【毕业学位论文】规模化猪场区域农田土壤重金属污染研究——以京安猪场为例博士论文

密级： 论文编号： 中国农业科学院 学位论文 规模化猪场区域农田土壤重金属污染研究 以京安猪场为例 on in A an 士研究生： 黄 治 平 指 导 教 师：徐 斌 研 究 员 申请学位类别： 农 学 博 士 专 业：作 物 生 态 学 研 究 方 向：农 业 资 源 生 态 培 养 单 位：中国农业科学院研究生院 农业资源与农业区划研究所 提交日期 2007 年 6 月 on in A an Xu 2007 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得中国农业科学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 时间： 年 月 日 关于论文使用授权的声明 本人完全了解中国农业科学院有关保留、 使用学位论文的规定， 即： 中国农业科学院有权保留送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 同意中国农业科学院可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 (保密的学位论文在解密后应遵守此协议 ) 论文作者签名： 时间： 年 月 日 导师签名： 时间： 年 月 日 摘 要 我国规模化养猪业发展迅速， 集约化养猪场所产生的废弃物大多由养猪场附近的农田土壤消纳。 由于规模化猪场废弃物含有大量重金属， 为进一步规范规模化猪场废弃物循环利用， 预防因灌溉猪场废水引起土壤重金属积累， 以及对规模化养猪生产方式带来的重金属农业立体污染提出阻控对策的基础依据， 本文以施用猪场废弃物的猪场周边区域农田为研究范围， 以猪场废弃物中对环境具有积累效应的重金属为研究对象， 对规模化猪场废弃物处理工艺和污水特性进行调研和监测，并布置田间试验和盆栽实验进一步对重金属积累进行研究。 本文在选题和方法上有一定特色和创新： （ 1）采用相 关分析、主成分分析、地统计分析结合 术对猪场废水灌溉区农田土壤重金属来源进行了识别， 由分析得知， 主要污染来源为猪场废水， 主 要污染来源为猪场废水和化肥， 主要污染来源为化肥，而 主要受土壤母质影响； （ 2）本文对 施用猪场 废 弃物的农 田 土壤部分 重 金属积累 进 行了预测 ， 根 据 预测，若连续以 150 0 年和 15年可能超过国家农田土壤二级标准； （ 3） 研究表 明， 施用猪场粪污会降低土壤 ， 从而提高土壤重金属有效态含量， 增加重金属的土壤环境风险。 通过研究主要得出以下基本观点和结论： （ 1） 调研分 析和试验表 明，长期污 灌猪场废水 和施用猪场 粪污主要增 加土壤 据 型预测，若连续以 150 壤 0 年和 15 年可能超 过国家农田土壤二级标准。 而 土壤重金属有效态含量明显增加， 土壤 重金属有效态含量与 间分布上污灌地重金属含量明显比清洁区重金属含量高。 施用猪 粪温 室土壤 定的 短期 累计效 应， 而 不 明显，随着土壤施用猪粪量增加， 土壤 并且土壤 呈 梯度增 长。 当单位 土地 施用猪 粪量 为 600 土壤 5 0 20 0 增加一倍多， 倍、 10 倍、 4 倍、 3 倍和 2 倍，土 壤 有增加。 （ 2）总体 上 污灌区 小麦 粒重金 属含 量高于 清洁 区小麦 粒重 金属含 量， 小麦粒的 n、 量分别与土壤 量和有效态含量具有同向变化趋势。 田间试验和盆栽试验表明， 植株中 量 分别与土壤的 量和有 效态含量有关，但植株中 量与土壤 关性不显著。 （ 3）相关分 析、主成分分析、地统计分析结合 术综 合分析能很好地识别重金属污染来源，分维数分析能很好论证变异函数分析的结论。由分析得知， 主要 污染来源识别为猪场废水， 主要 污染来源识别为猪场废水和化肥， 主要污染 来源识别为化肥，而 主要 受土壤母质影响。 （ 4）研究 区 空间分布主要与灌溉的猪场废水量和水质有关，还与土地利用I 有关，与微域地形、土壤质地和种植制度关系不大； 要与土壤母质和土地利用有关；重金属有效态空间分布均与污灌猪场废水有关。 （ 5） 从单因子污染指数、 内梅罗综合指数、 评价指数和地积累指数来看，灌溉 8 年猪 场废水农田土壤和连续施用猪粪累计施用量为 年温室土壤均未产生 但 强程度污染， 壤潜在生态风险指数 综上所述，施用猪场废弃物对土壤主要带来 富集 ， 富集效应较小， 而 本 没有富集。 尽管 集很小， 但是长期施用猪场废弃物会降低土壤 ，从而提高重金属有效态含量，增加重金属生态风险。要降低施用猪场废弃物对土壤带来的重金属积累的环境风险，需降低单位土地废弃物应用量，提高土壤 以降低土壤重金属有效态含量，开发环境友好型饲料，从源头上切断猪粪带来的重金属。 关键词： 猪 场废弃物，农业利用，农田土壤，重金属，污染，空间分布，地统计学，风险评价 of by in to in be in if is in of of in of of of of of in of of in be in of of of 1. of to n, Mn s Cd Pb i r 2. It be of in to u n in of 0 5 of 50 a 3. pH of of 1 of pH or in of 3 年 1 年 0 年，相应 b、 计输入量也为 4 年 2 年 3 年 1 年 0 年。 21中国农业科学院博士学位论文 第二章 施用猪粪不同年限的土壤重金属积累研究 物样品 温室蔬 菜作 物主要 为西 红柿、 黄瓜 和甜瓜 ，一 年生产 两季 （两茬） ，一 般春季 种植 黄瓜或 甜瓜，夏季种 植西红柿， 或两季都种 植西红柿， 西红柿、黄 瓜和甜瓜每 季产量均大 约为 04 即年产量为 05 本实验对应采样温室采集作物果实部分， 其中西红柿 4 个样， 黄瓜 7 个样， 甜瓜 8 个样， 蔬菜 果实重金属含量和每年通过果实输出重金属估计量见表 实中未检出 d。由 表 以看到 ， 4 年土壤各 有一个西红柿和黄瓜样品 表 表 以看 到， 每年通过果实输出的 u、 实基本没有输出 i。 表 菜作 物重金 属含 量和每 年带 出重金 属估 测 of in of 金属含量（ c/ 项目时间（年） 0 1 2 3 4 重金属平均含量（ c/ 带出重金属量a（ 本数 1 2 0 0 1 u - n - n - 红柿 - 本数 0 1 4 1 2 - - n - n - 瓜 本数 2 1 0 2 2 - - n n 瓜 6： a 带出重金属 的估计量由果实产量和果实重金属含量估算。 b 作物果实中 标。作物重金属含量标准主要参照北京市地方标准蔬菜安全卫生要求（ 1/153、上海市地方标准安全卫生优质蔬菜 （ 1/ 和 甘肃省地方标准农产品 （蔬菜） 质量 （ 2/797 中的相关标准，其中 0， 0， c “-”表示空值，下文同理。 果与分析 壤 分 土壤基本理化性质见表 22中国农业科学院博士学位论文 第二章 施用猪粪不同年限的土壤重金属积累研究 表 壤基 本理化 性质 （ n=35） in n=35) 时间（ a） 1 年 2年 3年 4年 ） N（） P（） .1 从表 图 以看 到，土壤 随连续施用猪粪时间增长而降低， 4 年土壤 于0 年和 1 年土 壤， 样本非参数随机化检验在显著水平 差异显 著， 其中 样本非参数随机化检验应用 于 3 年土壤 积累施用猪粪量较低，因此 相对较高。对土壤 与连续施用猪粪时间和累计施用猪粪量进行相关分析，发现土壤 与施用时间和累计施用量呈负相关，相关系数分别为 p= p= ） 壤 变化 （ n=35） of pH in n=35) 机 质 由表 图 以看 到， 土壤有机质随连续施用时间增长而升高， 4 年 土壤有机质明显高于 0 年、 1 年和 2 年土壤 ， 样 本非参数随机化检验在显著水平 差异显著。 对土壤有机质与连续施用猪粪时间和累计施用猪粪量进行相关分析， 发现土壤有机质与二者呈显著正相关，相关系数分别为 p= p 23中国农业科学院博士学位论文 第二章 施用猪粪不同年限的土壤重金属积累研究 年 ）图 壤有 机质平 均值 含量变 化（ n=35） of in n=35) 施用猪粪有较大关系，从表 图 以看到，土壤 连续施用猪粪时间增长而增长， 但实地调查中， 蔬菜地施氮量较高， 特别是黄瓜、 西红柿、 辣椒等能 连续收获的作物， 施用尿素或氮氨等氮肥频率很高， 因此土壤含氮量与施用猪粪相关性主要通过统计分析来得到。 4 年土 壤 0 年、 1 年和 2 年土 壤进行 样本非参数随机化 检验在显著水平 差 异显著。对土壤 施用猪粪累计量进行相关分析，发现土壤 累计施用猪粪量呈正相关， 相关系数分别为 p= p 施用时间也呈正相关关系，相关系数分别为 p= p 年 ）mg/N 壤全 氮和速 效氮 平均值 含量 变化（ n=35） of in n=35） 据农户调查 ，温室每年 施入磷肥不 多， 有效磷与猪粪 积累施用量 相关，相关 系数分别为 p= p 此土壤中磷主要来自猪粪。 从表 图 以看 到，连续施用猪粪土壤 有效磷值呈上升趋势。 4 年土 壤 显高于 0 年、 1 年和 2 年 土壤， 样本非参数随机化检验在显著水平 差 异显著。 关系数为 p= 从图 可以看到，没有施用猪粪土壤有效磷几乎为 0，施用猪粪后，有效磷明显增加，24中国农业科学院博士学位论文 第二章 施用猪粪不同年限的土壤重金属积累研究 这主要是因为有效磷与 呈极显著负相关，相关系数为 p=于随着 施用猪粪时间增长和累计量增加， 土壤 低 ， 因此土壤有效磷增加。 表 3 年土壤 有效磷相对低，这主要与 3 年土壤积累施用猪粪量相对少， 相对较高有关。 2 3 4时间（ 年）mg/壤全 磷和有 效磷 含量变 化（ n=35） of in n=35） 壤重金属 表 壤重 金属全 量和 有效态 量（ n=35） of in n=35） 样本检验 项目（ 年 2年 3年 4年 41 ： 别表示 4 年 0 年、 1 年和 2 年 土壤的重金属检验显著水平 p 值。 李德成等 （ 2003） 和杜慧玲等 （ 2005） 分别对不同利用年限蔬菜大棚土壤中微量元素含量变25中国农业科学院博士学位论文 第二章 施用猪粪不同年限的土壤重金属积累研究 化进行过研究， 发现随着大棚种植年限的增加， 土壤重金属含量呈递增趋势。 由于重金属元素的环境行为和生态效应不取决于重金属在土壤中的总量， 而主要取决于植物能实际吸收的重金属有效态含量， 李德成等研究的试验大棚主要施用鸡粪和鸭粪为主， 而且没有测定土壤中重金属有效态， 杜慧玲等也仅对试验大棚土壤部分重金属 （ 有效态含量和部分重金属 （ d 和 全 量进行研究。 由表 知 ， 规模化猪场猪粪基本上应用于附加值较高的设施农业，研究长期施 用猪粪的温 室土壤重金 属全量和 有 效态含量 变 化能了解 规 模化猪场 对 周边环境 重 金属积累的影响，表 连 续 0 4 年 施用猪粪土壤的重金属含量变化。 和 锌 从 均值来 看， 随着连续施用猪粪时间的增长， 土壤 量在增 加， 4 年土壤 明显比 0 年、 1 年和 2 年 的土壤 样本非 参数随机化检验差异显著（ ， 可能 表 层 20从土壤 均值可 以看到， 量总体逐 年增长， 4 年土壤明显比 0 年和 1年土壤 量高，见 表 图 样本非参数随机化检验差异显著（ 。 可能土壤 景值含量 偏高， 0 年土壤中 量 比 1 年和 2 年土壤的 量还高 。但总体看来，土壤 量有增加趋势， 样本非参数随机化检验表明， 4 年 土壤与 1 年土壤的 异显著（ ，但土壤 呈递增趋势。可能 4 年土 壤 量增加，导致部分西红柿和黄瓜 标。 （年）mg/mg/壤砷 全量和 有效 态变化 （ n=35） of s in n=35） 28中国农业科学院博士学位论文 第二章 施用猪粪不同年限的土壤重金属积累研究 节 连续施用猪粪，研究区温室土壤 低，土壤有机质、全氮、全磷和有效磷含量会增加，土壤有效磷分别与全磷正相关，与 相关。长期大量施用猪粪可能造成氮磷在土壤中积累与淋溶。 连续 4 年施 用猪粪主要导致土壤 。 根据 预测， 若连续以 150 壤 分别经过 10 年和 15 年可能超过国家农田土壤二级标准。 计效应比较明显。尽管 累不明显，但长期大量施用猪粪，也会有积累风险， 期积累效应不明显。 效 态含量与全量正相关， 与 相关 ， 效态含 量与土壤 呈负相关关系。 效态 含量与全量和 关不 显著， 但是随着连续施用猪粪的时间增加有递增趋势。 连续 4 年施 用猪粪后，部分西红柿和黄瓜样品中 量超标。 要降低施用猪粪对土壤带来的重金属积累的环境风险， 需降低单位土地猪粪施用量， 提高土壤 以降 低土壤重金属有效态含量， 开发环境友好型饲料， 从源头上切断猪粪带来的重金属。 由于本试验为测试样点为调查样点， 没有严格的试验设计控制， 受野外客观条件的影响， 采样点的空间异质性可能在一定程度上掩盖了施用猪粪土壤重金属积累效应的规律性， 需进行严格控制的试验以更好地说明施用规模化猪场粪污对温室土壤重金属全量和有效态含量变化的影响。 29中国农业科学院博士学位论文 第三章 猪场废水灌溉农田土壤重金属空间分布及重金属对作物影响 第三章 猪场废水灌溉农田土壤重金属空间分布及重金属对作物的影响 的 分别分析清 洁区和污灌 区的土壤重 金属全量和 有效态含量 ，并分析采 样区麦粒中 重金 属 含量， 并与对应小麦采样点的土壤重金属全量和有效态含量进行分析， 了解长期灌溉猪场废水对农田土壤重金属空间分布及重金属对作物污染风险性的影响。 究区描述 研究区位于衡水市北部的安平县， 地处河北平原中部， 地势自西向东缓缓倾斜， 海拔 19 m31 m，属暖 温带大陆性季风气候。年均气温 ，年均降 水量 540 壤属褐土化潮土，部分为砂质和壤质褐土化潮土， 土层较厚， 耕性较好， 但肥力较低， 有机质含量不足， 粮食作 物有小麦、 玉米、 高粱、 谷子、 红薯等， 经济作物以棉花为主。 种植制度以冬小麦 壤一般翻耕 20 样方法和背景材料 2006 年 6 月在研究区利用 52 个采样点（东经 1153246 1153502，北 纬381322 381342） 。 根据采 样点 的灌溉 水性 质，将 研究 区分为 清灌 区和污 灌区 ，清灌 区包 括林地和苜蓿地、 机井地 （浇灌地下水小麦地） ， 污灌区包括污灌小麦地 （简称污灌地） 和果园地，其中苜蓿地和林地 5 个样点，机井地 7 个样点，污灌地 37 个样点，果园地 3 个样点，采样点均远离公路 300 m，见 图 每一采样点取 1 个点的土壤 混匀， 再四分法采集约 1.0 采样深度为 20 对应清洁区和污灌区的土壤采样点采集了 25 个小麦籽粒样品， 其中清洁区 4 个样 本，污灌区 21 个样本，没 有采集果园果实样品。 图 究区 和采样 点分 布示意 图 of of 0中国农业科学院博士学位论文 第三章 猪场废水灌溉农田土壤重金属空间分布及重金属对作物影响 表 样点 调查数 据 of 药 肥料（ 猪场废水 采样区 多菌灵（ 乐果和甲胺磷 （ 1:1； L. 尿素 复合肥、 过磷酸钙、钾肥施用量 连续施用时间（ a） 施用方式 果园地 16 - - 1500，穴施 2250 2700 （ 8 漫灌 污灌地 - 75 600 300 750 2400 3600 （ 8 漫灌 机井地 - 25 600 225 750 - - - 林地和苜蓿地 - - - - - - - 表 井水 和猪场 废水 重金属 含量 （ n=3） in n=3） 水质（ 机井水 猪场废水澄清液 猪场废水浑浊液 农灌水质标准 u n i b s 同采样区的农药、 肥料使用和猪场废水灌溉量见表 表 知 ， 果园、 污灌 地和机井地每年农药与化学肥料使用量相差不大， 果园地主要施用猪场废水浑浊液 （主要为猪粪和废水混合液） ， 污灌地主要灌溉猪场废水澄清液 （主要为清出湿粪后废水） ， 机井地、 林地和苜蓿地没有灌溉猪场废水。 表 研 究区灌溉的机井水和猪场废水的重金属含量，由表 知，猪场废水澄清液和浑浊液的 中猪场废水浑浊液 分别为猪场废水澄清液和机井水的 10 多倍和上百倍， 而机 井水 场废水澄清液差别不大，猪场废水浑浊液的 水和猪场废水澄清液，猪场废水中没有检出 化肥对土壤重金属贡献也是一个不容忽略的因素。 我国磷肥重金属含量较高， 其中 6.9 98 1.1 8.4 5 31中国农业科学院博士学位论文 第三章 猪场废水灌溉农田土壤重金属空间分布及重金属对作物影响 统计 ,我国每年过磷酸钙 （养分含量为 10%的 施用量为 669 入土壤中 00 20.8 12.3 1.3 素、氯化钾和磷酸铵含 .5 3 0 3 4 .5 8 15 200 尿 素和氯化钾 8 4 良永等， 2006；陈海燕等 ， 2006；肖 军等， 2006） 。从化 肥所含重金属来看，磷肥的 酸铵含 化钾含 果与分析 金属空间分布 述 性统计分析 描述统计如平均值、 标准差、 变异系数、 最小值、 最大值、 中值、 峰度、 倾斜度及定义概率分布等广泛应用于数据分析中， 是反映数据整体结构的分布特征和数据分析的第一步， 也是对数据进行更进一步分析的基础 （ ， 1997； 2001； ， 2002； 2003； ， 2005； 2005） 。 表 研究 区采样点重金属和 与土壤养分描述性统计。 由表 知 ， 、 平均数和中数差异不大， 而 平均数和中数差异较大，变异系数也最高，分别为 说明 样本值变异程度较大，存在一定的异质性，特异值对样本值影响较大。 壤重 金属空间分布分析 平均值能够说明数据平均水平， 便于进行事物间比较， 对土壤重金属空间分布分析采用