填埋場復(fù)墾土壤動(dòng)物群落及環(huán)境相關(guān)性研究

王金鳳,由文輝,趙文彬,唐曉玲,張 燕

1.山東科技大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,山東青島 266510

2.華東師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)系,上海 200062

3.上海市城市化生態(tài)過程與生態(tài)恢復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200062

4.山東科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,山東青島 266510

填埋場復(fù)墾土壤動(dòng)物群落及環(huán)境相關(guān)性研究

王金鳳1,由文輝2,3＊,趙文彬4,唐曉玲1,張 燕1

1.山東科技大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,山東青島 266510

2.華東師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)系,上海 200062

3.上海市城市化生態(tài)過程與生態(tài)恢復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200062

4.山東科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,山東青島 266510

于春、秋兩季在上海市南匯老港生活垃圾衛(wèi)生填埋場采集 18個(gè)土壤樣品,分析土壤動(dòng)物類群、數(shù)量及土壤環(huán)境因子,以探討不同年代復(fù)墾土壤的動(dòng)物群落學(xué)特征和常規(guī)環(huán)境指標(biāo)間的相互關(guān)系,以反映填埋場土壤環(huán)境的恢復(fù)狀況.結(jié)果表明：隨著復(fù)墾年代的增加,土壤動(dòng)物數(shù)量、類群數(shù)相應(yīng)增加;在土壤環(huán)境因子中,w(有機(jī)質(zhì)),w(TN),w(TP),w(Cu),w(Zn),w(Pb)和w(Cd)均隨土壤復(fù)墾年代的增加而增加,只 pH呈相反趨勢;除w(Cd)和 pH外,其余各指標(biāo)與土壤動(dòng)物類群間呈不同程度的相關(guān)關(guān)系.

垃圾填埋場;復(fù)墾;土壤動(dòng)物;重金屬

土壤動(dòng)物在土壤有機(jī)質(zhì)分解、養(yǎng)分循環(huán)、改善土壤結(jié)構(gòu)、影響土壤質(zhì)量和土壤污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中具有重要作用[1-7],對(duì)土壤環(huán)境具有指示作用.目前學(xué)者已對(duì)城市不同土地利用類型的土壤動(dòng)物群落展開了研究[8-9].生活垃圾衛(wèi)生填埋場 (以下簡稱填埋場)是城市生態(tài)系統(tǒng)中不可忽視的一種土地利用類型,其運(yùn)行將對(duì)大氣、水體和土壤等環(huán)境產(chǎn)生一定影響,具有潛在的生態(tài)危害與風(fēng)險(xiǎn).筆者調(diào)查了上海市南匯老港生活垃圾衛(wèi)生填埋場不同復(fù)墾年代下土壤動(dòng)物的生態(tài)特征及其與土壤環(huán)境間的關(guān)系,以期利用土壤動(dòng)物群落學(xué)指標(biāo)監(jiān)測不同年代復(fù)墾的填埋場土壤環(huán)境恢復(fù)狀況.

1 材料與方法

1.1 填埋場概況

上海南匯老港生活垃圾填埋場位于上海市南匯老港海邊 ,地理位置為 31°04′N ～31°06′N,121°51′E～122°12′E. 自 1985年開始 ,該填埋場開始承擔(dān)全市生活垃圾的處置任務(wù),截至 2006年,其已有 20多年的復(fù)墾歷史.該填埋場采用平原型填埋方式,即在垃圾一次性堆高造坡至 6.5～7.8 m高度后,用泥土覆蓋 30 cm,其上種植適生植物對(duì)土壤進(jìn)行復(fù)墾和原位修復(fù),以減輕土壤對(duì)環(huán)境的影響.此外,還有一些野生植物生長,如葎草 (Humulus scandens)和加拿大一枝黃花 (Solidago decurrens)等.

在填埋場設(shè) 3個(gè)樣地,其中 1號(hào)樣地位于一、二期填埋場,填埋時(shí)間為 10 a以上;2,3號(hào)樣地位于三期填埋場,填埋時(shí)間少于 10 a.2號(hào)樣地復(fù)墾時(shí)間為6 a,植被覆蓋良好,3號(hào)樣地設(shè)在剛填埋 0.5 a且植被覆蓋較少的填埋場.植被生長情況如下：1,2號(hào)樣地,喬木為加拿大楊 (Populus canadensismoench),草本植物為葎草 (Humulus scandens)、加拿大一枝黃花(Solidago decurrens);3號(hào)樣地地表植被覆蓋度較低,約為 60%,主要以耐旱、耐鹽堿的多年生草本為主,常見的草本植物有藜 (Chenopodium album)、千金子 (Leptochloa chinensis)、狗 牙 根 (Cynodon dactylon)、稗草 (Echinochloa crusgalli)、大狗尾草(Setaria viridis)、蘆葦 (Phragm ites australis)等.

1.2 研究方法

1.2.1 土壤動(dòng)物研究方法

于 2006年在 3個(gè)樣地內(nèi)進(jìn)行大、中型干生和小型濕生土壤動(dòng)物調(diào)查.每個(gè)樣地按照對(duì)角線法選 3個(gè)采樣點(diǎn),每 2個(gè)采樣點(diǎn)間相距 5 m以上.大型土壤動(dòng)物的分離：挖取直徑為 30 cm,深 15 cm的土樣,就地手揀其中的土壤動(dòng)物,并放入 75%酒精中帶回,鑒定到目[10-11].濕生和干生土壤動(dòng)物的分離：按照0～5,＞5～10,＞10～15 cm土層進(jìn)行分層采樣,濕生土壤動(dòng)物用直徑 3.6 cm的不銹鋼采樣器在每個(gè)采樣點(diǎn)分層取 50 cm3土樣,共 150 cm3;干生土壤動(dòng)物用直徑為 5.0 cm的不銹鋼采樣器在每個(gè)采樣點(diǎn)分層取 100 cm3土樣,共 300 cm3.干生土壤動(dòng)物用塔式干法電熱分離裝置在 60 W白熾燈下進(jìn)行 24 h分離,Nikon SMZ800顯微鏡鏡檢計(jì)數(shù),鑒定到目[10-11];濕生土壤動(dòng)物取混合樣品的 1/6(即 25 mL),采用濕漏斗法 (Baermann法)分離計(jì)數(shù),鑒定到綱[10-11].將同一樣地、各樣方的同類土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)疊加換算成每 m2的數(shù)量進(jìn)行分析.

1.2.2 環(huán)境因子的測定

在采集土壤動(dòng)物樣品的同時(shí),分層 (0～5,＞5～10和 ＞10～15 cm)采集土壤測定其理化指標(biāo).pH測定 ：V(水 )∶m(土 )為 1∶1,磁力攪拌 1 min,靜止0.5 h后用 Delta 320 pH計(jì)測定.土壤w(有機(jī)質(zhì))采用重鉻酸鉀 -濃硫酸 (K2Cr2O7-H2SO4)氧化法測定;w(TN)和w(TP)采用濃硫酸硝化法測定,測量儀器為 SKALAR流動(dòng)注射分析儀 (San++,荷蘭SKALAR公司)[12];w(Cu),w(Zn),w(Pb)和w(Cd)采用 HCl-HNO3-HClO4法消解,利用原子吸收光譜儀 (SOLAAR S4型,Thermo Elemental公司 )測定[13].根據(jù)上海土壤重金屬評(píng)價(jià)參考分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[14-15]劃分土壤重金屬等級(jí).

1.2.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)

利用 Excel和 SPSS16.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,分析土壤動(dòng)物群落與環(huán)境因子的相關(guān)性.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同復(fù)墾階段土壤動(dòng)物群落組成

在 3個(gè)樣地土層中共獲得土壤動(dòng)物 1 447只,屬于 11綱共 23個(gè)類群.優(yōu)勢類群為線蟲綱(Nematoda)、蜱 螨 目 (Acarina)和 彈 尾 目(Collembola),共占總密度的 88.171%;常見類群為近孔寡毛目 (Oligochaeta plesiopora)、渦蟲綱(Turbellaria)和輪蟲綱 (Rotatoria),占 9.034%;稀有類群共 17類,包括等足目 (Isopoda)、雙翅目(D iptera)、鱗 翅 目 (Lepidoptera)、膜 翅 目(Hymenoptera)、鞘 翅 目 (Coleoptera)、目(Psocoptera)、同 翅 目 (Homoptera)、中 腹 足 目(Mesogastropoda)、蜘 蛛 目 (Araneae)、地 蜈 蚣 目(Geophilomorpha)、石蜈蚣目 (Lithobiomorpha)、半翅目 (Hem iptera)、原 尾 目 (Protura)、姬 馬 陸 目(Julida)、革翅目 (Dermaptera)、綜合目 (Symphyla)和后孔寡毛目 (Oligochaeta opisthopora),占總密度的2.795%(見表 1).

在各類土壤動(dòng)物中,濕生土壤動(dòng)物占總密度的61.43%,干生土壤動(dòng)物占 38.14%,大型土壤動(dòng)物僅占 0.43%.大型土壤動(dòng)物中,等足目 (Isopoda)(53.60%)和中腹足目 (Mesogastropoda)(21.61%)所占比例較大,常見類群為膜翅目 (Hymenoptera)、鞘翅目 (Coleoptera)、后孔寡毛目 (Oligochaeta opisthopora)、蜘蛛目 (Araneae)、姬馬陸目 (Julida)、革翅目 (Dermaptera)和地蜈蚣目 (Geophilomorpha),這些大型土壤動(dòng)物雖然個(gè)體數(shù)量少,但卻是碎裂植物殘?bào)w的主力,在物質(zhì)循環(huán)過程中發(fā)揮著重要作用;而且大型土壤動(dòng)物的生物量最大,各樣地春、秋兩季總共捕獲大型土壤動(dòng)物濕質(zhì)量共 32.44 g,平均為5.40 g/m2.

1～3號(hào)樣地捕獲的土壤動(dòng)物類群數(shù)量分別為23,18和 8種.研究發(fā)現(xiàn),復(fù)墾時(shí)間長的樣地所捕獲的土壤動(dòng)物類群數(shù)量要遠(yuǎn)大于剛填埋樣地的.從土壤動(dòng)物總密度上看,3個(gè)樣地總密度為 1號(hào) ＞3號(hào) ＞2號(hào).對(duì)不同復(fù)墾階段土壤動(dòng)物的總密度、類群數(shù)量及主要類群等進(jìn)行方差分析表明,3號(hào)樣地與 1,2號(hào)樣地間的動(dòng)物類群數(shù)量差異達(dá)到顯著水平 (F=105.8,P＜0.05),其余指標(biāo)沒有達(dá)到顯著水平.說明在復(fù)墾初期,土壤動(dòng)物群落恢復(fù)比較顯著,隨著復(fù)墾時(shí)間的增加以及地被層的形成,恢復(fù)進(jìn)程逐漸變緩.

表 1 填埋場土壤動(dòng)物類群組成及密度Table 1 Seasonal composition of soil animal community and their densities in landfill

2.2 不同復(fù)墾階段環(huán)境分析

從表 2可知,隨著復(fù)墾時(shí)間的增加,土壤 pH降低,但變化不大,w(有機(jī)質(zhì)),w(TN)和w(TP)隨之增加.方差分析表明,3號(hào)與 1號(hào)樣地的w(有機(jī)質(zhì))差異顯著,說明隨著復(fù)墾時(shí)間的增加,w(有機(jī)質(zhì))增加且達(dá)到顯著水平 (F=3.752,P＜0.05);1號(hào)樣地的w(TP)和 2號(hào),3號(hào)樣地間的w(TP)差異達(dá)到顯著水平 (F=7.177,P＜0.05).其余指標(biāo)雖然有差異但是并沒有達(dá)到顯著水平.

從表 2可知,土壤中w(Cu),w(Zn),w(Pb)和w(Cd)均隨復(fù)墾時(shí)間的增加而增加.方差分析表明 ,1號(hào)與3號(hào)樣地的w(Cu)差異達(dá)到顯著水平(F=5.631,P＜0.05).1號(hào)樣地的w(Zn)和w(Pb)與 2號(hào),3號(hào)樣地間的值差異達(dá)到顯著水平 (Fzn=5.909,Fpb=5.664,P ＜0.05).

表 2 填埋場復(fù)墾土壤的理化指標(biāo)Table 2 Average amount of physical and chemical indices of reclaimed soil in Landfill

對(duì)比表 2,3可知,春季除 1號(hào)樣地外,填埋場土壤的w(Cu),w(Zn)和w(Pb)均在清潔范圍內(nèi),而 1號(hào)樣地內(nèi)的 Cu和 Pb屬于輕污染,Zn屬于中污染.w(Cd)差異較大,從清潔程度到中污染程度均有分布.隨著復(fù)墾時(shí)間的增加,w(Cu),w(Zn)和w(Cd)從清潔向中污染程度發(fā)展,這在一定程度上說明用于復(fù)墾土壤的重金屬含量較低,但隨著復(fù)墾時(shí)間的增加,垃圾從填埋場底部將重金屬緩慢釋放,從而使垃圾達(dá)到無害化,其中地表適生植物也起到一定作用.

表 3 上海土壤重金屬評(píng)價(jià)參考分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[14]Table 3 The classification standard of soil heavy metals in Shanghai

2.3 土壤動(dòng)物與環(huán)境因子相關(guān)性分析

在土壤環(huán)境因子中,w(有機(jī)質(zhì)),w(TN),w(TP),w(Cu)和w(Zn)均隨著復(fù)墾時(shí)間增加而增加.土壤環(huán)境因子達(dá)到顯著性正相關(guān)水平的有：w(有機(jī)質(zhì))和 w(TN),w(Cu);w(TP)和 w(Cu),w(Pb);w(Zn)和w(Pb).達(dá)到極顯著性正相關(guān)水平的有 ：w(Cu)和w(Pb),w(Zn);w(Zn)和w(TP).

在土壤動(dòng)物各類群中,近孔寡毛目 (Oligochaeta plesiopora)、等足目 (Isopoda)、雙翅目 (D iptera)、中腹 足 目 (Mesogastropoda)、 地 蜈 蚣 目(Geophilomorpha)和后孔寡毛目 (Oligochaeta opisthopora)密度均隨復(fù)墾時(shí)間增加而增加;部分類群如蜱螨目 (Acarina)、輪蟲綱 (Rotatoria)密度在春季隨著復(fù)墾時(shí)間增加而增加,秋季由于 3號(hào)樣地的動(dòng)物捕獲數(shù)量增加,導(dǎo)致趨勢略有變化.對(duì)土壤動(dòng)物密度與土壤環(huán)境因子的相關(guān)顯著性分析可知,達(dá)到極顯著性正相關(guān)水平的有：蜱螨目 (Acarina)密度和w(TP),w(Zn);輪蟲綱 (Rotatoria)密度和w(TP),w(Cu),w(Pb)和w(Zn);近孔寡毛目(Oligochaeta plesiopora)密度和w(有機(jī)質(zhì)),w(TN).達(dá)到顯著性正相關(guān)水平的有：蜱螨目 (Acarina)密度和w(Pb),w(Cu);輪蟲綱 (Rotatoria)密度和w(TN);近孔寡毛目 (Oligochaeta plesiopora)密度和w(Cu).綜上所述,土層中除w(Cd)和 pH外,其余指標(biāo)與土壤動(dòng)物類群密度呈不同程度的相關(guān)關(guān)系.

表 4 填埋場土層環(huán)境指標(biāo)與土壤動(dòng)物相關(guān)性分析Table 4 The correlation analysisof soil animals and environment data in landfill

3 討論

3.1 不同復(fù)墾年代土壤動(dòng)物對(duì)環(huán)境的指示作用

土壤動(dòng)物與土壤環(huán)境息息相關(guān),能夠反映填埋場土壤環(huán)境恢復(fù)的好壞.該研究只是從土壤動(dòng)物群落學(xué)的角度來說明,并未對(duì)指示類群進(jìn)行闡述.對(duì)于土壤中一些常見類群,可以從中篩選出指示類群.有研究[16]表明,該填埋場土壤蜱螨類群以大孔低等甲螨(Macropyline)M群為主,與上海市其他土地利用類型的優(yōu)勢螨類不同.隨著復(fù)墾年代的增加,有翅孔背甲螨 (Poronota)P群增加,可以利用有翅孔背甲螨 P群的有無及數(shù)量來監(jiān)測填埋場恢復(fù)狀況.

3.2 填埋場不同復(fù)墾年代土壤環(huán)境的差異

隨著復(fù)墾年代的增加,地上植被和土壤地被層的形成促進(jìn)了土壤恢復(fù).從常規(guī)環(huán)境指標(biāo)來看,隨著復(fù)墾年代的增加,w(有機(jī)質(zhì)),w(TN)和w(TP)增加,這與其地上植被的恢復(fù)是分不開的.但是對(duì)于重金屬指標(biāo)則完全不同,復(fù)墾年代的增加導(dǎo)致土壤中重金屬富集.究其原因可能有：①由于填埋場重金屬污染類型屬于外源重金屬[17],在底層被填埋垃圾中的重金屬隨時(shí)間緩慢釋放;②地表植被形成后,吸收、富集重金屬,然后由落葉歸還表層土壤.有研究[17]表明,不同 pH下重金屬的釋放量不同,降低 pH可顯著增加重金屬釋放量,而填埋場土壤pH大于 7,屬弱堿性,也會(huì)影響重金屬釋放.與城市中其他土地利用類型比較,填埋場重金屬總體污染屬于低水平,這說明重金屬的富集與人類活動(dòng)和干擾有很大關(guān)系[16],同時(shí)填埋場重金屬污染對(duì)于其中土壤動(dòng)物群落的影響不大.

4 結(jié)論

a.上海南匯老港生活垃圾填埋場不同復(fù)墾年代的樣地中捕獲的土壤動(dòng)物隸屬于 11綱共 23個(gè)類群,其中優(yōu)勢類群為線蟲綱、蜱螨目和彈尾目,三者共占總數(shù)的 88.17%;常見類群為近孔寡毛目、渦蟲綱和輪蟲綱,占 9.03%;其余為稀有類群.

b.不同復(fù)墾年代樣地的土壤動(dòng)物群落特征和環(huán)境因子存在很大差異.隨著復(fù)墾年代的增加,土壤動(dòng)物數(shù)量、類群數(shù)也相應(yīng)增加.在土壤環(huán)境因子中,w(有機(jī)質(zhì)),w(TN),w(TP),w(Cu),w(Zn),w(Pb)和w(Cd)隨著復(fù)墾年代的增加而增加,而 pH呈相反趨勢.

c.相關(guān)性分析中,除 w(Cd)和 pH外,其余指標(biāo)與土壤動(dòng)物類群密度呈不同程度的正相關(guān)關(guān)系.土壤動(dòng)物是反映土壤環(huán)境變化的重要指示生物,在一定程度上土壤動(dòng)物能敏感反應(yīng)土壤污染程度、時(shí)間變化和生物學(xué)效應(yīng).一般來說,封埋復(fù)墾的時(shí)間越久,土壤恢復(fù)得越好,而該研究發(fā)現(xiàn),土壤動(dòng)物隨著封埋復(fù)墾時(shí)間的增加而增加,可以間接說明土壤環(huán)境質(zhì)量的恢復(fù)效果,同時(shí)土壤動(dòng)物密度與環(huán)境指標(biāo)的相關(guān)性也能說明這一點(diǎn).

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Study on the Relationship betw een So il Anim al Communities and Environmental Factors in Landfill Reclam ation So il

WANG Jin-feng1,YOU Wen-hui2,3,ZHAO Wen-bin4,TANGXiao-ling1,ZHANG Yan1
1.College of Chemical&Environmental Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266510,China
2.Department of Environmental Science,East China Normal University,Shanghai 200062,China
3.Shanghai Key Laboratory for Ecology of Urbanization Process and Eco-Restoration,Shanghai 200062,China
4.College of Resources&Environmental Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266510,China

The outcomes of the current paper were based on research on samples from Laogang landfill in Nanhui,Shanghai City.Groups and numbersof soil animal communities and environmental factors at different reclaimed phaseswere investigated by adopting 18 soil samples in spring and autumn.The relationship between characteristicsof soil animal groupsand environmental factors reflected the restoration situation.Results indicated that the number of soil animals and groups increased with increased reclamation time,as well as the contentsof organic matter,TN,TP,Cu,Zn,Pb and Cd.In contrast,the pH factor demonstrated theopposite tendency as compared w ith the other factors.This study also showed a positive correlation relationship between factors and soil animal group s,w ith the excep tion of the pH and the content of Cd.

landfill;reclamation;soil animal;heavy metal

X171

A

1001-6929(2010)01-0080-05

2009-06-11

2009-09-16

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (30130060);山東科技大學(xué)“春蕾計(jì)劃”項(xiàng)目 (2009AZZ016)

王金鳳 (1979-),女,遼寧鞍山人,wjf0412@163.com.

＊責(zé)任作者,由文輝 (1964-),男,山東龍口人,教授,博士,博導(dǎo),主要從事城市生態(tài)學(xué)、水域生態(tài)學(xué)研究,youwh@yjsy.ecnu.edu.cn

(責(zé)任編輯：孫彩萍)