加根條件下PAHs污染土壤理化性質的動態(tài)變化

趙文滔，朱 凡，，陳 婷，洪湘琦，高吉權，胡豐姣，黃鑫浩

(1.中南林業(yè)科技大學 生命科學與技術學院，湖南 長沙 410004；2.南方林業(yè)應用技術國家工程實驗室，湖南長沙 410004)

加根條件下PAHs污染土壤理化性質的動態(tài)變化

趙文滔1，朱 凡1，2，陳 婷1，洪湘琦2，高吉權2，胡豐姣2，黃鑫浩2

(1.中南林業(yè)科技大學 生命科學與技術學院，湖南 長沙 410004；2.南方林業(yè)應用技術國家工程實驗室，湖南長沙 410004)

多環(huán)芳烴(PAHs)是普遍存在于環(huán)境中的持久性有機污染物，土壤理化性質影響PAHs污染土壤植物修復的效率。以菲為多環(huán)芳烴(PAHs)代表物，人工添加欒樹細根，設置3個處理：①加根處理：加根、加菲；②無根處理：不加根、加菲；③對照：不加根、不加菲，研究細根添加下菲污染土壤理化性質的動態(tài)變化。結果表明：(1)菲污染土壤pH略有上升，細根添加對污染土壤pH影響不明顯；(2)菲污染顯著增加了土壤有機質含量，細根添加進一步增加污染土壤有機質含量；(3)菲污染顯著降低了土壤全N、P含量，細根添加增加了污染土壤N、P含量，但仍低于對照。

細根；土壤；理化性質；PAHs；欒樹

土壤是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，是人類賴以生存的主要資源之一，也是物質生物地球化學循環(huán)的儲存庫。多環(huán)芳烴(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons,PAHs)是普遍存在于環(huán)境中的持久性有機污染物，土壤是PAHs的匯，對土壤環(huán)境質量構成了嚴重的威脅，因此，如何去除土壤中的多環(huán)芳烴已成為研究熱點。

由于植物修復具有環(huán)境友好、費用低廉等特點[1]，因此，近年來國內外在 PAHs 污染土壤的植物修復方面進行了大量的研究[2-5]，結果表明PAHs植物修復主要表現(xiàn)為根際修復[6]，即根際區(qū)細根的生長、死亡、分解(即細根周轉)和根系分泌物不僅提供容易分解的碳源而且改善土壤理化性質，從而激發(fā)土壤微生物活性，促進PAHs代謝[7-8]。目前大多數(shù)相關研究都集中于根系分泌物的影響[9-10]，而有關細根死亡分解對根際界面的影響卻鮮有報道。欒樹(Koelreuteria paniculata Laxm.)為常見落葉闊葉樹種，抗逆性強，常作為重金屬、有機物污染修復樹種[11-12]。本研究通過人工添加欒樹細根方式，分析PAHs污染土壤細根添加影響土壤理化性質的變化規(guī)律，為更科學地進行PAHs的生態(tài)風險評估和PAHs污染土壤的生物修復提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗土壤采自于中南林業(yè)科技大學校園內(20cm以下)，無 PAHs 污染。土壤pH值為5.40，土壤全C含量為27.35g·kg-1，土壤全N含量為0.13g·kg-1，土壤全P含量為0.22g·kg-1。土壤自然風干，待用。

1.2 試驗設計

1.2.1 PAHs污染土壤制備

選用菲(3環(huán))為PAHs代表物。土壤經(jīng)采集、風干和磨細后，過5mm篩后。然后在磨細的土壤中，人為拌入丙酮溶解的菲。菲添加量為500mg·kg-1。將拌勻的菲污染土壤在暗處靜置直至丙酮完全揮發(fā)并充分老化至穩(wěn)定(68天)。每只盆缽放入菲污染土樣1kg。

1.2.2 試驗方案

將1年生欒樹幼苗從土壤中挖出，取≤2mm細根，然后洗凈晾干后，剪成2cm長。根據(jù)亞熱帶闊葉林自然狀態(tài)下細根周轉率，按照3g·kg-1的比例向上述盆缽中添加。本研究設計3個處理：①加根：加菲，加根；②無根：加菲，不加根；③對照：不加菲，不加根。每種處理3個重復。試驗在溫室中進行，每天稱重補水以維持土壤水分為田間最大持水量的60％，整個試驗持續(xù)90d，分別在培養(yǎng)第 0、15、30、60 和90d采集土壤樣品測定土壤的理化性質。

1.2.3 試驗方法

土壤pH測定采用電極法；土壤有機質含量的測定采用重鉻酸鉀氧化法(外加熱法)；全氮用半微量開氏法測定；土壤全磷采用鉬銻抗比色法測定。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析

本實驗采用Microsoft Excel 2003進行數(shù)據(jù)整理，SPSS19.0進行單因素方差分析和多重比較分析(LSD)，SigmaPlot 12.0做圖。

2 結果

2.1 土壤pH

土壤酸堿性是土壤許多化學性質的綜合反映，也是影響土壤肥力的一個重要因素，它對土壤的其它一系列性質以及整個生態(tài)環(huán)境都有著深刻的影響[13]。加根處理下菲污染土壤pH的變化如圖1所示，加根、無根處理和對照處理土壤pH在每個培養(yǎng)時間均小于6，變化幅度均較小。

加根處理下土壤pH與無根處理相比變化幅度較小，僅在60d時加根處理下土壤pH顯著高于無根處理(P＜0.05)，其它培養(yǎng)時間差異均不顯著(P＞0.05)。

無根處理土壤pH在整個培養(yǎng)期間均高于對照處理，且在0d、30d、90d顯著高于對照處理(P＜0.05)；在其他時間差異不顯著(P＞0.05)。

圖1 添加欒樹細根后菲污染土壤pH的變化Fig.1 pH of phenanthrene-contaminated soil after adding fi ne roots

2.2 土壤有機質

土壤有機質是指存在于土壤中的所有含碳的有機物質，它包括土壤中的各種動、植物殘體，微生物體及其分解和合成的各種有機物質，在農田肥力、環(huán)境保護、農業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面具有重要意義[14]。

加根處理下菲污染土壤有機質含量變化如圖2所示。加根處理下土壤有機質含量從15d開始均高于無根處理，并隨時間推移逐漸升高，90d時是無根處理的1.26倍，呈顯著差異性(P＜0.05)。

圖2 添加欒樹細根后菲污染土壤有機質的變化Fig.2 Organic matter of phenanthrene-contaminated soil after adding fi ne roots

無根處理下土壤有機質含量在整個培養(yǎng)期間均高于對照處理，0d、15d、30d、60d、90d無根處理下土壤有機質含量分別是對照組的1.25、1.22、1.22、1.33、1.25倍，均呈顯著差異性(P＜0.05)，

可見，細根和污染物菲的添加均能提高土壤有機碳含量。

2.3 土壤全氮

氮素是植物細胞原生質的重要組成成分[15]，不同形態(tài)的氮素營養(yǎng)能夠直接影響植物的生長狀況以及體內的能量利用、有機酸的合成與代謝等很多生理生化過程。氮素不僅可以通過改變植物根系形態(tài)影響 PAHs 的吸收，而且還可以影響植物體內 PAHs的揮發(fā)和生物降解。

加根處理下菲污染土壤的全氮含量變化如圖 3所示，加根處理下土壤全氮含量均高于無根處理，且在30d、60d、90d顯著高于無根處理(P＜0.05)。在 15d、30d、60d、90d加根處理土壤全氮含量分別是無根處理的1.15、1.17、1.17、1.20 倍。

圖3 添加欒樹細根后菲污染土壤全氮的變化Fig.3 Total nitrogen of phenanthrene-contaminated soil after adding fi ne roots

無根處理的土壤全氮含量均顯著低于對照處理(P＜0.05)，在0d、15d、30d、60d、90d分別是對照處理的0.63、0.56、0.63、0.63、0.68倍。

可見，污染物菲的加入降低了土壤全氮含量，細根的添加能緩解污染物菲對土壤全氮含量的影響，對土壤全氮含量具有一定的促進作用。

2.4 土壤全磷

磷是植物生長發(fā)育所必需的另一大營養(yǎng)元素，參與組成植物體內許多重要化合物，是植物體生長代謝過程不可或缺的養(yǎng)分元素[16]。

加根處理下菲污染土壤的全磷含量變化如圖4所示，加根處理下土壤全磷含量均高于無根處理，在0d、15d、30d、60d、90d分別是無根處理的0、1.13、1.12、1.25、1.38倍，且在60d、90d顯著高于無根處理(P＜0.05)。

圖4 添加欒樹細根后菲污染土壤全磷的變化Fig.4 Total phosphorus of phenanthrene-contaminated soil after adding fi ne roots

無根處理下土壤全磷含量均低于對照組，且在0d、15d、60d顯著低于對照組(P＜0.05)。在0d、15d、30d、60d、90d無根處理的土壤全磷含量分別是對照處理的0.80、0.75、0.86、0.74、0.69倍。

可見，污染物菲的加入降低了土壤全磷含量，細根的添加能緩解污染物菲對土壤全磷含量的影響，對土壤全磷含量具有一定的促進作用。

3 討論與結論

細根通過生產(chǎn)、死亡和分解的過程，對土壤C庫的貢獻高達25％～80％，提供的N為29～255kg·hm2[17]，而且還影響土壤微生物的活性和分解過程[18]，有研究表明土壤中憎水性有機化學物質的含量與土壤有機質含量呈正相關關系[19]，這是因為有機污染物本身也是一種碳水化合物，本研究結果也表明，菲污染土壤有機碳含量均高于對照組，且加根處理下土壤有機質含量高于無根處理，這與前人研究結果相似。但在不同培養(yǎng)時間段，土壤有機質含量是不一樣的，這可能是因為細根分解具有明顯的階段性，且碳的釋放是個緩慢過程[20]，而且菲污染或根系分解提高土壤微生物活性，從而使細根的分解加劇[21]。

Trindade分析了石油污染土壤對土壤全氮的影響時發(fā)現(xiàn)，與對照土壤相比，污染土壤全N含量降低了15.95％[22]，這與金文標等[23]的研究相符，他們認為隨著土壤中石油含量的增加，微生物活動分解石油過程中需要大量的N、P作為補充，就消耗大量的N素和P素。本研究結果表明，菲污染土壤全氮、全磷含量均低于對照，這與前人研究結果一致。而由于細根在分解死亡過程中，與周圍土壤不斷的進行物質交換，歸還了大量的N、P給土壤，使土壤N、P含量高于無根處理。

土壤酸堿性是土壤許多化學性質的綜合反映，也是影響土壤肥力的一個重要因素，它對土壤的其它一系列性質以及整個生態(tài)環(huán)境都有著深刻的影響[24]當有機污染物滲透到土壤，會使pH在酸性范圍內上升，酸度減小，堿性增大[25]。這與烴類物質在長期的降解過程中，產(chǎn)生一些堿性物質，導致pH值升高有很大關系[26]。本研究結果表明，菲污染土壤pH均高于對照組，但土壤pH值在整個培養(yǎng)時間內波動不大，這與土壤酸堿性主要受成土因子控制，變化過程十分緩慢有關[27]。

綜上所述，菲對土壤pH、C、N、P具有一定的影響，土壤pH略有上升，增加了土壤C含量，減少了土壤N、P含量，但添加的細根通過分解增加了土壤C、N、P含量，緩解了菲對土壤性質的影響。

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The dynamic changes of physical-chemical properties in PAHs contaminated soil under roots addition

ZHAO Wen-tao1,ZHU Fan1,2,CHNE Ting1,HONG Xiang-qi2,GAO Ji-quan2,HU Feng-jiao2,HUAN Xin-hao2
(1.School of Life Science and Technology,Central-South University of Forestry&Technology,Changsha 410004,Hunan,China;2.National Engineering Lab.For Applied Technology of Forestry&Ecology in South China,Changsha 410004,Hunan,China)

Polycyclic Aromatic Hydrocarbons(PAHs)are widely permanent organic pollutant in nature.Soil physical-chemical properties plays key role in the ef fi ciency of PAHs after phytoremediation.Soil pot experiment were conducted to investigate the physical-chemical properties in PAHs contaminated soil under roots addition.The experiment were treated with fi ne roots and phenanthrene to three kinds of treatments：① root addition：adding roots and phenanthrene;② non-root：no root and adding phenanthrene; ③ control：no root and no phenanthrene.The results showed that the pH were increased slightly in phenanthrene contaminated soil,but pH were little changed with root addition.The organic matter were increased signi fi cantly in phenanthrene contaminated soil,but The organic matter were further increased with root addition in base.The total nitrogen and total phosphorus were decreased signi fi cantly in phenanthrene contaminated soil,but they were increased with root addition and were lower than the control.

roots; soil; physical-chemical properties; PAHs; Koelreuteria paniculata Laxm

S718.51

A

1673-923X(2015)07-0100-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.07.018

2014-10-20

湖南省教育廳資助科研項目(12A149)；國家林業(yè)局推廣項目(2012-64)；國家林業(yè)局軟科學研究項目(2013-R09)；湖南省林業(yè)廳科技項目；湖南省普通高校青年骨干教師培養(yǎng)對象

趙文滔，碩士研究生

朱 凡，副教授，碩士生導師；E-mail：forestranger33@hotmail.com

趙文滔，朱 凡，陳 婷，等.加根條件下PAHs污染土壤理化性質的動態(tài)變化[J].中南林業(yè)科技大學學報，2015,35(7)：100-104.

[本文編校：吳 毅]