污泥土地施用被认为是一种使自然资源循环的理想方法，但由于污泥含有的重金属对环境存有一定的潜在风险而制约了污泥资源化利用，所以在污泥施用过程中必须重点关注污泥进入土壤后重金属的形态分布特征和表现出的环境行为。因此，本研究以沈阳市北部污水处理厂脱水污泥为研究对象，在对城市污泥基本理化性质了解的基础上，采用BCR连续提取法和单一提取法探究污泥中重金属Cd、Pb、Cu和Zn活性态和有效态的分布特征、污泥的施加对土壤中四种重金属活性态和有效态分布的影响、对黑麦草生长及重金属富集量的影响；黑麦草的根际作用对施污根际土中活性态重金属分布的影响，同时采用三种重金属评价方法（地累积指数法、潜在生态风险指数法和综合毒性指数模型）对施污土壤中重金属的生态风险进行评价。主要研究结果如下：
1.沈阳市北部污水处理厂脱水污泥富含有机质、速效氮、速效磷等营养元素，重金属Cd、Pb、Cu和Zn的含量符合国家相关标准（GB18918-2002和CJ248-2007）规定的污泥施用于土壤时对重金属浓度限值之内，具有良好的土地利用价值。
2.通过BCR连续提取法分析可知，污泥中四种重金属主要以残渣态形式存在，可交换态的存在比例较低，四种重金属具有的环境活性大小表现为Cd>Cu>Zn>Pb。同时采用6种不同性质提取剂(0.05mol·L-1EDTA、0.1mol·L-1CH3COOH、0.01mol·L-1CaCl2、1mol·L-1CH3COONH4、0.05mol·L-1NaHCO3和0.05mol·L-1Tris-HCl)分别对污泥中重金属的螯合态、酸溶态、中性交换态、中性结合态、碱溶态和蛋白质结合态的提取结果表明：四种重金属以螯合态存在的比例较大，分别占各重金属总量的5.9%-27.2%，其次为酸溶态和中性交换态、中性结合态,而以碱溶态和蛋白质结合态形式存在的比例较低。
3.污泥以一定比例施用土壤后，显著增加了土壤中活性态Cd和Zn含量，也增加了可氧化态Cu的含量，但却钝化了土壤中Pb的活性，施污土壤中残渣态Pb的比例较CK增加了30%-74.8%。单一提取法结果表明，施污土壤中四种重金属以螯合态存在的比例较大，分别占各重金属总量的20.3%-40.0%，其次为酸溶态和中性结合态，而重金属以中性交换态、碱溶态和蛋白质结合态存在的比例较低。
4.当污泥施加率低于40%时，能够促进黑麦草的生长，低于45%的污泥施加率能够促进黑麦草对Cd、Cu和Zn的富集，却显著抑制了对Pb的富集。通过多元线性回归分析结果可知黑麦草体内Cd、Zn和Cu含量分别与施污土壤中可还原态Cd、Zn和可氧化态Cu含量存在显著正相关；而草体对Pb的富集量则受施污土壤中可交换态和可氧化态Pb含量的共同影响。施污土壤中以螯合态和中性结合态存在的重金属与黑麦草重金属富集量关系密切，采用螯合态和中性结合态重金属含量表征施污土壤中重金属生物有效性大小为Zn>Cu>Cd>Pb。
5.黑麦草在生长过程中，其根际作用活化了土壤Cd的活性，使得施污根际土中可氧化态Cd向可交换态Cd转化，活化了Cd的活性；使得可氧化态Cu向残渣态Cu转化，抑制了土壤Cu的活性；可交换态和可还原态Zn有向可氧化态Zn转化的趋势；而根际作用对施污土中Pb的生物活性影响较小，各活性态Pb比例的相对变化率均在0.5%以下。
6.地累积指数法和潜在生态危害指数法评价结果表明,污泥的施加使土壤中Pb呈现出无污染和低生态风险；Cu和Zn呈现出中度污染和低生态风险；Cd则达到强度污染和重度生态风险水平，并使得潜在生态风险（RI）总体处于强度生态风险水平。同时此两种方法预测的施污土壤中Cd、Cu和Pb具有的潜在生态风险大小与黑麦草对其富集能力的大小具有一致性。
通过本研究得出的结论可认为，当污泥施加率低于40%时，促进了黑麦草的生长，增加了黑麦草对Cd、Cu和Zn的富集，却抑制了对Pb的富集；同时也使得土壤中重金属的综合毒性指数（STI）低于CK。
