自20世纪80年代以来，畜禽养殖业得到快速发展，畜禽养殖由分散的农户养殖向集约化、工厂化、规模化的养殖方式转变 ^[1].与此同时，人们为了提高动物生产水平和饲料转化效率，在饲养过程中大量使用抗生素、高铜高锌、砷制剂等饲料添加剂来提高经济效益^[2,3].因此，动物消化吸收后仍有大量残留随粪便排出体外，污染周边水土环境；同时肉制品也存在威胁人类健康的风险，使食品安全问题凸显^[4].由于砷及其化合物可以随饮用水、蔬菜、粮食进入人体，与细胞中的酶系统结合，使许多酶失去生物活性而被抑制造成代谢障碍，严重的会产生剧烈腹疼、腹泻、恶心、呕吐，抢救不及时还会造成死亡，土壤中As的累积也越来越被人们所关注^[5].发酵床养殖是一种基于控制畜禽粪便排放的养殖模式^[6],粪尿在垫料中发酵分解，最终通过资源化利用手段来处理废弃垫料，可有效减少粪便向环境的直接排放，缓解环境压力。为实现养猪业及生态农业可持续循环发展，对当下常见的传统水泥地面养殖模式及发酵床养殖模式进行比较研究，选取出养殖效益更好、对环境影响更小的养殖模式显得尤为重要。

目前，国内许多省份都在开展发酵床生态养猪的推广示范及相关研究，多集中在改善猪的福利、提高猪肉品质、改良猪舍结构等^[7,8]方面，但关于发酵床养殖模式对周边地下水、土壤环境、垫料中As累积及下渗迁移情况尚缺乏系统报道。本研究以As在传统养猪场和发酵床养猪场外土壤中的累积情况为切入点，探讨不同养猪模式下As对土壤环境的影响，比较不同养殖模式的环境效应；通过研究发酵床垫料中As的富集情况，对废弃垫料的资源化利用价值进行评估，对重金属累积是否存在环境污染等一系列问题进行验证，为全面准确评价发酵床技术对环境的影响提供依据。 1 材料与方法 1.1 试验样品的采集

样品采集地点为江苏省泗阳县天蓬养猪场，猪场于2009年建成使用，年出栏量约为1万头。在2012年对猪场进行改建，部分猪舍改用“零排放”的发酵床养殖模式，发酵床猪舍每栋有4栏，栏内的垫料层深度约为40 cm.初始垫料由木屑与稻壳按1∶1的比例配制而成，未接种菌剂，初始垫料中As含量为2.8 mg·kg^-1;传统水泥地面养殖猪舍距离发酵床养殖猪舍约200 m,与发酵床养殖基地气候条件、土壤类型一致，无其他工业污染源。天蓬猪场使用的饲料中As含量为6.0 mg·kg^-1.

该猪场于2012年9月底更换新一批垫料，随后猪舍内即上猪进行养殖。本试验中，用土钻采集天蓬猪场内正常使用的垫料样品，分别于2012年11月17日（0 d）、2013年1月19日（63 d）、3月3日（106 d）、5月24日（188 d）、7月5日（230 d）、8月25日（274 d）以及10月16日（326 d）将近1年时间内共采集7批样品。包括发酵床养殖栏内0~20 cm和20~40 cm垫料以及垫料下40~60 cm和60~80 cm土壤，分别采集3个育肥猪舍养殖栏内的样品作为3个重复；发酵床外和传统养殖场猪舍外0~20、20~40、40~60、60~80 cm 深度的土壤样品（猪场外土壤均未人为施用猪粪便或发酵床废弃垫料，采样点距离猪舍的直线距离均约5 m,传统猪场在2012年11月17日时的样品未采集）,每个点设3个重复。样品风干后用木棒碾碎、球磨仪粉碎，过100目筛，储存备用。 1.2 测定方法及数据处理

As采用王水沸水浴消解-氢化物发生原子吸收光谱法进行测定。测定仪器为扬州大学测试中心提供的AFS-2202a型双道原子荧光光度计（北京万拓仪器有限公司）.试验过程中使用原冶金部天津地质研究院研制的土壤成分分析标准物质GBW（E）070007进行标样控制，测得的标样回收率在86.3%~98.2%之间。数据分析和统计分析分别采用Excel 2003和SPSS 18.0软件，统计分析采用的是t检验方法，用Origin 8.5软件进行绘图。 2 结果与分析 2.1 传统猪场外土壤中As含量变化

由图 1可知，在各个深度层次，随着时间的推移，As含量均呈现不断增大的趋势。其中在0~20 cm层中，从第63 d时的14.5 mg·kg^-1增加到19.0 mg·kg^-1,增幅达31.0%;20~40 cm层中，As从12.5 mg·kg^-1增加到17.0 mg·kg^-1,增加了36.0%,且在第106 d到第230 d时增加较快；在40~60 cm和60~80 cm层，As分别从11.9、10.2 mg·kg^-1增至15.2、13.2 mg·kg^-1,增幅分别为27.7%和29.4%;除40~60 cm层外，其他3个深度层次的土壤中As含量在326 d时均与最初的样品之间存在显着性差异（P<0.05）.

同一深度层次中不同字母表示不同采样时间的统计分析结果达0.05显着水平。下同 Different letters indicate that As in the same depth is significantly different at different sampling times at 0.05 levels. The same below 图 1 传统猪场外土壤中As变化 Figure 1 Changes in As concentrations in soils outside of traditional pig farm

图选项

由图 2可知，随着时间的推移，发酵床猪场外各深度层土壤中As浓度呈现不断增大的趋势。在0~20 cm和20~40 cm土层，As分别从14.3、12.0 mg·kg^-1增加到16.3、14.2 mg·kg^-1,分别增加了14.0%、18.3%,但不同时间采集的这两个土层的样品均无显着性差异（P>0.05）;40~60 cm和60~80 cm土层中，As分别从11.6、10.0 mg·kg^-1增加到13.3、12.3 mg·kg^-1,增幅分别为14.7%、23.0%,且经过326 d累积后与原先的土壤样品存在显着性差异（P<0.05）.

图 2 发酵床外土壤中As变化 Figure 2 Changes in As concentrations in soils outside of bio-bed

图选项

由图 3可知，随着垫料使用时间的延长，垫料及下层土壤中As含量均呈现不断增加的趋势。在0~20 cm和20~40 cm的垫料层，As分别从4.4、4.6 mg·kg^-1显着增加到12.0、11.5 mg·kg^-1（P<0.05）,增幅高达172.7%、150.0%;而在40~60 cm和60~80 cm土层中，各样品之间As含量无显着差异（P>0.05）,分别从10.3、10.3 mg·kg^-1增加到13.0、12.5 mg·kg^-1,增幅分别为26.2%和21.4%.

图 3 发酵床内垫料及其下层土壤中As变化 Figure 3 Changes in As concentrations in pig litters and soils below

图选项

由于第一次采样时（0 d）没采集到传统猪场外土壤样品，表 1所列的增幅和累积浓度均为第326 d与第63 d比较的结果，目的是对比同等时间跨度下As浓度的变化情况。由表 1可知，在各个深度层，传统猪场外土壤中As的增加趋势和浓度增加量均显着高于发酵床猪场外的土壤（P<0.05）;在40~60 cm和60~80 cm两个深度的土层，发酵床内垫料下土壤中As浓度的增幅量要高于发酵床外同深度层的土壤，且在P<0.05水平下差异显着。

表 1 不同样品中As浓度变化情况 Table 1 Changes in As concentrations in different samples

表选项

发酵床养殖模式下，猪的所有生命活动都在垫料上进行，垫料中As含量的高低直接影响其对环境的污染程度和能否实现资源化利用^[9].随着垫料使用时间的延长，垫料中As的含量不断增加。李买军等^[10]研究表明，发酵床垫料在养殖过程中随着时间的推移，垫料中的Cu、Zn、Cr、Pb有明显的累积；张霞等^[11]研究发现，使用7年的垫料中重金属、全氮、全磷含量均高于使用2年的垫料；张媛媛等^[12]研究发现，垫料使用1年后，As的富集量达到2.86 mg·kg^-1.在本试验中，发酵床猪舍内0~20 cm和20~40 cm垫料层As含量分别从4.4、4.6 mg·kg^-1增加到12.0、11.5 mg·kg^-1,累积量超出张媛媛等的研究结果。这是由于规模化猪场使用的饲料中富含各种添加剂，在高强度、高密度的养殖过程中，猪采食饲料后高浓度的As随粪便直接排入垫料导致大量累积，因而存在向深层地下水土渗滤迁移的潜在风险，严重危害地下水土环境，可能间接通过农作物、动物威胁人类的健康。尽管发酵床养殖模式下垫料中累积了大量的N、P、重金属、四环素类抗生素等有害物质^[13],但我们可以通过更换垫料并对其进行无害化处理来减少对环境的影响，从而实现废弃垫料的再利用^[14].在2013年10月16日最后一次采集样品后，泗阳发酵床猪场对垫料进行更换，废弃垫料As含量在11.5~12.0 mg·kg^-1之间，低于我国有机肥料农业行业标准（NY 525-2012）^[15]规定的15.0 mg·kg^-1,符合废弃垫料的资源化利用要求。另外，研究还发现垫料下40~60 cm和60~80 cm土壤中As浓度的增幅高于发酵床外同深度层的土壤。赵兴敏等^[16]研究认为As的迁移速率与pH值正相关，垫料pH呈弱碱性^[17],为As提供了良好的迁移条件，而且猪粪中As移动性高，更容易通过垫料向下迁移。因此，随着猪粪便不断排放，垫料中高残留的As更容易向下层土壤迁移，对下层土壤存在一定的环境风险，有必要采取适当措施防止As下渗，保护深层水土环境不受污染。

对发酵床外和传统猪场外土壤进行比较分析，发现在4个不同深度层，传统猪场外土壤中As浓度的增加量分别为4.5、4.5、3.3、3.0 mg·kg^-1,均高于发酵床猪场外土壤。这主要是因为传统猪场未能按照要求对粪便进行综合有效处理，粪便发酵罐也未能正常运行，且随意向周边深挖排放的现象仍然时有发生，导致周边土壤中As含量明显累积，对农作物的生长与食品安全同样存在一定的风险。由此可见，单从As的角度考虑，传统养猪场周边土壤环境中As的累积量要大于发酵床养猪场，其对猪场周边土壤环境的影响要超过发酵床养猪场。对于其他污染因子（抗生素类物质、N、P等）的环境影响则有待进一步研究，以便对发酵床养殖模式的综合环境效应作出更客观的评价。 4 结论

本研究表明，发酵床垫料经过将近1年的使用，As在0~20 cm和20~40 cm垫料中存在明显的累积，其累积浓度分别达7.5、6.7 mg·kg^-1,并存在向垫料下层40~80 cm土壤迁移的风险，且As在垫料下土壤中的浓度增加量高于发酵床外同深度层的土壤。使用一年多的废弃垫料中As的浓度符合我国有机肥料农业行业标准，发酵床养殖模式对周边土壤中As的影响低于传统养猪模式，因而有利于缓解畜禽粪便带来的环境问题。