任悅,周偉松,何國(guó)富,楊春懿,楊根森,顧佳艷,胡元樹

（1.華東師范大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,上海 200241;2.上海市崇明區(qū)水務(wù)局,上海 202150）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快,我國(guó)城市污水處理廠的運(yùn)行負(fù)荷也不斷加大.在運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的剩余污泥含有較豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),可作為植物生長(zhǎng)的肥料[1-2].但是廢水中會(huì)有20%～50%的有毒有害物質(zhì)轉(zhuǎn)移至污泥中[3],包括重金屬、有機(jī)污染物等難降解物質(zhì),對(duì)施用土壤及其交換環(huán)境產(chǎn)生潛在長(zhǎng)久的危害[4-8].其中,重金屬所帶來(lái)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)是制約污泥土壤利用的關(guān)鍵[9].

我國(guó)大部分城市在水污染控制過(guò)程中都側(cè)重水線,而在污泥的管控利用方面投入較少[10],這導(dǎo)致了目前我國(guó)關(guān)于污泥土地利用的規(guī)范性案例較少,且缺乏完善的安全性評(píng)價(jià)體系.隨著《“十三五”生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》中提出要重視污泥處置問(wèn)題后,各地區(qū)對(duì)污泥的土地資源化利用重視度不斷提升.因此,由污泥回用所引起的土壤重金屬污染研究具有較大現(xiàn)實(shí)意義.植物修復(fù)技術(shù)被公認(rèn)為是綠色廉價(jià)的土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù),不僅可以凈化土壤,還可以改善生物多樣性,維持土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性.但是,大規(guī)模的植物修復(fù)工程在選擇修復(fù)植物時(shí)不僅需要考慮其對(duì)某種重金屬的富集效果,還需要考慮實(shí)施過(guò)程中的經(jīng)濟(jì)可行性.

本文以某林地土壤為研究對(duì)象,在評(píng)估污水處理廠污泥還林土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上,提出了利用本土植物對(duì)砷污染土壤進(jìn)行植物修復(fù)技術(shù),為污泥土地利用的可行性與污染土壤植物修復(fù)技術(shù)的研究提供科學(xué)依據(jù).

1 材料和方法

1.1 樣品采集

新村海塘林地的土壤以弱堿性和弱鹽性為主,而不同的土質(zhì)類型會(huì)對(duì)植物修復(fù)實(shí)施方案產(chǎn)生影響.本文分析了新村林地土壤性質(zhì)后選擇合適的抗逆性強(qiáng)、耐鹽堿性、生物量大的修復(fù)植物,從而制定了合理的修復(fù)方案.研究過(guò)程中共采集了林地內(nèi)15 個(gè)土樣,采樣時(shí)間為2020 年3—9 月.根際土壤的采集方法是將植株連根拔起后抖掉根系表面的松散土壤,考慮到后續(xù)要測(cè)定根際與非根際土壤的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)來(lái)分析砷污染及其修復(fù)對(duì)微生物多樣性的影響,所以用無(wú)菌刷子將貼近根系的土壤刷下,一起作為根際土壤.非根際土壤則是使用圓狀取土鉆采集樣點(diǎn)深度為20～30 cm 的土樣,采集1 kg 左右土樣于密封袋中,供后續(xù)各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定,進(jìn)而對(duì)植物修復(fù)土壤的效果進(jìn)行評(píng)估.

1.2 測(cè)定指標(biāo)及測(cè)試方法

參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定土壤總砷、土壤理化性質(zhì)及酶活性,方法見表1.

表1 土壤總砷、理化性質(zhì)指標(biāo)及酶活性測(cè)定方法Tab.1 Determining total arsenic level,enzyme activity,and physicochemical properties of soil

1.3 評(píng)價(jià)方法

單因子指數(shù)法通常被用來(lái)評(píng)價(jià)重金屬污染程度,但其只考慮土壤中某一污染物的背景值作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).本研究采用地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)土壤砷污染程度,該方法能定量描述土壤重金屬的污染程度,綜合了環(huán)境化學(xué)背景值、人為污染影響及自然成巖作用引起的背景值變動(dòng)的因素[18].其表達(dá)式為

式中:Igeo是地累積指數(shù);As 代表砷元素;CAs代表砷的監(jiān)測(cè)值;BAs代表砷的背景值;K為修正系數(shù),通常取1.5;計(jì)算結(jié)果按照地累積指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) (表2) 劃分污染等級(jí).

表2 地累積指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Grading standard of the land accumulation index

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬砷污染評(píng)價(jià)

土壤中重金屬形態(tài)變化較為復(fù)雜.砷在土壤中主要是以3 價(jià)的亞砷酸鹽和5 價(jià)的砷酸鹽形態(tài)存在,其中3 價(jià)砷毒性遠(yuǎn)高于5 價(jià)砷[19].不同的土壤環(huán)境下金屬離子會(huì)呈現(xiàn)不同的價(jià)態(tài),考慮到土壤環(huán)境的復(fù)雜性,就以砷全量來(lái)表征研究區(qū)域內(nèi)土壤重金屬砷污染程度.依據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn) (試行) 》[20]的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),新村海塘林地中土壤重金屬砷的污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值應(yīng)該為25.0 mg/kg.我國(guó)土壤砷背景值為11.2 mg/kg,上海市土壤砷背景值為9.1 mg/kg[21].根據(jù)重金屬砷的實(shí)測(cè)濃度、背景值和常用于評(píng)價(jià)沉積物中重金屬污染程度的地累積指數(shù)法公式[22],得出15 個(gè)采樣點(diǎn)各自的受污染情況(表3).

如表3 所示,在污泥還林土壤中監(jiān)測(cè)到重金屬砷含量較高,總砷濃度范圍為5.7～85.6 mg/kg,且變異系數(shù)較大,為63.0%.總體來(lái)看,試驗(yàn)區(qū)內(nèi)受到污泥堆肥還林所導(dǎo)致的輕中度重金屬砷污染.

2.2 土壤砷污染本土植物修復(fù)潛力評(píng)價(jià)

近年來(lái),植物修復(fù)土壤重金屬的研究日益增多,而植物根際微生態(tài)的研究對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)有著重要意義.土壤微生物是地球上最豐富多樣的生命形式,在土壤健康和土壤功能中發(fā)揮著重要作用[23-24].蘆葦和水杉是該地區(qū)生長(zhǎng)最旺盛的植物,其長(zhǎng)勢(shì)迅速,生物量大,對(duì)土壤pH 值和EC 值 (可溶性鹽濃度,Electrical Conductivity) 適應(yīng)范圍廣,最重要的是可以吸收土壤中的砷,可用做土壤砷污染的修復(fù)材料[25-26].

2.2.1 修復(fù)植物根際與非根際土壤的理化性質(zhì)和重金屬砷含量的監(jiān)測(cè)

土壤理化性質(zhì)是分析土壤養(yǎng)分含量的重要指標(biāo),其值會(huì)隨著重金屬含量的變化而變化,可以從側(cè)面反映出植物修復(fù)效果.新村林地水杉和蘆葦?shù)母H與非根際土壤各養(yǎng)分指標(biāo)的測(cè)定結(jié)果如圖1 所示.

表3 新村林地重金屬砷污染評(píng)價(jià)Tab.3 Evaluation of heavy metal arsenic pollution in a woodland in Xincun

圖1 新村林地根際、非根際指標(biāo)測(cè)定結(jié)果Fig.1 Rhizosphere and non-rhizosphere indexes of in a woodland in Xincun

土壤的pH 值可影響土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和植物吸收重金屬的有效性,是眾多化學(xué)性質(zhì)的綜合體現(xiàn).土壤電導(dǎo)率的大小可以反映土壤鹽分的高低,而土壤鹽分直接影響著植物的生長(zhǎng).在植物修復(fù)過(guò)程趨于穩(wěn)定狀況后,監(jiān)測(cè)到植物根際土壤的pH 值顯著低于非根際區(qū)域土壤,這是由于根際呼吸作用釋放的CO2和根際植物及微生物分泌的有機(jī)酸降低了根際土壤的pH 值.且有研究表明,pH 值越小越有利于促進(jìn)土壤養(yǎng)分和重金屬的轉(zhuǎn)化和活化[27].電導(dǎo)率則表現(xiàn)出非根際區(qū)低于根際區(qū),水杉高于蘆葦.有研究表明,植物根際鹽分富集程度越大,植物耐鹽能力就越強(qiáng).這說(shuō)明水杉和蘆葦具有較強(qiáng)的耐鹽能力,并且水杉的耐鹽能力優(yōu)于蘆葦[28].

土壤形成過(guò)程中植物的生命活動(dòng)都會(huì)使磷、氮這兩種元素在其根際富集,所以,這兩項(xiàng)指標(biāo)可以反應(yīng)植物根際的活化和吸收能力[29-30].土壤有機(jī)質(zhì)是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo),既可以促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成,防止土壤其他養(yǎng)分流失,又可以為植物和微生物提供能量來(lái)源.因此,將土壤總氮、總磷、有機(jī)質(zhì)作為反映土壤肥力的指標(biāo),測(cè)定其在土壤中的含量可有效評(píng)估研究區(qū)域內(nèi)重金屬的污染風(fēng)險(xiǎn)和植物修復(fù)效果.由圖1 可以看出,水杉和蘆葦根際土壤的總氮、總磷、有機(jī)質(zhì)含量均顯著高于非根際土壤.自然狀態(tài)下,不同植物的根際對(duì)其土壤中的養(yǎng)分利用較高.植物根際不斷從外界吸取養(yǎng)分來(lái)維持根系的生長(zhǎng)發(fā)育,故根際出現(xiàn)了較多的積淀和養(yǎng)分富集,這也導(dǎo)致了植物根際土壤的養(yǎng)分在一定程度上要高于非根際區(qū).而根際周圍有機(jī)物質(zhì)的變化絕大部分來(lái)源于植物在生長(zhǎng)期間的活躍代謝作用.不同植物對(duì)養(yǎng)分的吸收能力及其根際效應(yīng)也存在較大差異.從圖1 還可以看出,水杉根際土壤的養(yǎng)分含量均高于蘆葦根際土壤,這與水杉自身的生理特性和根際特性有關(guān)[31-32].

修復(fù)植物不僅要具有改良土壤肥力的特性,同時(shí)還要對(duì)重金屬砷進(jìn)行有效的吸收降解.修復(fù)一段時(shí)間后,監(jiān)測(cè)到林地中各植物根際土壤重金屬砷的含量均顯著低于非根際土壤.與非根際土壤相比,蘆葦、水杉根際土壤的重金屬砷含量分別減少了52.4%、28.6%.這可能是因?yàn)橹参锔堤厥獾姆置谖锘顒?dòng)有效降低了土壤中重金屬砷的含量,其機(jī)理還有待進(jìn)一步研究.

2.2.2 修復(fù)植物根際與非根際土壤的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)

土壤細(xì)菌是土壤微生物體系中規(guī)模最大、種類最多、功能最全的種群,在土壤環(huán)境中承擔(dān)著重要角色[33].土壤的污染狀況會(huì)直接影響土壤微生物的群落結(jié)構(gòu).為了更準(zhǔn)確地反映林地砷污染土壤的修復(fù)效果,引入了微生物的評(píng)價(jià)指標(biāo).采用16S rDNA 高通量測(cè)序方法測(cè)定了蘆葦和水杉根際與非根際土壤中的微生物信息.結(jié)果顯示,根際土壤的細(xì)菌豐富度明顯高于非根際土壤.這可能是蘆葦?shù)母H活動(dòng)更加有效地緩解了重金屬對(duì)微生物的影響,改變了土壤微生物多樣性.各樣本土壤的細(xì)菌多樣性指數(shù)如表4 所示.

Shannon 指數(shù)是用來(lái)估算樣品中微生物多樣性的指數(shù),數(shù)值越大,說(shuō)明群落多樣性越高;Ace 指數(shù)是用來(lái)估計(jì)群落中OTU (Operational Taxonomic Unit)數(shù)目的指數(shù),數(shù)值越大,表示該環(huán)境的物種越豐富,各物種分配越均勻;Chao 指數(shù)是用來(lái)估計(jì)樣品中所含OTU 數(shù)目的指數(shù),數(shù)值越大,代表樣本中所含的物種越多;Coverage 指數(shù)是一種表示測(cè)序深度的指數(shù),反映了其測(cè)序結(jié)果是否代表了樣品中微生物的真實(shí)情況,數(shù)值越接近1,說(shuō)明測(cè)序結(jié)果越能反映真實(shí)情況.表4 內(nèi)數(shù)據(jù)說(shuō)明,本次測(cè)序結(jié)果較為準(zhǔn)確,且蘆葦和水杉根際區(qū)土壤的細(xì)菌多樣性和豐度均大于非根際區(qū)土壤,對(duì)重金屬砷污染土壤具有較大的修復(fù)潛力.

表4 新村林地土壤細(xì)菌多樣性指數(shù)Tab.4 Xincun forest soil bacterial diversity index

2.2.3 植物根際與非根際土壤的酶活性

土壤酶活性是反映土壤中氮、磷和有機(jī)物等養(yǎng)分轉(zhuǎn)化強(qiáng)度的指標(biāo),其在土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化過(guò)程中占據(jù)著重要的地位[34].本文對(duì)林地植物根際與非根際土壤的脲酶、蔗糖酶以及堿性磷酸酶進(jìn)行了研究[35],結(jié)果見表5.由表可知,新村林地中蘆葦根際土壤的脲酶活性、蔗糖酶活性、堿性磷酸酶活性均顯著高于非根際土壤 (p＜0.05),表明林地中本土植物蘆葦對(duì)土壤修復(fù)工作有著改善作用.

表5 水杉、蘆葦根際與非根際土壤酶活性Tab.5 Enzyme activities in the rhizosphere and non-rhizosphere soils of metasequoia and reed

土壤酶活性的強(qiáng)弱反映了土壤的肥力水平、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化能力及生物的化學(xué)活性.土壤中的酶可被分為氧化還原酶、水解酶、轉(zhuǎn)移酶、合成酶、裂合酶和異構(gòu)酶這六大類.其中,氧化還原酶和水解酶在土壤形成過(guò)程中起著決定性作用[36-37],研究表明,脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶是3 種主要的土壤酶,其活性變化可以有效反映出土壤的發(fā)展?fàn)顩r[38].蔗糖酶對(duì)增加土壤中易溶性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)起重要作用;脲酶的酶促產(chǎn)物氨是植物氮源的重要來(lái)源之一,對(duì)植物生長(zhǎng)起重要作用;堿性磷酸酶對(duì)土壤中磷素的有效性具有重要意義[39].結(jié)果表明,蘆葦和水杉根際土壤的3 種酶活性均強(qiáng)于非根際土壤.在根際土壤區(qū),水杉脲酶和蔗糖酶的活性高于蘆葦,而蘆葦堿性磷酸酶的活性高于水杉.這說(shuō)明兩種植物的根際物質(zhì)與能量循環(huán)均處于正常狀態(tài),受重金屬砷的脅迫作用不顯著.

3 結(jié)論

(1) 污泥堆肥產(chǎn)品作為土壤肥料施加于土壤中可以有效提高土壤肥力,但其中的有害物質(zhì)也會(huì)對(duì)土壤環(huán)境產(chǎn)生威脅,在資源化利用的同時(shí)應(yīng)做好污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估.

(2) 修復(fù)前后對(duì)土壤砷含量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)說(shuō)明,本土修復(fù)植物對(duì)中度砷污染土壤中砷含量的變化起到控制作用.研究也表明,在該地區(qū)的土壤修復(fù)過(guò)程中,對(duì)養(yǎng)分恢復(fù)需求較高的土壤可以選擇水杉進(jìn)行修復(fù),而對(duì)砷毒性降低需求較高的土壤可選擇蘆葦進(jìn)行修復(fù).

(3) 通過(guò)對(duì)土壤的各項(xiàng)理化及生物指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析后發(fā)現(xiàn),重金屬污染土壤進(jìn)行植物修復(fù)后評(píng)價(jià)其修復(fù)效果需要多指標(biāo)綜合分析,同時(shí)可以對(duì)指標(biāo)之間的相關(guān)性進(jìn)行分析,以篩選出最為合適的幾項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)建評(píng)估體系.