9 种植物及其8 种组合对五氯酚污染土壤的修复效果

张碧波，王贤芳，冉启洋，蒋 俊，陈 剑，李 晶

（1.湖南恒凯环保科技有限公司，湖南 长沙 410000；2.持久性有机污染微生物生态 修复湖南省工程实验室，湖南 长沙 410000；3.湖南省有机污染场地修复 工程技术研究中心，湖南 长沙 410000）

20 世纪30 年代以来，五氯酚（PCP）作为防腐剂、杀虫剂及杀真菌剂在全球范围内广泛应用[1]。尤其是在我国血吸虫疫区，从20 世纪50 年代开始，PCP 作为杀灭血吸虫中间宿主钉螺的主要药剂在长江中下游的11 个省、市、区的稻田和池塘持续使用，应用面积约148 万hm2，造成区域内不同程度的PCP 污染和残留[1-6]。PCP 化学性质稳定，在环境中降解缓慢，是一种典型的持久性有机污染物（POPs），具有很强的“三致”（致癌，致畸，致突变）效应，能抑制生物代谢过程中氧化磷酸化作用，可造成动物肺、肝、肾及神经系统的损伤[1]。据报道，洞庭湖、鄱阳湖洲滩、长江武汉段、汤逊湖池塘、湖北松滋市老陈镇庙河沉积物中的PCP 含量都超过了水环境沉积物PCP 生态风险浓度（20～25 ng/g），对区域内水生态系统及人体健康存在潜在威胁[3-6]。总体而言，由于PCP 及其钠盐的广泛使用，出现了一系列环境问题，急需研究相应的治理方法[6-9]。

目前，PCP 污染修复有物理、化学等诸多方法，但最常用最有效的方法是将污染物从污染地挖走，通过光降解或焚烧的方式去除PCP，但该方法费用昂贵，且面临大面积污染时难以实施[8-20]。而且，物理和化学修复方法还可能破坏当地的生态资源[3-14]。近20 a来，以生态毒理学为基本原理的环境生物修复技术受到各国政府和科学家的高度重视，其中植物修复技术因具有独特的优势而异军突起[14-20]。其优势在于：利用修复植物的提取、挥发、降解作用，可在原位永久性地解决环境污染问题；修复植物的稳定作用可以绿化污染土壤，使地表稳定，防止污染土壤因风蚀或水土流失而引起的污染扩散问题；修复植物的蒸腾作用可以防止污染物质对地下水的二次污染；植物修复能避免土壤清洁造成的场地破坏，对环境扰动少；此外，依靠植物的新陈代谢活动来修复污染环境，成本较低，开发价值大。

笔者记录了湖南株洲某五氯酚污染场地（N27.885，E113.084）的气候条件（亚热带季风性湿润气候，雨量充沛、光热充足，风向冬季多西北风，夏季多正南风，无霜期在286 d 以上，年平均气温16～18℃），确定了场地PCP 污染物形态和土壤理化性质（包括有土壤pH 值、氮磷钾等养分与有机质含量），调查了场地现存植物（包括生境、生长状况、产量、PCP 污染修复效果等），在此基础上筛选对污染修复效果较好的植物开展试验，包括单种植物修复、多种植物组合修复及其适应pH 值试验。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1供试植物根据PCP 污染场地植物生长情况，选取以下9 种植物为供试植物：莎草科莎草属植物莎草（Cyperus rotundusL.），禾本科羊茅属植物高羊茅（Festuca elataKeng ex E. Alexeev），禾本科黑麦草植物黑麦草（Lolium perenneL.），十字花科芸苔属植物芥菜[Brassica juncea（L.） Czern. et Coss.]，豆科车轴草属植物三叶草（Trifolium pratenseL.），豆科苜蓿属植物苜蓿（Medicago sativaL.），杨柳科柳属植物垂柳（Salix babylonica），廖科酸模属植物酸模（Rumex acetosaL.），菊科白酒草属植物小飞蓬[Conyza canadensis（L.） Cronq]。其中，豆科植物三叶草和苜蓿具有很好的固氮作用，可以为其他科属植物提供一定的氮源，促进其他植物生长。以上供试植物中高羊茅、黑麦草、苜蓿和三叶草购买种子，其他均为污染场地周围采集。

1.1.2供试土壤供试土壤为从某化工厂废弃PCP 生产车间挖取的PCP 污染土壤（1 000 kg），混合均匀后测得其PCP 含量为30.5 mg/kg。

1.2 试验方法

1.2.1不同植物及其组合修复PCP 污染土壤的盆栽试验试验于2019 年2—10 月在长沙市高新区湖南恒凯环保产业园园区（N28.221988，E112.837296）内进行，选择阳光充足，无水涝处进行盆栽试验。用直径为45 cm、深30 cm 的加仑盆进行盆栽试验，每个盆装入25 kgPCP 污染土壤，设置17 个处理，每个处理3 次重复，共计51 盆。从莎草、高羊茅、芥菜、三叶草、苜蓿、黑麦草、垂柳、酸模、小飞蓬9 种植物中筛选修复效果最好的植物，即处理1～9；并根据植物生长高度差异、充分利用空间的原则高低组合，即处理10～17，详细情况见表1。植物种植后放置在阳光充足的室外，定期浇水。

植物盆栽试验周期较长，植物有固定生育期，一般情况下1 a 只能进行1～2 次完整的盆栽试验，因此为 了加快试验进度，单种和植物组合盆栽试验同时进行。

1.2.2pH 值对植物修复PCP 污染土壤效果的影响以修复效果较好的4 种植物为材料，利用硫酸亚铁和石灰调节pH 值到5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0，共计6 个梯度进行试验，其他试验条件相同。

表1 不同植物及其组合修复PCP 污染土壤的盆栽试验设计

1.2.3样品采集与分析种植植物4 个月后（芥菜、黑麦草和酸模由于生育期较短，种植2个月开始取样），每15 d 取植物地上部分测量鲜重，然后105℃杀青、65℃烘干至恒重，称量干重，粉碎过筛，保存备用。土壤总共取样4 次，取样时间与植物相同，前3 次取表层土壤以免破坏植物生长，第4 次取样分上、中、下3 层，每层取相同质量的土壤混合均匀，保存备用。

1.2.4测试指标及方法测试指标包括土壤pH 值、土壤PCP 含量、植株PCP 含量等指标。土壤pH 值按照NY/T 1121.2—2006 中的方法测定，土壤PCP 含量和植株PCP 含量按照HJ 703—2014 中的方法测定，植株PCP 含量为干重含量。

2 结果与分析

2.1 不同植物及其组合修复PCP 污染土壤的效果

2.1.1各处理植物地上部的生物量如图1、图2 所示，从9 种植物单种的生长情况来看，随着时间推移，各植物的生物量逐渐增加；其中，垂柳（处理7）的地上部产量最大，鲜重达到15.01 kg，干重达到4.62 kg；其次是小飞蓬（处理9），鲜重达到13.79 kg，干重达到4.95 kg；二者与其他单种植物相比差异达极显著水平（P＜0.01）。从组合植物的生长情况来看，因为是植物组合混播，所以生物量更大，与单种植物处理（处理7 除外）差异显著（P＜0.05）；种植6 个月后，处理13 与处理15 地上部分鲜重最大，分别为16.87 和16.77 kg；干重方面略有差异，处理12、 处理16 干重较大，分别为6.50 和6.72 kg，较其他植物组合及单种情况差异显著（P＜0.05）；即2 种植物组合中以小飞蓬+苜蓿、垂柳+黑麦草的地上部生物量指标较好，3 种植物组合中以垂柳+小飞蓬+苜蓿、垂柳+小飞蓬+三叶草的地上部生物量指标较好。

因此，在单种情况下，垂柳和小飞蓬更加适宜PCP 污染土壤修复；在2 种植物组合情况下小飞蓬+苜蓿、垂柳+黑麦草的效果较好；3 种植物组合情况下垂柳+小飞蓬+苜蓿、垂柳+小飞蓬+三叶草的产量较高，这2 个组合的特点是高低搭配，豆科植物与非豆科植物搭配，充分利用空间及豆科植物的固氮 特性。

2.1.2各处理植株各部位的PCP含量如图3 所示，随着时间的推移，植株中的PCP 含量呈上升趋势。从单种处理来看，处理9 的含量较高，为2.92 mg/kg，较其他单种处理差异极显著（P＜0.01），其次是处理4 和处理5，较其他单种处理差异显著（P＜0.05）；从组合植物的生长情况来看，处理12 的PCP 含量较高，为2.87 mg/kg，较其他混合种植处理差异极显著（P＜0.01），其次是处理10。这说明单种处理以小飞蓬对PCP 污染物的吸收效果最好，植物组合以小飞蓬+苜蓿的效果最好，其次为小飞蓬+三叶草。如表2所示，从植物富集系数（EF）和转移系数（TF）分析，小飞蓬富集系数和转移系数最大，较其他植物差异显著（P＜0.05）。综上所述，小飞蓬及其与苜蓿的组合植株的PCP 含量最高，且小飞蓬的富集系数和转移系数最大。若不考虑植物的代谢分解，小飞蓬是吸收PCP 最多，最适合应用于PCP 污染土壤修复的植物。

表2 不同植物及其组合植株不同部位的PCP 含量

2.1.3不同植物及组合修复土壤PCP的效果如图4所示，随着时间的推移，各处理土壤中的PCP 含量下降百分比逐渐增大，即PCP 含量逐渐下降，各处理下降速率差异较大。种植6 个月后，处理5、处理9、处理10、处理12、处理15、处理16、处理17 的土壤PCP 含量下降百分比分别为53.12 %、56.14 %、56.73 %、58.08 %、59.34 %、56.38 %、57.32 %，显著高于其他处理（P＜0.05）。其中，单种植物中，苜蓿和小飞蓬对土壤PCP 的去除效果较好；2 种植物组合中，小飞蓬+三叶草、小飞蓬+苜蓿对PCP 去除率效果较好；而3 种植物组合的处理中，以垂柳+小飞蓬+苜蓿组合的效果最好。试验结果还表明，3 种植物组合的处理去除土壤PCP 的效果明显优于2 种植物和单种植物处理。这是因为3 种植物组合充分利用了空间，增加了豆科植物与非豆科植物的相互协调，形成的生态系统更为复杂。

2.2 土壤pH 值对PCP 污染修复效果的影响

如图5 所示，在不同pH 值环境中，小飞蓬和垂柳产量的差异不大，但均显著高于三叶草和苜蓿的产量（P＜0.05），4 种植物的干产量均随pH 值的增加而呈现出先上升后下降的趋势，在pH 值为7.0 的时候达到最大值；其中，小飞蓬的干产量从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）；垂柳的干产量从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），三叶草的干产量从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），苜蓿的干产量从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）。在产量随pH 值增加而增加的过程中，苜蓿产量比三叶草产量增加更快。从干产量角度分析，植物修复PCP 污染的最佳pH 值为7.0。

如图6 所示，在不同pH 值环境中，小飞蓬和垂柳的土壤PCP 含量下降百分比差异不大，而苜蓿和三叶草在pH 值5.5～7.0 范围内土壤PCP 含量下降百分比的差异不大，而在7.0～8.0 范围内，三叶草的土壤PCP 含量下降百分比变化不大，其值明显大于苜蓿（P＜0.05）；在pH 值从5.5 到8.0 的变化过程中，4 种植物的土壤PCP 含量下降百分比均呈现出先增加后下降的趋势，在pH 值为7.0 时达到最大值；其中，小飞蓬的土壤PCP 下降百分比从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 下降百分比从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），三叶草的土壤PCP 下降百分比从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 下降百分比从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）。从土壤PCP 含量下降百分比来看，植物修复PCP 污染的最适pH 值为7.0。

3 结论与讨论

从植物的生物量来看，垂柳的地上部产量最高，种植6 个月后鲜重达15.01 kg，干重达4.62 kg；其次是小飞蓬，鲜重13.79 kg，干重4.95 kg。从植株吸收PCP 的量来看，单种时，三叶草、小飞蓬中的PCP 含量分别为2.09、2.92 mg/kg，显著高于其他单种植物；植物组合中小飞蓬+苜蓿的PCP 含量为2.87 mg/kg，极显著高于其他植物组合。从植物对PCP 的富集和转移来看，小飞蓬的富集系数和转移系数最大，分别为0.22 和0.93，显著高于其他植物。从土壤PCP含量下降情况来看，单种处理中苜蓿和小飞蓬的土壤PCP 含量下降百分比最大，分别为53.12 %、56.14 %；2 种植物组合中小飞蓬+三叶草、小飞蓬+苜蓿的土壤PCP 含量下降百分比最大，分别56.73 %、58.08 %；3 种植物组合中垂柳+小飞蓬+苜蓿PCP 含量下降百分比最大，为59.34 %，显著高于其他植物及植物组合。

在pH 值从5.5 到8.0 的变化过程中，所有植物的干产量和PCP 去除率都表现出先增后减的趋势，当pH 值为7.0 时，小飞蓬、垂柳、三叶草和苜蓿的干产量达到最大值，分别为4.89、4.92、3.25 和3.80 kg；土壤PCP 去除率也在pH 值为7.0 时达到最大值，分别为55.46%、55.40 %、50.95 %和48.76 %。

综合植物产量、植物含量、土壤PCP 下降百分比等数据可知，单种情况下，小飞蓬和垂柳更适合应用于PCP 污染土壤修复；2 种植物组合情况下，小飞蓬+三叶草、小飞蓬+苜蓿的修复效果更佳；3 种植物组合情况下，垂柳+小飞蓬+苜蓿的修复效果最好。此外，7.0 是PCP 污染土壤植物修复的最佳pH 值。

试验结果表明，小飞蓬在PCP 污染土壤中生长状况较好，且能有效去除土壤中的PCP，这在以前的文献中未见报道。后续应进行更多中试试验进一步验证小飞蓬修复PCP 污染土壤的效果。垂柳用于PCP污染土壤修复的研究报道较多，此次试验中的修复效果与以前文献报道的修复效果相近[5-20]。小飞蓬+豆科植物（该试验中的三叶草、苜蓿）的修复效果较单种小飞蓬效果更佳，主要在于豆科植物具有根瘤菌，有一定的固氮作用，有利于小飞蓬的生长，同时根瘤菌对PCP 污染土壤修复也有一定的效果，但是小飞蓬与豆科植物的协同修复机理有待进一步研究。