铬污染对雷竹林土壤质量的影响

徐 雷，张小平，卞方圆*，周志勤

(1.杭州市生态环境局临安分局，浙江 杭州 311399；2.国家林业和草原局竹子研究开发中心，浙江 杭州 310012； 3.浙江大学 国家级环境与资源实验教学示范中心，浙江 杭州 310058)

土壤重金属污染已成为一个急需解决的环境问题，由于重金属不能生物降解，而且可以长期留在土壤中，因此潜在危害土壤生态环境[1]。铬(Cr)是最重要的重金属污染物之一，广泛存在于电镀工业和皮革制衣，人为Cr污染经常成为工业化地区的主要环境问题[2]。土壤中的Cr不仅影响土壤质量和食品安全，还对人类健康造成很大威胁[3]。因此，有必要采取有效措施对Cr污染土壤进行修复。植物修复是一种绿色安全的生物修复技术，被定义为利用植物及其相关微生物来降低环境中潜在污染物的浓度或毒性效应[4]。与物理和化学修复技术相比，植物修复技术具有消除二次污染、成本低、适合大面积使用等优点[5]。然而，由于超积累植物存在生长缓慢、生物量与生产力低等问题，目前发现的大部分修复植物都不能达到预期的效果[6]。理想的植物修复模式不仅对重金属具有较强的耐受性和有效吸收能力，而且增长迅速，并具有一定的经济效益[7]。

竹林是热带和亚热带地区的主要森林类型，竹林生态服务功能丰富[8]。同时，竹林是极具重金属修复潜力的植物修复材料。近年来的研究发现，一些竹类植物对重金属污染土壤具有很高的耐受性，能够对土壤中重金属进行大量吸收和积累[9-11]。与木本植物相比，竹类植物生长速度快，吸收能力强，易于栽培，是植物修复的理想选择。雷竹(Phyllostachysviolascens‘Prevernalis’)就是其中一种，原产于浙江临安、安吉、余杭等地，该竹种因其笋产量高、经济效益好而在我国亚热带地区如江苏、江西、安徽等地广泛引种栽培。

在重金属修复方面，雷竹表现出良好的重金属修复潜力，可将Cu、Zn和Cd从土壤中吸收，并大量转运至雷竹地上部分[9]。在Cr污染环境下，雷竹根际微生物以变形菌门和子囊菌门为主[12]。不同浓度的Cr污染，使雷竹根际功能菌发生了改变，从而提高了竹林生态系统的植物修复效率[13]。除了以上通过植物修复提取重金属污染之外，修复Cr还可以通过修复材料吸附重金属污染物。以竹浆纸为原料，制备的复合气凝胶材料对水体中的CrO42-具有较好的吸附功能[14]。

根际是靠近植物根系、受植物根系活动影响的微区域。大量微生物定殖于此并与植物根系以及周边土壤存在密切的相互作用，对植物养分获取、生长发育等方面起到重要作用[10]。由于根系分泌物的持续输入、死亡根细胞的脱落和溶解，导致根际土壤性质区别于非根际土壤。因此，该研究比较研究了雷竹林根际、非根际土壤理化性质在Cr梯度上的变化。评价利用竹类植物修复Cr污染土壤的可行性，认识Cr污染环境下的雷竹林根际土壤性质，为竹类植物生物修复策略的应用提供参考。

1 研究区概况和研究方法

1.1 研究区概况和样品采集

研究区位于浙江省杭州市临安区太湖源镇，研究区域雷竹林约45 hm2，具有50余年的栽培历史。从1995—2009年期间，上游区域附近存在镀铬企业，由于废水管理不善，导致区域环境污染。地势平坦，根据污染源距离的远近，形成了明显的土壤Cr污染梯度。随机选择60 m×60 m雷竹林作为土壤采集样地，研究区内雷竹林管理方式一致。按雷竹林离污染源距离远、中、近，分别设置低(L)、中(M)、高(H) 3个处理，每个处理3个重复。每个重复为3 m×3 m样方，每个重复之间的距离大于6 m。

在每个样方中选取3株雷竹，采集竹子细根，采用抖落法获取其上粘附的土壤收集根际土壤，另外采集远离根系的土壤作为非根际土壤，通过“S”型5点采样混合土壤，采样深度为0～20 cm。根际土壤与非根际土壤取自同一株竹子。将新鲜土壤过筛(<2 mm)，去除石块和有机残渣，然后风干用于化学性质分析。

1.2 样品分析方法

基本土样理化性质，按鲁如坤《土壤农化分析》[15]测定。土壤pH值用酸度计测量，土壤总有机碳(TOC)的测定采用TOC分析仪，土壤碱解氮采用扩散法测定，有效磷采用NaHCO3提取测定，速效钾采用NH4OAc提取测定。对于土壤样品总Cr分析，使用自动石墨仪器，用浓缩HCl-HNO3-HF-HClO4的混合溶液消化。有效Cr采用0.1 mol·L-1HCl提取。总Cr和有效Cr的测定采用原子吸收光谱法。

1.3 数据分析

所有数据采用Microsoft Excel 2010和SPSS 21.0软件进行分析。采用单因素方差分析(one-way analysis of variance，ANOVA)分析了不同根际土壤理化性质的差异。采用最小显著性差异法(least significant difference，LSD)进行多重比较。基于Pearson相关系数建立了土壤化学性质与Cr浓度之间的相关矩阵(**P<0.01；*P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 雷竹林土壤重金属Cr浓度特征

研究区域内，距离污染源的远近，土壤Cr污染呈明显的梯度(表1)。高污染浓度的土壤总Cr和有效态Cr含量分别达357.38 mg·kg-1和9.02 mg·kg-1。比较根际与非根际土壤Cr含量变化，L处理无显著差异，而M和H处理的根际土壤的有效态Cr含量都要显著低于非根际土壤。从土壤Cr有效比分析可以看出，随着Cr浓度的增加，非根际有效Cr分别占总Cr的0.78%、2.64%、2.53%，根际有效Cr分别占总Cr的0.95%、1.55%和1.46%，M和H的有效比值最高，其次为RM和RH。

表1 雷竹林根际与非根际土壤Cr含量Tab.1 Cr contents in rhizosphere and non-rhizosphere soils of bamboo forest

2.2 雷竹林土壤理化性质

土壤理化性质如图1所示。土壤pH值为4.56～5.55，随Cr含量的增加呈下降趋势，非根际土壤和根际土壤分别为L>M>H和L>M>H (P<0.01)。随着Cr的积累，TOC有增加的趋势，M组、H组和RH组TOC均极显著升高(P<0.01)。根际土壤碱解氮含量随Cr污染强度的增加而增加(P<0.05)，但是与此相反，非根际土壤碱解氮含量随Cr污染强度的增加而极显著降低(P<0.01)。非根际土壤和根际土壤高污染处理(M和H；RM和RH)中有效磷含量显著高于低污染处理(L；RL)。随着Cr浓度的增加，速效钾含量显著降低(P<0.05)，在6种土壤样品中，RL和RM的速效钾含量最高，M和H的速效钾含量最低。

图1 不同浓度Cr污染雷竹林土壤理化性质Fig.1 Soil physicochemical properties in bamboo forest with different Cr concentrations

2.3 雷竹林土壤理化性质与Cr含量的相关性分析

重金属Cr与土壤理化性质相关性分析表明，总Cr和有效Cr与土壤pH值、碱解氮、速效钾呈显著负相关(P<0.05)，与有机碳呈正相关(表2)。有效Cr与有效磷呈正相关(P<0.05)，而总Cr与有效磷无相关关系。同时，总Cr与有效Cr呈极显著正相关(P<0.01)。

表2 土壤Cr与土壤理化性质相关性分析Tab.2 Correlation analysis between soil Cr contents and soil physicochemical properties

3 讨论

雷竹是我国的优良竹种，在杭州地区栽培历史悠久且栽培范围广泛。因其为笋用竹种，所以关于雷竹的研究大量集中于覆盖经营和施肥管理等[16-17]，以提升该竹种的经济效益。同时，雷竹材不易变形、承受力强，雷竹林可作为材用林培育。在近几年的研究中发现，雷竹可用于重金属修复，修复效果良好[9]。根际是集成植物根系吸收、呼吸和分泌等一系列关键生物功能的重要界面，可显著改变土壤生化特性。该研究以非根际和根际土壤为研究对象，研究Cr污染梯度下土壤理化性质的变化。

土壤pH值在重金属迁移转化和生物利用中起着关键作用，土壤有机质含量是影响重金属有效性的最重要土壤性质之一[18]。在该研究中，随着Cr污染的增加，土壤pH值降低，有机碳含量增加。根分泌物中有机酸的释放是pH值下降的部分原因。有机碳的增加可以增加Cr在土壤中的溶解度[19]，进一步降低土壤pH。该研究发现，随着土壤中Cr的积累，土壤有机碳趋于增加，表明Cr含量显著影响土壤碳循环。相关性分析表明，总Cr和有效Cr与土壤pH值、碱解氮、速效钾呈显著负相关，与有机碳呈正相关。在水稻土中也观察到类似的结果[20]，有效Cr含量与土壤pH值呈负相关，但与有机质含量呈正相关。有机质是土壤以可交换形式保留重金属能力的主要因素。同时，土壤有机质可以提供有机化学物质，并作为螯合物提高重金属的可溶性和迁移率，增加植物对金属的利用率。所以，有研究表明，添加有机质，增加了土壤中重金属的流动性和植物对重金属的吸收[21]。该研究中，当Cr污染较高时，碱解氮含量最低。重金属污染影响土壤微生物活性[22]，进而损害土壤N矿化[23]。在非根际和根际土壤中，Cr增加对土壤性质的影响表现出非常相似的趋势，即随着Cr浓度的增加，土壤pH和速效钾降低，有机碳和有效磷增加。提高Cr污染土壤的pH值和碱解氮，可以促进植物生长，从而提高植物修复效率。

不同土壤类型的可提取态重金属比例存在较大差异。有效Cr比例在M和H组中最高，其次为RM和RH，表明这些土壤类型的环境风险较高[24]。总Cr与有效Cr呈极显著正相关，这在雷竹修复其他重金属研究中也得到了证实[25]。污染土壤中的Cr全量与有效态含量之间的极显著相关关系说明，全量是控制有效态含量的主要因素，重金属污染越是严重的土壤，其生物有效性含量就越高。

4 结论

随着Cr污染的增加，土壤pH值趋于降低，土壤有机质含量呈增加趋势。土壤中Cr的积累引起了土壤碳循环的改变，这可能是由于土壤碳的净矿化量降低所致。雷竹对Cr有良好的耐受能力和积累能力，在修复Cr污染土壤方面有很高的开发潜力和应用价值。该研究揭示了雷竹根际和非根际土壤理化性质沿Cr梯度的变化规律，为田间应用竹类植物进行Cr修复提供科学依据。