加根条件下PAHs污染土壤理化性质的动态变化

赵文滔，朱 凡，，陈 婷，洪湘琦，高吉权，胡丰姣，黄鑫浩

(1.中南林业科技大学 生命科学与技术学院，湖南 长沙 410004；2.南方林业应用技术国家工程实验室，湖南长沙 410004)

加根条件下PAHs污染土壤理化性质的动态变化

赵文滔1，朱 凡1，2，陈 婷1，洪湘琦2，高吉权2，胡丰姣2，黄鑫浩2

(1.中南林业科技大学 生命科学与技术学院，湖南 长沙 410004；2.南方林业应用技术国家工程实验室，湖南长沙 410004)

多环芳烃(PAHs)是普遍存在于环境中的持久性有机污染物，土壤理化性质影响PAHs污染土壤植物修复的效率。以菲为多环芳烃(PAHs)代表物，人工添加栾树细根，设置3个处理：①加根处理：加根、加菲；②无根处理：不加根、加菲；③对照：不加根、不加菲，研究细根添加下菲污染土壤理化性质的动态变化。结果表明：(1)菲污染土壤pH略有上升，细根添加对污染土壤pH影响不明显；(2)菲污染显著增加了土壤有机质含量，细根添加进一步增加污染土壤有机质含量；(3)菲污染显著降低了土壤全N、P含量，细根添加增加了污染土壤N、P含量，但仍低于对照。

细根；土壤；理化性质；PAHs；栾树

土壤是生态环境的重要组成部分，是人类赖以生存的主要资源之一，也是物质生物地球化学循环的储存库。多环芳烃(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons,PAHs)是普遍存在于环境中的持久性有机污染物，土壤是PAHs的汇，对土壤环境质量构成了严重的威胁，因此，如何去除土壤中的多环芳烃已成为研究热点。

由于植物修复具有环境友好、费用低廉等特点[1]，因此，近年来国内外在 PAHs 污染土壤的植物修复方面进行了大量的研究[2-5]，结果表明PAHs植物修复主要表现为根际修复[6]，即根际区细根的生长、死亡、分解(即细根周转)和根系分泌物不仅提供容易分解的碳源而且改善土壤理化性质，从而激发土壤微生物活性，促进PAHs代谢[7-8]。目前大多数相关研究都集中于根系分泌物的影响[9-10]，而有关细根死亡分解对根际界面的影响却鲜有报道。栾树(Koelreuteria paniculata Laxm.)为常见落叶阔叶树种，抗逆性强，常作为重金属、有机物污染修复树种[11-12]。本研究通过人工添加栾树细根方式，分析PAHs污染土壤细根添加影响土壤理化性质的变化规律，为更科学地进行PAHs的生态风险评估和PAHs污染土壤的生物修复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验土壤采自于中南林业科技大学校园内(20cm以下)，无 PAHs 污染。土壤pH值为5.40，土壤全C含量为27.35g·kg-1，土壤全N含量为0.13g·kg-1，土壤全P含量为0.22g·kg-1。土壤自然风干，待用。

1.2 试验设计

1.2.1 PAHs污染土壤制备

选用菲(3环)为PAHs代表物。土壤经采集、风干和磨细后，过5mm筛后。然后在磨细的土壤中，人为拌入丙酮溶解的菲。菲添加量为500mg·kg-1。将拌匀的菲污染土壤在暗处静置直至丙酮完全挥发并充分老化至稳定(68天)。每只盆钵放入菲污染土样1kg。

1.2.2 试验方案

将1年生栾树幼苗从土壤中挖出，取≤2mm细根，然后洗净晾干后，剪成2cm长。根据亚热带阔叶林自然状态下细根周转率，按照3g·kg-1的比例向上述盆钵中添加。本研究设计3个处理：①加根：加菲，加根；②无根：加菲，不加根；③对照：不加菲，不加根。每种处理3个重复。试验在温室中进行，每天称重补水以维持土壤水分为田间最大持水量的60％，整个试验持续90d，分别在培养第 0、15、30、60 和90d采集土壤样品测定土壤的理化性质。

1.2.3 试验方法

土壤pH测定采用电极法；土壤有机质含量的测定采用重铬酸钾氧化法(外加热法)；全氮用半微量开氏法测定；土壤全磷采用钼锑抗比色法测定。

1.3 数据统计和分析

本实验采用Microsoft Excel 2003进行数据整理，SPSS19.0进行单因素方差分析和多重比较分析(LSD)，SigmaPlot 12.0做图。

2 结果

2.1 土壤pH

土壤酸碱性是土壤许多化学性质的综合反映，也是影响土壤肥力的一个重要因素，它对土壤的其它一系列性质以及整个生态环境都有着深刻的影响[13]。加根处理下菲污染土壤pH的变化如图1所示，加根、无根处理和对照处理土壤pH在每个培养时间均小于6，变化幅度均较小。

加根处理下土壤pH与无根处理相比变化幅度较小，仅在60d时加根处理下土壤pH显著高于无根处理(P＜0.05)，其它培养时间差异均不显著(P＞0.05)。

无根处理土壤pH在整个培养期间均高于对照处理，且在0d、30d、90d显著高于对照处理(P＜0.05)；在其他时间差异不显著(P＞0.05)。

图1 添加栾树细根后菲污染土壤pH的变化Fig.1 pH of phenanthrene-contaminated soil after adding fi ne roots

2.2 土壤有机质

土壤有机质是指存在于土壤中的所有含碳的有机物质，它包括土壤中的各种动、植物残体，微生物体及其分解和合成的各种有机物质，在农田肥力、环境保护、农业可持续发展等方面具有重要意义[14]。

加根处理下菲污染土壤有机质含量变化如图2所示。加根处理下土壤有机质含量从15d开始均高于无根处理，并随时间推移逐渐升高，90d时是无根处理的1.26倍，呈显著差异性(P＜0.05)。

图2 添加栾树细根后菲污染土壤有机质的变化Fig.2 Organic matter of phenanthrene-contaminated soil after adding fi ne roots

无根处理下土壤有机质含量在整个培养期间均高于对照处理，0d、15d、30d、60d、90d无根处理下土壤有机质含量分别是对照组的1.25、1.22、1.22、1.33、1.25倍，均呈显著差异性(P＜0.05)，

可见，细根和污染物菲的添加均能提高土壤有机碳含量。

2.3 土壤全氮

氮素是植物细胞原生质的重要组成成分[15]，不同形态的氮素营养能够直接影响植物的生长状况以及体内的能量利用、有机酸的合成与代谢等很多生理生化过程。氮素不仅可以通过改变植物根系形态影响 PAHs 的吸收，而且还可以影响植物体内 PAHs的挥发和生物降解。

加根处理下菲污染土壤的全氮含量变化如图 3所示，加根处理下土壤全氮含量均高于无根处理，且在30d、60d、90d显著高于无根处理(P＜0.05)。在 15d、30d、60d、90d加根处理土壤全氮含量分别是无根处理的1.15、1.17、1.17、1.20 倍。

图3 添加栾树细根后菲污染土壤全氮的变化Fig.3 Total nitrogen of phenanthrene-contaminated soil after adding fi ne roots

无根处理的土壤全氮含量均显著低于对照处理(P＜0.05)，在0d、15d、30d、60d、90d分别是对照处理的0.63、0.56、0.63、0.63、0.68倍。

可见，污染物菲的加入降低了土壤全氮含量，细根的添加能缓解污染物菲对土壤全氮含量的影响，对土壤全氮含量具有一定的促进作用。

2.4 土壤全磷

磷是植物生长发育所必需的另一大营养元素，参与组成植物体内许多重要化合物，是植物体生长代谢过程不可或缺的养分元素[16]。

加根处理下菲污染土壤的全磷含量变化如图4所示，加根处理下土壤全磷含量均高于无根处理，在0d、15d、30d、60d、90d分别是无根处理的0、1.13、1.12、1.25、1.38倍，且在60d、90d显著高于无根处理(P＜0.05)。

图4 添加栾树细根后菲污染土壤全磷的变化Fig.4 Total phosphorus of phenanthrene-contaminated soil after adding fi ne roots

无根处理下土壤全磷含量均低于对照组，且在0d、15d、60d显著低于对照组(P＜0.05)。在0d、15d、30d、60d、90d无根处理的土壤全磷含量分别是对照处理的0.80、0.75、0.86、0.74、0.69倍。

可见，污染物菲的加入降低了土壤全磷含量，细根的添加能缓解污染物菲对土壤全磷含量的影响，对土壤全磷含量具有一定的促进作用。

3 讨论与结论

细根通过生产、死亡和分解的过程，对土壤C库的贡献高达25％～80％，提供的N为29～255kg·hm2[17]，而且还影响土壤微生物的活性和分解过程[18]，有研究表明土壤中憎水性有机化学物质的含量与土壤有机质含量呈正相关关系[19]，这是因为有机污染物本身也是一种碳水化合物，本研究结果也表明，菲污染土壤有机碳含量均高于对照组，且加根处理下土壤有机质含量高于无根处理，这与前人研究结果相似。但在不同培养时间段，土壤有机质含量是不一样的，这可能是因为细根分解具有明显的阶段性，且碳的释放是个缓慢过程[20]，而且菲污染或根系分解提高土壤微生物活性，从而使细根的分解加剧[21]。

Trindade分析了石油污染土壤对土壤全氮的影响时发现，与对照土壤相比，污染土壤全N含量降低了15.95％[22]，这与金文标等[23]的研究相符，他们认为随着土壤中石油含量的增加，微生物活动分解石油过程中需要大量的N、P作为补充，就消耗大量的N素和P素。本研究结果表明，菲污染土壤全氮、全磷含量均低于对照，这与前人研究结果一致。而由于细根在分解死亡过程中，与周围土壤不断的进行物质交换，归还了大量的N、P给土壤，使土壤N、P含量高于无根处理。

土壤酸碱性是土壤许多化学性质的综合反映，也是影响土壤肥力的一个重要因素，它对土壤的其它一系列性质以及整个生态环境都有着深刻的影响[24]当有机污染物渗透到土壤，会使pH在酸性范围内上升，酸度减小，碱性增大[25]。这与烃类物质在长期的降解过程中，产生一些碱性物质，导致pH值升高有很大关系[26]。本研究结果表明，菲污染土壤pH均高于对照组，但土壤pH值在整个培养时间内波动不大，这与土壤酸碱性主要受成土因子控制，变化过程十分缓慢有关[27]。

综上所述，菲对土壤pH、C、N、P具有一定的影响，土壤pH略有上升，增加了土壤C含量，减少了土壤N、P含量，但添加的细根通过分解增加了土壤C、N、P含量，缓解了菲对土壤性质的影响。

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The dynamic changes of physical-chemical properties in PAHs contaminated soil under roots addition

ZHAO Wen-tao1,ZHU Fan1,2,CHNE Ting1,HONG Xiang-qi2,GAO Ji-quan2,HU Feng-jiao2,HUAN Xin-hao2
(1.School of Life Science and Technology,Central-South University of Forestry&Technology,Changsha 410004,Hunan,China;2.National Engineering Lab.For Applied Technology of Forestry&Ecology in South China,Changsha 410004,Hunan,China)

Polycyclic Aromatic Hydrocarbons(PAHs)are widely permanent organic pollutant in nature.Soil physical-chemical properties plays key role in the ef fi ciency of PAHs after phytoremediation.Soil pot experiment were conducted to investigate the physical-chemical properties in PAHs contaminated soil under roots addition.The experiment were treated with fi ne roots and phenanthrene to three kinds of treatments：① root addition：adding roots and phenanthrene;② non-root：no root and adding phenanthrene; ③ control：no root and no phenanthrene.The results showed that the pH were increased slightly in phenanthrene contaminated soil,but pH were little changed with root addition.The organic matter were increased signi fi cantly in phenanthrene contaminated soil,but The organic matter were further increased with root addition in base.The total nitrogen and total phosphorus were decreased signi fi cantly in phenanthrene contaminated soil,but they were increased with root addition and were lower than the control.

roots; soil; physical-chemical properties; PAHs; Koelreuteria paniculata Laxm

S718.51

A

1673-923X(2015)07-0100-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.07.018

2014-10-20

湖南省教育厅资助科研项目(12A149)；国家林业局推广项目(2012-64)；国家林业局软科学研究项目(2013-R09)；湖南省林业厅科技项目；湖南省普通高校青年骨干教师培养对象

赵文滔，硕士研究生

朱 凡，副教授，硕士生导师；E-mail：forestranger33@hotmail.com

赵文滔，朱 凡，陈 婷，等.加根条件下PAHs污染土壤理化性质的动态变化[J].中南林业科技大学学报，2015,35(7)：100-104.

[本文编校：吴 毅]