（动物学专业论文）蚯蚓活动对城市生活垃圾堆肥草坪建植体系的生态效应与修复作用.pdf

摘要 本研究通过构建生活垃圾堆肥草坪建植体系，系统地研究了蚯蚓在堆肥基质建植 体系中存活特征及蚯蚓与堆肥基质的相互作用，蚓粪浸提液和堆肥浸提液浸种对草坪 植物萌发及株高、生物量、叶绿素含量的影响，蚯蚓活动对草坪植物生理生态指标及 重金属的迁移和性质的影响。获得的主要结论有：蚯蚓活动降低了堆肥基质的p h 值， 最高降幅达0 2 1 个单位，蚯蚓对c d 有强烈的富集作用，蚯蚓体内c d 浓度高于堆肥 基质十几倍，蚯蚓体内重金属含量随基质中重金属含量的增加而增加。基质中蚯蚓存 活的数量减少，体重减小，在纯堆肥基质中这种现象最明显。蚓粪和堆肥各浸提液对 3 种草坪植物的种子萌发有一定抑制作用，但对植物地上部分生长有明显的促进作 用，其中以蚓粪浸提液的作用最明显；同时各浸提液处理对草坪植物株高有明显的促 进作用，以蚓粪浸提液处理最为明显；各浸提液对草坪植物的根系生长有抑制作用； 各浸提液增加了植物的叶绿素含量，促进了植物的光合作用和生长。蚯蚓活动使黑麦 草、高羊茅的地上生物量分别增加了3 5 3 倍和1 2 1 7 倍，地下生物量增加1 2 7 4 5 和 1 4 8 9 4 ，而早熟禾地上生物量减少4 2 3 7 。放入蚯蚓后，黑麦草和高羊茅体内的 m d a 含量及保护酶s o d 、p o d 、c a t 的含量均有所减少，蚯蚓活动增加了早熟禾体 内m d a 含量，减少了s o d 、p o d 、c a t 含量。蚯蚓活动使黑麦草和高羊茅地上、 地下部分的重金属浓度减少，但总含量有所增加，促进了重金属从黑麦草地下部向地 上部的转移，但对黑麦草和高羊茅处理的重金属有效态含量影响甚微；蚯蚓活动使早 熟禾地上、地下部分的重金属浓度及总量均有所较少，但显著增加了重金属有效态含 量。 关键词：蚯蚓；城市生活垃圾堆肥；草坪植物；生态效应；重金属；植物修复 i v a b s t r a c t m 舢i l i c i p a ls o l i dw 嬲t e ( m s 哪c o m p o s tt i l r fe s t a b l i s i l i i l 饥ts y s t 锄，m ep a p 盯咖d i e d n l e 鳓啊v a lc _ h a r a c b e f i s t i c so fe a r t b w o 姗sa n dm ei n t e f a c t i o n sb e 附e e ne a r t b ，m n sa n dn l e 唧o s t ；m ee 丘t so fe a r 1 w o n nc 勰te x 仃a c t s 龃dc o m p o s te x t m c t so ns e e dg e r m i i l a t i o n ， h e i g h t ，c i l l o r o p h y l lc o n t e n to ft i l r f 萄鹊sb ys e c ds o a l 【i n g ；t h ee i j 6 e c t so f 翰r t l m r 0 】a c t i v i t i 髓o n p h y s i o l o 西c a l ，e c o l o 西c a li n d d e xa n dt h e 唧o r ta n dc h a r a c t c ro f h e a v ym e t a l s t h er e s u l t s s l l o w e dm a te a m l w o 咖a c t i v i t i 懿d e c r e a s e dm ep hv a l u eo fc o i i i p o s tm e d i 啪 c d c o n c c i i h a t i o ni ne a m l w o h n s 、嬲t e i l - f o l dm g h e rm a l l l ec o m p o s t 锄dt h ec o n c e i l t r a t i o n o fh e a v r ) ，m c t a l si ne a r t h 、阳衄si i l c r e 嬲e dw i mi n c r e 嬲i n gc o m p o s tr a t i o si 1 1m e d i u m e a r t i l w o m l sh a v em ea b i l i t yt 0a c c u m u l a t cc d t h es u r v i v a ln 硼n b e r 缸dt h ew e i 曲to f r l l w o n i l sh a v es i 嘶f i c 训yd e c r e 鹊e d ，e s p e c i a l l yi nt l l ep u r ec 0 m p o s t n 帅u g l ls d s o a l 【i n g ，m ec x t r a 傩o f 昀n l 】【w 0 眦，c o m p o s to rm e i rm i ) 【t i l h a v e 鹏g a t i v ce f t s0 ns dg a 呲i i l a t i o n ， b u th a 、，ep o s i t i v ee 伍t so ns h d 0 tb i 咖a 蹈o ft l l r t i l r f 窑r 弱s 岱，e c p s e c i a l l yt h e 髓r t h w o m lc a s te x 仃a c t n e 饮蛔c t sh a v ep r o m o t e dp l 锄th e i g l l tg r o w t t i ，懿p e c i a l l yt l l e 铡曲w o mc 鹤te x 吼c t ，b u ti i l l l i b i 湖t h e r o o tg r o w t h m o r v t 屯l ee x 协l c t sc o u l di n 嬲et h ec o n t e n to fc t l l o r 0 i h y l 觚dp r o m o t em e p h o t 0 8 y i l m e s i so ft l l r l j 吕r 弱s 懿a d d i t i o no fe a n h w o n n s 蛔幻m em s w m e d i u mi n c r e a s e dm e a b o v e g r o l l i l db i o m a s so f d 砌m 严彻z ，l e锄d ，b 彻c 口 口朋刀d 砌卯口 b y3 5 3 a n d 1 2 1 7 一f o l d ，r e s p e c t i v e l y t h es 锄e 骶a 乜i l e n t se 1 1 h a i l c e dn l eu n d e r g r o u n db i o m a s so f 厶 p 绷明疗ea n df 口川以锄口c p 口b y12 7 4 5 a n dl4 8 9 4 r e s p e c t i v e l y b yc o m p 撕s o n ，n l e a ：b o v e 分o u n db i o m a s so f 凡 口p 凇纪琊括w a sd e c r e 髓e db y4 2 3 7 f u m 潮强o r e ，t 1 1 e p r e s e i l c eo fe 枷1 w o 咖si i l t h em s wm e d i 啪h a ds i 班f i c 枷e 勖c t so n 锄t i o x i d a n t 即z y m e so ft h e 劬奢髑s e s a d d i t i o no fe a m l w o 蕊si n t on l em s wm e d i u md e c r e a s e dt h e s o d 、p o d 、c a ta c t i v i t i e s 锄dm em d ac o n t e n to ft l l r e et u r f 窑r a s s e s ，b u tm em d ac o n t e n t o fpp 阳把船括i n c r e a s e d t h ea d d i t i o no fe a m l w o n n ss i 嘶f i c a l l t l yi n c r e 硒e dh e a v ym e t a l a c c 哪u l a t i o ni nb o mha n ，e s t so f 三严，留以刀p 、f 口，- “，z d 珈口c e 口a n dt h e 打a n s l o c a t i o nr a t i o so f m o s tt e s t e dh e a v ym e t a l s 丘d mr o o t st os h o o t s ，b 啦d e c r e a s e dm eh e a 、7m e t a la c c u m u l a t i o n 砒l dc o n c e i l 仃a t i o ni n 尸p 口纪，播捃e a m l w o ma c t i v i t i e sh a v e1 i t t l ee f f e c t so nb i o a v a i l a b l e c o n t e n to f h e a v ym e t a li n 厶郧形，l 雄ea n df 口朋玎砌z 口口，b u ts i 印i f i c a l l t l ya 仃e c tt 1 1 a ti np p r m e n s i s v k b yw o r d s ：e a n l l w 咖；m s wc 0 m p o s t ；t 1 1 i _ f 弯娜s ；e c o l o 西c a le 侬斌；h e a v ym e t a l ； p h y t 0 咖l e d i a t v i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我 所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得岙鲞! 至塾苤堂或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：猛塑二麦：日期：迎墨：乏：z 学位论文版权使用授权书 本人完全了解天津师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 猛蚣 导师签名：日期：! ! ：! ：兰 第一章前言弟一旱刖甬 1 1 蚯蚓及蚓粪的生态学作用 蚯蚓是陆地生态系统中最为重要的大型土壤动物，能影响土壤的形成发育， 改变土壤的理化性质( 尹文英等，2 0 0 0 ；胡锋等，1 9 9 2 ；胡锋等，1 9 9 8 ；李辉信 等，2 0 0 2 ) ，加速土壤养分的循环( w 哪e r ，1 9 9 7 ；q l u i d e a u 甜以，1 9 9 8 ；a n d r e l l 甜口正，2 0 0 1 ) ，促进有机物的分解矿化( 张宝贵等，1 9 9 8 ；p a r k i n 甜口z ，1 9 9 9 ；s 0 b l e r 甜口f ，1 9 9 8 ) 。有很多研究表明，蚯蚓可显著增加土壤中全氮和氮、磷、钾有效 养分含量，并可提高土壤中脲酶、蔗糖酶和微生物活性，增强土壤供肥性能( 王 霞等，2 0 0 3 ；e w a r d se f 口，1 9 9 6 ) 。蚯蚓粪具有良好的团粒结构，可明显改善基 质的孔度和通气性等物理结构特性( h a l a 甜以，2 0 0 3 ；n o 肌觚甜以，2 0 0 4 ) ，蚓 粪具有很好的通气性、透水性和持水性以及良好的养分供应与保持能力，蚯蚓粪 中有机质、n 、p 、k 等养分含量都很高，有利于增加植物生物量( p a b l o 刃以，2 0 0 2 ； s i i i l e o n ，2 0 0 2 ) 和植物氮素的吸收( s i m e o n ，2 0 0 2 ) 、提高土壤微生物数量与活 性、抑制植物土传病害( 胡艳霞等，2 0 0 3 ) 。土壤中施用蚯蚓粪可提高土壤中磷 酸酶、脲酶、蛋白酶和蔗糖酶的活性，而这些酶对土壤肥力的调控起重要作用( 李 典友等，2 0 0 5 ) 。所以蚓粪在土壤一植物生态系统中特别是对根际环境的重要作 用不容忽视。 1 1 1 蚯蚓的生态学作用 1 1 1 1 蚯蚓对重金属的耐受性及富集作用 国内外大量试验证实了蚯蚓在改良土壤、提高肥力和促进植物生长方面的作 用( 黄福珍，1 9 8 2 ) ，也报道过某些能存活于重金属污染土壤，包括一些金属矿 区的蚯蚓品种( s 嘴o n 甜口，1 9 9 9 ；l a i l 西o n 劣口，2 0 0 1 ) ；并认为这些对重金 属具有一定耐受能力的蚯蚓品种可以用于污染土壤的复垦( b u t t 以4 z ，1 9 9 5 ) 。 王振中等( 1 9 9 4 ) 在含z n6 5 7 8m g k g 、p b6 7 0 5m g k 9 1 、a s5 6 6m g k 9 1 的重金属复合污染土壤中发现了巨蚓科种类的蚯蚓。在实验室条件下，研究者也 同样发现蚯蚓对金属具有耐性，如：r e i n e c k c 等( 1 9 9 9 ) 在实验室内的研究发现赤 子爱胜蚓( 窳，翻砌彤绷 口) 长期暴露于c d 污染的人工土壤后，对c d 产生了耐性： l a n g d o n 等( 2 0 0 3 ) 也发现，如果蚯蚓“6 ，柳d 淞删沈鼬和d p 蒯b d 柳淞删6 耐妇) 长期生活在a s 污染土壤中，对a s 会产生抗性。 m o r g a i l 等( 1 9 9 8 ) 以蚯蚓( “m 6 一c 淞朋沈刀淞和d p 蒯而d m 淞删6 渤牺) 为指示 物研究有色金属矿附近土壤c d 、c 1 l 、p b 、z n 的污染情况时，发现蚯蚓体内重金属 含量与土壤c d 、c u 、p b 、z n 浓度呈正相关关系，并且土壤p h 、c a 含量对p b 的吸收 有显著影响，土壤有机质对c d 积累有抑制作用。蚯蚓对z n 、c u 吸收可以进行生理 调节，与土壤因素无关。k c l a n d ( 1 9 7 5 ) 的研究结果也表明，污染环境中蚯蚓体内 p b 、c d 的积累与土壤中较低的c u 、c a 含量有关，土壤c u 、c a 含量以及不同的蚯蚓 种类对重金属抗性的差异是决定重金属富集性能与否的主要因素。无论土壤c u 、 z n 、m n 含量如何，这些金属都会因蚯蚓的自身代谢如分泌等自行调节机制而在体 内无明显积累。1 9 9 7 年法国的一项研究做了大量分析，证实土壤重金属含量与蚓 体含量的相关关系很密切，蚯蚓对c d 、p b 、z n 有极强的富集能力( a - b u d u l 甜口， 1 9 9 7 ) 。 戈峰等( 2 0 0 2 ) 对蚯蚓对硒和铜的富集能力比较研究，发现蚯蚓对硒和铜的 富集能力很强，而且随着饲养的时间拉长，蚯蚓对硒和铜的富集量也逐渐增加。 在试验中，其最高富硒量和富铜量可达到3 3 2 5m g k 9 1 和1 3 6 7 9m g k 9 1 ，分别相 当于其体重的o 0 3 和0 1 2 。戈峰等( 2 0 0 1 ) 系统地研究了蚯蚓在不同处理尾砂 土、复垦土上生长发育状况，以及蚯蚓对铜离子富集作用及植物生长影响，结果 表明蚯蚓对铜矿中的铜元素富集能力很强，可达体内组织的8 2 5 1 2 1 8 4m g k 岔1 。 牛明芬等( 1 9 9 7 ) 也发现蚯蚓对河流底泥中c d 有明显富集现象。 1 1 1 2 基质中蚯蚓活动对植物生长的促进作用 有研究表明，蚯蚓活动能提高土壤肥力，使土壤中有效养分增加，有利于作 物根系生长发育和对养分的吸收( 杨珍基等，1 9 9 9 ：e d w a r d s 甜口，1 9 7 8 ；e d w a r d s 刃口厶，1 9 8 0 ) 。蚯蚓能改良土壤、形成土壤团粒结构、改善土壤通气透水性，从 而促进植物增产( i m e e ，1 9 7 6 ) 。在c d 污染的土壤上，引进蚯蚓显著增加了黑麦 草地上部的生物量( 成杰民等，2 0 0 6 ) 。尾砂土和复垦土中加入蚯蚓和蚓粪后， 西红柿的茎长、根长和干重均明显高于对照( 戈峰等，2 0 0 1 ) 。 成杰民等( 2 0 0 6 ) 研究蚯蚓活动对c u 、c d 污染土壤中黑麦草生长及c l l 、c d 生 2 物有效性的影响，结果表明，蚯蚓活动可显著提高c u 、c d 寸污染的高砂土中黑麦 草地上部分的生物量，增幅为3 3 9 6 ；在c u 2 + 污染红壤中，仅增加了c u 2 + 污染 浓度低于2 0 0m g k 9 1 中黑麦草地上部分的生物量。接种蚯蚓对旱作水稻和小麦有一 定的增产作用，其中水稻的增产幅度达9 3 ；小麦为5 1 ( 李辉信等，2 0 0 2 ) 。 李辉信等( 2 0 0 2 ) 总结蚯蚓活动提高作物产量的机理可能有4 个方面：1 ) 蚯蚓 对土壤养分特别是氮的生物活化作用；2 ) 蚯蚓通过作穴和排粪等活动对土壤物理性 质的改善作用。接种处理由于蚯蚓活动较为强烈，第一季土壤容重就有明显降低， 孔隙度显著增加( p o 0 1 ) ，特别是生物性大孔隙发达；3 ) 蚯蚓代谢及其与微生物 的相互作用产生的植物外源激素的刺激作用( 胡佩等，2 0 0 2 ) 。通过高效液相色 谱法证实蚯蚓培养土壤及蚓粪中含有较丰富的l 讼等激素物质( 胡佩等，2 0 0 1 ) ； 4 ) 蚯蚓活动时还可能牧食少量作物根系，而根据适度牧食理论，适度的牧食作用可 能对植物生长产生刺激作用( m 锄u e l ，2 0 0 0 ；b n 塔s a a r d ，1 9 9 9 ) 。 1 1 2 蚓粪利用及其生态效应 蚓粪是一种均一且有自然泥土味的细碎类物质，具有很好的通气性、排水性 和高持水量，并具有良好的吸收和保持营养物质的能力，相对于较大的表面积而 言，还有利于蚓粪中许多微生物的生存( 胡艳霞等，2 0 0 2 ) ；而微生物活动可以 直接或间接地活化重金属。蚯蚓所取食的各种有机质都能转化成稳定的腐殖质类 复合物，而这些复合物可以和土壤中重金属离子发生螯合，生成新的螯合态重金 属，可能更有利于植物的吸收和利用( 刘德鸿等，2 0 0 7 ) 。 1 1 2 1 蚓粪是优质生物肥，可改良土壤、提高植物产量 用蚯蚓处理垃圾，不仅环保，而且可生产出高品质绿色肥料一蚓粪。蚯蚓粪 是一种氮、磷、钾含量齐全，并含有大量有机质、腐植酸的黑色颗粒肥料。与其 它肥料相比，蚯蚓粪具有卫生、无异味、颗粒状、吸水、保水、透气性能强等特 点。农业部肥料质检中心对天津市宁河县蚯蚓购销养殖总场生产的蚯蚓粪进行测 定，结果为蚯蚓粪含有机质0 4 2g k 分1 ，腐植酸o 2 6g k 9 1 ，氮0 0 1 4g - k 百1 ，磷o 0 1 g k 岔1 ，钾0 1g k 昏1 ，并含多种微量元素和1 7 种氨基酸，是种花养草、园林花卉、温 室大棚的高档有机肥，又是瘠薄、长期施用化肥板结土壤的改良剂，而且能改造 盐碱地，其优点是化肥和农家肥都无法比拟的( 张洪钦等，2 0 0 0 ) 。 蚓粪可显著提高草莓鲜果产量，并能改善其品质，配施蚓粪处理的肥料效应 明显优于对照处理和单施氮、磷、钾化肥处理( 崔玉珍等，1 9 9 8 ) ；蚓粪同样可 提高大田栽种草莓的生物量和产量，并明显提高土壤中的微生物量( 加独c o n 甜口， 2 0 0 4 ) 。 1 1 2 2 蚓粪对植物病虫害有抑制作用 胡艳霞等( 2 0 0 3 ；2 0 0 4 ) 研究发现蚓粪在一定程度上能够控制蔬菜类植物黄 瓜苗期土传病害的发生，并表现出明显的促进植物生长的效应；并从新鲜蚯蚓粪 中成功分离到拮抗活性强、抗菌性广的拮抗微生物。 1 1 2 3 蚓粪还可用于修复重金属、农药等污染土壤 由于蚓粪具有强大的表面积，可吸附重金属，减少植物对重金属的吸收，从 而减少重金属进入食物链，是一种有效的重金属钝化剂( g o n d e k 甜以，2 0 0 3 ) 。 很多研究发现，一些蚯蚓对重金属污染有一定的耐性( 戈峰等，2 0 0 2 ；e d w a r d 甜以， 1 9 9 5 ) ，这些蚯蚓不仅可提高土壤中有效态养分量，还可改变土壤中重金属的形 态( c h e i l g 甜口z ，2 0 0 2 ) ，促进重金属向植物易吸收态转变，从而提高植物中重金 属吸收量，促进植物对污染土壤的修复效率( m a 甜口，2 0 0 3 ；w 醯甜口，2 0 0 4 ) 。 1 1 2 4 蚓粪中含激素类物质，可促进植物生长 近来有研究发现，蚓粪中含有l 、g a 等激素类物质，这些激素类物质可调 节植物生长，促进植物细胞分裂、根系伸长( m l l s c o l o 甜口，1 9 9 9 ) 。现在蚓粪中 植物激素的测定方法已经很成熟( 胡佩等，2 0 0 1 ) 。l u e i 趾。等( 2 0 0 2 ) 也发现蚓 粪中存在生长素，可促进玉米种子根冠细胞分裂，同时显著提高根细胞膜上h + a t p 酶的活性。胡佩等( 2 0 0 2 ) 发现蚓粪提取液可显著提高绿豆插条不定根的数量、 长度和生物量。由于蚓粪中激素类物质一般吸附在腐殖质大分子上，因此从蚓粪 中提取的f a 对植物生长也具有类似激素的促进作用，相同速效养分条件下，f a 对 万寿菊、花椒、西红柿等植物生物量、叶面积有明显促进作用( n o 咖a l l 口，2 0 0 3 ) 。 1 2 生活垃圾堆肥利用及其环境生态作用 1 2 1 垃圾堆肥促进作物产量和品质的提高 施入城市生活垃圾堆肥后，土壤的理化性质得到改善，养分含量提高，具有 一定的培肥改土效果，从而保证了植物所需养分的充分供应，促进了植物生长。 r o e 等( 1 9 9 7 ) 研究了垃圾堆肥对作物生长、产量和品质的影响，实验结果表明： 4 垃圾堆肥作为基肥使用比按一定比例施用化肥和垃圾堆肥的混合肥使铃状椒 ( q 卵池册口以以堋脚l ) 和黄瓜( 函c 册出s 鳓岱l ) 的产量更高，并且果实更大。 朱汉娴等( 2 0 0 1 ) 研究了城市垃圾堆肥连续三年在小麦、棉花上的施用效果，结 果表明随着城市垃圾堆肥用量及施用年限的增加，小麦成穗数、千粒重随之增加， 棉花铃数与铃重也增加，小麦和棉花产量分别达显著与极显著水平。办a i l g 等 ( 2 0 0 0 ) 研究了垃圾堆肥施用到砂质土壤后对大麦( 舶如姗l 而算陀l ) 、小麦 ( 砌f c 姗l 口劣咖“坍l ) 和油菜( 溉泐弼阳) 产量的影响。他们发现垃圾堆肥用 量为1 0 0 和2 0 0 吨公顷的小区作物产量高于施用化肥( 7 5k g ( n ) l l 如2 0 蚝( p ) l l a ， 4 5k g ( k ) l m ) 的小区，而谷粒中n 含量差异不大。m i d l a b e l 铘w a n n 肌( 2 0 0 5 ) 报 道了垃圾堆肥对作物产量具有明显的后效，在连续2 年的田间实验中，第一年堆肥 处理的马铃薯( 勋肠删所m 抛，“肌) 和玉米( z 幻脚粥) 产量显著低于化肥处理 ( p o 0 5 ) ，而第二年产量无显著差异；两年中各处理的植物p 含量亦无显著差异。 他们认为在垃圾堆肥中适量添加无机n 肥更有利于其功效的发挥。周德智等 ( 1 9 9 5 ) 研究了施用垃圾堆肥对黄棕壤、潮土、红壤上种植小麦和青菜的影响， 结果表明：三种土壤施用适量垃圾堆肥后，小麦和青菜均有增产效果，总体上是 红壤最好，增产幅度分别高达1 4 6 和2 1 7 2 。 1 2 2 生活垃圾堆肥在草坪上的应用 施用垃圾堆肥对草坪植物生长以及质量的提高有明显促进作用。b a l 【e r ( 2 0 0 1 ) 、 范海容等( 2 0 0 5 ) 分别报道了用垃圾堆肥和垃圾复合肥培植草坪的效果。实验结 果表明：城市生活垃圾堆肥及其复合肥与化肥相比明显促进了黑麦草的茎与根系 的生长，提高了生物量，改善了叶片的色泽和整齐度，提高了草坪的密度和质量； 促进了黑麦草对氮的吸收，叶片中氮和叶绿素含量明显高于化肥与空白处理。许 多研究也都证明了堆肥有利于草坪建植和草坪植物的生长。l a l l d s c h o o t 和m c n i t t ( 1 9 9 4 ) 研究发现，与空白对照相比，垃圾堆肥可以降低土壤容重，提高土壤渗透 性，而且至少在两个生长季内能为草坪生长提供大部分所需的营养元素。g e n t i l u c c i 等( 2 0 0 1 ) 报道了由于垃圾堆肥较高的c ：n 比致使第一年的草坪建植晚于对照， 而到了第二、三年时，草坪质量明显好于对照。砌e s 等( 2 0 0 4 ) 也提出施用垃圾 堆肥第二年的草坪质地和根量优于建植第一年，说明垃圾堆肥后效明显。 l a n d s c h o o t ( 1 9 9 5 ) 建议2 5 5c i i l 厚的堆肥铺设于1 0 1 5 锄深的土层中有利于 草坪的建植，而且土壤的有机质含量越低，堆肥的效果越明显。与泥炭相比，堆 肥可使草皮绿期延长，密度增大，枯草层减少，土壤中蚯蚓尤其是微生物的活性 增强( b l o c k ，1 9 9 7 ) 。 1 2 3 生活垃圾堆肥的负向效应 施用垃圾堆肥虽然可以改善土壤的理化性质，提高农产品的产量和品质，但 是如果施用不当也能对环境造成不良影响。重金属问题是垃圾堆肥最主要的负向 效应，重金属含量超标在很大程度上限制了其应用，如何降低重金属污染的毒害 效应，完善和提高堆肥技术和堆肥质量已成为垃圾堆肥的研究热点( p i n 锄o n t i 甜 口正，1 9 9 7 ；j a b e r 甜口z ，2 0 0 6 ) 。在施用垃圾堆肥的过程中，不同的土壤对垃圾堆 肥的最大承载量有所不同，黄棕壤的承载量为2 2 5 9 0 0t l l a ，潮土为4 5 0t l l a ，红壤 为9 0 0 饰a ，当垃圾堆肥施用量大于以上标准时，由于重金属危害等原因，将导致 作物和蔬菜产量的增幅减少( 安胜姬等，2 0 0 0 ) 。p i n 锄o n t i 等( 1 9 9 7 ) 比较了相 同用量的牲畜粪肥、污泥和白杨树皮混合堆肥以及生活垃圾堆肥对植物和土壤重 金属含量的影响；6 年后测定结果表明，粪肥以及污泥和树皮堆肥没有引起植物体 内和土壤重金属含量的显著增加，而垃圾堆肥处理的土壤中z n ，c u ，n i ，p b ，c d 和 c r 总含量以及e d t a 可提取态的含量都显著增加，而且植物体内的p b 和c d 含量 也明显增加，说明长期施用垃圾堆肥会对环境造成重金属污染。v i n c e n t ( 1 9 9 9 ) 在美国c a l v 融o n 农场研究发现垃圾堆肥中重金属含量是农场土壤的3 2 0 倍，随 着垃圾堆肥施入量的增加( 2 1 6 2t l l a ) 土壤中重金属含量显著增加。施入垃圾堆 肥1 6 和5 2 个月后分别测定土壤重金属含量，结果表明c u ，z n 和p b 主要富集在土 壤表层o 5c l i l 范围内，而土壤表层的c d 在5 2 个月后还继续的缓慢向土壤下层 迁移，所以c d 对土壤环境影响最大。b h a 倾c h a r y y a 等( 2 0 0 5 ) 认为垃圾堆肥是一 种很有价值的资源，但是如果长期使用的话，必须定期监测植物和土壤中的重金 属含量以避免污染。 1 3 植物修复与蚯蚓协同植物修复研究 1 3 1 植物修复技术 植物修复( p h y t o 豫n e d i a t i o n ) 是指将某种特定的植物种植在重金属污染的土 壤上，而该种植物对土壤中的污染元素具有特殊的吸收富集能力，将植物收获并 6 进行妥善处理( 如灰化回收) 后即可将该种重金属移出土体，达到污染治理与生 态修复的目的( 王庆仁等，2 0 0 1 ) 。重金属污染土壤的植物修复作为一种绿色生物 技术，已被当今世界迅速接受。影响植物吸取技术的主要限制因素是土壤重金属 的生物有效性和重金属从植物根向地上部分转移的能力( c a r o s 甜以，2 0 0 1 ) 。重 、金属的生物可利用性低在植物吸收重金属离子的过程中是一个非常重要的限制因 子，尤其在中性或碱性土壤中。重金属一旦进入土壤，将通过沉淀、老化、专性 吸附等物理、化学过程转成难溶态，降低土壤中重金属的生物有效性( 袁可能， 1 9 9 0 ) 。因此，提高土壤中重金属的生物有效性是关键。重金属生物有效态是指 能被该地生存的生物( 通常为植物) 所吸收的那部分重金属( 尚爱安等，2 0 0 0 ) 。 重金属在土壤中一般以多种形式贮存，不同的化学形态对植物的有效性不同( 何 章莉等，2 0 0 4 ) 。重金属在土壤中的存在形态与其对植物的有效性密切相关( 刘 清，1 9 9 6 ) 。水溶态( h 2 0 提取态) 、交换态( c a c l 2 提取态) 的植物有效性较高 ( m c b r i d e ，1 9 8 9 ) ，d t p a 提取态与植物吸收也有良好的相关性，常作为土壤中 重金属的生物有效性的容量指标( 陈满怀等，1 9 9 6 ) 。 植物修复技术目前尚存在着某些不足，首先是重金属超富集植物是在重金属 胁迫环境下长期诱导、驯化的一种适应性突变体，往往生长缓慢、生物量低，且 常常受到杂草的竞争性威胁( 王庆仁等，2 0 0 1 ) ；其次，土壤中的重金属有效性 较低并具有隐蔽性( 骆永明，1 9 9 9 ) 。为此，近年来人们提出一种“螯合诱导技 术 ，即向土壤中加人鳌合剂，如：e d t a 、d t p a 等，使被土壤固定的重金属部 分释放并进人水溶液，以保证植物能从土壤中提取走更多的金属。然而这可能造 成土壤和地下水环境的二次污染( 骆永明，2 0 0 0 ) 。 b o f 灿w 姒等( 2 0 0 0 )指出，根际土壤中动物和微生物之间复杂的交互作用 对植物生长和重金属吸收有很大的影响。l 嬲a t ( 2 0 0 2 ) 认为研究土壤动物、微生 物、植物之间的交互作用，对植物修复技术的进一步发展有重大意义。 1 3 2 蚯蚓活动对重金属有效性及植物富集的影响 有研究迹象表明，蚯蚓通过取食、作穴和排泄等生命活动、体表分泌物以及 与微生物的相互作用可能对土壤性质和土壤中的重金属化学行为产生直接或间接 的影响，会提高土壤中重金属的生物有效性而间接影响植物对重金属的修复效率 ( w i l l e m se f 口，1 9 9 6 ；、斩n d i n gp f 口，1 9 9 7 ；高岩等，2 0 0 5 ；z h a n gp f 口，1 9 9 3 ) 。 7 蚯蚓本身在取食、消化和分解过程中，一方面把土壤大量分解的有机物质充分混 合，使土壤中重金属与有机质、腐殖质和微生物等充分反应，生成重金属活性物 质，富集在团聚体中；另一方面在蚯蚓活动和新陈代谢过程中，分泌大量粘液蛋 白，可以络合土壤中的重金属，有利于活化重金属( l a v e l l e 甜口，1 9 9 5 ) 。蚯蚓 可通过肠道消化和养分富集2 个过程提高土壤中植物养分和金属元素的有效性 ( d e v l i e 曲e r 甜口，1 9 9 6 ) 。蚯蚓还能影响土壤微生物存在的种类、数量、活性( 张 宝贵等，2 0 0 0 ) ，而微生物与重金属之间也存在着复杂的相互作用关系，影响着 重金属存在的种类和有效性( g a d d ，2 0 0 0 ) 。蚯蚓在降解有机废物过程中能提高 土壤中腐殖质和有机酸含量( s e i l 懿i 甜以，1 9 9 2 ) ，并促进植物生长植物生物量的 增加能促使植物体内累积更多的重金属；腐殖质和有机酸含量的增加不仅能促进 植物生长( s p a i n 甜口，1 9 9 2 ；w b l k ep f 口，2 0 0 3 ) ，还会影响金属的移动性( p i c c o l o ， 1 9 8 9 ：h a l i m 口f 口正，2 0 0 3 ) 。 h e l 锄d ( 1 9 7 5 ) 发现蚯蚓( d 绷加施阴口埘6 溉口) 的蚓粪中水溶态p b 的含量比土 壤中增加了5 0 。c h e l l g 和w 雠g ( 2 0 0 2 ) 研究了蚯蚓对红壤、水稻土、冲积土中 z n 分级情况的影响，结果表明在有机质较高、污染程度较低的土壤中，培养蚯蚓 能提高金属的有效性。m a 等( 2 0 0 2 ) 用p b 、z n 尾矿中的土壤培养蚯蚓，结果发现 有效态p b 、z n 的含量分别升高了4 8 2 和2 4 8 。m a 等( 2 0 0 3 ) 研究了在种植木 本豆科植物p “册口昆“c 印砌肠的同时，引入蚯蚓对恢复广东省某p b z n 尾矿土壤 的影响，结果发现由于蚯蚓的存在三p 删朔口据“c d c 印矗口肠的产量提高了1 0 3 0 ，由此而导致的植物吸收金属比率的提高可达到1 6 5 3 。 蚯蚓活动能使土壤中重金属形态向对植物有效的d t p a 提取态和c a c l 2 提取态 转化，尤其是c u 浓度低于2 0 0m 眺g 的处理和酸性红壤上表现最为明显( 俞协治等， 2 0 0 3 ) 。蚯蚓对重金属活化的机理可能主要有3 个方面：一是蚯蚓活动可以分泌出 大量含有一c o o h 、n h 、c = o 等活性基团的胶粘物质，胶粘物质通过络合 螯合重金属推动了土壤重金属的活化；二是蚯蚓活动可以刺激土壤微生物的活动 ( b r o 、张，1 9 9 5 ；w a n g 甜口，1 9 9 7 ；h u 甜口，2 0 0 0 ) ，而微生物活动本身可以直 接或间接地活化重金属；三是蚯蚓通过改变土壤酸度而影响重金属的活性。 俞协治等( 2 0 0 3 ) 的研究结果表明蚯蚓活动显著增加红壤中d t p a 提取态c u 的含量。只有在浓度低于2 0 0m g k gc u 的处理中，才能增加c a c l 2 提取态c u 的含量， 对h 2 0 提取态c u 影响甚微；而对高砂土上c ! l l 、c d 的各种形态影响均不显著；接种 蚯蚓后各种重金属处理中黑麦草对c u 的吸收量显著增加而c d 的吸收量变化不大。 王丹丹等( 2 0 0 7 ) 的研究结果表明接种蚯蚓提高了土壤有效态重金属( d t p a - c u ) 含量，蚯蚓处理促进了黑麦草地上部生长，蚯蚓和蚯蚓与秸秆处理同时提高了植 物地上部和地下部的c u 浓度及c u 吸收量，总体来看，蚯蚓处理及蚯蚓与秸秆处理 分别使黑麦草地上部c u 富集系数提高了3 1 2 2 1 2 1 0 7 和2 5 5 6 1 3 2 6 4 。 c h e i l g 和w o n g ( 2 0 0 2 ) 在模拟锌污染的红壤、高砂土、黄泥土上培养蚯蚓， 发现蚯蚓活动显著增加了红壤d t p a 提取态锌和黄泥土中的有机结合态锌。a b d u l 等( 1 9 9 6 ) 研究3 种受不同含量的c d 、c u 、f e 、p b 、z n 污染土壤时发现，蚯蚓对 重金属的有效性影响不大，但是显著增加了黑麦草地上、地下部分的c d 、c u 、z n 含量。添加蚯蚓显著提高了红壤中铜( c u ) 、镉( c d ) d t p a 提取态的含量，对 高砂土中d t p a 提取态c u 、c d 的含量无显著影响；增加了高砂土中和添加c u 污染 浓度低于2 0 0m g k 百1 的红壤中黑麦草地上部分吸收c u 的总量，而对黑麦草吸收c d 的量无显著影响( 成杰民等，2 0 0 6 ) 。 因此，在重金属污染土壤中放养蚯蚓，有利于提高土壤中重金属的生物有效 性可能性，同时通过蚯蚓改善土壤水分、养分、通气等促进植物生长，从而达到 提高植物修复效率的目的，为提高植物对重金属污染土壤的修复效率提供一条更 为经济、安全的技术途径( 成杰民等，2 0 0 6 ) 。 1 4 城市草坪建设及其存在的问题 草坪是由人工建植或人工养护管理并能够提供人们休闲、游乐和适度体育运 动的坪状草地( 华珞和郑海金，2 0 0 4 ) 。草坪深入人类的生产和生活，对人类赖以 生存的环境起着美化、保护和改善的良好作用，堪称“文明生活的象征，游览休 假的乐园，生态环境的卫士，运动健儿的摇篮”。草坪绿化规模与水平已成为衡量 现代化城市环境质量的重要客观标准。目前，草坪业作为一个迅速发展的行业， 越来越为社会各界所关注。 另一方面，目前我国草皮的生产存在着诸多问题，无法满足城市草坪建植的 需要，而其中草皮基质的研制和供应不足就是一个重要的限制因素( 李艳霞等， 2 0 0 2 ) 。在草皮生产中，为保证质量，生产草皮的土壤必须理化性质良好，每完 成一次草皮生产过程，至少要铲去2c i l l 以上的熟土，连续的3 4 次操作，肥沃 0 的农田即遭到破坏( e p s t e i i l 刃口f ，1 9 7 6 ) 。要恢复表土肥力，短则需几年，多则 几十年、上百年。为此，研制出一种新的人工草坪基质以代替肥沃的表土已成为 当务之急，研制原则包括：成本低廉，最好能废物利用；无污染、无公害； 具备天然土壤所具备的各种属性与理化性状，其中包括适宜的土壤容重、孔隙 度、保肥性、保水性、结构性和机械组成等等；避免造成新的资源与生态的破 坏。 再有，我国目前用于草坪建设的草坪植物草种主要依靠进口，本土草坪植物 草种资源有限，而在引种的过程中缺乏系统的理论依据，引种盲目，在不同的地 区应当选择不同的品种以适应该地区的气候特征，这是草坪建设成败的关键( 徐 胜等，2 0 0 1 ) 。我国幅员辽阔，地区气候差异性相对较大，无疑给引种带来困难， 盲目的引种，引来的种子不能适应当地的气候，给经济上带来损失。而引进的草 坪植物种子大多价格较高，这种大量盲目的引种，种子不能马上用掉，需要贮藏 很长时间，这就有可能在贮藏过程中，造成种子活力降低，导致发芽率降低、成 苗困难、产量降低等问题( 梁应林等，1 9 9 8 ) 。在草坪建植中，草坪植物种子质量 及活力则是草坪成坪质量的一个重要因素，草坪植物种子活力提高( x u 鲥口正， 2 0 0 3 ) ，初期生长加快，从而有利于草坪植物与杂草的竞争，也有利于草坪小环境 的稳定。因此，加强草坪植物引种与提高草坪植物种子活力的研究，将对我国草 坪业发展起着积极的促进作用。 1 5 问题提出 目前，我国已初步展开了生活垃圾堆肥用于园林绿地基质或肥料的科研工作 ( 李艳霞等，2 0 0 2 ；范海荣等，2 0 0 5 ) ，但多停留在堆肥对植物生长的促进作用 及重金属对环境影响的评估，对于堆肥基质的修复尚无系统的研究。由于生活垃 圾堆肥中重金属含量较高，其在实际中的应用会受到一定程度的限制，因此我们 设想利用植物修复的方法对垃圾堆肥进行修复，以扩大其在实际中的应用范围。 草坪植物通常在减轻污染和保护环境中能起到非常重要的作用( p a m a i l 甜口， 2 0 0 3 ) 。在实验中人们观察到黑麦草在堆肥基质中生长良好( 范海荣等，2 0 0 5 ； 范海荣等，2 0 0 7 ；唐旭日，2 0 0 6 ) ，且有研究表明黑麦草对重金属有一定的耐受 能力( 钱海燕等，2 0 0 4 ) 。同时草坪草生长快、再生能力强，在一年内能刈割多 1 0 次。 并且蚯蚓活动可以改良土壤，促进植物生长，很多研究表明一些种类的蚯蚓 对重金属有一定的耐受性，可以在重金属污染的土壤中存活，提高污染土壤中重 金属的生物有效性，有助于重金属从植物地下部分向地上部分的转移。因此，本 研究在堆肥草坪建植体系中引入蚯蚓，利用蚯蚓促进草坪植物生长，并协同草坪 植物对堆肥基质的重金属进行植物修复，拟利用蚯蚓提高植物的修复效率，此类 研究尚未见文献报道。 1 6 课题研究目标及意义 将生活垃圾堆肥用作草坪基质，不但可以避开食物链，同时又解决了垃圾的 出路问题。垃圾堆肥具有良好的理化性质、丰富的养分，是替代土壤作为草坪基 质的较理想材料。在我国人口众多，土地资源相对贫乏，以垃圾堆肥用作草坪基 质更具有现实意义。一些草坪植物种能够在重金属污染较重的基质中生长，且生 长速度快、再生能力强，同时土壤动物一蚯蚓的介入对草坪植物的生长有促进作 用，对堆肥的植物修复有协同促进的作用。垃圾堆肥作为草坪基质的同时其重金 属又能得到草坪植物的修复，这样既增加了垃圾堆肥的应用潜力又提高了其使用 的安全性，为其在实际中应用提供了方案与技术支撑，同时为构建生活垃圾堆肥 一蚯蚓一草坪植物的建植体系提供了理论依据。 第二章蚯蚓对生活垃圾堆肥基质生态适应性研究 蚯蚓可以改良土壤，改善土壤的理化性质，同时其中的一些品种可以忍受一定 浓度的重金属并在体内富集；但土壤中的重金属对蚯蚓的存活及生长也有一定影 响。本研究探讨蚯蚓与堆肥之间的相互影响，蚯蚓在堆肥基质中的存活可能性及 其生长情况，为利用蚯蚓提高堆肥的植物修复效率作出了初步探索。 2 1 材料与方法 2 1 1 实验材料 实验采用盆栽的方法，草坪植物培养基质重量为2 ok g ，其中城市生活垃圾堆 肥与土壤分别按o ：l ( a ) 、1 ：l ( b ) 、2 ：l ( c ) 、l ：o ( d ) 的比例混合均匀。 生活垃圾堆肥取自天津市小淀堆肥厂，其理化性质为：p h7 6 2 ，有机质含量1 2 1 2 ， 全氮5 1 8 ，有效磷7 7 9 2m g k 菩1 ，全钾5 0 8 3g k 分1 ，饱