填埋场复垦土壤动物群落及环境相关性研究

王金凤,由文辉,赵文彬,唐晓玲,张 燕

1.山东科技大学化学与环境工程学院,山东青岛 266510

2.华东师范大学环境科学系,上海 200062

3.上海市城市化生态过程与生态恢复重点实验室,上海 200062

4.山东科技大学资源与环境工程学院,山东青岛 266510

填埋场复垦土壤动物群落及环境相关性研究

王金凤1,由文辉2,3＊,赵文彬4,唐晓玲1,张 燕1

1.山东科技大学化学与环境工程学院,山东青岛 266510

2.华东师范大学环境科学系,上海 200062

3.上海市城市化生态过程与生态恢复重点实验室,上海 200062

4.山东科技大学资源与环境工程学院,山东青岛 266510

于春、秋两季在上海市南汇老港生活垃圾卫生填埋场采集 18个土壤样品,分析土壤动物类群、数量及土壤环境因子,以探讨不同年代复垦土壤的动物群落学特征和常规环境指标间的相互关系,以反映填埋场土壤环境的恢复状况.结果表明：随着复垦年代的增加,土壤动物数量、类群数相应增加;在土壤环境因子中,w(有机质),w(TN),w(TP),w(Cu),w(Zn),w(Pb)和w(Cd)均随土壤复垦年代的增加而增加,只 pH呈相反趋势;除w(Cd)和 pH外,其余各指标与土壤动物类群间呈不同程度的相关关系.

垃圾填埋场;复垦;土壤动物;重金属

土壤动物在土壤有机质分解、养分循环、改善土壤结构、影响土壤质量和土壤污染风险评价中具有重要作用[1-7],对土壤环境具有指示作用.目前学者已对城市不同土地利用类型的土壤动物群落展开了研究[8-9].生活垃圾卫生填埋场 (以下简称填埋场)是城市生态系统中不可忽视的一种土地利用类型,其运行将对大气、水体和土壤等环境产生一定影响,具有潜在的生态危害与风险.笔者调查了上海市南汇老港生活垃圾卫生填埋场不同复垦年代下土壤动物的生态特征及其与土壤环境间的关系,以期利用土壤动物群落学指标监测不同年代复垦的填埋场土壤环境恢复状况.

1 材料与方法

1.1 填埋场概况

上海南汇老港生活垃圾填埋场位于上海市南汇老港海边 ,地理位置为 31°04′N ～31°06′N,121°51′E～122°12′E. 自 1985年开始 ,该填埋场开始承担全市生活垃圾的处置任务,截至 2006年,其已有 20多年的复垦历史.该填埋场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,用泥土覆盖 30 cm,其上种植适生植物对土壤进行复垦和原位修复,以减轻土壤对环境的影响.此外,还有一些野生植物生长,如葎草 (Humulus scandens)和加拿大一枝黄花 (Solidago decurrens)等.

在填埋场设 3个样地,其中 1号样地位于一、二期填埋场,填埋时间为 10 a以上;2,3号样地位于三期填埋场,填埋时间少于 10 a.2号样地复垦时间为6 a,植被覆盖良好,3号样地设在刚填埋 0.5 a且植被覆盖较少的填埋场.植被生长情况如下：1,2号样地,乔木为加拿大杨 (Populus canadensismoench),草本植物为葎草 (Humulus scandens)、加拿大一枝黄花(Solidago decurrens);3号样地地表植被覆盖度较低,约为 60%,主要以耐旱、耐盐碱的多年生草本为主,常见的草本植物有藜 (Chenopodium album)、千金子 (Leptochloa chinensis)、狗 牙 根 (Cynodon dactylon)、稗草 (Echinochloa crusgalli)、大狗尾草(Setaria viridis)、芦苇 (Phragm ites australis)等.

1.2 研究方法

1.2.1 土壤动物研究方法

于 2006年在 3个样地内进行大、中型干生和小型湿生土壤动物调查.每个样地按照对角线法选 3个采样点,每 2个采样点间相距 5 m以上.大型土壤动物的分离：挖取直径为 30 cm,深 15 cm的土样,就地手拣其中的土壤动物,并放入 75%酒精中带回,鉴定到目[10-11].湿生和干生土壤动物的分离：按照0～5,＞5～10,＞10～15 cm土层进行分层采样,湿生土壤动物用直径 3.6 cm的不锈钢采样器在每个采样点分层取 50 cm3土样,共 150 cm3;干生土壤动物用直径为 5.0 cm的不锈钢采样器在每个采样点分层取 100 cm3土样,共 300 cm3.干生土壤动物用塔式干法电热分离装置在 60 W白炽灯下进行 24 h分离,Nikon SMZ800显微镜镜检计数,鉴定到目[10-11];湿生土壤动物取混合样品的 1/6(即 25 mL),采用湿漏斗法 (Baermann法)分离计数,鉴定到纲[10-11].将同一样地、各样方的同类土壤动物个体数叠加换算成每 m2的数量进行分析.

1.2.2 环境因子的测定

在采集土壤动物样品的同时,分层 (0～5,＞5～10和 ＞10～15 cm)采集土壤测定其理化指标.pH测定 ：V(水 )∶m(土 )为 1∶1,磁力搅拌 1 min,静止0.5 h后用 Delta 320 pH计测定.土壤w(有机质)采用重铬酸钾 -浓硫酸 (K2Cr2O7-H2SO4)氧化法测定;w(TN)和w(TP)采用浓硫酸硝化法测定,测量仪器为 SKALAR流动注射分析仪 (San++,荷兰SKALAR公司)[12];w(Cu),w(Zn),w(Pb)和w(Cd)采用 HCl-HNO3-HClO4法消解,利用原子吸收光谱仪 (SOLAAR S4型,Thermo Elemental公司 )测定[13].根据上海土壤重金属评价参考分级标准[14-15]划分土壤重金属等级.

1.2.3 数据处理与统计

利用 Excel和 SPSS16.0进行数据处理,分析土壤动物群落与环境因子的相关性.

2 结果与分析

2.1 不同复垦阶段土壤动物群落组成

在 3个样地土层中共获得土壤动物 1 447只,属于 11纲共 23个类群.优势类群为线虫纲(Nematoda)、蜱 螨 目 (Acarina)和 弹 尾 目(Collembola),共占总密度的 88.171%;常见类群为近孔寡毛目 (Oligochaeta plesiopora)、涡虫纲(Turbellaria)和轮虫纲 (Rotatoria),占 9.034%;稀有类群共 17类,包括等足目 (Isopoda)、双翅目(D iptera)、鳞 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 马 陆 目(Julida)、革翅目 (Dermaptera)、综合目 (Symphyla)和后孔寡毛目 (Oligochaeta opisthopora),占总密度的2.795%(见表 1).

在各类土壤动物中,湿生土壤动物占总密度的61.43%,干生土壤动物占 38.14%,大型土壤动物仅占 0.43%.大型土壤动物中,等足目 (Isopoda)(53.60%)和中腹足目 (Mesogastropoda)(21.61%)所占比例较大,常见类群为膜翅目 (Hymenoptera)、鞘翅目 (Coleoptera)、后孔寡毛目 (Oligochaeta opisthopora)、蜘蛛目 (Araneae)、姬马陆目 (Julida)、革翅目 (Dermaptera)和地蜈蚣目 (Geophilomorpha),这些大型土壤动物虽然个体数量少,但却是碎裂植物残体的主力,在物质循环过程中发挥着重要作用;而且大型土壤动物的生物量最大,各样地春、秋两季总共捕获大型土壤动物湿质量共 32.44 g,平均为5.40 g/m2.

1～3号样地捕获的土壤动物类群数量分别为23,18和 8种.研究发现,复垦时间长的样地所捕获的土壤动物类群数量要远大于刚填埋样地的.从土壤动物总密度上看,3个样地总密度为 1号 ＞3号 ＞2号.对不同复垦阶段土壤动物的总密度、类群数量及主要类群等进行方差分析表明,3号样地与 1,2号样地间的动物类群数量差异达到显著水平 (F=105.8,P＜0.05),其余指标没有达到显著水平.说明在复垦初期,土壤动物群落恢复比较显著,随着复垦时间的增加以及地被层的形成,恢复进程逐渐变缓.

表 1 填埋场土壤动物类群组成及密度Table 1 Seasonal composition of soil animal community and their densities in landfill

2.2 不同复垦阶段环境分析

从表 2可知,随着复垦时间的增加,土壤 pH降低,但变化不大,w(有机质),w(TN)和w(TP)随之增加.方差分析表明,3号与 1号样地的w(有机质)差异显著,说明随着复垦时间的增加,w(有机质)增加且达到显著水平 (F=3.752,P＜0.05);1号样地的w(TP)和 2号,3号样地间的w(TP)差异达到显著水平 (F=7.177,P＜0.05).其余指标虽然有差异但是并没有达到显著水平.

从表 2可知,土壤中w(Cu),w(Zn),w(Pb)和w(Cd)均随复垦时间的增加而增加.方差分析表明 ,1号与3号样地的w(Cu)差异达到显著水平(F=5.631,P＜0.05).1号样地的w(Zn)和w(Pb)与 2号,3号样地间的值差异达到显著水平 (Fzn=5.909,Fpb=5.664,P ＜0.05).

表 2 填埋场复垦土壤的理化指标Table 2 Average amount of physical and chemical indices of reclaimed soil in Landfill

对比表 2,3可知,春季除 1号样地外,填埋场土壤的w(Cu),w(Zn)和w(Pb)均在清洁范围内,而 1号样地内的 Cu和 Pb属于轻污染,Zn属于中污染.w(Cd)差异较大,从清洁程度到中污染程度均有分布.随着复垦时间的增加,w(Cu),w(Zn)和w(Cd)从清洁向中污染程度发展,这在一定程度上说明用于复垦土壤的重金属含量较低,但随着复垦时间的增加,垃圾从填埋场底部将重金属缓慢释放,从而使垃圾达到无害化,其中地表适生植物也起到一定作用.

表 3 上海土壤重金属评价参考分级标准[14]Table 3 The classification standard of soil heavy metals in Shanghai

2.3 土壤动物与环境因子相关性分析

在土壤环境因子中,w(有机质),w(TN),w(TP),w(Cu)和w(Zn)均随着复垦时间增加而增加.土壤环境因子达到显著性正相关水平的有：w(有机质)和 w(TN),w(Cu);w(TP)和 w(Cu),w(Pb);w(Zn)和w(Pb).达到极显著性正相关水平的有 ：w(Cu)和w(Pb),w(Zn);w(Zn)和w(TP).

在土壤动物各类群中,近孔寡毛目 (Oligochaeta plesiopora)、等足目 (Isopoda)、双翅目 (D iptera)、中腹 足 目 (Mesogastropoda)、 地 蜈 蚣 目(Geophilomorpha)和后孔寡毛目 (Oligochaeta opisthopora)密度均随复垦时间增加而增加;部分类群如蜱螨目 (Acarina)、轮虫纲 (Rotatoria)密度在春季随着复垦时间增加而增加,秋季由于 3号样地的动物捕获数量增加,导致趋势略有变化.对土壤动物密度与土壤环境因子的相关显著性分析可知,达到极显著性正相关水平的有：蜱螨目 (Acarina)密度和w(TP),w(Zn);轮虫纲 (Rotatoria)密度和w(TP),w(Cu),w(Pb)和w(Zn);近孔寡毛目(Oligochaeta plesiopora)密度和w(有机质),w(TN).达到显著性正相关水平的有：蜱螨目 (Acarina)密度和w(Pb),w(Cu);轮虫纲 (Rotatoria)密度和w(TN);近孔寡毛目 (Oligochaeta plesiopora)密度和w(Cu).综上所述,土层中除w(Cd)和 pH外,其余指标与土壤动物类群密度呈不同程度的相关关系.

表 4 填埋场土层环境指标与土壤动物相关性分析Table 4 The correlation analysisof soil animals and environment data in landfill

3 讨论

3.1 不同复垦年代土壤动物对环境的指示作用

土壤动物与土壤环境息息相关,能够反映填埋场土壤环境恢复的好坏.该研究只是从土壤动物群落学的角度来说明,并未对指示类群进行阐述.对于土壤中一些常见类群,可以从中筛选出指示类群.有研究[16]表明,该填埋场土壤蜱螨类群以大孔低等甲螨(Macropyline)M群为主,与上海市其他土地利用类型的优势螨类不同.随着复垦年代的增加,有翅孔背甲螨 (Poronota)P群增加,可以利用有翅孔背甲螨 P群的有无及数量来监测填埋场恢复状况.

3.2 填埋场不同复垦年代土壤环境的差异

随着复垦年代的增加,地上植被和土壤地被层的形成促进了土壤恢复.从常规环境指标来看,随着复垦年代的增加,w(有机质),w(TN)和w(TP)增加,这与其地上植被的恢复是分不开的.但是对于重金属指标则完全不同,复垦年代的增加导致土壤中重金属富集.究其原因可能有：①由于填埋场重金属污染类型属于外源重金属[17],在底层被填埋垃圾中的重金属随时间缓慢释放;②地表植被形成后,吸收、富集重金属,然后由落叶归还表层土壤.有研究[17]表明,不同 pH下重金属的释放量不同,降低 pH可显著增加重金属释放量,而填埋场土壤pH大于 7,属弱碱性,也会影响重金属释放.与城市中其他土地利用类型比较,填埋场重金属总体污染属于低水平,这说明重金属的富集与人类活动和干扰有很大关系[16],同时填埋场重金属污染对于其中土壤动物群落的影响不大.

4 结论

a.上海南汇老港生活垃圾填埋场不同复垦年代的样地中捕获的土壤动物隶属于 11纲共 23个类群,其中优势类群为线虫纲、蜱螨目和弹尾目,三者共占总数的 88.17%;常见类群为近孔寡毛目、涡虫纲和轮虫纲,占 9.03%;其余为稀有类群.

b.不同复垦年代样地的土壤动物群落特征和环境因子存在很大差异.随着复垦年代的增加,土壤动物数量、类群数也相应增加.在土壤环境因子中,w(有机质),w(TN),w(TP),w(Cu),w(Zn),w(Pb)和w(Cd)随着复垦年代的增加而增加,而 pH呈相反趋势.

c.相关性分析中,除 w(Cd)和 pH外,其余指标与土壤动物类群密度呈不同程度的正相关关系.土壤动物是反映土壤环境变化的重要指示生物,在一定程度上土壤动物能敏感反应土壤污染程度、时间变化和生物学效应.一般来说,封埋复垦的时间越久,土壤恢复得越好,而该研究发现,土壤动物随着封埋复垦时间的增加而增加,可以间接说明土壤环境质量的恢复效果,同时土壤动物密度与环境指标的相关性也能说明这一点.

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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

国家自然科学基金项目 (30130060);山东科技大学“春蕾计划”项目 (2009AZZ016)

王金凤 (1979-),女,辽宁鞍山人,wjf0412@163.com.

＊责任作者,由文辉 (1964-),男,山东龙口人,教授,博士,博导,主要从事城市生态学、水域生态学研究,youwh@yjsy.ecnu.edu.cn

(责任编辑：孙彩萍)