基于植物毒性数据测试渗滤液灌溉对植物行为的影响

摘要：通过芸苔和黑麦草种子的萌发/根伸长试验分别检验了正在运行和已经封场的垃圾填埋场的渗滤液的植物毒性。得出EC50取值范围为3％至46％v / v，取值差异与垃圾填埋场的运行状况有关。将12棵树种的幼苗种植在盆中，以EC50水平灌溉垃圾渗滤液，用自来水作为对照。在施用渗滤液90天后，没有观察到树木死亡或生长抑制。叶绿素荧光测量也显示接受渗滤液的植物没有受光合效率下降的影响。枸杞和木槿显著生长，其他不固氮树种的生长情况也不亚于固氮的相思树。渗滤液灌溉能改良土壤氮含量，但缺磷仍是一个问题。种子生物测定提供了对垃圾渗滤液植物毒性的保守估计。参照植物毒性数据设计渗滤液灌溉剂量，可以防止灌溉植物出现生长抑制。

1引言

垃圾填埋场渗滤液具有高盐分、高氨氮以及高有机负荷的特点（Robinson, 1991; Chu et al., 1994; Lo, 1996)。长期以来，它一直被认为是潜在的水污染源，因此必须进行处理。用垃圾渗滤液灌溉是一种废水处理和营养再利用的手段。相关实验研究报告表明，渗滤液灌溉的影响有利有弊。渗滤液灌溉可能导致土地减产，植物生存率低(Menser, 1981; Menser et al., 1983)。相反，Liang等（1999）提出在干旱季节使用垃圾渗滤液作为灌溉水，以促进相思树，白菜，桉树的生长，提高其生存率和气孔导度。不同植物物种也会导致研究结果差异， Cureton等人 （1991）提出施用渗滤液后，枸杞子的生长发育明显得到促进，但在杨树叶中观察到褐色叶片和坏死斑点等植物毒性症状，而在柳树中发现叶绿素降解甚至完全萎黄。以上结果表明，植物种类，渗滤液来源，施用方法及其相互作用对渗滤液灌溉的结果有重要影响。

然而，渗滤液灌溉的研究主要集中在使用污水处理和处置的土壤系统，这通常旨在最大限度地提高处理效率。浸出液应用的重要参数，如稀释度，很少使用个别渗滤液样品的植物毒性数据确定，这不可避免地会产生矛盾。渗滤液中含有大量的氨氮（NHx-N）和其他营养物质，可以为植物生长所吸收。如果渗滤液灌溉的目的仅仅是作为植物营养补充剂，那么大多数研究中所测试的施用量大大超过了植物对营养素（尤其是N）的需求，因此降低施用量以控制潜在的植物毒性仍然有研究的空间。

对陆生植物而言，使用最为广泛的植物毒性试验是种子发芽试验，结果通过测定萌发率或根伸长率获得（Wang和Keturi，1990; Devare和Bahadir，1994; Tam和Tiquia，1994年 Pascual等人，1997）。由于树木对大多数有毒物质的敏感性较低，不便于毒性指标监测。在本研究中，使用植物种子作为替代，测定种子发芽和根伸长率来评估渗滤液样品的毒性。通过已知的植物毒性数据来确定渗滤液灌溉速率，以保护受体树种不致由于渗滤液过度施用而引起的生长抑制或死亡。本实验还研究了垃圾渗滤液对树木生长的农艺价值。

2材料及方法

2.1样品采集和分析

样品取自四个封场时间不同的垃圾填埋场的原始浸出液（表1），分别为望后石谷（PPV）垃圾填埋场、马尾棠中心（MYTC）垃圾填埋场、将军澳（TKO）垃圾填埋场二期/三期和西新界（WENT）垃圾填埋场。前三个填埋场已封场，后者仍在运行。将样品储存在密闭的1L聚乙烯瓶或玻璃瓶中。分析前，将其送至实验室并于4℃保存。分析渗滤液的pH和电导率（Jenway 4330 pH和电导率计，Essex，England）。 通过使用TOC分析仪（Shimadzu TOC5000A，Kyoto，Japan）的IR-燃烧法测量总有机碳。根据标准方法5200D（APHA，1995），通过接近回流比色法测定化学需氧量（COD）。以Hg作为催化剂消化后，通过SANPlus分段流动分析仪（Skalar，Breda，荷兰）分析总凯氏定氮（TKN）和总磷（TP）（Skalar，1995）。在用浓硝酸消化后，通过电感耦合等离子体原子发射分光光度计（ICP-AES）（Perkin Elmer 4300DV ICP-OES，Norwalk，USA）测定总金属含量（方法3030E，APHA，1995）。在分析可溶性盐之前，将样品通过0.45mm Millipore膜过滤器过滤。 通过SAN^Plus分析仪（Skalar，Breda，荷兰）分析氨氮（NHx-N），氧化氮（NOx-N），邻磷酸磷（PO₄-P）和氯化物（Cl ^-）。

表1 渗滤液采样点一览表

Table 1 Sampling sites for landfill leachate in this study (EPD, 2003)

2.2植物毒性测定

将原始浸出液用MilliQ水稀释至系列浓度。取衬里培养皿（直径9厘米）内衬Whatman 1号滤纸，用5毫升稀释的渗滤液润湿滤纸。从当地种子供应商处购买了芸苔（中国白菜）和黑麦草（多年生黑麦草）的种子。每种植物取二十粒种子放置在培养皿中，设四组平行样。将培养皿随机排列，在20℃下黑暗中培养。计发芽种子数，4天后测量原根长度。当胚根穿透种皮时，种子被认为发芽（Kapustka，1997）。 根据Zucconi等人测定的发芽指数（GI）（1981）， 通过BraineCensens模型（Brain and Cousens，1989）从GI和浸出液浓度之间的剂量反应关系计算中值有效浓度（EC50）。

2.3 渗滤液灌溉实验

选择WENT和PPV垃圾填埋场的渗滤液进行灌溉研究。将12种常用的外来植物和较少种植的土著植物用于渗滤液灌溉，包括两种可改良退化土壤的固氮物种（大叶相思和木麻黄）。从当地的苗木店购买20—30厘米高的树苗，然后将幼苗移植到直径19厘米，高18厘米的盆中。生长介质采用风化花岗岩，它是一种红土，是香港的主要土壤类型之一（1986年土壤科学研究所），从当地采石场收集。将土壤通过5mm筛目以除去大颗粒，筛选后为沙土质地。

将树苗驯化一个月，用自来水稀释后的渗滤液灌溉树苗90天，达到植物毒性试验对应的各自的EC50水平。 每个盆每周用12毫升稀释的浸出液进行表面灌溉，并灌溉等量的自来水用于对照，灌溉量相当于香港的平均降雨量，允许多余的水分从盆底排出，设五组平行样。植物随机分组分块排列于温室中。在实验期间对植物的生长和健康进行定性和定量的监测。每4周测量植株高度和站立叶数。使用植物效率分析仪（PEA）（Hansatech，England）每2周测定叶绿素荧光。

在渗滤液灌溉期结束时收获叶子，对减少鳞片叶的木麻黄属叶绿素组织采样。将组织在65℃下干燥至恒重以确定叶面生物量和矿物质含量。对固氮树种盆中的土壤进行取样并与非固氮树种的土壤进行对比分析。将土壤样品风干14天，过2mm筛，然后进行纹理测定和化学分析。在半微量消解后分析了总凯氏定氮（TKN）和总P（TP），加入1mol KCl（Rowell，1996）和 0.01 mol Ca(NO₃)₂（土壤和植物分析委员会，2000年）后提取N（氨氮和硝态氮）和氯化物（Cl ^-）。 对含N，P和Cl ^-的物质使用SAN^Plus分段流动自动分析仪（Skalar Analytical BV，Breda，荷兰）测定（Skalar，1995）。在混合酸（HNO₃：H ₂ SO ₄ = 5：1 v / v）中消化后，通过ICP-AES（Perkin Elmer 4300DV ICP-OES，Norwalk，USA）测定总金属含量。

3结果与讨论

3.1渗滤液

3.1.1化学性质

所用浸出液COD和可溶性NHx-N含量较高（表2），渗滤液的COD因其来源不同差异显著，随着填埋场使用年限的增加，渗滤液的COD一般有所降低。 已封场的MYTC垃圾填埋场浸出液（158 mg/L）的COD仅为正在运营的WENT填埋场渗滤液（6380 mg/ L）COD的2.48％。TKN的主要部分为氨氮（NHx）形式，硝态氮（NOx）低于检测限1 mg/L。NH x-N含量为2210 mg/L，每立方米的原始渗滤液可以提供2 kg N，易于被植物摄取。渗滤液中P含量较低，WENT渗滤液中P含量最高，但仅为15.2 mg/L。香港的垃圾填埋场产甲烷的时间比温带地区的早。WENT垃圾填埋场的渗滤液呈碱性，NHx-N水平高。相对炎热和潮湿的天气以及垃圾中易降解材料占比较大加速垃圾渗滤液分解（Carville和Robinson，1991; Lo ，1996）。

高达17.0 mS/cm的电导率反映了其高盐含量，渗滤液中富含Cl^-，K 和Na 离子。未稀释的渗滤液由于含盐量过高，不能用作灌溉水（Landon，1991）。虽然渗滤液含有较高水平的主要阳离子，但重金属（Fe，Mn和Zn除外）的浓度相对较低（lt;1 mg/L）。当沉淀物在还原和碱性条件下沉淀时，重金属可能会保留在填埋场体内。

表2 渗滤液样品的化学性质（平均值plusmn;SD）

Table 2 Chemical properties of leachate samples (meanplusmn;SD)

3.1.2植物毒性

将萌发率和根伸长率合并，得到发芽指数（GI）（Zucconi等，1981）。 图1显示了发芽指数和浸出液浓度之间的关系。观察到一些低剂量渗滤液样品可刺激生长。用稀释至10％（v / v）的MYTC和PPV浸出液或浓度低于5％的WENT渗滤液灌溉种子时，发芽指数大于对照（仅用水灌溉）。GI的增加可能是由于实验组根伸长较对照组显著。这种生长促进可归因于有毒物质被稀释到低水平时，渗滤液中的NH₄ 和K 等营养物质有利于植物生长。

图1 各垃圾填埋场渗滤液浓度与芸苔（●）和黑麦草（▲）的发芽指数之间的剂量反应关系。误差条显示4次重复的标准偏差。

Fig. 1. The dose response relationship between concentration of leachate from various landfills and the germination index of Brassica chinensis (C) and Lolium

perenne (:). Error bars show the standard deviation of 4 replicates.

根据发芽试验（表3），来自不同垃圾填埋场的渗滤液的EC50值为2.95〜45.9％，随渗滤液有机物浓度增加而增加。由芸苔和黑麦草分别测定的EC50值无明显差异，说明两种植物对渗滤液具有同样敏感的植物毒性。植物毒性主要归因于过量的盐和NH4 。渗滤液高达4 mS/cm的电导率（EC）会抑制盐敏感植物对水的吸收，从而抑制种子生长（Bewley and Black，1994）。垃圾渗滤液和堆肥提取物中的NH4 阻碍了禾本科植物的种子萌发和幼苗生长（Leung，1985; Dueck和Van der Eerden，2000），NH4 还与芸苔和黑麦草（OBrien和Barker，1996）萌发和根系生长的抑制作用有关（Wong and Chu，1985）。此外，底层Na 和Ca² 浓度不平衡使许多农艺植物物种受到严重伤害。渗滤液的钠吸收率（SAR）为31.4〜199，而钙钠离子不平衡已被证明能对细胞膜造成特异性损伤（Cramer等，1985）。此外，在渗滤液中检测到的各种有毒有机物（(Oman and Hynning, 1993; Paxeus, 2000)），依据其形式，分子量和浓度，将不可避免地导致不同程度的植物毒性。

表3 浸出液样品的中值有效浓度（EC50）

Table 3 Median effective concentration (EC50) of leachate samples tested with Brassicachinensis and Lolium perenne

3.2渗滤液灌溉实验

3.2.1植物反应

在本次测试中，测试的所有树苗均存活直至收获，没有观察到常见的土壤盐渍化症状，如萎黄病和叶片烧伤。在渗滤液灌溉过程中，没有观察到大面积叶片下降或生态生态学变化。就培养90天后的植物高度而言，用渗滤液处理的实验组生长状态优于仅用自来水灌溉的对照组（图2）。大多数情况下，不同渗滤液灌溉的试验结果无明显差异（Pgt; 0.05）。在渗滤液灌溉下，木槿和枸杞子表现出显著的生长促进作用，其增长速率分别是对照组的3〜12倍。木槿（海芙蓉）是耐盐植物，栖息在沿海地区，如基底盐度相对较高的海滨。渗滤液灌溉使土壤盐渍化程度高，木槿更能抵御这种环境。而另一方面，经渗滤液处理的固氮相思树的生长状况并不优于其他非固氮植物，当渗滤液中氮含量充足时，相思树的固氮能力不再是一个优势。

图2 PPV和WENT垃圾填埋场渗滤液灌溉90天后的植物生长高度

Fig. 2. Plant growth in height after 90 day irrigation with leachates from PPVand WENT Landfills. When compared within the same species, bars fol

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