猪粪与农田土壤中重金属累积污染的相关分析①

赵 睿，吴智书，罗 阳，董 丽，王淑楠，王海斌，喻礼怀*



猪粪与农田土壤中重金属累积污染的相关分析①

赵 睿1，吴智书2，罗 阳1，董 丽1，王淑楠1，王海斌3，喻礼怀1*

(1 扬州大学动物科学与技术学院，江苏扬州 225009；2仪征市陈集镇畜牧兽医站，江苏仪征 211900； 3 太仓市金诸农业发展有限公司，江苏太仓 215436)

为调查猪粪和农田土壤中Cu、Zn、As、Hg、Cr、Cd、Pb、Ni 8种重金属元素的累积和相关关系，文章抽取了30篇已发表文献中关于8种重金属的浓度数据进行分析。原始分析包括上海周边、浙江、江苏、福建、山东、陕西、山西、青海、北京、河南、吉林、湘江下游、河北保定、广东东莞、新疆乌鲁木齐和石河子等地，共包括超过2 000个猪粪样品和1 700个土壤样品，取其中的均值共550个进行分析。分析发现：猪粪中Cu超标最严重，Zn次之；土壤中Cu、Zn累积不多，但是多来自猪粪；土壤中Cd超标最为严重，其次为Cr，且主要污染源不是来自猪粪。

猪粪；农田土壤；重金属

土壤可以通过几种不同的方式影响人们的健康[1]，如食土癖、粉尘吸入或者通过其上种植的植物。农田土壤中的重金属可以通过污染蔬菜、谷物及果品等可食用植物进入人体，对人体健康造成潜在的危害[2]。近年来，有机食品生产和消费量大大上涨，在2012—2013年中，有机食品的产量由21万吨增至32万吨，涨幅超过53%[3]。在各种有机农副产品的生产中，生物有机肥占据越来越重要的地位。然而，国内的畜禽粪便重金属超标率较高，尤其以猪粪为最，Cu元素的超标率在54% 以上[4]，有机肥中Pb元素的超标率达80% 以上[5]。重金属通过食物链在人体内累积，会对人体健康造成很大危害，如Pb会伤害人的脑细胞，阻止儿童的智力发育[6]；徐博[7]的研究发现过量的Cu在小鼠体内蓄积会对心、肝、脾、肾等器官造成损害。Dassel等人[8]的研究发现过量的Cu会导致肝硬化。研究发现，长期施用畜禽有机肥的土壤会积蓄粪污中的重金属[2]。本试验中采用相关分析及多元统计分析方法，对17篇包含猪粪中重金属含量[4-5，9-23]及14篇包含农田土壤重金属含量[10，24-36]的文章数据进行提取分析。

文章的搜索关键词为：猪粪、有机肥、土壤、农田土壤、重金属；选取原则为：研究性文章，包括猪粪中的重金属含量和猪粪有机肥，农田土壤中重金属含量；发表数据包括平均数。排除综述性文章、文章中为其他动物的粪便重金属含量及其他因素污染土壤的文章。以保证本文中所选取的土壤中主要的外在影响因素为猪粪有机肥和灌溉水。

探讨猪粪中重金属含量与农田土壤中重金属含量的联系，对解释重金属转移、重金属污染溯源具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

文章中所用数据均为国内已发表论文，其中包含猪粪重金属污染21篇，农田土壤重金属含量共14篇，从2005年到2016年，其数据量见表1。

表1 各元素数据量

所选文章中有施用对应猪粪的土壤数据，也有单独的猪粪、土壤数据，将所有的猪粪和土壤数据合并起来进行分析。所选文章中只有陈芳等[25]报道了施用年限为12 a，且其为研究所内试验田，并非普通农田。在普通农田的调查研究中，并无猪粪施用年限的数据。

选取每篇报道中Cu、Zn、As、Cr、Cd、Pb、Ni、Hg元素的均值，共包括550个，其采样地点包括上海周边、浙江、江苏、福建、山东、陕西、山西、青海、北京、河南、吉林、湘江下游、河北保定、广东东莞、新疆乌鲁木齐和石河子等地，较大范围地包括了中国国内地区，所测猪粪样品超过2 000个，土壤样品超过1 700个，可以在一定程度上代表国内猪粪和农田土壤中重金属含量。

1.2 统计分析方法

重金属单项污染指数评价：P=C/S；P为某种重金属的污染指数；C为某种重金属实际含量；S为某项重金属的含量限值；P≤1为合格，P>1为超标。

统计分析使用Pearson相关分析，检测猪粪中与农田土壤中的重金属含量相关性；采用主成分分析，并使用变量投影重要性(VIP)筛选出猪粪和农田土壤中代表性的污染重金属。

2 结果与分析

2.1 猪粪及农田土壤中的重金属超标率及含量分布

从表2可以看出，猪粪中重金属超标率从大到小为Cu、Zn、As、Hg、Cd，各研究中只有Cr、Pb和Ni没有超标。土壤中重金属的超标率从大到小为Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Ni、As、Zn，每种重金属都有超标。

表2 猪粪及农田土壤中的重金属超标率

注：猪粪As、Cr、Pb、Hg、Cd的限值标准为《有机肥料》(NY525-2012)，Cu、Zn、Ni的限值为台湾省有机肥标准。土壤中重金属含量限值标准为《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)中二级土壤标准。

猪粪中Cu元素的超标率为100%(表2)，从图1可以看到，猪粪中Cu元素的浓度多在300 ~ 750 mg/kg，并且在1 050 ~ 1 200 mg/kg时也有一个小高峰，故Cu的平均P较高，为5.30。Zn的超标率为84%，且多集中在较低的超标浓度，平均P为2.44。As的超标率为34.09%，但是As大多数集中在浓度较低的部分，平均P为0.84，标准差为1.27，变异幅度较小。Hg的超标率为11.50%，平均P为0.39，标准差为1.41，有两个试验中Hg浓度较高。Cd的超标率为5.00%，平均P为0.78，标准差为2.96，变异较大。

农田土壤中超标率最高的为Cd元素，超标率为52.94%，平均P为2.04，标准差为3.29，超标的试验数据较多(表2，图2)；Cr的超标率24.24%，平均P为0.61，标准差为0.64，大部分数据都低于100 mg/kg；Cu的超标率10.26%，平均P为0.64，标准差为0.28，超标率较低，且浓度比较低，所以平均P比较低；Hg的超标率8.33%，平均P为0.29，标准差为0.66；Pb的超标率5.56%，平均P为0.33，标准差为0.30；Ni的超标率5.26%，平均P为0.34，标准差为0.38；As的超标率3.13%，平均P为0.23，标准差为0.28；Zn的超标率2.94%，平均P为0.44，标准差为0.28。Hg、Pb、Ni、As 4个元素的超标率较低。

2.2 猪粪及农田土壤中的重金属含量相关分析

表3是土壤和猪粪中重金属含量的相关性分析结果。从表3可以看出，相关性最高的为土壤中Ni含量和猪粪中Hg含量，呈正相关，相关系数为0.913；同时土壤中的Ni与猪粪中的Cd呈显著负相关，相关系数为–0.625。土壤中的Cr与猪粪中Zn、As、Cr、Cd和Pb重金属元素均显著相关。土壤中的Cu、As、Cd与猪粪中重金属元素无显著相关。土壤与猪粪中相对应重金属显著相关的有Hg、Cr、Pb；土壤中的Ni与猪粪中的Ni因数据原因，无法计算相关性。

2.3 猪粪及农田土壤中的重金属含量主成分分析

表4是将猪粪和土壤中的8种重金属浓度数据结合在一起使用主成分分析所得到的结果。从表4中可以看出，两个成分即可以解释模型中68% 的变异，成分提取停止。同时结合变量投影重要性分析发现，在8种重金属元素中，Pb和Ni是最重要的两种元素，VIP值分别为2.411和2.223；接下来是Cu和Zn，VIP值分别为2.169和2.065。

3 讨论

3.1 猪粪及农田土壤中重金属超标率及含量分布

从结果中看到，猪粪中Cu、Zn超标率极高，这是因为在猪的饲粮中添加高Cu和高Zn可以促进猪的生长[37]，故而在饲料中添加剂量较高，可达到250 mg/kg。而在饲料中多以CuSO4·5H2O、ZnSO4·2H2O和ZnSO4·7H2O等无机物的形式添加，其生物学效价低于金属螯合物的有机添加形式。有机金属添加形式在较低添加量时可以达到在无机矿物添加剂在高剂量时才能达到的生物效果，改用有机金属添加可以降低粪污中金属元素的排出[38-39]及对环境的污染。

在饲料中添加蛋氨酸铬对猪的生长育肥具有促进作用[40]，但在试验中只添加200 μg/kg即可达到很好的效果，其添加量只有有机肥限值的千分之一左右，饲料卫生标准[41]的百分之二，远低于限值，故而在猪粪中没有超标。

其余如As、Hg、Cd，虽然有超标，但是这3种元素对猪的生产性能没有促进作用，反而有很强的毒性，在有机肥的标准中As、Hg、Cd的限值低于其他元素[42]，同时在饲料安全卫生标准中对这3种重金属的限值也很低，Pb、Ni元素也同上述3种重金属类似。

而在农田土壤中，超标率最高的元素是Cd，接下来是Cr和Cu元素。除去Cd、Cr、Cu，剩下的重金属超标率均低于10%，甚至Zn的超标率只有2.94%。土壤中的重金属可以通过食物链进入人体累积，并最终影响人体健康[43]。

表3 猪粪和土壤中重金属含量的相关性

注：**表示在<0.01 水平(双侧)显著相关，*表示在<0.05水平(双侧)显著相关；c因为至少有一个变量为常量，所以无法进行计算。

从单项污染指数可以看出，在猪粪中，Cu、Zn显著高于其他6种金属；在土壤中则是Cd远高于其他7种，说明猪粪和土壤污染的主要贡献金属不同。且猪粪的Nemerow综合污染指数高于土壤，说明在施用有机肥的情况下猪粪中污染最重要的Cu、Zn并没有大量地累积在土壤中。且从二者的Nemerow综合污染指数就可以看出，土壤污染较猪粪轻。

表4 猪粪及农田土壤中的重金属含量主成分得分系数

3.2 猪粪及农田土壤中重金属含量的相关性

猪粪中的重金属主要由其饲粮带来，Cr可以增强胰岛素在体内的生理功能，进而提高动物的生长、繁殖性能[44]；Cu、Zn的添加也可以提高动物的生长性能。在畜牧生产中，Cu、Zn、Cr除去饲料原料，如谷物、饲草等所带来的之外，还由畜牧生产者额外添加矿物原料[45]，导致在猪粪中Cu、Zn过高的超标率。Cr为土壤中超标率排在第二的重金属，Cr与猪粪中较多重金属元素存在显著正相关，可以发现土壤中的Cr元素与猪粪中的Cr、Zn和Cd具有显著正相关。可以认为土壤中的Cr、Zn在很大程度上由猪粪带来。农田中超标率最高的元素为Cd，其与猪粪中的其他任何一种重金属元素都没有显著相关，与猪粪中的Cd元素更是呈负相关。金属Cd具有较大的动物毒性，在动物生产当中并无积极作用，故而土壤中的金属Cd不是由施用动物粪便的有机肥所导致。金属Cd较多地应用在电子制造行业中，如镉镍电池[46]、镉镀层[47]、颜料[48]等，故土壤中的金属Cd有很大可能是灌溉水被污染所导致。土壤中Cu的超标率也较高，且在猪粪中Cu的超标率为100%，可以推测在生产中Cu的添加量极高；相关分析中，土壤和猪粪中Cu并无显著相关，只有较小的相关性，由此推测土壤Cu在一定程度上是由猪粪所带来，但并不是主要因素。

土壤与猪粪中相对应重金属有显著正相关关系的为Hg、Cr、Pb，说明土壤中这些重金属在很大程度上是由猪粪所带来。

3.3 猪粪及农田土壤中重金属主成分分析及标志性重金属的筛选

从图3可以看出，8种重金属分成两个主成分，与第一主成分相关性较大的为Ni、Pb、Cr、Hg、Cu、Zn，第二主成分为As、Cd。第一主成分主要由工业废弃物的重金属和粪便中的重金属所组成，第二主成分主要由工业废水中的重金属组成。其中Ni、Pb、Cr、Hg聚在一起，Cu、Zn聚在一起，二者在第一主成分上呈负相关。在相关分析中，Hg、Cr、Pb与对应的重金属呈显著正相关，Ni元素由于数据问题，无法检测相关性。As、Cd在主成分分析的变量投影重要性较低，在主成分分析中忽略。

将主成分分析与相关分析结合起来可以看出，Cu、Zn在一定程度上来源于猪粪，通过施用有机肥累积在农田土壤中。土壤中的Pb、Cr、Hg与饲料中相应的Pb、Cr、Hg具有显著正相关，说明有机肥中的Pb、Cr、Hg在土壤中累积，会提高土壤中相应的浓度。建议在畜牧生产中降低Cu、Zn、Cr的添加量，或者在饲料中的添加改为有机螯合物的添加形式，可以提高动物对金属元素的利用率。并且在畜牧生产中严格控制饲料原料的Pb、Hg含量，防止在粪便有机肥中的累积。

Ni由于数据缺失原因，无法进行相关性分析。在主成分分析中，Ni的VIP值较高，说明Ni的浓度也可以较好地解释土壤和粪便中重金属的变异。这个结果与王飞等[5]在2013年的结果不同，他们的分析中，以Cr元素为最大。这可能与其分析中纳入了其他动物粪便有关。

从上述分析可以看出，土壤中重金属超标率最高的是Cd，并且不是来源于粪便有机肥，而是由工业废弃物通过污水灌溉所致[49]。

4 结论

土壤Pb、Cr、Hg与猪粪有机肥中相应重金属显著相关，而Ni因为数据原因无法进行相关分析。但Pb、Ni是重金属污染中标志性重金属。土壤Cu、Zn与猪粪有机肥中的Cu、Zn相关性不大，但猪粪有机肥中的Cu、Zn对土壤重金属中Cu、Zn累积具有一定的作用。

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Correlation Analysis of Heavy Metals Accumulation Pollution in Pig Manure and Farmland Soil

ZHAO Rui1, WU Zhishu2, LUO Yang1, DONG Li1, WANG Shunan1, WANG Haibin3, YU Lihuai1*

(1 College of Animal Science and Technology, Yangzhou University, Yangzhou, Jiangsu 225009, China; 2 Animal Husbandry and Veterinary Station of Chen Town, Yizheng, Jiangsu 211900, China; 3 Jinzhu Agricultural Development Co., LTD., Taicang, Jiangsu 215436, China)

30 published references were used to analyze the accumulation and correlation of heavy metal contents in pig manure and farmland soil. The study areas in the original papers included Shanghai, Zhejiang, Jiangsu, Fujian, Shandong, Henan, Shanxi, Shaanxi, Qinghai, Beijing, Jilin, Baoding, Dongguan, Urumqi, Shihezi, and downstream of the Xiang river, a total of 550 mean values of heavy metals were analyzed from 2 000 more samples of pig manures and 1 700 more farmland soil samples included in these references. It was founded that Cu has highest over standard rate in the pig manure, then followed by Zn; but Cu and Zn were accumulated little in the farmland soil although they mainly came from pig manure. Cd had the highest over standard rate in soil, then followed by Cr, but they did not mainly come from pig manure.

Pig manure; Farmland soil; Heavy metal

10.13758/j.cnki.tr.2017.04.017

S141；X53

A

江苏省农业科技自主创新资金项目(CX(16)1003)、江苏省苏北发展计划项目(BN2015073)、扬州市产学研合作项目(YZ2016257)和太仓市现代农业项目(TC2015NY11)资助。

(lhyu@yzu.edu.cn)

赵睿(1990—)，男，山西太原人，硕士研究生，主要从事反刍动物营养研究。E-mail: 734948896@qq.com