0 引 言
矿产资源的开发利用为国家的经济建设做出了巨大贡献，但矿业开采产生的矿山废弃地也带来了一系列的生态环境问题。矿业废弃地不仅破坏和占用大量土地资源，且这些废弃土壤物理结构差、有机质含量低、营养元素缺乏，不利于植物生长[1]。其次，矿山土壤重金属含量过高，易通过风蚀雨淋扩散，加之重金属的富集和生物放大作用，对周围的生态环境和人类生产活动产生严重威胁。因此，如何合理修复废弃矿山土壤已成为当前亟待解决的问题。近年来，不少学者或研究单位提出利用城市污泥改良矿山土壤，以期实现废弃土壤的修复。城市污泥是一种含有丰富有机质及氮、磷、钾等元素的生物固体[2]，将其用于矿山土壤修复中，不仅可以减轻污泥处理量，还可以提高矿山土壤肥力，改善土壤结构，从而有利于植株生长，具有十分广泛的应用前景[3]。
但城市污泥中含有难降解有机物、病原菌及重金属等有毒有害物质，存在一定的潜在环境风险，若控制不当，势必会对环境造成二次污染[4]。目前城市污泥用于退化土壤修复中，常需加入生石灰、粉煤灰、水泥等钝化剂来增加其稳定性[5]。其次，城市污泥直接施用于矿区土壤的案例很少有人报道，大多数用于矿区土地利用的污泥都是经过消化的发酵污泥，以达到熟化和稳定效果。而对污泥进行发酵处理又需要固定场所和一定的资金投入，显然增加了城市污泥的处理成本，限制了其在矿区土地中的利用。
针对以上问题，本文提出直接施加未经处理的城市污泥于矿区土壤中，以GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试件)》为依据，通过控制污泥施入量，研究城市污泥的直接施用对矿区土壤性质的影响。其次，通过种植本土植物鸭跖草研究施加污泥土壤的毒理性，进一步探讨城市污泥用于矿山废弃土壤修复的可行性，从而为矿山废弃地生态修复的实际工程应用提供数据支撑，以同时实现污泥的循环利用和废弃矿区土壤的综合治理。
1 材料与方法
1.1 供试材料
试验所用污泥取自武汉市某污水处理厂。经测定，其含水率为80.5%。试验土壤来自湖北某废弃矿区回填土。试验选用植物为湖北本土植物鸭跖草。
1.2 试验设计
将取回的矿区土壤与城市污泥按不同比例混合均匀，配制成盆栽土壤。试验设计如下：对照组(CK)：仅土壤；T1：85%土壤+15%污泥；T2：70%土壤+30%污泥；T3：55%土壤+45%污泥；T4：40%土壤+60%污泥，每组设3个重复。置于阴凉处，稳定1个月后，种植鸭跖草种子，观察其发芽和植株生长情况，并定期采集土样进行各项理化指标测定。
1.3 样品处理及测定
待测土壤样品自然风干，磨碎过0.25 mm或1 mm筛，用于化学分析用。本试验样品检测指标包括含水率、pH、有机质、土壤肥力(速效N、速效P、速效K)、阳离子交换量(CEC)、重金属(Cu、Zn、Pb、Cd)等。将土壤样品在(105±2) ℃下烘至恒重，计算其含水率[6]；pH利用PB-10 pH计测定(水土比为2.5 ml∶1 g)[7]；有机质测定采用重铬酸钾-硫酸加热法[8]；速效N采用碱解扩散法测定；速效P采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法测定[9]；速效K采用醋酸铵浸提，火焰原子吸收分光光度法测定[10]；阳离子交换量采用乙酸钙浸提，然后NaOH滴定测定[11]；Cu、Zn、Pb、Cd利用HNO3-HF-HClO4消解，采用火焰原子吸收分光光度法测定[12-13]。
2 结果与讨论
2.1 单一污泥和土壤理化性质分析
供试污泥和供试土壤的理化性质详见表1。
表1 供试土壤、供试污泥的理化性质
Table 1 The physico-chemical properties of the tested and sewage
理化指标供试土壤供试污泥GB/T 24600—2009pH6.686.505.5～10.0含水率/%—80.5w(有机质)/(g·kg-1)10.82260.00≥100w(速效N)/(mg·kg-1)35.00882.00w(速效P)/(mg·kg-1)70.12307.76w(速效K)/(mg·kg-1)82.23406.55CEC/(cmol·kg-1)17.7025.20w(Cu)/(mg·kg-1)1001.75951.50≤1500w(Zn)/(mg·kg-1)603.00126.55≤4000w(Pb)/(mg·kg-1)390.75341.25≤1000w(Cd)/(mg·kg-1)71.3544.45≤20
污泥的pH为6.50，呈弱酸性；pH、有机质、氮磷钾含量均符合GB/T 24600—2009《城镇污水处理厂污泥处置 土地改良用泥质》要求，说明污泥养分充足，具有很高的肥力；污泥中铜、锌、铅含量均在标准之内，而镉超出标准将近1.5倍。
土壤pH为6.68，矿区土壤发生酸化现象，土壤产生一定退化。速效磷含量为70.95 mg/kg，远超NY/T 391—2000《绿色食品 产地环境技术条件》土壤肥力指标Ⅰ级标准(表2)；有机质、速效钾、阳离子交换量含量分别为10.82 g/kg，82.23 mg/kg，17.70 cmol/kg，均刚达到NY/T 391—2000土壤肥力指标Ⅱ级标准。速效氮为35.00 mg/kg，远低于NY/T 391—2000 Ⅲ级标准。这说明矿区土壤养分含量差异较大，总体来说，土壤较为贫瘠，保肥能力处于较差水平，不利于植株正常生长，这与福建省某矿山废弃红壤的肥力调查结果类似[14]。土壤中铜、锌、铅、镉含量分别为1001.75，603.00，390.75，71.35 mg/kg，均超过GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(表3)。
表2 土壤(旱地)肥力分级参考指标
Table 2 Reference indexes for soil (for dry land) fertilizer grading criteria
NY/T 391—2000有机质/(g·kg-1)速效N/(mg·kg-1)速效P/(mg·kg-1)速效K/(mg·kg-1)CEC/(cmol·kg-1)Ⅰ级(优良) >15 >150>10>120>20Ⅱ级(尚可)10～15120～1505～1080～12015～20Ⅲ级(较差)<10<120<5<80<15
总体而言，城市污泥含有丰富的有机质和营养元素，用于矿山土壤改良潜力巨大，是一种值得合理利用的有机肥源[15]。但污泥中含有重金属等有毒物质，在施加过程中需严格控制污泥量，以防其对土壤造成二次污染。
表3 土壤环境质量-农用地土壤污染风险管控标准
Table 3 Soil environmental quality-controlling standards for soil pollution risk on agricultural land mg/kg
污染项目pH≤5.55.5
2.2 城市污泥对矿区土壤质量的影响
2.2.1 污泥比对土壤性质的影响
将城市污泥按照0%、15%、30%、45%、60%与矿区废弃土混合，平衡1个月后，采集混合土样进行测定，结果如图1所示。
图1 不同污泥添加率下土壤中各项指标变化
Fig.1 Variation of soil indicators under different sludge ratios
随着污泥量的增加，土壤pH由6.68逐渐下降到6.56；速效N、P、K含量分别由35.00，70.12，82.03 mg/kg上升到497.31，230.63，300.06 mg/kg；阳离子交换量由17.50 cmol/kg上升到23.1 cmol/kg；土壤有机质由10.82 g/kg提高到138.50 g/kg。土壤速效N、P、K在污泥添加率为15%时，增长幅度最大，增幅分别为462.4%、83.1%、109.6%；有机质、CEC整体上也呈递增趋势。土壤pH下降与污泥呈弱酸性有关，但下降幅度不大。同时，污泥中的有机质、氮磷钾、阳离子交换量含量较高，随着污泥添加率逐渐提高，土壤中有机质、氮磷钾、CEC含量均相应增加，这与吴志强[16]、李霞[17]的研究结果一致，许晓玲等[18]将城市污泥施入土壤中发现，污泥施用可显著提高土壤中有机质和养分含量并促进大豆增产，其肥效优于普通化肥；李霞[17]研究了城市污泥在沙化土壤中的应用，发现污泥的添加能不同程度提高土壤中养分含量。实验表明，城市污泥能够积极改善矿区贫瘠土壤的性质，施入一定剂量的城市污泥即可有效提高土壤养分和有机质。
2.2.2 污泥比对土壤中重金含量的影响
将城市污泥与矿区土壤按不同比例混配后，土壤中重金属含量变化如图2所示。
Cu; 
Zn; 
Pb; 
Cd。
图2 不同污泥比下土壤重金属含量变化
Fig.2 Variation of heavy metal contents in soil under different sludge ratios
由图2可知：随着污泥添加率的增加，土壤中Cu、Zn、Pb、Cd含量均成上升趋势，分别由929.75，523.32，312.75，68.40 mg/kg上升到992.52，703.46，394.50，80.55 mg/kg。相比于对照组土壤，不同污泥处理水平下的土壤中重金属增长幅度有一定的差异，Cu、Zn、Pb、Cd分别增加了1.16%～2.62%，6.16%～20.67%，4.01%～5.69%，1.58%～5.98%。其中，当污泥比为15%时，Cu、Pb、Cd的增幅较小，Zn的增幅稍高。由此可见，城市污泥的直接施入在一定程度上会造成土壤中重金属累积，这与戴亮等[19]的研究结果是一致的。根据GB 15618—2018可知，矿区土壤中Cu、Zn、Pb、Cd均处于超标状态。因此，当城市污泥作为矿区土壤改良剂，必须控制其施入量，以降低其对土壤中重金属的累积作用。
2.3 城市污泥对鸭跖草去除土壤重金属的可行性研究
2.3.1 城市污泥对鸭跖草萌发及生长的影响
城市污泥的添加能够改善土壤结构，增加土壤养分含量，但施入污泥后的土壤重金属含量高。为探讨施加污泥后土壤的重金属毒害性以及其对植物生长的影响，验证城市污泥施用于矿山土壤的可行性，实验选取本土植物鸭跖草进行种植。挑选颗粒饱满的鸭跖草种子在37 ℃的水温中浸泡过夜，然后每盆均匀播撒种子100粒，观察其发芽情况以及不同时期的长势，结果见表4。
表4 不同污泥比下鸭跖草的发芽率与平均株高
Table 4 Germination rate and average height of Commelina commumis under different sludge addition ratios
污泥比/%5 d7 d10 d14 dCK10;0.8215;0.9137;1.6851;3.121515;1.0323;1.4553;2.4188;4.833012;0.9018;1.2345;2.1775;4.504510;0.8213;1.1532;1.6446;3.08608;0.7511;0.9025;1.5933;2.85
注：数据格式为“发芽率/%；平均株高/cm”。
陆生植物的毒理试验方法包括根伸长试验、种子萌发试验和早期植物幼苗试验[20]。植物发芽率在一定程度上反映土壤对其生长的毒害性。实验发现:种植鸭跖草5～7 d后，鸭跖草种子开始萌发，不同污泥处理水平下的鸭跖草发芽率不同，当污泥添加率为15%和30%时，发芽率高于对照组，当污泥添加量>30%，鸭跖草发芽率明显下降。而污泥添加率为15%时，发芽率最高。由此可见，当污泥施入量控制在15%以内，既可提高土壤养分含量，又对鸭跖草的毒害性较小。
随着种植时期的增加，鸭跖草的生长情况差异较大。相比于其他处理组，污泥比为15%时，鸭跖草长势最好；当污泥比超过15%，随着污泥的添加，其生长逐渐变缓慢甚至死亡。有研究表明，造成这种情况的原因主要有2点：一是污泥中含有大量有机质和营养物质，添加量过高，易造成植物“烧苗”现象[21]；二是污泥中的有毒物质可能随着污泥量的增加对鸭跖草的毒害加深，致其死亡。朱影影[22]研究了植物中的重金属形态、分布及毒害性，发现当铜含量过高时，会使植物光合、呼吸受阻滞，显著影响生长发育；赵杨迪等[23]研究发现，当铅、镉浓度过高时会使花叶冷水花根部生长受阻。根据实验结果，控制污泥比在15%以内，既能提高土壤肥力，又可避免土壤中重金属摄取量过多，有利于鸭跖草的生长发育，从而实现对矿区废弃土壤的有效修复。
2.3.2 鸭跖草对土壤中重金属的去除效果
城市污泥的添加提高了矿区土壤肥力，但同时也加深了土壤重金属污染程度。而大量研究表明，植物对重金属具有一定的生物富集能力。因此，在控制合适污泥比的基础上，利用一些矿区本土优势植物对重金属进行去除显得尤为关键。通过初期试验发现，鸭跖草在污泥施入量为15%时，生长情况最为良好，检测该污泥含量下种植鸭跖草后土壤中重金属变化，研究其对土壤重金属的去除效果，其结果如图4所示。
—重金属含量;
—去除率。
图4 土壤中重金属含量变化
Fig.4 Variation of heavy metal content in soil during the growth of Commelina communis
由图4可知：鸭跖草对土壤中Cu、Zn、Pb、Cd均有一定的去除作用，但对Cu的去除效果要明显高于Zn、Pb、Cd。种植60 d之后，鸭跖草对土壤中Cu的去除率达到10.8%，而对Zn、Pb、Cd的去除率均在7%左右。随着鸭跖草的生长，土壤中的Cu含量下降明显；Zn、Pb、Cd含量的下降幅度均比较小。
基于上述现象，分析其原因可能如下：1)植物能够利用根系或分泌物，改变土壤根际环境，并通过累积、沉淀、螯合、氧化还原等作用降低土壤中重金属毒性[24]。因此，种植鸭跖草后，其根系会产生特定分泌物，如甲酸、乙酸和苹果酸等有机酸以及以酸形式存在的黏胶，其对土壤的酸化作用增加了土壤中重金属离子的溶解度[25]；其次，根系的黏胶和聚醛酸能够与重金属形成螯合体，将重金属固定在植物根部。故土壤中Cu、Zn、 Pb、Cd含量均有下降。2)鸭跖草具有超富集特性。李江遐等[26]研究了鸭跖草对重金属的富集特征，发现鸭跖草对铜有较高的耐性，可以考虑作为矿山废弃地植被重建的先锋植物。故鸭跖草对重金属Cu的去除效果要好于Zn、 Pb、Cd。
实验发现，鸭跖草能够起到去除土壤重金属的作用，但对不同重金属的去除能力有所差异。而本试验侧重于可行性分析，鸭跖草种植时期较短，虽对土壤中重金属有一定的去除效果，但处理结束时Cu、Zn、Pb、Cd的含量仍未达到GB 15618-2018标准。而根据相关研究报道，鸭跖草等耐受性植物生长成熟后对重金属具有超强富集能力，转移系数均>1[26]。因此，在后续的试验中将开展长期研究，以期使土壤中重金属含量能够下降到土壤农用地标准限值之内，实现其生态修复。
3 结 论
1)城市污泥的添加可以显著提高矿区土壤中有机质、CEC含量和土壤肥力(速效N、P、K)，使其达到NY/T 391-2000Ⅰ级标准，但同时也加重了重金属Cu、Zn、Pb、Cd的污染程度。
2)将污泥添加量控制在15%，土壤养分含量得到有效提高，且重金属毒害性较小，鸭跖草生长情况良好，同时对矿区土壤中重金属有着较好的去除效果，在短期内去除率为7%～10%。
3)控制城市污泥直接施入量为15%对于修复废弃矿区土壤是适宜的。
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