珠三角畜禽养殖场周边地表水污染特征及环境质量分析

宋磊 ，毛航球 ，李文英，高绣纺，欧俊，李倩

1. 广东省农业科学院农业资源与环境研究所，广东 广州 510640；2. 长江大学资源与环境学院，湖北 武汉 430100

伴随农业结构调整和产业规模发展壮大，由农业面源污染引起的地表水污染愈发严重，已成为地表水体污染的重要来源，极大制约着社会经济的可持续发展（Wu et al.，2017；吴一鸣等，2012）。畜禽养殖污染作为农业面源污染的主要来源之一，已成为当前的关注热点。据《第二次全国污染普查公报》显示，畜禽养殖业主要水污染排放量中：化学需氧量1000.53×104t，总氮 59.63×104t，总磷 11.97×104t，是造成地表水体污染的重要因素之一（中华人民共和国生态环境部等，2020）。因此，分析研究畜禽养殖过程中的污染特征及环境质量，对于实现生态环境的可持续发展十分重要。近年来，畜禽养殖场周边环境的调查研究引起了广泛的关注，但大多数研究主要集中于畜禽养殖场废水、周边土壤和农作物中重金属（奚功芳等，2014；杨潞等，2018；姜萍等，2010）或抗生素（姜冰等，2018；魏瑞成等，2010）残留水平的研究，对于畜禽场周边水环境污染的研究报道较少。珠三角地区作为中国重要的经济中心，受到有效消纳养殖污染农田面积的限制，规模化畜禽养殖快速发展的同时逐步脱离传统种植业，大量集中排放的废弃物无法完全消纳（杨媛媛等，2012；陈瑶等，2014），其流失所造成的面源污染严重的破坏了当地的水生态环境。为摸清珠三角地区养殖场周边地表水的污染情况，本研究以珠三角地区（广州、东莞、惠州、肇庆和佛山）18个畜禽养殖区域周边地表水为研究对象，通过调查珠三角地区畜禽养殖场周边地表水中13项指标的污染情况，据此研究其污染特征并对其环境质量进行分析，为珠三角地区畜禽养殖业及生态环境的可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品来源

样品均来自于畜禽养殖场周边地表水体，养殖类型主要包括生猪、奶牛和鸭，其中生猪养殖场采用水冲粪进行粪污清理，畜禽粪尿固液分离后经厌氧发酵产生沼液用于农田施用，奶牛场和养鸭场采用干清粪处理粪污，畜禽粪便收集后堆肥处理，残余粪便、尿液经厌氧发酵后回田利用。

1.2 样品采集与保存

2018年3—5月期间选择珠三角地区广州、东莞、惠州、肇庆和佛山5市18个具有代表性的养殖区域进行水样的采集，位点设置如图1所示。以养殖场为中心，选取周边的水塘、沟渠采集表层水样（水下50 cm），同一区域内采集4—6个平行样，现场混匀为1个样品，共计采集水样30个，采样时尽量避开污染源及水产养殖区域，以减小误差。采样用聚乙烯塑料瓶预先使用稀盐酸浸泡 24 h并用去离子水冲洗干净后烘干，样品采集完成后进行密封编号，带回实验室于24 h内完成水质测定。

1.3 水质指标及分析方法

考虑到水样来源的特殊性和资源化利用的可能性，本次评价以地表水环境质量标准（V类）（国家环境保护总局等，2002）为基准，综合畜禽养殖业污染物排放标准（国家环境保护总局等，2001）和农田灌溉水质标准（旱作）（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2005）建立了各污染指标的综合评价标准，选取其中8项常规水质指标和 5项重金属指标进行测定，主要包括：氨氮（NH3-N）、总磷（TP）、化学需氧量（CODCr）、五日生化需氧量（BOD5）、全盐量（TS）、悬浮物（SS）、粪大肠菌群（FC）、酸碱度（pH）及重金属（砷As、镉Cd、六价铬Cr、汞Hg、铅Pb），各指标测定方法（国家环境保护总局，2002）及来源见表1所示。

1.4 评价方法

目前常见的水质评价方法主要有单因子污染指数法、综合污染指数法和分级评价法等。本研究采用《GB/T 19525.2—2004畜禽场环境质量评价准则》（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2004）中的指数法对养殖场周边地表水进行环境质量评价，评价过程中以预警级（Ii，P=1）作为综合标准进行比对分析，该方法基于各污染物的单因子指数和综合污染指数，综合考虑畜禽废弃物对周边地区水环境可能产生的影响，能够更全面的反映畜禽场场周边地表水的污染状况。此外，本研究还利用相关性分析和主成分分析法对地表中的各污染指标进行了分析，对地表水中各污染物的来源进行简要的解析。

1.4.1 畜禽场环境质量评价

畜禽场环境质量评价按指数法确定环境质量级数，其计算公式如下：

式中，Ii为某污染物的单项污染指数；Ci为环境污染物的实测浓度；Csi为污染物的环境标准浓度限值；Imax为各项污染物中最大污染指数；n为参加评价污染指标的项目数；P为综合污染指数。根据计算所得的Ii和P值的大小，参照表2划分环境质量等级（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2004）。

图1 采样点位分布图Fig. 1 Study area and sampling locations

表1 水质指标测定方法及标准限值Table 1 Determination methods of water-quality index and the related standard limits

表2 环境质量评价指数及分级标准Table 2 Environmental quality assessment index and classification standard

1.4.2 相关性分析与主成分分析

采用Pearson相关系数衡量各指标间的相关程度，同时利用主成分分析对多项水质指标降维提取主要指标，该指标能够客观、准确的反映水质的污染程度，实现对污染源的解析（蔡金傍等，2007；盛周君等，2007；Ouyang，2005），已广泛应用于环境领域。

1.5 数据统计方法

本文数据经初步处理后，利用Excel 2016对相关结果进行图表绘制，同时利用IBM SPSS 20.0对相关数据进行多元分析。

2 结果与分析

2.1 畜禽养殖场周边地表水污染指标统计特征

畜禽养殖场周边地表水中污染指标统计特征如表 3所示。从表中可以看出，常规污染指标：NH3-N、TP、CODCr、BOD5、TS、SS、FC、pH 的平均值分别为6.31、2.83、247.57、27.57、703.53、244.07 mg·L-1、6.28×106indiv.·L-1和 6.96，与综合标准相比，仅pH和TS未超标，其他各项污染指标的最大浓度和平均浓度均远远超出了综合标准限值。其中又以FC、TP、CODCr和NH3-N的污染最为严重，平均浓度分别超出综合标准限值的 628、7.08、6.19、3.16倍。此外，根据各采样点样品数据统计可知，NH3-N、TP、CODCr、BOD5和FC的最高浓度值均出现于东莞地区，而TS和SS的最高浓度值出现于惠州地区。重金属污染指标：As、Cd、Cr、Hg、Pb的平均浓度分别为1.67、0.89、49.52、0.58、6.61 μg·L-1，均低于标准限值，Cr和 Hg 的平均浓度虽低于综合标准限值，但其最大浓度分别超过综合标准限值的4.24倍和3.15倍。

畜禽养殖场周边地表水中NH3-N、TP、CODCr、BOD5、TS、SS、FC、pH、As、Cd、Cr、Hg、Pb的变异系数分别为 148.97%、152.30%、59.41%、94.02%、244.44%、86.88%、490.45%、4.02%、65.87%、111.24%、200.22%、131.03%和91.23%，其大小排列顺序为：FC＞TS＞Cr＞TP＞NH3-N＞Hg＞Cd＞BOD5＞Pb＞SS＞As＞COD＞pH，除 pH 外变异系数均超过50%，属于高等程度以上变异，表明地表水中各污染物的浓度变化幅度均比较大，受到外界的干扰比较显著。

表3 珠三角畜禽养殖场周边地表水污染指标统计特征Table 3 Statistical characteristics of pollution index in surface water around Livestock and Poultry Farms

2.2 畜禽养殖场周边地表水污染物来源分析

2.2.1 相关性分析

地表水中不同污染因子间Pearson相关性分析结果如表 4所示。NH3-N、TP、CODCr、BOD5和Cr之间呈极显著相关性，其中NH3-N和TP之间相关系数最高，这说明它们之间关系密切，可能具有相似的来源。TS和其他各污染因子间均无显著相关性。SS和Cr有极显著相关关系，初步推测Cr的来源可能与水体中的悬浮物质有关。pH仅和 BOD5呈显著相关性，相关系数为0.412，而BOD5和SS间又存在极显著相关关系，说明水体中pH、SS和BOD5之间存在因果关系。重金属元素中，Cr与其他重金属元素均无显著相关性，而As、Cd、Hg和Pb之间呈显著或极显著相关关系，初步表明 As、Cd、Hg和Pb来源可能相同，Cr来源与其他重金属元素不同。

2.2.2 主成分分析

利用主成分分析法对地表水中各污染指标进行分析，为使得到的每个主成分意义更加明确，采用最大方差法进行旋转，按照特征值大于1原则提取主成分。结果如表5所示，提取的4个主成分对样本的累积贡献率达到了79.687%。其中，NH3-N、TP、CODCr、BOD5、FC和Cr在第一主成分上载荷较大，载荷值分别为0.785、0.861、0.773、0.713、0.951和0.743，方差贡献率为32.319%，反映了养殖场周边地表水中营养盐、有机污染物、粪大肠菌群和六价铬的污染比较严重，故可推测主成分1主要是和周边畜禽养殖生产活动污染有关。As、Cd、Hg和Pb在第二主成分上载荷较大，载荷值分别为0.522、0.828、0.901和 0.820，方差贡献率为23.000%，主要反映了养殖场周边地表水中重金属污染水平。分析重金属指标统计数据发现，养殖场周边地表水体中As、Cd、Hg和Pb的含量均比较低，其平均值均远低于地表水环境质量标准，同时相关性分析表明这几种重金属之间可能具有同一来源。据此推测这些重金属元素可能与土壤侵蚀或流失有关，主要代表了环境背景值（解莹等，2012）。SS和pH在第三主成分上载荷较大，载荷值为0.870和0.647，方差贡献率为14.914%，主要代表了水体理化特性。TS在第四主成分上载荷较大，载荷值为0.939，方差贡献率为 9.453%，主要反映了地表水体中盐类物质污染水平，其浓度明显低于标准限值，推测可能与底泥中盐分的释放有关。

表4 地表水体污染指标的Pearson相关矩阵Table 4 Pearson correlation matrix of the pollution index in surface water

表5 主成分载荷矩阵Table 5 Principal component loading matrix

2.3 畜禽养殖场周边地表水环境质量分析

研究区域内各项污染指标的单项污染指数情况如图2所示。从单项污染指数的评价结果来看，珠三角畜禽养殖场周边地表水的 13项污染指标中有7项为理想级和良好级（TS、pH、As、Cd、Cr、Hg和Pb），2项为污染级（BOD5和SS），4项为重污染级（NH3-N、TP、CODCr和FC），其按大小排列为：FC＞TP＞CODCr＞NH3-N＞BOD5＞SS＞pH＞TS＞Hg＞Cr＞Cd＞Pb＞As，主要污染因子为 FC、TP、CODCr和 NH3-N，单项污染指数分别为 628、7.08、6.19和3.16，属于重污染级别。此外，虽然地表水中各重金属的污染指数都相对较低，但仍有个别超标现象，从长远角度出发，考虑到环境中重金属的迁移作用和累积效应，畜禽养殖场周边地表水中的重金属仍具有一定的环境风险。

珠三角各研究区域的综合污染指数情况如图 3所示。分析综合污染指数评价结果可知，珠三角地区畜禽养殖场周边地表水整体污染情况不容乐观，综合污染指数为 3.86（重污染级），各研究区域内的综合污染指数表现出一定程度的差异性，其中肇庆和惠州地区情况较为良好，而广州、佛山和东莞地区情况相对较差，综合污染指数分别为 1.03、2.02、3.09、4.87和6.01，均在预警级以上。

3 讨论

图2 畜禽养殖场周边地表水单项污染指数Fig. 2 Single pollution index of surface water around livestock and poultry farm

图3 畜禽养殖场周边地表水综合污染指数Fig. 3 Comprehensive pollution index of surface water around livestock and poultry farm

地表水各污染因子中，除pH、TS和重金属外，其他污染指标的平均含量均远高于综合标准限值，总体达到了重污染级，其中FC、TP、CODCr和NH3-N超标严重，所引起的污染最为严重，这一结果与畜禽养殖场废水中的主要污染因子高度一致（李文英等，2013；曾悦等，2010），说明畜禽养殖场废水在经过一系列的净化处理后，其污染物浓度虽有明显的下降，但许多污染指标仍无法达到相应的标准，排入环境后会造成严重的二次污染。NH3-N、TP、CODCr、BOD5和FC等最大污染浓度出现于东莞地区，而TS和SS主要出现于惠州地区，且各污染因子均表现出了高度的变异性。根据采样点的分布情况及养殖情况可知，相对于惠州地区的规模化养殖，东莞地区的畜禽养殖相对分散且规模较小，在养殖类型上也存在着一定差异，这可能是造成以上现象的主要原因。规模化的养殖场一般拥有较为完整的生产线和配套的废弃物处理设施，废水经过集中处理后排放，而未形成规模化的养殖场往往无法具备相应条件，废水不达标排放对周边水体造成了严重污染（宣梦等，2018；叶红玉等，2015）。重金属指标中除Cr和Hg的最大浓度略微超标外，整体含量均低于标准限值。畜禽养殖过程中所产生的重金属主要来源于饲料，一般情况下会富集于畜禽粪便中，而Hg和Cr作为分流作用较强的污染因子，部分会分流于废水中，这可能是造成畜禽养殖场周边地表水中Hg和Cr的最大浓度出现超标的因素之一（吴建敏等，2009）。

污染物来源分析结果显示，Cr的来源与水中悬浮物质有关，而已有研究证明水体中的悬浮物表面积比较大，容易吸附重金属，而水体环境改变后会重新析出，随着水体中悬浮物沉降幅度的变化，Cr的迁移积累过程也发生相应变化（辛成林等，2015；杜佳等，2019）。NH3-N、TP、CODCr、BOD5、FC和 Cr在第一主成分上载荷较大，主要代表畜禽养殖活动所造成周边环境的污染。研究表明，地表水中NH3-N、TP、CODCr、BOD5和高浓度的FC污染可能与多方面因素有关，主要是畜禽养殖废弃物的排放和农业中化肥的使用造成的（Wilbers et al.，2014）。此外，畜禽饲料中铬元素的添加使养殖废水具有潜在的铬污染风险，而畜禽对铬的低吸收率和高排泄率往往会造成畜禽粪便中铬的超标，经粪水的分流后是造成养殖场周边地表水体中铬污染的重要来源（王爱娜等，2005）。

环境质量分析表明，在畜禽养殖场的影响下，其周边地表水环境会受到不同程度的污染，尤其是以FC、TP、CODCr和NH3-N的污染最为严重。若用于农田灌溉，其中所含大量的氮、磷等营养元素虽是很好的养分来源，但其中过量的粪大肠菌群对生态环境及人体健康会产生直接威胁，且所含微量重金属在长期积累下也具有一定风险；若扩散至江河流域，其中所含大量的营养元素和有机污染物极易造成水体的富营养化，造成水生生物死亡，破坏水生态环境。

综上所述，畜禽养殖场周边地表水已受到不同程度污染，从污染评价角度来看，属于劣V类水质，长期暴露于畜禽场周边环境中极易造成水质恶化。针对珠三角畜禽养殖场周边地表水污染现状，可结合养殖场现有模式及周边流域特征，充分考虑各类污染物的生物可利用性，在畜禽场到地表水体的过渡带建立小型人工湿地进行拦蓄，实现污染物资源化利用的同时，有效防控畜禽养殖引起地表水体污染（高春芳等，2011；王韶华等，2007），达到人为活动与自然生态的和谐共处。

4 结论

（1）珠三角畜禽养殖场周边地表水中NH3-N、TP、CODCr、BOD5、SS和 FC的平均浓度和最大浓度均高于综合标准限值。重金属指标中仅 Cr和Hg的最大浓度部分超标，需警惕重金属长期积累所产生的风险。

（2）相关性分析与主成分分析表明，地表水中NH3-N、TP、CODCr、BOD5、FC和Cr反映了畜禽养殖活动对周边地表水水质的影响，As、Cd、Hg和Pb与区域环境背景值有关，SS和pH代表了地表水体的理化性质，TS主要与底泥中盐分的释放有关。

（3）环境质量表明，珠三角畜禽养殖场周边地表水污染情况较为严重，综合污染指数为 3.86，各研究区域综合污染指数均在预警级以上，主要污染因子为FC、TP、CODCr和NH3-N。基于以上情况，需针对畜禽养殖废水中主要污染指标进行深度处理和设施防控，实现绿色种养与生态环保的共赢局面。