北京规模化养殖场畜禽粪便中养分、重金属和抗生素含量分析

张卫艺，曹子薇，直俊强*，张丽丽，罗一鸣，孙越

(1. 北京市畜牧总站，北京 100107；2. 中国农业大学/动物营养学国家重点实验室，北京 100193；3. 锡林郭勒盟蒙之原牧业有限公司，内蒙古 锡林浩特 026000)

畜禽粪便是农作物生产过程中重要的传统肥料，也是制作商品有机肥的重要原料，粪便的还田利用有利于养分循环，但可能带来的二次污染对畜禽粪便的再利用提出新要求[1]。由于各地区、各养殖场的饲养管理方式不同，畜禽种类和生长阶段不同，粪便中各养分含量、重金属和抗生素残留情况也有可能不同，因此，掌握本地区畜禽粪便中养分、重金属和抗生素的含量和规律十分必要[2]。

当前，为预防疾病和刺激生长，一些含有Cu、Zn、As等重金属的饲料添加剂或者抗生素会被添加到饲料中，除此之外，饲料原料(如大豆、小麦、玉米等)中的重金属残留和加工过程中的重金属引入，畜禽养殖业从业人员对兽用抗生素使用不规范等都可能造成重金属和抗生素在动物体内富集[3]，然而微量元素和抗生素在动物体内生物效价极低，大部分随粪便排出，一旦进入种养循环，便有威胁农产品安全的可能[4-5]。农业农村部2019年对中国猪、牛和鸡粪污样品进行抽样监测，结果表明粪污中的重金属主要为Cu和Zn，其次为Cr、Pb、As和Cd，生猪粪污中Cu、Zn含量明显高于其他畜禽[3]。薄录吉等[6]对浙江、上海、北京等21个省市猪场粪便进行分析，发现Cu、Zn含量超标省市分别占到了95.2%和85.7%。Zhao等[7]发现鸡粪中残留氟喹诺酮类抗生素浓度为45.59～1 420.76 mg/kg，猪粪中残留四环素类浓度最高可达59.06 mg/kg。畜禽粪便中重金属和抗生素的残留是限制其还田利用的主要原因之一。徐明岗等[8]发现，湖南红壤连续16 年施用猪粪后，土壤中Cu含量会超过国家土壤环境质量二级标准，Cd含量会超过国家土壤环境质量三级标准。张俊等[9]发现长期施用含有四环素残留的猪粪作为肥料的耕地土壤中四环素含量比对照组高出60倍，耐药菌中的致病菌数比对照组高达1 000倍，张继旭等[10]也发现土壤中的四环素会影响对烟草生长发育及光合作用。

目前，针对畜禽粪便施用的相关标准较多，但并未形成体系化的指导政策，为确保畜禽粪便能被合理施用，本研究对北京地区畜禽粪便中全氮、全磷、全钾、有机质等养分，Zn、Cu、Pb等重金属，四环素类、喹诺酮类、磺胺类等抗生素含量进行了测定分析，为本地畜禽粪便的安全使用提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 样品采集

2019年在北京市昌平、延庆、房山、顺义等区规模化养殖场采集粪便样品51个，其中12个鸡粪样品，编号CH1-CH12；9个猪粪样品，编号P1-P9；30个牛粪样品，编号C1-C30。采样时以交叉或梅花形布点取11个样品，充分混合后，四分法剔除，最终留存1 kg左右，样品风干粉碎后，过1 mm筛储存备用。

表1 畜禽粪便采集情况

1.2 测定方法

1.2.1 全氮、全磷、全钾的测定

风干粪样经H2SO4-H2O2消解后，分别用凯氏定氮仪测定全氮含量[11]，用紫外分光光度计以钼锑抗比色法(NY/T 88—1988)测定全磷含量[12]，以火焰光度法测定全钾含量[13]。

全氮含量以质量分数ωN计，数值以百分率表示。

式中：ωN(%)为氮的含量，V1(mL)为样品消耗盐酸标准溶液的体积，V2(mL)为空白消耗盐酸标准溶液的体积，C3(mol/L)盐酸标准溶液的浓度，14.0(g/mol)为氮的摩尔质量系数，m(g)为风干粪样的质量，X1(g)风干粪样含水量的数值。

全磷含量以质量分数ωP计，数值以百分率表示。

式中：ωP(%)为全磷的含量，m1(μg)为标准曲线查出的样品溶液中磷质量，V(mL)为样品溶液的总体积，2.292为磷质量换算成五氧化二磷质量的系数，m(g)为风干粪样的质量，V1(mL)为吸取的样品溶液的体积。

全钾(K2O)含量以质量分数ωK计，数值以百分率表示。

式中：ωK(%)为全钾的含量，ρ1(μg/mL)为标准曲线查出的样品溶液中钾质量浓度，ρ2(μg/mL)为标准曲线查出的空白溶液中钾质量浓度，D为测试时样品溶液的稀释倍数，V(mL)样品溶液的总体积，1.205为钾质量换算成氧化钾质量的系数，m(g)为风干粪样的质量。

1.2.2 Cr、Pb、镉(Cd)的检测

依据为《肥料 汞、砷、镉、铅、铬含量的测定》(GB/T 23349—2020)附录B。称取试样0.250 g于100 mL烧杯中，加入(1+1)王水20 mL，盖上表面皿，在150～200 ℃可调电热板上微沸30 min，烧杯内容物近干时，取下，用少量水冲洗表面皿及烧杯内壁。冷却后加2 mL盐酸溶液，加热溶解，取下冷却，过滤，滤液收集于50 mL容量瓶中，滤干后用少量水冲洗3次以上，合并于滤液中，定容。等离子体发射光谱法测定干粪样品中Cr、Pb和Cd的含量，同时做空白试验。待测元素含量计算公式如下：

式中：ρ(μg/mL)为工作曲线查出的样品溶液中待测元素质量浓度，ρ1(μg/mL)为工作曲线查出的空白溶液中待测元素质量浓度，D为测定时样品溶液的稀释倍数，50(mL)为样品溶液的体积。

1.2.3 砷(As)、汞(Hg)的检测

依据为《肥料 汞、砷、镉、铅、铬含量的测定》(GB/T 23349—2020)附录A。称取试样0.500 g于100 mL烧杯中，加入(1+1)王水20 mL，盖上表面皿，浸泡过夜，次日于150～200 ℃可调电热板上消化，烧杯内容物近干时，取下冷却，加入3 mL盐酸，过滤至50 mL容量瓶中，多次冲洗烧杯，加水稀释至刻度。原子荧光光谱法分别测定干粪样品中As和Hg的含量，同时做空白试验。待测元素含量计算公式如下：

式中：ρ(ng/mL)为工作曲线查出的样品溶液中待测元素质量浓度，ρ1(ng/mL)为工作曲线查出的空白溶液中待测元素质量浓度，D为测定时样品溶液的稀释倍数，50(mL)为样品溶液的体积，m(g)为风干粪样的质量。

1.2.4 锌(Zn)、铜(Cu)的检测

依据为《土壤质量 铜、锌的测定 火焰原子吸收分光光度法》(GB/T 17138—1997)。称取试样0.5 g于50 mL聚四氟乙烯坩埚中，用水润湿后加入10 mL盐酸，于通风橱内的电热板上低温加热，待蒸发至约剩3 mL左右时，取下冷却，然后加入5 mL硝酸、5 mL氯氟酸、3 mL高氯酸，加盖后于电热板上中温加热。视消解情况可再加入3 mL硝酸、3 mL氯氟酸、1 mL高氯酸，当白烟基本冒尽且坩埚内容物呈黏稠状时，取下冷却，用水冲洗坩埚盖和内壁，并加入1 mL硝酸溶液温热溶解残渣，随后转移至50 mL容量瓶中，加入5 mL硝酸镧溶液，冷却后定容至标线，火焰原子吸收分光光度法测定干粪样品中Zn和Cu的含量，同时做空白试验。待测元素含量计算公式如下：

式中：c(mg/L)为样品溶液的吸光度减去空白试验的吸光度，然后在校准曲线上查得Cu、Zn的含量，V(mL)为试液定容的体积，m(g)为风干粪样的质量，f(%)为粪样的水分含量。

1.2.5 干粪中抗生素的检测

畜禽粪便中四环素类、磺胺类、喹诺酮类抗生素利用固相萃取-超高效液相色谱-串联质谱法对进行检测，检测方法参考文献[14]。

色谱条件：BEH C18色谱柱(50 mm×2.1 mm，1.7 μm)；进样量5 μL；流量0.3 mL/min；柱温40 ℃；流动相A为乙腈，B为0.1%(体积分数，下同)甲酸溶液。梯度洗脱程序：0 min时，A为5%；0～2 min时，A为5%～20%；2～5 min时，A为20%～75%；5～5.1 min时，A为5%～75%；5.1～6 min时，A为5%。

质谱条件：电喷雾离子源(ESI)；扫描方式为正离子或负离子；离子源温度150 ℃；多反应监测(MRM)模式。

1.3 数据统计与分析

采用Excel 2010软件整理数据，采用SPSS 8.0软件进行统计分析，应用最小显著差异法(LSD)处理显著性差异，P<0.05表示差异显著，P>0.05表示差异不显著。

2 结果与分析

2.1 畜禽粪便的养分含量

图1表示北京地区畜禽粪便养分含量的频数分布情况。可以看出，不同养分含量分布差异较大，其中氮、磷、钾含量的变异系数较高，分别为71.93%、68.50%、63.71%，说明它们的离散程度更高。全氮含量范围为0.2%～3.12%，平均含量1.16%，主要集中在含量小于1%的范围，共29个样品，占比为56.86%；全磷含量范围为0.15%～5.87%，平均含量1.93%，主要集中在含量小于1%和含量1%～2%之间，分别有18和13个样品，占比分别为35.29%和25.49%；全钾含量范围为0.59%～5.93%，平均含量1.90%，主要集中在含量小于1%和含量1%～2%之间，分别有14和19个样品，占比分别为27.45%和37.25%；有机质含量范围为31.04%～87.09%，平均含量56.45%，主要集中在含量45%～60%之间，共24个样品，占比为47.06%。

A.氮含量；B.磷含量，以P2O5计；C.钾含量，以K2O计；D.有机质含量；

表2展示了北京地区不同畜种粪便中各养分含量变化。可以看出，同一畜种或不同畜种粪便中养分含量也不尽相同。氮含量整体表现为鸡粪>猪粪>牛粪，但三者间无显著性差异。其在鸡粪中的含量为0.37%～3.12%，平均1.01%，含量低于1%的占比50%，高于2%的占比33.33%；其在猪粪中的含量为0.2%～2.34%，平均1.1%，含量在1%～2%之间的占比44.40%；其在牛粪中的含量为0.28%～3.01%，平均0.68%，含量低于1%的占比66.60%。

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表2 北京地区不同种类畜禽粪便中养分含量 %

对磷素(P2O5)含量来说，整体表现为猪粪>鸡粪>牛粪，但猪粪和鸡粪中的含量无显著性差异。其在猪粪中的含量为0.15%～5.87%，平均3.17%，含量在3%～4%之间的占比55.60%；其在鸡粪中的含量为0.35%～3.53%，平均2.40%，含量在2%～3%之间的占比41.70%；其在牛粪中的含量为0.59～5.93%，平均1.82%，含量低于1%和在1%～2%之间的占比较高，分别为46.70%和36.70%。

就钾素(K2O)而言，整体表现为鸡粪>猪粪>牛粪，但三者间无显著性差异。其在鸡粪中的含量为0.65%～4.63%，平均2.05%，含量低于1%和含量在1%～2%之间的占比较高，分别为25%和33.33%；其在猪粪中的含量为0.65%～5.24%，平均1.97%，含量低于1%，在1%～2%之间和在2%～3%之间的占比较高，分别为33.33%，22.22%和22.22%；其在牛粪中的含量为0.59%～5.93%，平均1.82%，含量低于1%和在1%～2%之间的占比较高，分别为26.67%和43.33%。

对有机质含量来说，整体表现为猪粪>牛粪>鸡粪，但猪粪和牛粪中的含量无显著性差异。其在猪粪中的含量为46.32%～78.43%，平均62.92%，在45%～60%之间和60%～75%之间的占比较高，均为44.44%；其在牛粪中的含量为41.32%～87.09%，平均58.56%，在45%～60%和60%～75%之间的占比较高，分别为43.33%和36.67%；其在鸡粪中的含量为31.04%～61.18%，平均46.45%，在45%～60%之间的占比最高，为58.33%。通过各养分含量的分析可以看出，北京地区规模化养殖场中鸡粪的养分含量相较于牛粪和猪粪来说，其优势表现的并不明显。

2.2 畜禽粪便的重金属含量

本次采集的所有粪样中均检测出Zn、Pb、Cu、Hg、Cr、As、Cd，因为Cd含量均低于0.075 mg/kg所以本文不做分析。图2为北京地区畜禽粪便重金属含量的频数分布图。可以看出，各种重金属的含量分布差异较大，整体呈现出Zn>Cr>Cu>Pb>As>Hg的趋势。其中Zn含量大于300 mg/kg的有8个样品，占15.69%(图2A)；Pb含量平均值大于12 mg/kg的有8个样品，占15.69%(图2B)；Cu含量大于80 mg/kg的有1个样品，占1.96%(图2C)；Hg含量大于0.08 mg/kg 的有8个样品，占15.69%(图2D)；As含量大于50 mg/kg的有9个样品，占17.65%(图2E)；Cr含量大于50 mg/kg的有10个样品，占19.61%(图2F)。

A.锌含量；B.铅含量；C.铜含量；D.汞含量；E.砷含量；F.铬含量；

几种重金属含量的变异系数在40.48%～251.31%之间，其中Zn、Pb、As、Cr的变异系数较大，分别为99.16%、152.07%、229.53%、251.31%(图2)。推测与不同日粮中微量元素添加量的不同有关。需要注意的是，按照《农用污泥中污染物控制标准》(GB 4284—2018)中对B级污染产物的要求，所有粪样中Cr的超标率为1.96%，As超标率为3.92%。《畜禽粪便安全使用准则》(NY/T1 334—2007)对制作肥料的畜禽粪便中重金属含量限值也提出了要求，As、Cu、Zn的最低限值要求分别是30 mg/kg，85 mg/kg和500 mg/kg，按此要求，本次调查取样的畜禽粪便中As超标率为9.8%，Zn的超标率为1.96%，若将标准放宽至最高限量，则全部样品中只有As超标，超标率为3.92%。大部分样本的重金属含量符合标准要求。

不同畜种的粪便中重金属含量测定结果见表3。可以看出，重金属在不同种类畜禽粪便中含量有差异，且离散程度较高。其中Zn含量为12.17～709.45 mg/kg，Pb含量为0.05～70.3 mg/kg，Cu含量为1.9～80.15 mg/kg，Hg含量为0.01～0.12 mg/kg，Cr含量为0.76～1 043.1 mg/kg，As含量为0.16～88.34 mg/kg。从平均值来看，粪便中Zn、Cu含量表现为猪粪>鸡粪>牛粪。其中猪粪Zn含量是鸡粪的1.54倍，牛粪的5.16倍；猪粪Cu含量是鸡粪的1.52倍，牛粪的2.08倍。Pb、Cr含量表现为牛粪>猪粪>鸡粪，其中牛粪Pb含量是猪粪的1.95倍，鸡粪的3.84倍；牛粪Cr含量是猪粪的4.64倍，鸡粪的12.64倍。鸡粪中As含量最高，为18.06 mg/kg，其次是猪粪，为16.33 mg/kg，二者间无显著性差异，含量最低的是牛粪。就Hg而言，3种粪样的含量相近。

表3 北京地区不同种类畜禽粪便中重金属含量

表4 畜禽粪便中重金属超标情况

2.3 畜禽粪便中抗生素的残留

粪样中四环素类、磺胺类、喹诺酮类抗生素含量检测结果见表5。

表5 北京地区畜禽粪便中抗生素残留情况

3 讨论

3.1 畜禽粪便中养分含量的变化

氮、磷、钾和有机质是农作物在生长过程中能从畜禽粪便中吸收到的重要养分资源，不同畜禽粪便中养分含量不尽相同，这就要求在返田利用时确定合理用量，避免造成土壤养分失衡[15]。

本研究发现，氮磷钾含量均表现为在牛粪中的含量最低，这与黄红卫等[16]、李书田等[17]的报道一致，但是在对陕西杨凌地区和晋北地区规模化养殖场的畜禽粪便进行分析时发现，牛粪中全钾含量并不是最低的，他们认为反刍动物饲料以富含纤维的秸秆类为主，而秸秆茎叶中钾含量较高，而氮磷含量较低，因此，反刍动物粪便中钾含量较单胃动物更高[18-19]。畜禽粪便中氮磷钾含量的多少不仅与饲料中各类元素的添加有关，还与饲养管理水平、畜禽代谢过程等有关，因此，分布规律并不完全一致。与2009年的研究数据相比，北京地区畜禽粪便中氮磷钾含量变化不大，从平均含量来看，鸡粪中磷含量较高，分别是氮、钾的1.63倍和1.17倍；猪粪中以磷为主，分别是氮、钾含量的2.30倍和1.61倍；牛粪中以钾素含量为主，氮磷含量相当[17]。有机质含量与之前的调查结果变化不大，分布规律虽不完全一致，但均表现为猪粪中含量最高[20]。黄红卫等[16]就宁夏规模养殖场的研究发现，猪粪中有机质平均含量分别为牛粪和鸡粪的1.12倍和2.34倍，但在关于北京市规模养殖场的分析中并未发现牛粪和猪粪中有机质含量间的显著性差异。

3.2 畜禽粪便中重金属含量的变化

对比陕西杨凌、宁夏、晋北等地区规模化养殖场畜禽粪便中重金属含量，可以发现，不同时期、不同地区的鸡粪、猪粪和牛粪中重金属的含量均存在一定程度的差异[4，16，18，21]，这可能与不同地区、不同养殖场的饲养管理水平不同有关，也可能与畜禽生长阶段的不同有关[22]。但已有研究证实，畜禽粪便中重金属主要来源于饲料，而且在粪便中有逐渐被富集的趋势[4，21，23]，说明对饲料添加剂的管理还需要更加规范、严格[24]。

饲料中添加少量Cu、Zn对于促进畜禽生长，提高饲料利用率，降低仔畜生长过程中腹泻发生率等都有较好效果，由于猪对Cu、Zn有较高耐受力，所以猪饲料中二者的添加量一般高于其他畜种的饲料，研究发现Cu、Zn在猪粪中的含量较其他畜种更高，这与本次结果一致[17-19]。与2009年的报道相比，北京地区畜禽粪便中Cu、Zn含量均明显下降，其中猪粪Cu含量下降最为明显，仅为原来的10.09%，说明北京市在限制饲料中Cu、Zn添加量方面取得了显著成效[17]。

我国现行的《有机肥料》(NY/T 525—2021)中对部分重金属限量标准提出要求，其中Pb含量应低于50 mg/kg，Hg含量应低于2 mg/kg，Cr含量应低于150 mg/kg，As含量应低于15 mg/kg，Cd含量应低于3 mg/kg。按此标准计算，本次调查取样的畜禽粪便中Pb超标率为1.96%，Cr超标率为7.84%，Pb、Cr超标的均为牛粪；As超标率为11.76%，分别有2个猪粪、4个鸡粪。虽然本研究中采集的粪便样品并不是可直接使用的商品有机肥，但是有研究发现，商品有机肥中重金属含量明显高于粪便本身，这是因为商品有机肥来源更为复杂，畜禽粪便、粘结剂、无机肥料等物料，除畜禽粪便外，其他物料中同样含有重金属[25]。当前，商品有机肥的处理大多是简单的发酵、脱水，缺少对重金属的钝化或去除过程，虽然本次调研的大部分样本的重金属含量符合标准要求，但不可避免的是，商品化后重金属会在有机肥中产生积累[25]，因此，考虑到畜禽废弃物还田利用对土壤的影响，我们需要寻求出能够消除重金属影响的有效技术。

3.3 畜禽粪便中抗生素含量的变化

在集约化、规模化养殖产业中，抗生素的合理使用对治疗动物疾病，防止疾病的扩散有显著作用，我国每年用于畜禽养殖的兽药抗生素超过8 t，占抗生素总产量一半以上[26]。其中，喹诺酮类抗生素和磺胺类抗生素均为人工合成抗生素，它们和四环素类抗生素均具有较广的抗菌谱，且种类较多、价格低廉，常作为预防和治疗畜禽疾病，促进畜禽生长的食源性动物饲料或兽药使用[27]。然而，这些抗生素并不能完全被动物体吸收，大部分以原药或代谢产物的形式随畜禽粪便和尿液排出体外，残留于环境中，对土壤、水体等生态环境带来不良影响，并可能最终以各种形式富集于人体[5]。

在本次采集的畜禽粪便样品中，部分有检测到3类抗生素不同程度的残留。其中，四环素类在鸡粪中的检出率为16.67%，猪粪中的检出率为11.11%，牛粪中的检出率为6.67%，检出率的不同可能与畜种的集约化程度和空间密集程度有关[28]。多项研究发现，我国猪粪中四环素类抗生素残留达到了mg/kg量级[29-30]，但本研究发现，仅有1个猪粪中四环素类含量达1 377.4 μg/kg，其余猪粪样品中均未检测到。猪粪样品中检测到的四环素类显著高于鸡粪样品和牛粪样品，这与之前的研究结果保持一致[30]。喹诺酮类仅在1个牛粪，1个鸡粪样品中检测到，含量表现为牛粪>鸡粪，但由于检出样品量太少，并不能作为规律与其他研究进行对比，不过其含量均低于2010年的研究结果[7]。这说明，北京市在控制畜禽养殖过程中抗生素的使用取得了明显成效。

中华人民共和国农业农村部第194号公告指出，自2020年元旦起，我国饲料中全面禁止添加抗生素。这一政策实施后，从饲料添加剂方面限制了抗生素的使用，今后，如果在兽医临床中能做到有针对性使用药物，不乱用药给药，抗生素残留问题将得到改善。

4 结论

北京地区畜禽粪便中全磷平均含量基本呈现出猪粪>鸡粪>牛粪，而全氮、全钾呈现出鸡粪>猪粪>牛粪，有机质呈现出猪粪>牛粪>鸡粪，各养分含量较往年变化较小，鸡粪的养分含量并未表现出明显优势。

按照相关标准的限值要求，北京地区畜禽粪便重金属超标以As为主，但大部分粪便中重金属含量均低于限值。Cu、Zn含量表现为在猪粪中最高，但比往年数据明显下降，且均未超标。

四环素类抗生素含量表现为猪粪>鸡粪>牛粪，喹诺酮类抗生素含量表现为牛粪>鸡粪，磺胺类抗生素未检出，整体来看，北京地区畜禽养殖场抗生素污染得到了明显控制。