发酵床养殖技术，是通过在猪舍内铺设有机质作为垫料，将猪饲养于垫料上的一种养殖模式。在养殖过程中，猪排泄的粪尿直接被垫料包容，从而被垫料中的微生物降解，使得猪的饲育和粪尿处理在同一时间和空间内完成，达到养殖过程节水、节料、除臭等效果^{[1, 2]}。日本最早开展发酵床养殖技术的研究，在1970年建立了以木屑为垫料的发酵床^[3]。后来多次改良，许多学者^{[4, 5, 6]} 通过用不同的原料作为垫料，如稻草、菌糠、药渣、酒糟、醋糟等，研究发现不同垫料对猪的饲养性能和环境影响有一定的差异。此外，发酵床养殖后期废弃垫料的处理处置被很多学者广泛关注，垫料中含有大量的氮磷钾等营养元素^[7]，这为废弃垫料作为有机肥进行农用提供了可行性。然而在规模化养殖过程中，为促进畜禽生长、提高饲料利用率，常使用含有重金属的添加剂，进而导致猪粪中含有较高浓度的重金属^[8]。通过猪的采食和排泄过程，饲料中的重金属在垫料中累积。

现有的研究主要针对发酵床养殖中As、Hg的累积总量和变化趋势^{[9, 10, 11, 12]}，而对不同垫料组成、不同养殖周期、不同层次下垫料As、Hg含量变化研究较少。本文以猪发酵床垫料为研究对象，以木屑、稻壳和秸秆为原料，通过不同配比制作发酵床垫料，养殖育肥猪，对比不同养殖周期后以及不同层次垫料中As、Hg含量，旨在揭示垫料中As、Hg的累积规律，为发酵床垫料后续农用提供科学依据。

试验在江苏省农业科学研究院六合动物科学基地猪场进行。

发酵床猪舍长30 m，宽8 m，高3.5 m，东西走向。舍内布设发酵床东西走向共9栏，栏间用栅栏隔开，每栏设水泥台面积3 m²，垫料区面积16 m²，深60 cm，垫料区底层铺设塑料薄膜。每栏设有鸭嘴式饮水器和饲料槽。

发酵床育肥猪舍的垫料以木屑、稻壳、秸秆制成。试验垫料设置木屑(S)、木屑+稻壳(SR)、木屑+稻壳+秸秆段(SRS)，共3种垫料处理，每种垫料处理的各原料按照等质量比例铺设于发酵床的垫料区内，垫料层初始厚度60 cm，不接种菌剂，每种垫料处理设3次重复。试验初始垫料基本性质见表 1。

表 1 初始垫料基本性质 Table 1 Basic characteristics of original bio-bed padding materials

表选项

试验共养殖育肥猪4批，每批育肥猪饲养120 d左右后出栏，每批出栏后按照该栏垫料组成的原始比例补充新垫料，铺设于现有垫料表层，使新旧垫料层的总厚度达到60 cm。

采集的垫料样品为初始垫料以及每批育肥猪出栏后的垫料，样品采集时间分别为2014年7月30日(Ⅰ)第1批育肥猪饲养10 d、2014年11月14日(Ⅱ)第1批育肥猪出栏、2015年4月2日(Ⅲ)第2批育肥猪出栏、2015年10月15日(Ⅳ)第3批育肥猪出栏、2016年1月15日(Ⅴ)第4批育肥猪出栏。在养殖栏内采集多点混合样，采集时按照发酵床垫料层次，分别采集0~20、20~40 cm及40~60 cm垫料样品于自封袋内，共采集垫料样品5批。在每批猪出栏后采样，因猪的采食、碾压以及垫料的自身降解等原因，导致垫料层厚度些许减少，则按上、中、下三层，等深度比例取样，分别作为0~20、20~40 cm及40~60 cm垫料样品。样品取回后，在阴凉处进行风干、磨细、过筛，备用。

垫料中As、Hg含量采用硝酸-盐酸混合试剂，沸水浴加热消煮，原子荧光光谱法测定；垫料含水率采用105 ℃烘干至恒重，采用差量法测定；垫料容重采用单位体积的烘干质量测定；垫料pH采用m(垫料)：V(水)=1：10，S-3C型pH计测定；垫料中总碳含量采用重铬酸钾容量法测定；垫料中总氮含量采用H2SO4-H2O2消煮，奈氏比色法测定。

采用Excel 2016进行数据分析；SPSS 19.0进行统计分析，方差分析采用单因素方差分析(One-way ANOVA)、Duncan新复极差法检验不同试验间的显著性差异，显著水平为P < 0.05；Origin 9.1进行绘图。

表 2是不同原料垫料中As的累积量。由表 2可知，随着养猪批次的延长，不同原料组成的垫料中的As含量均明显增加。在初始垫料(即采样批次Ⅰ)中，S处理中的As含量显著高于其他两种处理。在经过4批猪养殖周期后，S、SR和SRS 3种处理中的As含量分别为2.921、2.190、2.621 mg·kg^-1，分别增加了2.005、1.862、2.446 mg·kg^-1，S处理As含量最高，但3种处理As含量差异不显著。

表 2 不同原料垫料中As累积量(mg·kg^-1) Table 2 The contents of As in different bio-bed padding materials(mg·kg^-1)

表选项

图 1是不同层次垫料中As的累积量。由图 1所示，在同一处理中，随着养猪批次的延长，各层垫料中As含量均有所增加；同一批次不同层次垫料中As含量有所差异，大多是40~60 cm层含量大于0~20 cm层和20~40 cm层，但大都差异不显著，仅在第Ⅲ采样批次，S处理的40~60 cm垫料As含量显著高于0~20 cm垫料；在第Ⅴ采样批次，SR处理的40~60 cm垫料中As含量显著高于0~20 cm和20~40 cm垫料。

不同小写字母表示同一处理同一采样批次不同层次之间差异显著(P＜0.05)。下同 Data with different lowercase letters in the same depth are significantly different at 0.05 level. The same below 图 1 不同层次垫料中As累积量 Figure 1 The contents of As in different depth of bio-bed padding materials

图选项

表 3是不同原料垫料中Hg的累积量。由表 3可知，随着养猪批次的延长，不同原料处理的垫料中的Hg累积明显。在初始垫料采样批次Ⅰ中，S处理中的Hg含量显著高于其他两种处理。在经过4批猪养殖周期后，S、SR和SRS 3种处理中的Hg含量分别为0.048、0.036、0.042 mg·kg^-1，分别增加了0.020、0.020、0.030 mg·kg^-1，S处理As含量最高。

表 3 不同原料垫料中Hg累积量(mg·kg^-1) Table 3 The contents of Hg in different bio-bed padding materials(mg·kg^-1)

表选项

图 2是不同层次垫料中Hg的累积量。由图 2所示，在同一处理中，随着养猪批次的延长，各层垫料中的Hg含量均有所增加。在同一采样批次下，不同层次的垫料中Hg含量虽然有些许差异，但是差异均不显著。

图 2 不同层次垫料中Hg累积量 Figure 2 The contents of Hg in different depth of bio-bed padding materials

图选项

在经过4批养猪周期结束后垫料的基本性质见表 4。不同处理垫料的含水率、容重、总碳和总氮较初始垫料(表 1)均有增加。在经过4批养猪周期结束后，S处理的pH值显著高于SRS处理，3种处理之间含水率和As含量的差异不显著，S处理的Hg含量显著高于SR处理。

表 4 经过4批养猪周期后垫料的基本性质 Table 4 Basic characteristics of bio-bed padding materials after four breeding cycles

表选项

通过结合初始垫料(表 1)和经过4批养猪周期结束后垫料(表 4)的的基本性质，经计算可知，在经过4批养猪周期后，不同垫料的发酵床中As、Hg累积量略有差异(表 5)。S和SR处理的发酵床的总干物质量显著高于SRS处理。SRS垫料的发酵床的As累积量最多，为1 921.7 mg·栏^-1，略高于其他2种处理，但不同处理之间的差异不显著。SRS垫料的发酵床的Hg累积量最多，为21.1 mg·栏^-1，显著高于其他2种处理。在累积特性上，不同垫料的发酵床对As、Hg的累积能力相同，均为SRS> SR>S。

表 5 不同垫料中As、Hg的累积总量对比 Table 5 The contrast of the accumulation of As, Hg in different depth of bio-bed padding materials

表选项

在经过4批猪养殖周期后，S、SR和SRS 3种处理中的As含量均有不同程度的增长。根据张媛媛等^[13]研究，垫料中As富集量在饲养3个月后达到2.86 mg·kg^-1；根据马建民等^[14] 研究，使用3年的发酵床垫料中As含量最高为8.34 mg·kg^-1。与以上研究比较，本研究中垫料使用时长约一年半，垫料中的As含量或富集量相对低于以上学者的研究。这可能是由于在规模化养殖过程中某些苯砷酸化合物(如对氨基胂酸)常常作为饲料添加剂^[15]，而在本实验的饲料中As含量为3.67 mg·kg^-1，可能比其他学者使用的饲料中As含量低，因而随着猪的采食和排泄，进入垫料中的As也相对较少。另外，由于垫料原料大都就地取材，不同学者在不同地区进行研究，因而垫料原料中的As含量也会对研究结果有一定影响。

在不同层次垫料中，0~20 cm层和20~40 cm层As的含量并未随着深度的增加，呈现明显的增加或减少的线性关系，这与马晗等^[16]对垫料中不同层次重金属的研究结果符合。但是大多数40~60 cm层As含量大于0~20 cm层和20~40 cm层，且40~60 cm底层垫料As累积明显，这与马建民等^{[14, 17]}的研究结果类似。出现这种现象可能有以下几种原因。一是在饲养的过程中，由于猪的翻拱，会使得表层和中层的垫料之间进行了一定程度的混匀，所以在0~20 cm及20~40 cm垫料As含量的变化规律不明显，而底层40~60 cm垫料不易被猪翻拱，所以底层垫料中As累积明显；二是由于在发酵床养殖过程中，猪的采食、翻拱、碾压以及垫料的自身降解，会导致垫料的减少，因此在每个养殖批次结束后，需要补充新的垫料，新的垫料铺设在表层，会对表层垫料中的含量有一定的稀释作用；三是根据李月芬等研究^[18]，水溶态As与pH 值之间存在明显的正相关关系。在本实验中，随着养殖批次的延长，垫料pH值略有升高(表 1和表 4)，随着pH 值的升高，垫料对As的吸附能力降低，因此水溶态As的含量增高，进而表层垫料中的水溶态As渗漏到底层，导致底层垫料中As含量略高。

在本实验研究中，在3种垫料处理下，经过4批养殖周期后，S、SR和SRS 3种处理中的Hg含量均有所增加。根据黄静等^[12] 研究，使用3年发酵床垫料中Hg含量为0.032 1 mg·kg^-1；根据应三成等^[19] 研究，使用3年的发酵床垫料中Hg含量为0.067 mg·kg^-1。在以上长期使用的发酵床垫料研究中，Hg含量也略有增加，这与本研究情况相近，但Hg的累积情况有所不同。这可能一是由于本实验的饲料中含有少量的Hg(0.053 mg·kg^-1)，随着猪的采食和排泄进入垫料；二是由于垫料原料的来源不同，导致初始垫料中Hg含量有所不同；三是少量的Hg可能是大气中的气态Hg沉降或固定于垫料中。大气环境中含有单质Hg、二价Hg及其化合物、有机Hg等多种形态Hg^{[20, 21]}。根据李波等^[22] 研究，胡敏酸、腐植酸、富里酸、猪粪等七种物质对田间土壤的Hg活性具有抑制作用，且腐植酸、胡敏酸等能够提高土壤对Hg的固定能力，使土壤再次捕获已挥发在大气环境中的气态Hg。而在发酵床养殖过程中，猪粪会不断进入垫料中，且垫料会腐解产生腐植酸等，所以表层垫料会捕获极少量气态Hg，引起垫料中Hg含量增加。但是根据应三成等^[19]研究，使用3年的发酵床垫料中Hg含量在整个发酵床使用过程中随时间无显著规律，这与本实验结果不同，原因可能是由于垫料原料的来源不同，或与饲料、周边大气环境、土壤中重金属等有关。

在本实验中S处理的采样批次Ⅴ的垫料As浓度最高为2.921 mg·kg^-1，Hg含量最高值为0.048 mg·kg^-1，与《农业行业标准有机肥料》(NY 525—2012)、《食用农产品产地环境质量评价标准》(HJ/T 332—2006)比较，As、Hg含量均远低于标准限值，没有超标风险。综合考虑发酵床垫料的原料不同，以及猪的采食、碾压，垫料的自身降解和新垫料后期补充等影响因素，在经过4批养猪周期后，As累积总量最大的是SRS处理的发酵床，为1 921.7 mg·栏^-1，略高于其他2种处理，但不同处理之间的差异不显著。Hg累积总量最大的也是SRS处理的发酵床，为21.1 mg·栏^-1，显著高于其他2种处理。在初始垫料样品即采样批次I中，As、Hg主要来自于木屑、稻壳和秸秆这3种原料，由于这3种原料的密度和性质有所差异，所以在S、SR和SRS 3种垫料处理的发酵床的总干物质量和As、Hg总量有所差异。而在每批养殖过程中，不同垫料原料处理的的发酵床的总干物质量和As、Hg含量，随着猪粪尿排泄和补充新垫料等原因而有所累积。在实际生产中，不同垫料的自身降解有很大差异，且由于不同原料密度的不同，猪的碾压也会造成发酵床垫料层厚度不同程度的降低，因此后期补充垫料的添加量也有很大差异。综合以上原因，SRS处理的发酵床的As、Hg累积总量略高于其他2种处理。

(1) 随着养猪批次的延长，不同原料处理的垫料中的As、Hg均累积显著，在经过4批猪养殖周期后，木屑、木屑+稻壳和木屑+稻壳+秸秆段3种处理下的垫料中的As、Hg含量均远低于《农业行业标准有机肥料》(NY 525—2012)、《食用农产品产地环境质量评价标准》(HJ/T 332—2006)的限值。

(2) 在3种垫料处理下，不同层次垫料中的As、Hg含量均有所累积，大多数40~60 cm层As含量大于0~20 cm层和20~40 cm层；不同层次垫料中Hg含量虽然有些许差异，但是差异均不显著。

(3) 经过4批养殖周期后，综合考虑猪的采食、碾压以及垫料的自身降解和新垫料后期补充等影响因素，木屑+稻壳+秸秆段处理的发酵床的As、Hg累积总量略高于其他2种处理。