污泥还林土壤砷污染的本土植物修复研究

任悦,周伟松,何国富,杨春懿,杨根森,顾佳艳,胡元树

（1.华东师范大学 生态与环境科学学院,上海 200241;2.上海市崇明区水务局,上海 202150）

0 引言

随着城市化进程的加快,我国城市污水处理厂的运行负荷也不断加大.在运行过程中所产生的剩余污泥含有较丰富的营养物质,可作为植物生长的肥料[1-2].但是废水中会有20%～50%的有毒有害物质转移至污泥中[3],包括重金属、有机污染物等难降解物质,对施用土壤及其交换环境产生潜在长久的危害[4-8].其中,重金属所带来的环境风险是制约污泥土壤利用的关键[9].

我国大部分城市在水污染控制过程中都侧重水线,而在污泥的管控利用方面投入较少[10],这导致了目前我国关于污泥土地利用的规范性案例较少,且缺乏完善的安全性评价体系.随着《“十三五”生态环境保护规划》《水污染防治行动计划》中提出要重视污泥处置问题后,各地区对污泥的土地资源化利用重视度不断提升.因此,由污泥回用所引起的土壤重金属污染研究具有较大现实意义.植物修复技术被公认为是绿色廉价的土壤重金属污染修复技术,不仅可以净化土壤,还可以改善生物多样性,维持土壤生态系统的稳定性.但是,大规模的植物修复工程在选择修复植物时不仅需要考虑其对某种重金属的富集效果,还需要考虑实施过程中的经济可行性.

本文以某林地土壤为研究对象,在评估污水处理厂污泥还林土壤重金属污染风险的基础上,提出了利用本土植物对砷污染土壤进行植物修复技术,为污泥土地利用的可行性与污染土壤植物修复技术的研究提供科学依据.

1 材料和方法

1.1 样品采集

新村海塘林地的土壤以弱碱性和弱盐性为主,而不同的土质类型会对植物修复实施方案产生影响.本文分析了新村林地土壤性质后选择合适的抗逆性强、耐盐碱性、生物量大的修复植物,从而制定了合理的修复方案.研究过程中共采集了林地内15 个土样,采样时间为2020 年3—9 月.根际土壤的采集方法是将植株连根拔起后抖掉根系表面的松散土壤,考虑到后续要测定根际与非根际土壤的细菌群落结构来分析砷污染及其修复对微生物多样性的影响,所以用无菌刷子将贴近根系的土壤刷下,一起作为根际土壤.非根际土壤则是使用圆状取土钻采集样点深度为20～30 cm 的土样,采集1 kg 左右土样于密封袋中,供后续各项指标测定,进而对植物修复土壤的效果进行评估.

1.2 测定指标及测试方法

参照国家标准测定土壤总砷、土壤理化性质及酶活性,方法见表1.

表1 土壤总砷、理化性质指标及酶活性测定方法Tab.1 Determining total arsenic level,enzyme activity,and physicochemical properties of soil

1.3 评价方法

单因子指数法通常被用来评价重金属污染程度,但其只考虑土壤中某一污染物的背景值作为评价标准.本研究采用地累积指数法评价土壤砷污染程度,该方法能定量描述土壤重金属的污染程度,综合了环境化学背景值、人为污染影响及自然成岩作用引起的背景值变动的因素[18].其表达式为

式中:Igeo是地累积指数;As 代表砷元素;CAs代表砷的监测值;BAs代表砷的背景值;K为修正系数,通常取1.5;计算结果按照地累积指数分级标准 (表2) 划分污染等级.

表2 地累积指数分级标准Tab.2 Grading standard of the land accumulation index

2 结果与分析

2.1 重金属砷污染评价

土壤中重金属形态变化较为复杂.砷在土壤中主要是以3 价的亚砷酸盐和5 价的砷酸盐形态存在,其中3 价砷毒性远高于5 价砷[19].不同的土壤环境下金属离子会呈现不同的价态,考虑到土壤环境的复杂性,就以砷全量来表征研究区域内土壤重金属砷污染程度.依据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准 (试行) 》[20]的相关标准,新村海塘林地中土壤重金属砷的污染风险筛选值应该为25.0 mg/kg.我国土壤砷背景值为11.2 mg/kg,上海市土壤砷背景值为9.1 mg/kg[21].根据重金属砷的实测浓度、背景值和常用于评价沉积物中重金属污染程度的地累积指数法公式[22],得出15 个采样点各自的受污染情况(表3).

如表3 所示,在污泥还林土壤中监测到重金属砷含量较高,总砷浓度范围为5.7～85.6 mg/kg,且变异系数较大,为63.0%.总体来看,试验区内受到污泥堆肥还林所导致的轻中度重金属砷污染.

2.2 土壤砷污染本土植物修复潜力评价

近年来,植物修复土壤重金属的研究日益增多,而植物根际微生态的研究对重金属污染土壤的修复有着重要意义.土壤微生物是地球上最丰富多样的生命形式,在土壤健康和土壤功能中发挥着重要作用[23-24].芦苇和水杉是该地区生长最旺盛的植物,其长势迅速,生物量大,对土壤pH 值和EC 值 (可溶性盐浓度,Electrical Conductivity) 适应范围广,最重要的是可以吸收土壤中的砷,可用做土壤砷污染的修复材料[25-26].

2.2.1 修复植物根际与非根际土壤的理化性质和重金属砷含量的监测

土壤理化性质是分析土壤养分含量的重要指标,其值会随着重金属含量的变化而变化,可以从侧面反映出植物修复效果.新村林地水杉和芦苇的根际与非根际土壤各养分指标的测定结果如图1 所示.

表3 新村林地重金属砷污染评价Tab.3 Evaluation of heavy metal arsenic pollution in a woodland in Xincun

图1 新村林地根际、非根际指标测定结果Fig.1 Rhizosphere and non-rhizosphere indexes of in a woodland in Xincun

土壤的pH 值可影响土壤养分的转化和植物吸收重金属的有效性,是众多化学性质的综合体现.土壤电导率的大小可以反映土壤盐分的高低,而土壤盐分直接影响着植物的生长.在植物修复过程趋于稳定状况后,监测到植物根际土壤的pH 值显著低于非根际区域土壤,这是由于根际呼吸作用释放的CO2和根际植物及微生物分泌的有机酸降低了根际土壤的pH 值.且有研究表明,pH 值越小越有利于促进土壤养分和重金属的转化和活化[27].电导率则表现出非根际区低于根际区,水杉高于芦苇.有研究表明,植物根际盐分富集程度越大,植物耐盐能力就越强.这说明水杉和芦苇具有较强的耐盐能力,并且水杉的耐盐能力优于芦苇[28].

土壤形成过程中植物的生命活动都会使磷、氮这两种元素在其根际富集,所以,这两项指标可以反应植物根际的活化和吸收能力[29-30].土壤有机质是评价土壤质量的一个重要指标,既可以促进土壤团粒结构的形成,防止土壤其他养分流失,又可以为植物和微生物提供能量来源.因此,将土壤总氮、总磷、有机质作为反映土壤肥力的指标,测定其在土壤中的含量可有效评估研究区域内重金属的污染风险和植物修复效果.由图1 可以看出,水杉和芦苇根际土壤的总氮、总磷、有机质含量均显著高于非根际土壤.自然状态下,不同植物的根际对其土壤中的养分利用较高.植物根际不断从外界吸取养分来维持根系的生长发育,故根际出现了较多的积淀和养分富集,这也导致了植物根际土壤的养分在一定程度上要高于非根际区.而根际周围有机物质的变化绝大部分来源于植物在生长期间的活跃代谢作用.不同植物对养分的吸收能力及其根际效应也存在较大差异.从图1 还可以看出,水杉根际土壤的养分含量均高于芦苇根际土壤,这与水杉自身的生理特性和根际特性有关[31-32].

修复植物不仅要具有改良土壤肥力的特性,同时还要对重金属砷进行有效的吸收降解.修复一段时间后,监测到林地中各植物根际土壤重金属砷的含量均显著低于非根际土壤.与非根际土壤相比,芦苇、水杉根际土壤的重金属砷含量分别减少了52.4%、28.6%.这可能是因为植物根系特殊的分泌物活动有效降低了土壤中重金属砷的含量,其机理还有待进一步研究.

2.2.2 修复植物根际与非根际土壤的细菌群落结构

土壤细菌是土壤微生物体系中规模最大、种类最多、功能最全的种群,在土壤环境中承担着重要角色[33].土壤的污染状况会直接影响土壤微生物的群落结构.为了更准确地反映林地砷污染土壤的修复效果,引入了微生物的评价指标.采用16S rDNA 高通量测序方法测定了芦苇和水杉根际与非根际土壤中的微生物信息.结果显示,根际土壤的细菌丰富度明显高于非根际土壤.这可能是芦苇的根际活动更加有效地缓解了重金属对微生物的影响,改变了土壤微生物多样性.各样本土壤的细菌多样性指数如表4 所示.

Shannon 指数是用来估算样品中微生物多样性的指数,数值越大,说明群落多样性越高;Ace 指数是用来估计群落中OTU (Operational Taxonomic Unit)数目的指数,数值越大,表示该环境的物种越丰富,各物种分配越均匀;Chao 指数是用来估计样品中所含OTU 数目的指数,数值越大,代表样本中所含的物种越多;Coverage 指数是一种表示测序深度的指数,反映了其测序结果是否代表了样品中微生物的真实情况,数值越接近1,说明测序结果越能反映真实情况.表4 内数据说明,本次测序结果较为准确,且芦苇和水杉根际区土壤的细菌多样性和丰度均大于非根际区土壤,对重金属砷污染土壤具有较大的修复潜力.

表4 新村林地土壤细菌多样性指数Tab.4 Xincun forest soil bacterial diversity index

2.2.3 植物根际与非根际土壤的酶活性

土壤酶活性是反映土壤中氮、磷和有机物等养分转化强度的指标,其在土壤养分的转化过程中占据着重要的地位[34].本文对林地植物根际与非根际土壤的脲酶、蔗糖酶以及碱性磷酸酶进行了研究[35],结果见表5.由表可知,新村林地中芦苇根际土壤的脲酶活性、蔗糖酶活性、碱性磷酸酶活性均显著高于非根际土壤 (p＜0.05),表明林地中本土植物芦苇对土壤修复工作有着改善作用.

表5 水杉、芦苇根际与非根际土壤酶活性Tab.5 Enzyme activities in the rhizosphere and non-rhizosphere soils of metasequoia and reed

土壤酶活性的强弱反映了土壤的肥力水平、养分转化能力及生物的化学活性.土壤中的酶可被分为氧化还原酶、水解酶、转移酶、合成酶、裂合酶和异构酶这六大类.其中,氧化还原酶和水解酶在土壤形成过程中起着决定性作用[36-37],研究表明,脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶是3 种主要的土壤酶,其活性变化可以有效反映出土壤的发展状况[38].蔗糖酶对增加土壤中易溶性营养物质起重要作用;脲酶的酶促产物氨是植物氮源的重要来源之一,对植物生长起重要作用;碱性磷酸酶对土壤中磷素的有效性具有重要意义[39].结果表明,芦苇和水杉根际土壤的3 种酶活性均强于非根际土壤.在根际土壤区,水杉脲酶和蔗糖酶的活性高于芦苇,而芦苇碱性磷酸酶的活性高于水杉.这说明两种植物的根际物质与能量循环均处于正常状态,受重金属砷的胁迫作用不显著.

3 结论

(1) 污泥堆肥产品作为土壤肥料施加于土壤中可以有效提高土壤肥力,但其中的有害物质也会对土壤环境产生威胁,在资源化利用的同时应做好污染风险评估.

(2) 修复前后对土壤砷含量的监测数据说明,本土修复植物对中度砷污染土壤中砷含量的变化起到控制作用.研究也表明,在该地区的土壤修复过程中,对养分恢复需求较高的土壤可以选择水杉进行修复,而对砷毒性降低需求较高的土壤可选择芦苇进行修复.

(3) 通过对土壤的各项理化及生物指标进行监测分析后发现,重金属污染土壤进行植物修复后评价其修复效果需要多指标综合分析,同时可以对指标之间的相关性进行分析,以筛选出最为合适的几项指标构建评估体系.