畜禽粪便引发的重金属污
染的研究现状
Prepared on 22 November 2020
畜禽粪便引发的重金属污染的研究现状
沈秀丽，杨增玲，韩鲁佳（中国农业大学工学院，北京 100083）
摘要：随着集约化、规模化养殖业的迅速发展，各种重金属微量元素广泛应用于饲料添加剂的生产，导致大量的铜、铁、锌等重金属随着畜禽粪便排放到环境中，造成严重的环境污染。
本文主要对畜禽粪便造成的重金属污染现状及其危害进行了综述，并分析了畜禽粪便造成重金属污染严重的主要因素，评述了目前国内控制和治理畜禽粪便引发的重金属污染的几种措施，指出畜禽粪便堆肥处理因具有成本低、操作简单、适用广泛等特点，将成为我国畜禽粪便污染治理的重要措施。
关键词：畜禽粪便；重金属污染；治理措施中图分类号：S216 0
引言1 畜禽粪便由于含有丰富的有机质、N、P、K等养分而作为一种优良的土壤改良剂被长期施用于农田。
从生态安全和充分利用自然资源角度看，农用也是畜禽粪便最理想的处置方法[1] 。
但随着集约化、规模化养殖业的快速发展，一些重金属元素如Cu、Zn、As等被广泛应用于饲料添加剂，加之微量元素在动物体内生物效价很低，大部分都随畜禽粪便排放到环境中，给生态环境造成巨大的压力。
当这种含有大量重金属的畜禽粪便长期施用于农田时，可造成土壤的重金属污染，其中的重金属元素在土壤-水-植物系统中积累转化，并最终通过食物链对人体健康造成威胁。
因此，如何降低或去除畜禽粪便中重金属的污染风险对真正实现畜禽粪便资源化利用具有重要意义。
近年来，国内外科研工作者针对畜禽粪便引发重金属污染的原因进行了深入的探讨，并在此基础上提出了一些切实可行的治理措施，下面将该领域的研究进展综述如下。
1 畜禽粪便引发的重金属污染现状
1 收稿日期：修订日期：
基金项目：公益性行业（农业）科研专项（）
作者简介：沈秀丽（1987-），女，山东郯城人，硕士研究生，主要从事生物质资源与利用研究。
通讯作者：杨增玲（1977-），女，山东莱芜人，副教授，硕士生导师，主要从事生物质资源与利用研究。
1.1畜禽粪便中重金属的含量
重金属是指比重大于5的金属，约有45种，包括铅（Pb）、镉（Cd）、汞（Hg）、铬（Cr）、铜（Cu）、锌（Zn）、镍（Ni）等。
砷（As）虽不属于重金属，但因其来源以及危害都与重金属相似，故通常列入重金属类进行研究讨论[2] 。
畜禽粪便中几乎含有对动植物具有生理效应的所有微量元素，同时也含有用于防治病害的非必需微量元素。
重金属在畜禽粪便中的积累量与畜禽的种类有关，同一种类中，重金属含量又与畜禽的年龄、畜禽粪便的处理方式等因素有关，但最终取决于饲料添加剂以及在防治畜禽病害中一些微量元素的使用量。
从表1中可以看出，猪粪中Cu、Zn、Mn、Ni的平均含量均较高，其中Cu、Zn最为明显，鸡粪中Cr的平均含量较高，而牛粪中各重金属含量低于其他粪便。
目前我国对畜禽粪便堆肥的重金属无害化标准采用的是污泥施用无害化标准，规定Pb、Cd、Cu、Zn总含量的最大极限值分别为1000、20、500、1000mg/kg[3]。
可以看出表1中受检畜禽粪便重金属含量有超标现象，其中以猪粪中的铜、锌超标最为严重。
另外，有研究表明，不同种类猪的粪便中Cu的平均含量为断奶仔猪＞育肥猪＞母猪，与饲料中Cu含量具有一致（相同）的规律[4]
表 1 猪、牛、家禽粪便中重金属的含量（mg/kg） Table 1 Heavy metal concentrations of pig、dairy、poultry manures（mg/kg）粪便种类铜锌镉锰镍铅铬
*表中重金属含量的数值均为测定结果的平均值
畜禽粪便中重金属的存在形态
畜禽粪便中重金属主要以水溶态、可交换态、有机结合态、氧化物结合态和残渣态等形态存在[4]。
其中交换态重金属是植物直接有效的形态，同时也具有较大的淋溶率，对环境污染的风险较大，碳酸盐结合态也具有较强的活性，其活性主要受环境pH的影响，铁锰氧化物结合态和有机结合态相对较稳定，但重金属的不同形态之间存在着一个动态平衡，当有效态重金属降低时，其他形态重金属会不断转化为有效态重金属，因此铁锰氧化物结合态和有机结合态的生物有效性虽不如交换态高，但仍具有潜在的有效性和环境风险[15] 。
畜禽粪便中大部分的Cd、Cu和Zn是以有机络合态存在的，水溶态重金属含量一般很少。
另外，还有研究表明，猪粪中水溶态Cu和有机结合态Cu分别占总量的2%和67％～69％，67％的Zn以氧化物结合态存在，69％的Mn以碳酸盐结合态存在[16] ；家禽粪便中90％的As 以水溶态存在，说明家禽粪便中As具有较强的生物有效性和淋溶率[17]。
畜禽粪便中重金属的存在形态主要与不同重金属元素自身的化学性质及畜禽粪便的特性有关，而后者又与动物饲料和畜禽粪便排放后的处理方式有关。
2 畜禽粪便中重金属造成的危害
畜禽粪便对土壤环境的污染
土壤重金属污染在一定时期内不表现出对环境的危害性，但长期施用含有大量重金属的粪肥必然导致土壤重金属含量的增加。
据测算[18] ，一个万头猪场，连续使用高Cu日粮，每年可向猪场周边土壤排放约2t的Cu，导致土壤中Cu严重富集。
日本土壤肥料学会报道，如果把日本养猪业所产生的猪粪全部施用到土壤中，土壤中Cu含量将在23年内超过80mg/kg的限量标准。
当土壤中重金属的含量超出土壤的承受限度，或土壤环境条件发生变化时，重金属就可能突然活化，
引起严重的生态危害，被称为“化学定时炸弹（Chemical Time Bombs，简称CTBs）。
通常情况下，重金属首先危害土壤微生物，不适应重金属环境的微生物数量会逐渐降低，甚至灭绝，从而影响土壤环境。
已有研究表明，大量施用含高Cu、Zn的猪粪，可能会使土壤中有效态Cu、Zn的浓度升高达到对植物毒害的水平，使蔬菜根系生长受到抑制。
Jinadasa等[19]对悉尼一些地区蔬菜和菜园土壤中Cd的含量调查研究时发现，由于家禽粪肥长期施用引起了菜园土壤中Cd和Zn含量的增加。
畜禽粪便重金属对水环境的污染
畜禽粪便作为有机肥施用，其中的重金属进入土壤。
由于畜禽粪便中含有大量有机质，施入土壤可以增加土壤中有机质尤其是可溶性有机碳（DOC）的含量，可溶性有机碳易与重金属形成可溶性金属络合物，从而通过淋失而污染地下水。
DelCastilho等[20]人研究得出，可溶性重金属浓度与施用牛粪粪浆的土壤中可溶性有机碳成正相关。
这些可溶性金属络合物可能会通过淋溶作用而使地下水的质量受到破坏。
也有研究发现，由于连续施用猪粪粪浆，田间排出的水中Mn的浓度从L上升到14mg/L，Co的积累量从L上升到50mg/L，Zn的积累量从L上升到100mg/L。
施用含高量重金属的畜禽粪便会增加重金属在土
壤中的淋溶，所以进行农业灌溉或经雨水淋洗，土壤中的重金属极易进入地表水或地下水，对水环境造成污染。
畜禽粪便重金属对植物生长的危害
重金属对农作物也有很强的毒害作用，其影响在于：一方面，重金属能破坏植物的一些组织和功能，从而降低一些农作物的产量和品质，如土壤镉含量过高会破坏植物叶片的叶绿素结构并最终导致植物衰亡；土壤中铜、锌含量超过一定限度时，作物根部会受到严重损害，使植物对水分和养分的吸收受到影响，从而导致植物生长不良甚至死亡。
施用猪粪可明显提高土壤Zn含量、有效态含量及菜心Zn含量，连续2茬施用猪粪达到或超过40g/kg时，土壤和菜心均出现Zn污染。
另一方面，重金属经食物链在植物体内富集。
研究表明，随着表层土壤镉污染的加重，水稻籽粒中的镉含量逐步提高，当上层土壤镉含量达到5mg/kg时，水稻籽粒中的镉含量达到～kg，而上层土壤镉达到10mg/kg时，籽粒中的镉可高达～kg。
据估计，人体中的重金属镉70%来自于食品中的蔬菜，而蔬菜作物及其可食用部分中积累的镉主要来源于菜园土壤，部分来自灌溉水[2]。
3、造成畜禽粪便重金属污染的主要因素
畜禽粪便造成重金属污染的原因主要有两个方面，一是饲料中过量添加铜、锌、砷、镉等微量元素；二是铜、锌、砷、镉等微量元素生物效价太低，导致畜禽粪便中重金属元素含量增加。
微量元素作为酶的必需组分和激活剂，是维持动物生命活动和生长发育的重要营养物质，它在保证动物体健康生长和高效生产方面起着十分重要的作用。
据文献报道，高铜可分别提高仔猪、生长猪和肥育猪日增重%、%、%，使猪肉中8种氨基酸含量提高%,高锌可以促进仔猪的生长。
因此，一些饲料厂和养殖场向饲料中大量添加铜、锌、砷等微量元素。
目前我国尚未对饲料中Cu、Zn、As等重金属含量作出限量标准，加拿大、美国饲料协会规定日粮中Cu的最大限量为125mg/kg，Zn的最大限量标准为500mg/kg[21] ，而现阶段我国猪日粮中铜(硫酸铜的形式)的添加量已经达到150～250mg/kg,锌(氧化锌的形式)的添加量则高达2000～3000mg/kg，均高于加拿大、美国饲料协会的标准。
付水广等[22]测定了随机抽取的38个仔猪全价饲料，结果表明，样品Cu平均含量达kg，超标率高达%，Zn的超标率为%。
彭来真[21]对福建省4种主要禽畜粪便(猪粪、牛粪、鸡粪和鸭粪)中重金属含量进行分析测定，发现4种畜禽粪便均存在Cu、Zn、As、Cd、Cr和Pb中一种或几种重金属的超标问题，其中以猪粪Cu、Zn、As超标。