南阳市某畜禽养殖场地下水污染因子识别及风险评价_石国伟.pdf

第 3 期收稿日期：2022-09-21基金项目：国家自然科学基金项目（41402235）；中国地质调查局地质调查二级项目（DD20160322）作者简介：石国伟（1997-），男，河北保定人，在读硕士研究生，研究方向为水文地质和环境地质，（电话）18931111634（电子信箱）；通信作者，李亚松（1983-），男，研究员，博士，主要从事水文地质和环境地质研究，（电子信箱）。第 62 卷第 3 期2023 年 3 月湖北农业科学Hubei Agricultural SciencesVol.62 No.3Mar.，2023石国伟，李亚松，刘雅慈，等.南阳市某畜禽养殖场地下水污染因子识别及风险评价 J.湖北农业科学，2023，62（3）：157-164南阳市某畜禽养殖场地下水污染因子识别及风险评价石国伟1，2，3，李亚松1，2，刘雅慈1，2，曹胜伟1，2，敦宇1，2（1.中国地质科学院水文地质环境地质研究所，石家庄050061；2.福建省水循环与生态地质过程重点实验室，福建 厦门361021；3.中国地质大学（北京），北京100083）摘要：以南阳市内乡县某畜禽养殖场为研究对象，在其周边地区共采集地下水样品11个，测试指标包括常规指标35项及抗生素指标24项，运用数理统计、Piper图、相关性分析、污染指数法、健康风险评价模型等方法，系统开展了水化学分析、地下水质量评价、污染评价和健康风险评价。结果表明，养殖场周边地下水特征污染因子为总硬度、硝酸盐、铅、铁和锰等，浓度相对较高的抗生素组分有交沙霉素、林可霉素、诺氟沙星、达氟沙星、氟甲喹等，其中林可霉素风险性最高。健康风险评价表明，非致癌风险主要由硝酸盐氮和铅以口摄入造成，非致癌健康风险指数最大值分别达0.908和0.875，已经接近风险阈值。最后结合研究区地质条件和人为因素剖析了污染成因。关键词：畜禽养殖场；地下水；污染因子；识别与风险评价；抗生素；南阳市中图分类号：X523文献标识码：A文章编号：0439-8114（2023）03-0157-08DOI:10.14088/ki.issn0439-8114.2023.03.025开放科学（资源服务）标识码（OSID）：Pollution factors identification and risk assessment of groundwater around a livestock andpoultry farm in Nanyang CitySHI Guo-wei1，2，3，LI Ya-song1，2，LIU Ya-ci1，2，CAO Sheng-wei1，2，DUN Yu1，2（1.Institute of Hydrogeology and Environmental Geology，Chinese Academy of Geological Sciences，Shijiazhuang 050061，China；2.Fujian Provincial Key Laboratory of Water Cycling and Eco-Geological Processes，Xiamen 361021，Fujian，China；3.China University of Geosciences（Beijing），Beijing 100083，China）Abstract：A livestock and poultry farm in Neixiang County，Nanyang City was chosen as the research object and a total of 11 groundwater samples were collected in its surrounding areas.The test indicators included 35 conventional indicators and 24 antibiotic indicators.Water chemical analysis，groundwater quality assessment，pollution assessment and health risk assessment were carried out byusing mathematical statistics，Piper diagram，correlation analysis，pollution index method and health risk assessment model.The results showed that the characteristic pollution factors of groundwater around the farm included total hardness，nitrate，lead，iron andmanganese.The antibiotic components with relatively high concentrations were josamycin，lincomycin，norfloxacin，danofloxacin andflumequine，among which lincomycin had the highest pollution risk.The health risk assessment showed that the non-carcinogenic riskwas mainly caused by oral intake of nitrate nitrogen and lead，and the maximum non-carcinogenic health risk index reached 0.908 and0.875，respectively，which was close to the risk threshold.Finally，the causes of pollution were analyzed based on the geological conditions and human factors of the study area.Key words：livestock and poultry farm；groundwater；pollution factor；identification and risk assessment；antibiotics；Nanyang City湖北农业科学2023 年随着人们对肉、蛋、奶等畜牧产品的需求量不断增大，畜禽养殖业得到了迅猛发展，据报道，中国有1亿多头大型家畜，每年生产 38亿 t牲畜粪便，其中约 50%为猪粪1。规模化、集约化养殖业的发展除了满足日常生活需要外，会对其周边地下水环境状况产生一定的威胁2-4。畜禽养殖场所排放的废水中含有大量化学污染物，未经处理直接或间接排入江河湖库会造成水体富营养化；在降雨的淋溶作用下，随意堆放的粪便中的磷、氮元素进入土壤后会转化为硝酸盐和磷酸盐，进而可能引起地下水污染5，6；同时畜禽粪便中的重金属不易降解，在堆肥过程中持续存在，也是土壤及地下水污染的重要来源7-10。Kim 等5基于韩国 100 个农牧业养殖区的4 000个浅层地下水样本，发现浅层地下水硝酸盐含量较高且显著酸化，大约87%的水样超过了韩国地下水中硝酸盐浓度的阈值（5.5 mg/L）。Cao 等11基于同位素定量分析南阳盆地硝酸盐污染的来源，发现养殖污水和粪便对其污染的贡献率占 45.41%。此外，抗生素已被发现以痕量浓度广泛分布于地表水、地下水、沉积物、土壤等介质中，可能会对生态环境以及人体健康造成潜在危害12-14。为了治疗动物疾病和促进牲畜生长，抗生素已被广泛用于畜牧业，例如中国每年生产约 21万 t抗生素，其中 48%用于农业和畜牧业15。经过处理的养殖废水有的用于农田灌溉，可能将抗生素引入土壤和地下水中16，因此畜禽养殖场周边地下水中抗生素污染问题不可忽视17。强烈的人类活动会对地下水环境造成不同程度的污染，对地下水水质产生一定的威胁18，因此查明养殖场周边地下水化学特征及其污染状况对水资源利用及保护具有重要意义。此外，地下水水质的好坏直接影响该地区居民的饮水安全，健康风险评价是将水环境污染与人体健康联系起来的评价方法，可以定量描述人们在污染环境中暴露时受到的健康风险19。健康风险评价多见于垃圾填埋场20、矿区21，22、流域23，24、饮用水源地25，26，然而畜禽养殖场周边地下水健康风险评价相对较少，因此有必要开展对此类场地健康风险方面的研究。南阳市畜禽养殖业发展较为迅速，但是已有养殖业对地下水质量和污染状况的影响尚不清楚。因此，本研究拟选择南阳市内乡县某畜禽养殖场为对象，查明其周边地下水水化学特征，客观评估地下水质量现状，分析地下水污染程度，识别特征污染因子并对其进行健康风险评价，同时对检出率较高的抗生素进行污染风险评价，为地下水污染防控提供依据。1材料与方法1.1研究区概况南阳市内乡县地处河南省西南部，为伏牛山东南部低山丘陵区，总体地势北高南低，自西北向东南倾斜，为亚热带季风型大陆性气候，多年平均气温15.1，年均日照时数 1 973.6 h。畜禽养殖场区位于丘陵地带，西高东低，北高南低，地面高程为196206 m，西侧为自然冲沟，主要为山区排洪和农村生活污水排放区；东部地势较平缓，主要为耕地。场区岩性以棕红色、棕黄色亚黏土、泥质沙、沙砾石互层，含钙质结核，总厚度小于 40 m，主要地层年代为第四系中更新统，场区主要地下水类型为松散岩类孔隙水，单位涌水量小于100 m3/d，属于弱富水区。场区四周农田围绕，地形起伏较大，地下水主要流向为由西北向东南流，场区西侧冲沟中流水在局部对两岸地下水有补给作用。1.2样品采集与测试根据浅层地下水流向，在场区上游300 m处、场区左右翼、场区下游5个监测孔中各取一组水样，并在场区周边选取了6口民井取样，共计11组浅层地下水样品，具体取样点位置见图 1。地下水分析项目包括常规指标35项及抗生素24项，具体指标见表1。地下水水质监测样品采集、保存与测试均严格参照地 下 水 质 检 验 方 法（DZ/T0064.10064.801993）、生活饮用水标准检验方法（GB/T5750.15750.132006）等规定完成。抗生素水样品萃取前经玻璃纤维滤膜过滤去除悬浮颗粒物，用 3 mol/L H2SO4调节pH至3。水样萃取柱为Waters公司的HLB（Hydrophile lipophilic balance）亲水亲酯平衡的固相萃取柱，容积 6 mL，填料为 500 mg N-乙烯基砒咯烷酮和二乙烯苯共聚物。采用高效液相色谱串联质谱法（HPLC-MS/MS）分析抗生素浓度，安捷伦ZORBAX C18（150 mm2.1 mm；3 m）被用作分析柱，柱温为25，进样体积为10 L。1.3评价方法1.3.1水化学分析运用数理统计方法分析畜禽养殖场周边浅层地下水中主要阴阳离子浓度、TDS（溶解性总固体）以及pH等指标的变化范围、平均值和变异系数，对地下水主要组分采用SPSS软件进行相关性分析，利用Piper三线图了解水体的主要离子组成并且识别出研究区主要水化学类型27。1.3.2地下水质量评价首先按照 地下水质量标准（GB/T1484817）对常规组分进行单因子评价，划分组分所属地下水质量类别，然后依据表2，分别确定单项组分评价分值（Fi）；按照式（1）和式（2）计158第 3 期算综合评价分值（F），最后依据表3划分评价对象的地下水质量级别28，分为优良、良好、较好、较差、极差5个级别。表2单项组分评价分值类别Fi013610-F=1ni=1nFi（1）F=-F2+F2max2（2）式中，-F为各单项组分评分值的平均值；Fmax为单指标评价分值的最大值；n为项数。表3地下水质量综合评价级别划分标准级别划分范围优良F0.80良好0.80F