全 文 ：第 31 卷第 12 期
2010 年 12 月
环 境 科 学
ENVIRONMENTAL SCIENCE
Vol. 31，No. 12
Dec.，2010
多氯联苯污染土壤的豆科-禾本科植物田间修复效应
涂晨1，2，滕应1，2，骆永明1，2* ，潘澄1，2，孙向辉1，2，李振高1，2
(1. 中国科学院土壤环境与污染修复重点实验室(南京土壤研究所)，南京 210008;2. 中国科学院研究生院，北京
100049)
摘要:选择豆科植物紫花苜蓿、禾本科植物黑麦草和高羊茅作为供试植物，初步探讨了这 3 种植物在单作和间作条件下对多氯
联苯污染土壤的田间修复效应 .结果表明，经过 270 d 的田间原位修复后，所有种植植物的处理中土壤多氯联苯的去除率均高
于对照组，其中紫花苜蓿单作处理土壤中多氯联苯的去除率最高，达到 59. 6% .土壤多氯联苯同系物分析结果表明，所有种植
植物的处理都降低了土壤中二氯联苯的比例 . 3 种植物中紫花苜蓿的生物量最大，其根部积累的多氯联苯含量最高可达 355. 1
μg / kg，显著高于黑麦草和高羊茅根中的含量 .各处理对土壤中多氯联苯的提取修复效率依次为:紫花苜蓿单作 >紫花苜蓿-黑
麦草-高羊茅间作 >紫花苜蓿-黑麦草间作 >黑麦草单作 > 紫花苜蓿-高羊茅间作 > 高羊茅单作 . 豆科植物紫花苜蓿是多氯联
苯污染土壤田间原位修复的理想材料 .
关键词:多氯联苯;紫花苜蓿;黑麦草;高羊茅;植物修复
中图分类号:X53 文献标识码:A 文章编号:0250-3301(2010)12-3062-05
收稿日期:2009-12-31;修订日期:2010-03-22
基金项目:国家自然科学基金项目(40921061，40701080);中国科学
院知识创新工程重要方向项目(KZCX2-YW-404，CXTD-
Z2005-4);农业部公益性行业科技专项(200803034)
作者简介:涂晨(1982 ～ )，男，博士研究生，主要研究方向为土壤环
境与生物修复，E-mail:tchen@ issas. ac. cn
* 通讯联系人，E-mail:ymluo@ issas. ac. cn
Phytoremediation of Polychlorinated Biphenyls Contaminated Soil by
Leguminosae-Gramineae Intercropping:A Field Trial
TU Chen1，2，TENG Ying1，2，LUO Yong-ming1，2，PAN Cheng1，2，SUN Xiang-hui1，2，LI Zhen-gao1，2
(1. Key Laboratory of Soil Environment and Pollution Remediation，Institute of Soil Sciecne，Chinese Academy of Sciences，Nanjing
210008，China;2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)
Abstract:Phytoremediation of polychlorinated biphenyls(PCBs)contaminated soil by leguminosae (alfalfa)and gramineae (ryegrass
and tall fescue)was studied in a field trial. All planted treatments had significantly higher PCBs removal efficiency compared with
those of unplanted control after 270 days of in-situ phytoremediation. Alfalfa monoculture received the highest removal efficiency of soil
PCBs by 59. 6% . Analysis of PCBs congeners composition showed that the percentage of di-chlorinated biphenyl decreased in all
planted treatments. Alfalfa produced the maximum biomass among the 3 plants. Total PCBs concentration in alfalfa roots reached 355. 1
μg / kg，which was significantly higher than those in ryegrass and tall fescue. The phytoextraction efficiency of different treatment was in
order of alfalfa > alfalfa-ryegrass-tall fescue > alfalfa-ryegrass > ryegrass > alfalfa-tall fescue > tall fescue. The results suggest that alfalfa
may be an ideal candidate for the phytoremediation of PCBs contaminated soil.
Key words:polychlorinated biphenyls(PCBs);alfalfa;ryegrass;tall fescue;phytoremediation
多氯联苯(polychlorinated biphenyls，PCBs)是国
际上极为关注的一类典型持久性有机污染物［1 ～ 3］，
多氯联苯污染土壤的生物修复正成为土壤环境科技
领域关注的热点 .根据修复所用的主体，生物修复可
分为微生物修复、植物修复、植物-微生物联合修复
和微生物-动物联合修复等［4］. 其中植物修复 PCBs
的机制主要包括以下 3 种:直接吸收 PCBs，并将其
转化为低毒代谢物积累于植物组织中;释放促进
PCBs 降解的酶类;以及植物与根际微生物联合降解
PCBs［5 ～ 10］.不同的植物对 PCBs 表现出不同的吸收
能力，对 PCBs 的修复效果也有所不同 . Chekol 等［11］
通过室内模拟试验研究了 3 种豆类和 4 种草类植物
对 PCBs (Aroclor 1248)污染土壤的修复作用，其中
赫草 (Phalaris arundinacea)和 柳 枝 稷 (Panicum
virgatum)的降解效果最好 .滕应等［12］选用豆科植物
紫花苜蓿(Medicago sativa L.)作为宿主植物，盆栽
试验研究了丛枝菌根真菌(Glomus caledonium)和苜
蓿根瘤菌(Rhizobium meliloti)单接种及双接种对
PCBs 复合污染土壤的联合修复效应，研究结果表明
紫花苜蓿对土壤中 PCBs 的降低起到明显作用，菌
根真菌-根瘤菌可以强化紫花苜蓿对 PCBs 污染土壤
的修复作用 . Shen 等［13］通过盆栽试验，研究比较了
豆科植物紫花苜蓿以及禾本科植物水稻、黑麦草和
高羊茅对 PCBs 污染土壤的修复潜力 .
然而到目前为止，针对 PCBs 污染土壤的植物
DOI:10.13227/j.hjkx.2010.12.026
12 期 涂晨等:多氯联苯污染土壤的豆科-禾本科植物田间修复效应
修复研究主要集中在利用紫花苜蓿、黑麦草以及高
羊茅等不同植物单作或与微生物联合修复，研究尺
度也多局限于室内盆栽试验，很少涉及到田间原位
尺度上不同植物的间作修复效应 .因此，本研究以长
江三角洲某典型污染区 PCBs 复合污染农田土壤为
对象，采用田间小区试验研究豆科植物紫花苜蓿和
禾本科植物黑麦草、高羊茅间作对 PCBs 复合污染
土壤的协同修复效应，以期为进一步研发 PCBs 污
染土壤的原位生物修复技术提供科学依据 .
1 材料与方法
1. 1 供试材料
供试植物:豆科植物紫花苜蓿(Medicago sativa
L.)、禾本科植物黑麦草(Lolium perenne L.)和高羊
茅(Testuca arundinacea)，种子均购于江苏省农业科
学院 .
PCBs 混 合 标 准 样 品 (包 括 PCB8、 PCB18、
PCB28、PCB44、PCB52、PCB66、PCB77、PCB101、
PCB105、 PCB118、 PCB126、 PCB128、 PCB138、
PCB153、 PCB170、 PCB180、 PCB195、 PCB200、
PCB206、PCB209)购自百灵威 .丙酮、正己烷等有机
溶剂均为分析纯，重蒸后使用 . 硫酸为优级纯，无水
硫酸钠为分析纯 .硅胶(100 ～ 200 目)和无水硫酸钠
参照美国 EPA 测试方法 3550B 和 3630C 进行处理 .
1. 2 试验方案设计与实施
试验在长江三角洲某典型 PCBs 污染的农田中
进行，供试土壤为水稻土，系统分类为铁聚水耕人为
土 .土壤 pH 值为 5. 67，容重为 1. 03 g / cm3，有机质
含量为 32. 8 g / kg，全氮、全磷、全钾分别为 1. 79 、
0. 44 和 24. 1 g / kg. 试验设计 7 个处理，分别为对照
(CK)、紫花苜蓿单作(Z)、黑麦草单作(H)、高羊茅
单作(G)、紫花苜蓿-黑麦草间作(ZH)、紫花苜蓿-高
羊茅间作(ZG)和紫花苜蓿-黑麦草-高羊茅间作
(ZHG). 每个处理 4 次重复，共 28 个小区，每小区
面积为 2. 4 m × 2. 4 m，随机区组排列 . 植物种子以
条播方式进行播种，试验进行 270 d 后，分别采集耕
层土壤(0 ～ 15 cm)和植物样品 . 土壤样品按小区对
角线采集 5 份，四分法获得混合样 .样品经冷冻干燥
后，过 60 目筛，以供土壤基本理化性质和多氯联苯
含量分析 .植物样品每小区随机采集 5 株，用蒸馏水
洗净，分成根、茎叶两部分，50℃烘干称重，粉碎后过
60 目筛，以供植物多氯联苯含量分析 .
1. 3 PCBs 提取与分析
称取样品(土壤样品 10 g，植物样品 2 g)放入
离心管，用 30 mL 正己烷-丙酮提取液(1∶ 1，体积比)
浸提过夜后，25℃超声提取 15 min，1 500 r /min离心
5 min，收集提取液 . 再分别用 20 mL 同样的提取液
超声提取 2 次，每次 15 min，合并 3 次提取液，旋转
蒸发至近干，加入 5 mL 正己烷进行溶剂替换，浓缩
至 2 mL 后转入复合硅胶柱进行纯化 . 复合硅胶柱
(长 250 mm，内径 10 mm)内依次装填硅胶、中性氧
化铝、酸性硅胶和无水硫酸钠(2 ∶ 2 ∶ 1 ∶ 1，质量比).
用 10 mL 正己烷淋洗该柱，弃去淋洗液，然后加入处
理后的样品提取液，用 25 mL 正己烷洗脱，洗脱液
旋转蒸发浓缩，用正己烷定容至 5 mL，待上机分析 .
色谱条件:采用带有电子捕获检测器和自动进
样器的 Varian 3800 型气相色谱仪分析 . 色谱柱:CP-
sil24CB (30 m × 0. 25 mm × 0. 25 μm)，进样温度为
260℃，检测器温度为300℃ . 程序升温:初始温度为
180℃，保留 0. 5 min，30℃ /min梯度升温至260℃，持
续 18 min，然后15℃ /min 梯度升温至270℃，持续 2
min.无分流进样 l μL，载气为高纯氮，流速为 1. 0
mL /min.
质量控制:在样品分析过程中进行方法空白、基
质加标、平行样以及加标回收测定 . 21 种 PCBs 混标
(10 μg / kg)的基质加标平均回收率是 72. 0% ～
109. 8%，相对标准偏差是 3. 1% ～ 57. 3%，仪器检
测限为 1. 43 ～ 5. 10 μg / kg，方法检出限为 1. 33 ～
3. 45 μg / kg. 采用七点校正法得到标准物质的校正
曲线，根据保留时间对目标化合物进行定性分析，采
用峰面积积分法进行定量计算 .
1. 4 土壤基本理化性质分析
按常规方法测定，具体参见文献［14］.
1. 5 土壤中多氯联苯的去除率及植物提取修复效
率的计算
土壤中多氯联苯的去除率按小区进行统计，计
算公式如下:
土壤中 PCBs 的去除率 =
(c1 － c2)
c1
× 100%
(1)
式中，c1 为修复前土壤中 PCBs 浓度(μg / kg);c2 为
修复后土壤中 PCBs 浓度(μg / kg).
植物的提取修复效率按小区进行统计，计算公
式如下:
植物提取修复效率 =
Σ (mR × cR + m S × cS)
c × ρ × h × S
× 100% (2)
式中，mR 为植物根生物量(kg);cR 为植物根中
3603
环 境 科 学 31 卷
PCBs 浓度(μg / kg);m S 为植物茎叶生物量(kg);cS
为植物茎叶中 PCBs 浓度(μg / kg);c 为修复前土壤
PCBs 浓度(μg / kg);ρ 为土壤容重(kg /m3);h 为耕
层土壤厚度(m);S 为小区面积(m2).
1. 6 数据统计分析
所有实验数据用 Microsoft Excel 2003 和 SPSS
15. 0 统计软件分析 .
2 结果与分析
2. 1 土壤中 PCBs 组分及含量变化
由表 1 可见，除黑麦草单作处理以及空白对照
以外，其他所有处理的土壤 PCBs 含量在修复前后
都有显著性差异(p < 0. 05)，说明植物修复的确可
以有效去除土壤中的 PCBs. 其中紫花苜蓿单作(Z)
对土壤 PCBs 的去除率高达 59. 6%，而其他各种植
物单作或间作处理下土壤中 PCBs 的去除率为
32. 2% ～ 53. 0%，与其余各处理相比，紫花苜蓿单作
对土壤中 PCBs 的去除效果最佳 . 这可能是由于紫
花苜蓿属于豆科植物，易与土壤中的根瘤菌形成共
生固氮体系，一方面直接促进了植物的生长以及植
物体对土壤中 PCBs 的吸收积累［15］，另一方面可能
通过强化根际土壤的氮素营养，增加土壤微生物对
PCBs 等碳源的利用，促进了土壤 PCBs 的降解 .而对
照处理(CK)中土壤 PCBs 的去除率也达到 26. 6%，
这可能与土壤中土著微生物的作用有关 .
表 1 不同处理下土壤中 PCBs 含量1)
Table 1 Concentration of PCBs in the soil under different treatments
处理
土壤 PCBs 含量 /μg·kg － 1
修复前 修复后
PCBs
去除率 /%
CK 102. 1 ± 10. 4a 74. 9 ± 14. 8a 26. 6b
Z 96. 2 ± 33. 9a 38. 9 ± 0. 7b 59. 6a
H 92. 7 ± 16. 4a 62. 9 ± 23. 5a 32. 2ab
G 83. 9 ± 16. 3a 39. 5 ± 11. 9b 53. 0ab
ZH 109. 0 ± 10. 6a 60. 6 ± 12. 5b 44. 4ab
ZG 104. 3 ± 7. 1a 53. 9 ± 14. 2b 48. 3ab
ZHG 95. 5 ± 10. 7a 50. 8 ± 9. 1b 46. 8ab
1)第 2 列和第 3 列的同行中不同字母表示该处理下修复前后有显著
差异(p < 0. 05);第 4 列中不同字母表示各处理间有显著差异(p <
0. 05)
修复后土壤中 PCBs 同系物的组成变化见图 1，
土壤中的 PCBs 主要以低氯代(氯原子数≤5)组分
为主 .研究表明，PCBs 的生物可降解程度与其氯原
子的取代数目有关，随着氯原子的取代数量增加，生
物可降解性逐渐降低［16］. 由图 1 可知，与对照相比，
所有种植植物的处理中低氯组分的总量均有所下
降，其中紫花苜蓿单作(Z)和高羊茅单作(G)处理
中的二氯联苯组分与对照相比降低最为显著(p <
0. 05).这可能是一方面植物根系更易于吸收和转
运疏水性较弱的低氯代 PCBs 组分;另一方面，植物
根际的好氧细菌也优先对低氯代 PCBs 组分进行好
氧降解，从而使土壤中低氯组分的总量降低［13］，高
氯组分因其难降解性而在土壤中逐渐累积，使其在
PCBs 总量中的比例不断增加 .
图 1 不同处理下土壤中 PCBs 同系物百分含量
Fig. 1 Percent composition of soil PCBs homologues
under different treatments
2. 2 不同处理下修复植物的生物量
由表 2 可知，不同的修复植物(紫花苜蓿、黑麦
草、高羊茅)之间的生物量存在着显著差异 . 在 3 种
植物单作时，紫花苜蓿的总生物量干重显著高于黑
麦草和高羊茅 (p < 0. 05)，植物地上部干重也显示
出相同的趋势 .分析其原因可能主要是植物品种的
差异，不同植物的生物量及其生长所占用空间不同，
而紫花苜蓿又可通过生物固氮向地上部运输氮素营
养，促进其地上部的生长发育，提高整株植物的生物
量［17］.
Zemenchik等［18］研究表明，豆科-禾本科植物混
表 2 不同处理下植物地下和地上部的生物量1)
Table 2 Biomass of roots and shoots of plants under different treatments
处理
根干重
/ kg
地上部干重
/ kg
总生物量干重
/ kg
Z 1. 67 ± 0. 28b 4. 25 ± 0. 72a 5. 92a
H 1. 93 ± 0. 06a 1. 60 ± 0. 05cd 3. 53bc
G 0. 27 ± 0. 09de 0. 93 ± 0. 31def 1. 20d
ZH
ZG
ZHG
Z 1. 00 ± 0. 19b 2. 55 ± 0. 48b
4. 88abH 0. 72 ± 0. 08bc 0. 60 ± 0. 07ef
Z 0. 55 ± 0. 08c 1. 41 ± 0. 22cde
2. 53cdH 0. 13 ± 0. 11e 0. 43 ± 0. 39f
Z 0. 98 ± 0. 16b 1. 85 ± 0. 50bc
H 0. 49 ± 0. 05cd 0. 41 ± 0. 04f 4. 00bc
G 0. 06 ± 0. 03e 0. 20 ± 0. 09f
1)表中数据均按小区统计，同一列中不同字母表示差异显著
(p < 0. 05)，下同
4603
12 期 涂晨等:多氯联苯污染土壤的豆科-禾本科植物田间修复效应
播与禾本科植物单播相比可提高禾本科植物的蛋白
质含量和生物量，因为禾本科植物可以利用豆科植
物固定的氮素，但在本研究中并未观察到这种现象 .
分析原因可能是因为豆科植物与禾本科植物间作的
效果与播种方式以及混播比例密切相关［19］. 实验中
豆科植物与禾本科植物的间作采用隔行条播，混播
比例为 1∶ 1，因此对于间作组合中的混播比例以及
播种方式对植物生物量的促进作用之间的关系有待
作进一步研究 .
2. 3 植物体各组织中 PCBs 的含量
从表 3 可知，不同处理下各种植物的茎叶和根
中都存在着 PCBs 的积累 . 除了紫花苜蓿-黑麦草间
作处理中的黑麦草外，所有植物根部 PCBs 的含量
均高于茎叶部，这可能与 PCBs 属于疏水性有机污
染物(lgK ow > 3. 5)，易被植物根表强烈吸附而难以
被植物吸收转运有关［20］. 3 种植物在单作时，其根
部对 PCBs 的吸收累积的能力顺序为紫花苜蓿 > 高
羊茅 >黑茅草 .研究表明不同植物根系对同种有机
污染物的吸收能力主要与植物根部的比表面积、根
内脂肪含量以及植物的蒸腾作用强度有关［21］. 由于
PCBs 在植物体内不易向上运输，因此在各处理中植
物地上部 PCBs 的含量之间差异并不明显 .
表 3 不同处理下植物各组织中的 PCBs 含量
Table 3 Concentration of PCBs in plants under different treatments
处理
根中 PCBs 含量
/μg·kg － 1
地上部 PCBs 含量
/μg·kg － 1
Z 355. 1 ± 19. 7a 70. 7 ± 5. 6e
H 120. 1 ± 11. 9e 79. 1 ± 10. 1de
H 232. 9 ± 15. 4c 86. 7 ± 10. 1cd
ZH
ZG
ZHG
Z 113. 3 ± 15. 2ef 79. 2 ± 10. 3de
H 111. 7 ± 3. 5ef 156. 2 ± 17. 9a
Z 109. 1 ± 8. 0ef 93. 0 ± 5. 1bc
G 288. 7 ± 24. 4b 100. 1 ± 4. 5bc
Z 172. 3 ± 5. 0d 91. 2 ± 9. 3bc
H 88. 5 ± 10. 3f 84. 4 ± 6. 6cd
G 281. 1 ± 11. 8b 107. 6 ± 13. 4b
2. 4 不同处理下植物提取修复效率比较
由图 2 可见，在所有的 6 个种植植物的处理中，
紫花苜蓿单作(Z)对土壤 PCBs 的提取修复效率最
高，分别为其他各处理的 2 ～ 4 倍 . 不同处理下植物
提取修复效率的顺序依次为:紫花苜蓿单作(Z)>
紫花苜蓿-黑麦草-高羊茅间作(ZHG)> 紫花苜蓿-
黑麦草间作(ZH)>黑麦草单作(H)>紫花苜蓿-高
羊茅间作(ZG)>高羊茅单作(G). 紫花苜蓿分别与
黑麦草和高羊茅间作后，对土壤 PCBs 的提取修复
效率高于黑麦草和高羊茅单作处理，这可能是因为
与黑麦草及高羊茅相比，紫花苜蓿具有更高的生物
量，且其根部更易吸收富集 PCBs. 在面积相等的小
区内混播紫花苜蓿与禾本科植物必然会增加该小区
植物对土壤 PCBs 的吸取量 . 然而间作处理对土壤
中 PCBs 的总去除率变化却没有显著性差异，分析
这一结果的原因，可能主要与以下 2 个因素有关:①
不同植物根际的微生物群落对土壤中 PCBs 的降解
与转化发挥着重要作用 .在植物根际微域，根系分泌
物和分解产物为微生物繁殖提供了营养，使根域附
近存在大量的微生物，从而促使根际微域中有毒有
害有机物的降解 . ②对于疏水性较强的 PCBs 等有
机污染物，植物提取技术本身的修复效率在短期内
并不显著 . 在本试验中，不同的植物提取效率在
0. 19% ～ 1. 04%，Zeeb 等［22］研究了紫花苜蓿等 9
种植物在盆栽条件下 8 周内对 PCBs 污染土壤的修
复效率，结果表明 9 种植物的提取修复效率在
0. 2% ～ 1. 3%，这说明植物提取修复技术对于土壤
中 PCBs 类化合物的去除贡献率较低 .
图 2 不同处理下植物对土壤中 PCBs 的提取修复效率
Fig. 2 Phytoextraction efficiency of soil PCBs
under different treatments
3 结论
(1)豆科植物紫花苜蓿因具有生物量大、根部
吸收富集 PCBs 能力强等优点，其单作时对土壤中
PCBs 的提取修复效率最高，对 PCBs 污染土壤具有
良好的修复潜力 .
(2)紫花苜蓿与禾本科植物黑麦草、高羊茅间
作后，土壤 PCBs 的植物提取修复效率高于黑麦草
和高羊茅单作处理，但对土壤中 PCBs 总量的去除
率却没有显著性促进作用 . 这可能一方面是因为植
物提取修复本身对土壤中 PCBs 总量的去除贡献较
低，土壤微生物对 PCBs 的降解起着关键作用;此
外，不同植物品种间的混播比例与混播方式对混播
效果的影响也有待作更深入的研究 .
5603
环 境 科 学 31 卷
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