文│王振 （黑龙江省农业科学院畜牧兽医分院）

重金属铅（Pb）广泛存在于采矿、化工及冶炼过程中产生的废水，从而污染水体环境，近年来，城乡居民对肉、蛋、奶的需求不断上升，同时受政策的引导作用，畜牧业总产值在农业中的占比越来越高，2021年畜牧业总产值占农业总产值的50.96%，由于饲料生产工艺水平的差异及部分规模化养殖场缺乏科学指导，导致过量的重金属铅随畜禽粪便进入环境中，畜禽粪污的还田利用成为重金属铅污染的主要来源。

铅在土壤环境中可与有机分子形成各种有毒化合物，具有潜伏期长、生物毒性大的特点，铅在环境中的迁移主要取决于其形态，如果不考虑铅的化学形态，就无法预估环境中铅及其化合物对生态系统和人体的潜在毒性，而好氧堆肥是常用的畜禽粪污无害化手段之一，堆肥过程中粪便腐殖化、pH和电导率的改变使其具有钝化粪污中重金属铅的潜力，降低粪污还田利用带来的环境压力。

牛粪具有排放量大、质地细密等性质，牛粪经发酵腐熟作为有机肥还田利用得到广泛关注，笔者将检测牛粪在好氧堆肥过程中重金属铅的总质量分数及不同形态的转化规律，为降低牛粪有机肥还田利用过程中对土壤环境的潜在危害提供理论依据。

一、试验方法

1.试验材料与设计。试验在黑龙江省农业科学院畜牧兽医分院富拉尔基科研基地进行，试验牛粪取自科研基地周边养殖场。将固液分离后的新鲜牛粪平铺晾晒至水分适宜进行好氧堆肥（55%～65%），使用铲车将牛粪建成3个平行条剁形堆体，尺寸为3米×2米×1.5米，条剁堆体之间留有过车通道，中间条剁用于试验，两侧条剁用于对照。试验期间监测堆体温度，当堆体温度达65℃以上时对牛粪堆体进行取样，然后进行翻堆，好氧堆肥共进行60天。

2.测定项目与分析方法。试验于0、3、7、13、20、30、45、60天从不同角度、深度、高度取牛粪样品进行混合，采用四分法对混合样品进行筛分，最终样品共分两份，一份自然风干用于测定牛粪中重金属铅及不同形态铅的质量分数，另一份鲜样用于测定牛粪的pH。重金属铅的形态提取（可交换态、还原态、氧化态和残渣态）参考改进BCR提取法进行，参照电感耦合等离子体质谱法测定重金属铅的总质量分数及不同形态的质量分数，并根据公式计算不同形态分配率，同时以固液比1∶10的比例将牛粪样品加入蒸馏水中震荡1小时、静置1小时后测定pH。化验所得数据通过WPS整理，并通过SPSS 22.0和OriginPro 2021等软件进行图表绘制和统计分析。

不同形态重金属铅的分配率计算公式如下：

二、结果与讨论

1.重金属铅在好氧堆肥过程中总质量分数的变化。由图1可知，牛粪中重金属铅的总质量分数随堆肥时间的延长呈上升趋势，从初始牛粪的23.61毫克/千克上升到38.67毫克/千克（堆肥60天后），提高63.79%。好氧堆肥至7天，质量分数增速最快，质量分数上升到30.81毫克/千克，提高30.5%，好氧堆肥至30天，质量分数增速逐渐放缓，质量分数上升到37.6毫克/千克，提高59.25%，占总增重的92.9%，好氧堆肥后30天，质量分数变化不大，由此可见，好氧堆肥的升温期和高温期是重金属铅总质量分数发生变化的主要时期。

图1 好氧堆肥过程中重金属铅的总质量分数变化

结合重金属铅总质量分数的变化情况进行分析，牛粪好氧堆肥过程中外源重金属铅的输入可忽略不计，重金属的“浓缩效应”是造成这个现象的主要原因。在好氧堆肥过程中，牛粪有机质随时间降解堆体体积降低，同时重金属铅属于灰分部分，不会随堆体体积的下降而下降。好氧堆肥前30天为升温期和高温期，此阶段堆体温度在60℃以上，是牛粪中有机质腐殖化最活跃的时期，堆体体积降低最大，这与重金属铅总质量分数的增加趋势相互验证了“浓缩效应”是重金属铅总质量分数上升的主要原因。

2.好氧堆肥对不同形态重金属铅的分配率影响。由图2可知，初始牛粪重金属铅以氧化态和残渣态为主，分别为35.26%、36.05%，氧化态重金属铅随好氧堆肥过程先下降后上升，好氧堆肥3天分配率降至31.23%，下降11.43%，随后重金属铅分配率逐渐上升，好氧堆肥30天时分配率上升到43.26%，提高22.69%，之后分配率随堆肥时间的延续上升不明显，好氧堆肥60天时，分配率上升到44.08%，堆肥时间对分配率的影响差异不显著（P＞0.05）。残渣态重金属铅随好氧堆肥的进行有上升趋势，好氧堆肥60天时分配率上升到39.91%，上升10.7%，与此同时，好氧堆肥0、3、7天分配率差异不显著（P＞0.05），好氧堆肥20、33、45、60天分配率差异不显著（P＞0.05）。

图2 好氧堆肥过程中不同形态重金属铅的分配率变化

还原态重金属铅的分配率随堆肥时间的推移先上升后下降，初始牛粪分配率为21.02%，好氧堆肥3天时分配率上升至22.72%，上升8.09%，随后分配率迅速下降，好氧堆肥20天时，分配率降低至15.3%，比较好氧堆肥3天时下降32.66%，好氧堆肥20天后，分配率持续下降，但下降速率逐渐放缓，好氧堆肥60天时分配率降低至13.75%，比较好氧堆肥20天时下降了10.13%。可交换态重金属铅在牛粪中的分配率较低，分配率集中在2.26%～8.96%，并随好氧堆肥进程有下降趋势，但幅度较小，分配率的变化趋势与还原态相似，好氧堆肥3天时分配率最高。

由上文可知，重金属铅的形态变化主要发生在好氧堆肥的前中期，堆肥后期由于堆体理化性质变化放缓，重金属铅形态的变化也随之放缓。由于堆肥初期堆体温度未达到翻堆温度，堆体中氧分含量降低，堆体中积累的有机酸无法转化，导致堆体pH下降，重金属铅的氧化态和残渣态被短暂活化，分配率下降，转化为可交换态和还原态，随着好氧堆肥的进行，牛粪中的有机质随翻堆进行腐殖化程度加剧，腐殖化产生的腐殖质中含有大量强吸附基团，与重金属铅通过络合、螯合或吸附等方式结合更加紧密，使重金属铅转换为更加稳定的氧化态和残渣态，好氧堆肥30天后，牛粪腐殖化变缓，重金属铅的形态变化也随之变缓。

重金属铅的“浓缩效应”会导致总质量分数随好氧堆肥时间不断上升，不同形态质量分数的变化趋势不能反映真实的变化情况，故对重金属铅不同形态的变化趋势使用分配率进行探讨，以说明不同形态重金属铅的分配率变化情况。

三、结论

本试验以牛粪中的重金属铅为研究对象，以好氧堆肥为试验工艺，探讨好氧堆肥对不同形态重金属铅的影响效果，为降低牛粪有机肥在还田利用过程中的潜在危害性提供理论依据。结论如下：好氧堆肥期间由于“浓缩效应”，牛粪中重金属铅的总质量分数从23.61毫克/千克上升至38.67毫克/千克。初始牛粪重金属铅以氧化态和残渣态为主，氧化态重金属铅随好氧堆肥先下降后上升，好氧堆肥3天时分配率从35.26%降至31.23%，好氧堆肥30天时分配率上升到43.26%，之后分配率随堆肥时间上升的不明显，好氧堆肥60天时分配率上升到44.08%。残渣态重金属铅随好氧堆肥的进行有上升趋势，好氧堆肥60天时分配率上升到39.91%，与此同时，好氧堆肥0、3、7天分配率差异不显著，好氧堆肥20、33、45、60天分配率差异不显著。还原态重金属铅的分配率随堆肥时间的推移先上升后下降，初始牛粪分配率为21.02%，好氧堆肥3天时分配率上升至22.72%，随后分配率迅速下降，好氧堆肥20天时分配率降低至15.30%，好氧堆肥60天时分配率降低至13.75%，可交换态重金属铅在牛粪中的分配率较低，分配率集中在2.26%～8.96%。