北京畜禽粪肥中重金属的污染风险评价

范珊珊 刘继远 谭晓东 季卫 高飞 李昌伟 何威明

摘 要：随着畜牧业集约化和规模化的发展，畜禽粪便产生量不断增加，畜禽粪肥还田利用率不断提高，但畜禽粪肥重金属污染问题日益突出。为防控畜禽粪肥的环境污染、促进养殖业废弃物安全利用和有机农产品的生产，以2012—2019年抽检的畜禽粪肥样品为主要研究对象，通过了解北京市畜禽粪肥中的Hg、As、Pb、Cr和Cd重金属含量情况，采用内梅罗综合污染指数评价法和Hakanson生态风险指数法评价其污染程度和潜在生态风险程度。结果表明，各类畜禽粪肥重金属的平均含量均在《畜禽粪便堆肥技术规范》的限量范围内，整体超标率较低;重金属综合污染指数均在安全范围内，农用还田利用不会引起严重重金属污染，但仍存在一定的潜在生态危害，尤其以羊粪中的Cd和农家堆肥中的Hg、Cd最为严重，达到强或很强生态风险污染程度。在今后畜禽粪肥的堆肥和无害化处理中，应加强管理，严防生态污染。

关键词：畜禽粪肥;重金属;风险评价

中图分类号 S141 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2021）24-0080-05

Risk Assessment of Heavy Metal Pollution from Livestock and Poultry Manure Fertilizer in Beijing

FAN Shanshan et al.

（Beijing Soil Fertilizer Extension Service Station， Beijing 100029， China）

Abstract： With the development of animal husbandry intensification and large-scale， the livestock manure output and promotion is increasing， and heavy metal pollution from livestock and poultry manure is increasingly prominent. To prevent and control environmental pollution from livestock and poultry manure， promote the safe use of livestock waste and the development of organic food， the article was studied with nine kinds of manure samples from 2011 to 2019 as the experimental material. The content of the Hg、As、Pb、Cr and Cd were analyzed， the degree of pollution was evaluated by the Nemerow comprehensive pollution indexes and the the potential ecological risk was evaluated by adopting Hakanson ecological risk index. The results show that the content of all the kinds of livestock and poultry manure are under the scope of the Technical specification for animal manure composting， and the exceeding rate is relatively low. The comprehensive pollution index was clean and safe level， using to the farm does not cause serious heavy metal pollution problems. But there are certain ecological risks， especially the Hg and Cd in sheep and farm compost are the moderate or strong ecological risk. The management should be strengthened and ecological pollution should be strictly controlled in the composting and harmless treatment of livestock manure in the future.

Key words： Livestock and poultry manure fertilizer; Heavy metals; Risk assessment

近年來，我国养殖方式从家庭散养向规模化养殖迅速转变，畜牧业养殖区、养殖大户的建设逐渐增多，规模化、集约化程度不断提高，养殖量快速增长[1]。与此同时，伴随产物畜禽粪便排放量也在不断增加，到2016年将达到3.8×109t，但畜禽粪便资源化利用率不高，仅60%[2]，由此产生了农业面源污染等一系列环境污染问题。畜禽粪便农用是比较常见的处理方式，2017年农业农村部制定《畜禽粪污资源化利用行动方案（2017—2020年）》，全面推进畜禽养殖废弃物资源化利用，促进畜禽粪污还田利用[3]。然而，粪便的还田施用会造成潜在的环境污染问题，其中尤以重金属污染为主要问题[4]，重金属通过还田被引入农田，经农作物吸收等途径最终进入人体，威胁人类健康。

畜禽粪便中的重金属引起了公众对畜禽粪便农用造成土壤和农产品安全潜在风险的担忧[5-7]。为此，本研究对北京市2012—2019年连续8年检测的畜禽粪肥中重金属含量情况进行了统计分析，通过内梅罗综合污染指数评价法和Hakanson生态风险指数法评价其污染程度和潜在生态风险程度，以期为畜禽粪肥还田利用，规范有机肥料生产和使用以及制定肥料标准提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 样品采集 供试样品来源于2012—2019年北京市肥料登记抽检的980个畜禽粪肥样品，涉及房山、大兴、顺义、通州、昌平、密云、延庆、怀柔等多个区县，采样按肥料采集方法统一采集与处理。

1.2 样品重金属测定方法 样品重金属含量参照NY/T 1978-2010[8-9]标准进行处理，将样品风干后过2mm筛，置于样品袋中干燥保存。样品经过盐酸-硝酸消煮后，用原子吸收分光光度法分析测定Cd、Pb、Cr，采用原子荧光分光光度法测定As、Hg的含量。

1.3 数据处理 采用Microsoft Excel 2010统计软件进行数据分析。

1.4 评价方法

1.4.1 单因子污染指数法 单因子评价法[10-12]，是指对一种重金属污染进行评价，然后通过污染指数的大小评价各种污染物的主次，以污染指数的大小来表示污染程度。单因子指数法能比较好地评价出肥料中重金属的污染程度。单因子污染指数计算公式为：

Pi=[CiSi]

式中，Pi为第i种重金属的质量分数（单因子污染指数），Ci为第i种重金属含量的均值（mg·kg-1），Si为第i种重金属限量标准（mg·kg-1），Pi值越大重金属污染越严重。单因子污染指数法评价标准见表1。

1.4.2 内梅罗指数评价法 内梅罗指数法可以全面、整体地反映肥料中重金属的污染程度，所以把单因子污染指数通过一定的方法综合起来利用，然后对多种重金属污染进行评价分析，即应用综合污染指数法评价。重金属元素综合污染评价采用兼顾单元素污染指数平均值和最大值的内梅罗综合污染指数法[12-14]。其计算公式如下：

P综=[（Pl）2+（Pimax）22]

[Pl=1ni=1nPi]

式中，P综为內梅罗综合污染指数;Pi为某种重金属单因子污染指数;Pimax为5重金属单因子污染指数的最大值。综合污染指数法不仅考虑了各种污染物的平均污染状况，而且考虑了污染程度最严重的污染物的权重，能够较全面地反映出重金属污染的真实状况。内梅罗综合污染指数法评价标准见表2。

1.4.3 潜在生态风险评价 采用Hakanson潜在生态风险指数（RI）[15-18]对畜禽粪便农用的重金属潜在生态风险进行评价，是一种既可以了解单个重金属对土壤的生态风险，又可以综合的了解重金属对土壤生态风险的评价方法。计算公式如下：

RI=[Eir];

[Eir=][Tir×Cif];

[Cif=][CiD/Cin]

式中：[Eir]为重金属i的潜在生态风险系数，[Tir]为重金属i的毒性响应因子（Pb、Cd、Cr、As、Hg分别为5、30、2、10、40）[15]，[Cif]为重金属i的污染系数，[CiD]为重金属i的测定值，[Cin]为当地重金属i的背景值见表3[19-21]，RI为综合潜在生态风险指数。潜在生态风险危害评价指标见表4。

2 结果与分析

2.1 畜禽粪肥中的重金属含量 从重金属含量情况可以看出（表5），在5种重金属元素中，影响畜禽粪肥品质的最主要元素是Cr，其平均含量均高于其他元素，其次是Pb，Hg和Cd的平均含量最低，不超过0.8mg·kg-1。重金属元素在不同种类的畜禽粪肥中含量也各有差异，As在猪粪中含量高于其他粪肥，Cr在鸡粪中含量高于其他粪肥，这与贾武霞等的研究结果相同[22]，Pb在沼渣沼液中含量高于其他粪肥，Cd在农家堆肥中高于其他粪肥。

以往我国对畜禽粪便堆肥的重金属无害化标准采用的是GB 4284-2018《农用污泥中污染物控制标准》[23]，标准规定Cd、Hg、Pb、Cr、As总含量的最大极限值分别为3、3、300、500、30mg kg-1，2019年农业农村部发布的《畜禽粪便堆肥技术规范》NY/T3442-2019[24]，规定堆肥产物质量要求As、Hg、Pb、Cd、Cr，为15、2、50、3、150mg·kg-1，这个规定比以往的标准对重金属含量要求更严格，更规范，因此本文采用《畜禽粪便堆肥技术规范》进行比较。结果显示（表5），羊粪、其他粪肥和沼渣沼液重金属未超标，鸭粪和农家堆肥仅有1种元素超标，鸡粪和猪粪超标元素最多。从不同重金属元素超标情况看，Cd未超标，Pb超标率较低，As超标率最高，以猪粪中的As超标最为严重。畜禽粪便中的重金属含量与饲料中的添加剂及防病虫害的微量元素有关，企业为了利益最大化，加大了使用剂量，这些元素在体内消化吸收低，大都随粪便排出，造成畜禽粪便重金属含量超标[25-26]。

2.2 污染评价

2.2.1 污染指数评价 从表6可以看出，5种重金属的单因子污染指数Pi值均小于等于0.6，全部为清洁等级，除鸡粪和农家堆肥外，As元素的Pi值高于其他重金属的Pi值，其中猪粪中的As最高，为0.52;鸡粪中Cr的Pi最高，农家堆肥中Cd的Pi最高。从综合污染指数来看，所有种类的畜禽粪肥重金属污染等级均为安全等级，分别为0.35、0.39、0.23、0.29、0.27、0.33、0.26、0.24、0.16，猪粪的污染程度最高，其次是猪粪。因此，今后生产有机肥产品时应注重As的污染性，同时还应加强猪粪还田应用时的污染防控。

2.2.2 潜在生态风险评价 根据潜在生态风险指数（表7），Pb、Cr、As污染水平均为轻微生态风险;Cd为中等生态风险以上，在羊粪中为强生态风险，风险指数达100.8，在农家堆肥中为很强生态风险，风险指数高达201.7;Hg在农家堆肥中为强生态风险，风险指数达100.0，在鸡粪、猪粪、牛粪和羊粪中为中等生态风险，风险指数为50.0，在其他种类粪肥中为轻微生态风险。综合潜在生态风险评价结果表明，羊粪农用为中等生态危害，农家堆肥农用为强生态危害，而其他种类粪肥均为轻微生态危害。因此，在今后粪肥还田利用中，应加强土壤中Cd和Hg的生态风险防控。

3 讨论与结论

根据2017年北京市统计数据，畜禽养殖出栏量如下：猪112.2万头、牛12.8万头、羊35.2万只，家禽1382.4万只，共占全国畜禽养殖出栏量的0.23%[27]。北京虽不是畜牧业发达的省市，但畜禽粪便带来的重金属污染不可避免，因此，对畜禽粪便农用带来的重金属污染进行风险预警十分必要。另一方面，畜禽粪便是生产商品有机肥料的主要原料，畜禽粪便中重金属含量增加，商品有机肥的质量也会受到影响，重金属通过粪肥直接还田或者商品有机肥应用被引入农田[28]。由于重金属元素不能被土壤中的微生物降解，它们将长期滞留在土壤中，如果大量施用，超过土壤的承受能力，便会产生毒害，影响土壤健康功能，从而带来生态环境风险。

本研究结果表明，不同类型畜禽粪肥中重金属含量各不相同，北京市畜禽粪肥中重金属的平均含量均在《畜禽粪便堆肥技术规范》限量范围内，但仍有部分样品存在超标现象，Cd无超标情况，As超标率最高，其中以猪粪中的As超标最为严重;内梅洛综合污染指数均为安全等级，畜禽粪肥重金属污染程度较低;但农用还田时存在一定的潜在生态危害，其中Cd、Hg潜在生态危害较大，尤其以羊粪中的Cd和农家堆肥中的Hg、Cd最为严重，综合评价指数达到强或很强生态风险污染程度。因此，使用畜禽粪肥还田不致引起严重重金属污染问题，但应加强对畜禽粪肥的无害化处理和监管，严防生态风险。

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（责编：张宏民）