重金属污染土壤的利用问题是当前土壤环境领域的一个难点, 直接利用其种植农作物将使重金属进入食物链而危害人体健康。如何对重金属污染土壤改良并加以利用, 使其种植出的农产品能够得到应用是目前很多学者研究的问题, 并在很多方面取得了进展^[1-3]。我国每年城市生活污水处理厂会产生大量的污泥, 这些污泥当中很多当做固体废物被填埋或焚烧, 没有得到有效的利用^[4]。利用城市生活污水处理厂产生的合格污泥作为土壤改良剂来改造重金属污染的土壤使其能够得到利用是污泥资源化的途径之一，如果可行, 既可以使污水处理厂的污泥这种固体废物得到资源化利用, 同时还可以在一定程度上解决重金属污染土壤的利用难题。

不同种类的重金属在土壤中的化学性质有很大的差异, 并且重金属在植物根际土壤中的化学特征对其有效性有重要意义^[5-6]。根际是指植物根系周围附近的那部分土壤, 其范围是从根表面到距离其大约5 mm的区域, 由于受到根生命活动及其分泌物的影响, 其物理、化学和生物学性质与土体(非根际土)有很大的差异, 是一个既依赖于土壤生态系统又相对独立的微生态系统, 有着非常活跃的化学和生物化学过程^[7]。由于植物根的吸收、呼吸、分泌等生理作用, 改变了根附近土壤中的许多生物化学过程, 例如, 根际内营养元素、有毒元素(例如铝, 镉)、污染物的稀释与富集, 根际内络合物的变化等^[8-9]。发生在根际土壤溶液中的生物化学过程影响着土壤中各种物质的迁移和转化, 也影响了重金属的可利用性^[10]。根际土壤特征是控制这个区域养分动态的重要因素, 同时养分动态也影响着根际土壤环境^[11]。当土壤被污泥改良以后, 根际土壤的养分和不同种类重金属的特征也会发生变化, 但很少有人进行过相关研究, 因此本研究的目的是利用根际土壤冰冻切片法研究施用污泥对油菜(Brassica campestris)根际土壤中不同种类重金属的影响, 在污泥改良过的土壤中油菜根际土壤中不同种类重金属和养分的分布。通过在重金属污染的土壤上种植油菜这种油料作物, 产生的油料可以制成生物柴油, 如果秸秆符合相关标准, 也可以做为牲畜的饲料；本研究还将探明施用不同量污泥对油菜吸收不同种类重金属的影响, 这些研究成果可以在实践中指导用污泥来改良土壤, 也可为利用某些种类重金属污染的土壤提供参考数据。

1 材料与方法

实验采用油菜作为植物材料, 油菜为十字花科的油料作物, 根系发达, 有较强的耐寒、抗旱能力, 对土壤选择不严, 并具有一定的耐盐性和耐重金属的特点^[12]；油菜茎叶还是畜禽的优良青绿饲料。

京津两地以前曾有大量未经处理的工业和生活污水通过永定新河、北京排污河等排入渤海, 这些过境污水, 曾经成为天津弥补农业用水不足的重要措施, 形成了长达几十年的污灌区。污水灌溉在解决农业用水不足的同时, 污水中含有的大量重金属元素随之进入土壤中^[13-14]。因此, 本研究选择天津大沽排污河污灌区土壤做为实验用的土壤材料, 土壤质地为重壤土, 选用的土壤和污泥的化学性质如表 1所示。

实验选用的脱水厌氧消化污泥是从天津东郊污水处理厂采集的。通过对照相关标准^[15], 选用的污泥能够达到国家规定的污泥使用重金属含量标准。实验采用4个处理, 分别是在实验用的干燥土壤中加入0%, 10%, 25%和50%(质量比)的干燥污泥, 并使污泥与土壤完全混合均匀, 每个处理5个重复。实验装置是在本人2008年工作的基础上设计^[16], 采用根垫—冰冻薄层切片法的实验装置并加以改进后进行操作处理, 用于分开根际微域中离根表面不同距离的土壤, 该方法可以用于研究植物根系对根际土壤中各种物质分布的影响。先在温室中种植培育油菜35 d后形成根垫, 把根垫下的土壤取出后迅速放入液氮中冰冻, 然后用切片机逐层切取根垫下的土壤薄片, 就能得到距根表面不同距离处的根际土壤, 通过对根际不同位置土壤的理化性质分析, 从而得知根际内各种物质的分布和运移特征。

把通过实验装置获取的不同土壤样品完全风干后测定本研究所需的各项土壤指标。参照用Tessier等人使用的连续提取方法^[17], 把重金属污染土壤中的Cu和Zn分为不同形态的5部分, 分别为：(1) 可交换态(2) 碳酸盐结合态(3) 铁锰氧化物结合态(4) 有机物结合态(5) 残渣态；DTPA提取态Mn, Cu, Zn, Ni, Cd的测定见参考文献^[18]；采用ICP-MS测定土壤和植物体中Mn, Cu, Zn, Ni, Cd的含量；其余土壤化学指标的测定采用常规方法, 详见参考文献^[19-20]。

采用Excel 2003进行绘图, SPSS 18.0进行方差分析和多重比较(Duncan氏新复极差法)。

2 结果与分析 2.1 根际土壤中的酸碱度

土壤的酸碱性对重金属和养分的有效性有重要影响^[21]。根际土壤酸碱性的变化能影响植物根系对许多阴、阳离子的吸收率^[22]。表 2结果表明, 当土壤未施用污泥时, 油菜根际内, 在距离根表面0—2 mm处土壤的pH高于远离根表面的土壤。通过表 3可知, 硝态氮是油菜的主要氮源, 它导致了根际土壤pH上升。相反, 当铵态氮作为油菜的氮源时, 根际土壤pH是下降的。随着污泥施用量的增加, 油菜根际土壤pH显著降低。当土壤被10%的污泥或没有污泥处理时, 随着与根的距离增加而降低。当土壤被≥25%的污泥处理后, 根际的pH值随着与根距离的增加而上升, 这很可能是用≥25%的污泥处理土壤后, 土壤中铵态氮浓度的增加而导致的, 因为在用≥25%的污泥处理后的土壤根际中, 铵态氮浓度远远高于硝态氮浓度(表 3)。实验结果表明施用污泥后, 相对于土体, 随着污泥量的增加, 土壤根际的酸度也随之增加。

2.2 根际土壤中有效养分的分布

根际土壤中有效养分的分布受到土壤养分状况, 植物的吸收和土壤理化性质的影响。当土壤没有施用污泥时, 在距根表面不同距离的土壤中硝态氮, 有效磷和有效钾的浓度没有表现出任何显著差异(表 3)。当土壤施用25%和50%的污泥后, 根际土壤中距离根表面0—2 mm处的铵态氮, 有效磷和有效钾的浓度明显低于其在距离根表面2—4 mm和4—6 mm处的浓度, 距离根表面越远, 铵态氮, 有效磷和有效钾的浓度越高。这表明当土壤被污泥改良后, 根际土壤硝态氮, 有效磷和有效钾被植物根不断地吸收而减少, 并且这些物质在根际中不断向根表面扩散, 而它们在根际中被吸收的量大于从施用污泥的土体中得到补充的量。而对于硝态氮, 无论土壤是否施用污泥, 都表现出在根际土壤中显著积累的相反特征, 这表明其进入根际的量高于植物吸收的量。铵态氮和硝态氮在油菜根际内分布特征的差异, 说明油菜对铵态氮的吸收利用量高于硝态氮。

2.3 根际土壤中重金属的分布 2.3.1 DTPA提取态重金属在根际内的分布特征

根际土壤中离根表面不同距离处的重金属有效态含量比土体中更重要。DTPA提取法是获得重金属有效态的有效方法之一^[23]。污泥的施用使得DTPA提取态的Mn, Cu, Zn, Ni, Cd的浓度显著增加(表 4), 可能是污泥中的有机物对这些重金属起了作用。Cu没有表现出很明显的离根表面距离不同而发生变化的现象, 这表明Cu可能在土壤中有较高的移动性, 在施用污泥的根际土壤中, 植物根吸收Cu的量和从土体中的流入量基本达到了平衡状态。在根际中, Zn和Ni表现出与Cu不同的分布特征, 只有当土壤中施用了较大量的污泥(污泥量≥25%时)后, DTPA提取态的Zn和Ni在根际土壤的浓度才显著低于土体内的浓度。随着与根表面距离的增加, DTPA提取态的Zn和Ni的浓度显著上升, 并且随着污泥施用量的增加而增大。DTPA提取态Cd只有在土壤施用大量污泥后, 其根际中的浓度才表现出显著的差异, 这表明经污泥改良过的土壤中, 污泥对Cd的影响较小。DTPA提取态Zn, Ni和Cd的移动性低于Cu, 说明油菜根对这3种元素的吸收量大于土体扩散到根际中的量。随着离根表面距离的增加, DTPA提取态Mn在施用污泥土壤的根际中的浓度是不断增加的, 说明污泥对其有影响；在根际中，距离根表面越近，浓度越低, 但只有在施用50%的污泥时才表现出显著的差异。

2.3.2 根际内不同形态Cu和Zn的分布特征

土壤中重金属元素的迁移、转化, 对植物的毒害及其对环境的影响程度, 除了与土壤中重金属的含量有关外, 还与重金属元素在土壤中的存在形态有很大关系^[24]。土壤中重金属存在的形态不同, 其活性、生物毒性及迁移特征也不同^[25]。Cu和Zn是本实验采用的污染土壤中主要重金属种类, 并且有相关国家标准^[20]。表 5和表 6显示了根际土壤中Cu和Zn的不同形态(Tessier法)^[17], 发现无论土壤是否施用污泥, 在距根表面0—2 mm的土壤中可交换态Cu都表现出明显的减少, 根际土壤中其它化学形态的Cu在没有施用污泥的土壤中均无显著差异。被10%和50%污泥改良后的土壤中碳酸盐结合态的Cu在距根表面0—2 mm处的浓度明显低于距根表面4—6 mm处的浓度, 这表明当土壤被污泥改良后, 油菜能够吸收碳酸盐结合态的Cu, 铁锰氧化物结合态和有机物结合态Cu的浓度也随着污泥量的增加而上升, 但是与距根表面的距离没有显著相关性。根际土壤中Zn化学形态的变化不同于Cu, 所有的形态随着污泥量的增加都表现出显著差异, 除了可交换态, 污泥量和距根表面的距离都影响不同化学形态的含量变化。当土壤被25%和50%污泥改良后, 碳酸盐结合态的Zn在距根0—2 mm处的根际土壤中表现出显著减少；当土壤被50%污泥改良后, 铁锰氧化物结合态, 有机物结合态和残渣态的Zn与碳酸盐结合态的Zn有相似的趋势表现。根际中Cu和Zn各种化学形态的分析结果表明, 当土壤中加入高浓度的污泥时, 油菜不仅可以吸收可交换态的Cu和Zn, 而且还可以吸收碳酸盐结合态的Cu和Zn。

2.4 施用污泥对油菜生长的影响和其对重金属吸收量的影响

图 1显示了施用污泥对油菜生长产生干物质量的影响情况。随着污泥施用量的增加, 油菜的地上部分、根部和植株总干重几乎都显著增加, 说明污泥的施用为植物生长提供了良好的营养物质来源并改善了土壤条件, 但是, 用高于25%的污泥来对土壤进行改良, 油菜生物量并没有进一步显著增加。表 7显示了油菜地上部分不同种类重金属的浓度, 随着施用污泥量的不断增加, 油菜地上部分Cu, Zn的浓度都没有显著增加, 然而施用25%和50%的土壤中, 油菜地上部分的Ni浓度有显著的增加。油菜地上部分的Mn的浓度与污泥量的增加没有显著相关性。油菜地上部分的Cd的浓度非常低, 说明其进入地上部分的量很少。因此, 污泥施用量的增加并没有使Cu, Zn, Cd在植物地上部分的浓度增加。虽然当土壤经高浓度污泥的改良后, 油菜吸收了碳酸盐结合态的Cu和Zn, 但是油菜地上部分的Cu和Zn的浓度相对于没有经过污泥改良的土壤没有显著提高, 具体原因需要进行更深入地探索和研究。

3 讨论

从本研究的结果可以看出随着污泥量的增加, 增加了根表面的硝化作用(表 2), 其中污泥有助于降低pH值, 而土壤中污泥量越高, 根附近的pH值越低, 也可能是由于根系分泌物造成的, 但本研究并未对其进行测定和分析。综合对比分析根际中几种有效养分的含量可以看出, 有效养分中除了硝态氮的浓度变化不明显, 铵态氮, 有效磷和有效钾的浓度随着离根表面距离和污泥量的增加而增大(表 3), 说明污泥的施用量和根际土壤中这些有效养分的含量成正相关, 污泥的施用增加了根际中有效养分的含量, 有利于油菜根吸收利用这些养分, 并有利于油菜的生长。根际营养物质的扩散和移动取决于：植物根的作用, 其在土壤溶液中的浓度和土壤性质, 如阳离子交换量, 有机质含量和土壤质地等^[26]。通过表 3可以看出, 污泥施用量的不同, 没有改变土壤中养分扩散和移动量的特征, 随着污泥施用量的增加, 根际土壤中有效养分的浓度虽然增加了, 但在根际内的变化趋势是一致的, 距离根表面越近的地方, 浓度越低, 这可能与这些养分被根大量吸收有关^[27]。

根际中污泥量的增加使得土壤中有效态重金属含量增加, 这可能是由于污泥中的有机物使得重金属活化^[28-29]。根际土壤中DTPA提取态重金属的浓度, 特别是Mn, Zn和Ni, 随着与根表面距离的增加和污泥施用剂量的加大有显著上升, 但是Cu和Cd的浓度没有很明显地变化；虽然DTPA提取态的Cu, Mn, Zn, Ni, Cd的含量随着土壤中污泥量的增加而上升, 但是Zn, Ni, Cd在根际中的移动性没有很明显地增加(表 4), 这些都反映了不同种类的重金属在污泥改良土壤中的表现是有差异的, 也说明油菜对这几种重金属元素的吸收量有所不同, 并且不同污泥施用量的土壤中生长的油菜, 它们地上部分Cu, Zn, Cd的含量没有显著性差异(表 7), 利用这一研究发现, 在被这3种重金属污染的土壤中施用污泥, 得到的油菜籽可以用来榨油, 并且油菜地上部分也可以用来做畜禽饲料, 这些发现可以为我们利用含不同种类重金属的土壤种植油菜和其它农作物提供参考, 对于在土壤中移动性小的, 植物吸收量少的重金属种类污染的土壤, 我们可以利用其种植农作物并加以利用。结合实验中不同种类重金属DTPA提取态的含量和这些重金属在油菜地上部分的含量, 我们发现, Cd在根际土壤中有效态的含量和植物地上部分的含量与污泥施用量都没有相关性, 这表明, 污泥对Cd元素在土壤—植物体的迁移和转化中不起作用。

实验结果显示(图 1), 用25%左右的污泥改良重金属污染的土壤用来种植油菜有较好的效果, 但施用高于25%的污泥对油菜的生长没有更显著的促进作用, 并且还使得Mn和Ni在植物体地上部分的含量增加较多(表 7), 不利于油菜产品的进一步利用, 污泥也没有得到有效利用。在实践中可以参照这一比例在土壤中施用污泥来改良土壤种植油菜。本实验的有关数据和结果对于污染土壤中不同种类的重金属中施用不同浓度的污泥改良土壤提供了数据参考, 从而可以有效利用被重金属污染的土壤。本研究只利用了油菜这种油料作物进行了相关研究, 将来可以利用其它作物进行有关实验研究, 为利用重金属污染的土壤提供更广阔的途径。

4 结论

当土壤中施用大量污泥后, 油菜根际土壤的pH值随着离根表面距离的增加而增加。当土壤经过污泥改良时, 根际土壤的DTPA提取态的Mn, Zn, Ni, Cd, 有效P, 有效K和铵态氮被植物根吸收较快；土壤中DTPA提取态Cu在不同处理的根际内都没有明显减少或增加, 其它DTPA提取态重金属的含量在施用污泥处理的根际土壤中有减少, 是因为这些重金属没有大量向根表面移动, 这表明经污泥改良后的土壤中除了Cu以外, 其它重金属元素的移动性没有增加。当土壤经50%污泥改良后, 根际土壤的碳酸盐结合态, 铁锰氧化物结合态, 有机物结合态和残渣态的Cu在距根表面0—2 mm处明显减少。当土壤经过大量污泥改良后, 油菜不仅吸收了可交换态的Cu和Zn, 还吸收了碳酸盐结合态Cu和Zn。不断增加污泥量对油菜地上部分中的Cu和Zn的浓度没有显著影响。本实验只研究了短时间污泥对油菜根际土壤中的养分和重金属特征的影响, 但评估污泥应用的长期影响需要更多的实验和研究。