王国保,刘增文,2*,时腾飞,于 齐,张权威
(1.西北农林科技大学资源环境学院,陕西 杨凌 712100;2.农业部西北植物营养与农业环境重点实验室,陕西 杨凌 712100;3.浙江广川工程咨询有限公司,浙江 杭州310020;4.西北农林科技大学林学院,陕西 杨凌 712100)
陕北采油区灌木枯落叶对油污土壤环境的改良效应
王国保1,刘增文1,2*,时腾飞3,于 齐4,张权威1
(1.西北农林科技大学资源环境学院,陕西 杨凌 712100;2.农业部西北植物营养与农业环境重点实验室,陕西 杨凌 712100;3.浙江广川工程咨询有限公司,浙江 杭州310020;4.西北农林科技大学林学院,陕西 杨凌 712100)
采集陕北石油污染区典型荒地土壤,分别以3种石油污染水平(轻度污染15g/kg,中度污染30g/kg,重度污染45g/kg)油土混合培养后,施入当地9种常见灌木枯落叶进行室内分解培养试验120d,检测不同灌木枯落叶对油污土壤生物化学性质的影响.结果表明:柠条、沙棘、紫穗槐、沙蒿和小叶女贞枯落叶可明显促进3种水平油污土壤微生物的生长和土壤呼吸.柽柳、柠条、花棒和踏榔枯落叶可明显促进3种水平油污土壤碱性磷酸酶和脱氢酶活性.柠条、沙蒿、踏榔、小叶女贞、花棒、柽柳和紫穗槐枯落叶可明显增加3种水平油污土壤有机碳和速效K含量.爬地柏、沙棘和花棒枯落叶可明显提高3种水平油污土壤Fe、Mn和Zn的有效性.综合而言,柠条和踏榔枯落叶对3种水平油污土壤均有明显改良效果,紫穗槐枯落叶对轻度油污土壤、小叶女贞枯落叶对中度油污土壤,柽柳和紫穗槐枯落叶对重度油污土壤也均有较明显的改良效果.
石油污染土壤;土壤环境改良;灌木枯落叶
石油在开采、存放和运输过程中发生的泄漏会对附近土壤产生严重的污染,残留在土壤中的石油类化学物质也会对土壤性质产生严重的破坏.所以,对油污土壤的修复除了要消除或减少石油烃类物质在土壤中的残留量之外,还必须对因石油类物质残留而已经破坏的土壤进行改良和修复.目前,国内外有关油污土壤修复的研究多集中在石油烃的降解方面[1-2],很少有人关注石油污染后土壤生物化学性质的改良,特别是利用植物残体类天然有机物来改善油污土壤性质方面的研究更鲜有报道.然而植物残体类有机物作为一种潜在的固定化载体材料不仅富含有效C、N等养分,对土壤微生物和土壤酶都具有很强的亲和性,同时其腐殖化过程还会向土壤中释放大量的溶解性有机质,其中大部分是微生物降解 PAHS的共代谢底物,因而可以对土壤中多环芳烃类持久性有机污染物有较强的生物去除能力[2-5].陕北石油区分布有大量的灌木种类,在保持水土、增加地面覆盖和改善生态环境等方面发挥着非常重要的作用.本研究拟通过采集陕北石油污染区典型荒地土壤,经与石油混合培养后施入当地常见灌木枯落叶粉碎样品进行分解培养试验,检测不同灌木枯落叶对油污土壤生物化学性质的改良效应,为油污土壤修复的植物选择提供科学依据.
1.1 样品采集及处理
于地处陕北黄土高原中部暖温带半干旱丘陵区的延安市子长县余家坪油田,在采油场附近无污染地段选取植被很少的荒地(土壤类型为黄绵土,植被盖度小于 10%,其基本理化性质为∶有机碳 6.93g/kg,全氮 0.85g/kg,全磷 0.61g/kg,全钾18.14g/kg,碱解氮61.32mg/kg,速效磷9.15mg/kg,速效钾 186.9mg/kg, pH 值 8.47,土壤容重1.26g/cm3),设置10个有代表性的1m×1m的小样方,全部采集0~10cm土层土壤.同时,在当地采集柠条、踏榔、沙棘、小叶女贞、花棒、柽柳、爬地柏、沙蒿和紫穗槐等9种常见灌木的当年枯落叶(表1),晾干后粉碎过1mm筛.此外,在当地采购足量的原油(由石油烃、胶质及沥青等组成的复合物,密度为 0.85g/cm3,其元素组成主要是碳85%,氢13%,硫0.36%,氮0.42%及微量元素等).
表1 灌木枯落叶的基本理化性质(g/kg)Table 1 The basic properties of shrub litters(g/kg)
1.2 室内混合培养
1.2.1 不同水平石油污染土壤的培养 将准备好的鲜土样,按照“原土”、“原土+石油”(石油含量(g/kg)分别为∶轻度污染 15,中度污染 30,重度污染45)共设置4个石油污染水平,将原土和石油混匀后分装于20cm×40cm×30cm的箱式不透水塑料培养钵中,统一调节土壤湿度为田间饱和持水量的50%,用塑料薄膜覆盖钵口,并留4个通气孔,然后将培养钵放在大棚下培养.在培养过程中,每隔7d称量培养钵重量,根据失水情况,揭开钵口用喷水器均匀补充水分,始终调节土壤湿度不变,连续培养60d.
1.2.2 灌木枯落叶修复油污土壤培养试验 将培养好的不同水平的油污土样混匀后,分别取出2.5kg(以含水率折算成干土),按照 100∶2的质量比将各污染水平的土样和灌木枯落叶充分混合后分装于培养钵(钵口直径为18cm,钵体高16cm)中,每个水平分别设置不加枯落叶的油污土壤为对照,每个处理重复3次.培养过程中保湿方法同油污土壤的培养,然后将培养钵放在 20~25℃室温下,连续培养120d.
1.3 培养后样品测定
微生物数量采用稀释平板法[6],土壤呼吸用碱液吸收法测定[7].土壤酶活性采用比色法[8]测定,其中脲酶采用苯酚钠-次氯酸钠比色法,蔗糖酶采用 3,5-二硝基水杨酸比色法,过氧化氢酶活性采用紫外分光光度法[9],脱氢酶采用三苯基四唑氯化物比色法,碱性磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法,多酚氧化酶采用邻苯三酚比色法测定.土壤pH值采用酸度计法(PHS-2型,水土比为 2.5∶1),有机碳用重铬酸钾容量法,碱解N用碱解扩散法,速效P用NaHCO3浸提-钼兰比色法,速效K用醋酸铵浸提-火焰光度法,CEC采用HCL-乙酸钙浸提法,有效Fe、Mn、Cu和Zn含量用DTPA浸提-原子吸收分光光度法测定[10].
1.4 数据处理
用Excel2010和SPSS18.0软件进行试验数据整理和分析,用单因素方差分析和LSD多重比较不同处理间的差异显著性.由于单独分析各项指标很难说明不同灌木枯落叶对油污土壤性质影响的综合效应,因而需计算出每个水平下各项土壤性质指标较对照值的提高率(Δ%=100(Ti-CKi)/CKi,其中 Ti为各处理指标的测定值,CKi表示不同油污水平下的对照值),然后应用SPSS软件分别对各个处理的提高率值进行主成分分析,进而判断这 9种灌木枯落叶对每个水平油污土壤性质改良是否具有较明显的促进作用.
2.1 灌木枯落叶对油污土壤微生物的影响
表2 灌木枯落叶对油污土壤微生物特征的影响Table 2 Changes of soil microbial properties in petroleum contaminated soil after applied by shrub litters
土壤微生物数量和土壤呼吸变化可以客观反映枯落叶对油污土壤的改良效应[11].分析(表 2)可知∶轻度污染时,柠条、沙棘、爬地柏、柽柳、踏榔、小叶女贞和紫穗槐枯落叶均可显著促进土壤真菌和放线菌的生长,紫穗槐明显促进土壤细菌的生长,其较对照增幅为97.77%(P<0.05).从土壤呼吸的变化来看,柠条、沙棘、花棒、沙蒿、踏榔、小叶女贞和紫穗槐枯落叶均明显增加了土壤呼吸强度,其较对照提高了18.01%~44.12%.中度污染时,9种灌木枯落叶均显著增强了土壤呼吸作用,促进了土壤细菌、放线菌的生长和繁殖,但是从真菌数量的变化来看,仅沙棘和沙蒿明显有利于土壤真菌的生长(P<0.05),其较对照增幅分别为63.64%和100.39%.重度污染时,9种灌木枯落叶均有利于油污土壤细菌、真菌和放线菌的生长,并且除紫穗槐外,其余8种枯落叶均显著促进了油污土壤的微生物活性(P<0.05),其较对照增幅范围为 39.23%~120.44%.分析土壤微生物数量变化的原因,可能是随着石油烃类物质和灌木枯落叶的分解,土壤中可利用碳源和有效养分含量逐渐增加,石油降解菌和其他种类微生物活性增强,微生物多样性也有所增加[12],但是到了分解后期,随着油污土壤中可利用养分的逐渐消耗以及微生物有害代谢产物的积累,微生物数量反而会有一定程度的降低.特别是在轻度污染时,由于土壤可利用石油烃类物质和枯落叶分解所释放养分的有限性,大量增殖的石油降解菌与土著微生物发生养分竞争而引起微生物群落结构不稳定,进而导致微生物数量明显减少[13-15].
2.2 灌木枯落叶对油污土壤酶活性的影响
土壤酶作为土壤营养物质转化和能量代谢过程的重要参与者而能客观反映油污土壤生物学性质的变化[16-17].分析(表 3)可知,轻度污染时,9种灌木枯落叶均可明显促进土壤脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶活性.除沙蒿和紫穗槐外,其余 7种处理均能显著促进土壤脱氢酶活性.柽柳可以明显促进土壤多酚氧化酶活性,其较对照增幅为14.79%.而对于土壤过氧化氢酶活性,沙棘和柽柳枯落叶有显著的促进作用,而柠条和小叶女贞处理则表现出较明显的抑制作用(P<0.05).中度污染时,除小叶女贞和爬地柏外,其余7种灌木枯落叶均可显著促进土壤碱性磷酸酶和脱氢酶活性.柽柳、柠条和小叶女贞可以明显促进土壤脲酶活性,紫穗槐也可显著促进土壤蔗糖酶活性,其较对照增幅为25.67%.小叶女贞枯落叶可以明显促进土壤多酚氧化酶活性,其较对照提高了15.03%.对于土壤过氧化氢酶活性,柽柳枯落叶表现出明显的促进作用,而花棒、柠条和小叶女贞则均表现出较明显的抑制作用(P<0.05).重度污染时,柽柳、柠条、花棒、踏榔、沙蒿和紫穗槐枯落叶均可以明显增加土壤蔗糖酶、碱性磷酸酶、脲酶和脱氢酶活性,小叶女贞、爬地柏和沙棘处理可以显著增加土壤脲酶和脱氢酶活性,柽柳可以明显促进土壤多酚氧化酶活性,其较对照增幅为 10.85%.而对于过氧化氢酶活性,除踏榔外,其余 8种处理均表现出较明显的抑制作用(P<0.05).土壤酶活性对环境较敏感,并且是微生物生理活性和土壤肥力水平的重要反映[18].肖敏等[19]发现低浓度菲、芘对土壤多酚氧化酶和过氧化氢酶活性有激活作用,而高浓度时则产生抑制作用.Margesin等[14]研究发现,油污土壤中脲酶和过氧化氢酶活性随石油烃含量的减小而降低,而蔺昕等[20]发现土壤过氧化氢酶活性随着土壤中石油浓度的降低而增强.在本试验中,灌木枯落叶可以明显改善油污土壤的供N和供P能力,但是不同灌木枯落叶分解后提供的有效C、N和P含量以及PAHS共代谢底物[14]不同,因而微生物对土壤酶的代谢活性也不同.
2.3 灌木枯落叶对油污土壤大量养分元素有效性的影响
土壤pH值、养分含量和CEC等化学指标可以表征土壤养分供给能力以及化学缓冲性能而能客观评价土壤质量的优劣[21].有研究表明,石油污染后的土壤pH值会增大,速效N和速效P含量降低[22],而添加有机营养物则可以改善油泥的理化性质,增加土壤N、P等营养物含量[23].在本试验中,分析(表 4)可知,轻度污染时,柽柳、花棒、踏榔、沙蒿、小叶女贞、爬地柏和紫穗槐枯落叶均可显著增加土壤CEC,有机碳和速效K含量.花棒、爬地柏和紫穗槐明显增加土壤碱解氮和有效P含量,而柽柳、花棒、踏榔和紫穗槐枯落叶可显著降低油污土壤的 pH值,其较对照降低了 1.93%~4.62%(P<0.05).中度污染时,除踏榔外,其余 8种灌木枯落叶均可显著增加土壤有机碳和速效K含量,降低土壤pH值.花棒、柠条、踏榔、紫穗槐和沙棘均可明显增加土壤碱解氮含量,降低土壤CEC.柠条、爬地柏、沙蒿和小叶女贞可以明显增加土壤有效P含量,其较对照增幅范围为 21.20%~62.27%(P<0.05).重度污染时,花棒、柠条、踏榔、沙蒿、小叶女贞和爬地柏枯落叶均可显著增加油污土壤中有机碳、碱解氮、有效P和速效K含量,降低土壤pH值.除花棒、踏榔和沙棘外,其余 6种处理均可明显降低土壤CEC(P<0.05).本研究中各处理的土壤pH值虽然总体表现出降低的趋势,但其范围均在7.10~7.89之间,而有研究表明微生物在pH值为6~8的中性环境中活性最高,并且降解石油烃的效率也较高[24],其降低的原因则可能是微生物降解原油污染物的中间产物脂肪酸的累积所致[1].土壤 CEC是评价土壤保水保肥和化学缓冲能力的重要指标,其大小与土壤胶体种类和含量有关,与土壤pH 值和有机质含量也有较大的相关性[25],本试验各处理土壤 CEC 值范围为 12.91~18.37cmol/kg,虽然表现出在轻度污染时上升,中度和重度污染时减小的趋势,但仍然明显高于国家农业土壤CEC标准值10cmol/kg[26].分析其变化的原因可能有两个方面,其一,土壤可变电荷(H+和Al3+)会随油污土壤pH值的降低而减少[25],其二,残留土壤中的石油烃类物质浓度不同而对土壤胶体的吸附性能的抑制作用强度也不同.
表3 灌木枯落叶对油污土壤酶活性的影响Table 3 Changes of soil enzyme activities in petroleum contaminated soil after applied by shrub litters
表4 灌木枯落叶对油污土壤大量养分有效性的影响Table 4 Changes of the soil nutrients availability in petroleum contaminated soil after applied by shrub litters
2.4 灌木枯落叶对油污土壤微量元素有效性的影响
分析不同处理土壤微量元素含量的变化(表5)可知,轻度污染时,除踏榔外,其余8种灌木枯落叶均能明显增加土壤中有效Mn和有效Zn含量.踏榔、花棒、柠条、爬地柏和沙棘处理可以显著增加土壤有效 Fe含量,其较对照增幅范围为9.29%~37.10%.小叶女贞可以明显增加土壤有效Cu含量,其较对照增幅为 22.72%(P<0.05).中度污染时,9种灌木枯落叶均能明显增加土壤中有效Mn和有效Zn含量.踏榔枯落叶在一定程度上降低了土壤有效Fe、Cu含量,但花棒、紫穗槐、柠条、爬地柏、沙棘和小叶女贞处理可以显著增加有效 Fe含量,其较对照增幅范围为 6.80%~18.14%(P<0.05).重度污染时,除柠条和踏榔外,其余7种灌木枯落叶均能明显增加土壤中有效Mn和有效Zn含量.花棒、踏榔、爬地柏和沙棘可以显著增加土壤有效 Fe含量,其较对照增加了2.86%~5.83%(P<0.05).
2.5 灌木枯落叶对油污土壤的综合改良效应分析
运用 SPSS软件进行综合主成分分析时,首先要选择合适的主成分模型指标.由于土壤pH值的变化并不能直观反映土壤性质的改良效果,以及石油本身富含微量元素,而丰度较高的微量元素可能导致重金属污染,因此,选取微量元素指标时须参考土壤微量元素有效态分级标准[27].在本试验中,轻度污染时,对照土壤中有效铁和有效锰含量均在高养分等级(>15mg/kg),而有效铜含量在中养分等级(1~2mg/kg),有效锌含量在低养分等级(0.5~1mg/kg);中度和重度污染时,对照土壤中有效 Fe、Mn和Cu含量均在高养分等级,而有效Zn含量在低养分等级,因而选取主成分模型指标时,轻度污染处理选取除pH值,有效Fe和Mn以外的15个测定指标,而在中度和重度污染下则选取除pH值,有效Fe、Mn和Cu以外的14个指标.在进行主成分分析时,利用各个测定指标的提高率值,提取出特征值大于1的主成分,记为Fi,同时用载荷矩阵中的数据除以主成分相对应的特征值开平方根得到主成分表达式中每个指标所对应特征向量Ai,将特征向量与标准化后的初始数据相乘,得到主成分表达式,把每个主成分所对应的特征值占所提取主成分特征值之和的比例作为权重可以得出综合主成分函数式为∶
表5 灌木枯落叶对油污土壤微量元素有效性的影响(mg/kg)Table 5 Changes of the soil microelement availability in petroleum contaminated soil after applied by shrub litters (mg/kg)
中度污染时,F=0.313F1+0.246F2+0.188F3+ 0.138F4+0.115F5;
重度污染时,F=0.355F1+0.261F2+0.217F3+ 0.167F4.
根据上述主成分模型,可以计算出不同灌木枯落叶对不同水平油污土壤性质影响的综合主成分值,其排序如下∶
轻度污染时,F柠条(1.940) > F踏榔(0.707) > F紫穗槐(0.238) > F小叶女贞(-0.013) > F花棒(-0.157) > F沙棘(-0.356) > F爬地柏(-0.449) > F沙蒿(-0.823) > F柽柳(-1.087);
中度污染时,F柠条(1.393) > F小叶女贞(0.933) > F踏榔(0.499) > F紫穗槐(-0.046) > F花棒(-0.096) > F沙蒿(-0.217) > F爬地柏(-0.223) > F沙棘(-0.993) > F柽柳(-1.250);
重度污染时,F柽柳(1.299)> F柠条(0.899)> F踏榔(0.755)> F紫穗槐(0.493)> F沙蒿(0.042)> F花棒(-0.181)> F小叶女贞(-0.851)> F沙棘(-1.104)> F爬地柏(-1.353).
主成分分析表明,轻度污染时,柠条、踏榔和紫穗槐枯落叶对油污土壤的生物化学性质有较明显的促进作用.中度污染时,柠条、小叶女贞和踏榔枯落叶可以明显促进油污土壤生化性质的改良.重度污染时,柽柳、柠条、踏榔和紫穗槐枯落叶也可较明显促进油污土壤环境的改善.不同灌木枯落叶对油污土壤综合改良效应呈现的差异可能涉及以下两个方面,其一,灌木枯落叶分解释放的有效N、P和K等养分可以促进微生物的生长和繁殖,进而促进土壤酶活性的增加和石油烃类有机物的降解;其二,灌木枯落叶分解产物中的化感效应类物质(黄酮类化合物)[28]又会在一定程度上抑制微生物的活性.正是由于不同灌木枯落叶中所含的有效养分和化感效应类物质不同,以及石油烃类物质浓度的不同,而导致不同处理之间土壤环境的改良效果差异较大.
3.1 油污水平为15g/kg时,柠条、踏榔和紫穗槐枯落叶均可明显改善油污土壤的微生物环境,提高土壤酶活性和土壤养分的有效性,并且柠条改良效果最好,踏榔和紫穗槐次之.
3.2 油污水平为30g/kg时,柠条、踏榔和小叶女贞枯落叶可以明显促进油污土壤的生物学性质和化学性质的改良,其中柠条改良效果最明显,小叶女贞和踏榔次之.
3.3 油污水平为45g/kg时,柠条、踏榔、柽柳和紫穗槐枯落叶均可明显改善油污土壤的微环境,提高土壤酶活性和养分的有效性,其中柽柳改良效果最明显,柠条、踏榔和紫穗槐次之.
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我国已建立大气污染联防联控技术示范区
科技部社会发展科技司司长马燕合2014年3月3日表示,我国已在珠江三角洲建立了大气污染联防联控技术示范区,组建了覆盖区域的大气环境质量监测预警网络,形成了区域空气质量管理体系等运行机制.
马燕合表示,该示范区是继美国加州和欧洲之后,全球第 3个类似的大气污染联防联控技术示范区.可实现对珠三角地区大气环境质量变化的监测预报及快速反应,支撑实施了珠三角大气污染防治联防联控工作,为其他地区大气污染防治提供了重要借鉴.
科技部3日召开雾霾治理科技工作情况新闻通气会,马燕合及有关专家在会上介绍了科技部开展大气污染与雾霾治理相关科技工作进展情况.
马燕合说,发达国家城市雾霾治理经验表明雾霾可治.国外基本消除雾霾现象一般用了30年左右的时间.在更加严格有效的环境管理要求、良好的国际经验借鉴及现代科技支撑下,下定决心,我国治理雾霾会更快更好.
清华大学环境学院院长贺克斌、北京大学环境科学与工程学院教授张远航表示,在大气污染防治工作中科技支撑发挥着重要作用.目前,科学界基本对 PM2.5成分及来源的认识基本一致.我国已经建立起针对大气复合污染基础研究监测预报、预警技术、决策支持三大支撑体系,形成了针对主要污染源减排技术研发体系.现有研究成果支持了新的《环境空气质量标准》、《重点区域大气污染防治“十二五”规划》和《大气污染防治行动计划》等重大决策的及时出台及实施.
专家同时也表示,实现我国空气质量持续改善是一项长期而艰巨的任务,需要国家的坚实行动,科技支撑还面临科技成果推广应用等许多挑战.
摘自中国环境网
2014-03-04
Remediation effects of shrub litters on biochemical properties of petroleum-contaminated soil in oil producing region of northern Shaanxi.
WANG Guo-bao1, LIU Zeng-wen1,2*, SHI Teng-fei3, YU Qi4, ZHANG Quan-wei1
(1.College of Resources and Environment, Northwest Agricultuze and Forestry University, Yangling 712100, China;2.Key Laboratory of Plant Nutrition and the Agri-environment in Northwest China, Ministry of Agriculture, Yangling 712100, China;3. Zhejiang Guangchuan Engineering Consulting Limited Company, Hangzhou 310020, China;4.College of Forestry, Northwest Agricultuze and Forestry University, Yangling 712100, China). China Environmental Science, 2014,34(3):688~696
A laboratory simulation experiment was conducted to analyze the improvement effects of 9kinds of shrub litters on biochemical properties of three levels petroleum-contaminated soil (light, 15g/kg; moderate, 30g/kg; severe, 45g/kg) for 120days, by collecting typical wasteland soil in petroleum contaminated areas of northern Shaanxi, and then mixing oil and shrub litters with the soil. The results show that: Litters of Caragana microphylla, Hippophae rhamnoides, Amorpha fruticosa, Rtemisia desterorum and Ligustrum quihoui can significantly contribute to the soil respiration and growth of microbes in three levels of petroleum contaminated soil. Litters of Tamariχ chinensis, Caragana microphylla, Hedysarum scoparium and Hedysarum fruticosum can obviously promote the activities of soil alkaline phosphatase and dehydrogenase in three levels of petroleum contaminated soil. Litters of Caragana microphylla, Rtemisia desterorum, Hedysarum fruticosum, Ligustrum quihoui, Hedysarum scoparium, Tamariχ chinensis and Amorpha fruticosa can obviously increase the soil organic carbon and available potassium contents in three levels of pollutions. Litters of Sabina procumbens, Hippophae rhamnoides and Hedysarum scoparium can significantly improve the contents of soil available Fe, Mn and Zn in three levels of pollutions. According to comprehensive analysis, litters of Caragana microphylla and Hedysarum fruticosum have significantly improving effects on biochemical properties of three levels of petroleum contaminated soil, and it will be better for Amorpha fruticosa in light pollution, Ligustrum quihoui in moderate pollution, Tamariχ chinensis and Amorpha fruticosa in severe pollution than others.
petroleum-contaminated soil;soil environmental improvement;shrub litters
X53
:A
:1000-6923(2014)03-0688-09
王国保(1987-),男,河南信阳人,西北农林科技大学资源环境学院硕士研究生,主要从事水土保持与生态环境研究.发表论文2篇.
2013-06-25
国家自然科学基金项目(31070630);西北农林科技大学大学生创新创业训练计划(2013年)
* 责任作者, 教授, zengwenliu2003@aliyun.com