垃圾填埋場滲濾液澆灌對干旱區(qū)冰草生長和重金屬吸收的影響＊

蔡永會,楊 昭,文 元,張曉麗,王兆煒

（蘭州大學資源環(huán)境學院 甘肅省環(huán)境污染預警與控制重點實驗室,甘肅 蘭州 730000）

垃圾滲濾液受垃圾類型、填埋年齡、地理區(qū)位、氣候條件、填埋場設計等多種因素影響[1]，一般具有有機質含量高、成分復雜、不同成分含量范圍較廣等特點。一般生物法處理受到了一定的限制，物化處理存在不易達標、處理費用高等缺點[2]，導致其處理難度和處理成本高于生活污水和工業(yè)廢水。結合干旱區(qū)水資源短缺的現(xiàn)狀以及滲濾液中豐富的N、P、K、有機質等營養(yǎng)物質，將垃圾滲濾液以合理、經濟的方式預處理后用于灌溉生態(tài)綠化用地，進行填埋場生態(tài)恢復是一種較為理想的方法，可在進行滲濾液生態(tài)化處理的同時實現(xiàn)其資源化利用。同時，不合理的滲濾液灌溉會使污染物進入土壤并積累，降低土壤質量，會使植物生長發(fā)育受損，葉片早衰、生物量降低[3]。研究適宜的滲濾液灌溉制度對植物生長發(fā)育的影響是至關重要的[4]。在確保污染物濃度不超標的前期下，通過將適當濃度或者經過一定預處理的滲濾液用于灌溉垃圾填埋場覆蓋層及周邊裸露荒地土壤等場地，不僅實現(xiàn)滲濾液中的有機質、N、P 等營養(yǎng)物質的循環(huán)利用，而且有效解決當?shù)氐姆试春退炊倘?，有利于這些場所的生態(tài)恢復，是一種有效的滲濾液處理和養(yǎng)分再利用手段，具有良好的生態(tài)效益[2,5]，尤其對于我國西北干旱地區(qū)。含有一定濃度的重金屬是垃圾滲濾液重要的水質特征之一[6,7]。一些調研發(fā)現(xiàn)國內外垃圾滲濾液中有含量不同的重金屬[8-10]。近年來，大量研究工作開展了生活污水、養(yǎng)殖廢水、工礦業(yè)廢水灌溉和工礦業(yè)固體廢物影響以及通過污泥、肥料使用等途徑進入土壤中的重金屬在不同類型土壤-農作物系統(tǒng)中的吸收遷移及其生態(tài)與健康風險[11-17]。土壤類型、土壤理化特性、重金屬種類以及氣候條件等都會顯著影響重金屬在植物體中吸收與累積[18]。目前關于不同濃度穩(wěn)定滲濾液澆灌下，輸入土壤中的重金屬在干旱區(qū)土壤—植物系統(tǒng)中的吸收、積累、遷移特性的相關研究還較為薄弱。本文以我國西北地區(qū)典型耐寒耐旱耐鹽堿草本植物—冰草（Agropyron cristatum (L.)Gaertn.）為供試植物，通過盆栽實驗，研究不同濃度穩(wěn)定滲濾液澆灌對冰草生長狀況的影響以及冰草對重金屬的吸收、土壤重金屬有效形態(tài)變化等，旨在探討并認識掌握干旱區(qū)土壤、氣候條件下，滲濾液澆灌對代表性耐旱耐寒植物生長的影響及植物對以滲濾液澆灌方式輸入的重金屬的吸收與遷移累積過程和規(guī)律，以期為干旱區(qū)垃圾填埋場穩(wěn)定滲濾液的就地原位利用和干旱區(qū)垃圾填埋場及周邊裸露土地植被恢復提供重要的理論基礎和科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試土壤取自蘭州市榆中縣夏官營鎮(zhèn)（蘭州大學榆中校區(qū)西北側萃英山腳下）廢棄農田耕作土表層（0～20cm），土壤類型為灰鈣土。土壤樣品采回后自然風干，過2mm 尼龍篩除去土壤中碎石等雜物，混合均勻后備用。土壤基本理化性質見表1。

表1 供試土壤基本理化性質

供試植物為冰草，學名Agropyron cristatum (L.)Gaertn.，種子購自蘭州興隴草業(yè)技術服務有限公司。

供試滲濾液取自蘭州新區(qū)生活垃圾填埋場。滲濾液基本理化性質見表2。

表2 供試滲濾液基本理化性質（mg/L）

1.2 盆栽試驗設計與實施

試驗設4 個滲濾液濃度梯度，分別為10%（T1）、20%（T2）、50%（T3）和100%（T4，即原液）滲濾液。除原液外，其他濃度滲濾液用自來水稀釋獲得。試驗設1 個對照組，用自來水（CK）灌溉，每個處理設3 個重復。

每盆裝入1.50kg 經預處理的土壤。裝入土樣并加水穩(wěn)定兩周后，按照農作制度播入冰草種子，出芽一周后間苗，每盆保留5 株。冰草生長期間注意日常田間管理，定期使用自來水澆灌補充土壤水分，使土壤含水量保持在田間持水量的60%。待植物生長健壯后，開始用滲濾液澆灌，每次澆灌150 mL，每隔3～4d 澆灌一次，共澆灌11 次，實驗期滿獲取冰草及土壤樣品。土壤剔除殘留植物根系后用四分法獲取100g 土樣，經自然風干，用陶瓷研缽磨碎，過100 目尼龍篩，之后封裝保存，用于進一步檢測分析。

1.3 分析方法

1.3.1 植物生長情況指標的測定

冰草依次經自來水、超純水清洗并去水后將其分為莖葉部分和根部，測量其根長和株高，并稱量各部分的鮮重。將鮮樣在50℃下烘干至恒重，然后稱其干重，研磨粉碎過60 目篩待用。

1.3.2 樣品重金屬含量測定

土樣消解采用HNO3-HCl-HF 三酸微波消解法[19]。植物樣品消解采用HNO3—微波消解法[20]。用電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS）測定各消解完備待測液中Cd、Pb、Cu、Ni 的總量。在植物樣品消解過程中用平行樣和GSB 標準植物樣進行分析質量控制。土壤樣品分析過程中用平行樣和GSS 標準土樣進行質量控制。同時做空白實驗。

1.3.3 土壤重金屬形態(tài)分析

TESSIER 五步連續(xù)提取法將土壤中重金屬的形態(tài)分為可交換態(tài)、碳酸鹽結合態(tài)、鐵錳氧化物結合態(tài)、有機結合態(tài)以及殘渣態(tài)[21]。本研究用前四態(tài)來表示土壤重金屬有效態(tài)含量。提取步驟和操作方法如下[21]：（1）可交換態(tài)：在1.0g 試樣中加入8.0mL MgCl2溶液（1mol/L MgCl2，pH=7.0），室溫下震蕩1h，離心取上清液。（2）碳酸鹽結合態(tài)：經（1）處理后的殘余物在室溫下用8.0mL1mol/L NaAc 浸提，在浸提前用乙酸把pH 調至5.0，連續(xù)震蕩8h，離心取上清液。（3）鐵錳氧化物結合態(tài)：經（2）處理后的殘余物，在96℃±3℃下用20.0mL 0.04 mol/L NH2OH 在20%（V/V）乙酸中浸提4h，離心取上清液。（4）有機結合態(tài)：經（3）處理后的殘渣物，加3.0mL0.02mol/L HNO3、5.0mL 30% H2O2，用HNO3調 節(jié)pH=2，加 熱至85℃±2℃，保溫2h，加熱中間振蕩幾次。再加入3.0mL30%H2O2，用HNO3調pH=2，85℃±2℃下加熱3h，間斷振蕩。冷卻后，加5.0 mL3.2mol/L 乙酸銨20%（V/V）HNO3溶液，稀釋至20mL，振蕩30min，離心取上清液。每一步用2% HNO3定容。

2 結果與討論

2.1 不同濃度滲濾液澆灌對冰草生長的影響

利用冰草的鮮重和干重以及根長和株高的變化來考察不同濃度滲濾液澆灌對冰草生長發(fā)育的影響。由表3 可以看出，隨著滲濾液濃度從T1 增至T3，冰草地上莖葉部鮮重較CK 組明顯增高，均達顯著差異水平（P<0.05）；當濃度增大至T4 時，冰草地上部鮮重明顯下降，為CK 組的72%。地下根部鮮重在T1—T3 澆灌水平下變化不明顯，但在T4 澆灌水平下顯著降低，僅為對照組的47%，與其他處理組達顯著差異水平（P<0.05）。冰草莖葉部和根部干重變化趨勢分別與莖葉部和根部鮮重變化趨勢一致。冰草株高和根長總體上也呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，在T3 處理水平下株高和根長達到最大。其中株高在各處理組中雖有先增后減的趨勢，但在0.05 水平上差異不顯著；根長也呈現(xiàn)先增后減的趨勢，但僅在T4 處理水平下與其他處理組達到顯著差異水平（P<0.05）。由此可見，原液對冰草產生了毒害作用。

表3 不同濃度滲濾液澆灌對冰草生長的影響

整體來看，鮮重和干重以及根長和株高的變化趨勢保持一致，即在T1—T3 澆灌水平下冰草生物量增高，原液澆灌下生物量降低。說明，一定濃度的滲濾液可以提高冰草的生物量，促進冰草生長，其中T3（50%滲濾液）最為顯著。在CK 處理下，由于沒有營養(yǎng)物質等的輸入，冰草在相對貧瘠的干旱區(qū)土壤上長勢一般。隨著不同濃度滲濾液的澆灌，滲濾液中含有的N、P、有機質等營養(yǎng)物質輸入土壤中，冰草生長得以促進，但T4 澆灌水平抑制了冰草的生長，從而表現(xiàn)出低濃度澆灌促進而高濃度澆灌抑制的雙重作用[2,22]。這種雙重作用也表明滲濾液濃度控制是垃圾滲濾液資源化灌溉利用的關鍵。由于滲濾液性質、土壤類型、植物種類、氣候條件、地理位置等因素不同，導致不同研究者發(fā)現(xiàn)適合灌溉的滲濾液濃度不同[2,23-26]。因此，在滲濾液資源化灌溉時，應該采用符合當?shù)赝寥?、植物及氣候等因素的滲濾液濃度再進行灌溉。

2.2 不同濃度滲濾液澆灌后冰草對重金屬的吸收

滲濾液中重金屬通過澆灌進入土壤后，通過土壤-植物系統(tǒng)進入植物體內。重金屬元素在植物體內的吸收與累積受土壤理化性質、植物生理生長特性、重金屬間交互作用、氣候條件、重金屬形態(tài)等因素的綜合影響[18,27-29]。不同植物或同一植物的不同部位對重金屬的吸收以及同一植物對不同重金屬的吸收不同[30-32]。垃圾滲濾液中含有大量的可溶性有機物，能與環(huán)境中的重金屬形成重金屬－有機配合物，影響重金屬的有效性，從而改變植物對重金屬元素的吸收[2]。

圖1 所示為不同水平滲濾液澆灌下冰草根部和莖葉部對Cd、Pb、Cu、Ni 四種重金屬吸收與累積情況。由圖1 可以看出，冰草根部和莖葉部對四種重金屬吸收累積能力表現(xiàn)為根部>莖葉部。冰草根部對Cd 吸收在T1—T3 處理水平下隨滲濾液濃度增大而增大，T2 和T3 處理組與CK 組達到顯著差異水平（P<0.05），T4 處理水平下根部Cd 含量較其他處理組降低，與T2、T3 處理組達到顯著差異水平（P<0.05）；就莖葉部而言，在不同濃度滲濾液澆灌下，莖葉部對Cd 的吸收無顯著差異。Pb 在不同濃度滲濾液澆灌下在冰草根部的累積與滲濾液濃度呈顯著正相關；在T1、T2、T3 處理組，冰草莖葉部對Pb 的吸收較CK 組有所降低，在T4 澆灌水平下冰草莖葉部對Pb 吸收較CK 組又有所增加。Cu 在冰草根部的吸收累積在T1—T3 處理下隨滲濾液濃度增大變化不顯著，而T4 處理水平較對照組顯著增大，達到顯著差異水平（P<0.05）；莖葉部對Cu 吸收累積隨滲濾液濃度變化不顯著。冰草根部和莖葉部對Ni 吸收累積在T1—T3 處理下較CK 組變化不顯著，當處理水平進一步增大到T4 時，根部和莖葉部對Ni 吸收累積顯著增加，較其他處理組均達到顯著差異水平（P<0.05）。

圖1 不同濃度滲濾液處理下冰草根部和莖葉部重金屬含量

Cu 為植物體生長所必需的微量元素之一，對比不同濃度滲濾液澆灌后4 種重金屬在冰草中吸收累積狀況發(fā)現(xiàn)，冰草對Cu 吸收累積較其他三種重金屬相對較高，因為冰草根部和莖葉部對Cu 吸收與冰草生長對Cu 生理需求有關，但也與他們在土壤中活性較高以及在土壤中背景濃度較高有關。冰草對Pb 吸收累積能力最差，這是因為Pb 是一種相對惰性的元素，特別是土壤中Pb 容易受到土壤pH、碳酸鹽含量影響，在土壤中呈殘渣態(tài)等形態(tài)存在，不易被植物所吸收和利用。但總體來說，在不同濃度滲濾液澆灌下冰草根部對4 種重金屬吸收累積較CK 組均呈現(xiàn)增加趨勢，說明干旱區(qū)土壤中滲濾液澆灌提高了土壤中重金屬的活性及生物有效性，促進了冰草根部對重金屬吸收。冰草屬于西北干旱地區(qū)典型牧草之一，《飼料衛(wèi)生指標及試驗方法》（GB 13078-2017）中植物性飼料對Cd 和Pb 的限量分別為1mg/kg 和10mg/kg。冰草地上部可作為植物性飼料，在本研究最佳灌溉濃度下（50%滲濾液）冰草地上部Cd、Pb 含量分別為0.27mg/kg 和0.16mg/kg，就單從這兩種重金屬來說，短期滲濾液灌溉下冰草地上部未超標，可作為植物性飼料。

2.3 重金屬在植物體內的遷移特征

遷移系數(shù)（Translocation Factor，TF）是植物體地上部分中重金屬含量與其根部重金屬含量的比值[33]，是表征植物體內吸收與累積重金屬污染的重要參量[34]。為了反應重金屬元素在冰草體內的遷移規(guī)律，本研究采用遷移系數(shù)來描述Cd、Pb、Cu、Ni 四種重金屬在冰草體內吸收遷移特性。TF 計算公式：

式中：Ca 為植物地上部分重金屬含量（mg/kg），Cb為植物根部重金屬含量（mg/kg）。

圖2 所示為不同濃度滲濾液澆灌下重金屬Cd、Pb、Cu、Ni 在冰草體內由地下根部向地上莖葉部遷移情況。通過對比發(fā)現(xiàn)，不同重金屬元素在冰草體內由地下部向地上部遷移能力（TF）不同，其TF 大小為：Cu>Cd>Ni>Pb。在進行不同濃度滲濾液澆灌后，Cd、Pb、Cu、Ni 在冰草體內由地下根部向地上莖葉部吸收遷移能力（TF）較自來水出現(xiàn)變化。整體上，較自來水灌溉Cd、Pb、Ni、Cu 表現(xiàn)出隨著灌溉濃度增大，在冰草體內由地下部向地上部遷移能力（TF）逐漸減小。說明，滲濾液的加入改變了土壤條件和重金屬在土壤中的活性，以及重金屬在土壤和植物體內的結合形態(tài)，影響了植物體內重金屬的遷移。但不同重金屬在不同濃度滲濾液澆灌下，其TF值存在差異，這種差異與重金屬自身性質有關，也與滲濾液澆灌后引起土壤性質以及土壤中重金屬形態(tài)以及重金屬形態(tài)改變后在植物體內的結合等變化有關。

圖2 不同濃度滲濾液處理下重金屬在冰草體內的遷移系數(shù)

2.4 土壤重金屬有效態(tài)含量以及與冰草體內重金屬含量的關系

重金屬的生物毒性在很大程度上取決于其存在形態(tài)，全量不能很好說明環(huán)境中重金屬的化學活性、遷移轉化、植物吸收的有效性以及最終對生態(tài)系統(tǒng)或生物有機體的影響[35-37]。植物對重金屬吸收累積與土壤中重金屬生物有效性密切相關[38]。研究表明[37,39,40]，可交換態(tài)和碳酸鹽結合態(tài)穩(wěn)定性差，最容易被植物吸收，而鐵錳氧化物結合態(tài)和有機結合態(tài)分別在還原和氧化條件下具有較高植物有效性。因此本研究探索了可以被植物直接或間接吸收的上述四種重金屬形態(tài)在不同濃度滲濾液澆灌后在土壤中的含量及其與冰草吸收量的關系。由圖3 可以看出，整體上Cd、Pb、Cu、Ni 的4 種有效形態(tài)之和均隨滲濾液澆灌濃度增大而增大。在4 種有效形態(tài)中，Cd 主要以碳酸鹽結合態(tài)的形式存在，其次是可交換態(tài)和鐵錳氧化物結合態(tài)，有機結合態(tài)所占比例很低；Pb 主要以鐵錳氧化物結合態(tài)的形式存在，且這種形態(tài)占Pb 有效形態(tài)的67%左右，其余三種形態(tài)所占比例較低；Cu 主要以有機結合態(tài)的形式存在，但隨著滲濾液澆灌濃度的增大，Cu 可交換態(tài)含量呈現(xiàn)顯著增加趨勢；Ni 主要以有機結合態(tài)的形式存在，其余3 種形態(tài)含量均較低。

圖3 不同濃度滲濾液澆灌后各重金屬四種有效形態(tài)含量

本研究通過土壤中四種重金屬形態(tài)含量與冰草吸收量之間的相關性來探究干旱區(qū)不同濃度滲濾液澆灌后土壤中重金屬植物有效性。冰草中重金屬吸收量和土壤重金屬各有效態(tài)含量間的Pearson相關系數(shù)見表4，由表可以看出，在顯著性水平下（P<0.05），冰草對Cd 的吸收量與土壤中Cd 可交換態(tài)呈顯著正相關，與碳酸鹽結合態(tài)呈極顯著（P<0.01）正相關；在顯著性水平下（P<0.05），冰草對Pb的吸收量與土壤中Pb 可交換態(tài)和碳酸鹽結合態(tài)呈顯著正相關，與鐵錳氧化物結合態(tài)呈極顯著（P<0.01）正相關；在顯著性水平下（P<0.05），冰草對Cu的吸收量與土壤中Cu 可交換態(tài)呈顯著正相關，與碳酸鹽結合態(tài)呈顯著（P<0.05）負相關；在顯著性水平下（P<0.05），冰草對Ni 的吸收量與土壤中Ni 可交換態(tài)呈顯著正相關，與碳酸鹽結合態(tài)呈極顯著（P<0.01）正相關，與鐵錳氧化物結合態(tài)呈極顯著（P<0.01）負相關。這就說明了經不同濃度滲濾液處理后，冰草吸收Cd 的主要貢獻形態(tài)是可交換態(tài)和碳酸鹽結合態(tài)；冰草吸收Pb 的主要貢獻形態(tài)是可交換態(tài)、碳酸鹽結合態(tài)和鐵錳氧化物結合態(tài)；冰草吸收Cu 的主要貢獻形態(tài)是可交換態(tài)；冰草吸收Ni 的主要貢獻形態(tài)是可交換態(tài)和碳酸鹽結合態(tài)。由此可以看出，可交換態(tài)和碳酸鹽結合態(tài)是冰草吸收重金屬最主要的貢獻形態(tài)。

表4 冰草中重金屬吸收量和土壤重金屬各形態(tài)含量間的Pearson 相關系數(shù)

3 結論

1）冰草鮮重、干重、株高及根長在不同濃度滲濾液澆灌后均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，即在10%、20%、50%濃度滲濾液澆灌下對冰草生長產生促進作用，在100%濃度滲濾液澆灌下產生抑制作用，其中50%濃度滲濾液澆灌下促進作用最顯著，原液澆灌對冰草生長產生明顯毒害作用。

2）不同濃度滲濾液澆灌后冰草對Cd、Pb、Cu、Ni的吸收表現(xiàn)為根部>莖葉部?？傮w來說，在不同濃度滲濾液澆灌下冰草根部對4 種重金屬的吸收累積較自來水澆灌均呈現(xiàn)增加趨勢，冰草莖葉部對4 種重金屬的吸收累積變化不顯著。4 種重金屬中，冰草對Cu 的吸收能力最好，對Pb 的吸收能力最差。50%最佳灌溉濃度下冰草地上部Cd、Pb 含量低于《飼料衛(wèi)生指標及試驗方法》（GB 13078-2017）中植物性飼料對Cd 和Pb 的限量要求。

3）與自來水灌溉相比，重金屬在冰草體內由地下部向地上部的遷移能力（TF）隨灌溉濃度增大而逐漸減小，4 種重金屬TF 大小為：Cu>Cd>Ni>Pb。

4）經不同濃度滲濾液處理后，土壤中4 種重金屬的形態(tài)分布存在差異。相關性分析結果表明，可交換態(tài)和碳酸鹽結合態(tài)是冰草吸收重金屬最主要的貢獻形態(tài)。