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畜禽養(yǎng)殖糞污還田對土壤和地下水的影響

2020-11-10 11:20洪欣盧秋姚蘇芝張文捷
農(nóng)村經(jīng)濟與科技 2020年15期
關(guān)鍵詞:糞污豬場廢水

洪欣 盧秋 姚蘇芝 張文捷

[摘要]隨著我國畜禽蕎殖的規(guī)?;讲粩嗵岣?,較大量的養(yǎng)殖廢棄物未得到有效處理和綜合利用,逐漸成為農(nóng)村環(huán)境治理的難題。畜禽糞污還田可提高農(nóng)作物產(chǎn)量,還能提高土壤肥力,但養(yǎng)殖過程普遍使用獸用抗生素和重金屬等添加劑,給生態(tài)環(huán)境帶來較大的潛在風險。研究表明,畜禽養(yǎng)殖還田對土壤的影響主要存在氮、重金屬和抗生素等累積風險,對地下水的影響主要是氮、抗生素等擴散風險。

[關(guān)鍵詞]畜禽養(yǎng)殖;土壤;地下水

[中圖分類號]X713

[文獻標識碼]A

近年來,我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化不斷推進,大力發(fā)展規(guī)模化養(yǎng)殖,沒有對產(chǎn)生的畜禽養(yǎng)殖廢棄物進行有效綜合利用處理,產(chǎn)生較大的環(huán)境治理問題。畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的污染物主要有三類包括廢水、糞渣和惡臭氣體等。2017年我國畜禽養(yǎng)殖規(guī)?;蔬_到58%,全國養(yǎng)殖廢棄物資源化利用率64%。2016年我國產(chǎn)生約38億t的畜禽養(yǎng)殖廢棄物,折合成純養(yǎng)分為3200萬t,生豬養(yǎng)殖產(chǎn)生的糞便量約占全國糞便總量的50.6%。目前畜禽糞便處理方式主要包括廢棄、直接還田、生產(chǎn)沼氣、出售和制造有機肥等形式,養(yǎng)殖廢水處理方式主要有自然處理、工業(yè)化處理以及資源回用處理三種模式,其中資源回用處理是作為肥料進行還田回用。

目前畜禽養(yǎng)殖中普遍使用重金屬和獸用抗生素,用來預防、治療疾病和促進生長。2015年我國獸用抗生素使用量超過10萬t,超過全球使用量的50%以上。大部分的抗生素和重金屬不能被豬吸收,通過糞便和尿液排出體外。規(guī)?;B(yǎng)殖場大量的畜禽糞便和廢水集中排放,如果耕地承載量不足,引起農(nóng)牧脫節(jié)的問題,過剩的養(yǎng)分在耕地中經(jīng)淋瀝下滲進入地下水或周邊飲用,會造成水體環(huán)境的富營養(yǎng)化污染。畜禽糞便中的重金屬、抗生素和有害病菌等污染物,隨著灌溉還田進人土壤環(huán)境中,可能會降低農(nóng)田土壤的健康功能,增加土壤環(huán)境風險。對畜禽養(yǎng)殖糞污有效處理后,進行灌溉和施肥,達到糞污處理與資源綜合利用的目的,但也應考慮這種灌溉方式對生態(tài)環(huán)境的潛在風險。

1畜禽養(yǎng)殖糞污中污染物含量水平

一般未處理畜禽養(yǎng)殖廢水中化學需氧量、氨氮、五日生化需氧量和懸浮物等污染物濃度較高,還有大量的致病菌、重金屬、殘留抗生素等污染物。畜禽養(yǎng)殖場常規(guī)的污染物處理設備主要對懸浮物、化學需氧量、五日生化需氧量、總氮、總磷等污染物進行消減和控制,對重金屬、抗生素等新型痕量難降解污染物的去除能力有限。

1.1重金屬含量水平

畜禽養(yǎng)殖糞污中重金屬含量在不同規(guī)模不同養(yǎng)殖模式下存在差異。對長沙地區(qū)各規(guī)?;B(yǎng)豬場的糞便樣品、沼液樣品研究表明,糞便中Fe、Mn含量普遍較高,平均含量達到3.04g/kg、610mg/kg,其他重金屬含量較低,Cd含量為0.103~1.49mg/kg,Pb含量為0.73~15.6mg/kg,As含量為0.165~8.81mg/kg,Hg含量為0.006~0.149mg/kg,Cr含量為5.94~102mg/kg。沼液中Fe、Mn、Cu和Zn含量范圍在0.09~265mg/kgo章杰等對比分析種養(yǎng)結(jié)合循環(huán)利用模式與傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式排放廢水中的污染物含量水平,不同養(yǎng)殖模式下的調(diào)查數(shù)據(jù)表明,豬場廢水中重金屬污染主要為Zn和Cu,含量分別為1.70~9.25mg/L、4.23~5.78mg/L。雷慧寧選取浙江典型的生豬養(yǎng)殖場研究發(fā)現(xiàn)不同的處理系統(tǒng)重金屬含量不同,沖欄水中Cu、Zn和Cd含量分別為1.23~1.69mg/L、2.46~6.20mg/L和0.00388~0.112mg/L,出水中三種元素的濃度分別為0.0333~1.04mg/L、0.134~3.93mg/L、0.00169~0.105mg/L。對珠江三角洲地區(qū)規(guī)模化養(yǎng)豬場調(diào)查表明,豬場廢水As、Cr、b、Cd和Hg檢出濃度平均值分別為53.3pgL、18.3ugL、6.99pug/L、1.29ug/L、0.21ug/L。對山東省20多家規(guī)?;i場的豬糞和飼料樣品進行檢測,結(jié)果表明豬糞樣品中Zn、Cu、As、Cr、Cd和Pb的平均含量分別為1909mg/kg、473mg/kg、36.5mg/kg、12.3mg/kg、0.9mgkg、2.9mg/kg、飼料樣品中Zn、Cu和As的最大含量分別為2883mg/kg、212mg/kg、34.1mg/kg,超過國家標準規(guī)定最高添加量的17~35倍,飼料中的重金屬是豬糞中重金屬的主要來源。對陜西64家規(guī)?;B(yǎng)豬場研究發(fā)現(xiàn),豬糞中以Cu和Zn含量最高,平均含量分為別79.0~1543mg/kg和68.7~3012mg/kg,飼料中Cr、Cu、Zn、As、Pb和Cd含量已經(jīng)超過國家標準中的濃度限值,最高超標倍數(shù)分別為5.44、134、11.0、60.1、7.67和111。

2.2抗生素含冰平

對江蘇、山東、上海、浙江等8個省畜禽養(yǎng)殖場的糞污抗生素殘留水平開展調(diào)查,結(jié)果表明抗生素在豬糞中殘留量最高,其中土霉素、環(huán)丙沙星、恩諾沙星、金霉素的最高含量分別達到59.1mg/kg、34.0mg/kg、33.3mg/kg、21.1mg/kgo對浙北規(guī)?;笄蒺B(yǎng)殖場和一般農(nóng)戶家庭畜禽養(yǎng)殖點進行調(diào)查,結(jié)果表明豬糞中四環(huán)素殘留量平均為4.37mgAg,最高16.8mg/kg,雞糞中四環(huán)素殘留量平均為2.18mg/kg,最高8.36mgAg,牛糞中四環(huán)素殘留量平均為1.07mg/kg,最高5.81mg/kgo江蘇20多家典型畜禽養(yǎng)殖場廢水共檢測出10種抗生素,磺胺類抗生素檢出率達到50%以上。天津典型畜禽養(yǎng)殖廢水中共檢出40多種抗生素,養(yǎng)豬場廢水中抗生素的濃度明顯高于奶牛場廢水,糞污中殘留的抗生素種類在不同養(yǎng)殖場之間也存在較大差異。上海某養(yǎng)豬場沼氣池進水中檢出10多種磺胺類和B-內(nèi)酰胺類抗生素,總量約為99.2~339Hg/L,同時檢測養(yǎng)豬場的貯存塘出水,檢測出磺胺類和B-內(nèi)酰胺類這兩大類抗生素總量約為19.1~21.1ng/L。

3畜禽養(yǎng)殖糞污還田灌溉對土壤的影響

3.1對土壤理化指標的影響

浙江紹興選擇養(yǎng)殖污水不同灌溉年限的蔬菜地調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)長期養(yǎng)殖污水灌溉明顯提高蔬菜地表層土壤(0~20cm)pH有機C、全N、全P、氨氮、硝酸鹽、有效P和有效K的含量。王韶華等對北京生態(tài)高效養(yǎng)殖園區(qū)的養(yǎng)豬場廢水處理后灌溉研究表明,0~100cm土壤樣品中與清水灌區(qū)相比,全氨、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮等含量均顯著增加。Daniel等對美國南部的耕地土壤肥力進行研究,調(diào)查結(jié)果表明長期使用脂禽糞便的耕地土壤中氮和磷含量要比對照的土壤含量高4~5倍。國外學者對加拿大及新西蘭的耕地進行研究,發(fā)現(xiàn)長期施用畜禽糞便的耕地土壤累積現(xiàn)象分明顯。

3.2對土壤重金屬含的影響

對貴陽長期養(yǎng)殖廢水灌溉的蔬菜地土壤進行調(diào)查研究,與對照比,污灌土壤Cd含量呈積累趨勢,平均含量0.56mg/kg,可還原態(tài)重金屬含量普遍升高,可還原態(tài)Cd從5.56%增加至57.2%。章明奎等研究表明長期畜禽養(yǎng)殖污水灌溉明顯增加了表層土壤(0~20cm)中Cu、Zn和Cd的積累,灌溉12年和23年后土壤中積累的Cu和Zn含量明顯高于對照,Cu含量分別增加8.08ing/kg、17.8mg/kg,Zn含量分別增加17.8mg/kg、46.9mg/kgo王韶華等開展豬場再生水灌溉與清水灌區(qū)比較研究,發(fā)現(xiàn)在0~100cm土壤中存在Cd、Cu、As、Zn和Ni含量顯著增加的情況。有研究發(fā)現(xiàn)養(yǎng)殖污水灌溉引人的金屬在土壤中有向下遷移的趨勢,養(yǎng)殖廢水灌溉能明顯增加土壤表層Cu、As和Zn的含量,Cu主要在土壤表層積累,As在土壤中下層積累較多,As存在隨著土壤淋失向下層遷移的趨勢。Shi等發(fā)現(xiàn)豬糞施用量與土壤中的Zn和Cu含量存在顯著正相關(guān)的關(guān)系,隨著含Cd豬糞的長期施用會引起土壤耕層Cd累積并向下遷移。黃洽平研究了施用規(guī)模化豬場豬糞不同年限的農(nóng)田土壤重金屬全量和有效態(tài)含量變化,結(jié)果表明,長期污灌豬場廢水和施用豬場糞污主要增加土壤Zn、Cu、Mn的總量,土壤重金屬有效態(tài)含量明顯增加,數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析表明,Zn、Cu、Mn和As主要來源為豬場廢水,Cd主要來源為豬場廢水和化肥,Pb主要來源為化肥。

3.3對土壤抗生素含的影響

對浙北地區(qū)施用畜禽糞肥的農(nóng)田土壤中四環(huán)素類抗生素殘留狀況調(diào)查表明,規(guī)模化養(yǎng)殖場的畜禽糞便抗生素含量遠高于散養(yǎng)型的糞便中抗生素含量。施用畜禽糞肥的農(nóng)田表層土壤中土霉素、金霉素和四環(huán)素的檢出率范圍為88%~93%,其平均殘留量分別為對照的38倍、12倍和13倍,結(jié)果表明農(nóng)田土壤抗生素的主要來源是畜禽糞肥。劉艷萍等對貴陽長期養(yǎng)殖廢水灌溉蔬菜地土壤進行調(diào)查研究,污灌土壤中四環(huán)素類、磺胺類和喹諾酮類抗生素含量明顯增加,含量分別為0.14~15.8ug^kg、0.26~8.03ugKkg、0.31~32.8ug/kg。

3.4對土壤生物指標的影響

對浙江地區(qū)養(yǎng)殖污水不同灌溉年限的蔬菜地研究表明,長期養(yǎng)殖廢水灌溉明顯增加了土壤酶的活性,隨著灌溉年限的增加增幅增大,與對照相比,灌溉4、12和23年后,土壤中脲酶活性分別增加了16%、29%和37%;蛋白酶活性分別增加了20%、55%和97%;酸性磷酸酶活性分別增加了15%、41%和58%;纖維素分解酶活性增加了67%、103%和91%;脫氫酶活性增加了20%、28%和24%。污水灌溉土壤酶活性增幅最大的為蛋白酶和纖維素分解酶,原因分析可能是污水灌溉給土壤帶人了大量的有機氮、有機磷和有機物質(zhì),激發(fā)了土壤微生物分泌土壤酶。殷勤等研究表明施用豬糞水后的士壤鞘氨醇菌屬、壁菌門的顯著增加,表明施用豬糞水使土壤環(huán)境變得復雜,為了適應復雜的生存環(huán)境,微生物被動的改變了自身的多樣性,增加了自身對土壤脅迫的抵抗能力。

4畜禽養(yǎng)殖糞污還田灌溉對地下水的影響

4.1對地下水化學指標的影響

硝態(tài)氮是影響地下水水質(zhì)的一個重要指標。相關(guān)研究表明農(nóng)村地下飲用水硝酸鹽超標的主要因素之一是畜牧業(yè)養(yǎng)殖污染,對河北40多年污灌地區(qū)地下水硝酸鹽含量開展監(jiān)測,硝酸鹽污染的主要來源是灌溉水中的氮。示蹤解析石家莊市地下水中硝酸鹽來源,表明主要化肥、動物糞便的施用和污染物質(zhì)在遷移過程中硝化一反硝化作用是主要來源。耕地土壤中的氮素,在灌溉水和降雨的作用下,大部分以可溶性的硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮和銨態(tài)氨進人土壤下層甚至進人淺層地下水。未經(jīng)處理的豬場廢水有機磷含高,很難被農(nóng)作物有效吸收,長期灌溉后會出現(xiàn)過量磷向下層土壤淋溶的現(xiàn)象,引起周圍水體和淺層地下水的污染風險。研究發(fā)現(xiàn)養(yǎng)殖廢水經(jīng)過處理后鹽基離子濃度依然很高,經(jīng)過這類污水灌溉后,土壤會吸附較多的Na*釋放原有的Cat,隨土壤淋溶液下滲進人地下水,造成地下水酸堿性、含鹽量的改變。

4.2對地下水重金屬含的影響

畜禽糞便中含有大量有機質(zhì),施入土壤后會增加土壤中有機質(zhì)尤其是可溶性有機碳的含量,重金屬與可溶性有機碳易與形成可溶性的金屬絡合物,通過淋失而污染地下水。相關(guān)研究表明可溶性重金屬濃度與施用牛糞糞漿的土壤中可溶性有機碳成正相關(guān),這些可溶性金屬絡合物可能會通過淋溶作用而使地下水的質(zhì)量受到破壞。施用含高濃度重金屬的畜禽糞便會增加重金屬在土壤中的淋溶,進行農(nóng)業(yè)灌溉或經(jīng)雨水淋洗,土壤中的重金屬極易進入地下水,造成水環(huán)境污染。

4.3對地下水中抗生素含的影響

養(yǎng)殖污水中的有機污染物在進人環(huán)境后將發(fā)生一系列的生物、化學和物理作用,部分污染物發(fā)生降解或轉(zhuǎn)化,部分物質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不易降解長期存在環(huán)境中。李曉華等在豬場及周邊村鎮(zhèn)采集地下水樣進行抗生素殘留檢查,檢出率為78%,檢出的抗生素有諾氟沙星、金霉素、環(huán)丙沙星、恩諾沙星和土霉素等,含量范圍在0.22~222ug/L之間,在京津冀地區(qū)選取了9個相對獨立養(yǎng)殖場,周邊無農(nóng)田、無污染源和其它養(yǎng)殖場,解析豬場污水與周邊地下水間的關(guān)聯(lián),結(jié)果表明確實存在部分生豬養(yǎng)殖場糞污抗生素擴散至周邊地下飲用水中的情況,喹諾酮類和四環(huán)素是殘留最多的抗生素。長期低濃度抗生素有可能對水體中微生物群落產(chǎn)生影響,并通過食物鏈的傳遞作用影響高級生物而破壞生態(tài)系統(tǒng)平衡。

4.4對地下水生物學指標的影響

畜禽養(yǎng)殖廢棄物中含有大量的病原微生物,包括原生動物、病毒和細菌,這些對于土壤和水域環(huán)境都是一種潛在的污染源。顧靜等對北京市某區(qū)畜禽養(yǎng)殖區(qū)外圍地下水檢測,發(fā)現(xiàn)總大腸菌群、菌落總數(shù)都有一定程度超標,總大腸菌群超標較嚴重,菌落總數(shù)超標0.8倍。

5結(jié)語

針對國內(nèi)養(yǎng)殖業(yè)抗生素和重金屬等存在不規(guī)范使用、過度使用和濫用的現(xiàn)象,急需制定法規(guī)政策進行管制,積極推進減量化添加和科學使用,減少飼料中有毒有害或容易富集的添加劑使用。畜禽養(yǎng)殖糞污還田灌溉對土壤和地下水的影響可能是一個不易察覺長期的過程,需要開展持續(xù)的跟蹤監(jiān)測評估,才能探明畜禽養(yǎng)殖糞污還田對生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)存在的潛在性風險。以往的研究重點在于氮、磷、鉀等大量元素對環(huán)境的影響,今后應更加關(guān)注重金屬、抗生素和激素等對水體、土壤和農(nóng)作物的潛在環(huán)境風險,需要深人開展對不同畜禽養(yǎng)殖糞污處理模式、灌溉方式對土壤和地下水環(huán)境的影響研究,為畜禽養(yǎng)殖糞污的資源化利用和生態(tài)環(huán)境保護提供技術(shù)支撐。

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