豬糞中重金屬元素含量及其變化特征分析

沈豐菊，韓建華，趙潤，張克強*

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護科研監(jiān)測所，天津 300191；2.天津市農(nóng)業(yè)環(huán)境保護管理監(jiān)測站，天津 300061）

我國是世界上生豬生產(chǎn)和消費大國。2016 年世界生豬存欄量、出欄量和豬肉產(chǎn)量分別為78 483萬頭、119 212 萬頭和10 820 萬t，而我國則分別達45 112 萬頭、62 002 萬頭和5 185 萬t，分別占世界總量的57.48%、52.01%和47.92%[1]。近年來，國家通過一系列政策法規(guī)引導(dǎo)，大力支持畜禽養(yǎng)殖業(yè)向集約化、規(guī)模化方向發(fā)展，一方面可以滿足消費者越來越注重豬肉的品質(zhì)和食品安全的需求，另一方面可以滿足養(yǎng)殖場在環(huán)保壓力以及各種資源束縛之下，對提高飼養(yǎng)水平、降低養(yǎng)殖成本、構(gòu)筑產(chǎn)業(yè)鏈條的需要。目前，規(guī)?；?、集約化養(yǎng)殖模式成為必然趨勢，天津市生豬、奶牛、蛋雞和肉雞產(chǎn)業(yè)規(guī)?；B(yǎng)殖比例已分別達到85%、95%、90%和95%[2]。但隨著畜禽養(yǎng)殖規(guī)?；?、集約化發(fā)展，畜牧業(yè)對環(huán)境造成的污染也越來越嚴(yán)重，尤其是飼料中營養(yǎng)性微量元素的添加引發(fā)的畜產(chǎn)品安全問題及其對人畜健康的危害[3-4]，已經(jīng)成為畜牧業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。為了提高畜禽生長效率、增強抗病能力，飼料生產(chǎn)企業(yè)和養(yǎng)殖場通常會在飼喂過程中添加一定量的微量元素添加劑，微量元素添加劑是畜禽糞便中重金屬的主要來源。各類添加劑均含有不同含量的重金屬，而動物對大部分重金屬的吸收程度有限，絕大部分重金屬會隨畜禽糞尿排出體外[5]。Nicholson 等[6]對英國境內(nèi)的多種畜禽飼料和糞便樣品的重金屬含量測試結(jié)果表明，豬的不同生長階段飼料中Zn 和Cu 的含量范圍分別為150～2 920 mg·kg-1和18～217 mg·kg-1，而豬糞中Zn 和Cu 的平均含量分別為500 mg·kg-1和360 mg·kg-1。黃玉溢等[7]對廣西規(guī)?；i場飼料和糞便中重金屬含量及其殘留特征的研究發(fā)現(xiàn)，Zn 和Cu 在豬配合飼料中的平均含量分別為238.2 mg·kg-1和159.4 mg·kg-1，而豬糞中的平均含量分別為1 330.2 mg·kg-1和828.0 mg·kg-1。豬糞中含量較高的重金屬主要為Cu 和Zn[8-9]，除此之外還含有As、Hg、Pb、Cr、Cd 等，這些重金屬隨糞肥施入土壤后，將造成土壤中重金屬元素積蓄、污染，從而對植物以及土壤微生物產(chǎn)生毒害作用，引起正常代謝紊亂，影響植物的生長發(fā)育，并且土壤中的重金屬隨降雨遷移至水體，亦將導(dǎo)致水體污染[10-12]。因此，本研究以天津市某豬場為例，開展豬糞中主要重金屬元素含量長期定位監(jiān)測及其變化規(guī)律分析，為畜禽養(yǎng)殖場糞污無害化處理和肥料化利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗監(jiān)測點概況

本研究以天津市某豬場作為試驗監(jiān)測點。該豬場主要從事種豬養(yǎng)殖，占地48 024 m2，建有標(biāo)準(zhǔn)化養(yǎng)殖豬舍32 棟，面積1.4 萬m2，生豬年存欄量約5 000頭，繁殖母豬約550 頭，年出欄量約10 000 頭（優(yōu)質(zhì)種豬約3 000 頭，育肥商品豬約7 000 頭）。豬舍地面為水泥地板，清糞方式為人工干清糞，糞便收集率超過95%，豬場糞便集中收集后售賣。

1.2 采樣方法

試驗期內(nèi)糞便樣品采集點為豬舍外集糞池（鮮糞），監(jiān)測周期為4年（2015年1月—2018年12月），每年春（4 月）、夏（7 月）、秋（10 月）、冬（12 月）四個季節(jié)采樣，每個季節(jié)連續(xù)采樣5 d。糞便樣品采集與保存按照《畜禽糞便監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（GB/T 25169—2010）中的規(guī)定執(zhí)行。

1.3 測定項目

糞便樣品的檢測指標(biāo)包括Cu、Zn、As、Hg、Pb、Cr、Cd 7種重金屬。

1.4 樣品處理及檢測方法

糞便樣品中Cu、Zn 含量參照GB/T 17138—1997中規(guī)定的方法，Cr 含量參照HJ 491—2009 中規(guī)定的方法，Pb、Cd含量參照GB/T 17138—1997中規(guī)定的方法，采用TAS-990 原子吸收分光光度計測定；As、Hg含量參照GB/T 22105.2—2008 中規(guī)定的方法，采用SK-2003AZ非色散原子熒光光度計測定。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

糞便樣品的每項指標(biāo)測定均設(shè)定3 次平行，對3次平行數(shù)據(jù)取平均值作為檢測結(jié)果；再對5 d 數(shù)據(jù)取平均值作為當(dāng)季最終檢測結(jié)果。采用SPSS 和Graphpad對糞便各項測定指標(biāo)進行統(tǒng)計分析和作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 豬糞中的重金屬元素含量分析

圖1 豬糞中Zn含量年度季節(jié)變化Figure 1 Content of Zn in swine manure in different years and seasons

圖2 豬糞中Cu含量年度季節(jié)變化Figure 2 Content of Cu in swine manure in different years and seasons

試驗監(jiān)測點豬糞中Cu、Zn、As、Hg、Pb、Cr、Cd等7種主要重金屬元素的平均含量如圖1～圖7 所示。由圖可知，豬場糞便中Zn 含量最高，其次是Cu 和Cr，Pb的含量較低，Cd、As 和Hg 的含量極低，甚至未檢出。Zn、Cu 和Cr 是豬糞中含量較高的3 種重金屬元素，它們在不同季節(jié)、不同年度的平均含量如圖1～圖3 所示。結(jié)果顯示：春季Zn、Cu 和Cr 的平均含量分別為（1 054.01±429.17）、（160.32±79.30）mg·kg-1和（40.87±31.47）mg·kg-1，夏季分別為（1 191.23±599.80）、（208.93±159.80）mg·kg-1和（155.99±162.91）mg·kg-1，秋季分別為（1 117.78±218.79）、（149.81±88.30）mg·kg-1和（31.14±15.59）mg·kg-1，冬季分別為（1 406.44±1 559.72）、（235.60±190.67）mg·kg-1和（107.04±95.86）mg·kg-1。Pb 在豬糞中的含量較低，Cd、As 和Hg 在豬糞中的含量極低，甚至未檢出，它們在不同季節(jié)、不同年度的平均含量如圖4～圖7 所示。結(jié)果顯示：春季Pb、Cd、As 和Hg 的平均含量分別為（5.177±4.750）、（0.280±0.284）、（0.390±0.385）mg·kg-1和（0.021±0.034）mg·kg-1，夏季分別為（7.745±8.869）、（0.326±0.263）、（0.202±0.222）mg·kg-1和（0.027±0.034）mg·kg-1，秋季分別為（3.396±2.630）、（1.838±2.591）、（0.200±0.211）mg·kg-1和（0.017±0.026）mg·kg-1，冬季分別為（1.737±0.556）、（1.378±1.887）、（0.199±0.312）mg·kg-1和（0.021±0.034）mg·kg-1。

圖3 豬糞中Cr含量年度季節(jié)變化Figure 3 Content of Cr in pig manure in different years and seasons

圖4 豬糞中Pb含量年度季節(jié)變化Figure 4 Content of Pb in swine manure in different years and seasons

圖5 豬糞中Cd含量年度季節(jié)變化Figure 5 Content of Cd in swine manure in different years and seasons

圖6 豬糞中As含量年度季節(jié)變化Figure 6 Content of As in swine manure in different years and seasons

圖7 豬糞中Hg含量年度季節(jié)變化Figure 7 Content of Hg in swine manure in different years and seasons

隨著我國規(guī)?；?、集約化生豬養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展，一些微量重金屬元素作為飼料添加劑也廣泛應(yīng)用于生豬養(yǎng)殖業(yè)。我國豬飼料添加劑中普遍含有Cu、Zn、Cr 和As 等重金屬元素。朱建春等[13]對陜西省規(guī)?；i場育肥豬飼料中重金屬元素的測定結(jié)果顯示，飼料中Cu 和Zn 的平均含量分別為185.56～368.75 mg·kg-1和392.26～906.25 mg·kg-1，Cr、As、Pb 和Cd 的平均含量分別為5.99～39.76、1.24～29.17、1.12～16.43 mg·kg-1和1.76～17.52 mg·kg-1；而豬糞中Cu和Zn的平均含量則分別為248.21～1 003.82 mg·kg-1和483.17～1 620.62 mg·kg-1，Cr、As、Pb 和Cd 的平均含量分別為10.32～63.79、0.93～28.37、2.55～14.88 mg·kg-1和1.71～16.64 mg·kg-1。潘尋等[14]對山東省規(guī)?；i場不同生長階段配合飼料中重金屬含量的測定結(jié)果顯示，飼料中Zn、Cu、As、Cr、Pd 和Cd 的平均含量分別為179.6～2 724.4、87.3～188.5、18.9～31.2、7.5～13.5、2.9～3.4 mg·kg-1和0.7～1.3 mg·kg-1；豬糞中Zn、Cu、As、Cr、Pd 和Cd 的平均含量分別為（1 908.6±3 061.6）、（472.8±302.0）、（36.5±69.1）、（12.3±23.5）、（2.9±0.6）mg·kg-1和（0.9±0.2）mg·kg-1。王飛等[15]對華北地區(qū)豬飼料中重金屬含量的測定結(jié)果顯示，飼料中Zn、Cu、Cr、Pb、As、Cd 和Hg 的平均含量分別為（544.85±924.25）、（136.36±103.58）、（8.52±7.52）、（4.88±3.73）、（1.42±3.20）、（0.02±0.01）mg·kg-1和（0.01±0.00）mg·kg-1；豬糞中Zn、Cu、Cr、Pb、As、Cd 和Hg的平均含量分別為250.4～3 797.0、112.7～1 058.0、19.9～78.6、7.18～78.1、0.25～15.8、0.014～0.076 mg·kg-1和0.001～0.004 6 mg·kg-1。黃玉溢等[16]對廣西多個規(guī)?；B(yǎng)豬場的豬糞樣品進行檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：豬糞中Zn、Cu 和Cr 的平均含量分別為1 042.6、760.7 mg·kg-1和18.9 mg·kg-1。索超等[17]對北京多個區(qū)縣的集約化生豬養(yǎng)殖場的畜禽糞便樣品的檢測結(jié)果顯示：豬糞中Zn的平均含量為2 333.97 mg·kg-1，變化范圍為458.21～14 031.79 mg·kg-1。董占榮等[18]對杭州市郊規(guī)模化養(yǎng)殖場豬糞中重金屬含量測定結(jié)果顯示：豬糞中Zn和Cu的平均含量分別高達1 064.00 mg·kg-1和1 018.00 mg·kg-1。朱泉雯[19]調(diào)查分析了太湖流域西岸區(qū)域養(yǎng)豬場的糞便重金屬含量，結(jié)果顯示：豬糞中Zn、Cu和Cr的平均含量分別達6 455.46、1 082.47 mg·kg-1和199.61 mg·kg-1，豬糞中Pb、Cd和As的平均含量分別為421.24、28.34 mg·kg-1和42.46 mg·kg-1。本研究試驗豬場豬糞中主要重金屬含量與其研究結(jié)果相比，差異較大，這可能與地域、豬品種以及飼料配方等存在差異有關(guān)。由此可見，飼料重金屬含量是豬糞中重金屬的主要來源，豬糞中重金屬含量隨飼料中重金屬含量的變化而變化。飼料中微量重金屬元素的添加可預(yù)防動物疾病和促進動物生長，但由于動物對重金屬元素的吸收利用率低，添加在飼料中的重金屬在動物體內(nèi)沉積量很少，絕大多數(shù)重金屬元素經(jīng)動物排泄物排出體外，進而隨著糞肥施用在土壤中積蓄，使土壤中的重金屬含量大幅提升，對土壤、水體環(huán)境以及農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全造成危害。研究結(jié)果表明，豬糞中重金屬含量與飼料中重金屬含量之間總體呈正相關(guān)[20]，特別是在育肥階段飼料中Cu和Zn的含量與豬糞中Cu和Zn的含量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），飼料中As的含量與糞便中As的含量呈正相關(guān)，但相關(guān)性不顯著（P＞0.05）；華北地區(qū)畜禽糞便與飼料中重金屬相關(guān)性分析結(jié)果顯示，畜禽糞便中重金屬Zn、Cu、Cd、Cr的含量與飼料中重金屬含量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），Pb和As呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）[15]。

2.2 豬糞中重金屬元素變化特征分析

豬糞中主要重金屬含量在不同年份、不同季節(jié)均表現(xiàn)出一定的差異性，這可能與豬的生長階段、飼料配比等因素有關(guān)。不同季節(jié)和不同年度豬糞中Zn、Cu 和Cr 含量差異性分析見表1～表3。結(jié)果顯示：Zn含量的年度差異在秋季最小、冬季最大，變異系數(shù)分別為19.6% 和110.9%，離散系數(shù)分別為0.144 和1.274；Cu 含量的年度差異在春季最小、冬季最大，變異系數(shù)分別為49.5% 和80.9%，離散系數(shù)分別為0.431 和0.752；Cr 含量的年度差異在秋季最小、夏季最大，變異系數(shù)分別為50.1%和104.4%，離散系數(shù)分別為0.380 和0.914。Zn 含量在2017 年冬季明顯偏高，表現(xiàn)出極大的季節(jié)差異性，變異系數(shù)為94.4%，離散系數(shù)為0.851；Cu 含量在2017 年夏季和冬季明顯高于春季和秋季，季節(jié)差異性較大，變異系數(shù)為77.5%，離散系數(shù)為0.696；Cr 含量在2015 年季節(jié)差異性最小，變異系數(shù)為45.8%，離散系數(shù)為0.280，而2016—2018 年則季節(jié)差異性較大，變異系數(shù)分別為87.6%、122.8%和125.1%，離散系數(shù)分別為0.870、1.250 和1.368。

表1 不同年度、季節(jié)豬糞中Zn含量對比（mg·kg-1）Table 1 Contents of Zn in different years and seasons of swine manure（mg·kg-1）

不同季節(jié)、不同年度豬糞中Pb、Cd、As 和Hg 含量差異性分析見表4～表7。結(jié)果顯示：豬糞中Pb 含量的年度差異在冬季最小、夏季最大，變異系數(shù)分別為32.0%和114.5%，離散系數(shù)分別為0.268 和1.299；Cd 含量的年度差異在春季和夏季明顯小于秋季和冬季，夏季最小、秋季最大，變異系數(shù)分別為80.8%和141.0%，離散系數(shù)分別為0.674 和2.111；As 和Hg含量的年度差異在不同季節(jié)均表現(xiàn)明顯，而在冬季差異最大，變異系數(shù)分別為157.0%和164.8%，離散系數(shù)分別為2.767 和3.364。Pb 含量在2016 年季節(jié)性差異最小，變異系數(shù)為44.4%，離散系數(shù)為0.354，2017 年和2018 年夏季含量明顯偏高，季節(jié)性差異較大，變異系數(shù)分別為129.9%和128.8%，離散系數(shù)分別為1.736 和1.718；Cd 含量在2016 年秋季和冬季明顯偏高，季節(jié)性差異較大，變異系數(shù)為101.7%，離散系數(shù)為0.932，2018 年季節(jié)性差異最小，變異系數(shù)為52.1%，離散系數(shù)為0.411；As 在2015 年僅在春季有檢出，而2017 年和2018 年明顯偏高；Hg 在2016年僅在春季未檢出，在2018 年則在四季均未檢出，而在2017 年春季和秋季以及2015 年夏季和冬季明顯偏高。

表2 不同年度、季節(jié)豬糞中Cu含量對比（mg·kg-1）Table 2 Contents of Cu in different years and seasons of swine manure（mg·kg-1）

表3 不同年度、季節(jié)豬糞中Cr含量對比（mg·kg-1）Table 3 Contents of Cr in different years and seasons of swine manure（mg·kg-1）

表4 不同年度、季節(jié)豬糞中Pb含量對比（mg·kg-1）Table 4 Contents of Pb in different years and seasons of swine manure（mg·kg-1）

表5 不同年度、季節(jié)豬糞中Cd含量對比（mg·kg-1）Table 5 Contents of Cd in different years and seasons of swine manure（mg·kg-1）

表6 不同年度、季節(jié)豬糞中As含量對比（mg·kg-1）Table 6 Contents of As in different years and seasons of swine manure（mg·kg-1）

表7 不同年度、季節(jié)豬糞中Hg含量對比（mg·kg-1）Table 7 Contents of Hg in different years and seasons of swine manure（mg·kg-1）

潘尋等[14]對山東省多家規(guī)?；i場夏、冬兩季的糞便樣品進行檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：豬糞中Zn、Cu、As、Cr、Pb 和Cd 的平均含量夏季分別為（1 305.4±1 962.6）、（456.2±298.8）、（34.4±65.6）、（16.9±32.4）、（2.8±0.5）mg·kg-1和（0.8±0.1）mg·kg-1，冬季分別為（2 511.8±3 782.5）、（489.4±306.6）、（38.6±72.9）、（7.7±5.3）、（2.9±0.7）mg·kg-1和（1.0±0.2）mg·kg-1，Cu、As、Pb 的含量冬季和夏季差異不顯著（P＞0.05），Cd 的含量冬季顯著高于夏季（P＜0.05），Zn 的含量冬季明顯高于夏季，差異極顯著（P＜0.01），郭建鳳等[21]研究表明，Zn 作為飼料添加劑能有效降低豬腹瀉病的發(fā)病率，冬季氣溫較低，豬舍環(huán)境潮濕又寒冷，極易發(fā)生豬腹瀉病。因此，冬季豬場往往會增加飼料Zn 的添加量，造成冬季豬糞中Zn含量明顯增加，同時，Cd和Zn常常伴生存在，所以冬季和夏季Cd 和Zn 在豬糞中的含量差異呈現(xiàn)出相同的變化規(guī)律。夏季豬糞中Cr 的含量高于冬季，Cr 的含量夏季明顯高于冬季，差異極顯著（P＜0.01）。為防止夏季高溫影響豬的生長育肥和熱調(diào)節(jié)能力，夏季豬場通常會在飼料中補充一定量的含Cr添加劑，以緩解豬的高溫應(yīng)激作用，提高豬的生長性能[22]。本研究所得結(jié)果與前人結(jié)論一致，但Pb 含量略高且存在較明顯的季節(jié)差異。本研究表明，豬糞中重金屬含量受季節(jié)、生長階段、飼料配比以及防病抗病等因素的影響。過量使用含重金屬添加劑的豬飼料，造成了豬糞中重金屬元素含量的蓄積，制約豬糞的資源化利用。為實現(xiàn)規(guī)?；i場糞污安全、合理的資源化利用，需要從源頭嚴(yán)格控制飼料重金屬添加劑的種類和用量，同時開展豬糞中重金屬含量的長期定位監(jiān)測，確保糞肥的農(nóng)田安全利用。

3 結(jié)論

（1）Zn 和Cu 是豬糞中含量最高的兩種重金屬元素，平均含量分別為（1 192.371±153.33）、（188.67±40.53）mg·kg-1，這與飼料中營養(yǎng)性微量元素的添加有關(guān)，其次是Cr、Pb、Cd，平均含量分別為（83.76±58.79）、（4.51±2.57）、（0.98±0.75）mg·kg-1，As 和Hg 含量極低或未檢出，平均含量分別為（0.22±0.04）mg·kg-1和（0.021±0.004）mg·kg-1。

（2）豬糞中主要重金屬含量在不同年份、不同季節(jié)均表現(xiàn)出一定的差異性，這與豬的生長階段、飼料配比等因素有關(guān)。

（3）重金屬在豬的生長代謝過程中有逐漸被富集的趨勢，導(dǎo)致豬糞中的重金屬含量遠高于飼料中的重金屬含量，豬飼料中過量的重金屬添加劑導(dǎo)致豬糞中重金屬殘留量增加，帶來較高環(huán)境風(fēng)險，制約糞便的資源化利用。因此，在豬糞作為有機肥施用到土壤的過程中，必須開展長期定位監(jiān)測，實時掌握豬糞以及由豬糞制備成的有機肥中重金屬的含量，以降低有機肥施用過程中的環(huán)境風(fēng)險。