基于農(nóng)田土壤重金屬污染風(fēng)險篩選值的畜禽糞污農(nóng)田承載力估算

楚天舒 王柄雄 高思程 成天一 楊增玲

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

我國是畜禽養(yǎng)殖大國，每年生產(chǎn)大量的肉蛋奶，以滿足人們營養(yǎng)需求，但在畜禽養(yǎng)殖過程中也產(chǎn)生大量的畜禽糞便。2015年畜禽糞便資源量估算約為31.584億t[1]，大量且集中的畜禽糞便對農(nóng)村生態(tài)環(huán)境造成巨大的壓力[2]。采用高效清潔的生產(chǎn)技術(shù)，如堆肥和沼氣等技術(shù)，將其轉(zhuǎn)化成有機肥料[3]，不僅能科學(xué)利用豐富的氮、磷、鉀養(yǎng)分[4]，而且能有效緩解農(nóng)村環(huán)境保護(hù)的壓力，已成為當(dāng)下的研究熱點[5-7]。并且，政府高度重視畜禽糞便資源化利用工作，隨著2017年國務(wù)院《關(guān)于加快推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用的意見》等一系列政策的發(fā)布，畜禽糞污資源化利用整縣推進(jìn)等項目也在緊張實施中。

在畜禽糞便資源化利用深入推廣實施中，畜禽糞便中含有重金屬的問題引起科研人員的關(guān)注。取樣測試發(fā)現(xiàn)，豬糞[8-11]、牛糞[12-13]、雞糞[14-16]等糞便中均含有一定量的重金屬。其中，以Cu和Zn污染為主[16-19]。對畜禽糞便中重金屬來源進(jìn)行追溯發(fā)現(xiàn)，其主要與飼料添加劑的使用有關(guān)[10,20-22]。若畜禽糞便有機肥長期大量施用，可能導(dǎo)至農(nóng)田土壤中重金屬的積累，繼而引發(fā)農(nóng)田土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)超標(biāo)，給土壤環(huán)境帶來污染風(fēng)險[23-25]。

但從我國現(xiàn)階段畜禽養(yǎng)殖生產(chǎn)水平看，短時間內(nèi)無法完全取代相關(guān)的飼料添加劑。因此，需要對重金屬在養(yǎng)殖業(yè)-種植業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中的流動進(jìn)行計算分析，即畜禽糞便中重金屬→畜禽糞便有機肥中重金屬→農(nóng)田土壤中重金屬。已有研究[23-25]也是秉承該思路，從正向分析，即先計算重金屬養(yǎng)分流動，進(jìn)而確定土壤環(huán)境風(fēng)險情況。本研究擬采用逆向分析方法，即根據(jù)農(nóng)田土壤重金屬本底值和污染風(fēng)險篩選值之間的差值，逆向計算出農(nóng)田土壤重金屬的靜態(tài)環(huán)境容量，即農(nóng)田土壤重金屬的可消納量；進(jìn)而根據(jù)農(nóng)田土壤重金屬平衡，倒推出每hm2農(nóng)田的畜禽糞便有機肥的可施用限值，也獲得不同畜禽種類的養(yǎng)殖量限值，以期為實現(xiàn)區(qū)域種養(yǎng)結(jié)合與農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究對象

黑龍江農(nóng)墾與新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)種植業(yè)生產(chǎn)水平高度發(fā)達(dá)，農(nóng)業(yè)機械化率均超過90%，基本上實現(xiàn)主要農(nóng)作物生產(chǎn)全程機械化，是我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的示范基地。在種植業(yè)方面，黑龍江農(nóng)墾和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)主要耕作制度為一年一季。2018年，黑龍江農(nóng)墾主要栽培作物為水稻、玉米和大豆，種植面積分別為155.79、70.86和54.59萬hm2，占總種植面積的53.85%、24.49%和18.87%。新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)主要栽培作物為棉花、小麥和玉米，種植面積分別為85.4、10.9和10.2萬hm2，占總種植面積的61.75%、7.88%和7.38%。養(yǎng)殖業(yè)方面，黑龍江農(nóng)墾奶牛、肉牛、生豬和家禽存欄量分別為11.8萬頭、6.8萬頭、70.5萬頭和938.3萬羽。新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)奶牛、肉牛、生豬和家禽存欄量分別為23.4萬頭、26.5萬頭、172.5萬頭和1 291.8萬羽?，F(xiàn)階段國家對養(yǎng)殖業(yè)環(huán)境保護(hù)問題高度重視，畜禽糞污資源化利用成為重中之重。合理配套可消納畜禽糞便有機肥的農(nóng)田，是養(yǎng)殖場生產(chǎn)的必備條件。黑龍江農(nóng)墾與新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)種植業(yè)生產(chǎn)水平高度發(fā)達(dá)，擁有大量農(nóng)田，農(nóng)機配套齊全，未來可實現(xiàn)有機肥機械化還田，養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

1.2 研究內(nèi)容

根據(jù)動物不同生長階段的營養(yǎng)需求，飼料添加劑被廣泛應(yīng)用在各個飼養(yǎng)階段，而部分飼料添加劑未經(jīng)動物消化吸收直接隨糞便排泄，導(dǎo)致畜禽糞便中含有一定量的重金屬[20]。后續(xù)畜禽糞便經(jīng)堆肥處理產(chǎn)生有機肥，重金屬也隨之進(jìn)入有機肥中。所以，為了使畜禽糞便有機肥在種植業(yè)上更好的應(yīng)用，需要評估其重金屬輸入對土壤環(huán)境的影響。

在種植業(yè)生產(chǎn)過程中，重金屬以施肥、大氣干濕沉降、灌溉等途徑向農(nóng)田土壤中輸入(圖1)，并以作物收獲等途徑輸出，輸入與輸出的差值引起農(nóng)田土壤重金屬的積累。而長時間的重金屬累積會增大農(nóng)田土壤環(huán)境污染風(fēng)險，對農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)和產(chǎn)量產(chǎn)生影響[26]。因此，調(diào)控種植業(yè)各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的重金屬輸入與輸出，有利于在較長時間內(nèi)保障農(nóng)產(chǎn)品與土壤生態(tài)環(huán)境安全。其中，畜禽糞便有機肥作為農(nóng)田土壤重金屬輸入主要來源之一，需根據(jù)畜禽糞便有機肥重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)與農(nóng)田土壤重金屬環(huán)境容量，優(yōu)化出有機肥施用限量。進(jìn)而可得到每hm2農(nóng)田不同畜禽種類的最大養(yǎng)殖量，以協(xié)調(diào)區(qū)域內(nèi)種養(yǎng)關(guān)系。

圖1 農(nóng)田土壤重金屬輸入途徑示意圖

基于對研究內(nèi)容的分析，給出具體研究步驟：首先，查閱農(nóng)田土壤污染風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)[27]，獲取農(nóng)田土壤重金屬污染風(fēng)險篩選值。進(jìn)而，參照土壤環(huán)境影響預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)方法[28]，將土壤重金屬背景值等區(qū)域農(nóng)田土壤參數(shù)帶入計算得到農(nóng)田土壤重金屬的靜態(tài)環(huán)境容量。再將靜態(tài)環(huán)境容量除以一定的時間段獲得農(nóng)田土壤重金屬的年平均靜態(tài)環(huán)境容量。進(jìn)而，將農(nóng)田土壤重金屬的年平均靜態(tài)環(huán)境容量等價于農(nóng)田土壤重金屬的預(yù)測最大增量(采用農(nóng)田土壤重金屬平衡計算，即重金屬輸入與輸出的差值)。其中，農(nóng)田土壤重金屬輸入主要有化肥、有機肥、大氣干濕沉降等途徑；重金屬輸出主要有農(nóng)作物籽粒與秸稈的途徑。將區(qū)域主要種植作物對應(yīng)的化肥、農(nóng)作物籽粒、秸稈和大氣干濕沉降等數(shù)值帶入，可以推導(dǎo)出有機肥重金屬的預(yù)測最大增量。最后，考慮有機肥主要是由畜禽糞便經(jīng)過好氧堆肥產(chǎn)生，由不同畜禽的產(chǎn)污系數(shù)、收集率等計算出不同畜禽的最大養(yǎng)殖量，詳見圖2?？紤]到相關(guān)數(shù)據(jù)的可獲得性，確定本研究的8種重金屬分別是Cd、Cr、As、Hg、Pb、Cu、Zn和Ni。

圖2 本研究思路簡圖

1.3 計算數(shù)據(jù)與過程

根據(jù)《化學(xué)物質(zhì)環(huán)境風(fēng)險評估技術(shù)方法框架性指南(試行)》[29]、HJ 964—2018《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 土壤環(huán)境(試行)》[28]、GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》[27]的技術(shù)指導(dǎo)資料，按照研究思路，建立計算模型，將黑龍江農(nóng)墾與新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)的農(nóng)田土壤數(shù)據(jù)、作物和肥料等的8種重金屬數(shù)據(jù)帶入計算。

1.3.1農(nóng)田土壤重金屬的年平均靜態(tài)環(huán)境容量

參考土壤環(huán)境影響預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)方法[28]和區(qū)域農(nóng)田土壤參數(shù)，農(nóng)田土壤重金屬的年平均靜態(tài)環(huán)境容量采用式(1)計算：

(1)

式中：ΔQ為農(nóng)田土壤重金屬的年平均靜態(tài)環(huán)境容量，mg/a；Rs為農(nóng)田土壤重金屬污染風(fēng)險篩選值，mg/kg，根據(jù)黑龍江農(nóng)墾與新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)的土壤pH[30]、主要種植制度與作物，查閱標(biāo)準(zhǔn)[27]獲??；Rb為農(nóng)田土壤重金屬本底值[31]，mg/kg；D為農(nóng)田耕層厚度[32-33]，m；S為單位農(nóng)田面積，1 hm2；ρb為農(nóng)田耕層土壤容重[34-35]，kg/m3；t為時間，本研究中將短期、中期和長期分別設(shè)定為20、50、100 a。

1.3.2畜禽糞便有機肥的重金屬預(yù)測最大增量

農(nóng)田土壤重金屬平衡，輸入途徑有化肥、有機肥、大氣干濕沉降、灌溉水等，輸出途徑有農(nóng)作物籽粒、秸稈等。首先，考慮到灌溉水?dāng)?shù)據(jù)的可獲得性和計算方法的可行性，灌溉水輸入途徑暫且不計。其次，根據(jù)長期農(nóng)場實地走訪調(diào)研成果和政策導(dǎo)向，農(nóng)場現(xiàn)主要推行農(nóng)作物秸稈還田，并不存在大量秸稈從農(nóng)田移走的情況。因此，秸稈輸出途徑也暫且不計。農(nóng)田土壤重金屬的輸入與輸出的差值作為農(nóng)田土壤重金屬的預(yù)測最大增量采用式(2)計算：

ΔQ=Qc+Qo+Qa-Qg

(2)

式中：Qc為化肥的重金屬輸入量，mg；Qo為畜禽糞便有機肥的重金屬預(yù)測最大增量，mg；Qa為大氣干濕沉降的重金屬輸入量，mg；Qg為作物籽粒的重金屬輸出量，mg。

根據(jù)各地主要的耕作制度和種植農(nóng)作物種類，化肥的重金屬輸入量采用式(3)計算：

Qc=(Nn×wN+Np×wP+Nk×wK)×S

(3)

式中：Nn為每hm2氮肥施用量(以N計)[36-37]，kg/hm2；wN為氮肥重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)[38]，mg/kg；Np為每hm2磷肥施用量(以P2O5計)[36-37]，kg/hm2；wP為磷肥重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)[39]，mg/kg；Nk為每hm2鉀肥施用量(以K2O計)[36-37]，kg/hm2；wK為鉀肥重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)[40]，mg/kg。

大氣干濕沉降的重金屬輸入量采用式(4)計算：

Qa=S×wa,h

(4)

式中：wa,h為大氣干濕沉降的重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)[41]，kg/hm2。

農(nóng)作物籽粒的重金屬輸出量采用式(5)計算：

Qg=Yg×S×Rg×wg,h

(5)

式中：Yg為農(nóng)作物單產(chǎn)，kg/hm2，考慮到數(shù)據(jù)代表性，遂取黑龍江農(nóng)墾與新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)主要作物籽粒的近5年單產(chǎn)求其平均值，單產(chǎn)數(shù)據(jù)來源于《黑龍江墾區(qū)統(tǒng)計年鑒》[42]、《新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)統(tǒng)計年鑒》[43]；Rg為作物籽粒的干物質(zhì)比例[44]，%；wg,h為作物籽粒中的重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)，數(shù)據(jù)來源于當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物籽粒重金屬測定的相關(guān)研究報道[45-47]，mg/kg。

1.3.3不同畜禽的最大養(yǎng)殖量

考慮有機肥主要是由畜禽糞便經(jīng)過好氧堆肥產(chǎn)生，由于好氧堆肥過程中重金屬主要發(fā)生形態(tài)變化[48]，暫不計算重金屬的物質(zhì)量損失。因此，畜禽糞便重金屬預(yù)測最大增量采用式(6)計算：

Qo=Qm

(6)

式中：Qm為畜禽糞便重金屬預(yù)測最大增量，mg。畜禽糞便的預(yù)測最大量采用式(7)計算：

Qm=Nm×wm

(7)

式中：Nm為畜禽糞便的預(yù)測最大量，kg；wm為畜禽糞便的重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg/kg。分析得到豬糞[11,12,16-18,23,25,49-70]、牛糞[12,16-18,23,25,51-53,55-59,62-63,65,67,69-71]和雞糞[12,16-18,50-59,62-63,65,69-73]的重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍?？紤]到養(yǎng)殖水平等因素影響，本研究暫選其算數(shù)平均值作為不同畜禽糞便的重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)(表1)。

表1 畜禽糞便中重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

根據(jù)NY/T 3442—2019《畜禽糞便堆肥技術(shù)規(guī)范》[74]中質(zhì)量要求對畜禽糞便重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)(表1)進(jìn)行初步判斷可知，豬糞中As存在超標(biāo)情況，并且Cu和Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)極其高。3種重金屬元素主要來源于飼料添加劑。因此，在畜禽糞便資源化利用過程中，需要重點關(guān)注As、Cu和Zn。

考慮到畜禽糞便收集與利用現(xiàn)狀，采用畜禽糞便收集率等參數(shù)計算出不同畜禽的預(yù)測最大養(yǎng)殖量，具體計算式為：

Nm=nmη(1-w)

(8)

式中：n為畜禽的預(yù)測最大養(yǎng)殖量，頭或羽；m為畜禽整個飼養(yǎng)周期的糞便排泄量[75]，kg/頭或kg/羽；η為畜禽糞便收集率[75-76]，%；w為畜禽糞便含水率[70,77]，%。

2 結(jié)果與分析

2.1 黑龍江農(nóng)墾畜禽糞污農(nóng)田承載力估算

2.1.1以水稻為種植作物計算

采用式(1)～(8)計算獲得黑龍江農(nóng)墾水稻種植情況下不同畜禽的最大養(yǎng)殖量(圖3)。從重金屬元素種類分析，Cd是奶牛、肉牛、蛋雞和肉雞糞便有機肥施用量的限制性元素；Cu和Zn是生豬糞便有機肥施用量的限制性元素。因此，以Cd、Cu和Zn為限值，奶牛、肉牛、蛋雞、肉雞和生豬的最大養(yǎng)殖量分別為：短期條件下，23頭、42頭、3 911羽、12 200羽和217頭；中期條件下，8頭、14頭、1 345羽、4 196羽和82頭；長期條件下，3頭、5頭、489羽、1 528羽和37頭。

圖3 黑龍江農(nóng)墾水稻種植情況下畜禽最大養(yǎng)殖量(n)預(yù)測結(jié)果

2.1.2以玉米為種植作物計算

采用式(1)～(8)計算獲得黑龍江農(nóng)墾玉米種植情況下不同畜禽的最大養(yǎng)殖量(圖4)。從重金屬元素種類分析，Cd是奶牛、肉牛、蛋雞和肉雞糞便有機肥施用量的限制性元素；Cu和Zn是生豬糞便有機肥施用量的限制性元素。因此，以Cd、Cu和Zn為限值，奶牛、肉牛、蛋雞、肉雞和生豬的最大養(yǎng)殖量分別為：短期條件下，15頭、26頭、2 437羽、7 602羽和117頭；中期條件下，4頭、8頭、753羽、2 349羽和45頭；長期條件下，1頭、2頭、191羽、597羽和21頭。

圖4 黑龍江農(nóng)墾玉米種植情況下畜禽最大養(yǎng)殖量(n)預(yù)測結(jié)果

2.1.3以大豆為種植作物計算

采用式(1)～(8)計算獲得黑龍江農(nóng)墾大豆種植情況下不同畜禽的最大養(yǎng)殖量(圖5)。從重金屬元素種類分析，Cd是奶牛、肉牛、蛋雞和肉雞糞便有機肥施用量的限制性元素；Cu和Zn是生豬糞便有機肥施用量的限制性元素。因此，以Cd、Cu和Zn為限值，奶牛、肉牛、蛋雞、肉雞和生豬的最大養(yǎng)殖量分別為：短期條件下，15頭、26頭、2 429羽、7 578羽和117頭；中期條件下，4頭、8頭、745羽、2 324羽和45頭；長期條件下，1頭、2頭、183羽、573羽和21頭。

圖5 黑龍江農(nóng)墾大豆種植情況下畜禽最大養(yǎng)殖量(n)預(yù)測結(jié)果

黑龍江農(nóng)墾水稻種植情況下的畜禽糞污農(nóng)田承載力均高于玉米和大豆。究其原因，由于水稻種植過程中磷肥施用量約為玉米和大豆的一半，導(dǎo)至由磷肥引入的Cd量也約為玉米和大豆的一半。因此，以Cd為限值，計算出的畜禽糞污農(nóng)田承載力高于玉米和大豆。

為便于研究成果的推廣與應(yīng)用，本研究將黑龍江農(nóng)墾3種作物種植情況下畜禽糞污農(nóng)田承載力研究結(jié)果轉(zhuǎn)化為豬當(dāng)量，即在水稻、玉米和大豆種植情況下，每hm2農(nóng)田可承載的豬當(dāng)量分別為37、21、21頭。水稻種植情況下的豬當(dāng)量折算規(guī)則：100頭豬相當(dāng)于8頭奶?；?3頭肉牛或1 321羽蛋雞或 4 129 羽肉雞。玉米和大豆種植情況下的豬當(dāng)量折算規(guī)則：100頭豬相當(dāng)于4頭奶?；?頭肉?；?09羽蛋雞或2 842羽肉雞。

2.2 新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)畜禽糞污農(nóng)田承載力估算

2.2.1以棉花為種植作物計算

采用式(1)～(8)計算獲得新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)棉花種植情況下不同畜禽的最大養(yǎng)殖量(圖6)。從重金屬元素種類分析，Cd是奶牛、肉牛、蛋雞和肉雞糞便有機肥施用量的限制性元素；Cu和Zn是生豬糞便有機肥施用量的限制性元素。因此，以Cd、Cu和Zn為限制元素，奶牛、肉牛、蛋雞、肉雞和生豬的最大養(yǎng)殖量分別為：短期條件下，74頭、86頭、6 972羽、21 749羽和3 473頭；中期條件下，27頭、31頭、2 545羽、7 941 羽和136頭；長期條件下，11頭、13頭、1 070羽、3 339羽和66頭。

圖6 新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)棉花種植情況下畜禽最大養(yǎng)殖量(n)預(yù)測結(jié)果

2.2.2以小麥為種植作物計算

采用式(1)～式(8)計算獲得新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)小麥種植情況下不同畜禽的最大養(yǎng)殖量(圖7)。從重金屬元素種類分析，Cd是奶牛、肉牛、蛋雞和肉雞糞便有機肥施用量的限制性元素；Cu和Zn是生豬糞便有機肥施用量的限制性元素。因此，以Cd、Cu和Zn為限制元素，奶牛、肉牛、蛋雞、肉雞和生豬的最大養(yǎng)殖量分別為：短期條件下，74頭、86頭、6 986羽、21 791羽和348頭；中期條件下，27頭、31頭、2 559羽、7 984 羽和137頭；長期條件下，11頭、13頭、1 084羽、3 382羽和67頭。

圖7 新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)小麥種植情況下畜禽最大養(yǎng)殖量(n)預(yù)測結(jié)果

2.2.3以玉米為種植作物計算

采用式(1)～(8)計算獲得新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)玉米種植情況下不同畜禽的最大養(yǎng)殖量(圖8)。從重金屬元素種類分析，Cd是奶牛、肉牛、蛋雞和肉雞糞便有機肥施用量的限制性元素；Cu和Zn是生豬糞便有機肥施用量的限制性元素。因此，以Cd、Cu和Zn為限制元素，奶牛、肉牛、蛋雞、肉雞和生豬的最大養(yǎng)殖量分別為：短期條件下，74頭、86頭、6 978羽、21 769羽和349頭；中期條件下，27頭、31頭、2 552羽、7 962 羽和138頭；長期條件下，11頭、13頭、1 077羽、3 359羽和68頭。

圖8 新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)玉米種植情況下畜禽最大養(yǎng)殖量(n)預(yù)測結(jié)果

新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)棉花、小麥和玉米種植情況下的畜禽糞污農(nóng)田承載力相近。究其原因，3種作物種植過程中磷肥施用量相當(dāng)，由磷肥引入的Cd量也相當(dāng)。因此，以Cd為限制元素，計算出的畜禽糞污農(nóng)田承載力相近。

為便于研究成果的推廣與應(yīng)用，本研究將新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)3種作物種植情況下畜禽糞污農(nóng)田承載力研究結(jié)果轉(zhuǎn)化為豬當(dāng)量，即在棉花、小麥和玉米種植情況下，每hm2農(nóng)田可承載的豬當(dāng)量均為67頭，豬當(dāng)量折算規(guī)則：100頭豬相當(dāng)于16頭奶牛或19頭肉?；? 617羽蛋雞或5 047羽肉雞。

將黑龍江農(nóng)墾與新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)的研究結(jié)果進(jìn)行橫向比較分析可知，新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)畜禽糞污農(nóng)田承載力遠(yuǎn)高于黑龍江農(nóng)墾。究其根本原因，黑龍江農(nóng)墾土壤Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.109 mg/kg)低于新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)(0.169 mg/kg)，但黑龍江農(nóng)墾農(nóng)田土壤pH(6.0)低于新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)(7.9)，導(dǎo)至新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)的Cd風(fēng)險篩選值(0.6 mg/kg)遠(yuǎn)高于黑龍江農(nóng)墾(0.3 mg/kg)。在最終計算結(jié)果中，新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)畜禽糞污農(nóng)田承載力高于黑龍江農(nóng)墾。由此可見，農(nóng)田土壤偏酸性不利于農(nóng)田土壤重金屬污染防控。

3 討 論

本研究分析了重金屬在養(yǎng)殖業(yè)-種植業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中流動過程，建立基于農(nóng)田土壤重金屬污染風(fēng)險篩選值的畜禽糞污農(nóng)田承載力估算模型，以黑龍江農(nóng)墾和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)的養(yǎng)殖業(yè)-種植業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)為研究對象，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)Cd、Cu和Zn是畜禽糞便有機肥利用過程中重點防控的重金屬元素。因此，本研究對這3種元素進(jìn)行進(jìn)一步討論與分析。

3.1 農(nóng)田土壤酸化與土壤Cd風(fēng)險防控

結(jié)合橫向比較分析結(jié)果和實地調(diào)研成果發(fā)現(xiàn)，黑龍江農(nóng)墾和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)在大田作物種植過程中，大量施用化肥，有機肥施用量相對較少，土壤pH存在一定的下降趨勢。氮肥過量施用會造成土壤的酸化[78]，并且，農(nóng)田土壤酸化會使土壤中重金屬活性增強和植物對重金屬的吸收量增加[79]。研究表明，當(dāng)土壤pH每下降1個單位，土壤中Cd的活性增加100倍[78]。而且，Cd具有較高的向農(nóng)產(chǎn)品遷移的風(fēng)險與生物毒害性[80]。由黑龍江農(nóng)墾3種作物種植情況下畜禽最大養(yǎng)殖量預(yù)測結(jié)果(圖3～圖5)可知，水稻種植情況下以Cd計算的農(nóng)田土壤每hm2畜禽承載量高于玉米和大豆。其主要原因是水稻施用磷肥的量低于玉米和大豆，而磷肥中Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對較高[81]。因此，為了保障農(nóng)產(chǎn)品安全與土壤健康，增大畜禽糞污農(nóng)田承載力，建議黑龍江農(nóng)墾和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)增大有機肥施用量，減緩?fù)寥浪峄俾剩⒖刂妻r(nóng)田土壤Cd的各種輸入途徑，尤其是磷肥輸入途徑，選用優(yōu)質(zhì)磷肥。

3.2 土壤Cu和Zn風(fēng)險防控

從本研究結(jié)果(圖3～圖8)可知，農(nóng)田土壤Cu和Zn的環(huán)境容量相對有限。究其根本原因，生豬養(yǎng)殖過程中富含Cu和Zn的飼料添加劑大量使用，導(dǎo)至畜禽糞便中Cu和Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)高(表1)，最終致使畜禽糞便有機肥施用量受到限制，這也與袁凱等[82]的研究結(jié)果相一致。因此，對于飼料企業(yè)，建議科研機構(gòu)與飼料企業(yè)加快新型螯合物等替代產(chǎn)品的研發(fā)，從源頭上減少Cu和Zn進(jìn)入養(yǎng)殖業(yè)—種植業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)。對于養(yǎng)殖企業(yè)，建議相關(guān)養(yǎng)殖企業(yè)科學(xué)高效地使用含Cu和Zn的飼料添加劑，合理控制其添加量。在政府管理層面，建議黑龍江農(nóng)墾與新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)在畜禽糞便有機肥施用前，對有機肥中Cu和Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行快速檢測，并結(jié)合各自實際畜禽養(yǎng)殖生產(chǎn)現(xiàn)狀與農(nóng)田土壤重金屬本底值，建立地方標(biāo)準(zhǔn)控制畜禽糞便有機肥中Cu和Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，從而控制Cu和Zn在土壤中的累積，確保有機肥安全施用。

此外，研究發(fā)現(xiàn)，重金屬形態(tài)與其生物有效性密切相關(guān)[12]，因此，在好氧堆肥過程中，建議采取適量添加鈍化劑等措施，降低畜禽糞便有機肥中重金屬的生物有效性，尤其針對Cd、Cu和Zn，保障有機肥安全施用，有助于增大畜禽糞污農(nóng)田承載力。

本研究中來源于黑龍江農(nóng)墾和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)的畜禽糞便重金屬相關(guān)數(shù)據(jù)相對較少，在未來客觀條件允許情況下，本研究團(tuán)隊將隨即采取代表性樣品進(jìn)行數(shù)據(jù)補充。

4 結(jié) 論

本研究構(gòu)建了基于農(nóng)田土壤重金屬污染風(fēng)險篩選值的畜禽糞污農(nóng)田承載力估算模型，將黑龍江農(nóng)墾與新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)相關(guān)數(shù)據(jù)帶入進(jìn)行計算，選取農(nóng)田土壤重金屬污染風(fēng)險篩選值為限值，計算獲得其畜禽糞污農(nóng)田承載力，得到以下結(jié)論：

1)在水稻、玉米和大豆種植情況下，黑龍江農(nóng)墾每hm2農(nóng)田可承載的豬當(dāng)量分別為37、21和21頭。在棉花、小麥和玉米種植情況下，新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)每hm2農(nóng)田可承載的豬當(dāng)量均為67 頭。

2)在畜禽糞便有機肥施用過程中，黑龍江農(nóng)墾和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)田土壤重金屬污染風(fēng)險防控應(yīng)以Cd、Cu和Zn為主。

建議未來注重防控農(nóng)田土壤酸化和以磷肥途徑的Cd輸入，并根據(jù)各自實際畜禽養(yǎng)殖生產(chǎn)現(xiàn)狀與農(nóng)田土壤重金屬本底值，建立地方標(biāo)準(zhǔn)以控制畜禽糞便有機肥中Cu和Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)。