為調(diào)查豬糞和農(nóng)田土壤中Cu、Zn、As、Hg、Cr、Cd、Pb、Ni 8 種重金屬元素的累積和相關(guān)關(guān)系，文章抽取了30 篇已發(fā)表文獻中關(guān)于8 種重金屬濃度數(shù)據(jù)進行分析。原始分析包括上海周邊、浙江、江蘇、福建、山東、陜西、山西、青海、北京、河南、吉林、湘江下游、河北保定、廣東東莞、新疆烏魯木齊和石河子等地，共包括超過2000 個豬糞樣品和1700 個土壤樣品，取其中的均值共550 個進行分析。

分析發(fā)現(xiàn)：豬糞中Cu 超標最嚴重，Zn 次之;土壤中Cu、Zn 累積不多，但是多來自豬糞;土壤中Cd 超標最為嚴重，其次為Cr，且主要污染源不是來自豬糞。

前 言

土壤可以通過幾種不同的方式影響人們的健康，如食土癖、粉塵吸入或者通過其上種植的植物。農(nóng)田土壤中的重金屬可以通過污染蔬菜、谷物及果品等可食用植物進入人體，對人體健康造成潛在的危害。

近年來，有機食品生產(chǎn)和消費量大大上漲，在2012—2013 年中，有機食品的產(chǎn)量由21 萬噸增至32 萬噸，漲幅超過53%。在各種有機農(nóng)副產(chǎn)品的生產(chǎn)中，生物有機肥占據(jù)越來越重要的地位。然而，國內(nèi)的畜禽糞便重金屬超標率較高，尤其以豬糞為最，Cu 元素的超標率在54% 以上，有機肥中Pb 元素的超標率達80% 以上。重金屬通過食物鏈在人體內(nèi)累積，會對人體健康造成很大危害，如Pb 會傷害人的腦細胞，阻止兒童的智力發(fā)育;徐博的研究發(fā)現(xiàn)過量的Cu 在小鼠體內(nèi)蓄積會對心、肝、脾、腎等器官造成損害。Dassel 等人的研究發(fā)現(xiàn)過量的Cu 會導(dǎo)致肝硬化。研究發(fā)現(xiàn)，長期施用畜禽有機肥的土壤會積蓄糞污中的重金屬。本試驗中采用相關(guān)分析及多元統(tǒng)計分析方法，對17 篇包含豬糞中重金屬含量及14 篇包含農(nóng)田土壤重金屬含量的文章數(shù)據(jù)進行提取分析。

文章的搜索關(guān)鍵詞為：豬糞、有機肥、土壤、農(nóng)田土壤、重金屬;選取原則為：研究性文章，包括豬糞中的重金屬含量和豬糞有機肥，農(nóng)田土壤中重金屬含量;發(fā)表數(shù)據(jù)包括平均數(shù)。排除綜述性文章、文章中為其他動物的糞便重金屬含量及其他因素污染土壤的文章。以保證本文中所選取的土壤中主要的外在影響因素為豬糞有機肥和灌溉水。

探討豬糞中重金屬含量與農(nóng)田土壤中重金屬含量的聯(lián)系，對解釋重金屬轉(zhuǎn)移、重金屬污染溯源具有重要意義。

1 材料與方法

1.1試驗材料

文章中所用數(shù)據(jù)均為國內(nèi)已發(fā)表論文，其中包含豬糞重金屬污染21 篇，農(nóng)田土壤重金屬含量共14 篇，從2005 年到2016 年，其數(shù)據(jù)量見表 1。

所選文章中有施用對應(yīng)豬糞的土壤數(shù)據(jù)，也有單獨的豬糞、土壤數(shù)據(jù)，將所有的豬糞和土壤數(shù)據(jù)合并起來進行分析。所選文章中只有陳芳等報道了施用年限為12 a，且其為研究所內(nèi)試驗田，并非普通農(nóng)田。在普通農(nóng)田的調(diào)查研究中，并無豬糞施用年限的數(shù)據(jù)。

選取每篇報道中Cu、Zn、As、Cr、Cd、Pb、Ni、Hg 元素的均值，共包括550 個，其采樣地點包括上海周邊、浙江、江蘇、福建、山東、陜西、山西、青海、北京、河南、吉林、湘江下游、河北保定、廣東東莞、新疆烏魯木齊和石河子等地，較大范圍地包括了中國國內(nèi)地區(qū)，所測豬糞樣品超過2000 個，土壤樣品超過1700 個，可以在一定程度上代表國內(nèi)豬糞和農(nóng)田土壤中重金屬含量。

1.2統(tǒng)計分析方法

重金屬單項污染指數(shù)評價：Pi = Ci/Si;Pi 為某種重金屬的污染指數(shù);Ci 為某種重金屬實際含量;Si 為某項重金屬的含量限值;Pi≤1 為合格，Pi >1 為超標。

PN 為Nemerow 綜合污染指數(shù);Pmean 為各單項污染指數(shù)(Pi)的平均值;Pmax 為各單項污染指數(shù)中最大值。

統(tǒng)計分析使用Pearson 相關(guān)分析，檢測豬糞中與農(nóng)田土壤中的重金屬含量相關(guān)性;采用主成分分析，并使用變量投影重要性(VIP)篩選出豬糞和農(nóng)田土壤中代表性的污染重金屬。

2 結(jié)果與分析

2.1豬糞及農(nóng)田土壤中的重金屬超標率及含量分布

從表 2 可以看出，豬糞中重金屬超標率從大到小為Cu、Zn、As、Hg、Cd，各研究中只有Cr、Pb 和Ni 沒有超標。土壤中重金屬的超標率從大到小為Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Ni、As、Zn，每種重金屬都有超標。

豬糞中Cu 元素的超標率為100%(表 2 )，從圖 1 可以看到，豬糞中Cu 元素的濃度多在300~750 mg/kg，并且在1050~1200 mg/kg 時也有一個小高峰，故Cu 的平均Pi 較高，為5.30。Zn 的超標率為84%，且多集中在較低的超標濃度，平均Pi 為2.44。As 的超標率為34.09%，但是As 大多數(shù)集中在濃度較低的部分，平均Pi 為0.84，標準差為1.27，變異幅度較小。Hg 的超標率為11.50%，平均Pi 為0.39，標準差為1.41，有兩個試驗中Hg 濃度較高。Cd 的超標率為5.00%，平均Pi 為0.78，標準差為2.96，變異較大。

農(nóng)田土壤中超標率最高的為Cd 元素，超標率為52.94%，平均Pi 為2.04，標準差為3.29，超標的試驗數(shù)據(jù)較多(表 2，圖 2);Cr 的超標率24.24%，平均Pi 為0.61，標準差為0.64，大部分數(shù)據(jù)都低于100 mg/kg;Cu 的超標率10.26%，平均Pi 為0.64，標準差為0.28，超標率較低，且濃度比較低，所以平均Pi 比較低;Hg 的超標率8.33%，平均Pi 為0.29，標準差為0.66;Pb 的超標率5.56%，平均Pi 為0.33，標準差為0.30;Ni 的超標率5.26%，平均Pi 為0.34，標準差為0.38;As 的超標率3.13%，平均Pi 為0.23，標準差為0.28;Zn 的超標率2.94%，平均Pi 為0.44，標準差為0.28。Hg、Pb、Ni、As 4 個元素的超標率較低。

2.2豬糞及農(nóng)田土壤中的重金屬含量相關(guān)分析

表 3 是土壤和豬糞中重金屬含量的相關(guān)性分析結(jié)果。從表3 可以看出，相關(guān)性最高的為土壤中Ni 含量和豬糞中Hg 含量，呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.913;同時土壤中的Ni 與豬糞中的Cd 呈顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為 –0.625。土壤中的Cr 與豬糞中Zn、As、Cr、Cd 和Pb 重金屬元素均顯著相關(guān)。土壤中的Cu、As、Cd 與豬糞中重金屬元素無顯著相關(guān)。土壤與豬糞中相對應(yīng)重金屬顯著相關(guān)的有Hg、Cr、Pb;土壤中的Ni 與豬糞中的Ni 因數(shù)據(jù)原因，無法計算相關(guān)性。

2.3豬糞及農(nóng)田土壤中的重金屬含量主成分分析

表 4 是將豬糞和土壤中的8 種重金屬濃度數(shù)據(jù)結(jié)合在一起使用主成分分析所得到的結(jié)果。從表 4 中可以看出，兩個成分即可以解釋模型中68% 的變異，成分提取停止。同時結(jié)合變量投影重要性分析發(fā)現(xiàn)，在8 種重金屬元素中，Pb 和Ni 是最重要的兩種元素，VIP 值分別為2.411 和2.223;接下來是Cu 和Zn，VIP 值分別為2.169 和2.065。

3 討 論

3.1豬糞及農(nóng)田土壤中重金屬超標率及含量分布

從結(jié)果中看到，豬糞中Cu、Zn 超標率極高，這是因為在豬的飼糧中添加高Cu 和高Zn 可以促進豬的生長，故而在飼料中添加劑量較高，可達到250 mg/kg。而在飼料中多以CuSO4˙5H2O 、ZnSO4˙2H2O 和ZnSO4˙7H2O 等無機物的形式添加，其生物學效價低于金屬螯合物的有機添加形式。有機金屬添加形式在較低添加量時可以達到在無機礦物添加劑在高劑量時才能達到的生物效果，改用有機金屬添加可以降低糞污中金屬元素的排出及對環(huán)境的污染。

在飼料中添加蛋氨酸鉻對豬的生長育肥具有促進作用，但在試驗中只添加200 μg/kg 即可達到很好的效果，其添加量只有有機肥限值的千分之一左右，飼料衛(wèi)生標準的百分之二，遠低于限值，故而在豬糞中沒有超標。

其余如As、Hg、Cd，雖然有超標，但是這3 種元素對豬的生產(chǎn)性能沒有促進作用，反而有很強的毒性，在有機肥的標準中As、Hg、Cd 的限值低于其他元素，同時在飼料安全衛(wèi)生標準中對這3 種重金屬的限值也很低，Pb、Ni 元素也同上述3 種重金屬類似。

而在農(nóng)田土壤中，超標率最高的元素是Cd，接下來是Cr 和Cu 元素。除去Cd、Cr、Cu，剩下的重金屬超標率均低于10%，甚至Zn 的超標率只有2.94%。土壤中的重金屬可以通過食物鏈進入人體累積，并最終影響人體健康。

從單項污染指數(shù)可以看出，在豬糞中，Cu、Zn 顯著高于其他6 種金屬;在土壤中則是Cd 遠高于其他7 種，說明豬糞和土壤污染的主要貢獻金屬不同。且豬糞的Nemerow 綜合污染指數(shù)高于土壤，說明在施用有機肥的情況下豬糞中污染最重要的Cu、Zn 并沒有大量地累積在土壤中。且從二者的Nemerow 綜合污染指數(shù)就可以看出， 土壤污染較豬糞輕。

3.2豬糞及農(nóng)田土壤中重金屬含量的相關(guān)性

豬糞中的重金屬主要由其飼糧帶來，Cr 可以增強胰島素在體內(nèi)的生理功能，進而提高動物的生長、繁殖性能;Cu、Zn 的添加也可以提高動物的生長性能。在畜牧生產(chǎn)中，Cu、Zn、Cr 除去飼料原料，如谷物、飼草等所帶來的之外，還由畜牧生產(chǎn)者額外添加礦物原料，導(dǎo)致在豬糞中Cu、Zn 過高的超標率。Cr 為土壤中超標率排在第二的重金屬，Cr 與豬糞中較多重金屬元素存在顯著正相關(guān)，可以發(fā)現(xiàn)土壤中的Cr 元素與豬糞中的Cr、Zn 和Cd 具有顯著正相關(guān)。可以認為土壤中的Cr、Zn 在很大程度上由豬糞帶來。

農(nóng)田中超標率最高的元素為Cd，其與豬糞中的其他任何一種重金屬元素都沒有顯著相關(guān)，與豬糞中的Cd 元素更是呈負相關(guān)。金屬Cd 具有較大的動物毒性，在動物生產(chǎn)當中并無積極作用，故而土壤中的金屬Cd 不是由施用動物糞便的有機肥所導(dǎo)致。金屬Cd 較多地應(yīng)用在電子制造行業(yè)中，如鎘鎳電池、鎘鍍層、顏料等，故土壤中的金屬Cd 有很大可能是灌溉水被污染所導(dǎo)致。土壤中Cu 的超標率也較高，且在豬糞中Cu 的超標率為100%，可以推測在生產(chǎn)中Cu 的添加量極高;相關(guān)分析中，土壤和豬糞中Cu 并無顯著相關(guān)，只有較小的相關(guān)性，由此推測土壤Cu 在一定程度上是由豬糞所帶來，但并不是主要因素。

土壤與豬糞中相對應(yīng)重金屬有顯著正相關(guān)關(guān)系的為Hg、Cr、Pb，說明土壤中這些重金屬在很大程度上是由豬糞所帶來。

3.3豬糞及農(nóng)田土壤中重金屬主成分分析及標志性重金屬的篩選

從圖 3 可以看出，8 種重金屬分成兩個主成分，與第一主成分相關(guān)性較大的為Ni、Pb、Cr、Hg、Cu、Zn，第二主成分為As、Cd。第一主成分主要由工業(yè)廢棄物的重金屬和糞便中的重金屬所組成，第二主成分主要由工業(yè)廢水中的重金屬組成。其中Ni、Pb、Cr、Hg 聚在一起，Cu、Zn 聚在一起，二者在第一主成分上呈負相關(guān)。在相關(guān)分析中，Hg、Cr、Pb 與對應(yīng)的重金屬呈顯著正相關(guān)，Ni 元素由于數(shù)據(jù)問題，無法檢測相關(guān)性。As、Cd 在主成分分析的變量投影重要性較低，在主成分分析中忽略。

將主成分分析與相關(guān)分析結(jié)合起來可以看出，Cu、Zn 在一定程度上來源于豬糞，通過施用有機肥累積在農(nóng)田土壤中。土壤中的Pb、Cr、Hg 與飼料中相應(yīng)的Pb、Cr、Hg 具有顯著正相關(guān)，說明有機肥中的Pb、Cr、Hg 在土壤中累積，會提高土壤中相應(yīng)的濃度。建議在畜牧生產(chǎn)中降低Cu、Zn、Cr 的添加量，或者在飼料中的添加改為有機螯合物的添加形式，可以提高動物對金屬元素的利用率。并且在畜牧生產(chǎn)中嚴格控制飼料原料的Pb、Hg 含量，防止在糞便有機肥中的累積。

Ni 由于數(shù)據(jù)缺失原因，無法進行相關(guān)性分析。在主成分分析中，Ni 的VIP 值較高，說明Ni 的濃度也可以較好地解釋土壤和糞便中重金屬的變異。這個結(jié)果與王飛等在2013 年的結(jié)果不同，他們的分析中，以Cr 元素為最大。這可能與其分析中納入了其他動物糞便有關(guān)。

從上述分析可以看出，土壤中重金屬超標率最高的是Cd，并且不是來源于糞便有機肥，而是由工業(yè)廢棄物通過污水灌溉所致。

4 結(jié) 論

土壤Pb、Cr、Hg 與豬糞有機肥中相應(yīng)重金屬顯著相關(guān)，而Ni 因為數(shù)據(jù)原因無法進行相關(guān)分析。但Pb、Ni 是重金屬污染中標志性重金屬。

土壤Cu、Zn 與豬糞有機肥中的Cu、Zn 相關(guān)性不大，但豬糞有機肥中的Cu、Zn 對土壤重金屬中Cu、Zn 累積具有一定的作用。

來源:《土壤》  作者:趙睿等

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