農(nóng)村生活垃圾長期堆放對土壤硝化速率和呼吸速率的影響

萬書明，席北斗，李鳴曉，夏訓(xùn)峰

（1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物脫毒苗木所，哈爾濱 150086；2.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012）

農(nóng)村生活垃圾產(chǎn)生量逐年增加，據(jù)衛(wèi)生部2008年調(diào)查表明，農(nóng)村生活垃圾產(chǎn)生量為0.86 kg·d-1·人-1，年產(chǎn)生總量約3億t[1]。由于農(nóng)村地區(qū)缺乏生活垃圾收集與處理系統(tǒng)，致使生活垃圾隨意棄置于村民聚居區(qū)周邊，每年約有1.2億t的農(nóng)村生活垃圾露天堆放，“垃圾圍村”現(xiàn)象嚴(yán)重[2]。

由于露天垃圾堆缺少防滲措施，垃圾堆放直接后果是使大量成分復(fù)雜、污染物含量極高的滲濾液通過降雨淋溶或隨地勢側(cè)滲對周邊土壤造成污染[3]。垃圾堆填區(qū)土壤理化性質(zhì)改變的同時(shí)微生物生態(tài)也發(fā)生變化。外源營養(yǎng)物質(zhì)的輸入使得土壤中功能性微生物種類和活性發(fā)生改變，從而影響土壤的C、N循環(huán)轉(zhuǎn)化[4]。土壤生物理化行為研究是預(yù)防土壤污染和土壤修復(fù)基礎(chǔ)[5]，而硝化速率和呼吸速率可較直觀反映土壤生物理化行為。

本試驗(yàn)對白洋淀地區(qū)“淀中村”垃圾堆周邊土壤受影響狀況進(jìn)行研究，采用氣壓過程分離法（BaPS）測定受污染土壤硝化速率和呼吸速率的變化，并對二者的主要影響因素進(jìn)行初探，以期為農(nóng)村地區(qū)土壤污染的預(yù)防和修復(fù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及樣品采集

土壤樣品采自河北省安新縣東田莊村，該村總?cè)丝? 800人，經(jīng)濟(jì)收入以漁業(yè)和蘆葦打包出口為主；年平均氣溫12.2℃，平均降水529.7 mm。村莊四周被白洋淀環(huán)繞，構(gòu)成了園田和水面相間分布的特殊地貌[6]。由于交通不便，村內(nèi)產(chǎn)生的生活垃圾只能沿淀邊堆放，在村周圍形成了20余個(gè)垃圾堆，給村民的人居環(huán)境和身體健康造成很大危害。

采樣在5月中旬進(jìn)行，日溫度變化為16～24℃；地點(diǎn)選擇村內(nèi)最大的露天垃圾堆（N:38°50′；E:115°59′）附近，該垃圾堆占地面積約100 m2，已連續(xù)堆放10年以上，所選垃圾堆組分為廚余675.6 g·kg-1，灰土 42.6 g·kg-1，塑料 44.5 g·kg-1，玻璃 19.6 g·kg-1，蘆葦 121.6 g·kg-1，磚瓦 86.3 g·kg-1，其它9.8 g·kg-1。根據(jù)地勢由南向北在距垃圾堆邊緣0、10、20、30、40、50、60 m處采土樣，并在距垃圾堆200 m以外采土作為對照。四分法采集樣品，用于測定理化性質(zhì)；另外每點(diǎn)用環(huán)刀采集7個(gè)無擾動(dòng)土樣用于BaPS測定，各點(diǎn)采樣深度為20 cm。

1.2 測定項(xiàng)目及方法

土壤含水率、pH分別用105℃烘干法和pH計(jì)測定；TC、TOC采用Analytik jena multi N/C 2100 TOC儀測定；TN和氨態(tài)氮分別采用半微量凱氏法和靛酚藍(lán)比色法；全磷用鉬銻抗比色法；速效鉀用火焰光度法；土壤硝化速率和呼吸速率用BaPS儀器測定；所得數(shù)據(jù)采用SPSS軟件進(jìn)行分析。

BaPS（Barometric Process Separation）是 Ingwersen等1999年開發(fā)的用于測定旱地土壤呼吸速率、反硝化和總硝化速率的儀器，包括4個(gè)部分，即工作站、轉(zhuǎn)換平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)容器和恒溫水浴。實(shí)驗(yàn)容器上連接了溫度（同時(shí)檢測土溫和上部空間的氣溫）、壓力和CO2三個(gè)探頭，O2探頭與CO2探頭集成在一起。在實(shí)驗(yàn)容器的密閉空間內(nèi)，可以放置7個(gè)裝有田間原狀土柱的環(huán)刀。實(shí)驗(yàn)過程中需要土溫和氣溫保持恒定，可以通過將實(shí)驗(yàn)容器放入控制精度為±0.05℃的水浴中以保持恒定的溫度?；驹頌椋涸诤銣亍⒏魺?、氣密性良好的密閉系統(tǒng)中，通過監(jiān)測系統(tǒng)中壓力、CO2和O2濃度的變化根據(jù)反應(yīng)方程式計(jì)算硝化速率和呼吸速率[7]。

2 結(jié)果與分析

2.1 垃圾堆對周圍土壤基本理化性質(zhì)的影響

土壤的硝化作用和呼吸作用受pH和含水率的影響很大。土壤pH過高或過低都不利于微生物的生長代謝；在一定范圍內(nèi)，水分含量增加會(huì)促進(jìn)硝化作用，但達(dá)到一定范圍后，水分含量的增加將抑制硝化作用進(jìn)行[8]。

如表1所示，在距垃圾堆0～60 m范圍內(nèi)土壤樣品pH隨距離的增加而逐漸升高，0 m處土壤pH為6.01，明顯低于CK。TN、TP和速效鉀含量則隨著與垃圾堆距離的增加而下降，逐漸趨近于CK水平。這是由于垃圾滲濾液養(yǎng)分含量很高，滲入土壤后增加了土壤TN和TC含量，提高了土壤微生物的活性。微生物的代謝過程中會(huì)產(chǎn)生低分子量的有機(jī)酸，從而使土壤pH進(jìn)一步下降。

表1 土壤基本理化性質(zhì)變化Table1 Changes of physical and chemical properties of soil

土壤含水率隨著與垃圾堆之間距離的增加而降低。其中0 m處含水率分別是CK和60 m處的2.34和3.42倍，這是由于垃圾堆對降水和垃圾原有水分有一定緩釋作用，致使?jié)B濾液持續(xù)滲入周圍土壤，增加了土壤含水率。

2.2 氨態(tài)氮含量與土壤硝化速率的變化

土壤硝化作用是微生物利用土壤中的NH4-N將其氧化為NO2-N或NO3-N的過程。本研究所選垃圾堆主要由生活垃圾構(gòu)成，垃圾滲濾液中氨態(tài)氮含量較高。由于氨態(tài)氮結(jié)構(gòu)簡單，容易被微生物作為硝化反應(yīng)底物直接利用，所以氨態(tài)氮向四周土壤的遷移能力較弱[9]。結(jié)果見圖1。

在距堆體0 m處土壤氨態(tài)氮含量達(dá)到0.65 g·kg-1，較CK提高了441.67%，這為硝化細(xì)菌提供充足的底物。此處土壤樣品硝化速率最高，達(dá)到590.47 μgN·kg-1·h-1；在距離堆體10和20 m處氨態(tài)氮含量和硝化速率也都維持相對較高水平，但隨著與堆體距離的增加和氨態(tài)氮不斷被硝化利用，其含量明顯減少；在距堆體30和40 m處氨態(tài)氮含量明顯降低，較0 m處分別下降72.31%和67.69%，與此同時(shí)土壤硝化速率也分別降為320.3和164.0 μgN·kg-1·h-1，逐漸趨近于CK。由此可見，堆體周邊土壤硝化速率下降與氨態(tài)氮含量降低關(guān)系密切。

圖1 土壤氨態(tài)氮含量和硝化速率的變化Fig.1 Variation of ammonia nitrogen and nitrification rates in soil

2.3 TOC含量與土壤呼吸速率的變化

有機(jī)碳是土壤有機(jī)質(zhì)的主要構(gòu)成成分，是土壤中微生物活動(dòng)所需能量的主要來源，對維持土壤中微生物量及土壤酶活性起重要作用[10]。如圖2所示，0 m處TOC含量為12.6 g·kg-1，是CK的2.76倍，其余距垃圾堆10、20、30、40、50、60 m處土壤樣品較CK分別提高了86.40%、61.18%、49.78%、43.85%、29.82%、21.93%。這表明垃圾滲濾液的側(cè)滲導(dǎo)致了土壤有機(jī)碳含量的升高。

TOC含量能夠影響土壤微生物的活性，而土壤呼吸速率是微生物活性的直接反映[11]。通過對土壤呼吸速率進(jìn)行測定，發(fā)現(xiàn)距堆體0 m處土壤呼吸速率最快（見圖2），為878.96 μgC·kg-1·h-1。隨著土壤TOC含量的下降，10 m處土壤呼吸速率明顯降低，而此時(shí)土壤的pH和含水率變化不大，可見TOC含量對土壤呼吸速率有影響。20和30m處土壤呼吸速率繼續(xù)下降，分別為302.98和220.54μgC·kg-1·h-1，這與TOC和氨態(tài)氮的變化趨勢相同。40 m處TOC含量低于30 m處，但呼吸速率卻有所回升，這可能與土壤微生物與植物根系的相互作用有關(guān)。在距垃圾堆0～30 m范圍內(nèi)植被很少，在40 m以外開始有草本植物生長，其根系與微生物的共同作用使得土壤的呼吸速率有所回升。

2.4 土壤硝化作用和呼吸作用的相關(guān)性分析

土壤中微生物碳氮元素轉(zhuǎn)化是一個(gè)互相關(guān)聯(lián)的綜合體系，兩個(gè)反應(yīng)都是土壤中消耗氧氣的微生物活動(dòng)。如圖3所示，硝化速率和呼吸速率呈正相關(guān)（R2=0.605）。這是因?yàn)橥寥乐械纳顒?dòng)所需能量依賴于呼吸作用，呼吸作用降解土壤有機(jī)碳，為硝化速率提供能源和碳源[12]，呼吸作用的強(qiáng)度反映了土壤中微生物活性，而微生物活性強(qiáng)弱又直接影響土壤硝化速率。

結(jié)果見圖3～5。

圖2 土壤TOC含量和呼吸速率的變化Fig.2 Variation of TOC and respiratory rates in soil

圖3 硝化速率與呼吸速率相關(guān)性分析Fig.3 Relevance analysis of nitrification rates and respiratory rates

圖4 硝化速率與氨態(tài)氮含量相關(guān)性分析Fig.4 Relevance analysis of nitrification rates and ammonia nitrogen

氨態(tài)氮作為土壤硝化反應(yīng)的底物，其含量變化能夠直接影響土壤的硝化速率（見圖4）。相關(guān)性分析表明，隨著與垃圾堆距離的增加，土壤硝化速率和氨態(tài)氮含量的變化呈顯著性正相關(guān)（R2=0.823）。呼吸速率能夠體現(xiàn)土壤微生物活性，TOC作為微生物的主要能源和碳源其含量變化對微生物分布和生長代謝影響很大，在本試驗(yàn)中TOC和呼吸速率的相關(guān)系數(shù)R2=0.893，為高度線性相關(guān)（見圖5）。由此可見生活垃圾長期堆放會(huì)對周邊土壤養(yǎng)分含量及硝化速率和呼吸速率造成影響。

圖5 呼吸速率與TOC含量相關(guān)性分析Fig.5 Relevance analysis of respiration rates and TOC

3 討 論

距生活垃圾堆0 m處土壤硝化速率和呼吸速率明顯高于其它距離處樣品，分別為590.47和878.96 μgC·kg-1·h-1。與之相鄰的10 m處樣品相應(yīng)指標(biāo)則陡然下降，隨后各點(diǎn)變化趨于平緩。這可能是由于堆體附近土壤的高養(yǎng)分含量為微生物代謝提供了充足的底物，導(dǎo)致土壤微生物生長代謝比較旺盛，在距垃圾堆0～10 m范圍內(nèi)形成了微生物緩沖帶，攔截了大部分易分解有機(jī)物并就地轉(zhuǎn)化利用，減緩了垃圾滲濾液側(cè)滲。

受到垃圾滲濾液浸蝕的土壤酸性增大，距垃圾堆60 m范圍內(nèi)土壤都受到了滲濾液不同程度的影響，土壤有機(jī)質(zhì)和其它養(yǎng)分含量明顯增加。雖然滲濾液在土壤中的遷移速度比較緩慢，但土壤pH降低、有機(jī)質(zhì)增加會(huì)導(dǎo)致土壤原有性狀發(fā)生改變，從而影響碳、氮循環(huán)轉(zhuǎn)化，增加土壤和地下水污染風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)引起足夠的重視。因此，如何從源頭上減少農(nóng)村生活垃圾排放，并對其中的有機(jī)組分進(jìn)行資源化利用，是防治生活垃圾污染土壤和保護(hù)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境的有效途徑。

4 結(jié)論

生活垃圾長期堆放導(dǎo)致周邊土壤理化性質(zhì)發(fā)生改變，距離堆體最近處土壤硝化速率和呼吸速率明顯提高，分別是CK的9.42倍和4.33倍，并隨距離的增加而逐漸下降。

相關(guān)性分析表明土壤硝化速率和呼吸速率呈正相關(guān)，說明硝化作用和呼吸作用彼此依賴、互相促進(jìn)，在土壤碳氮循環(huán)中發(fā)揮著重要作用。此外，硝化速率和呼吸速率分別與氨態(tài)氮和TOC呈顯著性正相關(guān)，這說明除水分、pH外氨態(tài)氮和TOC含量也是影響土壤微生物活性的重要因素。

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