晋北地区规模化养殖场畜禽粪便中养分和重金属含量分析

陈 芬，余 高

(铜仁学院 农林工程与规划学院，贵州 铜仁 554300)

畜禽粪便是农作物生产中重要的传统肥料[1]，现代有机农业、绿色农业、循环农业均强调畜禽粪便有机肥的施用[2]。但在实际生产中，畜禽养殖者出于对经济效益的追求，在饲喂过程中使用大量铜、锌、镉、砷等微量元素添加剂[3]，而畜禽对这些微量元素的利用率很低，导致其排出的粪便中含有大量重金属[4-6]。若将这些畜禽粪便作为肥源持续施入农田，将会造成农田土壤重金属累积和污染，威胁农作物种植安全，进而通过食物链威胁人类的身体健康[7-9]。大量研究表明，我国畜禽粪便重金属含量超标已成为普遍现象[10-12]。李书田等[11]对我国20个省(市)畜禽粪便的养分含量进行取样分析发现，鸡粪中铜、锌的超标率分别为15.3%、27.1%；猪粪中铜、锌的超标率分别为70.0%、62.5%；牛粪中铜、锌的超标率分别为9.6%、3.8%；羊粪中的铜、锌不超标。王飞等[1]对华北地区畜禽饲料和粪便中重金属的含量进行调查分析发现，虽然畜禽粪便中具有较高含量的有机质，氮、磷、钾等养分含量较高，是较好的有机肥原料，但畜禽粪便中的重金属含量超标明显，尤其以猪粪中的铜、锌超标最明显。贾武霞等[12]对我国部分城市集约化养殖场的畜禽粪便进行取样分析发现，猪粪、鸡粪、鸭粪中铜、锌、砷均有不同程度的超标，其中以猪粪中重金属超标最严重。调查分析畜禽粪便中的重金属含量，有助于对畜禽粪便进行更好的无害化处理和资源化利用，从而促进我国有机农业、绿色农业、循环农业的发展。因此，本研究在晋北地区6个不同规模的养殖场采集畜禽粪便样品65份，分析了畜禽粪便中的氮(TN)、磷(P2O5)、钾(K2O)以及铜(Cu)、锌(Zn)、砷(As)、铅(Pb)、镉(Cd)、铬(Cr)、镍(Ni)、汞(Hg)含量，旨在了解晋北地区规模化养殖场畜禽粪便中的养分、重金属含量以及分布状况，以期为安全利用畜禽粪便提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 样品采集

分别在晋北地区大同县、怀仁县、应县、山阴县、忻州市的6个规模化养殖场采集畜禽粪便样品65份，其中鸡粪19份、猪粪21份、牛粪25份。所采集的畜禽粪便样品经风干、研磨，过尼龙筛(0.15 mm)后置于密封袋中保存备用。

1.2 测定方法

畜禽粪便的酸碱度(pH值)和电导率(Electrical conductivity，EC)的测定采用电极法[13]；畜禽粪便经H2SO4-H2O2消化后，TN的测定采用蒸馏法，P2O5的测定采用钒钼黄比色法，K2O的测定采用火焰光度法[13]；Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、Ni的测定采用HNO3-HClO4消解—原子吸收分光光度法，Hg、As的测定采用原子荧光光度法[14]。

1.3 数据处理

数据采用Excel 2013和SPSS 20.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 晋北地区规模化养殖场畜禽粪便中pH值和EC值分析

如表1所示，晋北地区规模化养殖场中，鸡粪、猪粪、牛粪的pH值分别为6.23～8.95、6.34～8.98、6.79～9.76，EC值分别为1.15～4.93、1.13～4.82、1.23～4.74 mS/cm。3种畜禽粪便的pH值平均值均大于6.00，且以牛粪的pH值最高，为8.85；EC平均值为2.64～2.81 mS/cm。

表1 鸡粪、猪粪和牛粪中pH值及EC值

注：同列数据后标不同字母表示差异显著(P≤0.05)，下同。

Note: The different letters in the same column indicate distinct difference (P≤0.05). The same below.

2.2 晋北地区规模化养殖场畜禽粪便中TN、P2O5、K2O含量分析

如表2所示，相同种类或不同种类的畜禽粪便TN、P2O5、K2O养分含量各不相同。鸡粪中TN含量为1.62%～4.37%，73.70%的鸡粪样品中的TN含量为2.00%～4.00%；猪粪中TN含量为1.47%～3.45%，95.20%的猪粪样品中TN含量超过1.50%；牛粪中TN含量为0.71%～2.47%，84.00%的牛粪样品中TN含量超过1.00%。鸡粪中P2O5含量为0.56%～2.86%，其中85.70%的鸡粪样品中P2O5含量超过2.00%；猪粪中P2O5含量为1.66%～5.48%，其中66.70%的猪粪样品中P2O5含量集中在2.00%～4.00%；牛粪中P2O5含量为0.39%～2.57%，其中48.00%的牛粪样品中P2O5含量小于1.50%，36.00%的牛粪样品中P2O5含量集中在1.50%～2.00%。鸡粪中K2O含量为0.34%～2.51%，其中68.00%的鸡粪样品中K2O含量集中在1.00%～2.00%；猪粪K2O含量为0.82%～4.57%，其中90.40%的猪粪样品中K2O含量超过1.00%；牛粪中K2O含量为0.67%～4.26%，其中68.40%的牛粪样品中K2O含量为1.00%～3.00%。鸡粪中TN含量的平均值(2.91%)显著高于猪粪(2.13%)和牛粪(1.31%)，3种畜禽粪便中TN的平均含量呈现出鸡粪>猪粪>牛粪的特点；猪粪中P2O5含量的平均值(3.20%)显著高于鸡粪(1.72%)和牛粪(1.41%)，3种畜禽粪便中P2O5的平均含量呈现出猪粪>鸡粪>牛粪的特点；牛粪中K2O含量的平均值(2.39%)和猪粪K2O含量的平均值(2.31%)显著高于鸡粪(1.40%)，3种畜禽粪便K2O的平均含量呈现出牛粪>猪粪>鸡粪的特点。

表2 鸡粪、猪粪和牛粪中TN、P2O5、K2O含量

2.3 晋北地区规模化养殖场畜禽粪便中重金属含量分析

如表3所示，不同种类的畜禽粪便中同类重金属含量均存在较大差异。鸡粪、猪粪、牛粪中的Cu含量分别为47.40～149.70、297.90～1 180.32、7.19～90.18 mg/kg，Zn含量分别为249.30～610.50、556.58～1 268.05、19.29～337.05 mg/kg。猪粪中Cu平均含量(588.32 mg/kg)分别是鸡粪(85.40 mg/kg)和牛粪(40.92 mg/kg)的6.89倍和14.38倍，Zn平均含量(934.33 mg/kg)分别是鸡粪(395.40 mg/kg)和牛粪(120.08 mg/kg)的2.36倍和7.78倍。Cu、Zn、Cd、Ni、As在猪粪中的含量均最高，其次是鸡粪，牛粪中最少。此外，Pb和Cr在鸡粪中的含量高于猪粪和牛粪。除猪粪中As含量略低于Pb含量外，3种畜禽粪便中的重金属元素的平均含量分布规律基本呈现出Zn>Cu>Cr>Ni>Pb>As>Cd>Hg的趋势。

表3 鸡粪、猪粪和牛粪中重金属元素含量

注：ND表示未检出。

Note: ND means that the element is not detected.

2.4 晋北地区规模化养殖场畜禽粪便中重金属含量超标情况分析

按照我国《农用污泥中污染物控制标准》(GB 4284—1984)[15]，Cu、Zn、As、Pb、Cd、Cr、Ni、Hg等8种元素的施用临界值分别为250、500、75、300、5、600、100、5 mg/kg。如表4所示，猪粪中Cu含量全部超过了250 mg/kg的限值，Zn含量全部超过了500 mg/kg的限值，Cu、Zn超标率均为100%，As、Pb、Cd、Cr、Ni、Hg均未超标；鸡粪中Zn超标率为21.05%，其余7个元素均未超标；牛粪中8个元素均未超标。按照《畜禽粪便安全使用准则标准(旱地作物)》(NY/T 1334—2007)[16]，Cu、Zn、As的施用临界值分别为600、2 700、50 mg/kg，猪粪中的Cu超标率为23.81%，其余7个元素均未超标；鸡粪和牛粪中的8个元素均未出现超标情况。按照《畜禽粪便安全使用准则标准(蔬菜)》(NY/T 1334—2007)[16]，Cu、Zn、As的施用临界值分别为170、700、30 mg/kg，猪粪中Cu、Zn超标率分别为100%和76.19%，其余6个元素均未超标；鸡粪和牛粪中的8个元素也均未出现超标情况。按照《德国腐熟堆肥中部分重金属限量标准》[17]，Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni、Hg的最高限量值分别为100、400、150、1.5、100、50、1 mg/kg，猪粪中Cu、Zn超标明显，超标率均为100%，鸡粪中Cu、Zn超标率分别为31.58%、36.84%，其余6个元素均未超标；牛粪中8个元素均未出现超标情况。

表4 鸡粪、猪粪和牛粪中重金属超标率

续表4 鸡粪、猪粪和牛粪中重金属超标率

注：“—”表示相关标准未对该重金属做限量规定。

Note: “—” indicates that the relevant standard does not impose a limit on the heavy metal.

3 结论与讨论

pH值和EC值是畜禽粪便检测的重要物理指标[9]。本研究结果显示，3种畜禽粪便平均pH值均大于6.00，其中以牛粪的pH值最高，为8.85，比SONG等[18]在2014年关于堆肥处理对畜禽粪便中养分含量影响的研究结果中牛粪、猪粪pH值的平均值(分别为9.54和8.98)偏小；3种畜禽粪便的EC平均值为2.64～2.81 mS/cm，均大于SONG等[18]的研究结果(0.95～1.35 mS/cm)。推测原因可能与动物自身的生理特征、饮食习惯和饲料特点等有关[11,19-20]。

畜禽粪便中含有丰富的氮、磷、钾等营养元素，是农业可持续发展的宝贵资源。本研究中，3种畜禽粪便中TN的平均含量呈现鸡粪>猪粪>牛粪的特点；P2O5的平均含量呈现猪粪>鸡粪>牛粪的特点；K2O的平均含量呈现牛粪>猪粪>鸡粪的特点。鸡和猪都属于单胃动物，生产中常饲喂含有大量蛋白质的生物精饲料，所以导致其粪便中含有大量的氮、磷；而牛属于反刍动物，其饲料以富含纤维的秸秆类为主，相关研究表明，植物的氮、磷主要集中在籽粒中，钾主要集中在秸秆茎叶中[9]，因而牛粪中含有较高含量的钾。

本研究中，Cu、Zn、Cd、Ni、As在猪粪中含量均为最高，鸡粪次之，牛粪最少，而Pb和Cr在鸡粪中含量均为最高。刘荣乐等[21]对全国14个省184个有机废弃物样品中的重金属含量进行分析，结果表明，猪粪中的Cu、Zn、Cd、As平均含量明显高于其他有机废弃物，而鸡粪中的Cr平均含量最高；黄绍文等[22]对全国18个省(市)126个商品有机肥样品和255个有机废弃物样品的重金属含量进行分析，结果表明，猪粪中的Cu、Zn含量最高，鸡粪中的Cr、Pb含量最高。推测可能是因为不同畜禽使用的饲料添加剂种类和用量不同所致[11]。此外，本研究中3种畜禽粪便中的重金属元素平均含量的分布规律基本呈现出Zn>Cu>Cr>Ni>Pb>As>Cd>Hg的趋势。这是因为在现代化畜禽养殖过程中，为了减少细菌感染，促进动物更好的生长和发育，动物饲料中添加有大量的Cu、Zn等微量元素，而畜禽对这些重金属元素的吸收率很低，95.00%以上随粪便排出，导致粪便中含有较高浓度的Cu、Zn等重金属[23-24]。

参照我国《农用污泥中污染物控制标准》(GB 4284—1984)[15]和《畜禽粪便安全使用准则标准》中旱田作物和蔬菜的安全使用要求[16]，以及《德国腐熟堆肥中部分重金属限量标准》[17]，本研究中，猪粪中Cu、Zn存在严重超标现象，鸡粪中Cu、Zn也存在超标现象，As、Pb、Cd、Cr、Ni、Hg均未超标；牛粪中Cu、Zn、As、Pb、Cd、Cr、Ni、Hg均未超标。贾武霞等[12]对172个畜禽粪便样品分析发现，猪粪中Cu、Zn超标率分别为59.84%、95.08%，As超标率为3.28%，Cd、Cr、Hg、Ni、Pb含量均未超标；李书田等[11]调查的170个畜禽粪便样品中，猪粪中Cu、Zn超标严重，超标率分别为70.00%、62.50%；单英杰等[2]对浙江省155个畜禽粪便样品分析发现，猪粪中Cu和Zn超标明显，超标率分别为53.55%和43.87%，均与本研究结果相似。由此看出，近几年来，畜禽粪便中的Cu、Zn含量一直维持在较高水平，且猪粪中的Cu、Zn含量尤其高。同时，有研究表明，目前我国80.00%以上的畜禽粪便没有进行综合处理就直接用于农业生产，造成我国的农田及菜地重金属污染严重，给我国的生态环境造成了极大的威胁[25-28]。因此，在将畜禽粪便用于农业生产之前，必须对其重金属含量进行严格控制。