典型河源区畜禽粪便农田施用的环境承载力研究

胡家晴，王 洋，于 锐，崔政武

(1.中国科学院 东北地理与农业生态研究所 湿地生态与环境重点实验室，吉林 长春 130102;2.中国科学院大学，北京 100049)

0 引 言

畜禽废弃物的还田施用是最经济实用的资源化利用方式，同时也成为农业面源与水环境污染的主要来源之一。畜禽废弃物中重金属和抗生素是制约土地利用的限制因素。饲料中添加的重金属以及各类抗生素添加剂在畜禽粪便中的残留量极高，其中，重金属以Cu和Zn的含量最高，进入动物体内的Cu和Zn元素90%以上会随畜禽粪便和尿液被排出体外[1]；而抗生素中四环素类抗生素(TCs)在养殖场的原废水中残留浓度最高，其中动物粪便中土霉素(OTC)和金霉素(CTC)的浓度最高[2]。粪便作为有机肥超过当地土壤消纳能力时，粪便中的重金属和抗生素不仅会使土壤肥力下降、微生物死亡、诱导微生物产生抗性基因[3-5]，还会随着降雨降雪渗入地下后污染地下水，或通过雨水径流污染水环境。因此，畜禽粪便中重金属及抗生素含量、排放特征以及对农田施用的环境承载力研究成为当前面临的重要问题。

吉林省东辽河是辽河的发源地，由于源头区水环境容量低、污染负荷大，农业农村面源污染严重，畜禽养殖废弃物处理利用率低等造成了水环境污染、水源涵养问题突出，严重制约了区域经济社会的可持续发展。该区域是我国重要的优质商品粮基地，粮食商品率达70%以上，确保该区域农业生产和粮食安全至关重要。同时畜禽养殖业作为该区域重要的支柱产业，畜禽粪便的土地利用面临巨大压力。目前东辽河源区畜禽粪便及其重金属、抗生素产生与排放特征研究较少，农田施用的环境承载力不明确。本研究通过调查研究东辽县畜禽粪便中的重金属及抗生素种类和含量，分析重金属环境承载力及粪便安全施用年限、抗生素生态风险，探究畜禽粪便农田施用的环境承载力，为畜禽粪便资源化利用及耕地土壤污染处理与防治提供数据支持，对改善东辽河源区生态环境具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 样品采集与测试分析

选取东辽河源区东辽县4个养猪、4个养牛、4个养鸡的典型规模化养殖场，进行畜禽粪便污染物排放与含量监测。畜禽粪便中重金属Cr、Cu、Zn、Ni、Pb、Cd、Hg和As根据土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试用)(GB15618-2018)检测[6]，检出限分别0.01 mg·kg-1、0.1 mg·kg-1、0.1 mg·kg-1、0.1 mg·kg-1、0.01 mg·kg-1、0.001 mg·kg-1、0.01 mg·kg-1和0.04 mg·kg-1。

畜禽粪便中四环素类抗生素采用pH为4的Na2EDTA-McIlvaine(0.05 mol·L-1EDTA+0.06 mol·L-1Na2HPO4+0.08 mol·L-1柠檬酸)缓冲液提取[7]，用高效液相色谱法(HPLC)-紫外检测法检测分析，土霉素、四环素和金霉素的检出限均为5 μg·kg-1。

1.2 分析方法

1.2.1 畜禽粪便量的计算。根据王磊、肖琴等[8-9]的研究结果，选择牛的年末存栏量、鸡和猪的年出栏量作为饲养量。根据国家环境保护标准-畜禽养殖业污染治理工程技术规范(HJ 497-2009)[10]，牛、猪、鸡的日排泄量分别为20.0 kg·(只·d)-1、2.0 kg·(只·d)-1、0.12 kg·(只·d)-1，饲养周期分别为365 d、199 d、210 d，通过下式计算粪便年排放量：

N=Ti×Ni×Pi

式中：N为某畜禽动物的粪便总排放量；Ni为此畜禽动物日粪便排放量；Ti为饲养周期；Pi为此畜禽动物饲养量。

1.2.2 畜禽粪便耕地负荷。畜禽粪便耕地负荷是指区域单位面积承载的畜禽粪便量。计算公式如下：

r=q/p

式中：q为耕地猪粪当量负荷值，t·hm-2；p为农田有机肥理论最大适宜施用量，取30 t·hm-2[11-12]；r为区域畜禽粪便负荷量承受程度的预警值，可反映各地区畜禽粪便耕地负荷承受程度。因不同类别畜禽粪便的肥效成分和农田消纳量不同，将牛粪、鸡粪转换成猪粪当量，转换系数分别为0.69、2.51[13]。畜禽粪便负荷预警级别见表1。

1.2.3 畜禽粪便中重金属的土壤环境承载力。重金属的环境承载力采用承载力饱和度法计算[14]：

Ri=Cm/C0

(1)

(2)

假设一年产生的畜禽粪便全部均匀施向农田，利用1.2 g·cm-3土壤容重及0.2 m耕层深度计算重金属耕地负荷[8]，与吉林省土壤环境背景值之和作为重金属含量现实值Cm，选择吉林省土壤环境背景值为指标上限值C0。根据表2及表3所示污染指数分级评价污染级别[9]。Ri或R越大，表示环境承载力越小。

表2 单因子污染指数分级Table 2 Single factor pollution index classification

表3 综合因子污染指数分级Table 3 Comprehensive factor pollution index classification

1.2.4 畜禽粪便安全施用年限。以目前畜禽粪便中重金属含量水平，利用重金属含量变化估算公式[8]，预测农田土壤中重金属积累量及安全施加年限：

Ct=C0+kt

(1)

(2)

式中：Ct为t时刻土壤中重金属含量(mg·kg-1)；C0为土壤重金属背景值(mg·kg-1)，本研究选择吉林省土壤背景值；k为土壤重金属积累速率(mg·(hm2·a)-1)；t为有机肥施用年限(a)；A为每年每公顷土地施肥量(kg·(hm2·a)-1)；M为粪便重金属浓度(mg·kg-1)；ρ为吉林省土壤容重，取1.2 g·cm-3；D为耕层深度，取0.2 m。假设当重金属含量水平超过土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)(GB15618-2018)[6]中重金属筛选值时，t为安全施加年限。

假设东辽县产生的全部畜禽粪便平均分配至325个规模化养殖场并以其为圆心向外按旱田、水田面积比例扩散施用，总面积分别为88 703 hm2、3 226 hm2，每个养殖场可施用的旱田、水田面积分别为272.9 hm2、9.9 hm2，计算当重金属达到筛选值时粪便最小施用半径与最大可施用半径之比：

式中：i为安全施用年限中粪便最小施用半径与最大可施用半径比值；a为安全施用年限分别为50、100、150年时最小施用半径(m)；A为旱田或水田中最大可施用半径，分别为932.1 m、177.8 m。

1.2.5 畜禽粪便中抗生素生态风险。采用RQ法评估抗生素在土壤中的生态风险：

RQ=MEC/PNECs

(1)

PNECs=PNECw×K

(2)

PNECw=EC50/AF

(3)

式中：MEC为实测浓度(μg·kg-1)；PNECs为土壤中预测无效应浓度(μg·kg-1)；PNECw为水体中预测无效应浓度(μg·kg-1)；K为土壤-水分配系数(L·kg-1)；EC50为半最大效应浓度(mg·L)；AF为评估因子，取1000。PNECw、PNECw、K、EC50取值见表4[15]。评价抗生素生态风险等级有三级：RQ<0.01表示无风验；0.01≤RQ<1表示中等风险；RQ≥1表示高风险。抗生素RQ越大，表示抗生素产生的生态风险越大。

表4 抗生素的PNECw、PNECs、K、EC50Table 4 PNECw,PNECs,K,and EC50 of antibiotic

2 结果与分析

2.1 东辽河源区畜禽粪便耕地负荷

东辽县肉牛、生猪、肉鸡近三年的平均饲养量分别为2 382、25 029、3 060 784只，根据畜禽饲养量及日排泄量，估算一年产生的粪便总量(表5)。

表5 东辽县牛、猪和鸡年饲养量及粪便总量Table 5 Annual feeding quantity and total feces of cattle,pigs and chickens in Dongliao County

东辽县鸡粪便产生量77 132 t>牛粪便产生量17 389 t>猪粪便产生量9 962 t。利用畜禽粪便耕地负荷预警值r，表征其对环境的威胁程度，东辽县耕地面积为112 868 hm2，计算后可得，东辽县畜禽粪便耕地平均负荷量为1.92 t· hm-2，r值为0.064。由表1可知，预警级别为Ⅰ级，耕地受纳潜力大，在不添加外源化肥的情况下，畜禽粪便中有机物及营养物质对耕地基本没有威胁。

2.2 畜禽粪便中重金属污染状况

总体上看，规模化养殖场畜禽粪便的重金属平均含量表现为：猪粪>鸡粪>牛粪，其中，以Cu和Zn含量最高(图1)。根据表7，猪粪、鸡粪、牛粪中的Cu平均含量分别为241 mg·kg-1、134 mg·kg-1和33.8 mg·kg-1，Zn平均含量分别为478 mg·kg-1、367 mg·kg-1和106 mg·kg-1。从不同的畜禽粪便角度分析，猪粪、鸡粪中Cu的平均含量分别是牛粪中的7.2倍和4.0倍，Zn平均含量分别是牛粪中的4.5倍和3.4倍。

注：含量以以干粪计，mg·kg-1。下同。Note:Content calculated as dry manure,mg·kg-1.The same is as below.图1 不同类别畜禽粪便中重金属含量Fig.1 Heavy metal contents in different types of livestock manures

根据我国农用污泥中污染物控制标准(GB4284-2018)[16](表6)，猪粪和鸡粪中Cu的超标率分别为29.9%和9.8%；鸡粪中Cu超标率为14.3%。根据有机肥料标准(NY 525-2012)[17]，牛粪、猪粪、鸡粪中Cr的超标率分别为20.0%、33.3%、14.3%，Pb的超标率分别为90.0%、60%、57.1%，该标准未对Cu和Zn作出限量。根据德国腐熟堆肥标准，牛粪、猪粪、鸡粪中的Ni超标率分别为40.0%、22.2%、42.9%；猪粪、鸡粪中Cu的超标率分别为55.6%、14.3%，Zn的超标率分别为44.4%、28.6%。牛粪中的重金属Cu、Zn均未超标，猪粪中Cu、Zn超标现象最为严重。

表6 不同类别畜禽粪便中重金属含量及重金属标准限定(mg·kg-1)Table 6 Heavy metal contents and heavy metal standard limits in different types of livestock and poultry manures(mg·kg-1)

2.3 畜禽粪便中抗生素污染状况

总体上看，规模化养殖场畜禽粪便四环素类抗生素平均含量表现为：猪粪>鸡粪>牛粪；其中，又以土霉素含量最高，其次为金霉素(图2)；猪粪中土霉素、金霉素、四环素的平均含量分别为7.38 mg·kg-1、5.52 mg·kg-1和3.89 mg·kg-1，其中土霉素的含量是四环素的近二倍，检出率均为88.9%；鸡粪中土霉素、金霉素、四环素的平均含量分别为3.88 mg·kg-1、2.37 mg·kg-1和2.6 mg·kg-1，检出率均为85.7%；牛粪中抗生素含量及检出率最低，土霉素、金霉素、四环素的平均含量分别为1.14 mg·kg-1、0.55 mg·kg-1和0.67mg·kg-1，检出率分别为50%、30%、30%(表7)。

表7 不同类别畜禽粪便中四环素类抗生素含量(mg·kg-1)Table 7 Tetracycline antibiotics contents in different livestock and poultry feces(mg·kg-1)

图2 不同类别畜禽粪便中抗生素含量Fig.2 Antibiotic contents in different livestock and poultry feces

2.4 东辽县畜禽粪便重金属环境承载力

根据东辽县畜禽粪便耕地负荷及重金属含量，推算各重金属年污染耕地负荷以及重金属环境承载力：利用单因子污染指数Ri、综合污染指数R分别评价单个重金属及重金属综合污染程度(表8)。

表8 东辽县畜禽粪便重金属耕地负荷Table 8 Heavy metal farmland load in Dongliao County

假设一年产生的畜禽粪便均匀施向东辽县全部农田，所有重金属Ri均稍高于1.00，证明以环境背景值为基准评估污染水平均仅为轻度污染，未达到污染筛选值，畜禽粪便仍可继续施用。重金属综合污染指数R为0.97，污染达警示水平，接近轻度污染水平。

2.5 东辽县畜禽粪便安全施用年限

畜禽粪便中高含量的Zn导致其i值最高，因此粪便最小施用半径应以Zn的i值为标准(表9)。当安全施用年限为50年时，水田、旱田中i值均为0.18；安全施用年限为100年时，其i值均达到0.25，此时水田、旱田中畜禽粪便的最小施用半径分别为233 m、44.5 m，表明在大于此半径的范围内施用，其安全施用年限才会达到100年以上。

表9 在安全施用年限内畜禽粪便施用i值Table 9 The i value of livestock manure application within the safe application period

2.6 东辽县畜禽粪便中抗生素生态风险

根据东辽县畜禽粪便耕地负荷及其中抗生素含量，推算东辽县耕地各抗生素年污染负荷以及抗生素生态风险值RQ(表10)。结果表明：一年产生的畜禽粪便全部均匀施向土壤后，土霉素、金霉素、四环素RQ值均小于0.01，无环境风险；但四环素RQ值为0.009，极其接近中等风险水平。

表10 东辽县畜禽粪便抗生素生态风险Table 10 Ecological risks of antibiotics for livestock and poultry feces in Dongliao County

3 讨 论

水源区的水环境优劣对整个流域生态系统影响深远，重金属与抗生素产生的污染会严重威胁中下游水环境安全及经济发展。根据本研究测定结果，畜禽粪便中的重金属以Cu和Zn超标最为严重，其中又以猪粪中含量最高，其次为鸡粪，这是由于牛、鸡对Cu、Zn摄入量过高时会对机体产生负面影响[19-20]，故一般情况下为了保证畜禽的健康状况和生长速度，牛和鸡饲料中添加量偏低。重金属在环境中极易富集[21]，畜禽粪便中大量的Cu、Zn即使短期内不会产生污染，但随着畜禽粪便的长期施用，会导致其在土壤中高度富集产生污染。在施加酸性农药后，加之东北地区弱酸性土壤，重金属将从土壤中转移至水中，进而污染当地水源区水质。且高含量的Cu、Zn使畜禽粪便安全施用年限大大缩短，假设将在东辽区二级河源保护区附近建立养殖场，经过计算，养殖场离保护区最短应保证233 m的保护距离。

畜禽粪便中的Hg进入水体后，极易被水体中的微生物转换为高毒性、易吸收的甲基汞，这导致在安全施用年限内其水田中的i值为旱田中的约2倍，且Hg在水源区产生污染后会在下游水生生物体内富集、放大后进入人体产生显著的神经毒性。

抗生素水溶性较高，易通过淋溶及渗滤等途径污染地表水和地下水[22]。虽然本研究中东辽县耕地抗生素含量较低，但畜禽粪便中的抗生素在土壤中难降解[23]，且在东北酸性土壤中，共存的金属阳离子如Cu2+等会和其竞争相同吸附点位，从而促进抗生素从土壤向水体的转移[22]。目前对低浓度抗生素的长期影响研究较少，对抗生素产生的危害同样不能忽视，尤其是四环素生态风险值RQ为0.009，已极其接近中等风险水平。

本研究为畜禽粪便资源化利用及耕地土壤污染处理与防治提供数据支持，对改善河源区生态环境具有重要意义。结合实际情况，为节省建设成本，可利用临时储粪池，添加玉米秸秆等对畜禽粪便进行好氧堆肥；筛选高效、经济的钝化剂降低畜禽粪便中重金属生物有效性，利用微生物分解抗生素，建立畜禽粪便好氧堆肥与重金属稳定、抗生素分解的优化耦合技术框架。

4 结 论

东辽河源区东辽县农田消纳潜力大，畜禽粪便负荷预警级别为Ⅰ级，不添加外源化肥时其营养物质基本无环境威胁。畜禽粪便中的重金属以Cu、Zn超标最为严重，因喂养饲料的不同，其中又以猪粪中含量最高，其次为鸡粪。四环素类抗生素平均含量表现为：猪粪>鸡粪>牛粪；其中，又以土霉素含量最高，其次为金霉素。假定东辽县一年内产生的畜禽粪便全部还田，所有重金属仅稍超过背景值，为轻度污染。重金属综合因子承载率为0.97，污染程度达到警示水平。畜禽粪便安全施用年限为100年时，旱田、水田最小施用半径分别为233 m、44.5m，与最大可施用半径比值均为0.25。土霉素、金霉素、四环素的RQ值均小于0.01，无生态风险，其中，四环素RQ值为0.009极其接近于中等风险水平。在今后的研究中可以注重对重金属各形态含量的测定、重金属与抗生素在土壤与水体中的分配问题、抗生素与重金属的复合污染，进一步研究其对水体的潜在性威胁。