农村生活垃圾长期堆放对土壤硝化速率和呼吸速率的影响

万书明，席北斗，李鸣晓，夏训峰

（1.黑龙江省农业科学院植物脱毒苗木所，哈尔滨 150086；2.中国环境科学研究院，北京 100012）

农村生活垃圾产生量逐年增加，据卫生部2008年调查表明，农村生活垃圾产生量为0.86 kg·d-1·人-1，年产生总量约3亿t[1]。由于农村地区缺乏生活垃圾收集与处理系统，致使生活垃圾随意弃置于村民聚居区周边，每年约有1.2亿t的农村生活垃圾露天堆放，“垃圾围村”现象严重[2]。

由于露天垃圾堆缺少防渗措施，垃圾堆放直接后果是使大量成分复杂、污染物含量极高的渗滤液通过降雨淋溶或随地势侧渗对周边土壤造成污染[3]。垃圾堆填区土壤理化性质改变的同时微生物生态也发生变化。外源营养物质的输入使得土壤中功能性微生物种类和活性发生改变，从而影响土壤的C、N循环转化[4]。土壤生物理化行为研究是预防土壤污染和土壤修复基础[5]，而硝化速率和呼吸速率可较直观反映土壤生物理化行为。

本试验对白洋淀地区“淀中村”垃圾堆周边土壤受影响状况进行研究，采用气压过程分离法（BaPS）测定受污染土壤硝化速率和呼吸速率的变化，并对二者的主要影响因素进行初探，以期为农村地区土壤污染的预防和修复提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况及样品采集

土壤样品采自河北省安新县东田庄村，该村总人口1 800人，经济收入以渔业和芦苇打包出口为主；年平均气温12.2℃，平均降水529.7 mm。村庄四周被白洋淀环绕，构成了园田和水面相间分布的特殊地貌[6]。由于交通不便，村内产生的生活垃圾只能沿淀边堆放，在村周围形成了20余个垃圾堆，给村民的人居环境和身体健康造成很大危害。

采样在5月中旬进行，日温度变化为16～24℃；地点选择村内最大的露天垃圾堆（N:38°50′；E:115°59′）附近，该垃圾堆占地面积约100 m2，已连续堆放10年以上，所选垃圾堆组分为厨余675.6 g·kg-1，灰土 42.6 g·kg-1，塑料 44.5 g·kg-1，玻璃 19.6 g·kg-1，芦苇 121.6 g·kg-1，砖瓦 86.3 g·kg-1，其它9.8 g·kg-1。根据地势由南向北在距垃圾堆边缘0、10、20、30、40、50、60 m处采土样，并在距垃圾堆200 m以外采土作为对照。四分法采集样品，用于测定理化性质；另外每点用环刀采集7个无扰动土样用于BaPS测定，各点采样深度为20 cm。

1.2 测定项目及方法

土壤含水率、pH分别用105℃烘干法和pH计测定；TC、TOC采用Analytik jena multi N/C 2100 TOC仪测定；TN和氨态氮分别采用半微量凯氏法和靛酚蓝比色法；全磷用钼锑抗比色法；速效钾用火焰光度法；土壤硝化速率和呼吸速率用BaPS仪器测定；所得数据采用SPSS软件进行分析。

BaPS（Barometric Process Separation）是 Ingwersen等1999年开发的用于测定旱地土壤呼吸速率、反硝化和总硝化速率的仪器，包括4个部分，即工作站、转换平台、实验容器和恒温水浴。实验容器上连接了温度（同时检测土温和上部空间的气温）、压力和CO2三个探头，O2探头与CO2探头集成在一起。在实验容器的密闭空间内，可以放置7个装有田间原状土柱的环刀。实验过程中需要土温和气温保持恒定，可以通过将实验容器放入控制精度为±0.05℃的水浴中以保持恒定的温度。基本原理为：在恒温、隔热、气密性良好的密闭系统中，通过监测系统中压力、CO2和O2浓度的变化根据反应方程式计算硝化速率和呼吸速率[7]。

2 结果与分析

2.1 垃圾堆对周围土壤基本理化性质的影响

土壤的硝化作用和呼吸作用受pH和含水率的影响很大。土壤pH过高或过低都不利于微生物的生长代谢；在一定范围内，水分含量增加会促进硝化作用，但达到一定范围后，水分含量的增加将抑制硝化作用进行[8]。

如表1所示，在距垃圾堆0～60 m范围内土壤样品pH随距离的增加而逐渐升高，0 m处土壤pH为6.01，明显低于CK。TN、TP和速效钾含量则随着与垃圾堆距离的增加而下降，逐渐趋近于CK水平。这是由于垃圾渗滤液养分含量很高，渗入土壤后增加了土壤TN和TC含量，提高了土壤微生物的活性。微生物的代谢过程中会产生低分子量的有机酸，从而使土壤pH进一步下降。

表1 土壤基本理化性质变化Table1 Changes of physical and chemical properties of soil

土壤含水率随着与垃圾堆之间距离的增加而降低。其中0 m处含水率分别是CK和60 m处的2.34和3.42倍，这是由于垃圾堆对降水和垃圾原有水分有一定缓释作用，致使渗滤液持续渗入周围土壤，增加了土壤含水率。

2.2 氨态氮含量与土壤硝化速率的变化

土壤硝化作用是微生物利用土壤中的NH4-N将其氧化为NO2-N或NO3-N的过程。本研究所选垃圾堆主要由生活垃圾构成，垃圾渗滤液中氨态氮含量较高。由于氨态氮结构简单，容易被微生物作为硝化反应底物直接利用，所以氨态氮向四周土壤的迁移能力较弱[9]。结果见图1。

在距堆体0 m处土壤氨态氮含量达到0.65 g·kg-1，较CK提高了441.67%，这为硝化细菌提供充足的底物。此处土壤样品硝化速率最高，达到590.47 μgN·kg-1·h-1；在距离堆体10和20 m处氨态氮含量和硝化速率也都维持相对较高水平，但随着与堆体距离的增加和氨态氮不断被硝化利用，其含量明显减少；在距堆体30和40 m处氨态氮含量明显降低，较0 m处分别下降72.31%和67.69%，与此同时土壤硝化速率也分别降为320.3和164.0 μgN·kg-1·h-1，逐渐趋近于CK。由此可见，堆体周边土壤硝化速率下降与氨态氮含量降低关系密切。

图1 土壤氨态氮含量和硝化速率的变化Fig.1 Variation of ammonia nitrogen and nitrification rates in soil

2.3 TOC含量与土壤呼吸速率的变化

有机碳是土壤有机质的主要构成成分，是土壤中微生物活动所需能量的主要来源，对维持土壤中微生物量及土壤酶活性起重要作用[10]。如图2所示，0 m处TOC含量为12.6 g·kg-1，是CK的2.76倍，其余距垃圾堆10、20、30、40、50、60 m处土壤样品较CK分别提高了86.40%、61.18%、49.78%、43.85%、29.82%、21.93%。这表明垃圾渗滤液的侧渗导致了土壤有机碳含量的升高。

TOC含量能够影响土壤微生物的活性，而土壤呼吸速率是微生物活性的直接反映[11]。通过对土壤呼吸速率进行测定，发现距堆体0 m处土壤呼吸速率最快（见图2），为878.96 μgC·kg-1·h-1。随着土壤TOC含量的下降，10 m处土壤呼吸速率明显降低，而此时土壤的pH和含水率变化不大，可见TOC含量对土壤呼吸速率有影响。20和30m处土壤呼吸速率继续下降，分别为302.98和220.54μgC·kg-1·h-1，这与TOC和氨态氮的变化趋势相同。40 m处TOC含量低于30 m处，但呼吸速率却有所回升，这可能与土壤微生物与植物根系的相互作用有关。在距垃圾堆0～30 m范围内植被很少，在40 m以外开始有草本植物生长，其根系与微生物的共同作用使得土壤的呼吸速率有所回升。

2.4 土壤硝化作用和呼吸作用的相关性分析

土壤中微生物碳氮元素转化是一个互相关联的综合体系，两个反应都是土壤中消耗氧气的微生物活动。如图3所示，硝化速率和呼吸速率呈正相关（R2=0.605）。这是因为土壤中的生命活动所需能量依赖于呼吸作用，呼吸作用降解土壤有机碳，为硝化速率提供能源和碳源[12]，呼吸作用的强度反映了土壤中微生物活性，而微生物活性强弱又直接影响土壤硝化速率。

结果见图3～5。

图2 土壤TOC含量和呼吸速率的变化Fig.2 Variation of TOC and respiratory rates in soil

图3 硝化速率与呼吸速率相关性分析Fig.3 Relevance analysis of nitrification rates and respiratory rates

图4 硝化速率与氨态氮含量相关性分析Fig.4 Relevance analysis of nitrification rates and ammonia nitrogen

氨态氮作为土壤硝化反应的底物，其含量变化能够直接影响土壤的硝化速率（见图4）。相关性分析表明，随着与垃圾堆距离的增加，土壤硝化速率和氨态氮含量的变化呈显著性正相关（R2=0.823）。呼吸速率能够体现土壤微生物活性，TOC作为微生物的主要能源和碳源其含量变化对微生物分布和生长代谢影响很大，在本试验中TOC和呼吸速率的相关系数R2=0.893，为高度线性相关（见图5）。由此可见生活垃圾长期堆放会对周边土壤养分含量及硝化速率和呼吸速率造成影响。

图5 呼吸速率与TOC含量相关性分析Fig.5 Relevance analysis of respiration rates and TOC

3 讨 论

距生活垃圾堆0 m处土壤硝化速率和呼吸速率明显高于其它距离处样品，分别为590.47和878.96 μgC·kg-1·h-1。与之相邻的10 m处样品相应指标则陡然下降，随后各点变化趋于平缓。这可能是由于堆体附近土壤的高养分含量为微生物代谢提供了充足的底物，导致土壤微生物生长代谢比较旺盛，在距垃圾堆0～10 m范围内形成了微生物缓冲带，拦截了大部分易分解有机物并就地转化利用，减缓了垃圾渗滤液侧渗。

受到垃圾渗滤液浸蚀的土壤酸性增大，距垃圾堆60 m范围内土壤都受到了渗滤液不同程度的影响，土壤有机质和其它养分含量明显增加。虽然渗滤液在土壤中的迁移速度比较缓慢，但土壤pH降低、有机质增加会导致土壤原有性状发生改变，从而影响碳、氮循环转化，增加土壤和地下水污染风险，应引起足够的重视。因此，如何从源头上减少农村生活垃圾排放，并对其中的有机组分进行资源化利用，是防治生活垃圾污染土壤和保护农村生态环境的有效途径。

4 结论

生活垃圾长期堆放导致周边土壤理化性质发生改变，距离堆体最近处土壤硝化速率和呼吸速率明显提高，分别是CK的9.42倍和4.33倍，并随距离的增加而逐渐下降。

相关性分析表明土壤硝化速率和呼吸速率呈正相关，说明硝化作用和呼吸作用彼此依赖、互相促进，在土壤碳氮循环中发挥着重要作用。此外，硝化速率和呼吸速率分别与氨态氮和TOC呈显著性正相关，这说明除水分、pH外氨态氮和TOC含量也是影响土壤微生物活性的重要因素。

[1]段华平,孙勤芳,王梁.常熟市农业和农村污染的优先控制区域识别[J].环境科学,2010,31(4):911-917.

[2]席北斗,魏自民,夏训峰.农村生态环境保护与综合治理[M].北京:新时代出版社,2008.

[3]夏立江,温小乐.生活垃圾堆填区周边土壤的性状变化及其污染状况[J].土壤与环境,2001,10(1):17-19.

[4]黄耀.地气系统碳氮交换:从实验到模型[M].北京:气象出版社,2003.

[5]王文兴,童莉,海热提.土壤污染物来源及前沿问题[J].生态环境,2005,14(1):1-5.

[6]万晓红,周怀东,刘玲花,等.白洋淀湖泊湿地中氮素分布的初步研究[J].水土保持学报,2008,22(2):166-169.

[7]Joachim Ingwersen,Claus Florian Stange,Ju X T,et al.Shortcomings in the commercialized barometric process separation measuring system[J].Soil Biology&Biochemistry,2008,72:135-142.

[8]Berue L,Kiese R,Butterbach-Bahl k.Temperature and moisture effects on nitrification rates in tropical rain-forest soils[J].Soil Science Society of America Journal,2002,66(3):834-844.

[9]温小乐,夏立江,徐亚萍.生活垃圾渗滤液对堆填区周边土壤铵态氮吸附能力的影响[J].农业环境科学学报,2004,23(3):503-507.

[10]王玲莉,娄翼来,石元亮,等.长期施肥对土壤活性有机碳指标的影响[J].土壤通报,2008,39(4):752-755.

[11]刘巧辉,黄耀,郑循华.基于BaPS系统的旱地土壤呼吸作用及其分量确定探讨[J].环境科学学报,2005,25(8):1105-1111.

[12]Atkin O K,Edwards E J,Loveys B R.Response of root respiration to changes in temperature and itrs relevance to global warming[J].New Phytol,2000,147:141-154.

[13]Barton L,Schipper L A.Tegulation of nitrous oxide emissions from soils irrigated with dairy farm effluent[J].Journal of Environmental Quality,2001,30:1881-1887.

[14]苏杨.农村现代化进程中的环境污染[J].科学决策,2006(l):18-20.

[15]南京农业大学.土壤农化分析[M].北京:中国农业出版社,2000.

[16]席北斗,魏自民,刘鸿亮.有机固体废弃物管理与资源化技术[M].北京:国防工业出版社,2006.

[17]Hanson P J,Edwards N T,Garten C T,et al.Separating root and soil microbial contributions to soil respiration:A review of method sand observations[J].Biogeochemistry,2000,48:115-146.

[18]王继红,刘景双,李月芬,等.氮磷肥对黑土浅层土壤氮素累积和移动的影响[J].土壤通报,2005,36(3):341-344.

[19]杨荣金,李铁松.中国农村生活垃圾管理模式探讨：三级分化有效治理农村生活垃圾[J].环境科学与管理,2006,31(5):82-86.

[20]罗如新.农村垃圾管理现状与对策[J].中国环境管理,2006(4):23-26.

[21]Huang Y,Zou J W,Zheng X H,et al.Nitrous oxide emissions as influenced by amendment of plant residues with different C:N ratios[J].Soil Biochemistry,2004,36:973-981.

[22]孙文娟,黄耀,陈书涛,等.作物生长和氮含量对土壤-作物系统CO2排放的影响[J].环境科学,2004,25(3):1-6.