，发现添加不同铜源和铜水平对猪铜的消化率影响差异不显著(P＞0.05)。赵春雨[7]等以硫酸铜和氨基酸铜作为铜源添加到生长猪日粮中，发现不同铜源及铜水平（10, 150, 300 mg/kg）对猪日增重和料重比均无显著影响(P＞0.05)。

1.2 猪粪中铜含量

猪粪中铜含量受到饲料中铜添加量的影响，与饲料中铜添加量成正相关，其相关系数R2在 0.679 2～0.873 5 之间[8]。断奶仔猪因在生长发育阶段，为满足其快速生长发育甚至刺激其生长发育的要求，其饲料中往往添加较高剂量的铜。随着猪体重的增加，饲粮中的铜含量逐渐降低。因此，不同生长发育阶段猪粪中铜含量为断奶仔猪＞育肥猪＞母猪[9]。猪粪中铜含量由于重金属在生物体内的富集作用，其含量往往是饲料中铜含量的数倍。Cang L[10]等研究发现，粪便中的铜含量比饲料中铜含量高出1.0～4.4倍。Komegay[11]等对猪饲喂铜含量为7～10 mg/kg和250～370 mg/kg的饲料，其排泄猪粪中铜含量为59～88 mg/kg和1 330～2 367 mg/kg。李松岩[12]通过对仔猪和生长猪后期分别饲喂230 mg/kg和200 mg/kg的铜，发现铜在粪尿中的排泄率分别为96.13%、88.02%，风干粪样中铜含量为1 156.6～1 211.9 mg/ kg。姜萍[5]等对江西省余江县39家大型养猪场调查分析表明，大猪和小猪猪粪铜含量分别为98～1 410 mg/kg、179～1 430 mg/kg，大猪和小猪粪便中Cu超标率分别为81．6%、97．4%。黄磊[13]等随机抽取了北京21家具有代表性的养猪场进行调查分析结果表明，仔猪粪中铜含量559～1 170 mg/kg，育肥猪粪为333～904 mg/kg，种猪粪为244～876 mg/kg，各阶段猪粪铜含量超标率为100.00%

2 含铜猪粪对土壤环境生化指标的影响

2.1 含铜猪粪对土壤的污染

我国土壤中的铜浓度一般为1～20 mg/kg[14],而我国土壤环境质量二级标准(GB15618-1995)规定的铜含量为100 mg/kg。在养猪生产中，由于饲粮中铜的滥用，以及对粪污处理不够科学合理等原因，致使养猪场周边的土壤铜含量严重超标，且投产年限越长的猪场土壤铜含量超标情况愈加严重[15]。朱建春等[8]对陕西安康、商洛、杨凌等地农田施用含铜猪粪进行估算发现36.9～49.8年后土地铜含量将超过规定阈值。何波澜[16]等对福建省规模化猪场进行调查表明，规模化猪场周边土壤中的铜超标高于30%，不同土层中（0～40 cm）铜含量为16.48～184.39 mg/kg。姜萍[5]等对江西省余江县长期使用猪粪的菜地土壤进行取样，发现土壤铜含量为15.4～174 mg/kg，其超标率为51.3%。

2.2 含铜猪粪对土壤酶活性的影响

酶是土壤中重要的生物催化剂，在土壤中发生的各种生物化学反应都是在酶的催化作用下实现的[17]。因此，土壤酶在维持土壤结构的稳定、降解有机废物、形成有机质以及养分的循环中扮演着重要的角色[18]。目前研究较多的酶分别是过氧化氢酶、蛋白酶、纤维素酶、淀粉酶、蔗糖酶和脲酶[19]。土壤酶活性作为判断土壤肥力的重要指标之一，在生态环境的研究领域越来越得到人们的重视[20]。

影响土壤酶活性的因素很多，土壤质量、土壤种类和土壤理化性质等均对其有影响。众多研究结果表明土壤重金属污染会对土壤酶活性产生不同程度的抑制作用[21]。贾彦博等[22]发现土壤磷酸酶和脱氢酶活性分别在铜含量＞50 mg/ kg和铜含量＞100 mg/kg后开始持续下降，土壤脲酶活性随土壤铜含量的增加而不断下降。朱亦君等[23]对东北黑土中施用含铜猪粪发现低浓度的铜对土壤脱氢酶和脲酶活性有促进作用，高浓度的铜对其活性起抑制作用，当土壤铜浓度达到301.3 mg/kg时土壤内各种酶的活性均受到强烈的抑制，这可能和含铜猪粪降低了土壤中微生物总量有关[24]。

2.3 含铜猪粪对土壤微生物的影响

土壤中的微生物是土壤生态系统的重要组成部分，其活性和群落组成对保持土壤肥力具有重要意义。尽管猪粪中的营养物质和有机质在一定时限内会对土壤微生物的活性和繁殖具有促进作用，但是当土壤中的铜浓度超过微生物的耐受阈值时，对铜较敏感的微生物会大量死亡，微生物生物量的增加受到抑制[25]。对铜耐受较强的微生物得以繁殖，此时土壤中的群落结构被改变[26]。Huysman F等[27]发现连续5年施用含铜猪粪的土壤中铜抗性均增加了10～1 000倍，这对土壤微生物的组成结构造成了严重的影响。在朱亦君[23]的研究中，猪粪对东北褐黑土中土壤微生物生物量碳的促进作用在土壤铜含量达到301.3 mg/kg时被铜的抑制作用所掩盖。韩佳琪等[28]的研究结果表明土壤中铜浓度为258.4 mg/kg时土壤微生物生物量 C显著下降，土壤微生物总量明显降低。陈琳等[29]向土壤中添加由猪粪制成的含铜有机肥发现处理组土壤微生物代谢活性明显偏低。因此，向农田内施加含铜猪粪在虽然短期内会对土壤肥力有增强作用，但是超过土壤对铜的承载量时也会造成土壤内部生态系统的失衡，对土壤肥力造成一定影响。

2.4 含铜猪粪对土壤中其他指标的影响

在土壤环境学生化指标中，除酶活性、微生物活性以外，土壤有机碳含量、土壤呼吸等也是对土壤进行评价的重要指标。土壤有机碳含量是土壤碳库的重要组成部分，是衡量土壤肥力的重要指标，柳开楼等[30]对施用猪粪30年的红壤稻田进行研究发现，施用猪粪的土壤有机碳含量明显比施用化肥处理高出18.8%～23.7%，但其土地铜含量超过土壤环境质量二级标准的风险较大。土壤呼吸对土壤碳库的形成具有重要意义，贾彦博[22]发现土壤铜水平为≤100 mg/kg时，土壤微生物基础呼吸呈现出先上升后下降的趋势，当土壤铜含量＞100 mg/ kg时微生物的基础呼吸作用呈增强趋势，这可能和土壤微生物为耐受高剂量的铜而增加自身的能量需求有关[31]。

3 小结

综上所述，猪因饲喂含铜量过高的饲粮而产生大量含铜量超标的粪便，这些粪便如果直接排放到土壤，当超过土壤的承载能力时势必会对土壤内部的平衡及土壤肥力造成不可逆的影响。因此，我国养猪行业在蓬勃发展的同时，更要尽快寻找一个妥善有效的办法控制猪粪中过量的铜元素，使其得到合理的资源利用。建议我国建立完善而合理的猪饲料铜添加标准及监督管理制度，在不影响猪生长性能的情况下合理使用铜元素，防止过量的铜被添加到猪饲粮中；同时应深入探究畜禽粪便中重金属去处技术，采用生物吸附法生物淋滤法等对猪粪中的铜元素进行处理，这是今后的重要任务。

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2017-03-29）

规模化猪场粪污处理关键技术的研究与示范（20150203010NY）；吉林省安全优质肉猪现代生产关键技术示范（20140301013NY）

杨海天（1992-），男 ，现为吉林农业大学动物营养与饲料科学专业在读硕士研究生E-mail：1284679210@qq.com