全 文 ：城市垃圾堆肥对 Cr 污染土壤的修复效应 3
黄启飞1 　高　定1 　丁德蓉2 　陈同斌1 3 3
(1 中国科学院地理科学与资源研究所农业生态与环境技术试验站 ,北京 100101 ;2 西南农业大学资源环境学院 ,重庆 400716)
【摘要】　通过模拟土培试验和盆栽试验 ,研究垃圾堆肥对 Cr 污染土壤的修复效应. 结果表明 ,垃圾堆肥对
于土壤中有效 Cr 含量的影响是通过有机质含量、Eh、p H、< 0101mm 粘粒含量等理化因子的变化来实现
的 ;有机质含量变化和 Eh 变化分别是旱地土壤和淹水土壤中的主要影响因素 ,对有效 Cr 的效应分别占贡
献的 7314 %、5515 % ;垃圾堆肥施入土壤后 ,土壤渗透性得到改善 ,土壤中的 Cr 因被还原、吸附而固定 ,迁
移量减少 ;垃圾堆肥施入可以减少植株对 Cr 的吸收 ,旱地土壤中 ,施加垃圾肥可使生物产量增加 3519 % ,
植株体内 Cr 含量下降 4819 % ,在淹水土壤中 ,这种效应更加显著 ,生物产量比旱地土壤高 8613 % ,Cr 含量
低 2318 % ;垃圾堆肥施入后 ,植株体内的其他重金属含量未超标 ,垃圾肥可以安全用于 Cr 污染土壤的修
复.
关键词 　垃圾 　堆肥 　Cr 污染 　土壤修复
文章编号 　1001 - 9332 (2002) 02 - 0167 - 04 　中图分类号 　X53 　文献标识码 　A
Remediation of chromium2polluted soil using municipal solid waste compost. HUAN G Qifei1 , GAO Ding1 ,
DIN G Derong2 , CHEN Tongbin1 (1 S tation f or A groecology and Envi ronmental Technology , Institute of Geo2
graphic Sciences and N atural Resources Research , Chinese Academy of Sciences , Beijing 100101 ;2 Southwest A2
gricultural U niversity , Chongqing 400716) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2002 ,13 (2) :167～170.
A study on the feasibiltiy of remediation of Cr2polluted soil using municipal solid waste (MSW) compost was car2
ried out . The result showed that organic matter (O. M. ) , Eh ,p H and < 0101mm of clay would influence the
bioavailability of chromium in the soil ,and O. M. and Eh were the principal influencing factors in the dryfield and
inundating soil ,up to 73140 % and 5515 % of the contribution rate affecting the bioavailability of chromium ,re2
spectively. The osmosis of the soil was improved when compost was applied ,but the quantity of movable chromi2
um was reduced becasue chromium in soil was deoxidized and adsorbed. MSW compost could reduce the absorp2
tion of chromium by the tested plant . The yield of the plant grown in the dry soil was increased by 3519 % and
the content of Cr in the plant was decreased by 4819 %. The effect was more notable in the inundating soil :
8613 % of the yield increased and 2318 % of the Cr content decreased. However ,MSW compost could not in2
crease the risk of other heavy metal pollution.
Key words 　Municipal soild waste , Compost , Chromium pollution , Soil remediation.3 国家“九五”科技攻关项目 (962909201205) 和北京市自然科学基
金重大资助项目 (6990002) .3 3 通讯联系人.
2001 - 08 - 21 收稿 ,2001 - 10 - 10 接受.
1 　引 　　言
对受重金属污染的土壤进行修复 ,抑制重金属
进入植物体是保证食品安全、优质的前提 ,也是当前
环境工作者重要的研究课题之一. Cr 污染能够破坏
土壤的生产力 ,抑制作物生长 ,降低产量 ,同时积累
在植物体内的 Cr 还会通过食物链影响人体健
康[2 ,5 ,8 ] .根据有机质对 6 价 Cr 的还原作用原
理[1 ,3 ,4 ,6 ] ,利用城市生活垃圾堆肥修复 Cr 污染土
壤 ,不仅可以恢复受污染土壤的功能 ,而且可以为城
市垃圾的消纳找到出路. 本文对于垃圾堆肥对 Cr 污
染土壤的修复效果进行了初步探讨 ,以便为 Cr 污染
土壤的改良及合理利用提供科学依据.
2 　材料与方法
211 　供试材料
供试土壤为紫色土 ,采自西南农业大学桑园 ,质地为重
壤.城市生活垃圾采自重庆市北碚区金刚碑垃圾场 ,以好氧
法堆制 ,除去杂物 ,过 3mm 筛 (表 1) .
212 　试验设计及处理
21211 　Cr 污染土壤理化性质变化试验 　试验共分 5 个处
理水平 ,其垃圾堆肥用量为每盆 0、0115、0150、0185、1100
kg ,采用 20cm ×20cm 米氏盆和 25cm ×30cm 瓦氏盆 ,分别模
拟旱地土壤和淹水土壤 . 每盆装土5kg ,垃圾堆肥与盆土混
应 用 生 态 学 报 　2002 年 2 月 　第 13 卷 　第 2 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Feb. 2002 ,13 (2)∶167～170
表 1 　土壤和垃圾堆肥的理化性质
Table 1 Physical and chemical properties of the soil and MSW compost used
处理
Treatment
有机质
O. M.
(g·kg - 1)
CEC
(cmol·g - 1)
p H1) 粘粒2)
Clay ( %)
重金属 Heavy metal (mg·kg - 1)
Total
Cr
Available Cr Hg Cu As Pb Zn
土壤 Soil 1913 2118 7174 5213 5710 N. D. 0126 2117 8195 3217 7116
堆肥 Compost 19212 3410 6138 - 4015 N. D. 0161 6513 1310 8516 9310
1)水土比为 1∶1 The ratio of water and soil was 1∶1 ;2) < 0101mm .
匀装盆 ,旱地土壤浇水 1000ml ,淹水土壤浇水 4000ml 至淹
水状态 ,7d 时测定土壤有机质含量 ,并加入 Cr6 + ( K2Cr2O7
配成水溶液) 250mg·kg - 1 . 旱地土壤在 14、21、28d 各浇水
1000ml.各处理重复 3 次. 28d 时取土壤样品 ,风干、研磨、过
1mm 筛 ,分析有效 Cr 含量 ,并进行土壤理化性质分析. 测量
旱地土壤渗液量 ,分析渗滤液中 Cr 浓度.
21212 　生物试验 　生物试验运用二次通用旋转组
合设计 (表 2) . 采用米氏盆和瓦氏盆 ,分别模拟旱地
状态和淹水状态的土壤. 每盆均装土 5kg ,将 Cr6 +
( K2Cr2O7 配成水溶液)按试验编码量与垃圾堆肥混
入土中 ,施入底肥 ,陈化 30d. 5 月 29 日移栽蕹菜
( L pomoea aquatica L . ) ,于 7 月 20 日收获. 测定生
物产量并分析植物样品中重金属含量.
表 2 　试验设计方案
Table 2 Experimental design
处理
Treatment
变化间距
Variation interval
因素水平 Level of factor
-
γ
- 1 0 + 1 +γ
Cr6 +浓度 Cr6 + concentration 176 0 74 250 426 500
(mg·kg - 1)
垃圾堆肥用量 MSW compost 0135 0 0115 0150 0185 1100
(kg·pot - 1)
213 　分析方法 　土壤中有效 Cr 含量分析采用夏增禄
法[10 ] .用 1mol·L - 1中性 NH4Ac 浸提有效态 Cr ,土液比 1∶5
(2g·10ml - 1) ,振荡 1h ,离心过滤 ,滤液加 KMnO4 氧化后 ,比
色测定. 其它分析均为常规分析方法.
3 　结果与讨论
311 　土壤理化性质变化对有效 Cr 含量的影响
土壤是垃圾堆肥的载体 ,垃圾堆肥的施入 ,必然
会使土壤一些重要的理化性质发生变化 ,从而对土
壤有效 Cr 含量产生影响. 选定土壤理化性质中有机
质含量 ( x 1 ) 、氧化还原电位 ( x 2 ) 、土壤 p H ( x 3 ) 、
CEC( x 4) 、< 0101mm 粘粒 ( x 5)作为影响因子[7 ,9 ] .
对试验数据进行通径分析 ,通径系数矩阵 P ,决
定系数矩阵 D 分别为 :
旱地土壤 :
P =
- 017248 　- 012481 　- 010146
　016097 　　012950 　　010100
　013737 　　011039 　　010283
D =
　015253 　　011798 　　010106
　011798 　　010870 　　010029
　010106 　　010029 　　010080
总决定系数 R2 = 0199
淹水土壤 :
P =
- 013285 　- 015492 　- 011114
　013170 　　015789 　　010915
　012848 　　014122 　　011285
D =
　011079 　　011803 　　010366
　011803 　　013351 　　010529
　010366 　　010529 　　010165
总决定系数 R2 = 0199
各自变量对 y (有效 Cr 含量) 的贡献系数矩阵
为 :
旱地土壤 :
　　x 1 →y 　　x 2 →y 　　x 3 →y
x 1 017340 012512 010148
x 2 016667 013226 010108
x 3 017413 012028 010559
淹水土壤 :
　　x 1 →y 　　x 2 →y 　　x 3 →y
x 1 013322 015551 011127
x 2 013173 015897 010931
x 3 013453 014991 011557
从贡献系数矩阵可知 ,旱地土壤中 ,对有效 Cr
的含量有显著影响的土壤理化因子有 O. M. 含量
( x 1 ) 、Eh ( x 2 ) 、p H ( x 3 ) . x 1 直接效应占贡献的
7314 %. 因为有机质是还原性物质 ,必然会引起土壤
Eh 变化 ,从贡献系数矩阵可知 , x 1 通过 x 2 对 y 的
决定度的相对贡献占总贡献的 25112 %. x 1 通过 x 3
对 y 的决定度的相对贡献仅为 1148 % ,几可忽略.
因此 ,垃圾堆肥施入旱地土壤中 ,主要是通过有机质
的直接作用来影响有效 Cr 含量 ,其次才是通过 Eh
的变化对有效 Cr 含量产生影响.
在淹水土壤中 ,对有效 Cr 含量变化有显著影响
的土壤理化因子是 x 1 、x 2 、x 5 . 和旱地土壤不同 ,有
机质的直接效应仅占 3312 %. 而 x 1 通过 x 2 对 y 的
决定度的相对贡献占据主导地位 ,为 5515 %. 因此 ,
在淹水土壤中 ,垃圾堆肥施入土壤将主要通过影响
Eh 的变化来影响有效 Cr 含量 ,其次才是有机质的
直接作用. 从贡献矩阵可知 ,垃圾堆肥施入引起粘粒
861 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　13 卷
含量变化 ,而使有效 Cr 含量变化 ,这一变化为正相
关. 即 施 入 垃 圾 堆 肥 使 粘 粒 含 量 下 降 ( r =
- 01866 3 ) ,导致土壤粘粒吸附有效 Cr 的总量下
降. 这一作用过程占总贡献的 1113 %.
312 　垃圾堆肥对土壤中 Cr 迁移的影响
垃圾堆肥的施入 ,可以使粘粒的粘结力减弱 ,促
进团粒结构的形成 ,从而使土壤孔隙度 ,渗透性都有
所改善 ,对土壤中 Cr 迁移产生影响.
对外源 Cr 浓度 ( X1) 、垃圾堆肥用量 ( X2) 、渗滤
液量、Cr 迁移量的试验数据配置回归方程.
Y渗滤液量 = 648153 + 96198 X2 (1)
( F2 = 16169 3 3 , F1 = 5154)
Y Cr迁移量 = 95141 + 57163 X1 - 6183 X2
- 13141 X21 - 8115 X22 - 3110 X1 X2 (2)
( F2 = 60176 3 3 , F1 = 250130 3 3 )
方程 (1)表明 ,垃圾堆肥的施入与渗滤量呈直线
正相关. 因此 ,垃圾堆肥的施入将使渗滤量增加.
在进行正交试验结果的统计时 , F1 是对正交试
验的失拟项进行检验的参数 ,F2 是对回归方程进行
检验的参数. 当 F1 检验显著时 ,说明失拟项是显著
的 ,试验中还存在其它不可忽略的因素需要考虑 ,因
此需要添加变量或改变二次回归模型重新试验. 当
F1 检验不显著时 ,才可以进一步用统计量 F2 对二
次回归模型进行检验. 方程 (2)表明 ,渗滤液中 Cr 含
量与垃圾堆肥的关系用二次回归模型进行模拟失拟
显著 ( F1 > F0101 (3 ,4) = 1617) ,因此不能用此模型来
描述它们之间的关系. 这种现象说明 ,除了垃圾堆肥
的作用外 ,土壤中还存在其它因素对渗滤液中的 Cr
含量产生影响.
从土壤中 Cr 的迁移率来看 ,在污染水平为
426mg·kg - 1时 ,每盆施 0185mg 垃圾堆肥的处理 ,
土壤 Cr 的迁移率为 5125 % ,每盆施 0115kg 垃圾堆
肥后 ,迁移率为 6189 %. 污染水平为 74mg·kg - 1时 ,
每盆施 0185、0115kg 垃圾堆肥的处理 ,其土壤中 Cr
的迁移率分别为 1150 %、2108 % ,因此 ,施加垃圾堆
肥 ,可使土壤渗滤量加大 ,但是却会使土壤中 Cr 的
迁移能力减弱.
313 　垃圾堆肥对 Cr 污染土壤的生物效应
为了验证垃圾堆肥的解毒效果 ,进行了盆栽试
验. 结果表明 ,垃圾堆肥在淹水情况下对 Cr 污染土
壤修复作用表现得更显著 ,旱地土壤的植株大多死
亡 ,死亡率为 70 % ,淹水土壤的植株大多成活 ,死亡
率 30 %. 而且相同的污染水平和施肥量 ,淹水土壤
中生物产量更高 ,植株体内 Cr 含量更低. 如污染水
平都是 74mg·kg - 1 ,垃圾堆肥用量为每盆 0185kg
时 ,淹水土壤生物产量比旱地土壤高 8613 % ,Cr 含
量低 2318 %. 结果表明 ,淹水条件在 Cr 污染土壤修
复中有重要意义.
因为旱地土壤植株死亡太多 ,不能配置回归方
程 ,只能进行直观比较. 在旱地土壤中 ,当污染水平
相同 (74mg·kg - 1 ) ,每盆施 0185kg 垃圾堆肥的处
理 ,其生物产量比每盆施 0115kg 垃圾堆肥处理的生
物产量高近 1 倍 ,植株体内 Cr 含量低 20 %. 在淹水
土壤中 ,当污染水平相同 ( 250mg·kg - 1 ) ,每盆施
1100kg 的垃圾堆肥比每盆施 015kg 的垃圾堆肥具
有更明显的修复效果 :生物产量增加 3519 % ,植株
体内 Cr 含量下降 4819 %. 结果表明 ,垃圾堆肥施入
可以减少植物对 Cr 的吸收量 ,提高植物生物产量.
将淹水情况下的植株生物产量 ( Y ) ,外源 Cr 浓
度 ( X1) ,垃圾堆肥用量 ( X2)的试验数据拟合为抛物
线方程 :
Y = 131155 - 118194 X1 + 39102 X2 + 17124 X21
- 25164 X22 - 14179 X1 X2 (3)
( F2 = 30185 3 3 F1 = 14160 < F0101 (3 ,4) = 1617)
从方程 (3)可以计算得出 ,当污染程度为 250mg
·kg - 1时 ,垃圾堆肥用量在 (0 ,0185) 范围时 ,植物产
量随着垃圾堆肥用量增加而逐渐增加. 这是因为一
方面垃圾堆肥钝化了土壤中的有效 Cr ,使植株危害
程度减轻 ,一方面垃圾堆肥可提供大量的植物养分 ,
促进植物生长. 植物产量在垃圾用量为每盆 0185kg
时达到最高 (14419g) ,垃圾堆肥继续增加 ,生物产量
反而下降.
垃圾堆肥可使土壤的有机质含量显著提高 ( r
= 0199 3 3 ) ,但是垃圾堆肥过量施用 ,产生大量还原
物质 ,过多对植物生长也是有害的. 这从另一个角度
说明 ,修复 Cr 污染土壤 ,垃圾堆肥不是越多越好 ,既
不经济也不利于生态修复.
314 　垃圾堆肥施用的安全性
对植株的重金属含量分析结果表明 ,植物中重
金属除了 Cr 外 ,其它重金属没有超标. 植物中 Hg、
Pb、Cu、Zn 含量和对照基本接近 ,不随垃圾堆肥的
施用量增加而增加. 当垃圾堆肥的用量超过每盆
0150kg 后 ,植株 As 的含量有一定的增加. 当垃圾堆
肥用量达到 1100kg (450t·hm - 2)时 ,植株的 As 含量
为 01044mg·kg - 1 ,比对照高 150 % ,说明有一定程
度的累积 ,但是远远低于国家标准 (015mg·kg - 1) .
因此 ,垃圾堆肥施入土壤不会引起植株体内的其它
重金属污染. 但是 ,因为 Cr 含量大多超标 ,所以修复
9612 期 　　　　　　　　　　　　　黄启飞等 :城市垃圾堆肥对 Cr 污染土壤的修复效应 　　　　　　　　
后土壤在一段时期内不宜种植粮食作物及蔬菜 ,应
首先种植观赏园林类植物 ,待土壤中 Cr 浓度通过植
物修复作用下降到适宜的范围才宜改成农田.
4 　结 　　论
411 　施用垃圾堆肥可以修复 Cr 污染土壤 ,而且垃
圾堆肥的使用不会导致植株中的其它重金属超标.
412 　垃圾堆肥主要是通过改变有机质 (O1M1) 含
量、Eh、p H、< 0101m 粘粒含量等土壤理化性质来影
响有效 Cr 的含量. O1M1 含量、Eh 分别是旱地土壤
和淹水土壤中影响有效 Cr 含量的首要因素.
413 　垃圾堆肥施入土壤 ,改善了土壤的结构状况 ,
土壤中的 Cr 被还原吸附后固定在土壤中 ,迁移能力
减弱.
414 　垃圾堆肥的施用可以减少植物对 Cr 的吸收
量.当 Cr 污染水平相同时 ,多施垃圾堆肥可使生物
产量提高 ,植株体内 Cr 含量减少. 当污染水平和施
肥量相同时 ,淹水土壤的生物产量更高 ,植株体内
Cr 含量更低.
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作者简介 　黄启飞 ,男 ,1973 年生 ,博士生 ,研究方向为城市
固体废弃物资源化 ,发表论文 4 篇 , E2mail : huangqf @igsnrr.
ac. cn
《农业生态学》新书介绍
　　由中国生态学会副理事长、华南农业大学热带亚热带生态研究所所长骆世明教授主编的普通高等教育
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(华南农业大学热带亚热带生态研究所 510642 　蔡昆争)
071 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　13 卷