山東省生豬主產(chǎn)區(qū)土壤重金屬沉積存量研究

張建臣

（山東畜牧獸醫(yī)職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊261061）

山東省是我國生豬養(yǎng)殖的大省，生豬存欄量及豬類產(chǎn)品產(chǎn)出量位居全國前列，其中濰坊市生豬養(yǎng)殖過程中產(chǎn)出糞污量明顯超出其他地市區(qū)域產(chǎn)出量（表1），固態(tài)廢棄物經(jīng)腐熟過程不能降低重金屬存量，進(jìn)而嚴(yán)重造成種植區(qū)土壤重金屬沉積現(xiàn)象，間接危害自然生態(tài)環(huán)境和人類健康。自本世紀(jì)初，貴州省，黑龍江省，山東省等省市地區(qū)，針對(duì)工農(nóng)業(yè)廢棄物排放重金屬做調(diào)查，分析了土壤重金屬種類及沉積現(xiàn)狀，近84.6%以上的省市地區(qū)出現(xiàn)土壤重金屬超過國家歷史背景值，80.1%以上超過地方歷史背景值，調(diào)查地區(qū)一半上沉積量不符合《國家土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB15648—1995的要求；同時(shí)也進(jìn)行了土壤潛在風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估，50.2%地區(qū)土壤潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)處于中強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)?；谥跋嚓P(guān)研究的領(lǐng)域多集中在工業(yè)和交通等造成的土壤重金屬污染、領(lǐng)域內(nèi)研究主要是多年前的豬糞肥重金屬輸入量調(diào)查，不能代表現(xiàn)在土壤重金屬特點(diǎn)，本研究點(diǎn)將立足于山東生豬主產(chǎn)區(qū)濰坊市區(qū)域內(nèi)連續(xù)施用腐熟豬糞肥五年以上的土壤重金屬存量進(jìn)行測定及土壤潛在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，得出現(xiàn)在沉積存量和污染程度。通過本研究，經(jīng)過長期施用豬糞肥后的土壤重金屬類型、沉積存量和潛在風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，為農(nóng)業(yè)有針對(duì)性的選擇農(nóng)作物和相關(guān)科研研究提供數(shù)據(jù)支撐及技術(shù)幫助。

表1 山東省生豬主產(chǎn)區(qū)糞尿五年排放量均值（萬噸/年）

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)場地試驗(yàn)區(qū)域位于山東省濰坊市諸城市東茂才溝村（GPS定位在北緯35.7989和東經(jīng)119.4099，海拔68.33m），該場地占地403.1畝的蔬菜種植區(qū)，周圍無工廠和主要公路，場地?zé)o社會(huì)性污染滲侵（圖1）；用途為輪種玉米和短季蔬菜，自2013年起至今，肥料施用周邊豬場固態(tài)糞污，已連續(xù)施用7年。

圖1 試驗(yàn)場地環(huán)境

1.2土樣采集土樣采集方法采取梅花點(diǎn)式；場地中心點(diǎn)用GPS定位，中心點(diǎn)等角度輻射五個(gè)采樣點(diǎn)單位，采樣點(diǎn)距離場地邊界25～30m，確保不被周圍環(huán)境因素滲透污染，每個(gè)采樣單位內(nèi)隨機(jī)選擇5個(gè)采樣點(diǎn)，每先對(duì)采樣點(diǎn)挖深20～30cm左右的坑，每點(diǎn)采集在標(biāo)底基礎(chǔ)上深度5～25cm或坑側(cè)面土樣200～300g的土樣，去除肉眼可見根、雜草和石塊等雜質(zhì)，每5份混合（1000～1500g），標(biāo)簽記錄，登記取樣信息。

2 土壤重金屬指標(biāo)

2.1 土壤重金屬存量測定采取水侵提—點(diǎn)位方法測定Ph值（水:土=2.5:1.0）；重金屬測定方法采取硝酸—高氯酸—?dú)浞嵯夥ǎ跛峒兌葹閮?yōu)級(jí)，所用電阻率不小于10MΩ的去離子水，電感耦合等離子體譜儀（ICP—MS）測取Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、Hg土壤重金屬含量。樣土測定過程使用國家土壤標(biāo)物Gss-5對(duì)檢測質(zhì)量進(jìn)行保障。

2.2 土壤重金屬污染評(píng)估據(jù)國家對(duì)土壤質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為本試驗(yàn)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)（GB/T15618—1995），采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅（Nemerow）綜合污染指數(shù)法對(duì)土壤重金屬的污染評(píng)估，參照重金屬污染等級(jí)分別標(biāo)注（表2）。

表2 污染指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

計(jì)算方法：Pi=Ci/Sk PN=[（Pimax）2/2+（Pimean）2/2]-2

2.3 重金屬污染潛在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估（Hakanson）運(yùn)用評(píng)估土壤潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)濰坊市地區(qū)長期施用腐熟豬糞土壤重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；評(píng)估潛在風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)（參照表3）。計(jì)算方法：Eri=TriCfi=TriCsi/Cni RI=∑Eri

表3 土壤潛在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)

2.4 數(shù)據(jù)分析處理試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)經(jīng)過匯總和整理，采用Microsoft Excel2009對(duì)重金屬含量做統(tǒng)計(jì)及DPS2006做數(shù)據(jù)相關(guān)性分析，采用Arcgis對(duì)試驗(yàn)區(qū)域Nemrow污染指標(biāo)進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤重金屬存量樣土pH值范圍為7.02±0.02～6.81±0.14，屬中性范圍；試驗(yàn)區(qū)周邊無較大污染工業(yè)生產(chǎn)，本試驗(yàn)排除工業(yè)污染因素；在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)長期施用腐熟豬糞的土壤，由表4可見，Cu為26.32～31.25mg/kg；Zn為88.26～162.06mg/kg；Pb為11.04～22.15mg/kg；Cd為0.102～0.148mg/kg；Hg為8.15～15.22mg/kg；Cr為51.03～62.70mg/kg。離散系數(shù)16.97%～45.54%，為中等離散，系數(shù)差異不顯著，重金屬均屬施用糞便帶入。三酸消解法測定重金屬Pb、Hg、Cr和Cd均有檢出，Zn和Cu在土壤中殘留量較明顯超于其他4種重金屬，超山東土壤背景值，但未超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；Hg超山東土壤背景值，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)處于輕度危害程度。Pb，Cd和Cr有檢出，不超過山東土壤背景值，在國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)含量內(nèi)，Zn和Cu土壤生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)處于中度危害程度，Hg處于土壤生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為安全。土壤含量均值Zn＞Cu＞Cr＞Pb＞Hg＞Cd；其中Zn和Cu樣土超標(biāo)量達(dá)50.54%，其他有檢出，超標(biāo)量20.2%以下。

表4 試驗(yàn)區(qū)土壤重金屬含量（mg·kg-1）

3.2 土壤重金屬污染指數(shù)單因子污染指數(shù)法和Nemerow綜合污染指數(shù)法對(duì)土壤重金屬的污染評(píng)估結(jié)果，從表5可見，Zn和Cu分擔(dān)率分別為36.48%和21.05%，在土樣重金屬中出現(xiàn)率最高，Hg和Cd分擔(dān)率分別為8.91%和16.26%，土樣重金屬出現(xiàn)率居中，Pb和Cr分擔(dān)率分別為12.14%和5.16%，土樣重金屬出現(xiàn)率最低。PN由大到小為Zn＞Cu＞Hg＞Cd＞Pb＞Cr，幾種重金屬污染Zn和Cu土壤污染為3級(jí)，超過山東地區(qū)背景值，輕度污染，作物開始受到污染，開始危害人類健康；Hg和Cd土壤污染2級(jí)，警戒線，土壤尚清潔，對(duì)人類健康危害較小；Pb和Cr土壤污染為1級(jí)，安全，土壤清潔，對(duì)人類健康危害無。

表5 試驗(yàn)區(qū)土壤重金屬PN及分擔(dān)率（%）

3.3土壤環(huán)境潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估試驗(yàn)區(qū)土壤重金屬Cu、Hg、Pb、Zn、Cd和Cr環(huán) 境 潛 在 風(fēng) 險(xiǎn) 系 數(shù) 為26.09～84.27、15.64～36.12、4.75～15.18、40.62～90.01、4.75～15.18和7.24～12.60；系數(shù)均值為70.21、23.65、8.63、75.81、12.87和8.08。全部樣土中Hg、Pb、Cd和Cr潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，小于40，P綜≤1.0，RI小于150在土壤環(huán)境評(píng)估中為輕度生態(tài)危害程度，其中Hg取樣點(diǎn)污染占比率上出現(xiàn)3%中度污染，結(jié)合以上評(píng)估數(shù)據(jù)分析，可能是采用儀器在檢測中個(gè)別重金屬濃度較高，影響敏感度所致，將其低比例數(shù)據(jù)不作為明顯差異統(tǒng)計(jì)，排除誤差。Cu和Zn潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)均值40～80，綜合評(píng)估為環(huán)境污染中等程度，但樣土中最大值均超80的占比率分別為13%和11%，2.0＞P綜＞1.0，RI＜150在土壤環(huán)境評(píng)估中為中度生態(tài)危害程度。

表6 試驗(yàn)區(qū)土壤重金屬Eri及樣點(diǎn)占比率（%）

4 分析與結(jié)論

4.1 分 析《（2017年修訂版）飼料添加劑安全使用規(guī)范》和《（2017年修訂版）飼料和飼料添加劑管理?xiàng)l例》對(duì)含重金屬類添加劑使用規(guī)范和嚴(yán)格管理，在規(guī)范出臺(tái)之前，由于Zn、Cu、Hg、Cd、Pb和Cr等元素在豬生長發(fā)育中具有促進(jìn)作用，因此大部分相關(guān)企業(yè)添加現(xiàn)象十分普遍，呈現(xiàn)出用量不規(guī)范和投入化學(xué)形態(tài)多樣的問題；重金屬添加劑的濫用或超量添加，會(huì)在豬肝臟和腎臟等器官大量沉積，嚴(yán)重影響豬健康，通過施肥進(jìn)入土壤，經(jīng)食物鏈直接或間接影響人類健康。

2017年有研究表明，山東土壤重金屬輸入途徑主要是工業(yè)，交通，畜牧養(yǎng)殖和燃料焚燒等，同時(shí)土壤重金屬輸入量調(diào)查研究結(jié)果表明，畜禽養(yǎng)殖糞污輸入量占比在24.91%，其中豬糞輸入量占比達(dá)58.77%。而土壤重金屬存在性質(zhì)具有典型的實(shí)時(shí)性和區(qū)域性，為此本研究立足山東生豬主產(chǎn)區(qū)的一塊長期施用腐熟豬糞種植區(qū)土壤重金屬沉積量和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，該試驗(yàn)場地周邊無工業(yè)和交通等人為因素的污染（如圖1），因此土壤重金屬為豬糞肥污染；經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，土壤中的重金屬沉積現(xiàn)象依然存在，沉積存量與區(qū)域背景值對(duì)比，較2018年土壤Zn、Cu、Hg、Cd、Pb和Cr的存量都有不同程度的減少，其中土壤中Hg、Cd、Pb和Cr沉積存量呈顯著性減少，土壤環(huán)境潛在風(fēng)險(xiǎn)均處于低或無風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)人危害較小或無害；土壤中Zn和Cu的沉積存量較高，依然處于較高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，危害人類健康，這與政策出臺(tái)和逐年的農(nóng)作物重金屬的生物富集與生物轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)度極高，根據(jù)該區(qū)域土壤Zn和Cu的實(shí)際情況，針對(duì)性選擇對(duì)Zn和Cu生物富集率較高的作物種植（如菠菜、金針菜、小白菜和豆類等作物）。從研究角度看，以Zn、Cu、Hg、Cd、Pb和Cr土壤沉積特征為代表，可深入研究生豬養(yǎng)殖過程輸入土壤的重金屬類型及污染程度，定期進(jìn)行監(jiān)測土壤生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，建立山東省生豬產(chǎn)區(qū)土壤重金屬動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫。

4.2 結(jié) 論在山東種植區(qū)每年均采用豬腐熟糞肥施做，但在相關(guān)法規(guī)和規(guī)范的監(jiān)管下和養(yǎng)殖相關(guān)企業(yè)環(huán)境保護(hù)的意識(shí)的提升，由豬糞肥的輸入土壤的重金屬呈減少趨勢；Zn和Cu在豬生產(chǎn)中特殊存在意義，其土壤沉積存量和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)要引起重視，應(yīng)采取植物自然消解的方法進(jìn)行土壤修復(fù)。