有机肥对中国温带农田土壤微生物 群落 多样性及土壤微环境的影响 甄珍 , 刘海涛 , 王娜 , 郭立月 , 孟杰 , 丁娜 , 吴光磊 , 蒋高明 * * 通讯作者 （ 本文 SCI 引用 65 ，阅读 18175 ） 中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室，北京， 100093 中国科学院大学，北京玉泉路 19 号， 100049 PLoS ONE , 2014. 9(10): e108555. doi:10.1371/journal.pone.0108555 (SCI citation 46) 【 摘要 】 长期过量施用化肥，导致土壤微生物、群落 结构 和养分含量等退化，进而影响作物健康和土壤可持续生产力。本研究 在 玉米生长过程中 ， 施用堆肥和 微生物菌粉 或其组合，精确 测定 土壤质量参数 变化 ，为退化农田土壤修复提供一种快速有效的解决方案。 比较 了 6 种不同处理 对土壤微生物数量、生物量、基础呼吸、群落结构多样性和酶活性的动态影响 ，以 中国东部 某 温带农田不同玉米生长阶段 表层土 （ 0-20cm ） 作为 盆栽 实验基质 。变性 凝胶 电泳（ DGGE ）指纹图谱分析表明， 6 种施肥处理的细菌和真菌群落结构和组成存在不同程度的差异。细菌和真菌群落 Shannon 指数在 MB 处理中最高，在 N 处理中最低。不同 有机肥 处理后 ， 土壤微生物群落结构和多样性的变化导致土壤微生物特性 差异 。堆肥显著增加了土壤可培养微生物数量和生物量，提高了土壤呼吸和酶活性（ p0.01 ），而施 化肥 则相反（ p0.01 ）。 B 和 NB 对可培养微生物数量和微生物生物量的影响较小，对群落结构和土壤酶没有明显影响。研究结果表明，施用有机肥和菌料能迅速改善退化农田土壤微生物群落结构 ，增加微生物 多样性。 Effects of Manure Compost Application on Soil Microbial Community Diversity and Soil Microenvironments in a Temperate Cropland in China Zhen Zhen, Haitao Liu,Na Wang, Liyue Guo, Jie Meng, Na Ding, Guanglei Wu, Gaoming Jiang * * Correspondence author State Key Laboratory of Vegetation and Environmental Change, Institute of Botany, The Chinese Academy of Sciences, Nanxincun 20, Xiangshan, 100093, Beijing, China University of the Chinese Academy of Sciences, No. 19, Yuquan Avenue, Beijing, 100049, PR China PLoS ONE , 2014. 9(10): e108555. doi:10.1371/journal.pone.0108555 (SCI citation 65, view 18175 ) Abstract The long-term application of excessive chemical fertilizers has resulted in the degeneration of soil quality parameters such as soil microbial biomass, communities, and nutrient content, which in turn affects crop health, productivity, and soil sustainable productivity. The objective of this study was to develop a rapid and efficient solution for rehabilitating degraded cropland soils by precisely quantifying soil quality parameters through the application of manure compost and bacteria fertilizers or its combination during maize growth. We investigated dynamic impacts on soil microbial count, biomass, basal respiration, community structure diversity, and enzyme activity using six different treatments in the plowed layer (0–20 cm) of potted soil during various maize growth stages in a temperate cropland of eastern China. Denaturing gradient electrophoresis (DGGE) fingerprinting analysis showed that the structure and composition of bacterial and fungi communities in the six fertilizer treatments varied at different levels. The Shannon index of bacterial and fungi communities displayed the highest value in the MB treatments and the lowest in the N treatment at the maize mature stage. Changes in soil microorganism community structure and diversity after different fertilizer treatments resulted in different microbial properties. Adding manure compost significantly increased the amount of cultivable microorganisms and microbial biomass, thus enhancing soil respiration and enzyme activities ( p 0.01), whereas N treatment showed the opposite results ( p 0.01). However, B and NB treatments minimally increased the amount of cultivable microorganisms and microbial biomass, with no obvious influence on community structure and soil enzymes. Our findings indicate that the application of manure compost plus bacterial fertilizers can immediately improve the microbial community structure and diversity of degraded cropland soils.
拉夫运河事件是超级基金法案的催生者，也是全球污染场地土壤修复事业的开拓者，更是首批列入超基NPL并在修复后采取风险管控措施长期监测计划的经典案例，因此，回顾分析标志性事件并从中汲取经验教训，对我国污染场地环境修复事业发展具有重要的借鉴意义。所幸，有关拉夫运河事件的文献和报道有很多，甚至有专门的网站、电影、电视等多媒体资料，不足的是中文媒体转载内容比较单调，甚至有很多似是而非的演绎内容，例如： “这个事件能够得到举国关注，与一位叫洛伊斯.吉布斯(Lois Marie Gibbs)的女性分不开…，她有一个五岁的儿子，患有肝病、癫痛、哮喘和免疫系统紊乱症，5年来，她绝大多数时间是在医院儿科病房度过的…开始怀疑儿子的病是不是由这些化学废物导致的，因为自从他们家搬进101 街以后, 她儿子就一直病患不断……于是她走访了邻居，发现整个社区的家庭都有着类似的不幸遭遇, 患癌、流产、死胎、婴儿畸形、生育缺陷…” 。这个故事流传很广，但信息源头都指向一个，即2005年某杂志刊登的署名Seuly的编译文章 (1) 。为正本清源，也为我国土壤修复行业提供借鉴，本文拟以超基场地决策过程记录（ROD）为依据 (2,3) ，综合其他信息，回顾分析拉夫运河事件及其经验教训。 拉夫运河（填埋场）位于纽约州尼亚加拉瀑布城（美国），西距3公里就是世界最大最震撼的尼亚加拉大瀑布（如下图）。尼亚加拉河把瀑布城一分为二，东岸为尼亚加拉瀑布城（美国），西岸为尼亚加拉瀑布城（加拿大）。正因为其丰富水能资源，瀑布城曾是直流电交流电世纪之战的前沿阵地，世界第一座水电站在这里诞生（1881年），世界第一次远距离传输交流电也在这里试验成功（1896年），正是因为这次试验，直接导致原计划为瀑布下游工业提供直流电而开挖的拉夫运河工程停工，废弃运河逐渐成为封闭水域（长约1000英尺，宽60英尺，挖深约22英尺），直至1942年，胡克化学公司和驻地美军开始往拉夫运河倾倒废弃物，逐渐成为了各类废弃物的填埋场，截至1952年底，共填埋约2.18万吨含各种化学品的废弃物，翌年，胡克化学公司用黏土覆盖封存填埋场，并以一美元价格转让填埋场及其周边土地（约15英亩）给瀑布城教委，契约虽有警示填埋场并劝诫勿在其上盖房子等免责条款，但瀑布式教委并不以为然，就在填埋场边上盖了座小学（1954年），还把剩余土地转卖给开发商（1957年），后者在填埋场周边盖了99座独栋房屋，即为污染风险最大的1级区；随后,开发商又在填埋场外围盖了800座独栋房屋和240套廉租房，1972年，填埋场周边土地开发完成，洛伊斯.吉布斯就是在1972年搬进101街（污染风险最小的4级区），1976年之前，填埋场周边社区没有异常情况发生，运行22年之久的小学也正常，居民安居乐业。但是，1976年是纽约州有史以来最冷的寒冬，伴随的是1977 年多雨的春天和夏天，填埋场周边地下水位上升,填埋场堆放的化学品开始溢出地表并被雨水冲刷到街上，流入污水管道，甚至渗入居民住家地下室，面对这些有异味的污染物，当地居民不知所措。随后，瀑布城媒体（Niagara Gazette）记者（Michael H. Brown）开始追踪报道，连续写了好多篇报道，并把当地污染和各种疾病联系起来，敦促政府采取行动。翌年4月，纽约州卫生署（NYDOH）在接到瀑布城居民投诉后开始采取行动，先派专家（Dr.Robert Whalen)到现场调查，并入户采集血样和室内空气样品，初步判断确有公共卫生安全问题，随后，NYDOH官员前往现场与居民座谈，确认存在公共卫生安全问题后，很快以NYDOH名义发布第一道命令：即刻清除填埋场大桶，警示外人勿要进入填埋场区域。同期，美国环保署（EPA）开始介入调查，采取独立的检测手段，并很快做出决断，宣称地下室空气污染严重，可能严重损害居民健康。相比之下，NYDOH的地下室内空气检测结果二个月之后才出来，结论是1级区污染物指标检出率达95%（原运河周边99座房子），2级区检出率45%（1级区东西两侧共124座房子），其余社区未检出。据此调查结论，NYDOH当即发布第二道命令：关闭填埋场小学、停用地下室、疏散1区2区妇女儿童、查明污染途径并采取行动以降低危害……，8月7日，美国总统宣布填埋场周边社区（1-4区）为国家紧急状态区（EDA），命令1区2区居民全部撤离，并拨款2000万美用于买断232座房子和239户居民的临时安置（当时社区人均年收入约1.0-2.5万美元），但未涉及3区4区，因为根据NYDOH调查结论，3区4区居住环境无害。这个前所未有的决定即刻引起同在EDA范围 3区和4区居民的强烈不满，决定成立业主委员会并选举洛伊斯.吉布斯为主席组织业主请愿和抗议。就在社区群众因为NYDOC宣称3区4区环境污染风险轻微而无需疏散的调查结论而抗争之际，布法罗（Buffalo）研究所癌症专家（Dr. Beverly Paigen）及时发声（1979年1月份），他根据填埋场周边社区开展的流行病调查（254例）发现该区域存在孕妇流产、新生儿缺陷、神经性紊乱，癫痫症，亢奋和自杀倾向等健康风险，尽管有人质疑癌症学者的流行病学调查的专业水平，但也无法完全否定，洛伊斯.吉布斯等业主最需要的恰好是这样的声音，于是社区的抗议再度升级，焦点问题仍是环境污染健康风险评估，但NYDOH拿不出更有说服力的医学证据，为保险起见，只能对3区4区的孕妇和幼儿家庭也采取疏散措施（共30户）；3月份，美国参众两院召开听证会，拉夫运河事件成为全国焦点问题，相关部门开始重视起来，并积极行动起来，例如，EPA表示为污染场地治理提供约500万资金(4月)，纽约州立方机构表示为EDA区域居民提供溯及既往的税收减免政策（6月）；NYDOH表示为约300户居民提供临时住房以免因为污染场地治理过程的二次污染危害健康（9月）；1980年5月17日是个关键时刻， EPA公布了社区居民抽查血液检测结果，声称环境污染已经造成居民的染色体损伤，意味着潜在高发的癌症、新生儿缺陷和遗传变异等疾病，毫无疑问，如此重磅的官方声称造成极大恐慌，也大大激怒了EDA社区居民，就在如此敏感思考（19日），EPA却派遣两名工作人员前往社区解释血液检测报告内容，但这时候的业主已经听不进去，干脆把他们扣留当人质，胁迫联邦政府限期安置EDA区域其余居民，期间，有纽约州府等地的声援活动，也有宗教组织的资金支持，最终（21日），联邦政府（白宫）不得不同意业主请求，洛伊斯.吉布斯也因此一战成名。同年10月，美国总统再次宣布填埋场周边区域为国家紧急状态区（EDA），并前往尼亚加拉瀑布城（美国），在那里签署了超级基金法案（CERCLA），也为后续的污染场地环境修复及其环境损害赔偿提供法律依据。例如，第一波环境损害赔偿诉讼（800多案件）始于1979年底，美国司法部和纽约州政府分布向胡克公司及其母公司西方化工厂（Occidental Chemical Corporation）申诉索赔1.24亿美元和6.35亿美元，但在超基法案颁布后，西方化工厂（胡克母公司）与两级政府达成和解，分别支付联邦政府和纽约州政府补偿款1.24亿美元和0.98亿美元，用于补偿各级政府在应急响应（response）过程预支的疏散居民，拆迁安置、应急处置工程等费用，但不包括后续底泥治理成本。若按当年出土地让面积（15英亩）折算，拉夫运河污染场地应急响应处置成本为3700美元/平米。 拉夫运河填埋场污染治理过程分两个阶段，即应急响应（response）和补救措施（Compensation），其中应急响应处置包括（1）1978年4月，NYDOH接到当地居民投诉后开启的污染风险排查工作，（2）1978年4月，NYDOH下达第一道命令，即制度性风险管控措施，同时开展含废弃化学品大桶的污染源清除工作；（3）1978年8月2日，NYDOH下达第二道命令，进一步细化制度性风险管控措施，（4）1978年10月开始施工的拦截沟工程（3.7-6.0米深），以及为抽出处理污染地下水所布设的170眼井钻探工程；（5）1979年12月，开始现场处理抽出的污染地下水，每天抽出处理污染地下水300-1000吨；（6）1980年7月开始施工的阻隔工程，即在填埋场及其周边22英亩范围内覆盖3英尺厚黏土，阻隔降水入渗引起地下水位上升再把填埋场内污染物迁移到地表的污染途径；（7）1983年开始施工的1区建筑的拆除工程（含小学建筑），破碎筛分后淋洗，残留的细颗粒污染土方量约0.77万方；（8）自从1982年开始，EPA开始接管拉夫运河填埋场并遵照超级场地技术要求实施污染场地调查与修复方案设计等工作，1985年6月开始扩建填埋场阻隔工程，阻隔范围扩展至40英亩，并改进阻隔层结构，即采用高密度聚乙烯膜覆盖，在覆盖8英寸厚土壤并在其上种草；（9）1986-1987年开展污水管清淤工作，清淤管线累积长度超过20公里，清出淤泥累计1.15万方；（10）1987-1989年开展河道清淤工程，清出淤泥累计约1.07万方；（11）1988年9月，在原填埋场小学再次清理出污染土壤0.57万方，原位修复后填埋。应急响应处置完成后，填埋场仍有暂存的3.0万方淤泥需要开展以清除污染物为主要目标的土壤修复工程，即超基场地补救措施（Compensation）。据ROD记录，淤泥的主要污染物是二噁英，最高浓度46ppb，修复方案为“异位修复+异地处置”，即原地脱水干化淤泥，然后采用可移动式热解析技术装备（TTDU）加热脱附污染物，污染物去除率要求达到6个9，即99.9999%，修复工程预算2790-3350万美元，其中，工程设计与中试费用各50万美元，淤泥暂存设施400万美元，清淤工程费 900万美元，无污染渣土处置费用110-160万美元，TTDU技术成本1130-1580万美元，处理后土壤转运费51-74万美元，处理后土壤异地处置费100-140万美元。若按土方量折算，污染土壤修复成本为930 -1117美元/吨（按1987年不变价格计算），若按出让土地面积（15英亩）折算，污染场地土壤修复成本为465-558美元/平米。值得注意的是，拉夫运河填埋场污染清除（应急响应）始于1978年4月，仅清理出含废弃化学品大桶，但未清挖填埋场内污染淤泥和土壤，而是采用风险管控措施，即在地下水流上游方向开挖截污沟（1.2米宽*6.0米深）并铺设瓦质排污管道系统，在填埋场上方覆盖黏土和高密度聚乙烯膜等材质的阻隔层，同时采用抽出处理方法修复污染地下水，旨在通过污染地下水把填埋场内污染物全部淋洗出来，但自1979年12月开始抽出处理第一吨污染地下水，直到现在都没停止，抽出处理污染地下水量的多年平均值是1.36万吨/年，另有153个监测井（含21个钻至基岩监测井），以定期观测水位水质及其地下水流场变化，据ROD记录，填埋场栅栏外围已经达标，但填埋场内部监测井污染物浓度几乎没有变化，特别是NPAL指标，换而言之，抽出处理38年仍未达到预期修复目标。如果西方化工厂早知道这样的结果，一定而会采取更加“干净利索”的修复方式，如清挖填埋场内所有污染土壤，而不会采用抽出处理等原位修复技术，更不是采用阻隔或拦截等风险管控措施。 综上所述，拉夫运河事件的本质是群体性“化学品恐慌”事件，是对污染暴露人群健康风险不确定性的恐慌。这种恐慌源于美国科普作家蕾切尔·卡逊1962年发表的《寂静的春天》，美国EPA也是在全球性化学品恐慌思潮泛滥背景下应运而生的，因此，其成立后办理的第一件事就是应对《寂静的春天》中提到的DDT，并于1972年以环保的名义在全美范围率先禁止使用和生产DDT。吊诡的是，DDT在疟疾预防上有特效，世卫组织（WHO）已于2006年开始悄悄解禁（限用于室内预防）。由此可见，若从化学品恐慌角度回顾分析标志性事件并从中汲取经验教训，对我国污染场地环境修复事业发展可能会有更重要的借鉴意义。例如，当地媒体记者未报到之前，EDA范围1区居民已在那生活了22年，最接近污染场地的恰是最敏感人群（小学生），污染暴露时间超过20年，但社区居民安居乐业，并没有太多异常，记者连续报道之后才有人开始响应（洛伊斯.吉布斯），但响应也不算大，直至1979年1月份癌症专家发表非专业的流行病学调查报告之后，社群再度恐慌起来，再至1980年5月17日，EPA以官方渠道公布抽查血液检测结果之后，社区居民已经完全相信他们处于极度危险之中，把整个事件推向高潮，直至EDA所有住户都得到妥善安置才算罢休。事实上，污染暴露人群健康风险评价本该属于流行病医学范畴，而不是毒理学范畴，更不是环境化学范畴，因此，填埋场及其周边社区居民在看到当地媒体报道后（把污染与疾病关联起来），首先想到的是纽约州卫生署（NYDOH），NYDOH也是最早介入污染事件的官方组织，并按部就班地开展了健康风险排查工作，其对调查结论也很慎重，也很坚持，例如1988年，NYDOH在公布为期五年的社区居住适宜性（Habitability）研究报告时，明确指出填埋场栅栏外围土地居住适宜性“和瀑布城其他地方一样”，并不为诸多环保组织的质疑所动。更值得称赞的是，NYDOH并没有因为事件的结束而停止拉夫运河填埋场污染暴露人群健康风险评价工作 （4） 。从1995年开始，美国卫生部（USDOH）接受EPA委托开展了西方化工厂污染场地暴露人群后续健康研究（经费300万美元），经专家委员会遴选，NYDOH成为该课题实施单位，研究对象覆盖所有在EDA居住过人群，并有等数量对照人群，调查总人数6181人，共分三组，即填埋场周边社区居民EDA组、瀑布城居民组、纽约州其他城市组，研究结果表明（1）血清特征污染物浓度与居住地距离运河的远近密切相关，距离越近的人群血清特征污染物浓度越高，检出率最高的特征污染物依次是TCB、β-HCH和DCB，均超过85%；（2）根据癌症与死亡人群样本（373病例）分析，血清TCB与DCB浓度与癌症和死亡率无显著相关性，但血清β-HCH浓度越高，癌症死亡率也越高，存在显著正相关；（3）人群分组比较发现，EDA人群死亡率和其他人群并无显著差异，说明污染暴露对人群平均寿命长短的影响不显著；（4）EDA人群新生儿出生缺陷率和其他人群也无显著差异，但早产（低出生体重）比例会有所增加，男孩先天性缺陷率也会增加，出生的性别比例中，男孩比例略微降低，但这些差异均未达到显著水平。换而言之，署名Seuly的编译文章是演绎故事，而非科技论文。形成对比的是，原中科院环化所（现为中科院生态环境研究中心）夏坤堡先生早在1981年1月就在原刊名《环境科学动态》（现刊名环境与可持续发展）上发表题为《腊芙运河污染事件》的简讯 （5） ，所述内容与美国官方网站完全一致，值得称道的是，当年还没有互联网，作者能在那个年代准确把握有重大影响的热点事件并及时撰文推介是非常值得后人敬重的，堪为后学楷模。 参考文献： (1) Seuly, 2005. 美国拉夫运河事件. 《环境》见证.思考栏目 编译，2005年8月号,p74-77 (2) National Service Center for Environmental Publications , “Superfund Record of Decision Love Canal” ， https://www.epa.gov/nscep. Available：（2018/7/22）. (3) Eckardt C.Beck. “The Love Canal Tragedy”， Available： https://archive.epa.gov/epa/aboutepa/love-canal-tragedy.html . （2018/7/22）. (4) David J. Wilson CIH, CHMM. OBG PRESENTS: Love Canal –History Observations, July 2017. http://cuhmmc.org/wp/wp-content/uploads/2017/08/2017-1_Keynote-Love-Canal-David-Wilson.pdf . Available ：（2018/7/22）. (5) 夏坤堡.腊芙运河污染事件. 环境科学动态，1981年第一期：6-7
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