农业废弃物中重金属含量特征及农用风险评估

魏益华，邱素艳，张金艳，陈庆隆，陈柳萌，涂田华，戴廷灿

农业废弃物中重金属含量特征及农用风险评估

魏益华1，邱素艳1，张金艳1，陈庆隆1，陈柳萌2，涂田华1，戴廷灿1※

（1. 江西省农业科学院农产品质量安全与标准研究所，南昌 330200；2. 江西省农业科学院农业应用微生物研究所，南昌 330200）

为了解江西省主要农业废弃物中重金属污染状况和评估其再利用产物农用的安全性，在江西省内采集了水稻秸秆、蔬菜废弃物、猪粪和牛粪等样品，对样品中铬、镍、铜、锌、砷、镉、汞和铅重金属含量进行了测定与风险评估。结果表明，动物性废弃物中重金属含量和超标率明显高于植物性废弃物，其中猪粪属于重度污染，牛粪为轻度污染，植物性废弃物尚处于安全水平。若以江西省农业废弃物为原料制成有机肥，并长期施用于设施菜地，猪粪有机肥施用8.4、15.3和23.9 a后土壤中Cu、Cd和Zn将陆续超标，牛粪有机肥施用23.3 a后土壤中Cu将超标，水稻秸秆、蔬菜废弃物有机肥施用约29 a后土壤中Cd将超标，故农业废弃物有机肥须严格控制原料中重金属含量，其农用的长期安全性有待加强监测。

废弃物；重金属；污染；风险评估

0 引 言

农业废弃物一般指在农业生产过程中被丢弃的有机类物质，通常为农林生产过程中产生的植物残余类废弃物、畜牧渔业生产过程中产生的动物类残余废弃物和农业加工过程中产生的加工类残余废弃物等，如作物秸秆、稻壳、蔬菜废弃物、杂草、林木枯枝落叶、果壳、畜栏垫料、菇渣、甘蔗渣、木屑、糟渣和畜禽粪便等。中国已成为全球农业废弃物产出量最大的国家，其年产出量并呈快速增长趋势，如2003年中国农业废弃物产出量约40余亿t，其中秸秆7亿t，蔬菜废弃物1亿t[1]，至2013年秸秆和蔬菜废弃物年产量已分别增至9.93亿t[2]和2.69亿t[3]。2013年江西省主要农作物废弃物2 689.35 万t/a，主要为水稻秸秆和蔬菜类废弃物，约2301.56 万t/a[4]。

据统计，2010年中国畜禽粪便年总量达22.35亿t[5]；2010年江西省畜禽粪便年总量为7 488.54万t[6]。在畜禽养殖过程中，由于出于抗病或刺激生长的需要，Zn、Cu和As等微量元素被广泛用于饲料添加剂[7]。中国每年微量元素饲料添加剂使用量约为15~18万t，其中约有10万t未被动物利用而随畜禽粪便排入环境[8]。中国畜禽养殖量每年约以10%的速率增长，畜禽养殖粪便排放量亦随之快速增加，由此造成的环境污染问题日益突出[9]。Kornegay等[10]研究发现，添加到饲料中的Cu超过90%将会随畜禽粪便排出。Nichohon等[11]认为畜禽粪便已成为土壤中Cu和Zn等重金属的重要来源，畜禽粪便对土壤Cu和Zn的年贡献率可高达40%和17%。畜禽粪便农用以及以畜禽粪便为主要原料的有机肥农用已成为中国农田土壤中重金属的重要来源[12-14]。

据相关资料显示，2013年中国有机肥资源总养分约7 000多万t，然而其实际利用率却不足40%，其中农作物秸秆还田率为35%左右，畜禽粪便还田率为50%左右[15]。预计到2020年，中国农业废弃物产出量将超过50亿t[16]。这些大量的农业废弃物如果不经过适当处理，直接排放进入外界环境将会造成严重的环境问题以及资源浪费。所以，高效安全利用这些农业废弃资源对保护农业农村环境有着重要的现实意义与经济价值。然而，至今为止，关于农业废弃物及其再利用产物（如有机肥等）安全性方面的研究报道较少，且研究对象主要集中在畜禽粪便，对植物性农业废弃物污染特征和农业废弃再利用产物的环境风险评估等方面的研究报道更是甚少。本项目初步调查和揭示江西省动植物性农业废弃物（如水稻秸秆、蔬菜废弃物、猪粪和牛粪）中重金属累积特征与污染现状，并对农业废弃物再利用产物—有机肥的长期施用进行风险评估，最终期望为农业废弃物再利用的安全性提供基础数据与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 样品的采集与制备

本研究于2016年11月至2017年7月期间在江西省水稻、蔬菜种植主产区和畜禽养殖主产区，如南昌、九江、抚州、新余、高安、吉安、赣州、宜春和上饶9个市县共采集了100个农业废弃物样品，其中水稻秸秆样品24个、蔬菜（茄子、豆角、番茄、黄瓜、丝瓜、苦瓜、辣椒、甘蓝、空心菜等）废弃物样品28个、猪粪样品36个和牛粪样品12个；同时采集与水稻秸秆相对应的稻田表层土壤以及与蔬菜废弃物相对应的蔬菜表层土壤以及蔬菜样品。

所采样品装于密封塑料袋后带回实验室，农业废弃物样品用蒸馏水清洗干净表面后用烘箱于40 ℃烘干，粉碎后过0.25 mm尼龙筛；土壤样品剔除杂质后于阴凉处风干，粉碎过0.15 mm尼龙筛，最终将制好的农业废弃物样品和土壤样品最终置于密封塑料袋中于干燥器皿中保存；蔬菜样品用蒸馏水清洗表面后擦干、切碎和匀浆，最终将制好的蔬菜样品置于密封塑料袋中于冰箱中冷冻保存。

1.2 测定方法

称取0.2～0.5 g农业废弃物样品（2～5 g蔬菜样品）样品，置于微波消解罐中，加入6 mL浓硝酸，于石墨消解仪上于100 ℃预消解0.5 h，待溶液冷却后取出，加入1 mL过氧化氢，拧好盖子静置0.5 h后放入微波消解仪中微波消解，微波消解于最高温度190 ℃保持30 min，消解完成待样品冷却后取出，打开盖子后再将微波消解罐置于石墨消解仪上于100 ℃赶酸1 h，最后用超纯水将样品消解液定容到50 mL容量瓶中。按相同的步骤做空白试验。用电感耦合等离子体质谱法[17]进行测定样品溶液中8种重金属元素。

称取0.1 g土壤样品，置于微波消解罐中，加入1.5 mL浓盐酸和4.5 mL浓硝酸，于石墨消解仪上于100 ℃预消解0.5 h，待溶液冷却后取出，加入1 mL氢氟酸和1 mL过氧化氢，拧好盖子静置0.5 h后放入微波消解仪中微波消解，于最高温度195 ℃保持30 min，消解完成待样品冷却后取出，打开盖子后再将微波消解罐置于石墨消解仪上于100 ℃赶酸1.5 h，用超纯水将样品消解液定容至50 mL容量瓶中。按相同的步骤做空白试验。用原子荧光法[18]测定样品消解液中Hg含量；分取1 mL样品溶液用体积分数2%HNO3溶液稀释至10 mL容量瓶中，用电感耦合等离子体质谱法[19]进行测定其溶液中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd和Pb含量。

1.3 江西省农业废弃物重金属污染评价

单因子指数法和内梅罗综合污染指数法是国内外进行污染评价时最常用的方法之一。本研究运用单因子指数法和内梅罗综合污染指数法对江西省主要农业废弃物中重金属含量进行污染评价。

单因子指数法

Pi

=

Ci/Si

（1）

式中P为某重金属元素的单因子污染指数；C为样品中某重金属元素平均值；S为中国有机肥料标准[20]中重金属污染限量，即Cr≤150 mg/kg、As≤15 mg/kg、Cd≤3 mg/kg、Hg≤2 mg/kg和Pb≤50 mg/kg。由于该标准缺乏Ni、Cu和Zn污染限量，故这3种元素的污染限量参照德国腐熟堆肥标准[21]，即Ni≤20 mg/kg、Cu≤100 mg/kg和Zn≤400 mg/kg。

内梅罗综合污染指数法

式中综为样品重金属综合污染指数；Pmax为单因子污染指数中的最大值；Pavg为单因子污染指数的平均值。

单项和综合污染指数分级标准见表1。

表1 单项和综合污染指数分级标准

1.4 江西省农业废弃物有机肥农用风险评估

土壤重金属输入的通常途径有化学投入品（有机肥、化肥、农药等）施用、农业水灌溉和大气沉降等。大棚蔬菜中使用的农药中重金属含量通常较低，有的甚至几乎不含有重金属，且农药用量（体积）较小；据本调查，江西省设施菜地的灌溉水源多为深层地下水，地下水中重金属含量较低，Hg、Cd和Pb等有毒有害重金属元素常未检出；此外，设施菜地环境相对封闭，大气沉降对土壤重金属输入的影响较小，故本研究中暂不将农药、农业水灌溉和大气沉降作为设施菜地土壤中重金属的主要来源。由于设施菜地中有机肥施用量远大于化肥，且有机肥中Cu和Zn等重金属含量一般远高于化肥，故本研究将有机肥作为设施菜地中重金属的最主要输入途径。设施菜地重金属的输出途径主要为蔬菜收获和蔬菜废弃物带走的重金属以及土壤淋溶作用。重金属往往富集在土壤耕作表层，向深层土壤中迁移量较少，故本研究中假定通过蔬菜收获和蔬菜废弃物带走是设施菜地土壤重金属的主要输出途径。综上所述，设施菜地土壤中重金属累积速率（）可以用以下公式估算

式中有机肥输入量等于有机肥施用量乘以有机肥中重金属浓度，蔬菜输出量等于蔬菜产量乘以蔬菜中重金属浓度，蔬菜废弃物输出量等于蔬菜废弃物产生量乘以蔬菜废弃物中重金属浓度。据本调查，江西省设施菜地以温室大棚为主，其有机肥年施用量一般为15 000～30 000 kg/hm2，蔬菜产量（鲜质量）一般为15 000～25 000 kg/hm2，蔬菜废弃物（干质量）产生量一般为3 000～4 000 kg/hm2，故本研究取其平均值，即有机肥年施用量20 000 kg/hm2，蔬菜产量为20 000 kg/hm2，蔬菜废弃物产生量3 500 kg/hm2；江西省设施蔬菜中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg和Pb平均值分别为0.019 9、0.084 4、0.421、2.09、0.009 45、0.040 5、0.007 43和0.022 0 mg/kg。假设江西省设施菜地土壤容重为1.3 g/cm3，1 hm2设施菜地表层（0～20 cm）质量即为2.6×106kg。

Ct

=

C

0

+

kt

（4）

式中C为时刻土壤中重金属含量，mg/kg；0为土壤中重金属含量背景值，mg/kg；为时间，a；为土壤中该重金属的累积速率，mg/（kg·a）。本研究以江西省土壤重金属背景值[16]为0，即Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg和Pb质量分数分别为48.00、19.00、20.80、69.00、10.40、0.100、0.08和32.10 mg/kg；以中国温室蔬菜产地环境质量评价标准中的污染限量[17]为C，即Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg和Pb质量分数分别为150、40、50、200、30、0.30、0.25和50 mg/kg。

1.5 数据分析

采用 Microsoft Excel 2010对数据进行统计；采用 SPSS 12.0 对数据进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 江西省水稻秸秆中重金属含量分析

从表2可知，江西省水稻秸秆中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg和Pb平均质量分数分别为13.7、4.06、3.56、60.9、3.55、1.16、0.0511和2.37 mg/kg，8种重金属变异系数为55.7%～127%。若以水稻秸秆为原料制成有机肥，依据中国有机肥料标准[22]和德国腐熟堆肥标准[23]，则江西省水稻秸秆中Cd超标，其超标率为4.2%。刘荣乐等[24]调查发现全国秸秆废弃物中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg和Pb平均质量分数分别为17.1、14.2、27.4、103.4、2.14、1.8、0.25和21.9 mg/kg，Cd、Ni、Hg、Cu和Zn超标率分别为38.7%～3.2%。与之相比，江西省秸秆废弃物中大部分重金属含量和超标率明显较低，Cr和Cd含量二者相近，As含量稍高。

江西省稻田土壤中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg和Pb平均质量分数分别为110、25.7、22.5、83.2、10.7、0.331、0.110和39.9 mg/kg，8种重金属含量变异系数范围为125%～418%，表明江西省稻田土壤中重金属空间分布差异较大，表明土壤受外界干扰比较显著，如受工业和交通业污染、农业耕作和施肥等强烈人为活动影响。依据中国土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准[25]，江西省稻田土壤中Cd（10.0%）、Cr（3.0%）和Cu（1.0%）超标，Ni、Zn、As、Hg和Pb含量均未超标。

表2 江西省水稻秸秆及其土壤中重金属含量

2.2 江西省蔬菜废弃物中重金属含量分析

从表3可知，江西省蔬菜废弃物中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg和Pb平均质量分数分别为14.7、8.91、8.55、105、1.12、1.13、0.0737和2.66 mg/kg，8种重金属变异系数为67.8%～157%。若以蔬菜废弃物为原料制成有机肥，依据相关标准[22-23]，则江西省蔬菜废弃物中Ni、Cd和Zn含量超标，其超标率分别为7.1%、3.6%和3.6%，Cr、As、Hg和Pb含量均未超标。黄绍文等[26]对全国植物性废弃物为原料的有机肥中重金属含量进行测定，发现其Cr、Cu、Zn、As、Cd、Hg和Pb平均质量分数为126.7、91.2、213.6、5.3、1.1、0.44和22.0 mg/kg，Cr超标率为13.4%，As、Cd和Hg超标率均为2.4%。与之相比，除Cd含量相近外，江西省蔬菜废弃物中Cr、Cu、Zn、As、Hg和Pb重金属含量明显较低。

江西省蔬菜土壤中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg和Pb平均值分别为77.8、18.8、22.8、76.7、9.60、0.281、0.107和36.3 mg/kg，8种重金属变异系数范围为26.3%～108%。依据相关标准[25]，则江西省蔬菜土壤中Cd（21.0%）、Cr（5.0%）和Cu（1.0%）超标，Ni、Zn、As、Hg和Pb含量未超标。

表3 江西省蔬菜废弃物和蔬菜土壤中重金属含量

2.3 江西省畜禽粪便中重金属含量分析

2.3.1 江西省猪粪中重金属含量分析

从表4可知，江西省猪粪中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg和Pb平均质量分数分别为2.94、14.8、456、732、14.0、1.94、0.170和5.74 mg/kg。若以猪粪为原料制成有机肥，依据相关标准[22-23]，则江西省猪粪中Zn、Cu、As、Ni和Cd超标，超标率为8.3%～86.1%，Cr、Hg和Pb含量均未超标。

与其他文献报道相比，本研究江西省猪粪中Cr含量较低，与文献[26]同，均未超标，而河北（30.43%）、全国[24]（10.3%）、陕西（8.00%）和福建（3.23%）猪粪存在不同程度的超标；Ni含量与河北和全国[24]猪粪中Ni含量相近，其超标率（8.3%）高于河北（2.17%），低于全国[24]（24.1%）猪粪；Cu含量与江苏、河北和全国[24]猪粪中Cu含量相近，高于陕西猪粪，低于福建和全国[26]猪粪，其超标率（83.3%）高于河北（80.43%）、陕西（76.00%）和全国[24]（69.0%）猪粪，低于福建（98.39%）和江苏（96.15%）猪粪；Zn含量与全国[24,26]猪粪相近，高于陕西猪粪，低于江苏和福建猪粪，其超标率（86.1%）高于河北（78.26%）、全国[24]（69.0%）和陕西（8.00%）猪粪，低于江苏（100%）和福建（96.15%）猪粪；As含量与河北猪粪中As含量相近，高于全国[24,26]猪粪，低于福建猪粪，其超标率（13.9%）高于全国[24]（0）猪粪，低于福建（38.17%）、河北（21.74%）和全国[26]（15.4%）猪粪；Cd含量与福建猪粪中Cd含量相近，高于河北、陕西和全国[26]猪粪，低于江苏和全国[24]猪粪，其超标率（13.8%）低于全国[24]（51.7%）猪粪、江苏（15.38%）和福建（11.29%）猪粪；Hg含量与全国[24]猪粪中Hg含量相近，低于河北和全国[26]猪粪，未超标或超标率较低；Pb含量与河北猪粪相近，高于陕西猪粪，低于福建和全国[24, 26]猪粪，未超标或超标率较低（表5）。

表4 江西省猪粪样品中重金属含量

表5 不同地区猪粪中重金属含量比较

注：“—”表示未报道。

Note: “—” indicates not reported。

2.3.2 江西省牛粪中重金属含量分析

从表6可知，江西省牛粪中Cr、Cu、Zn、As、Cd、Hg和Pb平均质量分数分别为2.65、5.26、165、266、1.56、0.555、0.144和2.70 mg/kg。依据相关标准[20-21]，则江西省牛粪中Zn和Cu超标，Cr、Ni、As、Cd、Hg和Pb含量均未超标。

本研究牛粪中Cr含量较低，其超标率（0%）与福建和全国[26]猪粪中Cr超标率相同，低于河北（30.00%）、陕西（7.69%）和全国[24]（2.4%）牛粪；Ni含量低于河北和全国[24]牛粪，其超标率（0）与河北牛粪相同，低于全国[24]（21.4%）牛粪；Cu含量高于福建、江苏、陕西、河北和全国[26]牛粪，低于全国[24]牛粪，其超标率（16.7%）高于其他地区（0～9.5%）；Zn含量与福建和江苏牛粪相近，高于陕西、河北和全国[24,26]牛粪，其超标率（16.7%）亦高于其他地区（0～4.8%）；As含量与福建牛粪相近，低于河北和全国[24,26]牛粪，As超标率（0）与其他地区相同；Cd含量与江苏牛粪相近；高于河北猪粪，低于福建和全国[24,26]猪粪，Cd超标率（0）与江苏牛粪相同，低于河北（51.61%）、全国[24, 26]（38.1%、1.7%）和福建（7.14%）牛粪；Hg含量与全国[24]牛粪相近，低于河北和全国[26]牛粪，Hg超标率（0）与全国[24]牛粪相同，低于河北（11.11%）和全国[26]牛粪（1.7%）；Pb含量明显低于其他地区（表7）。

表6 江西省牛粪样品中重金属元素含量

表7 不同地区牛粪中重金属含量比较

2.4 江西省农业废弃物重金属污染评价

从表8可知，江西省水稻秸秆中重金属单项污染指数从大至小顺序依次为Cd＞As＞Ni＞Zn＞Cr＞Cu＞Hg＞Pb，蔬菜废弃物为Ni＞Cd＞Zn＞Cr＞Cu＞As＞Hg＞Pb，猪粪为Cu＞Zn＞As＞Ni＞Cd＞Hg＞Pb＞Cr，牛粪为Cu＞Zn＞Ni＞Cd＞As＞Hg＞Pb＞Cr。此4种废弃物中重金属内梅罗综合污染指数从大至小顺序依次为猪粪＞牛粪＞蔬菜废弃物＞水稻秸秆，其中猪粪已达到重度污染水平，牛粪为轻度污染；水稻秸秆和蔬菜废弃物综合污染指数均小于1，表明其尚处于安全水平。

表8 江西省农业废弃物重金属污染指数

2.5 江西省农业废弃物农用风险评估

研究表明，随着设施菜地种植年限的增长，长期施用含有较高重金属浓度的有机肥将导致设施菜地土壤重金属不断累积，最终影响设施菜地质量安全[31-33]。鉴于农业废弃物再利用的重要途径之一就是制成有机肥，而有机肥在设施菜地中用量较大，其长期施用可能引起设施菜地土壤重金属污染风险。本研究假设以此4种废弃物为原料制成有机肥，并长期施用于江西省设施菜地，估算江西省设施菜地土壤中重金属累积速率及其最大安全使用年限。

从表9可知，施用不同类型的农业废弃物有机肥，设施土壤中各种重金属的累积速率和安全使用年限差异较大。如施用猪粪、牛粪有机肥的设施土壤中Zn累积速率均为最高，其值分别为5.47和1.89 mg/(kg·a)，其次均为Cu；施用蔬菜废弃物、水稻秸秆有机肥的设施土壤中Zn累积速率亦均为最高，而其值才分别为0.650和0.311 mg/(kg·a)，其次均为Cr。结果表明，施用动物性废弃物有机肥的设施土壤中大部分重金属累积速率高于施用植物性废弃物有机肥的设施土壤，尤其是Zn和Cu等元素。

通过估算可知，若施用水稻秸秆或蔬菜废弃物有机肥于设施菜地，约29 a后设施土壤中Cd含量将达到临界值；施用猪粪有机肥，8.4、15.3和23.9 a后设施土壤中Cu、Cd和Zn含量将陆续达到临界值；施用牛粪有机肥，23.3 a后设施土壤中Cu含量将于达到临界值。可见，猪粪有机肥农用主要风险因子为Cu、Cd和Zn，牛粪有机肥农用风险因子为Cu，植物性废弃物有机肥农用风险因子为Cd。以此4种农业废弃物为原料的有机肥的农用风险隐患从大至小依次为猪粪＞牛粪＞水稻秸秆≈蔬菜废弃物。

表9 农业废弃物有机肥长期施用于江西省设施菜地其土壤重金属累积速率及安全年限估算

2.6 农业废弃物污染成因分析

农作物（植物性废弃物）中重金属含量与环境介质（土壤、水体)中重金属含量、土壤理化性质、大气沉降、耕作管理措施和作物品种等因素密切相关。本研究发现，江西省植物性废弃物中重金属累积规律大致为Zn＞Cr＞Ni＞Cu＞As、Pb、Cd＞Hg。水稻秸秆对As富集能力明显高于蔬菜废弃物，肖细元等[34]亦认为禾谷类粮油作物对As含量吸收累积能力要强于蔬菜类。

通过相关性分析（表10）可知，水稻秸秆中Cd、Ni、Zn和As含量与土壤中相应的Cd、Ni、Zn和As含量呈正相关，但尚未达到显著性水平；水稻秸秆中Ni含量与土壤中As含量、水稻秸秆中Pb含量与土壤中Hg含量均达到显著正相关，水稻秸秆中Ni含量与土壤中Hg含量、水稻秸秆中As含量与土壤中Zn含量均达到极显著正相关。2014年《全国土壤污染状况调查公报》显示[35]，中国耕地土壤点位超标率为19.4%，主要为重金属污染，其重金属污染中又主要为Cd污染。本研究结果亦发现江西省农业土壤中重金属污染主要为Cd污染。从表11可看出，蔬菜废弃物中Cd、Ni、Zn和Cu等含量与土壤中相应的Cd、Ni、Zn和Cu含量亦呈正相关，但尚未达到显著性水平；蔬菜废弃物中Cu含量与土壤中Hg含量、蔬菜废弃物中As与土壤中Cu含量、蔬菜废弃物中Hg含量与土壤中Hg含量和Cd含量均达到显著正相关，蔬菜废弃物中Zn含量与土壤中Cu含量、蔬菜废弃物中Hg含量与土壤中Ni含量均达到极显著正相关。可见，植物性废弃物对重金属的吸收不仅受其土壤中相应重金属含量的影响，亦受土壤中其他重金属的共同影响，这可能是蔬菜废弃物中重金属超标种类与菜地土壤中重金属招标种类不完全对应的原因。

本调查发现，花生废弃物和空心菜废弃物中Cd含量通常为最高值，但花生土壤和空心菜土壤中Cd含量并不相应的为最高值，表明花生和空心菜对Cd的吸收累积能力较强；叶菜类废弃物中重金属含量一般要高于瓜类废弃物（藤蔓）中重金属含量，故本研究认为蔬菜（废弃物）对重金属的吸收累积受蔬菜品种影响较大，其次为土壤中重金属含量影响。

动物性废弃物中重金属超标率较高的主要为Zn和Cu元素。猪粪中超标元素为As、Cd和Ni亦部分超标。动物性废弃物中重金属含量过高与饲料中其微量元素添加用量较大和动物本身对微量元素吸收利用率低下等因素直接相关[35-37]。由于Zn、Cd是2种常伴成矿元素, 微量元素添加剂硫酸锌中往往含有较高含量的硫酸镉，所以致猪粪中Cd含量亦较高[38]。比较猪牛粪中重金属含量，可发现猪粪中重金属含量明显高于牛粪中重金属含量，可能与猪饲料中微量元素（Zn、Cu和As等）如添加量要远大于牛饲料所致。姜萍等[39]调查发现江西省39个大型养猪场的大猪饲料中Zn和Cu含量超标率高达89.5%和81.6%，猪粪Zn和Cu含量亦严重超标，其超标率分别为100%和81.6%，且其认为猪粪中重金属（Cu、Zn、Pb和Cd）含量与饲料中重金属含量显著正相关。

表10 江西省水稻秸秆与稻田土壤中重金属含量的相关系数

注：* 表示＜0.05，** 表示＜0.01，下同。

Note: * indicates＜0.05, ** indicates＜0.01, the Same as below.

表11 江西省蔬菜废弃物与菜地土壤中重金属相关性系数

3 结 论

1）江西省植物性废弃物中重金属主要为Cd元素超标，其超标率约为4.2%，动物性废弃物中Zn和Cu元素超标较为严重，如猪粪中Zn和Cu超标率分别高达86.1%和83.3%，故为保障农业废弃物再利用产物的安全性，还须从源头（如种植业产地环境、养殖业饲料微量元素添加剂）上加强监管与监测工作。

2）江西省主要农业废弃物重金属污染程度依次为猪粪＞牛粪＞蔬菜废弃物＞水稻秸秆，其内梅罗综合污染指数分别为3.32、1.20、0.34和0.29，表明江西省猪粪已达重度污染，牛粪为轻度污染，蔬菜废弃物和水稻秸秆上尚处于安全水平。

3）若以此4种农业废弃物分别为原料制成有机肥，长期施用于设施菜地，通过风险评估可知猪粪有机肥农用主要风险因子为Cu、Cd和Zn，牛粪有机肥农用主要风险因子为Cu，植物性农业废弃物有机肥农用主要风险因子为Cd。因此，为防止农业废弃物有机肥长期施用引起的土壤重金属污染，需要严格控制农业废弃物中重金属含量。此外，鉴于蔬菜废弃物中存在Ni和Zn超标现象，而中国有机肥标准中缺Ni、Zn和Cu等限量，为更好的保障蔬菜废弃物再利用的安全性，建议尽快制定有机肥中这3种元素的污染限量。

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Characteristic of heavy metal contents in agricultural wastes and agricultural risk assessment

Wei Yihua1, Qiu Suyan1, Zhang Jinyan1, Chen Qinglong1, Chen Liumeng2, Tu Tianhua1, Dai Tingcan1※

(1.,,330200,; 2.,,330200,)

In order to understand the pollution status of heavy metals of main agricultural wastes in Jiangxi province and evaluate its long-time use safety of the agricultural wastes reusable products (for example, organic fertilizer), rice straw samples, paddy soil samples, vegetable waste samples, vegetable soil samples, pig manure samples and cow manure samples were collected in 9 countries of Jiangxi provinces. Eight kinds of heavy metals (Cr, Ni, Cu, Zn, As, Cd, Hg and Pb) contents in the samples were determined by ICP-MS and AFS, and then risk assessments were carried out. The results showed that the concentrations and standard exceeding rates of heavy metals in plant wastes were significantly lower than those in animal wastes, such as the levels of Cu and Zn in animal wastes were 10 to 100 times of those in plant wastes. Besides, the standard exceeding rates of Zn, Cu and As in pig manures were 86.1%, 83.3% and 13.9%, respectively, and the standard exceeding rates of Zn and Cu in pig manures were both 16.7%. Only the concentrations of Cd in rice strawsamples exceed the limit standard (4.2%), and the concentrations of Cd, Zn and Ni in vegetable waste samples exceed the limit standards, the standard exceeding rates ranged from 3.6% to 7.1%. The order of heavy metal contents in plant wastes were Zn>>Cr>Ni>Cu>As, Pb, Cd>Hg, while that in animal wastes were Zn>Cu>>Ni>As, Pb, Cr>Cd>Hg. According to the Nemero composite pollution indexes, the comprehensive pollution levels in agricultural wastes of Jiangxi province were: pig manures>cow manures>vegetable wastes>rice straw, their composite pollution indexes were 3.32, 1.20, 0.34 and 0.29, respectively. Pig manures were seriously polluted, and cow manures were slightly polluted, and vegetable wastes and rice straw were at safety levels. If these agricultural wastes were served as organic fertilizer raw materials respectively, which were applied to greenhouse soil for a long-term, accumulation rates of heavy metals and their safe service lives in greenhouse soil were calculated. Accumulation rates of most heavy metals in greenhouse soil with animal manures were higher than that of plant wastes, especially of Zn and Cu. By using pig manure organic fertilizer, the levels of Cu, Cd and Zn in the greenhouse soil will be out of the limit standards after8.4 years, 15.3 years and 23.9 years, respectively. By using cow manure organic fertilizer, the level of Cu in the greenhouse soil will exceed the limit standard after 23.3 years, the level of Cd in the greenhouse soil will exceed the limit standard after about 29 years by using vegetable wastes organic fertilizer or rice straw organic fertilizer. Obviously, the main risk factors of agricultural utilization of pig manure organic fertilizer are Cu, Cd and Zn, the risk factors of agricultural utilization of cow manure organic fertilizer is Cu, the risk factors of agricultural utilization of plant waste organic fertilizer is Cd. It should be strictly restricted the contents of heavy metals in agricultural wastes when used as raw materials of organic fertilizer. The application safety of organic fertilizers made by agricultural wastes remains long-term monitoring.

agricultural wastes; heavy metal; pollution index; risk assessment

2019-01-31

2019-06-26

国家自然科学基金(21605063)；江西现代农业科研协同创新（JXXTCX2016003-06，JXXTCX201703-01）；江西省青年科学基金（20161BAB214186）；江西省重点研发计划（20181BBF68013）

魏益华，助理研究员，主要从事农产品与产地环境质量安全研究。Email：weiyihua08@163.com

戴廷灿，研究员，主要从事农产品质量安全研究。Email：daitingcan8076@sina.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.027

X71

A

1002-6819(2019)-14-0212-09

魏益华，邱素艳，张金艳，陈庆隆，陈柳萌，涂田华，戴廷灿.农业废弃物中重金属含量特征及农用风险评估[J]. 农业工程学报，2019，35(14)：212－220. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.027 http://www.tcsae.org

Wei Yihua, Qiu Suyan, Zhang Jinyan, Chen Qinglong, Chen Liumeng, Tu Tianhua, Dai Tingcan. Characteristic of heavy metal contents in agricultural wastes and agricultural risk assessment[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(14): 212－220. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.027 http://www.tcsae.org