奶牛粪污染条件下土壤重金属的含量与分布

奶牛粪污染条件下土壤重金属的含量与分布摘要：采用野外试验研究了人工模拟降雨条件下，奶牛粪露天堆放还田对土壤重金属含量和分布的影响。

结果表明，在第26、40、53和80 d取样时，奶牛粪露天堆放下土壤表层0～10 cm和10～20 cm的铜锌含量均有增加，堆放80 d后0～10 cm土层中全铜、有效铜、全锌和有效锌总增加量最大，分别为1.89、0.54、7.83和1.35 mg·kg-1。

土壤重金属的内梅罗综合污染指数≤0.7，尚未形成污染。

此外，铜锌在土壤中的最大运移距离未超过20 cm，对地下水污染风险很小。

同时，奶牛粪堆放还田对土壤铜锌含量均有明显影响，长期及大面积堆放导致的点源及面源污染风险则应进行进一步研究和评估。

关键词：奶牛粪污染；土壤；重金属Heavy Metals Content and Distribution in Soil under Cow Manure Pollution ConditionAbstract：Using field experiment on the condition of artificial precipitation，the paper researched the effect of heaping and returning cow manure to the field in the open air on the content and distribution of heavy metals in soil. The results showed that the contents of copper and zinc in soil layers of 0～10cm and 10～20cm both increased when sampled on the 26th，40th，53th and 80th day. After 80 days，the increasing amount of total copper，available-copper，total zinc and available-zinc in the 0～10 cm soil layer were the biggest，that were 1.89 mg·kg-1，0.54 mg·kg-1，7.83 mg·kg-1 and 1.35 mg·kg-1 respectively.Nemero comprehensive pollution index of heavy metals in soil was ≤ 0.7，so there not yet formed pollution. Besides，the maximum transport distance of copper and zinc in soil don’t exceed 20cm，the pollution risk of groundwater was little. Meanwhile，the experiment results showed that heaping and returning cow manure to the field had obvious influence to the content of copper and zinc in soil，so the pollution risk of point-source and non-point source caused by long-term and large-area cow manure heaping should be further researched and evaluated.Key words：cow manure pollution；soil；heavy metals近年来，我国奶牛养殖业发展迅猛，目前全国奶牛存栏数每年增长率超过20%，2006年全国奶牛存栏数已达1 330万头左右[1]，奶牛业高速发展同时带来了数量惊人的废弃物和环境污染问题。

据报道，我国90%以上的禽畜养殖业尚未建立相关的污水处理和废弃物综合利用设施[2]。

而南京市土肥站2003年调查表明，南京市44个奶牛场中90%以上未经环境影响评价，85%以上废弃物直接排放或使用。

目前，我国畜禽养殖业滥用微量元素的现象普遍存在，主要是大剂量添加铜、锌和有机砷制剂等，而高剂量的微量元素畜禽吸收率仅有5%～20%，全国每年约有10万t微量元素未被利用而随畜禽粪便排入环境[3]。

奶牛粪中除了含有氮磷钾等元素外，同时也含有大量的重金属元素，随意堆放还田则可能产生潜在的环境威胁。

据报道，全国每年因重金属污染的粮食达1 200万t，直接经济损失至少200亿元[4]。

北京、广州、重庆等全国各地区均有菜地重金属污染及蔬菜重金属超标的报道[5]。

对于采矿、冶炼、污灌等导致的土壤重金属的污染及修复，国内外学者已做了大量研究工作[6-10]。

而关于集约化奶牛场污染对土壤重金属的影响的研究报道很少，因此本文针对我国禽畜业污染严重的实际情况，进行了奶牛粪堆放还田的野外模拟试验，对奶牛场污染条件下土壤重金属含量和分布进行了长期监测和研究，以期探明奶牛粪露天堆放及还田时重金属元素潜在的淋溶能力以及可能造成对土壤和地下水的污染风险，为集约化奶牛场的粪污管理和环境评价、奶牛养殖区片的调控措施及奶牛粪的农用标准制定提供一定的理论信息和决策依据。

1 材料与方法1.1 试验设计试验场地位于南京市江宁区青龙村循环农业园内，试验点用GPS全球定位，位于北纬31°56′50.7″，东经118°59′6.8″。

供试奶牛粪便取自于南京卫岗乳业集团第二牧场，奶牛粪的理化性质见表1。

试验地土壤为黄棕壤，从0～80 cm划分5层分别取样，土壤在垂直方向上理化性质见表2。

试验期间，地下水位在80 cm 左右，变幅不大。

根据对南京市集约化奶牛场及养殖散户奶牛粪排放还田的调查统计，其奶牛粪污露天堆放与还田负荷每公顷几十吨到上千吨不等，本文选择在试验区内一块平整土地上堆置的一个半径1.5 m圆形区域的奶牛粪堆，重500 kg，单位面积负载量为70.77 kg·m-2。

上面搭建塑料大棚防雨。

不同的大气降雨条件下，奶牛粪堆的含水量和渗滤液量不同，本文降雨条件模拟由南京2000～2006年7年来第4季度降雨量的实际背景对试验期间的大气降雨进行条件概化得出，人工模拟降雨条件。

监测工作从2006年10月1日起至12月20日止，分别在试验的第26、40、53、80天取样检测，共计4次。

1.2 试验观测与分析方法试验期间观测奶牛粪堆淋滤液流量和奶牛粪堆的物理性状变化。

奶牛粪分析指标为样品的pH值、全氮、全磷、全钾及砷、铜、锌、汞、镉的全量。

土壤分析指标为样品的pH值、有机质含量、铜、锌的全量和有效态铜、锌的含量。

pH 值用pH玻璃电极法测定；氮(N)采用凯氏定氮法测定；磷(P)用钒钼黄比色法测定；钾(K)用火焰分光光度计法测定。

重金属元素全量用HNO3—HClO4—HF消解，有效态重金属用DTPA提取，火焰原子吸收法测定。

2 结果与分析2.1 奶牛粪的重金属含量与性状变化分析目前我国尚未制定畜禽粪便重金属的控制标准，本文主要参考农业部“有机肥料行业标准”(NY525-2002)和“农用污泥中污染物控制标准”(GB4284-84)对试验采用的奶牛粪重金属含量进行评价。

检测结果表明本试验奶牛粪中不含砷元素，铜含量低于污泥农用标准的中性和碱性土壤(pH值≥6.5)的最高允许量500 mg·kg-1，锌含量低于污泥农用标准的中性和碱性土壤的最高允许量 1 000 mg·kg-1。

试验期间，观察到奶牛粪堆含水率一直较高，氨味很重。

直至第80天试验结束，粪臭味仍很明显，粪堆质地黏结，腐熟程度低。

因此可知在降雨条件下奶牛粪的露天堆放及还田处理的腐熟进程较慢。

监测表明试验前期粪堆淋滤液量较多，在第40天取样时已逐渐减少，但至试验结束时仍有少量渗滤液。

2.2 奶牛粪污染条件下不同土层的pH值变化奶牛粪露天堆放下土壤pH值变化如图1所示，由图1可看出，奶牛粪堆放对土壤表层的pH值有一定影响，在堆放26、40、53和80 d后取样表明，0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm土层的pH值均有所升高。

土壤的pH值是影响重金属淋溶和移动的重要因素，一般土壤对重金属的吸附能力随着pH值的升高而增加。

2.3 奶牛粪污染条件下不同土层铜分布与变化在人工模拟降雨条件下，奶牛粪经过80 d的露天堆放试验，土壤垂直方向中的全铜和有效态铜含量分布和变化情况如图2和图3所示。

由图2可以看出，奶牛粪露天堆放对土壤表层全铜含量有明显影响且影响时间较长。

堆放26 d后，土壤0～10 cm和10～20 cm土层的全铜含量均有明显增加，增加率为3.80%和2.07%。

土壤20 cm以下的全铜含量变化不明显。

堆放40、53、80 d后取样表明，土壤0～10 cm和10～20 cm土层的全铜含量均呈逐渐增加趋势，并随堆放时间延长增加率逐渐减小。

分析原因是由于人工模拟降雨条件下露天堆放的奶牛粪仍进行着缓慢的腐熟过程，后期淋滤液含量逐渐减少，因此进入土壤的铜元素减少。

同时有研究表明畜禽粪便堆肥前期产生大量可溶性有机碳(DOC)，易与重金属铜、锌等形成可溶性重金属络合物，增加其淋溶能力，而堆肥后期产生的腐殖质与铜锌结合后，通过吸附作用而降低其有效性。

本试验表明奶牛粪堆放还田的初期对土壤铜含量影响较大，随时间的延长而逐渐变小，堆放80 d后仍有一定影响。

铜在土壤中的迁移、转化受土壤pH值、土壤物理组成、大气降雨量以及耕作方式等多种因素的影响，外源铜进入土壤后易被土壤的粘土矿物、铁锰氧化物、腐殖质吸附持留，而表层土壤的有机质中的DOC与铜结合后则可促进其淋溶。

本试验结果表明，奶牛粪堆放还田的80 d内，铜元素在土壤中的最大运移距离未超过20 cm，淋溶风险较小，0～10 cm和10～20 cm土层的全铜总增加量为1.89 mg·kg-1和0.77 mg·kg-1，影响较为明显。

由图3可以看出，在第26、40和53天取样中，土壤0～10 cm土层的有效铜含量均有所增加，与全铜含量的增加趋势具有一致性，10 cm以下土层有效铜含量变化不明显，第80天取样时，0～10 cm土层的有效铜含量略有降低，80 d 后总的增加量为0.54 mg·kg-1。

分析原因可能为外源铜进入土壤后与腐殖质等活性基团发生了复杂的吸附、络合、还原等反应，使水溶态和交换态铜逐渐向有机结合态、碳酸盐结合态及铁锰氧化物结合态等形态转化，因此随着堆放时间的延长及土壤深度的增加，土层全铜含量虽有增加，但其生物有效性并没有相应的显著提高。