牧草植物对黄土丘陵区农田石油污染土壤的修复研究

郭军权

(延安职业技术学院，陕西 延安 716000)

随着石油工业发展，油田区周边的农田土壤受到石油污染， 大约有80%以上的原油被截留在50cm以上的耕层土壤中，造成土壤污染[1]。石油烃在表层土壤中的积累导致土壤结构的破坏,影响土壤通透性,并对农作物的生长和发育造成很大的负面影响[2]。土壤石油污染治理与修复受到越来越多学者和研究人员的关注，张丽芳等对当前表面活性剂在石油污染土壤治理中应用成果进行研究[3]。孙铁珩等选择苜蓿草和水稻为供试生物，通过盆栽实验，进行土壤中石油和多环芳烃的生物修复研究，旨在探讨以植物修复石油污染土壤的可行性[4]。陆昕等研究了假单胞菌Nwu1-mu 对陕北地区石油污染土壤修复效果[5]。当前对石油土壤污染的修复研究主要集中在微生物法[6, 7]、化学方法[8]、微生物-植物联合修复法[9,10]，且多为室内试验研究，对野外实地植物修复研究报道较少。笔者通过几种牧草植物在石油污染土壤上的种植，研究其对石油污染土壤的修复效果，并从中筛选出对石油污染土壤修复效果较好的牧草类植物，为黄土丘陵区土壤生态环境修复提供了新的解决思路。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于延安市川口油田周边农田，属典型的黄土高原丘陵沟壑区，地势北、西、南高，东低，土质为黄绵土，植被较少，多暴雨，水土流失严重。土壤容重为 1.12～1.40 g·cm-3，土壤pH值7.4～8.1，平均海拔700～1 600 m，年均日照2 418 h，积温3 878.1℃，无霜期年均162 d，年平均温度8～10℃，年降水量400～700 mm，属干旱和半干旱地区。

1.2 供试材料

试验场地选取在延安市宝塔区川口油田废弃的油井周边农田内,试验土壤性质见表1。供试植物为：白三叶、红三叶、紫花苜蓿、碱茅草、沙打旺。供试土壤在试验前进行翻耕，去掉碎石和植物枝叶，保证供试土壤物理化性质一致,土壤石油含量均匀，选取同一农田离废弃油井较远处无石油污染土壤做出芽率空白对照，将耕作后试验区划分为5个试验小区，每个小区分为面积为1 m×5 m的4块样地，每个小区设3个平行，一个无植物对照试验。5组试验共20块试验样地，对5个小区周边进行高隆培土，防止因降雨导致石油类物质径流损失。1～5号小区依次种植白三叶、红三叶、紫花苜蓿、碱茅草、沙打旺,挑选出同样颗粒数籽粒饱满的种子共试，试验时间从2019年4月21日至8月21日，测出芽率，播种21 d后观察有石油污染土壤和无石油污染空白对照出芽率；土样采集，采样时间分别为4月21日、5月21日，6月21日，7月21日，8月21日，试验共取土样5次，测定土壤含水量和土壤容重，测土壤石油含量，同时于5月21日，6月21日，7月21日整株取少量植物样，根据少量植物样测算总生物量，同时测定植物中石油烃含量， 8月21对小区中所有植物(包括根茎及掉落植物茎叶)整体取样测生物量和石油烃含量，对植物的根入土深度进行测量。

表1 试验土壤性质

1.3 研究方法

用快速溶剂萃取总石油烃重量的重量法测定土壤中石油烃含量，植物体内石油含量的测定采用索氏提取总石油烃重量法测定[11]。生物量测定：采植物样品包括根系，并将采好的植物样，分装入塑料袋内，带回实验室，然后放入恒温烘箱，调制65℃烘至恒重，重量法测生物量。

1.4 数据处理

使用SPSS18.0软件和微软Excel2010进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 土壤石油烃对不同牧草植物的发芽率影响

对石油污染土壤试验区种植21 d后牧草植物的出芽率进行统计，见图1，从图1可以看出，5种牧草植物在石油污染土壤中出芽率的大小顺序为：沙打旺>紫花苜蓿>红三叶>白三叶>碱茅草。与无石油污染土壤空白对照相比，石油污染土壤中沙打旺、紫花苜蓿、红三叶、白三叶、碱茅草等5种植物的出芽率均有所降低，分别降低了5.4%，12.1%， 18.2%，19.5%，51. 2%，具体表现为：碱茅草受到的影响最大，出芽率从无污染的94.4%降到43.2%，降低了51. 2%；相对受影响最小的为沙打旺，从93.1%降低到87.8%，降低了5.4%，紫花苜蓿从96.2%降到84.1%，降低了12.1%；白三叶草丛92.6%降到73.1%，红三叶从94.8%降到76.6%，分别减少了19.5%，18.2%，说明沙打旺和紫花苜蓿较容易在石油污染的土壤中生长，对石油污染土壤有较好的修复潜力，白三叶和红三叶修复潜力次之，碱茅草不太适宜在石油污染土壤中生长。

图1 石油烃对植物发芽率的影响

2.2 不同牧草植物对土壤石油烃降解率的影响

通过对5、6、7、8月5次的土壤样石油含量进行测定，点绘出不同牧草植物对石油烃的降解率的影响如图2所示。从图2可以看出，紫花苜蓿的对土壤石油烃的降解率影响最大，从9.5%～63.4%，其次是沙打旺,7.9%～57.8%，白三叶是6.9%～42.9，红三叶是6.6% ～40.6%，影响最小为碱茅草为3.8%～25.8%，与空白对照相比，土壤石油降解率分别提高了53.2%，47.7%，32.7,30.4%，15.6%。分析图2可知，沙打旺、紫花苜蓿、红三叶、白三叶、碱茅草在5、6、7、8月的土壤石油降解率趋势一致，均随采样时间逐渐提高，5种牧草植物中紫花苜蓿在各个时间内对土壤石油降解率始终保持最大，其次沙打旺，白三叶和红三叶交替上升，对土壤石油降解率最小的是碱茅草，降解率增大的主要原因是植物随着试验时间的进行，进入夏季植物的生长季，这时温度高有利于植物生长，5种牧草植物生长和代谢旺盛，对土壤中石油吸收和代谢降解也较快。5种植物对石油降解率的作用大小顺序为：紫花苜蓿> 沙打旺>白三叶>红三叶 >碱茅草。

图2 同种类植物对土壤石油烃降解率的影响

2.3 不同植物的生物量比较

图3为5种植物在石油污染土壤中和空白无

石油污染土壤中相同株数生物量，从图3可以看出，石油污染土壤中碱茅草、红三叶、白三叶、沙打旺、紫花苜蓿的生物量分别是221、625、645、791、815 g·m-2，空白无石油污染土壤中生物量为251、723、762、1 038、1 118 g·m-2，有石油污染植物生物量比空白减少了12%，13.6%，15.4%，23.8%，27.1%。说明石油在土壤中的存在，导致植物生物量的减少，石油污染物对植物的生长和代谢起到了负作用。石油污染土壤中的生物量大小顺序是：紫花苜蓿>沙打旺 >红三叶> 白三叶>碱茅草。

图3 同植物种类的生物量大小

2.4 不同植物对石油烃的富集效果

将4次采回的植物样进行分析，将分析结果绘图如4所示，从图4(a)中可以看出，5-8月所有的植物均富集一定量石油烃，其中紫花苜蓿和沙打旺富集量最大，分别达到1 903 mg·kg-1和2 013 mg·kg-1。5种牧草植物体中富集石油烃含量均随着月份的递增而不断升高，8月份达到最大，原因主要是和植物的长势有关，6、7、8月是植物生长最快的时期，各种代谢也是最旺盛时期，因此吸收和富集石油烃也是最多的时期。在图4(b)中比较同一月份的5种牧草植物的石油富集含量，发现除7月份外，植物富集石油烃量大小：紫花苜蓿>沙打旺 >红三叶>白三叶 >碱毛草，其余月份富集石油烃的大小顺序均为:紫花苜蓿>沙打旺 >红三叶>白三叶 >碱毛草。

(a) (b)

3 讨论

笔者研究了5种牧草类植物在污染土壤中的修复效果，发现紫花苜蓿和沙打旺在污染土壤中的出芽率较高，且在石油污染土壤上的生物量和对石油烃的富集效果均较好，筛选出适合黄土丘陵区石油污染土壤修复的植物。笔者只对单一的石油含量土壤进行了研究，没有选择不同梯度石油污染土壤，土壤石油污染含量对出芽率及植物生物量是否存在一个临界值，对重石油污染土壤植物修复技术，还需要后续进一步的研究。

4 结论

(1)与无污染土壤空白对照相比，紫花苜蓿、沙打旺、红三叶、白三叶、碱茅草等5种牧草类植物在石油污染土壤中的出芽率分别降低了12.1%，5.4%， 18.2%，19.5%，51. 2%；植物生物量减少了12%，13.6%，15.4%，23.8%，27.1%。与空白对照无植物生长相比，紫花苜蓿、沙打旺、红三叶、白三叶、碱茅草的生长使土壤石油降解率分别提高了53.2%，47.7%，32.7%,30.4%，15.6%。

(2)在石油污染土壤中的出芽率的大小顺序是：沙打旺>紫花苜蓿>红三叶>白三叶>碱茅草；5种植物对石油降解率的作用大小顺序为：紫花苜蓿> 沙打旺>白三叶>红三叶 >碱茅草；石油污染土壤中的生物量大小顺序和富集石油烃一致：紫花苜蓿>沙打旺 >红三叶> 白三叶>碱茅草。

从以上结论可以看出紫花苜蓿、沙打旺、红三叶和白三叶具有修复石油污染土壤的潜力，可以作为石油污染土壤的修复植物使用。