肖易,李先梅,韦政伟 吴芸紫,金涛,周建利,田应兵 (长江大学农学院,湖北 荆州 434023)
随着石油工业的迅速发展,越来越多的石油污染物进入土壤和水体中,造成了严重的环境污染[1]。对我国北方油田石油污染状况的调研结果表明[2],华北油田采油井场周边土壤石油污染严重,含油量在48~77g/kg,致使油田区域及周边地区土壤受到严重污染。石油烃在表层土壤中的积累会破坏土壤结构,影响土壤通透性能,阻碍根系的呼吸与养分的吸收,除了直接导致农作物的减产外,还能通过食物链在动植物体内逐渐富集[3-4],从而危害人类的健康[5]。玉米 (Zea mays)和小麦 (Triticum aestivum)是2种在华北地区广泛种植的粮食作物,且在石油污染胁迫下表现出较好的耐受性[6-8]。本研究以玉米和小麦作为石油污染土壤的修复材料,开展石油污染土壤的植物修复研究,旨在为华北油田石油污染土壤的有效治理和生态恢复提供科学依据。
供试石油取自华北油田。供试土壤取自华北油田采油区周边无污染土壤。供试植物玉米 (蠡玉35)和小麦,均购自河北省农业科学研究院。
根据华北油田采油区土壤原油污染实际情况并结合前人的研究成果,设置6种土壤石油污染物浓度,即0、10、20、30、40、60g/kg。试验前对供试土壤进行风干、磨碎、过5mm筛及混匀处理,每个塑料盆装入风干土2.5kg,按上述浓度设置分别将石油准确加入到各盆中,并与土壤充分混匀。浇水后静置20d,使原油、土壤及水分充分混合达到稳定状态后,进行深翻至底的松土。按1.5cm左右的播种深度均匀播种,玉米每盆播种20粒,小麦每盆播种10粒,每个处理重复4次。出苗4周后对玉米进行剔苗处理,每盆定苗2株。
为了保证各盆钵土壤含水量的一致性,每3d浇水1次,维持到土壤最大含水量的70%。每天定时观察记载,30d时统计各植株发芽率,45d时测量各盆植株高度,以后每隔1周测量1次,70d时收割植物,称取植物地上部分和地下部分的干、鲜重,同时测定土壤石油含量,计算其对应的降解量。
采用索氏抽提法测定土壤含油质量分数,参照文献 [9~10]的方法测定土壤中石油类含量。具体方法如下:称取试验后土样经真空干燥后,以丙酮为溶剂,抽提6~8h至抽提筒中无色,测定土壤石油含量,用差值法计算出各种植物的降解量。
试验所得数据采用DPS软件进行方差分析和多重比较。各试验结果均以平均数±标准偏差 (SD)表示。
在不同石油污染浓度下,供试植物的种子发芽率测定结果见表1。
表1 供试植物在不同石油污染水平下的种子发芽率 %
由表1可知,在无污染物存在的情况下,玉米和小麦的发芽率均高达90%。随着污染物浓度的升高,2种植物的发芽率均有不同程度的下降。但玉米在不同浓度间的发芽率差异不显著,小麦在40~60g/kg的浓度范围内,发芽率急剧下降,与0~30g/kg浓度范围内的发芽率差异达到极显著水平。各处理的发芽率与对照组的发芽率相比,在0~60g/kg浓度范围内,玉米的发芽率仅下降了1.73%~15.52%。在10~30g/kg污染范围内,小麦发芽率也仅下降了2.23%~7.07%,但在40~60g/kg范围内则下降了49.44%~59.48%。
上述结果表明,试验设计的所有污染水平对玉米的发芽率影响不大,即使在高浓度 (40~60g/kg)下,发芽率仍保持在一个相对较高并且较稳定的状态,对石油污染反应不敏感,在石油污染土壤上具有较强的萌发能力。小麦在低浓度 (10~30g/kg)污染水平下,发芽率受影响较小,而高浓度 (40~60g/kg)则对小麦的发芽有明显的抑制作用。
图1 供试植物在不同石油污染物浓度下的株高
不同石油污染浓度下植物的株高测定结果见图1。由图1可知,在无污染物存在的情况下,玉米株高在90cm以上,随着污染物浓度的升高,其株高呈先下降后上升趋势,与在浓度为30g/kg和40g/kg的株高相比,在浓度为60g/kg的株高受到石油污染的影响反而较小。可能原因在于,浓度为60g/kg的处理因含油量相对较大,污染后短期内土壤的结构性与通透性随之变劣,但随着石油的生化降解,生成的絮凝状代谢物有利于土壤结构性的改善,土壤颗粒易粘附成团,导致土壤的孔隙度增大,透气性增强,植物所受影响亦随之减小。小麦的株高随着污染物浓度的升高呈下降趋势,并且在10~20g/kg浓度范围内的下降幅度较大。上述结果表明,石油污染物对玉米和小麦的生长有抑制作用,且对小麦生长的抑制作用更为明显。
不同石油污染物浓度下,玉米和小麦的干、鲜重测量结果见表2。
表2 供试植物在不同石油污染物浓度下的生物量 g
从表2数据可知,植物的干、鲜重变化表现出一致性。以地上部鲜重为例,在0~60g/kg污染浓度范围内,玉米鲜重下降了55.85%~69.02%,且呈现出先下降后上升的趋势。石油污染物浓度在30g/kg和40g/kg时对玉米鲜重的影响反而比浓度在60g/kg时的影响更大,这与石油对株高的影响是相似的。原因在于植物地上部鲜重与株高联系较大,一般株高值上升,鲜重值也随之变大。在浓度10~60g/kg范围内,鲜重下降了55.85%~69.02%。小麦的地上部鲜重随着污染物浓度的升高呈下降趋势,在浓度10~60g/kg范围内,鲜重下降了67.05%~89.79%。
植物地下部鲜重变化规律与地上部鲜重表现类似,地下部根系因直接接触土壤中的污染物,因而具有较强的敏感性,各浓度处理下,玉米的根鲜重随着石油污染物浓度的升高呈先下降后上升趋势,说明在高污染浓度 (40~60g/kg)下,植物根系对石油的耐受性反而增强,也可能是高浓度污染物刺激了根的生长。在浓度为10~60g/kg范围内,鲜重下降了44.21%~62.46%。小麦根鲜重则随着污染物浓度的升高呈下降趋势,在浓度为10~60g/kg范围内,鲜重下降了21.05%~88.42%。石油污染物对小麦根系的生长起抑制作用,并且污染物浓度越高,影响越大。
不同石油污染物浓度下,玉米和小麦对土壤中石油污染物的降解量见表3。
表3 供试植物对土壤中石油污染物的降解量(除油量) %
方差分析结果表明,玉米在石油污染浓度为30g/kg时,除油量最大,并且与浓度为10g/kg和60g/kg的石油污染水平下的除油量存在显著差异。在10~60g/kg的浓度范围内,各处理玉米的除油率分别为57.50%、40.88%、40.25%、23.87%和11.54%。小麦在浓度为40g/kg时除油量最大并且与在浓度为10g/kg和60g/kg时的除油量存在显著差异。在10~60g/kg的范围,除油率分别为43.50%、25.00%、28.17%、24.06%和12.25%。在浓度为10g/kg时,玉米和小麦的除油率存在显著差异。
上述结果表明,在低浓度 (10~30g/kg)的石油污染水平下,玉米对石油污染物具有较高的清除效率,可达40%以上;随着浓度的升高,清除效率下降。小麦在浓度为10g/kg时具有较高的清除效率。
(1)在0~60g/kg的石油污染水平范围内,玉米对石油污染反应不敏感,在石油污染土壤上具有较强的萌发能力,发芽率高达80%以上。低浓度 (10~30g/kg)的石油污染对小麦的发芽率影响较小,而高浓度 (40~60g/kg)的石油污染对小麦的发芽具有明显的抑制作用。
(2)随着污染物浓度的升高,玉米的株高呈先下降后上升趋势,与在浓度为30g/kg和40g/kg的株高相比,在浓度为60g/kg的株高受到石油污染的影响反而较小。小麦的株高随着污染物浓度的升高呈下降趋势,并且在低浓度 (10~20g/kg)污染水平下的下降幅度较大。在浓度为10~60g/kg范围内,玉米鲜重下降了55.85%~69.02%。但石油污染物浓度在30g/kg和40g/kg时对玉米鲜重的影响反而比浓度在60g/kg时的影响更大,与石油对玉米株高的影响相似。小麦的地上部鲜重随着污染物浓度的升高呈下降趋势,在浓度为10~60g/kg范围内,鲜重下降了67.05%~89.79%。植物地下部鲜重变化规律与地上部鲜重表现类似。
(3)在低浓度 (10~30g/kg)的石油污染水平下,玉米对石油污染物具有较高的清除效率,均达到40%以上,随着浓度的升高,清除效率下降。小麦在浓度为10g/kg时具有较高的清除效率。与小麦相比,玉米对石油污染物的耐受性更强。
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