吉林省畜禽粪便还田后耕地土壤重金属污染研究.pdf

中国饲料2023 年第 17 期畜牧与环境基金项目院中央引导地方科技发展资金吉林省基础研究专项渊202002023JC冤曰国家自然科学基金项目渊52000154冤作者简介院梁馨月渊1998-冤袁女袁硕士袁主要从事资源利用与植物保研究袁E-mail院*通讯作者院金明姬渊1977-冤袁女袁教授袁研究生导师袁主要从事环境科学研究袁E-mail院吉林省畜禽粪便还田后耕地土壤重金属污染研究梁馨月1袁 张颖1袁 金明姬2*袁 赵春子2袁 朴文华2渊1.延边大学农学院袁吉林延吉 133002曰2.延边大学地理与海洋科学学院袁吉林延吉 133002冤DOI院10.15906/11-2975/s.2022100040-07摘要 随着畜禽粪便还田利用政策的相继出台袁畜禽粪便中越来越多的重金属排放到耕地中袁对耕地重金属污染埋下了隐患遥 为此袁本文以吉林省为研究区袁分析了吉林省畜禽粪便重金属排放量及耕地负荷袁评估了畜禽粪便还田后的耕地重金属潜在生态风险遥 结果表明院2011要2020 年吉林省畜禽粪便中 Zn 与 Cu 排放量最多袁而 Hg 排放量最少曰2020 年长春市畜禽粪便重金属排放量最多袁白山市最少曰猪粪为 2020 年吉林省畜禽粪便重金属排放主要污染源遥 2020 年吉林市重金属耕地负荷最高袁白城市最低曰吉林省 Cd 耕地负荷大于全国平均值 6.23 倍袁吉林省应对 Cd污染引起警戒遥2020 年吉林省单项潜在生态风险指数中 Hg 风险指数最高袁属中等生态危害袁为吉林省畜禽粪便还田后的主要风险因子袁应加强 Hg 的管控曰全省 RI 值为 108.90袁处于轻微生态危害水平袁但随畜禽粪便的持续还田袁重金属将在耕地中不断累积袁故畜禽粪便还田过程中袁耕地的重金属污染问题应得到相应的重视遥关键词 畜禽粪便曰重金属曰还田曰重金属耕地负荷曰潜在生态风险中图分类号 S811.5文献标识码 A文章编号 1004-3314渊2023冤17-0158-07随我国规模化养殖业的不断发展袁 畜禽粪便产生量也不断增多袁 而大部分畜禽粪便仍未得到有效处理及利用对环境造成巨大威胁渊吴玉高等袁2021冤遥 2020 年我国农业农村部关于进一步明确畜禽粪污还田利用要求强化养殖污染监管的通知袁建议加快推进各省畜禽粪污还田利用遥而现阶段袁因我国饲料行业还未对饲料中的铜尧锌等重金属作出相关限制标准袁导致饲料中重金属过量渊吴玉高等袁2021曰穆虹宇等袁2020曰王飞等袁2015冤遥 饲料中的重金属大部分又随畜禽粪便排出袁 使畜禽粪便中含有大量重金属渊Chen 等袁2021冤袁这对畜禽粪便还田后的土壤重金属污染埋下隐患 渊王国兰等袁2022曰吴玉兰等袁2021冤遥因此袁有关畜禽粪便还田后的重金属污染问题也成为我国众多学者关注的焦点渊Qian 等袁2016曰E Belon 等袁2012冤遥 吉林省作为农业畜牧大省袁 畜禽粪便还田后的农田重金属污染隐患也是吉林省高度关注的焦点 渊黄鑫等袁2022曰吴佩蓉等袁2020冤遥鉴于此袁本文以吉林省为研究区袁 拟系统了解畜禽粪便中不同重金属排放量袁评估畜禽粪便还田后可对耕地造成的隐患袁为后续吉林省实行农牧循环发展提供相关依据遥1材料与方法1.1数据来源据调查袁吉林省主要的畜禽种类有猪尧牛尧羊及家禽等袁故本文结合吉林省畜禽养殖业发展现状袁 着重分析了上述 4 种畜禽粪便的重金属污染问题遥 2011要2020 年吉林省畜禽养殖基本数据及耕地面积均取自 2012要2021 年吉林省统计年鉴遥1.2计算方法1.2.1畜禽粪便排放量畜禽种类不同袁 其畜禽体重及生理状态不同袁 故不同畜禽种类饲养周期158中国饲料2023 年第 17 期等级玉吁320臆irEirE 40RI150irERI轻微生态危害极强生态危害污染程度域40臆irE 80150臆RI300中等生态危害芋80臆irE 160300臆RI600强生态危害郁160臆irE 320600臆RI很强生态危害畜禽种类羊家禽饲养周期/d36555粪便排泄系数/渊kg/头 窑 d冤2.160.13牛36525.33猪1993.34猪粪73575.53501.27牛粪85137.7840.46ZnCu粪便畜禽粪便含水率/%畜禽粪便中重金属含量/渊mg/kg窑 DW冤羊粪7069.3545.45家禽粪便75231.7051.48有机肥标准-德国腐熟堆肥标准-40010010.0710.96Pb16.1014.4750-CdCrHgAsNi20.19 20.19 0.19 8.61 13.691.549.890.35 2.18 14.101.359.450.28 2.03 12.402.8226.98 0.26 3.53 26.18315021550-表 1畜禽饲养周期及粪便排泄系数表 3潜在生态风险指数分级与污染程度表 2畜禽粪便中重金属含量及粪便排泄系数也不同遥 如表 1袁本文通过查阅文献确定了不同畜禽种类饲养周期 渊张田等袁2012冤及粪便排泄系数渊Peng 等袁2019曰牛新胜等袁2017曰刘永等袁2013冤遥 畜禽粪便排放量计算公式如下院M=N伊K伊D曰式中院M 为畜禽粪便排放量袁kg曰N 为畜禽养殖量袁 头曰K 为粪便排泄系数袁kg/头 窑 d曰D 为饲养周期袁d遥1.2.2重金属排放量畜禽种类不同袁 其饲养方式及生理状态不同袁 故畜禽粪便中重金属含量也不同遥 如表 2袁 本文通过查阅文献 渊黄绍文等袁2017曰胡海平等袁2013曰刘秋萌等袁2013曰Zhang 等袁2012曰谢忠雷等袁2011曰张树清等袁2005曰刘荣乐等袁2005冤确定了不同畜禽粪便中锌渊Zn冤尧铜渊Cu冤尧铅渊Pb冤尧镉渊Cd冤尧铬渊Cr冤尧汞渊Hg冤尧砷渊As冤和镍渊Ni冤等 8 种重金属含量遥相比 2012 年中华人民共和国农业部 叶有机肥标准曳 和 叶德国腐熟堆肥标准曳渊Verdonck袁1998冤袁猪粪中 Zn尧Cu 及 Cd 含量远高于标准限值遥 畜禽粪便中重金属排放量计算公式如下院H=M伊渊1-W冤伊C伊10-6曰式中院H 为畜禽粪便中重金属排放量袁kg曰M为畜禽粪便排放量袁kg曰W 为畜禽粪便含水率袁豫曰C 为畜禽粪便中重金属含量袁mg/kg 窑 DW遥1.2.3重金属耕地负荷为进一步了解畜禽粪便还田后的耕地重金属污染隐患袁 本文结合畜禽粪便中重金属排放总量及耕地面积计算了畜禽粪便还田时的重金属耕地负荷袁其计算公式如下院Hm=移H伊PS曰式中院Hm为畜禽粪便还田时的重金属耕地负荷袁g/hm2曰移H 为畜禽粪便中的重金属排放总量袁g曰S 为耕地面积袁hm2曰P 为畜禽粪便还田率袁豫遥 本文参考 2018 年叶吉林省加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用工作方案曳袁P值取 75豫遥1.2.4潜在生态风险潜在生态风险评价是瑞典科学家 Hakanson 根据重金属性质袁从沉积学角度对土壤中重金属提出来的环境风险评估遥 本文将畜禽粪便还田后袁不考虑其他影响因素的前提下袁探讨了畜禽粪便中的重金属对农田土壤的沉积和风险评估袁其计算公式如下院irE=Ti伊Ci+CBCB曰RI=niE=1irE 曰式中院irE 为单项重金属潜在生态风险指数曰Ti为重金属 i 的生物毒性系数袁Zn尧Cu尧Pb尧Cd尧Cr尧Hg尧As 及 Ni 的生物毒性系数分别为 1尧5尧5尧30尧2尧40尧10 及 5 渊徐争启等袁2008冤曰Ci为畜禽粪便还田后重金属耕地含量袁mg/kg曰CB为吉林省土壤背景值袁mg/kg曰RI 为多项重金属潜在生态风险指数遥潜在生态风险指数分级及污染程度如表 3遥计算过程中袁结合单位面积耕层土壤质量渊2.25伊106kg/hm2冤袁将重金属耕地负荷渊Hm冤转换为重金属耕地含量渊Ci冤遥2结果与分析2.1重金属排放量2.1.12020 年吉林省畜禽粪便排放量占比如159中国饲料2023 年第 17 期t图 22020 年吉林省各市渊州冤畜禽粪便重金属排放量图 12020 年吉林省畜禽粪便排放量占比表 42011要2020 年吉林省畜禽粪便重金属排放量20192307.261498.5320182495.221679.32总和25605.03 16959.56102.92104.581109.360.14127.312.5736.0667.39132.112.5938.85679.45 1367.9727.9399.36年份ZnCuPbCdCrHgAs132.90134.911423.24Ni总和4267.684654.9647571.7720172635.251793.62108.1971.94137.192.6840.97139.344929.1820162483.741679.88105.2467.31131.202.5938.79134.264643.0020152578.271738.11110.1769.57135.842.7440.28140.064815.0320142824.381868.86121.9974.77148.813.1343.97156.225242.1320132790.871826.45122.1273.10148.663.1443.45156.935164.7220122738.361784.42120.6171.44146.753.1042.65155.145062.4520112563.421647.11116.1065.89139.223.0040.01148.874723.6220202188.261443.2697.3557.91120.872.3734.34124.624068.98图1袁2020 年吉林省猪尧牛尧羊及家禽粪便总排放量 4.23伊107t遥其中袁牛粪排放量最多为 2.64伊107t袁占总排放量的 62.4%曰其次为猪粪排放量 8.78伊106t袁占总排放量的 20.8%曰 羊粪和家禽粪便排放量较少袁分别为3.61伊106t 和 3.50伊106t袁仅占总排放量的 8.5%和8.3%遥2.1.22011要2020 年吉林省畜禽粪便重金属排放量如表 4袁2011要2020 年受畜禽养殖量影响袁吉林省畜禽粪便中重金属总排放量整体呈先上升后下降趋势袁但差异不显著遥 2014 年出现最大值袁为 5242.13 t袁占 10 年总排放量的 11.02豫曰其次为2013 年袁占总排放量的 10.86豫曰而 2020 年最少袁仅占 8.55豫遥 受畜禽粪便中不同重金属含量的影响袁8种重金属中 Zn 的排放量最大袁占 10 年重金属总排放量的 53.82%曰其次为 Cu袁占总排放量的 35.65%曰而 Hg 的排放量最少袁仅占总排放量的 0.06%遥2.1.32020 年吉林省各市渊州冤畜禽粪便重金属排放量如图 2袁2020 年吉林省畜禽养殖业 8 种重金属排放总量高达 4068.98 t袁吉林省各市渊州冤受畜禽养殖量影响袁 重金属排放量差异较大遥 其中袁 长春市排放量最大袁 占全省排放总量的33.78%袁 且 8 种重金属排放量均为全省第一曰其次为四平市袁占全省排放总量的 17.18%曰白山市重金属排放量最少袁仅占 1.47%遥2.1.42020 年吉林省不同畜禽种类重金属排放量如图 3袁就不同畜禽种类重金属排放量而言袁猪对 Zn尧Cu尧Cd尧Cr 和 As 排放量的贡献最大袁分别占各类重金属排放总量的 62.38豫尧82.37豫尧82.69豫尧39.62豫和 59.47豫曰 牛对 Pb尧Hg 和 Ni 的贡献最大袁 分别占各类重金属排放总 量的44.57豫尧58.55豫和 44.80豫曰 而羊和家禽对吉林省重金属排放量影响相对较少遥 就 8 种重金属排放总量而言袁虽猪粪排放量小于牛粪袁但猪粪中的重金属排放量略高于牛粪袁 占全省排放总量的67.02%曰牛粪占全省排放总量的 21.14%袁猪粪为吉林省畜禽粪便重金属排放主要污染源遥因此袁对猪粪进行还田时袁应高度重视重金属污染问题遥2.2重金属耕地负荷2.2.12011要2020 年畜禽粪便重金属耕地负荷如图 4袁2011要2020 年吉林省不同重金属耕地负荷总体呈先上升后下降趋势袁除 Pb 与 Hg 耕地负荷最大值出现在 2013 年外袁其余 6 种重金属耕地负荷最大值均出现在 2014 年袁 而 Pb 与 Hg 耕地t160中国饲料2023 年第 17 期g/hm2图 42011要2020 年畜禽粪便重金属耕地负荷图 32020 年吉林省不同畜禽种类重金属排放量图 52020 年吉林省各市渊州冤重金属耕地负荷表 52020 吉林省与其他省份畜禽粪便重金属耕地负荷比较吉林省218.87144.36辽宁省588.18263.60黑龙江省145.8163.46全国283.97127.229.7411.293.365.855.7912.090.243.431.8933.600.189.240.488.200.062.100.9315.310.124.28地区ZnCuPbCdCrHgAs12.4611.823.245.80Ni山东省1283.28556.1227.704.2882.260.2920.2228.47负荷 2014 年与 2013 年几乎相近曰8 种重金属耕地负荷最小值均出现在 2020 年遥受重金属排放量影响 8 种重金属中 Zn 和 Cu 耕地负荷均高于其他重金属袁2014 年 Zn 和Cu 耕地负荷最高达到302.55 g/hm2和 200.20 g/hm2遥2.2.22020 年吉林省各市渊州冤重金属耕地负荷如图 5袁2020 年吉林省各市渊州冤重金属耕地负荷为 168.19 耀 828.76 g/hm2袁全省均值为 487.59 g/hm2遥各市渊州冤中长春市尧吉林市及四平市的耕地负荷大于全省均值袁 其中吉林市最高袁 为全省均值的1.7 倍曰其余市渊州冤耕地负荷低于全省均值袁其中白城市最低袁仅为全省均值的 0.34 倍遥 此外袁虽然白山市重金属排放量为全省最低袁 但因白山市耕地面积较小袁 导致白山市重金属耕地负荷大于通化市尧松原市尧白城市及延边州袁接近全省均值遥2.2.32020 吉林省与其他省份畜禽粪便重金属耕地负荷比较如表 5袁对比辽宁省尧黑龙江省尧山东省和全国畜禽粪便重金属耕地负荷渊Peng等袁2019曰Luo 等袁2009 冤袁8 种重金属中 2020 年吉林省 Cd尧Hg 和 Ni 耕地负荷大于辽宁省曰8 种重金属耕地负荷均大于黑龙江省曰Cd 耕地负荷大于畜牧大省的山东省曰Cu尧Pb尧Cd尧Hg 和 Ni 耕地负荷大于全国平均值袁 分别超过全国耕地负荷 1.13尧1.66尧6.23尧1.97 和 2.15 倍遥 由此可知袁吉林省畜禽粪便还田时袁应高度重视耕地重金属污染问题袁尤其要对 Cd 污染引起警戒遥2.3重金属潜在生态风险评价为了解长期畜禽粪便还田情况下袁耕地重金属污染隐患袁本文评价了 10 年间渊2011要2020 年冤重金属累积情况下的耕地重金属潜在生态风险遥 评价过程中本文只考虑了耕地重金属的畜禽粪便还田输入袁 未考虑耕地重金属的其他输入输出遥 此外袁10 年间每年的粪便还田比均设定为 75%遥经 10 年重金属累积后的 2020 年吉林省单项潜在生态风险指数依次为 Hg渊41.81冤跃Cd渊38.78冤跃As 渊10.02冤 跃Cu 渊5.25冤 跃Ni 渊5.02冤 跃Pb 渊5.01冤 跃Cr161中国饲料2023 年第 17 期图 62020 年吉林省各市渊州冤多项重金属潜在生态风险指数图 72011 年尧2015 年及 2020 年吉林省各市渊州冤Cd 和 Hg 潜在生态风险等级渊2.00冤跃Zn 渊1.02冤袁8 种重金属中 Hg 排放量虽最少袁但因其生物毒性强袁Hg 风险指数最高袁属中等生态危害曰而其余重金属均属于轻微生态危害袁故Hg 为吉林省畜禽粪便还田后的主要风险因子遥2020 年吉林省多项重金属潜在风险指数 RI 为108.90袁吉林省整体处于轻微生态危害袁但也应加强畜禽粪便中 Hg 含量的管控问题遥如图 6袁2020 年吉林省各市渊州冤多项重金属潜在生态风险指数 RI 均小于 150袁属轻微生态危害袁且各市渊州冤间无显著差异遥 各市渊州冤中长春市尧吉林市尧四平市尧辽源市尧通化市和白山市 RI值大于全省 RI 值外袁其余市渊州冤均小于全省 RI值遥 其中袁四平市 RI 值最大袁为全省的 1.11 倍袁其次为长春市曰白城市最小袁为全省的 0.94 倍遥为更直观了解 2011要2020 年吉林省各市渊州冤畜禽粪便还田后的潜在生态风险时空变化趋势袁 本文选取吉林省主要畜禽粪便污染因子 Hg和 Cd袁绘制了 2011 年尧2015 年及 2020 年 3 个年份 Hg 和 Cd 的潜在生态风险等级图袁其结果如图7遥 就 Cd 而言袁2011 年吉林省各市渊州冤的潜在生态风险等级均为玉级袁 为轻微生态危害曰2015 年四平市潜在生态风险等级升级为域级袁 属中等生态危害曰而到 2020 年四平市尧吉林市尧长春市及白山市的潜在生态风险等级升极为域级袁 属中等生态危害遥就 Hg 而言袁2011 年除松原市与白城市潜在生态风险等级为玉级袁为轻微生态危害外袁其余市渊州冤潜在生态风险等级均为域级袁为中等生态危害曰到 2015 年由于畜禽粪便还田导致 Hg 在耕地中的累积袁 松原市和白城市生态风险等级也由玉级上升至域级袁为中等生态危害袁至此 2015 年全省各市渊州冤均属中等生态危害曰到 2020 年全省各市渊州冤Hg 潜在生态风险指数均有上升袁但其等级仍为域级袁属中等生态危害遥随畜禽粪便的持续还田袁 重金属将在耕地中不断累积袁 吉林省各市渊州冤的生态风险也将会不断升级遥因此袁畜禽粪便162中国饲料2023 年第 17 期还田过程中袁 耕地的重金属污染问题应得到相应的重视遥3结论本文以吉林省为研究区袁在系统了解畜禽粪便中不同重金属排放量的基础上袁评估了畜禽粪便还田后可对耕地造成的隐患袁其结果如下院渊1冤2011要2020 年吉林省畜禽粪便中重金属排放总量整体呈先上升后下降趋势袁2014 年最多袁2020 年最少袁但不同年份间差异不显著遥 10 年间 8 种重金属中Zn 的排放量最大袁占总排放量的 53.82%曰而 Hg排放量最少袁仅占总排放量的 0.06%遥 渊2冤2020 年吉林省畜禽粪便重金属排放总量高达 4068.98 t遥其中袁长春市排放量最大袁占全省 33.78%曰白山市最少袁仅占全省的 1.47%遥 2020 年不同畜禽种类中袁 猪粪重金属排放量袁 占全省排放总量的67.02%袁为吉林省畜禽粪便重金属排放主要污染源遥 就重金属耕地负荷而言袁2020 年吉林市耕地负荷最高袁白城市最低曰吉林省 Cd 耕地负荷大于全国平均值 6.23 倍袁即吉林省畜禽粪便还田时要对 Cd 污染引起警戒遥渊3冤2020 年吉林省单项潜在生态风险指数依次为 Hg跃Cd跃As跃Cu跃Ni跃Pb跃Cr跃Zn袁其中 Hg 风险指数最高袁属中等生态危害袁为吉林省畜禽粪便还田后的主要风险因子袁 应加强畜禽粪便中 Hg 含量的管控问题遥 2020 年全省 RI为 108.90袁处轻微生态危害水平遥 2020 年吉林省各市渊州冤中袁多项重金属潜在生态风险指数均属轻微生态危害袁其中四平市最大袁白城市最小遥 就Cd 单项潜在生态风险袁 到 2020 年四平市尧 吉林市尧长春市及白山市升级为中等生态危害曰而 Hg单项潜在生态风险袁2015 年全省各市渊州冤均已升级为中等生态危害遥参考文献1 胡海平袁王代懿袁张丰松袁等.东北三省不同规模养殖场畜禽饲料和粪便中锌含量特征J.环境科学研究袁2013袁26渊6冤院689 694.2 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introduction of the policy of returning livestock manure to the farmland袁the heavy metals in the livestock manure were discharged into the cultivated land袁which had laid a hiddendanger to the heavy metal pollution of the cultivated land.To this end袁this paper took Jilin province as theresearch area袁and based on the analysis of heavy metals emissions from livestock manure and cultivated landload of heavy metal in Jilin province曰the potential ecological risk of heavy metals in cultivated land afterreturning livestock manure to the farmland was evaluated.As a result袁from 2011 to 2020袁the Zn and Cuemissions in livestock manure in Jilin Province were the largest袁while the Hg emissions were the least曰pigmanure was the primary pollution source of heavy metal emissions from livestock manure in Jilin province in2020.In 2020袁Jilin city had the highest heavy metal cultivated land load and the lowest in Baicheng city曰theCd cultivated land load in Jilin province was 6.23 times greater than the national average袁and Jilin provinceshould be alert to Cd pollution.In 2020袁the Hg risk index of the single potential ecological risk index in Jilinprovince was the highest袁which was a medium ecological hazard.It was the main risk factor after returninglivestock manure to the farmland in Jilin province袁and the control of Hg should be strengthened.The RI valueof the whole province was 108.90袁which was a slight ecological hazard.However袁with the continuous return oflivestock manure to the farmland袁heavy metals will continue to accumulate in the cultivated land袁so theproblem of the heavy metal pollution of cultivated land should be paid more attention to in the process.Key words livestock manure曰heavy metals曰returning to the farmland曰heavy metal cultivated land load曰potential ecological risksEnvironment袁2012袁439院87 95.24 Luo L袁Ma Y袁Zhang S袁et al.An inventory of trace elementinputs to agricultural soils in ChinaJ.Environ Manag袁2009袁90 渊8冤袁2524 2530.25 Peng H袁Chen Y L袁Weng L P袁et 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