畜禽粪便有机肥中重金属在土壤剖面中积累迁移特征及生物有效性差异

通过田间小区试验,定量化研究连续4 a施用不同量猪粪、鸡粪有机肥后不同重金属在土壤剖面中迁移积累特征及生物有效性差异,为科学确定农田土壤重金属的环境容量提供依据.结果表明,连续4 a施用猪粪显著增加了耕层土壤中Cu、Cd的含量,与对照比增幅分别是43.8%~118.6%和28.2%~44.9%.施用鸡粪显著增加耕层土壤Cu、Zn、Cd、Cr、As、Pb含量,增幅分别为29.7%~48.5%,239%~456%,19.9%~80.8%,40.4%~163%,11.8%~22.0%和80.3%~95.0%.猪粪带入的Cu、Zn在耕层土壤中的积累率分别为76.4%~119%和14.2%~20.4%,鸡粪带入Cu、Zn在耕层土壤中的积累率分别为72.1%~88.7%和63.9%~78.9%.施用高量的猪粪、鸡粪Cu、Zn存在明显向土壤深层迁移现象,连续4 a施用60 t·hm^-2的猪粪,Cu迁移到了15~30 cm土层.连续4 a施用60 t·hm^-2鸡粪,Zn迁移到了30~60 cm土层.但连续4 a施用不同量猪粪和鸡粪,土壤剖面中耕层以下土层中Cd、Cr、As、Pb含量均没有显著增加.连续4 a施用鸡粪显著降低小麦籽粒中Cu、Cd含量,显著增加了小麦籽粒中Zn、Cr含量和小麦秸秆中Zn含量,连续4 a施用猪粪显著降低了小麦籽粒中Zn含量,60 t·hm^-2猪粪显著增加了小麦子粒中As含量,猪粪处理还显著增加了秸秆中Cu、As含量.4 a小麦收获累计对有机肥带入重金属的携出率小于6%.小麦籽粒对Cu、Zn的累计携出量高于秸秆,对Cd、Cr、As、Pb携出量低于秸秆,有机肥用量越高,小麦收获对有机肥带入重金属的携出率越低.确定农田土壤重金属环境容量时应考虑不同有机肥中重金属在土壤剖面中积累特征和向下迁移量.     

畜禽粪便有机肥中重金属在水稻土中生物有效性动态变化

通过土壤淹水培养试验和土壤淹水培养不同时间后同时开始的水稻生物盆栽试验,研究不同畜禽粪便有机肥中Cu、Zn、Cd、Pb在水稻土中生物有效性动态变化以及与等量重金属无机盐的差异,明确不同畜禽粪便有机肥中不同重金属生物有效性差异及动态变化规律.结果表明,水稻土施入畜禽粪便有机肥后30~60 d内,畜禽粪便有机肥处理土壤溶液中重金属含量显著低于等量重金属无机盐处理,重金属无机盐处理土壤溶液中Cu、Zn、Cd、Pb的含量分别是鸡粪处理的2.4倍、3.1倍、3.9倍和327.3倍,分别是猪粪处理的2.0倍、2.2倍、15.6倍和4.0倍.60d后畜禽粪便有机肥处理和对应等量重金属无机盐处理土壤溶液中Cu、Zn、Cd、Pb的含量变的无差异.不同施用时间的畜禽粪粪便有机肥处理水稻体内Cu、Zn、Pb含量均显著低于对应的等量重金属无机盐处理,施用畜禽粪肥处理降低了土壤中Cu的生物有效性.畜禽粪便有机肥中重金属的生物有效性随施用后不同时间的变化呈现先升高后降低再升高规律,在施用后2个月时畜禽粪便有机肥中重金属的生物有效性最低,只相当于对应的等量重金属无机盐的13.0%~30.0%.     

畜禽粪便有机肥中Cu、Zn在水稻土中的有效性动态变化和形态归趋

通过温室土壤培养试验,研究了不同畜禽粪便有机肥中Cu、Zn在水稻土中有效性动态变化过程和形态归趋,为科学评价畜禽粪便有机肥中重金属进入稻田后的生态风险提供理论依据.试验结果表明,施用畜禽粪便有机肥12个月后,水稻土p H提高了0.4~0.9.施用鸡粪降低了水稻土中有效态Cu含量,而猪粪的施用增加了水稻土中有效态Cu含量.水稻土中有效态Zn含量随畜禽粪便有机肥施用量的增加而增加.与重金属无机盐相比,鸡粪处理中Cu的有效性低于等量无机盐处理,猪粪处理中Cu、Zn和鸡粪处理中Zn的有效性与等量无机盐处理相同.形态归趋过程研究结果表明,畜禽粪便有机肥带入到水稻土中Cu、Zn的量较低时,Cu在有机质结合态中有显著的积累,Zn则在碳酸盐结合态中有显著的积累;带入的Cu、Zn的量较高时,Cu、Zn在各个形态中均有积累;无机盐带入水稻土的Cu、Zn在交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态和有机结合态中均有积累.畜禽粪便有机肥带入的Cu、Zn积累在有机结合态中的量与等量无机盐处理无显著差异.培养12个月时,有机肥处理的交换态Cu含量均显著高于等量无机盐处理,表明畜禽粪便有机肥中Cu的潜在有效性更高.     

我国畜禽粪便重金属含量特征及土壤累积风险分析

由于饲料中微量元素的添加,造成畜禽粪便中重金属元素的环境污染风险增高.本文通过各地畜禽粪便样品采集分析和文献查阅等途径,搭建了我国畜禽粪便重金属元素含量数据库,使用统计学方法系统分析了我国畜禽粪便中重金属含量特征及不同来源畜禽粪便重金属的含量差异;在此基础上,借助农田土壤重金属流动模型进行情景分析,定量了施用畜禽粪便时土壤中主要污染元素的累积速率和对应的最大施用年限.结果表明,我国畜禽粪便中各重金属元素含量分布为偏态分布,镉(Cd)、铅(Pb)、铬(Cr)、砷(As)、汞(Hg)、铜(Cu)、锌(Zn)和镍(Ni)的含量(mg·kg~(-1))范围分别为未检出(ND)～147、ND～1 919、0. 003～2 278、ND～978、ND～103、ND～1 747、ND～11 547和1. 22～1 140,均值(中位值,mg·kg~(-1))分别为2. 31(0. 72)、13. 5(8. 96)、36. 3(12. 0)、14. 0(3. 52)、0. 97(0. 07)、282(115)、656(366)和21. 8(13. 1),均值比中位值高1～13倍.依据我国有机肥行业标准NY 525-2012,畜禽粪便中Cd、Pb、Cr、As和Hg的超标率分别为12. 3%、2. 58%、2. 76%、20. 6%和3. 69%;按照德国腐熟堆肥标准,Cu、Zn和Ni的超标率分别为53. 9%、45. 7%和0. 59%.我国畜禽粪便中Cd、As、Cu和Zn的超标率比较高,达到10%以上.不同区域畜禽粪便重金属含量也有明显差异,山东省畜禽粪便As、Cd平均含量最高,分别是全国平均含量的1. 7倍和10. 1倍,江西省畜禽粪便Cu、Zn含量相对最高,分别是全国含量均值的2. 1倍和2. 4倍;华东沿海地区畜禽粪便重金属含量相对较高.不同来源畜禽粪便重金属含量存在一定差异,猪粪中Cd、As、Hg、Cu、Zn、Ni这6种元素平均含量分别是牛、羊、家禽粪便的1. 0～3. 0、1. 8～6. 8、1. 1～15. 8、4. 9～17. 5、2. 7～12. 0和1. 7～2. 1倍;家禽粪的Pb含量最高,其均值分别是对应猪、牛、羊粪便的2. 8、2. 5和2. 2倍.进一步预测施用不同来源动物粪便后土壤重金属累积风险,发现超过90%的情形下,Cd的累积速率低于0. 02 mg·(kg·a)~(-1); Pb累积速率均低于0. 15 mg·(kg·a)~(-1),施用家禽粪便情景下Cr累积速率最大,最大值达到了0. 28 mg·(kg·a)~(-1).     

连续施用污泥堆肥土壤剖面中重金属积累迁移特征及对小麦吸收重金属的影响

通过大田试验,定量研究连续施用污泥堆肥后土壤剖面中不同重金属积累迁移和对小麦吸收重金属的影响,为科学确定农田土壤重金属环境容量和农田土壤重金属污染防控提供依据.结果表明,连续4 a施用污泥堆肥农田耕层土壤(0~15cm)中Cu、Zn含量随污泥施用时间和施用量增加而显著增加,污泥施用带入的Cu、Zn在耕层土壤中积累率最高分别可达到75.3%和85.9%;污泥施用量较高时,Cu、Zn向土壤深层迁移,本试验条件下Cu可迁移至15~30 cm土层,Zn可迁移至60~90 cm土层;连续施用污泥堆肥4 a后,0~15 cm土层中Cd、Pb含量显著增加,与对照相比增幅分别是57.2%~165.2%、13%~34%,60~90 cm土层中Cr、As、Pb含量也显著高于对照;连续施用污泥堆肥小麦籽粒中Zn含量显著增加,增幅为13.3%~47.9%.部分污泥处理小麦籽粒中的Cr、Pb含量超出国家食品卫生标准(GB 2762-2012);4 a小麦收获对各重金属累计携出率均低于10%,小麦籽粒对Cu、Zn的累计携出量大于秸秆,而对Cr、As、Cd、Pb的累计携出量小于秸秆.随污泥施用量的增加,小麦收获对各重金属累计携出率降低.确定农田土壤重金属环境容量时要考虑重金属在土壤剖面中的向下迁移量.     

畜禽粪便有机肥中Cu、Zn在不同农田土壤中的形态归趋和有效性动态变化

通过土壤培养试验,研究了不同畜禽粪便有机肥中重金属Cu、Zn在不同农田土壤中的形态归趋和有效性动态变化过程,为合理确定由畜禽粪便有机肥带入农田土壤的重金属负荷,科学评价畜禽粪便有机肥中重金属进入土壤后的生态风险提供理论依据.结果表明,土壤中施用畜禽粪便有机肥后,酸性土壤p H值升高,而石灰性土壤p H值降低.施用鸡粪后6个月内,有效态Cu含量在2种土壤中显著低于等量Cu无机盐处理,而有效态Zn含量则与等量Zn无机盐处理无显著差异;施用猪粪后6个月内,有效态Cu和Zn含量在2种土壤中均与等量Cu和Zn无机盐处理无显著差异.形态归趋研究表明,通过畜禽粪便有机肥进入土壤中的Cu和Zn在土壤中主要以交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态以及有机结合态的形式存在,且畜禽粪便有机肥的来源不同,各形态Cu和Zn在不同土壤中所占比例不同.土壤中施用畜禽粪便有机肥6个月时,Cu和Zn交换态以及铁锰氧化物结合态所占比例低于等量Cu和Zn无机盐处理,而有机结合态所占比例高于等量Cu和Zn无机盐处理,其它形态与无机盐处理无显著差异.     

华东地区不同种类畜禽粪便对农田土壤重金属输入的影响

在统计有关我国华东地区畜禽养殖规模、粪便重金属含量等相关文献数据的基础上,探讨了华东地区畜禽粪便对农田土壤重金属输入的贡献,以及不同畜禽种类的影响。结果表明,畜禽粪便中重金属对农田土壤的输入量从大到小依次为ZnCuCrPbAsCdHg,其中,Zn和Cu为主要输入的元素。生猪粪便是农田土壤中Zn、Cu、As输入量的主要贡献者,家禽粪便是Cr、Pb、Hg输入量的主要贡献者。牛粪便对农田土壤中Pb、Hg、Cr输入量的贡献也不低。     

肥料对土壤重金属有效态及水稻幼苗重金属积累的影响

为探究施用不同肥料对红黄泥和河沙泥农田土壤中Cu、Zn、Pb、Cd有效态含量的影响,通过盆栽试验,研究了施用7种肥料（猪粪、鸡粪、紫云英、商品有机肥、磷肥、复合肥、化肥）对土壤重金属有效态含量及水稻幼苗重金属积累的影响.结果表明:①红黄泥中复合肥处理能显著增加Zn有效态含量,比对照增加57.0%,猪粪处理显著降低了Cu、Pb、Cd有效态含量,比对照降低22.1%、13.4%、20.0%.②不同处理河沙泥中Cu有效态含量变化不显著,复合肥处理显著增加Zn有效态含量,比对照增加23倍,化肥处理显著增加Pb有效态含量,比对照增加31.6%,施用复合肥显著增加Cd有效态含量,比对照增加30.6%.③红黄泥中商品有机肥、紫云英处理显著增加水稻根Cd含量,且紫云英处理效果更明显,比对照增加1.92倍,猪粪、鸡粪、商品有机肥、磷肥处理均降低了水稻秸秆Cd含量,且商品有机肥作用更明显,比对照降低58.7%.④在河沙泥中商品有机肥、紫云英处理显著增加了水稻根Cd含量,且商品有机肥处理效果更明显,比对照增加4.27倍,猪粪、鸡粪处理均降低了水稻秸秆Cd含量,且鸡粪作用更明显,比对照降低29.2%.研究显示,不同处理土壤中Cu、Zn有效态含量差异明显;磷肥处理能显著降低红黄泥中Pb有效态含量,猪粪、鸡粪、紫云英处理可显著降低红黄泥中Cd有效态含量,复合肥处理能显著增加河沙泥Cd有效态含量;猪粪、鸡粪处理均能降低红黄泥和河沙泥中水稻秸秆Cd含量.      

热解温度对畜禽粪便生物炭重金属特征变化的影响

为了揭示畜禽粪便生物炭中重金属的特征变化,以鸡粪、猪粪渣和牛粪为原料,采用低氧控温法制备生物炭,研究了不同热解温度(350、450、550、650和750℃)的畜禽粪便生物炭产率、重金属(Cu、Zn、Cd、Pb、Cr和Ni)含量和相应富集系数的变化,以及原料来源、热解温度和重金属特征的相关性.结果表明,随着热解温度的升高,畜禽粪便生物炭产率逐渐下降,各重金属元素含量(Cd除外)逐渐增加,多数重金属富集系数呈降低的趋势,总体上高温热解虽增加了畜禽粪便生物炭的重金属含量,但也利于炭化过程中重金属的挥发迁移.畜禽粪便生物炭中重金属含量与热解温度、原料来源密切相关,其中与热解温度的相关性均显著,各生物炭的重金属富集能力表现为鸡粪猪粪渣牛粪.综合分析发现,热解温度对畜禽粪便生物炭的重金属特征变化有显著影响,选择低重金属含量和低富集系数的畜禽粪便可避免高温制备的生物炭在实际应用中由自身重金属可能带来的二次污染.     

四川典型养殖区猪粪和饲料中重金属分布特征

随着我国养殖业的快速发展和饲料添加剂的广泛使用,畜禽粪便中重金属的污染控制和资源化利用已成为农村环境连片整治过程中所面临的重要问题。通过对四川省自贡市和阿坝州2个典型养殖密集区散户与规模化养殖场的猪粪及其饲料中重金属Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、As含量的测定,结果发现:饲料中重金属总体水平不高,但Cu,As存在部分超标现象,最大含量分别超过国家饲料标准的29倍和4.7倍;对比有机肥料标准,猪粪残留重金属除Cu含量较高外,其余基本低于国标限值。此外,初步探讨了典型农业养殖废弃物的综合利用与资源化所遇到重金属环境风险问题,这对评价畜禽粪污农牧结合综合利用及农村环境整治中可能存在环境风险有着积极借鉴意义。     

Changes in heavy metal contents in animal feeds and manures in an intensive animal production region of China

The 360 feed and manure samples were collected from 150 animal farms in Jiangsu Province, China and analyzed for heavy metals. Concentrations of Zn and Cu in animal feeds were 15.9-2041.8 and undetected-392.1 mg/kg respectively, while Hg, As, Pb, Cd, and Cr in all feeds were below 10 mg/kg. Concentrations of Cu, Zn, and Cr in animal manures were 8.4-1726, 39.5-11379, and 1.0-1602 mg/kg respectively, while As, Cd, Hg, and Pb were 〈 10 mg/kg. The concentration of Cu, Zn, As and Cr in animal feed and manure were positively correlated （p 〈 0.001）, but the Cd, Hg, and Pb were not statistically correlated between the feed and the manure. Concentrations of Cu and Zn were highest in pig feed and manure, followed by poultry and dairy feeds and manures. During 1990- 2008, Cu, Zn, As, Cr, Cd contents increased by 771%, 410%, 420%, 220%, and 63% in pig manure, 212%, 95%, 200%, 791%, and -63% in dairy manure, and 181%, 197%, 1500%, 261, and 196% in poultry manure. Most of the increases occurred from 2002 to 2008, which reflects the extensive use of feed additives after 2002. In contrast, Pb and Hg in manures continuously decreased from 1990 to 2008. The results suggest that the heavy metal contents in animal manure have been greatly increased over 18 years and the contribution of manures to soil should be considered.     

Heavy metals pollution in poultry and livestock feeds and manures under intensive farming in Jiangsu Province, China

The heavy metals pollution in poultry and livestock feeds and manures under intensive farming in Jiangsu Province was investigated. 97 feed and manure samples were sampled from 31 farming plants in 10 major cities of Jiangsu. 14 metals, including Zn, Cu, Pb, Cd, Cr, Ni, Mo, Mn, Ba, Co, Sr, Ti, As and Hg, were analyzed after samples acid digestion. The results showed that the most feed samples contained high concentration of metals exceeding National Hygienical Standard for Feeds. Meanwhile, it was found that Cu, Zn, Pb, Cd and Cr concentrations in animal manures were also high, for example, Cu concentration in a manure sample reached to as much as 1726.3 mg/kg. Heavy metals loading quantities in soil per year were then calculated when metals contaminated organic fertilizers were applied, and its effects on soil environmental qualitv were further evaluated.     

好氧高温堆肥处理对猪粪中重金属形态的影响

用 Tessier 连续提取法研究了好氧高温堆肥处理对猪粪中重金属结合形态变化的影响.结果表明,经过好氧堆肥处理,猪粪中 Pb、Cu、Zn、Ni、Cr、Cd、As 的总浓度升高;碳酸盐结合态 Ni、Zn 的浓度降低,其余 Pb、Cu、Cr、Cd 的浓度都升高;硫化物及有机结合态、残渣态重金属的浓度普遍升高,仅有硫化物及有机结合态 As 和 Zn 的浓度下降;可交换态 Cu、Zn、Cr、As 的浓度显著降低.堆肥处理可以降低可交换态和碳酸盐交换态 Pb、Ni、Cu、Cr、Zn、As 和铁锰氧化物结合态 Pb、Cu、Cr、As 的分配系数,因此可以降低猪粪中重金属的有效性.堆肥处理有利于降低猪粪土地利用中重金属污染的风险.     

基于富集因子法与MLR-APCS模型应用的农田土壤重金属人为来源定量识别

准确定量识别农田土壤重金属的人为污染来源对于后续实施精准防控具有重要意义。采集典型农业区土壤样品,基于富集因子法和多元线性回归-绝对主成分得分(MLR-APCS)模型对农田表层土壤重金属的人为来源进行定量识别研究。结果表明:研究区农田表层土壤中Pb、Cu、Zn、Cr、Ni均受到不同程度的人为污染影响,其平均含量相比当地背景土壤分别提高了112.37%、71.21%、59.38%、69.67%和64.54%。5种重金属富集因子顺序为Pb>Cu>Cr>Ni>Zn。其中,Pb总体已达到中等富集水平,来自人为污染源含量占比超过50%。基于人为源重金属含量,大气沉降和有机肥施用被识别为该研究区2种主要人为重金属污染来源。MLR-APCS模拟进一步表明:大气沉降对Pb、Cr、Ni的污染贡献率分别为42.41%、37.58%和37.26%,而有机肥施用对Cu、Zn的污染贡献率分别为41.67%和39.39%。综上,提出了一种可靠的农田土壤重金属人为来源定量识别方法,可推广应用于其他相似区域。     

连续施用养殖场鸡、鸽粪对土壤养分和重金属含量的影响

按照养殖场鸡粪和鸽粪含氮量计算其用量,进行连续6茬施用鸡粪和鸽粪（N 0～450 kg·hm^-2）菜心田间试验,研究对土壤养分和重金属含量的影响.结果表明,连续施用3茬鸡粪和鸽粪后,土壤铵态氮、硝态氮、有效磷及速效钾含量均明显提高,4种养分累积量随鸡、鸽粪用量增加而提高.由于后3茬遭遇较长时间强降雨,施用6茬后土壤硝态氮和速效钾含量不但比第3茬后有明显下降,甚至低于土壤原始含量,但铵态氮和有效磷含量仍比原始含量提高,而且含量增量随鸡、鸽粪用量增加而提高.鸡粪和鸽粪Pb、Cd、Cr含量及鸽粪As含量很低,连续施用6茬对土壤总Pb、总Cd、总Cr及总As含量影响不大,但2种粪肥Zn含量较高（分别为172.0、299.8 　mg·kg^-1）,施用6茬后土壤总Zn含量提高0.7～17.1 　mg·kg^-1.同时,鸡粪Cu（117.7 　mg·kg^-1）、As（39.6 　mg·kg^-1）含量相对较高,施用6茬后土壤总Cu、总As含量也有累积趋势.     

东北三省不同规模养殖场畜禽饲料和粪便中锌含量特征

为了解东北三省不同规模养殖场畜禽饲料和粪便中w(Zn)分布及粪便Zn的农田输入量,选取长春、哈尔滨等养殖密集城市,分别从小、中、大规模养殖场随机采取了25、30、49个畜禽饲料样品和28、28、54个粪便样品进行研究. 结果表明:吉林、黑龙江、辽宁三省猪饲料中的w(Zn)平均值分别为209.35、120.00和117.58mg/kg;牛饲料中w(Zn)平均值分别为116.73、120.26和134.04mg/kg;鸡饲料中w(Zn)平均值分别为95.51、77.59和97.23mg/kg. 在养殖规模上,猪饲料、牛饲料中w(Zn)平均值均以小规模养殖场最高,分别为238.91、156.28mg/kg;而鸡饲料中w(Zn)平均值以大规模养殖场最高,为103.72mg/kg. 对比畜禽粪便中的w(Zn)分布可知,吉林、黑龙江、辽宁三省猪粪中w(Zn)平均值分别为630.26、596.57和692.59mg/kg;牛粪中w(Zn)平均值分别为132.04、108.88和138.82mg/kg;鸡粪中w(Zn)平均值分别为363.67、201.82和246.45mg/kg. 在养殖规模上,猪粪、牛粪、鸡粪中w(Zn)平均值均以大规模养殖场最高,分别为691.56、136.13和384.15mg/kg. 畜禽粪便与饲料中的w(Zn)呈显著正相关(P<0.05). 根据东北三省畜禽养殖量及粪便中w(Zn)平均值推算,每年有12442.7t 的Zn通过畜禽粪便农用输入农田.