植物對綠地土壤吸附性能的改良

王晨光，王旭東

（西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院，陜西 楊陵 712100）

由于城市化的進程導致城市水體污染愈發(fā)嚴重，為應對嚴峻的城市水生態(tài)問題，中國提出了海綿城市建設［1］。城市綠地具有削減道路徑流、涵養(yǎng)水源、吸附雨水中污染物的作用［2］，是城市建設中重要的天然海綿體。但由于人為活動的影響，綠地質(zhì)量遭到嚴重破壞，不能滿足海綿城市建設的需求。目前對綠地土壤的改良已展開了較多研究，主要方式是通過使用改良材料對城市綠地土壤進行改良，提高土壤對污染物的吸附性能。王鑫等［1］將沸石、蛭石、陶粒和煤渣作為海綿城市下墊面基質(zhì)，表明沸石+蛭石+陶粒分層滲濾柱對污染物的去除效果最好。孫丹焱等［3］將中粗砂和沸石應用于土壤改良，發(fā)現(xiàn)改良后的介質(zhì)對COD（化學需氧量）、TN（總氮）、TP（總磷）等污染物都有較高的吸附率。尤星源等［4］將煤質(zhì)活性炭、鋼渣、中粗砂等應用于土壤改良，發(fā)現(xiàn)改良后的土壤可以滿足截污要求。對于綠地土壤改良目前已經(jīng)取得了較多的研究成果［5-7］，但是這些研究主要集中在改良材料對綠地土壤的改良，而針對植物對綠地土壤改良的研究目前較少。綠地是一個由植物和土壤相復合的多功能的生態(tài)系統(tǒng)，植物對綠地土壤性質(zhì)的影響較大。

因此，本試驗將土壤改良中常用的腐熟秸稈、生物質(zhì)炭、椰糠、PAM 等材料［8-11］配制成 4 種性質(zhì)不同的綠地土壤，并選擇綠地植物中常見的單子葉植物萱草（Hemerocallis fulvaL.）、鳶尾（Iris tectorumMaxim.）以及雙子葉植物八仙花［Hydrangea macrophylla（Thunb.）Ser.］、酢漿草（Oxalis corniculataL.）作為研究對象，探究不同植物對綠地土壤污染物去除能力的影響，以期為海綿城市建設中綠地的改良提供一定的理論和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

供試土壤采自西咸新區(qū)城市土壤（過2 mm 篩），河砂過3 mm 土篩，PAM 為陰離子型，相對分子質(zhì)量為500 萬，腐熟秸稈為小麥秸稈經(jīng)堆肥腐熟后的產(chǎn)物，生物質(zhì)炭為小麥秸稈生物質(zhì)炭；椰糠購于斯里蘭卡。試驗材料部分理化性質(zhì)見表1。

表1 不同物料基本性質(zhì)

1.2 設計與方法

1.2.1 室內(nèi)培養(yǎng) 所選植物材料為八仙花、酢漿草、萱草、鳶尾，各植株生長健壯，長勢一致。八仙花品種“無盡夏”為二年生扦插苗，栽培于陜西省楊凌綠香安果蔬專業(yè)合作社溫室；酢漿草、萱草、鳶尾均取自西北農(nóng)林科技大學南校區(qū)校園內(nèi)，同種植物取自同一栽培地點。試驗所選花盆高11 cm，底面直徑13 cm，按容重1.4 g/cm3填裝花盆高度于9 cm 處，將供試植物種植于上述4 種綠地土壤中（表2），每種綠地土壤設5 個處理，即綠地土壤+萱草、綠地土壤+鳶尾、綠地土壤+八仙花、綠地土壤+酢漿草，以不加植物的綠地土壤為對照，每處理3 盆重復，置于溫室同一條件下培養(yǎng)，期間正常管理。培養(yǎng)140 d 后，取土過篩備用。

表2 綠地土壤配比

1.2.2 靜態(tài)吸附 準確稱取2.5 g綠地土壤（過2 mm篩）于50 mL 離心管中，添加25 mL 人工配制的污水（表3），滴加幾滴甲苯，在25 ℃恒溫、180 r/min 頻率下振蕩 16 h 后，以 3 000 r/min 離心 10 min，采用定量濾紙過濾，測定濾液中COD、氮、磷含量。

表3 人工配制污水的濃度及所用試劑

1.2.3 測定方法 COD 采用消解比色法測定［12］，氮含量采用過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定［13］，磷含量采用過硫酸鉀消解法測定［14］。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用SPSS 20.0 軟件進行分析，作圖用Origin 軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植物對綠地土壤氮吸附性能的影響

由表4 可知，除土∶砂∶椰糠（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤外，其余綠地土壤經(jīng)植物改良后，綠地土壤對氮的吸附固持能力均顯著提高。與綠地土壤不加植物的處理相比，在土∶砂∶腐熟秸稈（4∶4∶2）+1%PAM綠地土壤中，綠地土壤+植物的氮吸附能力顯著提高了38.21%～42.86%；在土∶砂∶生物質(zhì)炭（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤中，綠地土壤+植物的氮吸附能力顯著提高了19.20%～25.78%；在土∶砂∶腐熟秸稈∶生物質(zhì)炭（4∶4∶1∶1）+1%PAM 綠地土壤中，綠地土壤+植物的氮吸附能力顯著提高了27.47%～29.66%。而在土∶砂∶椰糠（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤中，綠地土壤+植物的氮吸附能力較綠地土壤不加植物的處理呈下降趨勢，降低了3.23%～4.38%，但差異不顯著。

不同綠地土壤性質(zhì)對氮的吸附能力也有較大影響，在栽培植物相同時，不同綠地土壤之間的吸附能力也存在差異。從表4 可以看出，在不加植物以及栽培植物八仙花、酢漿草的處理中，當不加植物以及栽培植物相同時，經(jīng)靜態(tài)吸附后殘留在濾液中的氮濃度從高到低依次均為土∶砂∶腐熟秸稈（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤、土∶砂∶腐熟秸稈∶生物質(zhì)炭（4∶4∶1∶1）+1%PAM 綠地土壤、土∶砂∶生物質(zhì)炭（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤、土∶砂∶椰糠（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤；在栽培植物萱草、鳶尾的處理中，當栽培植物相同時，經(jīng)靜態(tài)吸附后殘留在濾液中的氮濃度從高到低依次為土∶砂∶腐熟秸稈（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤、土∶砂∶腐熟秸稈∶生物質(zhì)炭（4∶4∶1∶1）+1%PAM 綠地土壤、土∶砂∶椰糠（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤、土∶砂∶生物質(zhì)炭（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤。可以看出，在栽培植物相同時，土∶砂∶腐熟秸稈（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤和土∶砂∶腐熟秸稈∶生物質(zhì)炭（4∶4∶1∶1）+1%PAM 綠地土壤與土∶砂∶生物質(zhì)炭（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤和土∶砂∶椰糠（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤相比，經(jīng)靜態(tài)吸附后，殘留在濾液中的氮濃度相對較高。土∶砂∶生物質(zhì)炭（4∶4∶2）+1%PAM +萱草處理經(jīng)靜態(tài)吸附后，殘留在濾液中的氮濃度相對最低。

表4 不同植物對同種綠地土壤氮吸附的影響

植物、綠地土壤以及兩者的交互作用對氮吸附能力均有顯著影響，其因子貢獻率分別為33.12%、28.67%、20.01%（表5）。

表5 基于方差分析的各因子對氮吸附影響顯著性及貢獻率分析

2.2 不同植物對綠地土壤磷吸附性能的影響

由表6 可知，不同綠地土壤對磷的吸附能力經(jīng)植物改良后都呈升高的趨勢。與綠地土壤不加植物的處理相比，在土∶砂∶腐熟秸稈（4∶4∶2）+1%PAM綠地土壤中，綠地土壤+植物的磷吸附能力較綠地土壤不加植物的處理提高了3.79%～25.17%；在土∶砂∶生物質(zhì)炭（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤中，綠地土壤+植物的磷吸附能力提高了12.57%～35.33%；在土∶砂∶腐熟秸稈∶生物質(zhì)炭（4∶4∶1∶1）+1%PAM 綠地土壤中，綠地土壤+植物的磷吸附能力顯著提高了21.83%～43.66%。在土∶砂∶椰糠（4∶4∶2）+1%PAM綠地土壤中，綠地土壤+植物的磷吸附能力提高了9.20%～71.78%。

不同綠地土壤性質(zhì)對磷的吸附能力也有較大影響，在栽培植物相同時，不同綠地土壤之間的吸附能力也存在顯著差異。從表6 可以看出，在不加植物以及在栽培萱草、八仙花、酢漿草的處理中，當不加植物以及栽培植物相同時，經(jīng)靜態(tài)吸附后殘留在濾液中的磷濃度從高到低依次均為土∶砂∶腐熟秸稈（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤、土∶砂∶腐熟秸稈∶生物質(zhì)炭（4∶4∶1∶1）+1%PAM 綠地土壤、土∶砂∶生物質(zhì)炭（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤、土∶砂∶椰糠（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤；在栽培植物鳶尾時，經(jīng)靜態(tài)吸附后殘留在濾液中的磷濃度從高到低依次為土∶砂∶腐熟秸稈（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤、土∶砂∶腐熟秸稈∶生物質(zhì)炭（4∶4∶1∶1）+1%PAM 綠地土壤、土∶砂∶椰糠（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤、土∶砂∶生物質(zhì)炭（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤。在栽培植物相同時，土∶砂∶腐熟秸稈（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤和土∶砂∶腐熟秸稈∶生物質(zhì)炭（4∶4∶1∶1）+1%PAM 綠地土壤與土∶砂∶生物質(zhì)炭（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤和土∶砂∶椰糠（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤相比，經(jīng)靜態(tài)吸附后，殘留在濾液中的磷濃度相對較高。土∶砂∶椰糠（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤+八仙花配比經(jīng)靜態(tài)吸附后，殘留在濾液中的磷濃度相對最低，顯著低于其他綠地土壤+八仙花處理。

表6 不同植物對同種綠地土壤磷吸附的影響

植物、綠地土壤以及兩者的交互作用對磷吸附能力均有顯著影響，其因子貢獻率分別為10.45%、70.14%、10.29%（表7）。

表7 基于方差分析的各因子對磷吸附影響顯著性及貢獻率分析

2.3 不同植物對綠地土壤COD 吸附性能的影響

由表8 可知，除土∶砂∶椰糠（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤外，不同綠地土壤對COD 的吸附能力經(jīng)植物改良后都呈升高的趨勢。與綠地土壤不加植物的處理相比，在土∶砂∶腐熟秸稈（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤中，綠地土壤+植物的COD 吸附能力顯著提高了15.65%～21.72%。在土∶砂∶生物質(zhì)炭（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤中，綠地土壤+植物的COD 吸附能力提高了4.36%～8.11%，但差異不顯著。在土∶砂∶腐熟秸稈∶生物質(zhì)炭（4∶4∶1∶1）+1%PAM 綠地土壤中，綠地土壤+植物的COD 吸附能力提高了0.30%～13.78%，但差異不顯著。在土∶砂∶椰糠（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤中，綠地土壤經(jīng)萱草、鳶尾、八仙花改良后，其對COD 的吸附能力呈下降趨勢，吸附能力較綠地土壤不加植物的處理降低了0.03%～5.07%，但是土∶砂∶椰糠（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤經(jīng)酢漿草改良后，其對COD 吸附能力表現(xiàn)出升高的趨勢，COD 吸附能力較綠地土壤不加植物的處理提高了2.29%。

不同綠地土壤性質(zhì)對COD 的吸附能力也有較大影響，從表8 可以看出，在不加植物時經(jīng)靜態(tài)吸附后殘留在濾液中的COD 濃度從高到低依次為土∶砂∶腐熟秸稈（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤、土∶砂∶腐熟秸稈∶生物質(zhì)炭（4∶4∶1∶1）+1%PAM 綠地土壤、土∶砂∶生物質(zhì)炭（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤、土∶砂∶椰糠（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤；在栽培植物萱草時，經(jīng)靜態(tài)吸附后殘留在濾液中的COD 濃度從高到低依次為土∶砂∶腐熟秸稈（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤、土∶砂∶椰糠（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤、土∶砂∶生物質(zhì)炭（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤、土∶砂∶腐熟秸稈∶生物質(zhì)炭（4∶4∶1∶1）+1%PAM 綠地土壤；在栽培植物鳶尾時，經(jīng)靜態(tài)吸附后殘留在濾液中的COD濃度從高到低依次為土∶砂∶腐熟秸稈∶生物質(zhì)炭（4∶4∶1∶1）+1%PAM 綠地土壤、土∶砂∶椰糠（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤、土∶砂∶生物質(zhì)炭（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤、土∶砂∶腐熟秸稈（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤；在栽培植物八仙花時，經(jīng)靜態(tài)吸附后殘留在濾液中的COD 濃度從高到低依次為土∶砂∶腐熟秸稈∶生物質(zhì)炭（4∶4∶1∶1）+1%PAM 綠地土壤、土∶砂∶生物質(zhì)炭（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤、土∶砂∶腐熟秸稈（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤、土∶砂∶椰糠（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤；在栽培植物酢漿草時，經(jīng)靜態(tài)吸附后殘留在濾液中的COD 濃度從高到低依次為土∶砂∶腐熟秸稈（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤、土∶砂∶生物質(zhì)炭（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤、土∶砂∶腐熟秸稈∶生物質(zhì)炭（4∶4∶1∶1）+1%PAM 綠地土壤、土∶砂∶椰糠（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤。可以看出，在不栽培植物以及栽培植物萱草、酢漿草時，當栽培植物相同時，土∶砂∶腐熟秸稈（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤與其余綠地土壤相比，經(jīng)靜態(tài)吸附后，殘留在濾液中的COD 濃度相對較高。在栽培植物鳶尾和八仙花時，當栽培植物相同時，土∶砂∶腐熟秸稈∶生物質(zhì)炭（4∶4∶1∶1）+1%PAM 綠地土壤與其余綠地土壤相比，經(jīng)靜態(tài)吸附后，殘留在濾液中的COD 濃度相對較高。土∶砂∶椰糠（4∶4∶2）+1%PAM綠地土壤+酢漿草配比經(jīng)靜態(tài)吸附后，殘留在濾液中的COD 濃度相對最低。

表8 不同植物對同種綠地土壤COD 吸附性能的影響

植物、綠地土壤以及兩者的交互作用對COD 吸附能力均有顯著影響，其因子貢獻率分別為17.63%、6.95%、27.23%（表9）。

表9 基于方差分析的各因子對COD 吸附影響顯著性及貢獻率分析

3 討論

在未栽培植物以及栽培植物種類相同時，土∶砂∶腐熟秸稈（4∶4∶2）+1%PAM 和土∶砂∶腐熟秸稈∶生物質(zhì)炭（4∶4∶1∶1）+1%PAM 2 種綠地土壤對氮、磷、COD 的吸附能力較其余2 種綠地土壤相對較弱。這一方面可能是因為土∶砂∶腐熟秸稈（4∶4∶2）+1%PAM 和土∶砂∶腐熟秸稈∶生物質(zhì)炭（4∶4∶1∶1）+1%PAM 綠地土壤中均含有腐熟秸稈，腐熟秸稈密度較大，養(yǎng)分含量較高，同體積換填時帶入這2 種綠地土壤的有機質(zhì)、氮、磷較多［15］，致使這 2 種綠地土壤的本底值較高，因此對污染物吸附能力較差［16］。另一方面可能是因為土∶砂∶生物質(zhì)炭（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤中的添加材料主要是生物質(zhì)炭，土∶砂∶椰糠（4∶4∶2）+1%PAM 綠地土壤中添加的主要材料是椰糠，這2 種材料的比表面積相對較高，因此這2 種綠地土壤對污染物的吸附能力較土∶砂∶腐熟秸稈（4∶4∶2）+1%PAM 和 土∶砂∶腐熟秸稈∶生物質(zhì)炭（4∶4∶1∶1）+1%PAM 綠地土壤強［17-20］。

植物可以明顯提高綠地土壤對污染物的吸附能力，且植物與綠地土壤對污染物質(zhì)的吸附存在明顯的交互作用。可能是因為根系可以改善土壤結(jié)構(gòu)。植物根系的穿插纏繞有利于土壤中團聚體的形成，并可通過呼吸、吸收等生理作用與土壤中的離子進行交換，提高土壤中的陽離子交換量［21，22］，進而提高土壤對水分和養(yǎng)分的吸附能力［23-24］。對綠地土壤起最大改良作用的植物會隨著綠地土壤和污染物種類的不同而不同，這可能與植物和綠地土壤本身的性質(zhì)有關。

4 小結(jié)

1）植物可以提高綠地土壤對污染物的吸附能力，植物對綠地土壤氮、磷、COD 吸附能力的因子貢獻率分別為33.12%、10.45%、17.63%。且植物與綠地土壤對污染物質(zhì)的吸附存在明顯的交互作用，交互作用對氮、磷、COD 吸附能力的因子貢獻率分別為20.01%、10.29%、27.23%。

2）在未栽培植物以及栽培植物種類相同時，含腐熟秸稈材料的土∶砂∶腐熟秸稈（4∶4∶2）+1%PAM和土∶砂∶腐熟秸稈∶生物質(zhì)炭（4∶4∶1∶1）+1%PAM 2 種綠地土壤對氮、磷、COD 的吸附能力與其余2 種綠地土壤相比，吸附能力相對較弱。在本試驗中，對氮、磷、COD 吸附能力相對較好的處理分別是土∶砂∶生物質(zhì)炭（4∶4∶2）+1% PAM+萱草、土∶砂∶椰糠（4∶4∶2）+1% PAM+八仙花、土∶砂∶椰糠（4∶4∶2）+1%PAM+酢漿草。