长期施用猪粪稻田的重金属迁移规律与累积风险

王 晨，张 敏，王振旗，*，钱晓雍，徐 昶，倪远之，李金文，沈根祥

(1.上海市环境科学研究院 国家环境保护新型污染物环境健康影响评价重点实验室，上海 200233； 2.华东理工大学 资源与环境工程学院，上海 200237)

我国是世界上最大的生猪生产和消费国，生猪饲养量约占全球的一半，产值约占我国畜牧业总产值的50%。2020年，我国生猪出栏5.2亿头，猪饲料总产量8 922.5万t，同比增长0.3%，约占工业饲料总量的35.3%。为预防疾病、促进生长发育，富含Cu、Zn等微量元素的添加剂被广泛应用于饲料生产中。但由于动物饲料中使用的矿物添加剂纯度不足，一些非必需的重金属元素，如Cd、As、Pb等，往往也被带入畜牧业。随着畜禽规模养殖的快速发展，饲料中重金属添加剂的用量持续上升，但是重金属元素，尤其是非必需元素在动物体内的生物利用率较低，大部分会随粪尿排出体外。

自2011年起，我国以污染减排为工作抓手，确立了以粪污资源化利用为主导的畜禽养殖业污染治理路径。2018年，国务院办公厅印发《关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见》，要求进一步加快推进畜禽养殖废弃物的资源化利用。目前，全国约93%的规模化畜禽场的粪污采用还田利用的处理模式，由此带来的土壤重金属污染风险不容忽视。黄治平等选取河北省某猪场连续4 a开展施用猪粪对温室土壤重金属积累的研究，发现Cu、Zn、As、Cr等均有积累风险；叶必雄等研究了山东省某畜禽养殖区猪粪施用对土壤剖面中重金属分布的影响，发现猪粪集中施用区的土壤剖面中，除Cr、Ni外的各重金属元素都显示出较为明显的表层或亚表层聚集现象；茹淑华等研究了华北平原连续施用有机肥后重金属在土壤-作物系统中的迁移特征，发现连续7 a施用猪粪后，小麦籽粒中的Cu、Zn含量分别增加了27.2%～49.9%和25.7%～98.8%。

考虑到猪粪还田对土壤重金属累积的影响是一个缓慢波动的过程，且重金属在土壤中的迁移转化规律较为复杂，小区试验或大范围随机抽样监测均无法精准掌握不同类型重金属在农田土壤中的累积效益，本文特针对长三角地区“猪-稻”种养结合模式，选取猪粪全量还田的典型猪场及其配套农田作为研究对象，以5 a(2015—2019年)为一个周期，跟踪监测了6种特征重金属(Cu、Zn、As、Cr、Cd、Pb)在“饲料-粪便-土壤”系统中的迁移、归趋特征，客观评价畜禽粪便长期施用对水稻田土壤环境质量的影响，以期为规范畜禽粪便的资源化利用和畜禽养殖饲料添加剂的使用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究对象概况

1.1.1 生猪养殖模式

本研究的对象为位于上海市松江区的某猪场(30°56′27″N，121°21′51″E)及其配套农田。该场常年圈存肉猪450头，年出栏生猪1 100头左右(年出栏2.5批)，苗猪和饲料均由上级合作社统一供给，其中苗猪于每年5月和12月前后引入。在将苗猪饲养成出栏肉猪的过程中，共投入2、3、4和4S共4种类型的混合饲料，其中，苗猪段的饲料营养充分、易消化，育肥猪段和后期的饲料则以能量高的精饲料为主。将各阶段投入饲料的主要成分含量及其年使用量总结于表1。

表1 不同生长阶段猪饲料的组成特征

1.1.2 猪粪处理方式

该猪场于2014年9月投产，采用“水泡粪”的清粪方式，每日将鲜粪、尿污水、饲料残渣等混合清出后贮存于2 000 m的储存池(铺设双层聚乙烯防渗膜)内，最长可满足施肥淡季6个月的贮存量。粪肥采用全量还田方式，通过配套建设的专用管网系统，将储存池中的粪肥均匀施于位于猪场西侧的14 hm农田中，共铺设专用HDPE(高密度聚乙烯)管道5.6 km(包括内径160 mm和110 mm两种规格)，消防栓(SN65)12个，每个消防栓配25 m消防水带，确保单位农田面积适量均匀施用。根据该场常规施用操作方法，在每年的2月、5月和11月，按照74～97 t·hm的用量分次施用，一般以基本抽干储存池为准，单次还田总量在1 000～1 400 t，年还田总量约为3 600 t。

1.1.3 配套农田情况

配套农田的耕作模式为“水稻-绿肥/休耕”，稻米收获后秸秆全部还田。土壤类型为江湖沉积生成的黄底青紫泥。试验初始时，耕作层(0～20 cm)土壤的基本理化性质如下：容重1.35 g·cm，pH值7.12，有机质含量19.5 g·kg，全氮2.23 g·kg，全磷0.81 g·kg，速效磷13.5 mg·kg，速效钾115.0 mg·kg。

该农田肥料投入以该猪场厌氧发酵后的粪肥为主，并适当增施尿素等无机肥料，年施用量为200～350 kg·hm。灌溉等其他农事操作皆按照当地常规模式进行。

1.2 样品采集与指标测定

该养殖场采用“公司+农户”的生产模式，苗猪直接由上级合作社供应，分别在苗猪(<30 kg，0—25 d)、育肥猪(30～60 kg，26—65 d)、大猪(>60～115 kg，66—125 d)和成猪(>115 kg，126—145 d)4个生长阶段，采集饲料、尿液和鲜粪样品。其中，从2015年3月8日起，春、夏、秋、冬4季分别按3.0、3.5、2.5、3.0个月计，每个季节连续采集5 d粪尿。采集鲜粪和尿液样品时，分别随机取5头猪等体积的样品混合。在配套农田中，设置3个土壤样品监测区(10 m×10 m)，并以邻近区域耕作模式相同的纯化肥施用农田作为对照区。在样品监测区和对照区分别设立多个采样点位和地下水监测井。于水稻种植前、后，采用“蛇形”法取不同深度(0～20、20～40、40～60 cm)的土壤，混合相同深度的土壤作为1个混合土样，样品风干后磨细过筛保存。利用地下水监测井定期采集农田地下水。在样品监测区和对照区随机采集稻米样品。

尿液、沼肥、地下水中的Cu、Zn、As、Cr、Cd、Pb含量参照USEPA Method 200.8采用FLEXAR-NexION 2000B型电感耦合等离子体质谱仪[珀金埃尔默仪器(上海)有限公司]进行测定；饲料、鲜粪、土壤、稻米中Cu、Zn、As、Cr、Cd、Pb含量参照USEPA Method 6020A采用电感耦合等离子体质谱仪进行测定。

1.3 数据分析

分别测算生猪养殖过程中饲料添加剂携带的重金属元素的总投放量，以及鲜粪和尿液中的重金属总量和进入农田环境中的重金属总量。残留在猪体内的重金属总量参考相关研究结论。该场的粪肥在储存池后端设置了混合搅拌机和专用还田管网设施，粪肥还田前会在池中搅拌均匀，因此认为在5 a期内猪场残留在鲜粪和尿液中的重金属全部进入配套农田。另外，根据上海市2018—2020年布设在松江区的多个大气监测站点的在线数据，除大气Pb含量在0.029～0.080 μg·m外，Cr、Cd、As等其他重金属的含量基本低于检出限或符合国家标准GB 3095—2012《环境空气质量标准》的要求，因此通过大气沉降带入的重金属量可忽略不计，猪场粪肥可视为农田土壤中重金属的主要输入途径。考虑到农作物收获后秸秆全部以机械化还田的方式回到土壤中，可认为植物吸收的重金属仅通过稻谷携带方式输出。

畜禽养殖重金属投放总量的计算公式为

(1)

式(1)中：为猪场第种重金属的投放总量，g·a；为猪场第种饲料的饲喂量，kg·a；为猪场第种饲料的含水率，%；，为猪场第种饲料中第种重金属的含量，mg·kg。

鲜粪中第种重金属总量的计算公式为

=××(1-)××365×10。

(2)

式(2)中：为猪场鲜粪中第种重金属的总量，g·a；为生猪日均存栏量，头；为生猪固体粪产生系数，398 kg·头·d；为生猪固体粪年均含水量，%；为猪场鲜粪中第种重金属的含量，mg·kg。

尿液中第种重金属总量的计算公式为

=×××365×10。

(3)

式(3)中：为猪场尿液中第种重金属的总量，g·a；为生猪尿液产生系数，656.7 L·头·d；为猪场尿液中第种重金属的含量，μg·L。

进入农田环境中的第种重金属总量的计算公式为

=++。

(4)

式(4)中：为猪场全年施用粪肥，即进入农田环境中的第种重金属的总量，g·a；为猪场全年饲料残渣中第种重金属的总量，根据该场养殖水平，取饲料残留系数7%测算，g·a。

2 结果与分析

2.1 畜禽养殖环节的重金属迁移规律

2.1.1 饲料中重金属含量分析

2015—2019年，该场饲喂的4种类型的饲料中，As、Cr、Pb、Cu、Zn、Cd均有检出(表2)，且2、3、4饲料中的Cr含量分别为14.2、9.7、12.9 mg·kg，超出了国家标准GB 13078—2017《饲料卫生标准》所规定的限值(≤5 mg·kg)。在整个生猪养殖过程中，用于苗猪、育肥猪饲养阶段的2、3饲料中，6种重金属的含量相对较高，Cu、Zn含量在用于苗猪饲养阶段的2饲料中最高，这与潘寻等、薄录吉等关于国内饲料重金属含量水平的调研结果基本一致，可能与生猪在该生长时期对Cu、Zn的需求量较高有关。

表2 不同阶段生猪饲料中的重金属含量

根据行业标准NY/T 65—2004《猪饲养标准》，饲料中Cu和Zn的推荐添加量分别为1.8～6.0 mg·kg和33～125 mg·kg，均低于本研究中各类型饲料中Cu和Zn的添加量。但是由于添加剂成本低廉，饲料企业和养殖户普遍会在饲料中添加高剂量的重金属元素。过量使用矿物添加剂会影响牲畜体内矿物质的平衡和稳定性，导致猪肠道和身体的有效吸收部分极低，大部分重金属会通过粪便排出体外。

2.1.2 粪尿中重金属含量分析

该猪场不同季节鲜粪与尿液中的重金属含量，总体上呈现出“秋冬高、春夏低”的特点(表3、表4)，尤其是冬季粪便中Cr、Cu、Zn、As的含量分别达115.9、1 150.1、1 630.0和2.62 mg·kg，Cr含量约是春夏季的5倍。这可能是因为秋冬气温变化快，猪极易发病，而Cu、Zn等重金属添加剂可提高免疫率，为此猪场往往会在这两季增加矿物添加剂的用量，导致秋冬季节猪粪中重金属含量明显升高。不同季节尿液中6种重金属的含量差异不大，且普遍较低，说明重金属主要赋存于固体粪便中。

表3 生猪不同季节粪便中的重金属含量

表4 生猪不同季节尿液中的重金属含量

鲜粪中重金属元素的平均含量基本呈现出Zn>Cu>Cr>Pb>As>Cd的趋势，与饲料中重金属的含量趋势一致，但在具体数值上要明显高于饲料中。这是因为，各类重金属元素随着食物链层级的提高产生了富集和浓缩效应。徐国茂等调查了江西省20个县规模化猪场饲料和粪便中的重金属含量，发现粪便中的重金属含量约为饲料中的8.3～9.0倍，与本研究结果相似。

2.2 水稻田土壤重金属的累积特征

2.2.1 耕作层土壤重金属含量分布特征分析

连续施用粪肥后，2015—2019年配套农田(样品监测区)耕作层(0～20 cm)土壤的As、Cr、Cd、Cu、Zn含量平均值分别为对照区的1.55、1.28、1.25、1.25、1.35倍，表现出一定的累积趋势，而Pb的累积效果不明显，其中，As、Cr、Cu、Zn的平均年累积率分别为0.05、3.60、5.13、2.29 mg·kg。连续5 a施用粪肥后，农田耕作层土壤的Cu、Zn含量均显著(<0.05)升高，表现出明显的表层聚集特点，推测与Cu、Zn在配方饲料中的大量添加密切相关。饲料中的Cd含量较低，相应地，Cd含量在土壤耕作层无显著变化。这与王美等研究得出的施用粪肥能增加土壤中Cu、Zn等重金属含量的结论基本一致。本研究还发现，施用年限和施用量是影响重金属在土壤中积累的重要因素(表5、6)。

表5 连续5 a施用粪肥(样品监测区)土壤的重金属含量

表6 连续5 a施用化肥(对照区)土壤的重金属含量

连续5 a施用粪肥后，配套农田耕作层土壤中6种重金属的含量均低于国家标准GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》对水田(6.5

为科学预测粪肥还田条件下土壤重金属累积的超标风险，对粪肥施用年限()与土壤耕作层中Cu含量()、Zn含量()的关系分别用数学模型进行模拟，发现二者均符合线性相关关系，拟合方程分别为=2.613 5+22.911(=0.937 3)和=6.345 1+87.048(=0.983 8)。以GB 15618—2018中规定的土壤Cu、Zn含量限值计，在该粪肥施用量下(3 600 t·a)，上述粪肥的安全施用年限分别为29 a和26 a。

2.2.2 水稻田土壤重金属的垂直分布特征

在连续多年施用猪场粪肥后，配套农田土壤中Pb、Cu、Zn总体上呈现出一定的纵向递减的变化规律(表5)，但与耕作层相比，20～60 cm土壤中的As、Cr含量有所增加，说明As、Cr具有较为明显的淋溶下移性。虽然Pb、Cu、Zn未表现出明显的淋溶下移性，但在40～60 cm土层，Pb、Cu、Zn在粪肥处理下的含量仍要高于化肥处理，这可能主要是因为粪肥还田带入的量较多。

长期干湿交替情况下，水稻土易发生氧化还原变化，会导致各类重金属价态变化并发生垂向移动。As、Cr在土壤溶液中通常以阴离子的形式存在，供试土壤呈弱碱性，进一步增强了As、Cr的迁移溶解性。何腾兵等研究了施用10 a猪粪肥后的黄壤剖面，发现As、Cr、Pb含量随剖面加深变化不大，与本研究结果并不完全一致。这可能是因为，重金属的迁移会受到土壤中多种因素(如土壤质地、有机质、pH等)的综合影响，因而不同地区粪肥施用后土壤中重金属的迁移规律略有差异。

2.3 重金属归趋特征

考虑存栏的450头猪(年出栏1 200头)均由苗猪养大，饲料、鲜粪含固率分别按90%、21%计算，根据饲料投入品中重金属在粪肥生态还田中的迁移过程可知，重金属的迁移主要由生猪养殖和粪肥还田两大路径组成。基于此，测算6种重金属在不同环境介质中的分配比例(图1)。Cr、Cu、Zn、Pb、As、Cd在生猪养殖过程中67.8%～89.3%以粪便污水的形式排出体外，饲料残渣部分也会随着水泡粪的清粪模式进入农田土壤。在粪肥还田后，6种重金属多累积在农田土壤中，仅小部分被稻米吸收。此外，6种重金属在稻米中的含量分布趋势与其在土壤耕作层和畜禽饲料中的含量分布趋势较为一致。经测算，稻米所吸收的Cr、Cu、Zn含量占重金属输入总量的0.37%～0.98%，Pb、As在稻米中未检出。土壤耕作层的Cd累积量较Cu、Zn低，但Cd在稻米中的含量占比却远高于Cu、Zn，稻米中Cd含量的分配比例高达9.11%。虽然饲料中高量的Cu、Zn通过粪肥还田累积在土壤耕作层中，但稻米所含的重金属含量除与农田土壤中的重金属含量密切相关外，还受到重金属赋存形态、农作物吸收

图1 生猪养殖过程(a)和粪肥还田后(b)不同重金属的分配比例Fig.1 Distribution ratio of heavy metals in swine breeding (a) and after swine manure application (b)

能力、农作物品种类型等多方面因素的影响。Rogan等认为，Cd多以易被作物吸收的水溶态存在于土壤中；Teng等认为，水稻会选择性地优先吸收Cd。

经测算，6种重金属总量在粪肥还田中的分配比例如图2所示，饲料携带的重金属中82.5%会进入粪便污水。粪肥还田后，大量重金属累积在农田土壤中，约占输入总量的82.4%，并主要累积于耕层土壤，残留在大米和通过地下水渗漏迁移等的重金属总量约占总输入量的7.1%。由此可见，重金属主要通过“粪肥-土壤-作物”系统迁移，其中，农田土壤中的累积量最大，其他环境介质，如地下水、稻米中的累积量较小。稻米中的重金属在进入食物链后还会出现生物放大和生物积累，进而对人体健康产生影响。因此，粪肥还田过程中应特别注意重金属在土壤和稻米中的积累。但要特别说明的是，植物对不同重金属元素的吸收、积累特征并不相同；因此，不同重金属在这一过程中的分配比例亦有差异。Cd作为水稻的非必需元素，在低剂量时即表现出较强的生物毒性，且易被水稻吸收和积累。对此，应予以高度重视。

图2 饲料投入品中6种重金属总量在粪肥还田中的分配比例Fig.2 Distribution ratios of total amount of 6 heavy metals in feed input in process of manure returning to field

综上，考虑到重金属在生猪养殖和粪肥还田2大路径中的迁移累积风险，养殖企业一方面应重视源头上的重金属添加剂减量，严格控制Cu、Zn、Cd的使用；另一方面可考虑改用干清粪工艺，通过联合堆肥工艺等措施降低粪肥中的重金属含量，特别是秋冬季节产生的粪便，还田前应严格控制其重金属含量。另外，在粪肥还田过程中，种植企业可根据区域土壤气候条件，因地制宜地建立适宜的水肥管理措施，合理适量施用猪粪有机肥，控制受纳农田粪肥的施用频次和年限，实现粪肥还田下作物的安全生产。

3 结论

(1)长三角地区典型猪场生产过程中，As、Cr、Pb、Cu、Zn和Cd在饲料中均有检出，Cr含量超出了GB 13078—2017《饲料卫生标准》所规定的限值，且饲料中Cu、Zn含量远高于NY/T 65—2004《猪饲养标准》中的推荐添加量。粪便中各类重金属含量均呈现出“秋冬高、春夏低”的特点，其中，冬季粪便中Cr、Cu、Zn、As的质量浓度最高，分别为115.9、1 150.1、1 630.0、2.62 mg·kg。

(2)猪粪连续5年施用后，配套农田耕作层土壤中As、Cr、Cd、Cu和Zn的含量表现出明显的累积趋势，其中Cu、Zn的累积效应较明显，平均年累积率分别高达5.13、2.29 mg·kg。各重金属均向深层土壤发生了迁移，Pb、Cu、Zn、Cd总体上呈现出一定的纵向递减的变化规律，但深层土壤中As、Cr的含量有所增加，表现出较为明显的淋溶下移性特点。

(3)重金属在稻米中的累积特征与其在土壤耕作层和畜禽饲料中的含量趋势较为一致，稻米所含Cd含量占输入总量的9.11%，农产品残留风险远高于其他类型重金属。在重金属迁移全过程中，约82.4%的重金属总量累积于农田土壤中，其他以猪肉残留、稻米吸收、径流等方式输出。粪肥还田过程中，应特别注意重金属在土壤和稻米中的积累。