垃圾填埋场渗滤液浇灌对干旱区冰草生长和重金属吸收的影响＊

蔡永会,杨 昭,文 元,张晓丽,王兆炜

（兰州大学资源环境学院 甘肃省环境污染预警与控制重点实验室,甘肃 兰州 730000）

垃圾渗滤液受垃圾类型、填埋年龄、地理区位、气候条件、填埋场设计等多种因素影响[1]，一般具有有机质含量高、成分复杂、不同成分含量范围较广等特点。一般生物法处理受到了一定的限制，物化处理存在不易达标、处理费用高等缺点[2]，导致其处理难度和处理成本高于生活污水和工业废水。结合干旱区水资源短缺的现状以及渗滤液中丰富的N、P、K、有机质等营养物质，将垃圾渗滤液以合理、经济的方式预处理后用于灌溉生态绿化用地，进行填埋场生态恢复是一种较为理想的方法，可在进行渗滤液生态化处理的同时实现其资源化利用。同时，不合理的渗滤液灌溉会使污染物进入土壤并积累，降低土壤质量，会使植物生长发育受损，叶片早衰、生物量降低[3]。研究适宜的渗滤液灌溉制度对植物生长发育的影响是至关重要的[4]。在确保污染物浓度不超标的前期下，通过将适当浓度或者经过一定预处理的渗滤液用于灌溉垃圾填埋场覆盖层及周边裸露荒地土壤等场地，不仅实现渗滤液中的有机质、N、P 等营养物质的循环利用，而且有效解决当地的肥源和水源短缺，有利于这些场所的生态恢复，是一种有效的渗滤液处理和养分再利用手段，具有良好的生态效益[2,5]，尤其对于我国西北干旱地区。含有一定浓度的重金属是垃圾渗滤液重要的水质特征之一[6,7]。一些调研发现国内外垃圾渗滤液中有含量不同的重金属[8-10]。近年来，大量研究工作开展了生活污水、养殖废水、工矿业废水灌溉和工矿业固体废物影响以及通过污泥、肥料使用等途径进入土壤中的重金属在不同类型土壤-农作物系统中的吸收迁移及其生态与健康风险[11-17]。土壤类型、土壤理化特性、重金属种类以及气候条件等都会显著影响重金属在植物体中吸收与累积[18]。目前关于不同浓度稳定渗滤液浇灌下，输入土壤中的重金属在干旱区土壤—植物系统中的吸收、积累、迁移特性的相关研究还较为薄弱。本文以我国西北地区典型耐寒耐旱耐盐碱草本植物—冰草（Agropyron cristatum (L.)Gaertn.）为供试植物，通过盆栽实验，研究不同浓度稳定渗滤液浇灌对冰草生长状况的影响以及冰草对重金属的吸收、土壤重金属有效形态变化等，旨在探讨并认识掌握干旱区土壤、气候条件下，渗滤液浇灌对代表性耐旱耐寒植物生长的影响及植物对以渗滤液浇灌方式输入的重金属的吸收与迁移累积过程和规律，以期为干旱区垃圾填埋场稳定渗滤液的就地原位利用和干旱区垃圾填埋场及周边裸露土地植被恢复提供重要的理论基础和科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试土壤取自兰州市榆中县夏官营镇（兰州大学榆中校区西北侧萃英山脚下）废弃农田耕作土表层（0～20cm），土壤类型为灰钙土。土壤样品采回后自然风干，过2mm 尼龙筛除去土壤中碎石等杂物，混合均匀后备用。土壤基本理化性质见表1。

表1 供试土壤基本理化性质

供试植物为冰草，学名Agropyron cristatum (L.)Gaertn.，种子购自兰州兴陇草业技术服务有限公司。

供试渗滤液取自兰州新区生活垃圾填埋场。渗滤液基本理化性质见表2。

表2 供试渗滤液基本理化性质（mg/L）

1.2 盆栽试验设计与实施

试验设4 个渗滤液浓度梯度，分别为10%（T1）、20%（T2）、50%（T3）和100%（T4，即原液）渗滤液。除原液外，其他浓度渗滤液用自来水稀释获得。试验设1 个对照组，用自来水（CK）灌溉，每个处理设3 个重复。

每盆装入1.50kg 经预处理的土壤。装入土样并加水稳定两周后，按照农作制度播入冰草种子，出芽一周后间苗，每盆保留5 株。冰草生长期间注意日常田间管理，定期使用自来水浇灌补充土壤水分，使土壤含水量保持在田间持水量的60%。待植物生长健壮后，开始用渗滤液浇灌，每次浇灌150 mL，每隔3～4d 浇灌一次，共浇灌11 次，实验期满获取冰草及土壤样品。土壤剔除残留植物根系后用四分法获取100g 土样，经自然风干，用陶瓷研钵磨碎，过100 目尼龙筛，之后封装保存，用于进一步检测分析。

1.3 分析方法

1.3.1 植物生长情况指标的测定

冰草依次经自来水、超纯水清洗并去水后将其分为茎叶部分和根部，测量其根长和株高，并称量各部分的鲜重。将鲜样在50℃下烘干至恒重，然后称其干重，研磨粉碎过60 目筛待用。

1.3.2 样品重金属含量测定

土样消解采用HNO3-HCl-HF 三酸微波消解法[19]。植物样品消解采用HNO3—微波消解法[20]。用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）测定各消解完备待测液中Cd、Pb、Cu、Ni 的总量。在植物样品消解过程中用平行样和GSB 标准植物样进行分析质量控制。土壤样品分析过程中用平行样和GSS 标准土样进行质量控制。同时做空白实验。

1.3.3 土壤重金属形态分析

TESSIER 五步连续提取法将土壤中重金属的形态分为可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态以及残渣态[21]。本研究用前四态来表示土壤重金属有效态含量。提取步骤和操作方法如下[21]：（1）可交换态：在1.0g 试样中加入8.0mL MgCl2溶液（1mol/L MgCl2，pH=7.0），室温下震荡1h，离心取上清液。（2）碳酸盐结合态：经（1）处理后的残余物在室温下用8.0mL1mol/L NaAc 浸提，在浸提前用乙酸把pH 调至5.0，连续震荡8h，离心取上清液。（3）铁锰氧化物结合态：经（2）处理后的残余物，在96℃±3℃下用20.0mL 0.04 mol/L NH2OH 在20%（V/V）乙酸中浸提4h，离心取上清液。（4）有机结合态：经（3）处理后的残渣物，加3.0mL0.02mol/L HNO3、5.0mL 30% H2O2，用HNO3调 节pH=2，加 热至85℃±2℃，保温2h，加热中间振荡几次。再加入3.0mL30%H2O2，用HNO3调pH=2，85℃±2℃下加热3h，间断振荡。冷却后，加5.0 mL3.2mol/L 乙酸铵20%（V/V）HNO3溶液，稀释至20mL，振荡30min，离心取上清液。每一步用2% HNO3定容。

2 结果与讨论

2.1 不同浓度渗滤液浇灌对冰草生长的影响

利用冰草的鲜重和干重以及根长和株高的变化来考察不同浓度渗滤液浇灌对冰草生长发育的影响。由表3 可以看出，随着渗滤液浓度从T1 增至T3，冰草地上茎叶部鲜重较CK 组明显增高，均达显著差异水平（P<0.05）；当浓度增大至T4 时，冰草地上部鲜重明显下降，为CK 组的72%。地下根部鲜重在T1—T3 浇灌水平下变化不明显，但在T4 浇灌水平下显著降低，仅为对照组的47%，与其他处理组达显著差异水平（P<0.05）。冰草茎叶部和根部干重变化趋势分别与茎叶部和根部鲜重变化趋势一致。冰草株高和根长总体上也呈现先增加后降低的趋势，在T3 处理水平下株高和根长达到最大。其中株高在各处理组中虽有先增后减的趋势，但在0.05 水平上差异不显著；根长也呈现先增后减的趋势，但仅在T4 处理水平下与其他处理组达到显著差异水平（P<0.05）。由此可见，原液对冰草产生了毒害作用。

表3 不同浓度渗滤液浇灌对冰草生长的影响

整体来看，鲜重和干重以及根长和株高的变化趋势保持一致，即在T1—T3 浇灌水平下冰草生物量增高，原液浇灌下生物量降低。说明，一定浓度的渗滤液可以提高冰草的生物量，促进冰草生长，其中T3（50%渗滤液）最为显著。在CK 处理下，由于没有营养物质等的输入，冰草在相对贫瘠的干旱区土壤上长势一般。随着不同浓度渗滤液的浇灌，渗滤液中含有的N、P、有机质等营养物质输入土壤中，冰草生长得以促进，但T4 浇灌水平抑制了冰草的生长，从而表现出低浓度浇灌促进而高浓度浇灌抑制的双重作用[2,22]。这种双重作用也表明渗滤液浓度控制是垃圾渗滤液资源化灌溉利用的关键。由于渗滤液性质、土壤类型、植物种类、气候条件、地理位置等因素不同，导致不同研究者发现适合灌溉的渗滤液浓度不同[2,23-26]。因此，在渗滤液资源化灌溉时，应该采用符合当地土壤、植物及气候等因素的渗滤液浓度再进行灌溉。

2.2 不同浓度渗滤液浇灌后冰草对重金属的吸收

渗滤液中重金属通过浇灌进入土壤后，通过土壤-植物系统进入植物体内。重金属元素在植物体内的吸收与累积受土壤理化性质、植物生理生长特性、重金属间交互作用、气候条件、重金属形态等因素的综合影响[18,27-29]。不同植物或同一植物的不同部位对重金属的吸收以及同一植物对不同重金属的吸收不同[30-32]。垃圾渗滤液中含有大量的可溶性有机物，能与环境中的重金属形成重金属－有机配合物，影响重金属的有效性，从而改变植物对重金属元素的吸收[2]。

图1 所示为不同水平渗滤液浇灌下冰草根部和茎叶部对Cd、Pb、Cu、Ni 四种重金属吸收与累积情况。由图1 可以看出，冰草根部和茎叶部对四种重金属吸收累积能力表现为根部>茎叶部。冰草根部对Cd 吸收在T1—T3 处理水平下随渗滤液浓度增大而增大，T2 和T3 处理组与CK 组达到显著差异水平（P<0.05），T4 处理水平下根部Cd 含量较其他处理组降低，与T2、T3 处理组达到显著差异水平（P<0.05）；就茎叶部而言，在不同浓度渗滤液浇灌下，茎叶部对Cd 的吸收无显著差异。Pb 在不同浓度渗滤液浇灌下在冰草根部的累积与渗滤液浓度呈显著正相关；在T1、T2、T3 处理组，冰草茎叶部对Pb 的吸收较CK 组有所降低，在T4 浇灌水平下冰草茎叶部对Pb 吸收较CK 组又有所增加。Cu 在冰草根部的吸收累积在T1—T3 处理下随渗滤液浓度增大变化不显著，而T4 处理水平较对照组显著增大，达到显著差异水平（P<0.05）；茎叶部对Cu 吸收累积随渗滤液浓度变化不显著。冰草根部和茎叶部对Ni 吸收累积在T1—T3 处理下较CK 组变化不显著，当处理水平进一步增大到T4 时，根部和茎叶部对Ni 吸收累积显著增加，较其他处理组均达到显著差异水平（P<0.05）。

图1 不同浓度渗滤液处理下冰草根部和茎叶部重金属含量

Cu 为植物体生长所必需的微量元素之一，对比不同浓度渗滤液浇灌后4 种重金属在冰草中吸收累积状况发现，冰草对Cu 吸收累积较其他三种重金属相对较高，因为冰草根部和茎叶部对Cu 吸收与冰草生长对Cu 生理需求有关，但也与他们在土壤中活性较高以及在土壤中背景浓度较高有关。冰草对Pb 吸收累积能力最差，这是因为Pb 是一种相对惰性的元素，特别是土壤中Pb 容易受到土壤pH、碳酸盐含量影响，在土壤中呈残渣态等形态存在，不易被植物所吸收和利用。但总体来说，在不同浓度渗滤液浇灌下冰草根部对4 种重金属吸收累积较CK 组均呈现增加趋势，说明干旱区土壤中渗滤液浇灌提高了土壤中重金属的活性及生物有效性，促进了冰草根部对重金属吸收。冰草属于西北干旱地区典型牧草之一，《饲料卫生指标及试验方法》（GB 13078-2017）中植物性饲料对Cd 和Pb 的限量分别为1mg/kg 和10mg/kg。冰草地上部可作为植物性饲料，在本研究最佳灌溉浓度下（50%渗滤液）冰草地上部Cd、Pb 含量分别为0.27mg/kg 和0.16mg/kg，就单从这两种重金属来说，短期渗滤液灌溉下冰草地上部未超标，可作为植物性饲料。

2.3 重金属在植物体内的迁移特征

迁移系数（Translocation Factor，TF）是植物体地上部分中重金属含量与其根部重金属含量的比值[33]，是表征植物体内吸收与累积重金属污染的重要参量[34]。为了反应重金属元素在冰草体内的迁移规律，本研究采用迁移系数来描述Cd、Pb、Cu、Ni 四种重金属在冰草体内吸收迁移特性。TF 计算公式：

式中：Ca 为植物地上部分重金属含量（mg/kg），Cb为植物根部重金属含量（mg/kg）。

图2 所示为不同浓度渗滤液浇灌下重金属Cd、Pb、Cu、Ni 在冰草体内由地下根部向地上茎叶部迁移情况。通过对比发现，不同重金属元素在冰草体内由地下部向地上部迁移能力（TF）不同，其TF 大小为：Cu>Cd>Ni>Pb。在进行不同浓度渗滤液浇灌后，Cd、Pb、Cu、Ni 在冰草体内由地下根部向地上茎叶部吸收迁移能力（TF）较自来水出现变化。整体上，较自来水灌溉Cd、Pb、Ni、Cu 表现出随着灌溉浓度增大，在冰草体内由地下部向地上部迁移能力（TF）逐渐减小。说明，渗滤液的加入改变了土壤条件和重金属在土壤中的活性，以及重金属在土壤和植物体内的结合形态，影响了植物体内重金属的迁移。但不同重金属在不同浓度渗滤液浇灌下，其TF值存在差异，这种差异与重金属自身性质有关，也与渗滤液浇灌后引起土壤性质以及土壤中重金属形态以及重金属形态改变后在植物体内的结合等变化有关。

图2 不同浓度渗滤液处理下重金属在冰草体内的迁移系数

2.4 土壤重金属有效态含量以及与冰草体内重金属含量的关系

重金属的生物毒性在很大程度上取决于其存在形态，全量不能很好说明环境中重金属的化学活性、迁移转化、植物吸收的有效性以及最终对生态系统或生物有机体的影响[35-37]。植物对重金属吸收累积与土壤中重金属生物有效性密切相关[38]。研究表明[37,39,40]，可交换态和碳酸盐结合态稳定性差，最容易被植物吸收，而铁锰氧化物结合态和有机结合态分别在还原和氧化条件下具有较高植物有效性。因此本研究探索了可以被植物直接或间接吸收的上述四种重金属形态在不同浓度渗滤液浇灌后在土壤中的含量及其与冰草吸收量的关系。由图3 可以看出，整体上Cd、Pb、Cu、Ni 的4 种有效形态之和均随渗滤液浇灌浓度增大而增大。在4 种有效形态中，Cd 主要以碳酸盐结合态的形式存在，其次是可交换态和铁锰氧化物结合态，有机结合态所占比例很低；Pb 主要以铁锰氧化物结合态的形式存在，且这种形态占Pb 有效形态的67%左右，其余三种形态所占比例较低；Cu 主要以有机结合态的形式存在，但随着渗滤液浇灌浓度的增大，Cu 可交换态含量呈现显著增加趋势；Ni 主要以有机结合态的形式存在，其余3 种形态含量均较低。

图3 不同浓度渗滤液浇灌后各重金属四种有效形态含量

本研究通过土壤中四种重金属形态含量与冰草吸收量之间的相关性来探究干旱区不同浓度渗滤液浇灌后土壤中重金属植物有效性。冰草中重金属吸收量和土壤重金属各有效态含量间的Pearson相关系数见表4，由表可以看出，在显著性水平下（P<0.05），冰草对Cd 的吸收量与土壤中Cd 可交换态呈显著正相关，与碳酸盐结合态呈极显著（P<0.01）正相关；在显著性水平下（P<0.05），冰草对Pb的吸收量与土壤中Pb 可交换态和碳酸盐结合态呈显著正相关，与铁锰氧化物结合态呈极显著（P<0.01）正相关；在显著性水平下（P<0.05），冰草对Cu的吸收量与土壤中Cu 可交换态呈显著正相关，与碳酸盐结合态呈显著（P<0.05）负相关；在显著性水平下（P<0.05），冰草对Ni 的吸收量与土壤中Ni 可交换态呈显著正相关，与碳酸盐结合态呈极显著（P<0.01）正相关，与铁锰氧化物结合态呈极显著（P<0.01）负相关。这就说明了经不同浓度渗滤液处理后，冰草吸收Cd 的主要贡献形态是可交换态和碳酸盐结合态；冰草吸收Pb 的主要贡献形态是可交换态、碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态；冰草吸收Cu 的主要贡献形态是可交换态；冰草吸收Ni 的主要贡献形态是可交换态和碳酸盐结合态。由此可以看出，可交换态和碳酸盐结合态是冰草吸收重金属最主要的贡献形态。

表4 冰草中重金属吸收量和土壤重金属各形态含量间的Pearson 相关系数

3 结论

1）冰草鲜重、干重、株高及根长在不同浓度渗滤液浇灌后均呈现先增加后降低的趋势，即在10%、20%、50%浓度渗滤液浇灌下对冰草生长产生促进作用，在100%浓度渗滤液浇灌下产生抑制作用，其中50%浓度渗滤液浇灌下促进作用最显著，原液浇灌对冰草生长产生明显毒害作用。

2）不同浓度渗滤液浇灌后冰草对Cd、Pb、Cu、Ni的吸收表现为根部>茎叶部。总体来说，在不同浓度渗滤液浇灌下冰草根部对4 种重金属的吸收累积较自来水浇灌均呈现增加趋势，冰草茎叶部对4 种重金属的吸收累积变化不显著。4 种重金属中，冰草对Cu 的吸收能力最好，对Pb 的吸收能力最差。50%最佳灌溉浓度下冰草地上部Cd、Pb 含量低于《饲料卫生指标及试验方法》（GB 13078-2017）中植物性饲料对Cd 和Pb 的限量要求。

3）与自来水灌溉相比，重金属在冰草体内由地下部向地上部的迁移能力（TF）随灌溉浓度增大而逐渐减小，4 种重金属TF 大小为：Cu>Cd>Ni>Pb。

4）经不同浓度渗滤液处理后，土壤中4 种重金属的形态分布存在差异。相关性分析结果表明，可交换态和碳酸盐结合态是冰草吸收重金属最主要的贡献形态。