9 種植物及其8 種組合對五氯酚污染土壤的修復(fù)效果

張碧波，王賢芳，冉啟洋，蔣 俊，陳 劍，李 晶

（1.湖南恒凱環(huán)?？萍加邢薰?，湖南 長沙 410000；2.持久性有機污染微生物生態(tài) 修復(fù)湖南省工程實驗室，湖南 長沙 410000；3.湖南省有機污染場地修復(fù) 工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410000）

20 世紀(jì)30 年代以來，五氯酚（PCP）作為防腐劑、殺蟲劑及殺真菌劑在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用[1]。尤其是在我國血吸蟲疫區(qū)，從20 世紀(jì)50 年代開始，PCP 作為殺滅血吸蟲中間宿主釘螺的主要藥劑在長江中下游的11 個省、市、區(qū)的稻田和池塘持續(xù)使用，應(yīng)用面積約148 萬hm2，造成區(qū)域內(nèi)不同程度的PCP 污染和殘留[1-6]。PCP 化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在環(huán)境中降解緩慢，是一種典型的持久性有機污染物（POPs），具有很強的“三致”（致癌，致畸，致突變）效應(yīng)，能抑制生物代謝過程中氧化磷酸化作用，可造成動物肺、肝、腎及神經(jīng)系統(tǒng)的損傷[1]。據(jù)報道，洞庭湖、鄱陽湖洲灘、長江武漢段、湯遜湖池塘、湖北松滋市老陳鎮(zhèn)廟河沉積物中的PCP 含量都超過了水環(huán)境沉積物PCP 生態(tài)風(fēng)險濃度（20～25 ng/g），對區(qū)域內(nèi)水生態(tài)系統(tǒng)及人體健康存在潛在威脅[3-6]?？傮w而言，由于PCP 及其鈉鹽的廣泛使用，出現(xiàn)了一系列環(huán)境問題，急需研究相應(yīng)的治理方法[6-9]。

目前，PCP 污染修復(fù)有物理、化學(xué)等諸多方法，但最常用最有效的方法是將污染物從污染地挖走，通過光降解或焚燒的方式去除PCP，但該方法費用昂貴，且面臨大面積污染時難以實施[8-20]。而且，物理和化學(xué)修復(fù)方法還可能破壞當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)資源[3-14]。近20 a來，以生態(tài)毒理學(xué)為基本原理的環(huán)境生物修復(fù)技術(shù)受到各國政府和科學(xué)家的高度重視，其中植物修復(fù)技術(shù)因具有獨特的優(yōu)勢而異軍突起[14-20]。其優(yōu)勢在于：利用修復(fù)植物的提取、揮發(fā)、降解作用，可在原位永久性地解決環(huán)境污染問題；修復(fù)植物的穩(wěn)定作用可以綠化污染土壤，使地表穩(wěn)定，防止污染土壤因風(fēng)蝕或水土流失而引起的污染擴散問題；修復(fù)植物的蒸騰作用可以防止污染物質(zhì)對地下水的二次污染；植物修復(fù)能避免土壤清潔造成的場地破壞，對環(huán)境擾動少；此外，依靠植物的新陳代謝活動來修復(fù)污染環(huán)境，成本較低，開發(fā)價值大。

筆者記錄了湖南株洲某五氯酚污染場地（N27.885，E113.084）的氣候條件（亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，雨量充沛、光熱充足，風(fēng)向冬季多西北風(fēng)，夏季多正南風(fēng)，無霜期在286 d 以上，年平均氣溫16～18℃），確定了場地PCP 污染物形態(tài)和土壤理化性質(zhì)（包括有土壤pH 值、氮磷鉀等養(yǎng)分與有機質(zhì)含量），調(diào)查了場地現(xiàn)存植物（包括生境、生長狀況、產(chǎn)量、PCP 污染修復(fù)效果等），在此基礎(chǔ)上篩選對污染修復(fù)效果較好的植物開展試驗，包括單種植物修復(fù)、多種植物組合修復(fù)及其適應(yīng)pH 值試驗。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1供試植物根據(jù)PCP 污染場地植物生長情況，選取以下9 種植物為供試植物：莎草科莎草屬植物莎草（Cyperus rotundusL.），禾本科羊茅屬植物高羊茅（Festuca elataKeng ex E. Alexeev），禾本科黑麥草植物黑麥草（Lolium perenneL.），十字花科蕓苔屬植物芥菜[Brassica juncea（L.） Czern. et Coss.]，豆科車軸草屬植物三葉草（Trifolium pratenseL.），豆科苜蓿屬植物苜蓿（Medicago sativaL.），楊柳科柳屬植物垂柳（Salix babylonica），廖科酸模屬植物酸模（Rumex acetosaL.），菊科白酒草屬植物小飛蓬[Conyza canadensis（L.） Cronq]。其中，豆科植物三葉草和苜蓿具有很好的固氮作用，可以為其他科屬植物提供一定的氮源，促進(jìn)其他植物生長。以上供試植物中高羊茅、黑麥草、苜蓿和三葉草購買種子，其他均為污染場地周圍采集。

1.1.2供試土壤供試土壤為從某化工廠廢棄PCP 生產(chǎn)車間挖取的PCP 污染土壤（1 000 kg），混合均勻后測得其PCP 含量為30.5 mg/kg。

1.2 試驗方法

1.2.1不同植物及其組合修復(fù)PCP 污染土壤的盆栽試驗試驗于2019 年2—10 月在長沙市高新區(qū)湖南恒凱環(huán)保產(chǎn)業(yè)園園區(qū)（N28.221988，E112.837296）內(nèi)進(jìn)行，選擇陽光充足，無水澇處進(jìn)行盆栽試驗。用直徑為45 cm、深30 cm 的加侖盆進(jìn)行盆栽試驗，每個盆裝入25 kgPCP 污染土壤，設(shè)置17 個處理，每個處理3 次重復(fù)，共計51 盆。從莎草、高羊茅、芥菜、三葉草、苜蓿、黑麥草、垂柳、酸模、小飛蓬9 種植物中篩選修復(fù)效果最好的植物，即處理1～9；并根據(jù)植物生長高度差異、充分利用空間的原則高低組合，即處理10～17，詳細(xì)情況見表1。植物種植后放置在陽光充足的室外，定期澆水。

植物盆栽試驗周期較長，植物有固定生育期，一般情況下1 a 只能進(jìn)行1～2 次完整的盆栽試驗，因此為 了加快試驗進(jìn)度，單種和植物組合盆栽試驗同時進(jìn)行。

1.2.2pH 值對植物修復(fù)PCP 污染土壤效果的影響以修復(fù)效果較好的4 種植物為材料，利用硫酸亞鐵和石灰調(diào)節(jié)pH 值到5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0，共計6 個梯度進(jìn)行試驗，其他試驗條件相同。

表1 不同植物及其組合修復(fù)PCP 污染土壤的盆栽試驗設(shè)計

1.2.3樣品采集與分析種植植物4 個月后（芥菜、黑麥草和酸模由于生育期較短，種植2個月開始取樣），每15 d 取植物地上部分測量鮮重，然后105℃殺青、65℃烘干至恒重，稱量干重，粉碎過篩，保存?zhèn)溆谩Ｍ寥揽偣踩? 次，取樣時間與植物相同，前3 次取表層土壤以免破壞植物生長，第4 次取樣分上、中、下3 層，每層取相同質(zhì)量的土壤混合均勻，保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.4測試指標(biāo)及方法測試指標(biāo)包括土壤pH 值、土壤PCP 含量、植株P(guān)CP 含量等指標(biāo)。土壤pH 值按照NY/T 1121.2—2006 中的方法測定，土壤PCP 含量和植株P(guān)CP 含量按照HJ 703—2014 中的方法測定，植株P(guān)CP 含量為干重含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植物及其組合修復(fù)PCP 污染土壤的效果

2.1.1各處理植物地上部的生物量如圖1、圖2 所示，從9 種植物單種的生長情況來看，隨著時間推移，各植物的生物量逐漸增加；其中，垂柳（處理7）的地上部產(chǎn)量最大，鮮重達(dá)到15.01 kg，干重達(dá)到4.62 kg；其次是小飛蓬（處理9），鮮重達(dá)到13.79 kg，干重達(dá)到4.95 kg；二者與其他單種植物相比差異達(dá)極顯著水平（P＜0.01）。從組合植物的生長情況來看，因為是植物組合混播，所以生物量更大，與單種植物處理（處理7 除外）差異顯著（P＜0.05）；種植6 個月后，處理13 與處理15 地上部分鮮重最大，分別為16.87 和16.77 kg；干重方面略有差異，處理12、 處理16 干重較大，分別為6.50 和6.72 kg，較其他植物組合及單種情況差異顯著（P＜0.05）；即2 種植物組合中以小飛蓬+苜蓿、垂柳+黑麥草的地上部生物量指標(biāo)較好，3 種植物組合中以垂柳+小飛蓬+苜蓿、垂柳+小飛蓬+三葉草的地上部生物量指標(biāo)較好。

因此，在單種情況下，垂柳和小飛蓬更加適宜PCP 污染土壤修復(fù)；在2 種植物組合情況下小飛蓬+苜蓿、垂柳+黑麥草的效果較好；3 種植物組合情況下垂柳+小飛蓬+苜蓿、垂柳+小飛蓬+三葉草的產(chǎn)量較高，這2 個組合的特點是高低搭配，豆科植物與非豆科植物搭配，充分利用空間及豆科植物的固氮 特性。

2.1.2各處理植株各部位的PCP含量如圖3 所示，隨著時間的推移，植株中的PCP 含量呈上升趨勢。從單種處理來看，處理9 的含量較高，為2.92 mg/kg，較其他單種處理差異極顯著（P＜0.01），其次是處理4 和處理5，較其他單種處理差異顯著（P＜0.05）；從組合植物的生長情況來看，處理12 的PCP 含量較高，為2.87 mg/kg，較其他混合種植處理差異極顯著（P＜0.01），其次是處理10。這說明單種處理以小飛蓬對PCP 污染物的吸收效果最好，植物組合以小飛蓬+苜蓿的效果最好，其次為小飛蓬+三葉草。如表2所示，從植物富集系數(shù)（EF）和轉(zhuǎn)移系數(shù)（TF）分析，小飛蓬富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)最大，較其他植物差異顯著（P＜0.05）。綜上所述，小飛蓬及其與苜蓿的組合植株的PCP 含量最高，且小飛蓬的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)最大。若不考慮植物的代謝分解，小飛蓬是吸收PCP 最多，最適合應(yīng)用于PCP 污染土壤修復(fù)的植物。

表2 不同植物及其組合植株不同部位的PCP 含量

2.1.3不同植物及組合修復(fù)土壤PCP的效果如圖4所示，隨著時間的推移，各處理土壤中的PCP 含量下降百分比逐漸增大，即PCP 含量逐漸下降，各處理下降速率差異較大。種植6 個月后，處理5、處理9、處理10、處理12、處理15、處理16、處理17 的土壤PCP 含量下降百分比分別為53.12 %、56.14 %、56.73 %、58.08 %、59.34 %、56.38 %、57.32 %，顯著高于其他處理（P＜0.05）。其中，單種植物中，苜蓿和小飛蓬對土壤PCP 的去除效果較好；2 種植物組合中，小飛蓬+三葉草、小飛蓬+苜蓿對PCP 去除率效果較好；而3 種植物組合的處理中，以垂柳+小飛蓬+苜蓿組合的效果最好。試驗結(jié)果還表明，3 種植物組合的處理去除土壤PCP 的效果明顯優(yōu)于2 種植物和單種植物處理。這是因為3 種植物組合充分利用了空間，增加了豆科植物與非豆科植物的相互協(xié)調(diào)，形成的生態(tài)系統(tǒng)更為復(fù)雜。

2.2 土壤pH 值對PCP 污染修復(fù)效果的影響

如圖5 所示，在不同pH 值環(huán)境中，小飛蓬和垂柳產(chǎn)量的差異不大，但均顯著高于三葉草和苜蓿的產(chǎn)量（P＜0.05），4 種植物的干產(chǎn)量均隨pH 值的增加而呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，在pH 值為7.0 的時候達(dá)到最大值；其中，小飛蓬的干產(chǎn)量從3.25 kg（pH值5.5）上升至4.89 kg（pH 值7.0），之后下降到4.17 kg（pH 值8.0）；垂柳的干產(chǎn)量從3.79 kg（pH 值5.5）上升到4.92 kg（pH 值7.0），之后下降到4.04 kg（pH值8.0），三葉草的干產(chǎn)量從2.53 kg（pH 值5.5）上升到3.25 kg（pH 值7.0），之后下降到2.72 kg（pH 值8.0），苜蓿的干產(chǎn)量從2.49 kg（pH 值5.5）上升到3.80 kg（pH值7.0），之后下降到2.48 kg（pH 值8.0）。在產(chǎn)量隨pH 值增加而增加的過程中，苜蓿產(chǎn)量比三葉草產(chǎn)量增加更快。從干產(chǎn)量角度分析，植物修復(fù)PCP 污染的最佳pH 值為7.0。

如圖6 所示，在不同pH 值環(huán)境中，小飛蓬和垂柳的土壤PCP 含量下降百分比差異不大，而苜蓿和三葉草在pH 值5.5～7.0 范圍內(nèi)土壤PCP 含量下降百分比的差異不大，而在7.0～8.0 范圍內(nèi)，三葉草的土壤PCP 含量下降百分比變化不大，其值明顯大于苜蓿（P＜0.05）；在pH 值從5.5 到8.0 的變化過程中，4 種植物的土壤PCP 含量下降百分比均呈現(xiàn)出先增加后下降的趨勢，在pH 值為7.0 時達(dá)到最大值；其中，小飛蓬的土壤PCP 下降百分比從40.27%（pH 值5.5）增加至55.56%（pH 值7.0），之后下降到41.42%（pH 值8.0），垂柳的土壤PCP 下降百分比從43.82%（pH 值5.5）增加55.40 %（pH 值7.0），之后下降到38.19%（pH 值8.0），三葉草的土壤PCP 下降百分比從37.53%（pH 值5.5）增加到50.95%（pH 值7.0），之后下降到41.00%（pH 值8.0），苜蓿的土壤PCP 下降百分比從35.65%（pH 值5.5）增加到48.76%（pH值7.0），之后下降到47.69%（pH 值8.0）。從土壤PCP 含量下降百分比來看，植物修復(fù)PCP 污染的最適pH 值為7.0。

3 結(jié)論與討論

從植物的生物量來看，垂柳的地上部產(chǎn)量最高，種植6 個月后鮮重達(dá)15.01 kg，干重達(dá)4.62 kg；其次是小飛蓬，鮮重13.79 kg，干重4.95 kg。從植株吸收PCP 的量來看，單種時，三葉草、小飛蓬中的PCP 含量分別為2.09、2.92 mg/kg，顯著高于其他單種植物；植物組合中小飛蓬+苜蓿的PCP 含量為2.87 mg/kg，極顯著高于其他植物組合。從植物對PCP 的富集和轉(zhuǎn)移來看，小飛蓬的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)最大，分別為0.22 和0.93，顯著高于其他植物。從土壤PCP含量下降情況來看，單種處理中苜蓿和小飛蓬的土壤PCP 含量下降百分比最大，分別為53.12 %、56.14 %；2 種植物組合中小飛蓬+三葉草、小飛蓬+苜蓿的土壤PCP 含量下降百分比最大，分別56.73 %、58.08 %；3 種植物組合中垂柳+小飛蓬+苜蓿PCP 含量下降百分比最大，為59.34 %，顯著高于其他植物及植物組合。

在pH 值從5.5 到8.0 的變化過程中，所有植物的干產(chǎn)量和PCP 去除率都表現(xiàn)出先增后減的趨勢，當(dāng)pH 值為7.0 時，小飛蓬、垂柳、三葉草和苜蓿的干產(chǎn)量達(dá)到最大值，分別為4.89、4.92、3.25 和3.80 kg；土壤PCP 去除率也在pH 值為7.0 時達(dá)到最大值，分別為55.46%、55.40 %、50.95 %和48.76 %。

綜合植物產(chǎn)量、植物含量、土壤PCP 下降百分比等數(shù)據(jù)可知，單種情況下，小飛蓬和垂柳更適合應(yīng)用于PCP 污染土壤修復(fù)；2 種植物組合情況下，小飛蓬+三葉草、小飛蓬+苜蓿的修復(fù)效果更佳；3 種植物組合情況下，垂柳+小飛蓬+苜蓿的修復(fù)效果最好。此外，7.0 是PCP 污染土壤植物修復(fù)的最佳pH 值。

試驗結(jié)果表明，小飛蓬在PCP 污染土壤中生長狀況較好，且能有效去除土壤中的PCP，這在以前的文獻(xiàn)中未見報道。后續(xù)應(yīng)進(jìn)行更多中試試驗進(jìn)一步驗證小飛蓬修復(fù)PCP 污染土壤的效果。垂柳用于PCP污染土壤修復(fù)的研究報道較多，此次試驗中的修復(fù)效果與以前文獻(xiàn)報道的修復(fù)效果相近[5-20]。小飛蓬+豆科植物（該試驗中的三葉草、苜蓿）的修復(fù)效果較單種小飛蓬效果更佳，主要在于豆科植物具有根瘤菌，有一定的固氮作用，有利于小飛蓬的生長，同時根瘤菌對PCP 污染土壤修復(fù)也有一定的效果，但是小飛蓬與豆科植物的協(xié)同修復(fù)機理有待進(jìn)一步研究。