內(nèi)蒙古畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤重金屬污染特征及評價

孫文靜

(內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測中心站，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

內(nèi)蒙古自治區(qū)地處中國北部邊疆，橫跨東北、華北、西北地區(qū)，全區(qū)土地總面積為118.3萬km2，占全國國土總面積的12.3%，居全國第3位。根據(jù)《1∶100萬中華人民共和國土壤圖》，采用“土壤發(fā)生分類”系統(tǒng)，內(nèi)蒙古自治區(qū)劃分出11個土綱，33個土類，107個亞類。地帶性土壤由東至西分別為黑土、黑鈣土、栗鈣土、棕鈣土、灰棕漠土、灰漠土、褐土、灰鈣土以及山地上發(fā)育的灰白色森林土、灰色森林土、棕壤、暗棕壤；其中栗鈣土類面積最大。

內(nèi)蒙古自治區(qū)是中國重要的畜牧業(yè)生產(chǎn)基地，畜禽養(yǎng)殖模式逐漸由分散養(yǎng)殖向規(guī)?；B(yǎng)殖轉(zhuǎn)變。2019年全區(qū)年末牲畜存欄數(shù)7 192.4萬頭，其中，生豬存欄429.6萬頭，牛存欄626.1萬頭，羊存欄5 975.9萬頭[1]。隨著規(guī)?；B(yǎng)殖場的發(fā)展，為提高畜禽養(yǎng)殖效率、防治動物疾病等，抗生素和多種重金屬元素等各種添加劑常被添加到飼料中，并且絕大部分會隨著畜禽糞便排出體外[2-3]，處理不當(dāng)會造成土壤重金屬污染，對生態(tài)環(huán)境構(gòu)成極大威脅。由于重金屬元素在土壤中移動性很小，不易隨水淋濾，不為微生物降解，其在土壤中的含量會逐年累積?，F(xiàn)于2015年5—8月采集內(nèi)蒙古自治區(qū)東部、中部和西部地區(qū)32個畜禽養(yǎng)殖場周邊共160個土壤樣品，分析8 種重金屬含量。通過單項(xiàng)污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評價畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤重金屬的污染程度。

1 研究方法

1.1 采樣時間

2015年5—8月。

1.2 點(diǎn)位布設(shè)

選取內(nèi)蒙古自治區(qū)東部、中部和西部地區(qū)規(guī)模為常年存欄量500頭以上的豬、3萬只以上的雞、100頭以上的牛和1 000頭以上的羊等畜禽養(yǎng)殖場，全區(qū)共選擇32個采樣區(qū)，其中19個采樣區(qū)養(yǎng)殖牛，4個采樣區(qū)養(yǎng)殖雞，2個采樣區(qū)養(yǎng)殖羊，7個采樣區(qū)養(yǎng)殖豬。采用網(wǎng)格法在畜禽養(yǎng)殖場外圍500 m范圍內(nèi)隨機(jī)布點(diǎn)，網(wǎng)格大小為100 m×100 m，通過查隨機(jī)數(shù)表，得到5個隨機(jī)數(shù)，隨機(jī)數(shù)對應(yīng)的網(wǎng)格編號，則該網(wǎng)格生成中心點(diǎn)，作為監(jiān)測點(diǎn)位。在32個畜禽養(yǎng)殖場周邊共布設(shè)160個土壤監(jiān)測點(diǎn)位，選取的畜禽養(yǎng)殖場個數(shù)及畜禽種類見表1。

表1 畜禽養(yǎng)殖場個數(shù)及畜禽種類

1.3 樣品采集與制備

按照《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 166—2004)采集和制備樣品。每個監(jiān)測點(diǎn)位采集表層0～20 cm的土樣。土樣避光自然風(fēng)干，粗磨前揀出碎石、沙礫及動植物殘?bào)w等雜物，用木棍敲碎土樣。粗磨后土樣過2 mm篩，充分混合、攪拌至均勻，四分法取樣。一份裝瓶用于pH值分析；另一份細(xì)磨至0.15 mm用于金屬元素分析。

1.4 樣品消解和測定

土壤pH值、金屬元素均由取得資質(zhì)認(rèn)定的實(shí)驗(yàn)室檢測，具體檢測方法見表2。儀器設(shè)備通過檢定或校準(zhǔn)，按照《HJ/T 166—2004》進(jìn)行準(zhǔn)確度和精密度控制。

表2 各項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)室測定方法

1.5 評價方法

研究區(qū)域土壤重金屬污染狀況采用《HJ/T 166—2004》中的土壤單項(xiàng)污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)進(jìn)行評價。

1.5.1 單項(xiàng)污染指數(shù)法

Pi=Ci/Si

(1)

式中：Pi——單項(xiàng)污染指數(shù)；

Ci——土壤中污染物i的實(shí)測值，mg/kg；

Si——污染物i的評價標(biāo)準(zhǔn)值，mg/kg。

選用內(nèi)蒙古土壤重金屬元素的背景值作為評價標(biāo)準(zhǔn)值，以內(nèi)蒙古自治區(qū)土壤重金屬元素質(zhì)量比的中位值作為背景值[4]。

1.5.2 內(nèi)梅羅污染指數(shù)法

PN=[(Pi均2+Pi最大2) /2]1/2

(2)

式中：PN——內(nèi)梅羅污染指數(shù)；

Pi均——平均單項(xiàng)污染指數(shù)；

Pi最大——最大單項(xiàng)污染指數(shù)。

內(nèi)梅羅污染指數(shù)劃定污染等級見表3。

表3 土壤重金屬污染分級標(biāo)準(zhǔn)

1.6 統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析采用Excel 2007、SPSS 17.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行，并利用Duncan 單因素方差分析對不同地區(qū)畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤重金屬進(jìn)行兩兩比較，利用降維處理對各重金屬元素進(jìn)行主成分分析[5-6]。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)域土壤基本特性

內(nèi)蒙古自治區(qū)畜禽養(yǎng)殖場周邊160個采樣點(diǎn)pH值為5.40～10.22，pH值平均為8.20。其中東部地區(qū)畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤pH值平均最低，為7.69；中部地區(qū)pH值平均為8.51，西部地區(qū)pH平均值為8.50，整體屬于堿性土壤。

2.2 畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤重金屬質(zhì)量比

選取內(nèi)蒙古自治區(qū)土壤中位值作為背景值[4]。各監(jiān)測點(diǎn)位土壤樣品重金屬質(zhì)量比統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。由表4可見，選取的畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤重金屬質(zhì)量比普遍超過內(nèi)蒙古自治區(qū)土壤背景值。與內(nèi)蒙古土壤背景值相比，監(jiān)測點(diǎn)位土壤重金屬Cd、Pb、Cr超過背景值點(diǎn)位數(shù)比例均>50%，其中Cd超過的比例最大，為81.88%，其次是Pb(72.5%)、Cr( 55.0% )。重金屬Cd平均值是背景值的2.14倍，遠(yuǎn)高于其他7種重金屬。

表4 內(nèi)蒙古自治區(qū)畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤重金屬質(zhì)量比 (n=160)

采集的土壤中重金屬除 Hg和As 外，其余6種重金屬的平均值均>內(nèi)蒙古土壤背景值。Hg和As的平均值分別是背景值的0.87和0.99倍，Cd、Pb、Cr、Cu、Zn和Ni分別是背景值的2.14，1.57，1.05，1.05，1.04和1.07倍，說明內(nèi)蒙古自治區(qū)畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤已經(jīng)受到不同程度的重金屬污染。

變異系數(shù)越大，說明重金屬在空間上的分布差異越大，土壤受人類活動干擾越強(qiáng)。研究8種重金屬的變異系數(shù)大小順序?yàn)椋篐g>Cd>Pb>Zn>As>Cu>Ni>Cr。As、Cu、Ni和Cr變異系數(shù)相對較小，說明這4種元素受外界影響較小，空間分布差異小，反映As、Cu、Ni和Cr在不同地區(qū)畜禽養(yǎng)殖場污染程度的相似性或污染程度相對較輕；Hg、Cd和Pb變異系數(shù)較大，均>70%，說明這3種元素受外界干擾較大，在空間上的分布有較大差異。

2.3 畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤重金屬分布

內(nèi)蒙古自治區(qū)東部、中部和西部地區(qū)32個畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤重金屬質(zhì)量比不同。東部地區(qū)畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤中Cd、Hg、As、Pb和Ni質(zhì)量比最高，分別為背景值的2.87，1.12，1.29，1.94和1.18倍；中部地區(qū)畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤中Cu質(zhì)量比最高，為背景值的1.11倍；西部地區(qū)畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤中Cr和Zn質(zhì)量比最高，分別為背景值的1.13和1.14倍。

通過方差分析比較東部、中部和西部地區(qū)畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤重金屬元素的質(zhì)量比，分析結(jié)果表明Cd、Hg、As、Pb和Ni在不同畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤中的分布差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。內(nèi)蒙古自治區(qū)東部、中部和西部地區(qū)畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤重金屬質(zhì)量比見表5。

表5 內(nèi)蒙古自治區(qū)不同地區(qū)畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤重金屬質(zhì)量比①

2.4 畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤重金屬污染評價

采用單項(xiàng)污染指數(shù)法評價重金屬元素對內(nèi)蒙古自治區(qū)畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤的污染程度，結(jié)果顯示，不同重金屬元素污染程度大小順序?yàn)椋篊d>Pb>Cr(Ni) >Zn>Cu>As>Hg。內(nèi)蒙古東部、中部和西部地區(qū)畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤重金屬Cd為輕度污染(除東部地區(qū)中度污染外)；Pb為輕度污染；Cr和Zn呈輕度污染(除中部地區(qū)無污染外)；Cu和Ni呈輕度污染(除西部地區(qū)無污染外)；Hg和As無污染(除東部地區(qū)輕度污染外)。除 Hg和As外，Cd、Pb、Cr、Cu、Zn和Ni的Pi均>1.0，表明內(nèi)蒙古自治區(qū)畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤重金屬已發(fā)生累積現(xiàn)象。內(nèi)蒙古自治區(qū)畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤重金屬污染評價見表6。

表6 內(nèi)蒙古自治區(qū)畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤重金屬污染評價指數(shù)

內(nèi)蒙古東部、中部和西部地區(qū)畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤重金屬PN大小順序?yàn)椋簴|部地區(qū)(2.27)>西部地區(qū)(1.52)>中部地區(qū)(1.35)。東部地區(qū)畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤污染最嚴(yán)重，為中度污染，中部和西部地區(qū)畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤均為輕度污染。說明內(nèi)蒙古自治區(qū)東部、中部和西部地區(qū)畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤已受到了不同程度的重金屬污染，可能是畜禽養(yǎng)殖糞便或沖洗禽舍等污水排放不當(dāng)造成。

2.5 土壤重金屬的主成分分析

通過數(shù)據(jù)的降維處理對各種重金屬進(jìn)行主成分分析。內(nèi)蒙古自治區(qū)畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤主成分分析結(jié)果見表7。由表7可見，主成分1貢獻(xiàn)率為42.29%，說明該因子對土壤中重金屬具有決定性作用。Hg在主成分2中具有較高的因子載荷，主要來源于自然源，即來源于成土母質(zhì)。Pb、Cr、Cu、Zn和Ni在主成分1中具有較高載荷，是人為源輸入影響的結(jié)果，主要來源于畜禽糞便和沖洗禽舍等污水。

表7 土壤重金屬元素載荷量

3 討論

(1) 內(nèi)蒙古自治區(qū)32個畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤中除Hg和As外，其余6種重金屬的平均含量均超過內(nèi)蒙古土壤背景值(中位值)。這與金媛娟[7]研究較為一致：莆田市畜禽養(yǎng)殖場周邊農(nóng)田土壤8 種元素中，只有 As未富集，其他 7 種重金屬元素均存在不同程度的富集現(xiàn)象，其中 Cd、Cu、Zn 超背景值較高，富集較明顯。且不同重金屬在不同地區(qū)畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤中的累積程度也不同。Cd、Pb和Ni在東部地區(qū)畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤中具有較高的累積，Cu在中部地區(qū)畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤中具有較高的累積，Cr 和Zn在西部地區(qū)畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤中具有較高的累積。說明內(nèi)蒙古自治區(qū)畜禽養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展已造成了其周邊土壤中重金屬的累積，其中累積程度最高的是Cd，其次是Pb?？赡苁且?yàn)橥寥乐叙ね恋V物、有機(jī)質(zhì)等組分對Cd具有吸附固定能力，且多數(shù)土壤對Cd的吸附率可達(dá)到80%～95%[8]。雖然土壤中Cd 含量較高，但Cd 不進(jìn)入食物鏈，相對安全，這是因?yàn)橥寥赖V物對Cd 元素具有較強(qiáng)的固定與容納能力[9-10]。

(2)內(nèi)蒙古自治區(qū)東部、中部和西部地區(qū)畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤重金屬污染程度不同。東部地區(qū)畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤污染最嚴(yán)重，為中度污染，中部和西部地區(qū)畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤均為輕度污染?？赡芘c內(nèi)蒙古東部地區(qū)以森林土壤為主，中西部以草原土壤、荒漠土壤為主有關(guān)，森林土壤中Cd、Cr、Hg、Pb和Zn含量較草原土壤和荒漠土壤高[4]。另外東部地區(qū)土壤自然肥力較高，結(jié)構(gòu)和水分條件良好，易于耕作。農(nóng)田土壤中 Cd 含量高，與頻繁的耕作、家用機(jī)械的使用和化肥的大量施用有關(guān)。農(nóng)田常施用有機(jī)肥、過磷酸堿復(fù)合肥，磷肥是以磷礦為原料生產(chǎn)，原磷礦中所含的Cd 大部分或全部殘留在磷肥中[11]。Cd 隨著磷肥進(jìn)入土壤，由于 Cd 在土壤中運(yùn)動小，流失少，不會被微生物分解，加上長期施用增加了土壤中 Cd 的積累。

內(nèi)蒙古東部地區(qū)畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤污染較重，可能與東部地區(qū)土壤形成過程中鈣積化強(qiáng)烈，有機(jī)質(zhì)積累較多有關(guān)。土壤有機(jī)質(zhì)能與重金屬元素形成絡(luò)合物，影響各形態(tài)重金屬遷移轉(zhuǎn)化[12]。孫花等[13]探討了土壤有機(jī)質(zhì)與土壤重金屬積累及其有效性關(guān)系，分析得出我國部分沿海地區(qū)農(nóng)田土壤多種重金屬含量與土壤有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)。

(3)內(nèi)蒙古自治區(qū)畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤重金屬的主成分分析結(jié)果表明，不同畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤重金屬受人為活動的影響程度不同。Hg主要來源于自然源；而受人為活動影響最強(qiáng)的重金屬是Pb、Cr、Cu、Zn和Ni，主要來自飼料中重金屬的添加和畜禽糞便、沖洗禽舍等污水的不規(guī)范排放。有研究表明，畜禽糞便及飼料中含有重金屬Cr、Cu、Zn、As、Cd、Pb等，如果畜禽糞便等廢棄物處理不當(dāng)、堆放不規(guī)范，就可能造成土壤重金屬污染[14-18]。

4 結(jié)論

(1) 內(nèi)蒙古畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤 Cd、Pb、Cr、Cu、Zn和Ni 6種重金屬的平均值均高于內(nèi)蒙古自治區(qū)土壤背景值，其中Cd的含量是背景值的2.14倍。重金屬Cd在東部地區(qū)畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤中呈中度污染，在中部和西部地區(qū)畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤中呈輕度污染。不同重金屬元素平均污染程度為：Cd>Pb>Cr(Ni) >Zn>Cu>As>Hg。

(2) 內(nèi)蒙古東部地區(qū)畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤污染最嚴(yán)重，為中度污染，中部和西部地區(qū)畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤均為輕度污染。不同地區(qū)畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤重金屬PN大小順序?yàn)椋簴|部地區(qū)(2.27)>西部地區(qū)(1.52)>中部地區(qū)(1.35)。

(3) 內(nèi)蒙古不同地區(qū)畜禽養(yǎng)殖場周邊土壤不同重金屬的來源存在差異，其中Pb、Cr、Cu、Zn和Ni主要來源于畜禽糞便和沖洗禽舍等污水的不當(dāng)排放；Hg主要來源于自然源。