垃圾填埋场覆盖层不同基质对高羊茅生长的影响研究

1垃圾填埋场覆盖层不同基质对高羊茅生长的影响研究黄晋刘陆北京市第五中学100007指导老师：董世魁教授北京师范大学环境学院100875摘要：在室内模拟条件下，利用盆栽试验研究了垃圾填埋场覆盖层不同基质对绿地植物高羊茅生长发育的影响。研究结果表明，含厨余垃圾堆肥的基质由于盐碱度较高，对植物具有胁迫作用，植物的生长发育中后期受到严重抑制、甚至死亡；相对而言，以土壤为主的基质对植物的胁迫作用较小，植物的生长表现较好。关键词：土壤基质，绿地植物；光合速率；甲烷效应；引言目前，我国处理垃圾的方式主要有焚烧、堆肥、填埋等，填埋处理以其建设投资少、运行成本低、处理量大、操作工艺简单等优点，为我国的垃圾场广泛采用。但填埋处理不但占用大量土地资源，还对周边生态环境产生较大负面影响，甚至影响人们的生产生活。面对许多已到库容的垃圾填埋场，对其进行生态恢复，不但能降低污染，实现可持续利用土地资源，还能为居民提供全新优美的景观和游憩空间。在垃圾填埋场种植绿化植物，能够净化空气，美化环境。利用土壤中的甲烷氧化菌将甲烷转化成二氧化碳，再利用绿化植物将二氧化碳有机地吸收，而土壤中的基质不但对植物的生长有利，还能够促进垃圾填埋厂土壤中甲烷菌对填埋场垃圾所释放甲烷的氧化作用，这样有利于甲烷的吸收，降低甲烷排放量，减轻其对全球变暖的影响。1文献综述1.1研究背景与意义1.1.1垃圾填埋场利用和开发迄今为止，已有数以万计的填埋场封场，如果封场后的土地不及时进行规划并加以开发利用将会浪费土地、恶化环境。以色列很注重封场后的城市生活垃圾填埋场的土地开发利用，已将封场后的城市生活垃圾填埋场作为开敞式的户外娱乐场所（Anon,1965）。我国也很重视垃圾填埋场封场后土地的开发利用，多数用于植物的复垦（李雄、徐迪民等，2006）。2若将大面积的垃圾废弃地采用重建以植被为主的人工生态系统，建成绿地、林带和农田，可以得到更多的土地资源（谢东、赵大民等，2002）。垃圾填埋场的绿化植物不仅具有美化环境、保持水土、调节气候的作用，而且还具有净化空气、减轻污染、降低温室效应的功能(董世魁、杨文静等，2009)。1.1.2影响垃圾填埋场植被生长的环境因素1.气体污染垃圾填埋场的填埋物会产生大量的填埋气体，如甲烷、二氧化碳、硫化氢、氨气等，并形成恶臭。这些气体会对环境和植物生长造成不同程度的负面影响，其中尤其是有机废弃物厌氧分解所产生的甲烷和二氧化碳。甲烷是一种易燃、易爆气体，当含量达5％～15％时会引起爆炸，且土壤中的甲烷会将氧气挤掉，导致植物根系无氧，从而使主根干枯、烂掉或次根无法生长等。二氧化碳会导致土壤酸性改变，破坏植被的生长。2.土壤污染由于垃圾具有的毒害性和难降解性使垃圾填埋场中产生的毒害物质和持续性有机污染物在填埋后很长时间内难以降解，可影响土壤肥力，改变土壤性质和结构，破坏土壤的碳、氮循环来阻碍植物根系的生长和发育，并通过在植物体内积蓄对生态环境造成更深的影响。3.垃圾渗滤液是由于可溶物、雨水及地表水等渗入填埋场，渗透通过垃圾层后，再加上垃圾的生物化学和化学降解作用，产生的一种含有高浓度悬浮物和高浓度有机和无机成分的液体L3J。垃圾渗滤液营养元素比例失调，且其中含有大量的重金属、病毒、细菌等有毒物质，渗滤液能随雨水等溢出污染土壤，严重影响植被的生长，给植被重建与生态恢复带来很大困难。4.其它污染垃圾填埋场的垃圾在发酵过程中，会产生较高的地温，对填埋场的复垦及植被重建将产生高温危害。高温易烧伤植物根系，不利于植物生长。此外，填埋场内的垃圾还能引起一系列的鼠害、虫害和其它伤害，破坏植被重建的效率和进程(茹雷鸣，李胜等，2007)。针对上述危害,在原有土壤的基础上再覆盖一层土壤与陶粒才能有效地减少垃圾填埋场对绿地植物生长的影响。1.1.3有利于绿地植物生长的基质选择如何使绿地植物在节约成本且适宜的垃圾填埋场覆盖层土壤中生长，能够更好的发挥出绿地植物对垃圾填埋场及其周边环境的净化、美化作用，是一个值得去研究的问题。1.2国内外研究进展1.2.1关于甲烷胁迫对绿地植物生理生态特性的影响甲烷胁迫严重影响绿地植物苜蓿和高羊茅的生长，主要表现在生长速度减小、光合作用减弱、干物质积累量减少，所种植物均通过提高体内脯氨酸含量来增加对甲烷胁迫的耐受力，苜蓿还可以通过降低SOD酶的活性来抵御甲烷胁迫；对绿地植物苜蓿和高羊茅而言，脯氨酸含量可以作为评定其耐甲烷胁迫的主要生理指标。经对比研究，高羊茅在甲烷胁迫下的耐受性要好于苜蓿，所以初步选择高羊茅为垃圾填埋场所适宜种的绿地植物31.2.2不同基质下甲烷菌的氧化效率根据前期实验中得出含有50％陶粒，10％堆肥的土壤的氧化效率较好。这个假设需要进一步做重复实验来证实。同时，不同基质下的植物生长表现也需要进一步开展实验研究。2.材料与方法2.1试验材料绿地植物高羊茅购自北京克劳沃公司。2.2试验装置实验主要装置有：有机玻璃箱，面积15×15cm，高40cm，共有6个，每一个自下而上设置进气口，有机玻璃穿孔板，砾石透气承托层10cm，填图层30cm（每个箱每10cm均布气体取样口），甲烷气体从底部通入。2.3试验处理试验于2009年3月26日—6月20日在试验室模拟条件下进行。试验设计采取均为随机区组设计，将高羊茅进行三种处理，即在甲烷胁迫下陶粒与土壤的比例差别，分为无陶粒、30%陶粒、50%陶粒（详见表1.1.3.1）。为尽量排除随机性带来的误差，每组设两个条件相同的重复。将三种均按设计的播量播入通气的育苗盘中，其中的基质含量也保持相同，播种后从育苗盘底部通入浓度为999%的甲烷，通气量为4ml/min，进行甲烷的通气处理。在植物出苗前，每天进行喷水，以保持土壤的湿润。出苗后，对各组植物进行相同的常规管理。表1.1.3.1三种基质的三组不同比例浓度及含水率基质纯土壤（过5mm筛）陶粒堆肥（过1mm筛）含水率第一组100％－－19.10％第二组56％30％14％17.43％第三组40％50％10％22.21％2.4试验观测2.4.1生长速度的测定在各处理的育苗盘中任选10株个体，测定株高，与上次之数值做差然后除两次测量的相差时间，即得植株的生长速度。2.4.2密度的测定4将每组中的高羊茅株数除以每组种植高羊茅的面积。2.4.3光合速率及蒸腾速率的测定光合速率的测定是使用LI-6400光合测定系统（美国）直接测定。具体测定方法为：在植物生长期，选择晴朗、光照充足的天气（2009年6月20日星期六），在六组试验箱内依次选取高羊茅叶片进行植物光和速率的测量（从上午8：00至下午16：00其中上午10：00的数据由于机器的故障全部丢失），各测定重复5次，在数据处理中采用五次数据求平均值的方法进行图表的制作。3.结果与分析3.1甲烷胁迫下不同基质对绿地植物光和速率（Pn）的影响-3-2.5-2-1.5-1-0.50soil-1soil-230%-130%-250%-150%-28:00A.M的光合速率8:00AM图2.1.1-6-5-4-3-2-10soil-1soil-230%-130%-250%-150%-212:00A.M的光合速率12:00AM图2.1.2μmol.m-2.s-1μmol.m-2.s-1514:00的光和速率-2-1.5-1-0.500.51soil-1soil-230%-130%-250%-150%-214:00PM图2.1.3-12-10-8-6-4-20soil-1soil-230%-130%-250%-150%-216:00的光和速率16:00PM图2.1.4通过对图2.1.1、图2.1.2、图2.1.3、图2.1.4的分析，对照组和实验组的光合速率在各个时间段的数值大多数为负值，证明植物在此期间（6月20日左右）主要以呼吸为主,生长状况不佳。陶粒含量50%组的光合速率表现较差，而对照组的光合速率较稳定。3.2甲烷胁迫下不同浓度机制对绿地植物生长速度和密度的影响μmol.m-2.s-1μmol.m-2.s-16图2.2.1图2.2.1所示为高羊茅在不同基质中的自然高度和伸直高度。由图可见，soil-1自然高度最高，平均为7.1cm，50%-1最低，平均为2.8cm。其间自然高度不断减小。在对照组的soil-1和soil-2中，自然高度明显高于实验组，平均极差在2.5cm以上。而在加入土壤基质和陶粒的四组箱中，自然高度差值不大，极差在2cm以下。伸直高度方面，50%-1最大，为10.32cm，30%-1最小，为9.34cm。陶粒比例50%组伸直高度最大，30%组最小，但各组伸直高度并无明显差距，极差为0.98cm。这表明基质的加入对高羊茅的自然生长高度起不利作用，而对伸直高度并无太大影响。图2.2.2从2009年3月26日种子种植至2009年5月18日测量植物自然与伸直高度的53天中，高羊茅在不同土壤基质浓度的生长速率见图2.2.2。对照组高羊茅的生长速率明显高于试验组，并且随着陶粒与土壤的比例减少和基5月18日高羊茅的生长高度024681012自然高度伸直高度土壤机制高度（cm）soil-1soil-230%-130%-250%-150%-200.050.10.150.20.25自然生长速度伸直生长速度soil-1soil-230%-130%-250%-150%-2速度cm/d7质的浓度增加，高羊茅的生长速率逐渐减小，其中生长速率最高的是对照组soil-1中的高羊茅，为0.134cm/d，生长速率最低的是试验组6号箱50%-2中的高羊茅，为0.053cm/d。由此可见，高羊茅在纯土中的生长速率远高于夹陶粒、堆肥和土壤组成的混合基质中的高羊茅生长速率。但由此图可推论，高羊茅的伸直生长速率并无明显区别。在本研究中，堆肥影响了高羊茅的自然生长速率，且堆肥含量越多，高羊茅的生长速率越小，就此分析可能是由于厨余垃圾堆肥中的碱性物质对植物的胁迫作用使之变小。4月16日高羊茅密度00.20.40.60.811.2soil-1soil-230%-130%-250%-150%-2土壤机制高羊茅密度图2.2.35月11日高羊茅密度00.20.40.60.811.2soil-1soil-230%-130%-250%-150%-2土壤机制高羊茅密度图2.2.4图2.2.3和图2.2.4所示为2009年4月16日和2009年5月11日的高羊茅在装置中的平均密度。由图可见，4月16日高羊茅密度在50%-1的5号箱中密度最高，为0.978株/cm，30%-2的4号箱中密度最低，为0.511株/cm；5月11日高羊茅密度在50%-1的5号箱中密度最高，为1.044株/cm，30%-2的4号箱中密度最低，为0.773株/cm。对照组与实验组相比，实验组的密度要略高于对照株/平方厘米株/平方厘米8组。50%组与30%组相比，50%组的密度要高于30%组。3.3蒸腾速率（单位：g·m-2·h-1）图2.3.1高羊茅在不同土壤基质下的蒸腾速率日变化见图2.3.1。高羊茅在不同土壤基质下的蒸腾速率均呈单峰曲线，其中除50%-2组外峰值均出现在16：00左右，而50%-2组的峰值出现在12：00左右，为6.892。其余组的谷值均出现在12：00左右，其原因是由于植物在中午光照去最强的时候气孔关闭所造成的。通过植物在不同机制下不同时间段蒸腾速率数值上的对比，可看出，50%组的高羊茅比其余组的蒸腾速率值要高，而30%组的高羊茅的蒸腾速率值组最低。4.讨论本研究通过观测植物在不同基质（纯土、土壤+堆肥+陶粒）中的生长状况，对植物各种生长指标进行测定，结果表明：生长速度是植物各器官协调发育的综合表现，如果各器官所占的生物量比例失调，那么就会对植物的生长速度极其不利；环境条件对生长速度会产生很大的影响。本实验中，添加厨余垃圾堆肥物的实验组生长速率较未添加基质的对照组明显要低。由此可见，厨余垃圾堆肥物的盐碱胁迫对植物的生长速率产生了消极影响。光合速率能很好地反映植物的光合作用强度。本实验中，陶粒含量50%组的光合速率表现较差，而对照组的光合速率较稳定。这也表明，绿地植物在受