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摘要 为查明畜禽养殖业对北京市顺义区龙湾屯镇生态环境造成的影响，对龙湾屯镇畜禽养殖污染开展了深入研究。结果表明，除猪场样点3中的Cu和Zn含量高于农用地土壤污染风险筛选值外，畜禽养殖区外围其他样点中的Cd、Hg、As、Cu、Zn、Ni含量均低于农用地土壤污染风险筛选值;与北京市土壤背景值相比，畜禽养殖区外围土壤中的Hg、As、Cu、Zn、Ni 这5种重金属元素均有不同程度超标，说明有外源物质进入，外源物质主要为畜禽养殖区的动物粪便;单因子污染指数评价结果显示，除猪场样点3的Cu、Zn污染指数在1～2，为Ⅱ级轻度污染外，畜禽养殖区外围其他样点的单因子污染指数均小于1，为Ⅰ级无污染;内梅罗综合污染指数（PN）评价结果显示，除猪场样点3的PN在1～2，为Ⅲ级轻度污染外，畜禽养殖区外围其他样点的PN均小于0.7，为Ⅰ级清洁（安全）;潜在生态危害指数法评价结果表明，Hg为龙湾屯镇畜禽养殖区外围土壤重金属的主要生态危害因子，应将其作为优先控制的污染元素;龙湾屯镇畜禽养殖区外围地下水不符合《生活饮用水卫生标准》，总大肠菌群、菌落总数和硝酸盐均有一定程度超标，造成其超标的主要原因可能是未经过处理的养殖废水随地表水进入地下水;由于施过动物粪便的土壤中存在一定的粪大肠菌群，这些粪大肠菌群会通过土壤渗滤途径进入地下水，最终对井水产生影响。
关键词 畜禽养殖;土壤重金属;地下水;生态危害
中图分类号 X713文献标识码 A文章編号 0517-6611（2020）07-0089-06
doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.07.027
Effect of Livestock and Poultry Pollution on Soil and Groundwater—A Case Study of Longwantun Town， Shunyi District， Beijing
GU Jing， HE Lizhao， ZHANG Haiou et al
（Guangxi Bossco Environmental Protection Technology Co.， Ltd.，Nanning，Guangxi 530007）
Abstract In order to find out the influence of livestock and poultry farming on the ecological environment of Longwantun Town， we carried out an in-depth study on the pollution of livestock and poultry breeding in Longwantun Town. The results showed that the content of Cu and Zn in pig plot 3 was higher than that in agricultural soil pollution risk screening value， and the Cd， Hg， As， Cu， Zn， Ni content in other sampling sites around livestock and poultry breeding area was lower than that in agricultural land soil pollution risk screening value. Compared with the background value of soil in Beijing， the five heavy metal elements of Hg， As， Cu， Zn， Ni in the soil around the livestock and poultry breeding areas exceeded the standard in varying degrees， indicating that there were foreign substances entering， and the exogenous substances were mainly animal feces in the livestock and poultry breeding areas. The results of single factor pollution index evaluation showed that except the Cu， Zn pollution index of pig farm sample point 3 was between 1 and 2， which was gradeⅡslight pollution， the single factor pollution index of other samples around livestock and poultry breeding area was less than 1， which showed that there was no pollution of gradeⅠ. The results of Nemero comprehensive pollution index evaluation （PN） showed that except the PN of pig farm sample point 3 was between 1 and 2， which was grade Ⅲ slight pollution， the PN of other sampling sites around livestock and poultry breeding area was less than 0.7，which was gradeⅠclean （safe）. The evaluation results of potential ecological hazard index showed that Hg was the main ecological hazard factor of heavy metals in the surrounding soil of Livestock and Poultry breeding area in Longwantun Town， and it should be regarded as the pollution element of priority control. The groundwater outside the livestock and poultry breeding area in Longwantun Town did not meet the Sanitation Standard of Drinking Water， and the total coliform， total colony and nitrate exceeded the standard to a certain extent. The main reasons for exceeding the standard may be the untreated aquaculture wastewater enters into groundwater with the surface water;due to the presence of fecal coliform in the soil where animal excrement has been applied， there is a certain number of fecal coliform bacteria in the soil. These fecal coliform groups will enter into groundwater through soil percolation， which will eventually affect well water. In allusion to the pollution problem of livestock and poultry breeding in Longwantun Town， the corresponding prevention and control countermeasures were put forward. Key words Livestock and poultry breeding;Soil heavy metal;Groundwater;Ecological hazard
基金项目 南宁市科学研究与技术开发计划项目（20193009）。
作者简介 顾静（1981—），女，陕西西安人，工程师，博士，从事环境污染防治与修复研究。
通信作者，高级工程师，博士，从事环境污染防治与修复研究。
收稿日期 2019-04-23;修回日期 2019-09-23
畜禽養殖业是我国农业的重要组成部分，其产值仅次于种植业。但集约化、规模化养殖废物产量大，对生态环境造成严重影响[1-5]。《第一次全国污染源普查公报》共收集了2007年度2 899 638个农业源普查对象的污染物排放情况，其中畜禽养殖业普查对象占67.7%。畜禽养殖业主要污染物排放统计了粪便排放和水污染物2项，其中畜禽养殖业粪便产生量2.43亿t，尿液产生量1.63亿t;水污染物排放量中，化学需氧量1 268.26万t、总氮102.48万t、总磷16.04万t、铜2 397.23 t、锌4 756.94 t，分别占农业污染源排放量的9578%、37.89%、56.34%、94.03%和97.83%，而且化学需氧量是工业源的4.03倍[6-7]。因此，规模化畜禽养殖业是我国环境污染的重要来源之一。
北京市顺义区龙湾屯镇环境优美，景色宜人，具有得天独厚的自然资源、丰厚的文化底蕴和优质的果品资源。该镇作为农业发展强镇，畜禽养殖业和农业较为集中，存在2个大型的畜禽养殖场和多个养殖小区。为查明畜禽养殖业对周围生态环境造成的影响，笔者对该镇的畜禽养殖污染开展了全面调查和深入研究。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
龙湾屯镇为顺义区辖镇，位于区境东北部，北接密云，东临平谷，距北京市区60 km，距顺义城区30 km，距首都国际机场35 km。辖13个行政村，面积54.4 km2，人口1.6万人。其中耕地面积0.17万hm2，山地面积0.25万hm2，占全区山地总面积近2/3（图1）。龙湾屯镇属于暖温带半湿润季风性大陆气候，其主要特征是四季分明，春季干旱多风，夏季炎热多雨，秋季天高气爽，冬季寒冷干燥。该地区降雨相对集中，风向有明显的季节变化，冬季以北风和西北风为主，夏季则多为偏南风。该镇最高和最低月平均气温分别出现在7月和1月，年平均气温为11 ℃左右。
1.2 样点选择、样品采集与试验测定
根据实地调研结果，选定丁甲庄村顺鑫集团杜洛克原种猪场、丁甲庄村大发正大有限公司种鸡场、七连庄村养殖小区堆粪坑作为研究样点（图1），主要采集土壤和地下水样品。
1.2.1 丁甲庄村顺鑫集团杜洛克原种猪场。
顺鑫集团杜洛克原种猪场位于龙湾屯镇丁甲庄村（40°15′51″N，116°49′14″E），建成于2002年，总面积约8.67 hm2，养殖数量约6 000头。土壤采样点设置在养殖区外约500 m范围内，采用网格法进行随机布点，网格大小为200 m×200 m。布设样点1（菜地）、样点2（果园）和样点3（粪池周围林地）3个采样小区，每个采样小区采用梅花点法采集3个样品组成一个混合样品，共采集9个土壤样品。样点1和样点3的土壤样品采集深度为0～20 cm，样点2的土壤样品采集深度为0～60 cm。样品运输、保存、分析和测定均按照《土壤环境监测技术规范》（HJ/T 166—2004）要求执行，测定指标包括粪大肠菌群、pH、水分、Cu、Zn、Cd、Ni、As、Hg共9项。
地下水样品采集点选择在养殖区外的自备井中，据实地调查，猪场养殖区外围地下水既可用作灌溉水又可用作饮用水。地下水样品的采集、运输、保存、分析和测定均按照《地下水环境监测技术规范（HJ/T 164—2004）》和《生活饮用水标准检验方法》（GB 5750）要求执行，测定指标为pH、总硬度、溶解性总固体、氯化物、挥发酚、耗氧量、氨氮、硫化物、总大肠菌群、菌落总数、亚硝酸盐、硝酸盐、氰化物、氟化物、Hg、As、Cd、Cr（六价）、Pb、总α放射性、总β放射性共21项。
1.2.2 丁甲庄村大发正大有限公司种鸡场。
丁甲庄村大发正大有限公司种鸡场位于龙湾屯镇丁甲庄村（40°15′33″N，116°49′24″E），建成于1985年，总面积约13.33 hm2，养殖数量约18万只。土壤采样点设置在养殖区外约500 m范围内，采用网格法进行随机布点，网格大小为200 m×200 m。布设样点1（菜地）、样点2（菜地）、样点3（菜地）3个采样小区，每个采样小区采用梅花点法采集3个样品组成一个混合样品，共采集3个土壤样品，采集深度为0～20 cm。样品运输、保存、分析和测定均按照《土壤环境监测技术规范》（HJ/T 166—2004）要求执行，测定指标包括粪大肠菌群、pH、水分、Cu、Zn、Cd、Ni、As、Hg共9项。
地下水采样点设置在鸡场养殖区外围的自备井中，据实地调查，鸡场养殖区外围地下水既为生活饮用水。地下水样品的采集、运输、保存、分析和测定均按照《地下水环境监测技术规范（HJ/T 164—2004）》和《生活饮用水标准检验方法》（GB 5750）要求执行，测定指标为pH、总硬度、溶解性总固体、氯化物、挥发酚、耗氧量、氨氮、硫化物、总大肠菌群、菌落总数、亚硝酸盐、硝酸盐、氰化物、氟化物、Hg、As、Cd、Cr（六价）、Pb、总α放射性、总β放射性共21项。 1.2.3 七连庄村养殖小区堆粪坑。
七连庄养殖小区堆粪坑面积约0.20 hm2（40°12′26″N，116°54′41″E），堆积粪便类型为猪粪。为查明堆粪对该区域土壤的影响，在该区域无粪便堆积的地块上设1个柱状样采样点，采样深度为1 m，共采集3个土壤样品，其中表层样采集深度为0～20 cm，中层样采集深度为20～60 cm，深层样采集深度为60～100 cm。样品采集、运输、保存、分析和测定均按照《土壤环境监测技术规范》（HJ/T 166—2004）和《畜禽养殖业污染物排放标准》（GB 18596—2001）要求执行，测定指标为粪大肠菌群、pH、水分、Cu、Zn、Cd、As、Hg共9项。
由于受采样时间、人员和环境等条件限制，七连庄养殖小区堆粪坑周围未采集地下水样品。
1.3 评价方法
1.3.1 单因子污染指数法。
单因子污染指数法适用于单一因子污染的特定区域的评价，可以反映单一污染物的污染程度，是其他环境质量指数、环境质量分级和综合评价的基础，表达式如下：
Pi = Ci/Sip（1）
式中，Pi为土壤中污染物i的环境质量指数，Ci为污染物i的实测含量，Sip为污染物i的评价标准。
根据Pi的大小，将土壤污染程度划分为5级。若Pi≤1，表示土壤未受到人为污染，否则表示土壤已受到人为污染，P越大，则表示受到的污染程度越高，分级标准详见表1。
1.3.2 内梅罗综合污染指数法。
内梅罗综合污染指数法反映了各项污染物对土壤的作用，同时突出了高浓度污染物对土壤环境质量的影响，兼顾了单因子污染指数平均值和最大值。内梅罗综合污染指数（PN）的计算公式如下：
PN ={[（平均单项污染指数）2 +（最大单项污染指数）2]/2}1/2（2）
根据PN的大小，将土壤污染程度划分为5级，PN越大，则表示受到的污染程度越高。分级标准详见表2。
1.3.3 潜在生态危害指数法。
潜在生态危害指数法由瑞典科学家Hakanson[8]所提出，该法是基于重金属性质及环境行为特点，从沉积学角度提出的对土壤或沉积物中重金属污染进行评价的方法。该方法综合考虑了重金属毒性、在土壤中的迁移规律、评价区域对重金属污染的敏感性以及重金属区域背景值的差异，消除了区域差异影响，体现了生物有效性、相对贡献、地理空间等特点，可综合反映重金属对生态环境的影响潜力[9-10]。潜在生态危害指数涉及到单项污染系数、重金属毒性响应系数以及潜在生态危害单项系数，其公式分别为：
RI=Eir（3）
Eir=Tir/Cif（4）
Cif=Ci/Cin（5）
式中，RI为多种重金属潜在生态危害指数;Eir为某种重金属的潜在生态危害单项系数;Tir为某种重金属的毒性系数，该研究中Cd、Hg、As、Cu、Zn、Ni 6种重金属元素的毒性系数分别为30、40、10、5、1、5[9-10];Cif为重金属的单项污染系数;Ci为表层土壤重金属浓度实测值;Cin为参比值，该研究选用北京市土壤背景值[11-12]作为参比值。分级标准见表3。
2 结果与分析
2.1 土壤重金属含量分析
2.1.1 猪场养殖区外围土壤重金属含量分析。
2.1.1.1
与《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》对比。从表4可以看出，样点1和样点2的Cd、Hg、As、Cu、Zn、Ni含量均低于《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）（以下简称标准）中的农用地土壤污染风险筛选值，说明样点1和样点2这6种重金属含量对农产品质量、农作物生长的风险低，一般情况下可以忽略。
样点3的Cd、Hg、As、Ni含量均低于《标准》中的农用地土壤污染风险筛选值，说明样点3的Cd、Hg、As、Ni含量对农产品质量、农作物生长的风险低，一般情况下可以忽略。但样点3的Cu和Zn含量高于《标准》，且分别高出0.78和0.96倍，说明样点3的Cu和Zn对农作物生长可能存在风险，应当加强土壤环境监测和农产品协同监测。
2.1.1.2 与北京市土壤背景值对比。
土壤重金属含量背景值是制定土壤环境质量标准的重要依据[13-14]，是判断人为原因导致土壤中重金属积累的基础，有助于确定土壤重金属的来源以制定管理对策[15-16]。该研究采用北京市土壤背景值进行比对，结果表明（图2），样点1的Cd、Hg、Ni含量均低于北京市土壤背景值，但As、Cu、Zn含量分别高出北京市土壤背景值的0.27、0.43、1.14倍;样点2的Cd、Hg、Ni含量均低于北京市土壤背景值，但As、Cu、Zn含量分别高出北京市土壤背景值的0.43、0.36、1.14倍;样点3的Cd、Hg含量均低于北京市土壤背景值，但As、Cu、Zn、Ni的含量分别高出北京市土壤背景值的0.28、0.77、5.82、0.08倍。
土壤重金属含量背景值分析表明，由于3个样点的As、Cu、Zn含量均超过北京市土壤背景值，因此这3种重金属均有外源物质进入。通过实地调查，发现样点1和样点2所在区域近年来一直施用养殖场内的猪粪作为肥料，该肥料是导致这3种重金属含量特别是Zn含量增加的主要原因。样点3靠近猪场3个粪池，该区域Zn含量超过土壤背景值约6倍，判断是受到了粪池渗漏的影响。前人研究成果也表明[17]，饲料中添加Cu、Zn等重金属元素能改善猪的生长性能。高Cu能提高饲料利用率，促進猪生长;高Zn能减轻仔猪腹泻，促进生长发育;有机As化合物是控制猪疾病和增加体重的饲料添加剂，As添加剂也正受到公众关注。最终大部分重金属会直接通过动物体内排出，如进入畜禽体内90%～95%的Zn从粪便中排出。因此畜禽养殖场外围土壤中Zn、Cu、As的主要来源为施用的养殖场猪粪。 2.1.2 鸡场养殖区外围土壤重金属含量分析。
2.1.2.1 与《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》对比。
从表5可以看出，样点1、样点2和样点3的Cd、Hg、As、Cu、Zn、Ni含量均低于《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）（以下简称标准）中的农用地土壤污染风险筛选值，说明样点1、样点2和样点3这6种重金属含量对农产品质量、农作物生长的风险低，一般情况下可以忽略。
2.1.2.2 与北京市土壤背景值对比。
从图2可以看出，样点1的Cd、Hg、Cu、Zn、Ni含量均低于北京市土壤背景值，但As含量高出北京市土壤背景值0.05倍;样点2的Cd、Hg、Cu、Zn、Ni含量均低于北京市土壤背景值，但As含量高出北京市土壤背景值0.13倍;样点3的Cd、Hg、Cu、Ni含量均低于北京市土壤背景值，但As、Zn含量分别高出北京市土壤背景值的0.33和0.18倍。分析结果表明，As和Zn这2种重金属均有微弱的外源物质进入，来源可能为施用的养殖场鸡粪。
2.1.3 养殖小区堆粪坑内土壤重金属含量分析。
2.1.3.1 与《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》对比。
从表6可以看出，0～20、20～60和60～100 cm深度的Cd、Hg、As、Cu、Zn含量均低于《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）（以下简称标准）中的农用地土壤污染风险筛选值，说明堆粪坑1 m深度内这6种重金属含量对农产品质量、农作物生长的风险低，一般情况下可以忽略。
2.1.3.2 与北京市土壤背景值对比。从图2可以看出，
0～20 cm深度的Cd、As、Cu、Zn含量均低于北京市土壤背景值，仅Hg 含量高出北京市土壤背景值0.67倍;20～60 cm深度的Cd含量低于北京市土壤背景值，但Hg、As、Cu、Zn含量分别高出北京市土壤背景值的0.33、0.13、0.03、0.06倍;60～100 cm深度的Cd、As、Cu、Zn含量均低于北京市土壤背景值，仅Hg含量高出北京市土壤背景值的0.33倍。分析结果显示，Hg在3种不同深度含量都偏高，超出北京市土壤元素背景值的0.3～0.7倍，表明有少量的外源进入;另外，堆粪坑的中部20～60 cm，土壤重金属污染较上部和下部严重，且Hg、As、Cu、Zn都有不同程度的超标，表明堆粪坑中部的土壤重金属累积较上部和下部强，推断污染物来源主要为土壤上部的堆粪。
2.2 畜禽养殖场外围土壤重金属污染评价
此次研究采用单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法以及潜在生态风险指数法对研究区土壤重金属污染进行评价，评价标准采用《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）中的筛选值作为保障农业生产、维护人体健康的土壤限制值。
单因子污染指数和内罗梅综合污染指数评价结果见表7，单因子污染指数（Pi）评价结果显示，除猪场样点3的Cu、Zn污染指数在1～2，为Ⅱ级轻度污染外，畜禽养殖区外围其他样点的单因子污染指数均小于1，为Ⅰ级无污染。内梅罗综合污染指数（PN）评价结果显示，除猪场样点3的PN在1～2，为Ⅲ级轻度污染外，畜禽养殖区外围土壤的PN均小于0.7，为Ⅰ级清洁（安全）。因此，需关注猪场样点3（粪池周围）的土壤重金属污染，重点关注污染元素为Cu、Zn。
潜在生态危害指数评价结果见表8，参考分级标准（表3），顺鑫集团杜洛克原种猪场外围3个样点和大发正大种鸡场养殖区外围3个样点的Cd、Hg、As、Cu、Zn、Ni 6种重金属元素的Eir均小于40，RI均小于150，均属于轻微生态危害;七连庄养殖小区堆粪坑3个深度的Cd、As、Cu、Zn 4种重金属元素的Eir均小于40，为轻微生态危害;重金属Hg的Eir为52～60，属于中等生态危害;5种重金属RI均小于150，属于轻微生态危害。因此，Hg为龙湾屯镇3个养殖样点外围土壤重金属的主要生态危害因子，应将其作为优先控制的污染元素。
2.3 畜禽养殖对地下水影响
顺鑫集团杜洛克原种猪场养殖区外围地下水监测结果表明（表9），除总大肠菌群超标较严重，菌落总数超标0.8倍外，其他地下水检测指标均符合《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）。大发正大种鸡场养殖区外围监测结果表明（表9），除硝酸盐超标0.53倍外，其他地下水检测指标均符合《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）。以上监测结果表明，顺鑫集团杜洛克原种猪场和大发正大种鸡场养殖区外围地下水均不符合《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006），总大肠菌群、菌落总数和硝酸盐都有一定程度超标。通过分析，造成这几种污染物超标的主要原因可能是：①未经过处理的养殖废水随地表水进入地下水;②由于施过动物粪便的土壤中存在一定的粪大肠菌群（表1），这些粪大肠菌群会通过土壤渗滤途径进入地下水，最终对井水产生影响。
3 结论
（1）猪场样点1和样点2，鸡场3个样点，以及堆糞坑不同深度的Cd、Hg、As、Cu、Zn、Ni含量均低于《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）中的农用地土壤污染风险筛选值，表明这6种重金属含量对农产品质量、农作物生长的风险低，一般情况下可以忽略。 猪场样点3的Cu和Zn含量高于《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）中的农用地土壤风险筛选值，说明样点3的Cu和Zn对农作物生长可能存在风险，应当加强土壤环境监测和农产品协同监测。
（2）与北京市土壤背景值相比，3个畜禽养殖区外围土壤中的Hg、As、Cu、Zn、Ni 5种重金属元素均有不同程度超标，说明这些区域土壤中有外源物质进入。分析表明，土壤中的外源物质主要为畜禽养殖区的动物粪便。
（3）单因子污染指数评价结果显示，除猪场样点3的Cu、Zn污染指数在1～2，为Ⅱ级轻度污染外，畜禽养殖区外围其他样点的单因子污染指数均小于1，为Ⅰ级无污染。
内梅罗综合污染指数（PN）评价结果显示，除猪场样点3的PN在1～2，为Ⅲ级轻度污染外，畜禽养殖区外围土壤的PN均小于07，为Ⅰ级清洁（安全）。因此，需关注猪场样点3（粪池周围）的土壤重金属污染，重点关注污染元素为Cu和Zn。
潜在生态危害指数评价结果表明，顺鑫集团杜洛克原种猪场外围3个样点和大发正大种鸡场养殖区外围3个样点的Cd、Hg、As、Cu、Zn、Ni 6种重金属元素的Eir均小于40，RI均小于150，均属于轻微生态危害。七连庄养殖小区堆粪坑3个深度的Cd、As、Cu、Zn 4种重金属元素的Eir均小于40，为轻微生态危害;重金属Hg的Eir介于52～60，为中等生态危害;5种重金属RI均小于150，属于轻微生态危害。因此，Hg为龙湾屯镇3个养殖样点外围土壤重金属的主要生态危害因子，应将其作为优先控制的污染元素。
（4）龙湾屯镇畜禽养殖区外围（顺鑫集团杜洛克原种猪场和大发正大种鸡场养殖区外围）地下水均不符合《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006），总大肠菌群、菌落總数和硝酸盐都有一定程度超标。通过分析，造成这几种污染物超标的主要原因可能是：①未经过处理的养殖废水随地表水进入地下水;②由于施过动物粪便的土壤中存在一定的粪大肠菌群，这些粪大肠菌群会通过土壤渗滤途径进入地下水，最终对井水产生影响。
（5）针对龙湾屯镇畜禽养殖污染提出以下防治对策：①合理安排畜禽养殖区的生产布局，加强对畜禽养殖区周边土壤重金属污染的监测力度，优化饲料配方，严格控制兽药和饲料重金属的使用量。②行污染源管控，避免畜禽养殖污染物汇入水体造成污染。对水体周边污染进行清查，避免畜禽养殖污水直排汇入水体造成污染，同时要确保经过处理的畜禽养殖污水达标排放。③对畜禽粪便储存设施场所及运输路径进行防渗处理，防止畜禽粪便渗漏对土壤和地下水造成污染。
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关键词 畜禽养殖;土壤重金属;地下水;生态危害
中图分类号 X713文献标识码 A文章編号 0517-6611（2020）07-0089-06
doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.07.027
Effect of Livestock and Poultry Pollution on Soil and Groundwater—A Case Study of Longwantun Town， Shunyi District， Beijing
GU Jing， HE Lizhao， ZHANG Haiou et al
（Guangxi Bossco Environmental Protection Technology Co.， Ltd.，Nanning，Guangxi 530007）
Abstract In order to find out the influence of livestock and poultry farming on the ecological environment of Longwantun Town， we carried out an in-depth study on the pollution of livestock and poultry breeding in Longwantun Town. The results showed that the content of Cu and Zn in pig plot 3 was higher than that in agricultural soil pollution risk screening value， and the Cd， Hg， As， Cu， Zn， Ni content in other sampling sites around livestock and poultry breeding area was lower than that in agricultural land soil pollution risk screening value. Compared with the background value of soil in Beijing， the five heavy metal elements of Hg， As， Cu， Zn， Ni in the soil around the livestock and poultry breeding areas exceeded the standard in varying degrees， indicating that there were foreign substances entering， and the exogenous substances were mainly animal feces in the livestock and poultry breeding areas. The results of single factor pollution index evaluation showed that except the Cu， Zn pollution index of pig farm sample point 3 was between 1 and 2， which was gradeⅡslight pollution， the single factor pollution index of other samples around livestock and poultry breeding area was less than 1， which showed that there was no pollution of gradeⅠ. The results of Nemero comprehensive pollution index evaluation （PN） showed that except the PN of pig farm sample point 3 was between 1 and 2， which was grade Ⅲ slight pollution， the PN of other sampling sites around livestock and poultry breeding area was less than 0.7，which was gradeⅠclean （safe）. The evaluation results of potential ecological hazard index showed that Hg was the main ecological hazard factor of heavy metals in the surrounding soil of Livestock and Poultry breeding area in Longwantun Town， and it should be regarded as the pollution element of priority control. The groundwater outside the livestock and poultry breeding area in Longwantun Town did not meet the Sanitation Standard of Drinking Water， and the total coliform， total colony and nitrate exceeded the standard to a certain extent. The main reasons for exceeding the standard may be the untreated aquaculture wastewater enters into groundwater with the surface water;due to the presence of fecal coliform in the soil where animal excrement has been applied， there is a certain number of fecal coliform bacteria in the soil. These fecal coliform groups will enter into groundwater through soil percolation， which will eventually affect well water. In allusion to the pollution problem of livestock and poultry breeding in Longwantun Town， the corresponding prevention and control countermeasures were put forward. Key words Livestock and poultry breeding;Soil heavy metal;Groundwater;Ecological hazard
基金项目 南宁市科学研究与技术开发计划项目（20193009）。
作者简介 顾静（1981—），女，陕西西安人，工程师，博士，从事环境污染防治与修复研究。
通信作者，高级工程师，博士，从事环境污染防治与修复研究。
收稿日期 2019-04-23;修回日期 2019-09-23
畜禽養殖业是我国农业的重要组成部分，其产值仅次于种植业。但集约化、规模化养殖废物产量大，对生态环境造成严重影响[1-5]。《第一次全国污染源普查公报》共收集了2007年度2 899 638个农业源普查对象的污染物排放情况，其中畜禽养殖业普查对象占67.7%。畜禽养殖业主要污染物排放统计了粪便排放和水污染物2项，其中畜禽养殖业粪便产生量2.43亿t，尿液产生量1.63亿t;水污染物排放量中，化学需氧量1 268.26万t、总氮102.48万t、总磷16.04万t、铜2 397.23 t、锌4 756.94 t，分别占农业污染源排放量的9578%、37.89%、56.34%、94.03%和97.83%，而且化学需氧量是工业源的4.03倍[6-7]。因此，规模化畜禽养殖业是我国环境污染的重要来源之一。
北京市顺义区龙湾屯镇环境优美，景色宜人，具有得天独厚的自然资源、丰厚的文化底蕴和优质的果品资源。该镇作为农业发展强镇，畜禽养殖业和农业较为集中，存在2个大型的畜禽养殖场和多个养殖小区。为查明畜禽养殖业对周围生态环境造成的影响，笔者对该镇的畜禽养殖污染开展了全面调查和深入研究。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
龙湾屯镇为顺义区辖镇，位于区境东北部，北接密云，东临平谷，距北京市区60 km，距顺义城区30 km，距首都国际机场35 km。辖13个行政村，面积54.4 km2，人口1.6万人。其中耕地面积0.17万hm2，山地面积0.25万hm2，占全区山地总面积近2/3（图1）。龙湾屯镇属于暖温带半湿润季风性大陆气候，其主要特征是四季分明，春季干旱多风，夏季炎热多雨，秋季天高气爽，冬季寒冷干燥。该地区降雨相对集中，风向有明显的季节变化，冬季以北风和西北风为主，夏季则多为偏南风。该镇最高和最低月平均气温分别出现在7月和1月，年平均气温为11 ℃左右。
1.2 样点选择、样品采集与试验测定
根据实地调研结果，选定丁甲庄村顺鑫集团杜洛克原种猪场、丁甲庄村大发正大有限公司种鸡场、七连庄村养殖小区堆粪坑作为研究样点（图1），主要采集土壤和地下水样品。
1.2.1 丁甲庄村顺鑫集团杜洛克原种猪场。
顺鑫集团杜洛克原种猪场位于龙湾屯镇丁甲庄村（40°15′51″N，116°49′14″E），建成于2002年，总面积约8.67 hm2，养殖数量约6 000头。土壤采样点设置在养殖区外约500 m范围内，采用网格法进行随机布点，网格大小为200 m×200 m。布设样点1（菜地）、样点2（果园）和样点3（粪池周围林地）3个采样小区，每个采样小区采用梅花点法采集3个样品组成一个混合样品，共采集9个土壤样品。样点1和样点3的土壤样品采集深度为0～20 cm，样点2的土壤样品采集深度为0～60 cm。样品运输、保存、分析和测定均按照《土壤环境监测技术规范》（HJ/T 166—2004）要求执行，测定指标包括粪大肠菌群、pH、水分、Cu、Zn、Cd、Ni、As、Hg共9项。
地下水样品采集点选择在养殖区外的自备井中，据实地调查，猪场养殖区外围地下水既可用作灌溉水又可用作饮用水。地下水样品的采集、运输、保存、分析和测定均按照《地下水环境监测技术规范（HJ/T 164—2004）》和《生活饮用水标准检验方法》（GB 5750）要求执行，测定指标为pH、总硬度、溶解性总固体、氯化物、挥发酚、耗氧量、氨氮、硫化物、总大肠菌群、菌落总数、亚硝酸盐、硝酸盐、氰化物、氟化物、Hg、As、Cd、Cr（六价）、Pb、总α放射性、总β放射性共21项。
1.2.2 丁甲庄村大发正大有限公司种鸡场。
丁甲庄村大发正大有限公司种鸡场位于龙湾屯镇丁甲庄村（40°15′33″N，116°49′24″E），建成于1985年，总面积约13.33 hm2，养殖数量约18万只。土壤采样点设置在养殖区外约500 m范围内，采用网格法进行随机布点，网格大小为200 m×200 m。布设样点1（菜地）、样点2（菜地）、样点3（菜地）3个采样小区，每个采样小区采用梅花点法采集3个样品组成一个混合样品，共采集3个土壤样品，采集深度为0～20 cm。样品运输、保存、分析和测定均按照《土壤环境监测技术规范》（HJ/T 166—2004）要求执行，测定指标包括粪大肠菌群、pH、水分、Cu、Zn、Cd、Ni、As、Hg共9项。
地下水采样点设置在鸡场养殖区外围的自备井中，据实地调查，鸡场养殖区外围地下水既为生活饮用水。地下水样品的采集、运输、保存、分析和测定均按照《地下水环境监测技术规范（HJ/T 164—2004）》和《生活饮用水标准检验方法》（GB 5750）要求执行，测定指标为pH、总硬度、溶解性总固体、氯化物、挥发酚、耗氧量、氨氮、硫化物、总大肠菌群、菌落总数、亚硝酸盐、硝酸盐、氰化物、氟化物、Hg、As、Cd、Cr（六价）、Pb、总α放射性、总β放射性共21项。 1.2.3 七连庄村养殖小区堆粪坑。
七连庄养殖小区堆粪坑面积约0.20 hm2（40°12′26″N，116°54′41″E），堆积粪便类型为猪粪。为查明堆粪对该区域土壤的影响，在该区域无粪便堆积的地块上设1个柱状样采样点，采样深度为1 m，共采集3个土壤样品，其中表层样采集深度为0～20 cm，中层样采集深度为20～60 cm，深层样采集深度为60～100 cm。样品采集、运输、保存、分析和测定均按照《土壤环境监测技术规范》（HJ/T 166—2004）和《畜禽养殖业污染物排放标准》（GB 18596—2001）要求执行，测定指标为粪大肠菌群、pH、水分、Cu、Zn、Cd、As、Hg共9项。
由于受采样时间、人员和环境等条件限制，七连庄养殖小区堆粪坑周围未采集地下水样品。
1.3 评价方法
1.3.1 单因子污染指数法。
单因子污染指数法适用于单一因子污染的特定区域的评价，可以反映单一污染物的污染程度，是其他环境质量指数、环境质量分级和综合评价的基础，表达式如下：
Pi = Ci/Sip（1）
式中，Pi为土壤中污染物i的环境质量指数，Ci为污染物i的实测含量，Sip为污染物i的评价标准。
根据Pi的大小，将土壤污染程度划分为5级。若Pi≤1，表示土壤未受到人为污染，否则表示土壤已受到人为污染，P越大，则表示受到的污染程度越高，分级标准详见表1。
1.3.2 内梅罗综合污染指数法。
内梅罗综合污染指数法反映了各项污染物对土壤的作用，同时突出了高浓度污染物对土壤环境质量的影响，兼顾了单因子污染指数平均值和最大值。内梅罗综合污染指数（PN）的计算公式如下：
PN ={[（平均单项污染指数）2 +（最大单项污染指数）2]/2}1/2（2）
根据PN的大小，将土壤污染程度划分为5级，PN越大，则表示受到的污染程度越高。分级标准详见表2。
1.3.3 潜在生态危害指数法。
潜在生态危害指数法由瑞典科学家Hakanson[8]所提出，该法是基于重金属性质及环境行为特点，从沉积学角度提出的对土壤或沉积物中重金属污染进行评价的方法。该方法综合考虑了重金属毒性、在土壤中的迁移规律、评价区域对重金属污染的敏感性以及重金属区域背景值的差异，消除了区域差异影响，体现了生物有效性、相对贡献、地理空间等特点，可综合反映重金属对生态环境的影响潜力[9-10]。潜在生态危害指数涉及到单项污染系数、重金属毒性响应系数以及潜在生态危害单项系数，其公式分别为：
RI=Eir（3）
Eir=Tir/Cif（4）
Cif=Ci/Cin（5）
式中，RI为多种重金属潜在生态危害指数;Eir为某种重金属的潜在生态危害单项系数;Tir为某种重金属的毒性系数，该研究中Cd、Hg、As、Cu、Zn、Ni 6种重金属元素的毒性系数分别为30、40、10、5、1、5[9-10];Cif为重金属的单项污染系数;Ci为表层土壤重金属浓度实测值;Cin为参比值，该研究选用北京市土壤背景值[11-12]作为参比值。分级标准见表3。
2 结果与分析
2.1 土壤重金属含量分析
2.1.1 猪场养殖区外围土壤重金属含量分析。
2.1.1.1
与《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》对比。从表4可以看出，样点1和样点2的Cd、Hg、As、Cu、Zn、Ni含量均低于《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）（以下简称标准）中的农用地土壤污染风险筛选值，说明样点1和样点2这6种重金属含量对农产品质量、农作物生长的风险低，一般情况下可以忽略。
样点3的Cd、Hg、As、Ni含量均低于《标准》中的农用地土壤污染风险筛选值，说明样点3的Cd、Hg、As、Ni含量对农产品质量、农作物生长的风险低，一般情况下可以忽略。但样点3的Cu和Zn含量高于《标准》，且分别高出0.78和0.96倍，说明样点3的Cu和Zn对农作物生长可能存在风险，应当加强土壤环境监测和农产品协同监测。
2.1.1.2 与北京市土壤背景值对比。
土壤重金属含量背景值是制定土壤环境质量标准的重要依据[13-14]，是判断人为原因导致土壤中重金属积累的基础，有助于确定土壤重金属的来源以制定管理对策[15-16]。该研究采用北京市土壤背景值进行比对，结果表明（图2），样点1的Cd、Hg、Ni含量均低于北京市土壤背景值，但As、Cu、Zn含量分别高出北京市土壤背景值的0.27、0.43、1.14倍;样点2的Cd、Hg、Ni含量均低于北京市土壤背景值，但As、Cu、Zn含量分别高出北京市土壤背景值的0.43、0.36、1.14倍;样点3的Cd、Hg含量均低于北京市土壤背景值，但As、Cu、Zn、Ni的含量分别高出北京市土壤背景值的0.28、0.77、5.82、0.08倍。
土壤重金属含量背景值分析表明，由于3个样点的As、Cu、Zn含量均超过北京市土壤背景值，因此这3种重金属均有外源物质进入。通过实地调查，发现样点1和样点2所在区域近年来一直施用养殖场内的猪粪作为肥料，该肥料是导致这3种重金属含量特别是Zn含量增加的主要原因。样点3靠近猪场3个粪池，该区域Zn含量超过土壤背景值约6倍，判断是受到了粪池渗漏的影响。前人研究成果也表明[17]，饲料中添加Cu、Zn等重金属元素能改善猪的生长性能。高Cu能提高饲料利用率，促進猪生长;高Zn能减轻仔猪腹泻，促进生长发育;有机As化合物是控制猪疾病和增加体重的饲料添加剂，As添加剂也正受到公众关注。最终大部分重金属会直接通过动物体内排出，如进入畜禽体内90%～95%的Zn从粪便中排出。因此畜禽养殖场外围土壤中Zn、Cu、As的主要来源为施用的养殖场猪粪。 2.1.2 鸡场养殖区外围土壤重金属含量分析。
2.1.2.1 与《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》对比。
从表5可以看出，样点1、样点2和样点3的Cd、Hg、As、Cu、Zn、Ni含量均低于《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）（以下简称标准）中的农用地土壤污染风险筛选值，说明样点1、样点2和样点3这6种重金属含量对农产品质量、农作物生长的风险低，一般情况下可以忽略。
2.1.2.2 与北京市土壤背景值对比。
从图2可以看出，样点1的Cd、Hg、Cu、Zn、Ni含量均低于北京市土壤背景值，但As含量高出北京市土壤背景值0.05倍;样点2的Cd、Hg、Cu、Zn、Ni含量均低于北京市土壤背景值，但As含量高出北京市土壤背景值0.13倍;样点3的Cd、Hg、Cu、Ni含量均低于北京市土壤背景值，但As、Zn含量分别高出北京市土壤背景值的0.33和0.18倍。分析结果表明，As和Zn这2种重金属均有微弱的外源物质进入，来源可能为施用的养殖场鸡粪。
2.1.3 养殖小区堆粪坑内土壤重金属含量分析。
2.1.3.1 与《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》对比。
从表6可以看出，0～20、20～60和60～100 cm深度的Cd、Hg、As、Cu、Zn含量均低于《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）（以下简称标准）中的农用地土壤污染风险筛选值，说明堆粪坑1 m深度内这6种重金属含量对农产品质量、农作物生长的风险低，一般情况下可以忽略。
2.1.3.2 与北京市土壤背景值对比。从图2可以看出，
0～20 cm深度的Cd、As、Cu、Zn含量均低于北京市土壤背景值，仅Hg 含量高出北京市土壤背景值0.67倍;20～60 cm深度的Cd含量低于北京市土壤背景值，但Hg、As、Cu、Zn含量分别高出北京市土壤背景值的0.33、0.13、0.03、0.06倍;60～100 cm深度的Cd、As、Cu、Zn含量均低于北京市土壤背景值，仅Hg含量高出北京市土壤背景值的0.33倍。分析结果显示，Hg在3种不同深度含量都偏高，超出北京市土壤元素背景值的0.3～0.7倍，表明有少量的外源进入;另外，堆粪坑的中部20～60 cm，土壤重金属污染较上部和下部严重，且Hg、As、Cu、Zn都有不同程度的超标，表明堆粪坑中部的土壤重金属累积较上部和下部强，推断污染物来源主要为土壤上部的堆粪。
2.2 畜禽养殖场外围土壤重金属污染评价
此次研究采用单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法以及潜在生态风险指数法对研究区土壤重金属污染进行评价，评价标准采用《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）中的筛选值作为保障农业生产、维护人体健康的土壤限制值。
单因子污染指数和内罗梅综合污染指数评价结果见表7，单因子污染指数（Pi）评价结果显示，除猪场样点3的Cu、Zn污染指数在1～2，为Ⅱ级轻度污染外，畜禽养殖区外围其他样点的单因子污染指数均小于1，为Ⅰ级无污染。内梅罗综合污染指数（PN）评价结果显示，除猪场样点3的PN在1～2，为Ⅲ级轻度污染外，畜禽养殖区外围土壤的PN均小于0.7，为Ⅰ级清洁（安全）。因此，需关注猪场样点3（粪池周围）的土壤重金属污染，重点关注污染元素为Cu、Zn。
潜在生态危害指数评价结果见表8，参考分级标准（表3），顺鑫集团杜洛克原种猪场外围3个样点和大发正大种鸡场养殖区外围3个样点的Cd、Hg、As、Cu、Zn、Ni 6种重金属元素的Eir均小于40，RI均小于150，均属于轻微生态危害;七连庄养殖小区堆粪坑3个深度的Cd、As、Cu、Zn 4种重金属元素的Eir均小于40，为轻微生态危害;重金属Hg的Eir为52～60，属于中等生态危害;5种重金属RI均小于150，属于轻微生态危害。因此，Hg为龙湾屯镇3个养殖样点外围土壤重金属的主要生态危害因子，应将其作为优先控制的污染元素。
2.3 畜禽养殖对地下水影响
顺鑫集团杜洛克原种猪场养殖区外围地下水监测结果表明（表9），除总大肠菌群超标较严重，菌落总数超标0.8倍外，其他地下水检测指标均符合《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）。大发正大种鸡场养殖区外围监测结果表明（表9），除硝酸盐超标0.53倍外，其他地下水检测指标均符合《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）。以上监测结果表明，顺鑫集团杜洛克原种猪场和大发正大种鸡场养殖区外围地下水均不符合《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006），总大肠菌群、菌落总数和硝酸盐都有一定程度超标。通过分析，造成这几种污染物超标的主要原因可能是：①未经过处理的养殖废水随地表水进入地下水;②由于施过动物粪便的土壤中存在一定的粪大肠菌群（表1），这些粪大肠菌群会通过土壤渗滤途径进入地下水，最终对井水产生影响。
3 结论
（1）猪场样点1和样点2，鸡场3个样点，以及堆糞坑不同深度的Cd、Hg、As、Cu、Zn、Ni含量均低于《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）中的农用地土壤污染风险筛选值，表明这6种重金属含量对农产品质量、农作物生长的风险低，一般情况下可以忽略。 猪场样点3的Cu和Zn含量高于《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）中的农用地土壤风险筛选值，说明样点3的Cu和Zn对农作物生长可能存在风险，应当加强土壤环境监测和农产品协同监测。
（2）与北京市土壤背景值相比，3个畜禽养殖区外围土壤中的Hg、As、Cu、Zn、Ni 5种重金属元素均有不同程度超标，说明这些区域土壤中有外源物质进入。分析表明，土壤中的外源物质主要为畜禽养殖区的动物粪便。
（3）单因子污染指数评价结果显示，除猪场样点3的Cu、Zn污染指数在1～2，为Ⅱ级轻度污染外，畜禽养殖区外围其他样点的单因子污染指数均小于1，为Ⅰ级无污染。
内梅罗综合污染指数（PN）评价结果显示，除猪场样点3的PN在1～2，为Ⅲ级轻度污染外，畜禽养殖区外围土壤的PN均小于07，为Ⅰ级清洁（安全）。因此，需关注猪场样点3（粪池周围）的土壤重金属污染，重点关注污染元素为Cu和Zn。
潜在生态危害指数评价结果表明，顺鑫集团杜洛克原种猪场外围3个样点和大发正大种鸡场养殖区外围3个样点的Cd、Hg、As、Cu、Zn、Ni 6种重金属元素的Eir均小于40，RI均小于150，均属于轻微生态危害。七连庄养殖小区堆粪坑3个深度的Cd、As、Cu、Zn 4种重金属元素的Eir均小于40，为轻微生态危害;重金属Hg的Eir介于52～60，为中等生态危害;5种重金属RI均小于150，属于轻微生态危害。因此，Hg为龙湾屯镇3个养殖样点外围土壤重金属的主要生态危害因子，应将其作为优先控制的污染元素。
（4）龙湾屯镇畜禽养殖区外围（顺鑫集团杜洛克原种猪场和大发正大种鸡场养殖区外围）地下水均不符合《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006），总大肠菌群、菌落總数和硝酸盐都有一定程度超标。通过分析，造成这几种污染物超标的主要原因可能是：①未经过处理的养殖废水随地表水进入地下水;②由于施过动物粪便的土壤中存在一定的粪大肠菌群，这些粪大肠菌群会通过土壤渗滤途径进入地下水，最终对井水产生影响。
（5）针对龙湾屯镇畜禽养殖污染提出以下防治对策：①合理安排畜禽养殖区的生产布局，加强对畜禽养殖区周边土壤重金属污染的监测力度，优化饲料配方，严格控制兽药和饲料重金属的使用量。②行污染源管控，避免畜禽养殖污染物汇入水体造成污染。对水体周边污染进行清查，避免畜禽养殖污水直排汇入水体造成污染，同时要确保经过处理的畜禽养殖污水达标排放。③对畜禽粪便储存设施场所及运输路径进行防渗处理，防止畜禽粪便渗漏对土壤和地下水造成污染。
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