9 種植物及其8 種組合對五氯酚污染土壤的修復效果

張碧波，王賢芳，冉啟洋，蔣 俊，陳 劍，李 晶

（1.湖南恒凱環保科技有限公司，湖南 長沙 410000；2.持久性有機污染微生物生態 修復湖南省工程實驗室，湖南 長沙 410000；3.湖南省有機污染場地修復 工程技術研究中心，湖南 長沙 410000）

20 世紀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廣泛應用[1]。尤其是在我國血吸蟲疫區，從20 世紀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、區的稻田和池塘持續使用，應用面積約148 萬hm2，造成區域內不同程度的PCP 污染和殘留[1-6]。PCP 化學性質穩定，在環境中降解緩慢，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，能抑制生物代謝過程中氧化磷酸化作用，可造成動物肺、肝、腎及神經系統的損傷[1]。據報道，洞庭湖、鄱陽湖洲灘、長江武漢段、湯遜湖池塘、湖北松滋市老陳鎮廟河沉積物中的PCP 含量都超過了水環境沉積物PCP 生態風險濃度（20～25 ng/g），對區域內水生態系統及人體健康存在潛在威脅[3-6]。總體而言，由于PCP 及其鈉鹽的廣泛使用，出現了一系列環境問題，急需研究相應的治理方法[6-9]。

目前，PCP 污染修復有物理、化學等諸多方法，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，物理和化學修復方法還可能破壞當地的生態資源[3-14]。近20 a來，以生態毒理學為基本原理的環境生物修復技術受到各國政府和科學家的高度重視，其中植物修復技術因具有獨特的優勢而異軍突起[14-20]。其優勢在于：利用修復植物的提取、揮發、降解作用，可在原位永久性地解決環境污染問題；修復植物的穩定作用可以綠化污染土壤，使地表穩定，防止污染土壤因風蝕或水土流失而引起的污染擴散問題；修復植物的蒸騰作用可以防止污染物質對地下水的二次污染；植物修復能避免土壤清潔造成的場地破壞，對環境擾動少；此外，依靠植物的新陳代謝活動來修復污染環境，成本較低，開發價值大。

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（亞熱帶季風性濕潤氣候，雨量充沛、光熱充足，風向冬季多西北風，夏季多正南風，無霜期在286 d 以上，年平均氣溫16～18℃），確定了場地PCP 污染物形態和土壤理化性質（包括有土壤pH 值、氮磷鉀等養分與有機質含量），調查了場地現存植物（包括生境、生長狀況、產量、PCP 污染修復效果等），在此基礎上篩選對污染修復效果較好的植物開展試驗，包括單種植物修復、多種植物組合修復及其適應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 月在長沙市高新區湖南恒凱環保產業園園區（N28.221988，E112.837296）內進行，選擇陽光充足，無水澇處進行盆栽試驗。用直徑為45 cm、深30 cm 的加侖盆進行盆栽試驗，每個盆裝入25 kgPCP 污染土壤，設置17 個處理，每個處理3 次重復，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 種植物中篩選修復效果最好的植物，即處理1～9；并根據植物生長高度差異、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 只能進行1～2 次完整的盆栽試驗，因此為 了加快試驗進度，單種和植物組合盆栽試驗同時進行。

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

表1 不同植物及其組合修復PCP 污染土壤的盆栽試驗設計

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，保存備用。土壤總共取樣4 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，每層取相同質量的土壤混合均勻，保存備用。

1.2.4測試指標及方法測試指標包括土壤pH 值、土壤PCP 含量、植株PCP 含量等指標。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PCP 含量按照HJ 703—2014 中的方法測定，植株PCP 含量為干重含量。

2 結果與分析

2.1 不同植物及其組合修復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）的地上部產量最大，鮮重達到15.01 kg，干重達到4.62 kg；其次是小飛蓬（處理9），鮮重達到13.79 kg，干重達到4.95 kg；二者與其他單種植物相比差異達極顯著水平（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；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（EF）和轉移系數（TF）分析，小飛蓬富集系數和轉移系數最大，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和轉移系數最大。若不考慮植物的代謝分解，小飛蓬是吸收PCP 最多，最適合應用于PCP 污染土壤修復的植物。

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。試驗結果還表明，3 種植物組合的處理去除土壤PCP 的效果明顯優于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調，形成的生態系統更為復雜。

2.2 土壤pH 值對PCP 污染修復效果的影響

如圖5 所示，在不同pH 值環境中，小飛蓬和垂柳產量的差異不大，但均顯著高于三葉草和苜蓿的產量（P＜0.05），4 種植物的干產量均隨pH 值的增加而呈現出先上升后下降的趨勢，在pH 值為7.0 的時候達到最大值；其中，小飛蓬的干產量從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）。在產量隨pH 值增加而增加的過程中，苜蓿產量比三葉草產量增加更快。從干產量角度分析，植物修復PCP 污染的最佳pH 值為7.0。

如圖6 所示，在不同pH 值環境中，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 范圍內土壤PCP 含量下降百分比的差異不大，而在7.0～8.0 范圍內，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出先增加后下降的趨勢，在pH 值為7.0 時達到最大值；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PCP 污染的最適pH 值為7.0。

3 結論與討論

從植物的生物量來看，垂柳的地上部產量最高，種植6 個月后鮮重達15.01 kg，干重達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 的富集和轉移來看，小飛蓬的富集系數和轉移系數最大，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，所有植物的干產量和PCP 去除率都表現出先增后減的趨勢，當pH 值為7.0 時，小飛蓬、垂柳、三葉草和苜蓿的干產量達到最大值，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 時達到最大值，分別為55.46%、55.40 %、50.95 %和48.76 %。

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

試驗結果表明，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，這在以前的文獻中未見報道。后續應進行更多中試試驗進一步驗證小飛蓬修復PCP 污染土壤的效果。垂柳用于PCP污染土壤修復的研究報道較多，此次試驗中的修復效果與以前文獻報道的修復效果相近[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 污染土壤修復也有一定的效果，但是小飛蓬與豆科植物的協同修復機理有待進一步研究。