绿化植物废弃物强化草坪修复石油烃污染土壤研究(环保)
丁正， 梁晶*， 方海兰
（上海市园林科学研究所，上海200232）
摘要：该文以黄棕壤自制的石油烃( TPH)污染土壤为研究对象，进行了绿化植物废弃物添加量强化狗牙根、黑麦草、高羊茅修复TPH的研究。研究结果表明：绿化植物废弃物和种植植物相结合更有利于TPH污染土壤的修复，不同植物遵循以下顺序：高羊茅>黑麦草>狗牙根，且添加10%绿化植物废弃物时，TPH污染土壤的修复效果最好；随着培养时间的增加，TPH降解菌具有先增加后降低的趋势，且该变化趋势不受绿化植物废弃物添加量的影响；TPH降解菌数量和草坪植物生物量是影响TPH污染土壤修复效果的主要因素。
关键词：绿化植物废弃物；高羊茅；黑麦草；狗牙根；TPH;降解率；降解菌；生物量
中图分类号：X53 doi: 10.3969/j.issn．1003-6504.2016.05.017 文章编号：1003-6504(2016)05-0085-05
随着人类生产和生活过程中对石油需求的急剧增加，石油烃(TPH)逐渐成为目前环境中广泛存在的有机污染物之一，被美国EPA列为重点监控指标。对上海不同类型绿地土壤的TPH调查发现，上海城市绿地土壤存在不同程度的TPH累积，并以道路绿地含量最高。相关研究也表明，土壤受石油烃污染后，不但堵塞土壤孔隙，阻碍植物根系的呼吸与吸收，导致农作物减产，而且可以通过植物吸收作用进入植物体并在植物体内积累，间接通过食物链传递进入动物和人体体内，引起环境风险和人体健康风险；而且没有被土壤吸附的TPH还可渗入地下污染地下水。
目前，关于TPH污染土壤的修复方法很多，其中，由于植物与微生物联合修复法既兼顾了植物修复具有美化景观、操作简单及作用时间长等优点，也兼顾了生物修复处理效果好、对环境影响小、无二次污染等优点而备受关注，且相关研究也表明，与添加外源石油降解菌相似，添加适当的调理剂刺激土著微生物也能促进土壤污染物TPH的降解。目前所用调理剂大多为蛭石、草炭、稻草、木屑等，如卢桂兰等利用草炭进行油田陈化油泥生物修复的研究也表明，草炭使陈化油泥中总石油烃( TPH)的降解率达到了38.9%，较自然衰减的TPH降解率提高了24%。而城市绿化植物废弃物主要指城市绿地或郊区林地中绿化植物自然或养护过程中所产生的乔灌木修剪物（间伐物），随着城市绿化的快速发展，产生的量也越来越大，其出路也是当前城市发展的一大难题。
为此，本文选取上海黄棕壤为研究对象，通过自制TPH污染土壤的方法，进行了不同绿化植物废弃物添加量对种植城市绿化常用的3种草坪植物（狗牙根（Cynodon dactylon），黑麦草（Lolium perenne），高羊茅（Festuca arundinacea））修复TPH的研究，旨在为TPH污染土壤的修复技术提供理论依据，促进城市绿化植物废弃物的循环利用。
1 材料与方法
1.1 土壤样品
供试土壤样品为上海的黄棕壤，土壤样品室温下风干后，过2 mm和0.149 mm筛备用，土壤pH 6.61，有机质20.09 g/g。总氮0.99 g/kg，总磷0.12 g/kg，总钾9.53 g/kg。
供试TPH污染土壤的制备：称取一定量2 mm备用土壤，加入适量溶入丙酮的原油，并将其与土壤充分混匀，待丙酮挥发后，放置一个月后备用。供试TPH污染土壤TPH的含量为2 976 mg/kg，与展览会用地土壤环境质量评价标准相比，TPH污染土壤中TPH含量约为A级标准的3倍(A级标准土壤TPH目标值为1 000 mg/kg)。
1.2 植物材料
供试植物种子分别为狗牙根(Cynodon dacty-lon)、黑麦草（Lolium perenne）和高羊茅（Festuca aru-ndinacea），且种植前对3种植物种子进行发芽率实验均显示，发芽率在90%以上。
供试绿化植物废弃物堆肥产品主要为上海市行道树修剪的枝条，经粉碎机粉碎成1～3 mm粒径后堆肥6个月，各项指标显示已经腐熟，pH 8.59，EC 1.24mS/cm，有机质864.4 g/kg，总氮2.33 g/kg，总磷0.62g/kg，总钾1.13 g/kg。
1.3 植物种植实验
绿化植物废弃物添加量的实验设计：将供试绿化植物废弃物按重量比0%、5%、10%和20%分别加入自制的黄棕壤TPH污染土壤，搅拌混匀后，进行种植实验。
每种绿化植物废弃物添加量下．植物种植实验均设4个处理，分别为：未种植植物的对照；种植狗牙根处理；种植黑麦草处理；种植高羊茅处理。且每个处理设4个重复。
实验均按每盆100粒草种进行种植，培养期间采用称重法控制土壤水分含量，使土壤中的含水量维持在60%～70%。在培养的第0天、30天、60天、90天，用小型的不锈钢土钻随机钻取8～10个孔取混合土样备用。其中采集的土壤鲜样用于TPH含量及TPH降解菌数量的测定，风干样用于土壤理化性质的测定。且种植实验培养90 d后收获植物并进行植物生物量测定。
1.4 分析方法
土壤TPH提取和测定参照HJ 350-2007，TPH降解菌测定采用经典的MPN法,pH、有机质、全氮、全磷和全钾参照《森林土壤分析方法》测定。植物生物量采用105℃杀青15 min，65℃烘至恒重后称重的方法测定。
2 结果与讨论
2.1 绿化植物废弃物对土壤TPH含量及TPH降解率的影响
绿化植物废弃物不同添加量对草坪修复土壤TPH的研究见图1，从图1可以得知，所有处理TPH的含量均较土壤TPH初始含量低，即便是未添加绿化植物废弃物或种植草坪的对照处理，TPH污染土壤自然放置90 d后，土壤TPH的降解率也达到了22.5%，这与金文标等的研究结果相一致，油污土壤经90 d的自然降解，原油降解率为24.5%，其原因可能是由于土壤中土著微生物对TPH具有降解作用导致的，宋玉芳等也认为IPH的降解在很大程度上依靠土著微生物的降解能力。
但就未种植草坪的对照而言，添加不同量绿化植物废弃物后，土壤中残留TPH含量由高到低依次为：0%绿化植物废弃物>5%绿化植物废弃物>20%绿化植物废弃物> 10%绿化植物废弃物。进一步从TPH的降解率也可以看出（表1），添加10%绿化植物废弃物处理和添加20%绿化植物废弃物处理TPH降解率，极显著高于未添加绿化植物废弃物处理(p<0．01)，显
著高于添加5%绿化植物废弃物处理(p<0.05)，但添加10%绿化植物废弃物处理和添加20%绿化植物废弃物处理之间以及未添加绿化植物废弃物处理和添加5%绿化植物废弃物处理之间，IPH降解率差异均不显著(p>0.05)。可见，添加绿化植物废弃物后，土壤TPH的降解率增加了6.05%，这可能因为TPH污染土壤粘着力强，添加绿化植物废弃物后，土壤理化性质得到了改善，增加了土壤通气性，增强了微生物的活性。
种植狗牙根后，虽然土壤中残留的TPH含量由高到低顺序与对照不同：5%绿化植物废弃物>0%绿化植物废弃物> 10%绿化植物废弃物>20%绿化植物废弃物，但不同处理间TPH降解率差异显著性与对照相似，即添加20%绿化植物废弃物和添加10%绿化植物废弃物的处理TPH降解率显著高于添加5%绿化植物废弃物的处理和添加0%绿化植物废弃物处理(p<0.05)，添加10%绿化植物废弃物处理和添加20%绿化植物废弃物处理之间以及未添加绿化植物弃
物处理和添加5%绿化植物废弃物处理之间，TPH降解率差异均不显著(p>0.05)。这也说明绿化植物废弃物添加量对TPH污染土壤的影响不受狗牙根草坪的影响。
与种植狗牙根不同，添加10%绿化植物废弃物后，种植黑麦草处理土壤中残留的TPH含量最小，TPH降解率最大，且其极显著高于添加0%绿化植物废弃物处理和添加5%绿化植物废弃物的处理(p<0.01)，显著高于添加20%绿化植物废弃物的处理(p<0.05)。但与种植黑麦草处理略有不同，种植高羊茅后，添加5%绿化植物废弃物和10%绿化植物废弃物处理，土壤残留TPH含量较小，TPH降解率较大，且添加10%绿化植物废弃物处理TPH降解率极显著高于添加0%绿化植物废弃物处理和20%绿化植物废弃物处理(p<0.01)，显著高于添加5%绿化植物废弃物处理(p<0.05)。
虽然添加绿化植物废弃物有助于TPH污染土壤中TPH的降解，但并不存在绿化植物废弃物的添加量越多，TPH降解效果越好的趋势，总体而言，添加10%绿化植物废弃物时，土壤TPH的降解效果最好，这可能一方面由于N、P等营养元素对植物和微生物的生长有重要作用，对TPH污染土壤而言，污染物TPH可提供植物生长所需的C源，而N、P等营养元素则主要依靠土壤本身提供。因此，向TPH污染土壤中添加含有N、P等营养元素的改良材料，能有助于植物对TPH污染物的修复；另一方面可能此时土壤C、N、P等营养元素的比例较其它添加量时更适合植物与根际微生物的生长与繁殖。Graham等的研究表明也C、N、P的比例会影响微生物对TPH的降解。
可见，添加绿化植物废弃物和种植植物相结合的措施更有利于TPH污染土壤的修复，且不同植物对TPH污染土壤的吸附效果有所不同，其中种植高羊茅处理TPH降解效果最好，其次为种植黑麦草处理，种植狗牙根处理效果最差，这可能与根际土壤降解TPH的微生物以及植物的生物量有关。相关研究表明，植物根系可为微生物创造适宜的生存环境，刺激根区微生物的活性，而且植物的生物量越大，对污染物的吸收利用越多，修复效果越好。
2.2 绿化植物废弃物对土壤TPH降解菌数量的影响
添加不同量绿化植物废弃物的TPH污染土壤，自然培养及种植不同草坪植物90 d后，TPH降解菌数量的变化情况如图2，从图2可知，所有4种处理（未种植植物的对照、种植狗牙根处理、种植黑麦草处理和种植高羊茅的处理）在分别添加0%、5%、10%、20%绿化植物废弃物后，随培养时间增加，土壤TPH降解菌数量的变化趋势相似，均呈抛物线分布，其中，0～30 d期间，TPH降解菌数量快速增加，30～60 d时，TPH降解菌数量处于基本稳定状态，60~90 d时，TPH降解菌数量急剧下降。这与添加10%绿化植物废弃物种植高羊茅处理土壤TPH降解率变化的监测结果相一致，这说明初始时污染物TPH有可能刺激了土壤
中细菌数量增加，以降解外来污染物来保持原有的平衡，但随着时间的增加，污染物TPH与TPH降解菌接触度也增加，污染物TPH逐渐抑制了TPH降解菌的产生和繁殖。
就不同绿化植物废弃物添加量对TPH降解菌数量的影响而言，从图2也可得知，所有4种处理，TPH降解菌数量多少依次为：10%绿化植物废弃物>5%绿化植物废弃物> 20%绿化植物废弃物>0%绿化植物废弃物，这与上述的研究结果相一致，添加10%绿化植物废弃物时，土壤TPH含量最小，TPH降解率最大，说明此时最适宜TPH微生物降解菌的生长。可见，绿化植物废弃物有利于植物对TPH污染土壤的修复，且对于植物修复土壤中TPH污染物的效果提升最明显的绿化植物废弃物添加量为10%。
此外，也可以发现，即使相同的绿化植物废弃物添加量，不同植物对土壤TPH降解菌数量的影响大小不同，如添加10%绿化植物废弃物时，对照处理TPH降解菌数量的变化范围为13.1x104～26.8 x104CFU/g，种植狗牙根处理TPH降解菌数量介于5.3x104～35.2x104 CFU/g之间，种植黑麦草处理TPH降解菌数量的变化范围为6.2x104～53.1x104 CFU/g，种植
高羊茅处理TPH降解菌数量的变化范围为7.4x104～279.0x104 CFU/g。这说明增加TPH降解菌数量和提高TPH降解菌活性，可增加污染物TPH的降解率，缩短污染物去除的时间。
2.3 绿化植物废弃物对草坪植物生物量的影响
表2所示为添加不同量绿化植物废弃物后的草坪植物的生物量，从表2可以得知，种植黑麦草和高羊茅处理，除了极个别之外，添加绿化植物废弃物后，各种植物生物量（根鲜重、茎鲜重、总鲜重、根干重、茎干重、总干重）均大于未添加绿化植物废弃物的植物生物量，且不论是种植黑麦草处理还是种植高羊茅处理，添加10%绿化植物废弃物后，草坪植物的生物量均较大，通过土壤TPH降解率与草坪植物各生物量的相关性分析也表明（表3），除根鲜重外，TPH降解率与茎鲜重、总鲜重、根干重、茎干重和总干重具有一定的相关性，表明绿化植物废弃物有利于植物生长，而修复植物的生物量越大，修复效果越好。
3 结论
(1)添加绿化植物废弃物有助于TPH污染土壤中TPH的降解，但并不存在绿化植物废弃物的添加量越多，TPH降解效果越好的趋势，添加10%绿化植物废弃物时，土壤TPH的降解效果最好。
(2)添加绿化植物废弃物和种植植物相结合的措施更有利于TPH污染土壤的修复，且种植高羊茅处理TPH降解效果最好，其次为种植黑麦草处理，种植狗牙根处理效果最差。
(3)TPH降解菌数量随培养时间的变化趋势不受绿化植物废弃物添加量的影响，均遵循以下规律：0~30 d期间，TPH降解菌数量处于快速增加阶段，30～60 d时，TPH降解菌数量基本处于稳定状态，60～90 d时，降解菌数量下降，且TPH降解率与TPH降解菌数量的变化规律相一致。
(4)添加绿化植物废弃物后植物生物量均大于未添加绿化植物废弃物的植物生物量，且不论是种植黑麦草处理还是种植高羊茅处理，添加10%绿化植物废弃物后，草坪植物的生物量均较大，植物生物量大小可能是影响TPH污染土壤修复的因素之一。
