鉻污染對(duì)雷竹林土壤質(zhì)量的影響

徐 雷，張小平，卞方圓*，周志勤

(1.杭州市生態(tài)環(huán)境局臨安分局，浙江 杭州 311399；2.國(guó)家林業(yè)和草原局竹子研究開發(fā)中心，浙江 杭州 310012； 3.浙江大學(xué) 國(guó)家級(jí)環(huán)境與資源實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，浙江 杭州 310058)

土壤重金屬污染已成為一個(gè)急需解決的環(huán)境問(wèn)題，由于重金屬不能生物降解，而且可以長(zhǎng)期留在土壤中，因此潛在危害土壤生態(tài)環(huán)境[1]。鉻(Cr)是最重要的重金屬污染物之一，廣泛存在于電鍍工業(yè)和皮革制衣，人為Cr污染經(jīng)常成為工業(yè)化地區(qū)的主要環(huán)境問(wèn)題[2]。土壤中的Cr不僅影響土壤質(zhì)量和食品安全，還對(duì)人類健康造成很大威脅[3]。因此，有必要采取有效措施對(duì)Cr污染土壤進(jìn)行修復(fù)。植物修復(fù)是一種綠色安全的生物修復(fù)技術(shù)，被定義為利用植物及其相關(guān)微生物來(lái)降低環(huán)境中潛在污染物的濃度或毒性效應(yīng)[4]。與物理和化學(xué)修復(fù)技術(shù)相比，植物修復(fù)技術(shù)具有消除二次污染、成本低、適合大面積使用等優(yōu)點(diǎn)[5]。然而，由于超積累植物存在生長(zhǎng)緩慢、生物量與生產(chǎn)力低等問(wèn)題，目前發(fā)現(xiàn)的大部分修復(fù)植物都不能達(dá)到預(yù)期的效果[6]。理想的植物修復(fù)模式不僅對(duì)重金屬具有較強(qiáng)的耐受性和有效吸收能力，而且增長(zhǎng)迅速，并具有一定的經(jīng)濟(jì)效益[7]。

竹林是熱帶和亞熱帶地區(qū)的主要森林類型，竹林生態(tài)服務(wù)功能豐富[8]。同時(shí)，竹林是極具重金屬修復(fù)潛力的植物修復(fù)材料。近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，一些竹類植物對(duì)重金屬污染土壤具有很高的耐受性，能夠?qū)ν寥乐兄亟饘龠M(jìn)行大量吸收和積累[9-11]。與木本植物相比，竹類植物生長(zhǎng)速度快，吸收能力強(qiáng)，易于栽培，是植物修復(fù)的理想選擇。雷竹(Phyllostachysviolascens‘Prevernalis’)就是其中一種，原產(chǎn)于浙江臨安、安吉、余杭等地，該竹種因其筍產(chǎn)量高、經(jīng)濟(jì)效益好而在我國(guó)亞熱帶地區(qū)如江蘇、江西、安徽等地廣泛引種栽培。

在重金屬修復(fù)方面，雷竹表現(xiàn)出良好的重金屬修復(fù)潛力，可將Cu、Zn和Cd從土壤中吸收，并大量轉(zhuǎn)運(yùn)至雷竹地上部分[9]。在Cr污染環(huán)境下，雷竹根際微生物以變形菌門和子囊菌門為主[12]。不同濃度的Cr污染，使雷竹根際功能菌發(fā)生了改變，從而提高了竹林生態(tài)系統(tǒng)的植物修復(fù)效率[13]。除了以上通過(guò)植物修復(fù)提取重金屬污染之外，修復(fù)Cr還可以通過(guò)修復(fù)材料吸附重金屬污染物。以竹漿紙為原料，制備的復(fù)合氣凝膠材料對(duì)水體中的CrO42-具有較好的吸附功能[14]。

根際是靠近植物根系、受植物根系活動(dòng)影響的微區(qū)域。大量微生物定殖于此并與植物根系以及周邊土壤存在密切的相互作用，對(duì)植物養(yǎng)分獲取、生長(zhǎng)發(fā)育等方面起到重要作用[10]。由于根系分泌物的持續(xù)輸入、死亡根細(xì)胞的脫落和溶解，導(dǎo)致根際土壤性質(zhì)區(qū)別于非根際土壤。因此，該研究比較研究了雷竹林根際、非根際土壤理化性質(zhì)在Cr梯度上的變化。評(píng)價(jià)利用竹類植物修復(fù)Cr污染土壤的可行性，認(rèn)識(shí)Cr污染環(huán)境下的雷竹林根際土壤性質(zhì)，為竹類植物生物修復(fù)策略的應(yīng)用提供參考。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況和樣品采集

研究區(qū)位于浙江省杭州市臨安區(qū)太湖源鎮(zhèn)，研究區(qū)域雷竹林約45 hm2，具有50余年的栽培歷史。從1995—2009年期間，上游區(qū)域附近存在鍍鉻企業(yè)，由于廢水管理不善，導(dǎo)致區(qū)域環(huán)境污染。地勢(shì)平坦，根據(jù)污染源距離的遠(yuǎn)近，形成了明顯的土壤Cr污染梯度。隨機(jī)選擇60 m×60 m雷竹林作為土壤采集樣地，研究區(qū)內(nèi)雷竹林管理方式一致。按雷竹林離污染源距離遠(yuǎn)、中、近，分別設(shè)置低(L)、中(M)、高(H) 3個(gè)處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。每個(gè)重復(fù)為3 m×3 m樣方，每個(gè)重復(fù)之間的距離大于6 m。

在每個(gè)樣方中選取3株雷竹，采集竹子細(xì)根，采用抖落法獲取其上粘附的土壤收集根際土壤，另外采集遠(yuǎn)離根系的土壤作為非根際土壤，通過(guò)“S”型5點(diǎn)采樣混合土壤，采樣深度為0～20 cm。根際土壤與非根際土壤取自同一株竹子。將新鮮土壤過(guò)篩(<2 mm)，去除石塊和有機(jī)殘?jiān)缓箫L(fēng)干用于化學(xué)性質(zhì)分析。

1.2 樣品分析方法

基本土樣理化性質(zhì)，按魯如坤《土壤農(nóng)化分析》[15]測(cè)定。土壤pH值用酸度計(jì)測(cè)量，土壤總有機(jī)碳(TOC)的測(cè)定采用TOC分析儀，土壤堿解氮采用擴(kuò)散法測(cè)定，有效磷采用NaHCO3提取測(cè)定，速效鉀采用NH4OAc提取測(cè)定。對(duì)于土壤樣品總Cr分析，使用自動(dòng)石墨儀器，用濃縮HCl-HNO3-HF-HClO4的混合溶液消化。有效Cr采用0.1 mol·L-1HCl提取?？侰r和有效Cr的測(cè)定采用原子吸收光譜法。

1.3 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010和SPSS 21.0軟件進(jìn)行分析。采用單因素方差分析(one-way analysis of variance，ANOVA)分析了不同根際土壤理化性質(zhì)的差異。采用最小顯著性差異法(least significant difference，LSD)進(jìn)行多重比較?；赑earson相關(guān)系數(shù)建立了土壤化學(xué)性質(zhì)與Cr濃度之間的相關(guān)矩陣(**P<0.01；*P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 雷竹林土壤重金屬Cr濃度特征

研究區(qū)域內(nèi)，距離污染源的遠(yuǎn)近，土壤Cr污染呈明顯的梯度(表1)。高污染濃度的土壤總Cr和有效態(tài)Cr含量分別達(dá)357.38 mg·kg-1和9.02 mg·kg-1。比較根際與非根際土壤Cr含量變化，L處理無(wú)顯著差異，而M和H處理的根際土壤的有效態(tài)Cr含量都要顯著低于非根際土壤。從土壤Cr有效比分析可以看出，隨著Cr濃度的增加，非根際有效Cr分別占總Cr的0.78%、2.64%、2.53%，根際有效Cr分別占總Cr的0.95%、1.55%和1.46%，M和H的有效比值最高，其次為RM和RH。

表1 雷竹林根際與非根際土壤Cr含量Tab.1 Cr contents in rhizosphere and non-rhizosphere soils of bamboo forest

2.2 雷竹林土壤理化性質(zhì)

土壤理化性質(zhì)如圖1所示。土壤pH值為4.56～5.55，隨Cr含量的增加呈下降趨勢(shì)，非根際土壤和根際土壤分別為L(zhǎng)>M>H和L>M>H (P<0.01)。隨著Cr的積累，TOC有增加的趨勢(shì)，M組、H組和RH組TOC均極顯著升高(P<0.01)。根際土壤堿解氮含量隨Cr污染強(qiáng)度的增加而增加(P<0.05)，但是與此相反，非根際土壤堿解氮含量隨Cr污染強(qiáng)度的增加而極顯著降低(P<0.01)。非根際土壤和根際土壤高污染處理(M和H；RM和RH)中有效磷含量顯著高于低污染處理(L；RL)。隨著Cr濃度的增加，速效鉀含量顯著降低(P<0.05)，在6種土壤樣品中，RL和RM的速效鉀含量最高，M和H的速效鉀含量最低。

圖1 不同濃度Cr污染雷竹林土壤理化性質(zhì)Fig.1 Soil physicochemical properties in bamboo forest with different Cr concentrations

2.3 雷竹林土壤理化性質(zhì)與Cr含量的相關(guān)性分析

重金屬Cr與土壤理化性質(zhì)相關(guān)性分析表明，總Cr和有效Cr與土壤pH值、堿解氮、速效鉀呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與有機(jī)碳呈正相關(guān)(表2)。有效Cr與有效磷呈正相關(guān)(P<0.05)，而總Cr與有效磷無(wú)相關(guān)關(guān)系。同時(shí)，總Cr與有效Cr呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。

表2 土壤Cr與土壤理化性質(zhì)相關(guān)性分析Tab.2 Correlation analysis between soil Cr contents and soil physicochemical properties

3 討論

雷竹是我國(guó)的優(yōu)良竹種，在杭州地區(qū)栽培歷史悠久且栽培范圍廣泛。因其為筍用竹種，所以關(guān)于雷竹的研究大量集中于覆蓋經(jīng)營(yíng)和施肥管理等[16-17]，以提升該竹種的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，雷竹材不易變形、承受力強(qiáng)，雷竹林可作為材用林培育。在近幾年的研究中發(fā)現(xiàn)，雷竹可用于重金屬修復(fù)，修復(fù)效果良好[9]。根際是集成植物根系吸收、呼吸和分泌等一系列關(guān)鍵生物功能的重要界面，可顯著改變土壤生化特性。該研究以非根際和根際土壤為研究對(duì)象，研究Cr污染梯度下土壤理化性質(zhì)的變化。

土壤pH值在重金屬遷移轉(zhuǎn)化和生物利用中起著關(guān)鍵作用，土壤有機(jī)質(zhì)含量是影響重金屬有效性的最重要土壤性質(zhì)之一[18]。在該研究中，隨著Cr污染的增加，土壤pH值降低，有機(jī)碳含量增加。根分泌物中有機(jī)酸的釋放是pH值下降的部分原因。有機(jī)碳的增加可以增加Cr在土壤中的溶解度[19]，進(jìn)一步降低土壤pH。該研究發(fā)現(xiàn)，隨著土壤中Cr的積累，土壤有機(jī)碳趨于增加，表明Cr含量顯著影響土壤碳循環(huán)。相關(guān)性分析表明，總Cr和有效Cr與土壤pH值、堿解氮、速效鉀呈顯著負(fù)相關(guān)，與有機(jī)碳呈正相關(guān)。在水稻土中也觀察到類似的結(jié)果[20]，有效Cr含量與土壤pH值呈負(fù)相關(guān)，但與有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)。有機(jī)質(zhì)是土壤以可交換形式保留重金屬能力的主要因素。同時(shí)，土壤有機(jī)質(zhì)可以提供有機(jī)化學(xué)物質(zhì)，并作為螯合物提高重金屬的可溶性和遷移率，增加植物對(duì)金屬的利用率。所以，有研究表明，添加有機(jī)質(zhì)，增加了土壤中重金屬的流動(dòng)性和植物對(duì)重金屬的吸收[21]。該研究中，當(dāng)Cr污染較高時(shí)，堿解氮含量最低。重金屬污染影響土壤微生物活性[22]，進(jìn)而損害土壤N礦化[23]。在非根際和根際土壤中，Cr增加對(duì)土壤性質(zhì)的影響表現(xiàn)出非常相似的趨勢(shì)，即隨著Cr濃度的增加，土壤pH和速效鉀降低，有機(jī)碳和有效磷增加。提高Cr污染土壤的pH值和堿解氮，可以促進(jìn)植物生長(zhǎng)，從而提高植物修復(fù)效率。

不同土壤類型的可提取態(tài)重金屬比例存在較大差異。有效Cr比例在M和H組中最高，其次為RM和RH，表明這些土壤類型的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較高[24]?？侰r與有效Cr呈極顯著正相關(guān)，這在雷竹修復(fù)其他重金屬研究中也得到了證實(shí)[25]。污染土壤中的Cr全量與有效態(tài)含量之間的極顯著相關(guān)關(guān)系說(shuō)明，全量是控制有效態(tài)含量的主要因素，重金屬污染越是嚴(yán)重的土壤，其生物有效性含量就越高。

4 結(jié)論

隨著Cr污染的增加，土壤pH值趨于降低，土壤有機(jī)質(zhì)含量呈增加趨勢(shì)。土壤中Cr的積累引起了土壤碳循環(huán)的改變，這可能是由于土壤碳的凈礦化量降低所致。雷竹對(duì)Cr有良好的耐受能力和積累能力，在修復(fù)Cr污染土壤方面有很高的開發(fā)潛力和應(yīng)用價(jià)值。該研究揭示了雷竹根際和非根際土壤理化性質(zhì)沿Cr梯度的變化規(guī)律，為田間應(yīng)用竹類植物進(jìn)行Cr修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。