王星蒙

(辽宁省生态环境监测中心，辽宁 沈阳 110161)

辽宁省位于我国东北地区南部，全省土地面积14.8万km2。全省土壤分布有棕壤、潮棕壤、草甸土、潮土、泥炭土、沼泽土、褐土、水稻土等类型。根据地貌和土壤组合特点，辽宁土壤的区域性分布可分为辽东山地丘陵区、辽西低山丘陵区、辽河平原区3种类型。

辽宁省是畜牧业大省，从2014年开始辽宁省的蛋、肉、奶产量连续3a都居于全国前10的水平[1]。2019年，辽宁省猪牛羊禽肉产量365.6万t，全年禽蛋产量307.9万t，全年生牛奶产量133.9万t，全年生猪出栏2240.2万头，年末生猪存栏1055.2万头[2]。随着全省畜牧业的发展，规模化养殖场也快速发展，与此同时，为提高养殖效率、防治畜禽疾病等问题，抗生素和多种重金属元素等添加剂常被添加到饲料中，并且大部分随着畜禽粪便排出体外[3]，如处理不当，极易造成周边土壤受到重金属污染，对生态环境构成极大威胁。由于重金属元素在土壤中移动性很小，不易随水淋滤，不为微生物降解，其在土壤中的含量会逐年累积[4]。本文通过对辽宁省16个规模化畜禽养殖场周边土壤进行监测分析及评价，进而了解辽宁省畜禽养殖场周边土壤的环境质量状况。

1 研究方法

1.1 采样时间

2020年4—6月。

1.2 点位布设

选取规模为500头以上的猪、3万羽以上的鸡和100头以上的牛等规模化畜禽养殖场。在养殖场外围500m范围内采用网格法进行随机布点，网格大小为100m×100m，每个养殖场布设3～5个监测点位和1个对照点。以500m缓冲区为范围，建立100m×100m大小的网格，对网格进行编号。查随机数表，得到3～5个随机数，随机数对应的网格编号，则该网格的中心点作为监测点位。在距场界2000m以外(主导上风向或地下水流向上游)布设1个对照监测点。需要注意如果所布设的养殖场周边一定距离分布有耕地或农田，可将缓冲区进行扩大或增加相应的点位。16个畜禽养殖场总计布设75个土壤监测点位。

1.3 样品采集及制备

按照《土壤环境监测技术规范》[5]采集和制备样品。每个监测点位采集表层0～20cm的土样。土样避光自然风干，拣出碎石、沙砾及动植物残体等杂物，用木棍敲碎土样。研磨后土样过2mm筛，充分混合、搅拌至均匀，四分法取样。1份用于pH值分析；1份细磨至0.15mm用于金属元素分析。

1.4 样品测定

土壤pH值、金属元素均由取得资质认定的实验室检测，具体检测方法见表1。仪器设备通过检定或校准，按照《土壤环境监测技术规范》[5]进行准确度和精密度控制。

表1 各项目实验室测定方法

1.5 评价方法

1.5.1 单因子污染评价指数法

单因子污染评价指数计算公式：

Pi=Ci/Si

(1)

式中，Pi为单项污染指数；Ci为调查土壤中污染物的实测浓度；Si为污染物的评价标准值或参考值，本文选择辽宁省土壤环境背景值[6]，污染程度划分如表2。

表2 单项污染指数土壤环境质量评价分级

1.5.2 综合污染指数法

综合污染指数法(内梅罗综合污染指数法)计算公式：

(2)

式中，maxPi为单项污染指数的最高值；Pi为各单项污染指数的平均值。通常污染程度和污染水平划分如表3。

表3 内梅罗综合污染指数分级标准

1.5.3 潜在生态风险评价法

潜在生态风险评价法[7]计算公式：

(3)

表4 潜在生态风险指数分级标准

1.5.4 地累积指数评价法

地累积指数评价法[9]计算公式：

(4)

式中，Cn为实际采集的土壤中测试出的重金属质量分数，mg·kg-1，K为转换系数(一般取1.5)；Bn为该区域相对应的土壤环境背景值，本文选择辽宁省土壤环境背景值[6]。根据Muller指数值的大小可判定以下7个等级(表5)。

2 结果与分析

2.1 畜禽养殖场周边域土壤pH值监测

规模化畜禽养殖场周边点位总计有75个，土壤pH值监测结果显示，pH≤5.5的点位数有20个，占比

表5 地累积指数评价分级标准

26.7%；5.57.5的点位数有20个，占比26.7%。土壤pH值最大值为8.21，最小值为4.36，中位值为6.5，平均值为6.46，标准差为1.13。

2.2 畜禽养殖场周边土壤重金属含量分析

各监测点位土壤样品重金属测量值统计结果见表6。由表6可知，土壤中Cd、Hg、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni和As的均值分别是辽宁省土壤背景值的2.4、1.4、1.3、1.0、1.1、1.3、1.0和0.8倍，其中Cd的超标倍率最高，其余金属的含量接近土壤背景值。另外，8类土壤重金属中Cd的变异系数很大，为130%，属于极高变异度；Hg和Cr为高变异度，其余均为中变异度。说明Cd、Hg和Cr 3种重金属质量分数值变化的幅度较大，连续性较弱，空间变异性较大。

2.3 畜禽养殖场周边土壤重金属污染评价

根据单因子指数评价方法的统计结果(见表7)可知，采集的75个土壤样品点位中，通过单因子污染指数计算得出的平均值从高到低的顺序依次为Cd>Pb>Hg>Zn>Cu>Ni>Cr>As，其中Cd和Hg的重度污染点位比例分别为8%、1.3%，其余均分布在无污染和轻微污染。计算出的平均值排序上同时也反映出了8类重金属对土壤的污染状况。

表6 测量值统计表

表7 单因子污染评价统计

由内梅罗指数计算出的综合污染指数评价法的统计结果(见表8)可知，内梅罗计算出综合污染指数的平均值为1.78，其中最大值为12.62，最小值为0.66，处于轻度污染和中度污染的比例为49.3%和21.3%，表明畜禽养殖场周边总体处于轻中度污染的污染程度，由于研究区内的重金属Cd、Hg有数值均很高，且单因子指数的最大值元素为Cd和Hg，即超过辽宁省土壤环境背景值的倍数最大，因此Cd、Hg元素是造成内梅罗综合污染指数增大的主要原因。

表8 综合污染评价统计

根据潜在生态风险污染程度(Er)的平均值(图1)表明，研究区土壤重金属Er的平均值排序为Cd>Hg>As>Pb>Cu>Ni>Cr>Zn；生态风险污染程度(Er)的平均值分别为71.9、53.0、7.8、6.7、5.7、4.9、1.9、1.3，其中重金属Cd和Hg被评价为轻微生态危害，其余6种重金属被评价为清洁生态危害；潜在生态危害指数(RI)<150，即评价为清洁生态危害的点位数为46，占总点位数的61.3%；RI介于150～300(轻微生态危害)的点位数为22，占总点位数的29.3%；RI介于300～600(中度生态危害)的点位数为6，占总点位数的8.0%；RI>600的(强生态危害)点位数为1，占总点位数的1.3%；总体上研究区处于清洁-轻微生态危害的污染状况，其中潜在生态危害指数最大值达到635.3，导致RI偏高的主要原因是重金属Cd和Hg的生态风险污染程度Er值出现高值，从数据的整体性上可以看出，Cd和Hg是研究区影响生态危害水平的主要原因。

图1 生态风险污染程度平均值

根据地累积指数(Igeo)的计算公式得出研究区各个点位的地累积指数值，并根据算术平均数和中位数绘制出地累积指数评级图(图2)，研究区土壤重金属地累积指数Igeo的算术平均值排列顺序为Cd>Pb>Zn>Cu>Ni>Hg>Cr>As，其中Cd被评定为轻度污染，其余元素均被评定为无污染。Cd属于轻度污染和偏中度污染的点位占比分别为25.3%和10.7%；Hg和Pb属于轻度污染的点位占比分别为30.7%和34.7%；其余金属属于无污染的点位占比均大于80%。这表明，研究区内Cd、Hg和Pb有小范围上的污染，其它重金属基本未受到污染。

图2 地累积指数评级图

2.4 畜禽养殖场周边监测点与对照点的对比

通过计算畜禽养殖场中监测点的内梅罗指数的平均数与对照点内梅罗指数的变化率，来体现畜禽养殖场的污染状况。对照点变化率计算公式：

(5)

由图3可知，A养殖场等8个养殖场的对照点变化率为正，说明其监测点的内梅罗指数大于对照点的内梅罗指数；J养殖场等7个养殖场的对照点变化率为负，说明其监测点的内梅罗指数小于对照点的内梅罗指数；I养殖场的变化率为0，说明其监测点的内梅罗指数与对照点的内梅罗指数相同。A养殖场的对照点变化率为78.3%，说明其监测点的污染程度远高于比对照点；B养殖场的对照点变化率均超过20%，说明其监测点的污染程度显著高于比对照点；C和D养殖场的对照点变化率均超过10%，说明其监测点的污染程度略高于比对照点；E养殖场等9家养殖场的对照点变化率均小于±5%，说明其监测点与对照点污染程度基本一致；N、O和P养殖场的对照点变化率均低于-20%，说明其对照点的污染程度高于比监测点。

图3 16个中规模化畜禽养殖场对照点变化率统计图

3 讨论

有研究表明，莆田市畜禽养殖场周边农田土壤8种元素中，只有As未富集，其它7种重金属元素均存在不同程度的富集现象，其中Cd、Cu、Zn超背景值较高，富集较明显[10]。辽宁省16个畜禽养殖场周边土壤中Cd、Cu、Zn的超标倍数分别为2.4、1.1、1.3，Cu、Zn在不同的土壤重金属污染评价中均评价为轻微污染以下。同时，本次监测的规模化畜禽养殖场点位大部分均处在农田之中，并且距离村庄较近，受污染的畜禽养殖场和污染点位集中分布在辽西地区，受污染的养殖场存在监测点和对照点同时受污染的情况。综上，并不能将污染归因于畜禽养殖场的影响。以位于辽西地区的A养殖场为例，A养殖场点位存在超标的污染因子为镉，对照点为轻微污染，监测点位为轻度、中度污染。由于对照点存在污染情况，因此不能直接将监测点的污染归结为养殖场。A养殖场所处的辽西地区镉金属含量浓度高且污染区域集中，采样区附近的某有色金属冶炼企业存在历史污染[11]，同时结合相应历史数据，可以将污染成因归纳为受历史污染影响。

4 结论

辽宁省畜禽养殖场周边土壤中Cd、Hg、Pb、Cu和Zn5种重金属均高于辽宁省土壤背景值，其中Cd的含量是背景值的2.4倍，Cd为极高变异度；Hg和Cr为高变异度，其余均为中变异度。

单因子污染指数显示，8种重金属整体为无污染-轻微污染，Cd和Hg存在重度污染点位；内梅罗综合污染指数显示，畜禽养殖场周边土壤总体处于轻中度污染的污染程度；潜在生态风险污染系数(Er)显示，Cd和Hg被评价为轻微生态危害，其余6种重金属被评价为清洁生态危害，潜在生态危害指数(RI)显示，畜禽养殖场周边处于清洁-轻微生态危害的污染状况。地累积指数(Igeo)显示，Cd被评定为轻度污染，其余元素均被评定为无污染。

监测点与对照点的对比显示，16家畜禽养殖场中，有8个养殖场的对照点变化率为正，有7个养殖场的对照点变化率为负，1个养殖场的变化率为0。