土壤石油污染对9个玉米(Zea mays L.)品种种子萌发及幼苗生长的影响

罗 巧,段 磊,赵显林,杨 婷,李亚鑫,贾汉忠,周建利

(1.长江大学 农学院,湖北荆州 434025;2.西北农林科技大学 资源环境学院,陕西杨凌 712100)

石油是现代社会生产和生活必不可少的能源和物质基础,但在开采、运输和加工过程中,由于石油的泄漏等问题会造成环境的污染;据统计,全球每年可产生将近800万t的石油污染物,这些污染物以不同的方式进入土壤,从而引起土壤石油污染[1-3]。石油污染土壤的修复技术包括物理修复、化学修复和生物修复[2,4],其中生物修复又包括微生物修复和植物修复,而植物修复技术的机理是利用根际微生物降解石油污染物[5],其具有自然美观、成本低、无二次污染的优势而受到关注。

植物修复技术的关键是筛选出合适的修复植物(耐性强、生长快、生物量大、根系发达等)。前人已从野生植物[3,6]、花卉[7]、牧草和绿肥[8-10]以及农作物[11-14]等植物中进行了筛选,已经筛选出一些有一定修复效果的植物。石油污染土壤会降低种子萌发、影响植物生长和各种作物的产量,有研究表明,石油污染对谷物、豆类和其他作物的地上部和地下部生物量均有负面影响,引起作物根结构的变化,造成根长度、根密度和根表面积以及根重的减小[15-22]。前人的研究发现包括玉米在内的禾本科作物对石油污染土壤具有一定的修复效果[14,23]。玉米为1 a生禾本科植物,其生长快、生物量大、根系发达,具有修复石油污染土壤的巨大潜力。但是玉米的品种多样,不同品种玉米对石油污染土壤的响应特征如何尚需进一步研究。因此,本研究通过人工模拟石油污染土壤的试验,探讨9个玉米品种对石油污染土壤的响应,以期筛选出对石油污染具有较强耐性的玉米品种。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤采自长江大学西校区教学科研实习基地的水稻土,其基本理化性质为p H 7.72,有机质15.73 g/kg,全氮1.69 g/kg,全磷1.04 g/kg,全钾16.92 g/kg,碱解氮54.58 mg/kg,有效磷11.72 mg/kg,速效钾122.80 mg/kg。供试原油由中石化江汉油田荆州采油厂提供。供试玉米均购自于种业公司,其基本信息见表1。

表1 玉米种子基本信息Table1 Basic information of maize seeds

1.2 试验方法

将风干后的土壤过2 mm筛,然后每kg(以烘干土计)土壤拌入0、50、100、150 g原油(所有处理的原油均为同一批次),充分搅拌(人工手搓以达到混合均匀),静置7 d,使土壤颗粒与石油充分接触。

称取80 g各种浓度的石油污染土壤,平铺于培养皿(直径90 mm)中,同一玉米品种每个石油污染浓度设置3次重复。认真挑选颗粒大小一致且饱满、无虫蛀的玉米种子。种子播种前用体积分数为4%次氯酸钠溶液浸泡20 min进行消毒后[2,24-25],每个培养皿播20粒,播种深度为1 cm左右。播后浇足水分,置于恒温光照培养箱中25℃下培养,光照时间为12 h/d。每天定时观察,加水保持土壤湿润,记录每天种子发芽数,3 d内无新增发芽种子则为发芽结束时间[2-3],最后确定所有处理的培养时间均为9 d。发芽结束后测定幼苗的苗高、根长、地上部生物量、根质量和根系表面积。

1.3 测定指标

测定指标包括萌发指标和生长指标[26-27]。萌发指标分别为发芽率、发芽指数和相对发芽率;生长指标分别为幼苗苗高、根长、地上部生物量、根质量和根系表面积。萌发指标的计算公式如下:

Gr=∑Gt/T×100%

式中,Gr为发芽率;Gt为在时间t时的发芽数(个);T为供试种子总数(个)。

Gi=∑(Gt/Dt)

式中,Gi为发芽指数;Gt为在时间t时的发芽数(个);Dt为相应的发芽时间(d)。

相对发芽率=处理组发芽率/对照组发芽率×100%

试验结束后,用自来水将整株植物冲洗干净,用剪刀分取为地上部和地下部(根部),然后用MICROTEK根系扫描仪(型号:MRS-9600TFU2L)测定植株根长和根系表面积,用直尺测定植株苗高、用电子天平测定植株鲜质量(包括地上部生物量和根质量)。

1.4 数据处理

采用Excel 2010和DPSv 14.10进行数据处理和方差分析,采用Duncan’s法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同土壤石油污染浓度对玉米种子萌发的影响

某一植物能否修复石油污染土壤的前提是该种子在石油污染胁迫下是否具有较强的萌发能力[2]。发芽率是各处理组发芽数与供试种子总数的比值。在不同石油污染浓度的处理下不同品种玉米种子的发芽率情况如表2所示,在50 g/kg石油污染浓度下,9个玉米品种的种子发芽率与对照(0 g/kg)相比其差异均不显著,说明低浓度的土壤石油污染对9个玉米品种的种子萌发无显著影响;随着土壤石油污染浓度的升高,9个玉米品种的种子发芽率均呈现显著下降的趋势,表明高浓度的土壤石油污染对玉米种子的萌发产生显著的抑制作用;但在较高的石油污染浓度(100 g/kg)下,‘联创808’‘郑单958‘中科11’和‘京科甜608’4个玉米品种的种子发芽率与较低浓度(0 g/kg和50 g/kg)的处理均无显著差异,表明这4个玉米品种的种子对高浓度的石油污染具有较强的耐性。

从表2可知,玉米种子发芽率受到种子自身条件和石油污染浓度的双重影响。在没有添加石油的条件下(0 g/kg处理),9个玉米品种的种子发芽率为66.7%～100%;而‘红甜糯144’和‘金甜60’品种的种子发芽率较低,分别为73.3%和66.7%,则显著低于其他品种。可见9个玉米品种的种子在没有石油污染的条件下其发芽率就存在差异。通过计算各种子的相对发芽率[假定对照(0 g/kg)的发芽率为100%,各处理的发芽率与对照发芽率的百分比即为相对发芽率][23]消除这种差异,从而更准确的比较各玉米种子对土壤石油污染的耐受性[2-3]。由表2可知,在50 g/kg石油污染浓度处理下,‘万盛68’(饲料玉米)的相对发芽率显著高于‘金甜60’(甜玉米);100 g/kg石油污染浓度下,‘联创808’和‘中科11’(2种饲料玉米)的相对发芽率显著高于‘红甜糯144’和‘科白糯8号’(2种甜玉米);而在150 g/kg石油污染浓度下,‘郑单958’和‘万盛68’(2种饲料玉米)的相对发芽率显著高于‘红甜糯144’‘科白糯8号’和‘金甜60’3种甜玉米。由此可见,在各种石油污染浓度下,饲料玉米的相对发芽率均高于甜玉米,且石油污染浓度越高其表现越明显。在最高的石油污染浓度(150 g/kg)下,饲料玉米种子的真实发芽率仍然高达65%～78.3%,而甜玉米仅为8.3%～48.3%,表明饲料玉米种子具有更强的忍耐土壤石油污染的能力。

表2 不同石油污染浓度处理玉米种子发芽率和相对发芽率Table2 Germination rate and relative germination rate of maize seeds under different petroleum hydrocarbon concentrations

发芽指数是植物种子的活力指标,发芽指数越高,活力就越高。由表3可以看出,随着石油污染浓度的递增,9个玉米品种的种子发芽指数均呈现显著下降的趋势。表明在土壤石油污染胁迫下玉米种子的活力水平受到抑制,且随着石油污染浓度的增加,其种子活力水平持续下降。但是在土壤石油污染浓度为50 g/kg条件下,‘先优666’‘万盛68’和‘科白糯8号’的种子发芽指数与对照(0 g/kg)均无显著差异,表明‘先优666’‘万盛68’和‘科白糯8号’这3个玉米品种能够忍耐浓度为50 g/kg的土壤石油污染胁迫对种子萌发的影响。

由表3可知,在100 g/kg的石油污染浓度下,饲料玉米品种‘先优666’的种子发芽指数与4个甜玉米品种无显著差异;而饲料玉米品种‘万盛68’的种子发芽指数与甜玉米品种‘京科甜608’无显著差异,但显著高于其他3个甜玉米品种;其他3个饲料玉米品种‘联创808’‘郑单958’和‘中科11’的种子发芽指数则显著高于4个甜玉米品种。而在石油污染浓度为0、50和150 g/kg条件下,5个饲料玉米品种的种子发芽指数均显著高于4个甜玉米品种。由此可见在各种石油污染浓度下饲料玉米的种子活力强于甜玉米。从5个饲料玉米品种来看,在石油添加量为0 g/kg处理下,‘中科11’品种的种子发芽指数显著高于其他4种饲料玉米;在50 g/kg石油污染浓度下,5个饲料玉米的种子发芽指数均无显著差异;在100 g/kg和150 g/kg石油污染浓度下,‘联创808’‘郑单958’和‘中科11’品种的种子发芽指数均无显著差异,且均处在最高水平。由此表明,‘联创808’‘郑单958’和‘中科11’这3个饲料玉米品种在高浓度的石油胁迫下仍具有较高的种子活力。

表3 不同石油污染浓度处理下玉米种子发芽指数Table3 Germination index of maize seeds under different petroleum hydrocarbon concentrations

2.2 不同土壤石油污染浓度对玉米幼苗生长性状的影响

从图1可以发现,随着石油污染浓度的升高,9个玉米品种的苗高、根长、地上部生物量和根质量4个生长指标均呈现显著下降的趋势(图1-A、B、C、D);除了‘联创808’‘万盛68’‘科白糯8号’和‘金甜60’以外其他5个玉米品种的根系表面积也均随着石油污染浓度的升高而呈现显著减小的趋势(图1-E)。在较低的石油污染浓度(50 g/kg)处理下,除了‘红甜糯144’以外其他8个玉米品种的1个或多个生长指标与对照(0 g/kg)无显著差异(图1-A、B、C、D、E);但是在较高的石油污染浓度(100 g/kg和150 g/kg)处理下,9个玉米品种的苗高、根长、地上部生物量和根质量等4个生长指标均显著低于对照(见图1-A、B、C、D)。表明供试的9个玉米品种中有8个品种对低浓度(50 g/kg)的土壤石油污染具有程度不同的耐性,而较高的土壤石油污染浓度(100 g/kg和150 g/kg)则显著抑制9个玉米品种幼苗的生长。

2.3 同一土壤石油污染浓度下不同玉米幼苗生长性状的比较

植物生长性状(苗高、根长和生物量等)是修复石油污染土壤的重要指标,一般认为,同一时期内植物生长性状愈良好,则修复效果愈好[10]。

由图2-A、B、C、D、E可知,在同一石油污染浓度(包括对照0 g/kg)处理下,9个玉米品种的苗高、根长、地上部生物量、根质量和根系表面积等5项生长指标均呈现出显著差异的现象。在各种石油污染浓度下,5个饲料玉米品种(‘先优666’‘联创808’‘郑单958’‘万盛68’和‘中科11’)的根质量均显著高于4个甜玉米(‘京科甜608’‘红甜糯144’‘科白糯8号’和‘金甜60’)(图2-D),玉米的其他生长指标均是饲料玉米最高而甜玉米最低(图2-A、B、C、E),表明在各种土壤石油污染浓度(包括对照0 g/kg)下,饲料玉米的生长性状均优于甜玉米。从5个饲料玉米品种来看(图2),在没有添加石油(0 g/kg)的条件下,‘中科11’‘郑单958’和‘先优666’分别有3项(根长、根质量和根系表面积)、2项(苗高和地上部生物量)和1项(根系表面积)生长指标处于最高水平,另外分别有1项(苗高)、2项(根质量和根系表面积)和2项(根长和根质量)生长指标处于次高水平。在石油污染浓度为50 g/kg处理下,‘先优666’和‘郑单958’品种分别有4项(除地上部生物量外)和1项(地上部生物量)生长指标处于最高水平,另外分别有1项(地上部生物量)和2项(苗高和根质量)生长指标处于次高水平;而中科11品种有3项(根长、根质量和根系表面积)生长指标处于次高水平,但有2项(苗高和地上部生物量)生长指标处于最低水平(5个饲料玉米品种最低)。在石油污染浓度为100 g/kg处理下,‘中科11’和‘联创808’分别有5项和4项(除根长外)生长指标处于最高水平,‘郑单958’有4项(除根长外)生长指标处于次高水平。在石油污染浓度为150 g/kg处理下,‘中科11’的5项生长指标均处于最高水平。由此可见,在没有添加石油的条件下,生长性状最优的饲料玉米品种是‘中科11’,其次是‘郑单958’和‘先优666’;在浓度为50 g/kg的石油污染胁迫下,生长性状最优的饲料玉米品种为‘先优666’,其次是‘郑单958’;而在浓度为100～150 g/kg的石油污染胁迫下,生长性状最优的饲料玉米品种均为‘中科11’。

3 讨论

本研究发现不同品种的玉米在低浓度(50 g/kg)的石油污染条件下,种子的发芽率均与对照(0 g/kg)没有显著差异,这与李小利等[28]的研究结果一致,这可能是由于低浓度的石油污染物在种子萌发前无法穿透表皮损伤种子,所以对种子萌发率没有影响。本研究还发现在高浓度(150 g/kg)的石油污染胁迫下,大多数玉米品种的种子发芽率与对照(0 g/kg)均存在显著差异。这是因为种子周围的土壤中含有大量的石油烃,其形成油膜包裹种子,使种子无法正常呼吸和吸收水分,从而影响种子的萌发[28]。而肖易等[23]研究发现在石油污染浓度为40～60 g/kg条件下,玉米的种子发芽率为81.67%～85%,说明玉米种子在石油污染胁迫下仍具有较强的萌发能力。本研究发现在石油污染浓度为50 g/kg条件下,5个饲料玉米品种的种子发芽率为95%～100%;而石油污染浓度为150 g/kg条件下,5个饲料玉米品种的种子发芽率仍然高达65.0%～78.3%(相对发芽率为66.7%～78.3%)。李先梅等[10]的研究发现,墨西哥玉米草和苏丹草在土壤石油污染浓度为60 g/kg时,其种子发芽率分别为52.5%和57.5%(相对发芽率分别为65.6%和63.3%),均高于黑麦草和紫花苜蓿。由此可见,本研究的5个饲料玉米品种在高浓度的石油污染胁迫下仍然具有较强的耐性。

生物量是植物修复石油污染土壤的重要指标,植物生长形成的生物量愈大,意味着该植物修复石油污染的潜力愈强[29]。本研究发现随着石油污染浓度的上升,玉米的生物量均呈现下降趋势。Tran等[30]研究发现在所有石油污染土壤处理中,金合欢的萌发能力显著下降,且随着土壤含油率的增加,幼苗的生长参数、地上和地下部干物质量均显著降低。而本试验结果表明在低浓度(50 g/kg)石油污染条件下对玉米幼苗的生长未产生抑制作用,而中高浓度(100～150 g/kg)石油污染则对玉米幼苗的生长产生了显著的抑制作用。在生态系统中,植物和土壤是两个紧密联系的子系统,它们相互影响[31],当土壤受到石油污染时,土壤中石油烃会在植物根系表面包裹形成油膜,破坏土壤的物理结构,使植物无法从受污染的土壤中吸收和储存水分和造成生理干旱,从而抑制植物的生长[32]。在石油污染土壤中,石油主要通过两种途径抑制植物的生长:第一,石油烃组分中分子量较高的部分会包裹在土壤颗粒及植物根系的表面,不仅会降低土壤的透气性和亲水性,还会使植物的呼吸和蒸腾作用受到抑制,从而使植物生长受阻;第二,石油烃组分中分子量较小的部分一般具有高脂溶性,脂溶性物质可以穿过植物的细胞膜,从而对植物产生毒害作用,抑制植物的生长[33]。

4 结论

(1)随着土壤石油污染浓度的递增,供试的9个玉米品种的种子萌发指标和幼苗生长指标均呈现显著下降的趋势;而较高的土壤石油污染浓度(100 g/kg和150 g/kg)则显著抑制9个玉米品种幼苗的生长。

(2)在各种浓度的土壤石油污染胁迫下,饲料玉米的种子萌发性状和幼苗生长性状均优于甜玉米。在最高浓度(150 g/kg)土壤石油污染的胁迫下,饲料玉米种子的真实发芽率仍然高达65%～78.3%,而甜玉米仅为8.3%～48.3%,表明饲料玉米种子具有更强的忍耐土壤石油污染的能力。

(3)在较低的土壤石油污染浓度(50 g/kg)胁迫下,供试的9个玉米品种中‘先优666’品种的耐性最强,其种子萌发性状和幼苗生长性状均最优;而在较高的土壤石油污染浓度(100 g/kg和150 g/kg)胁迫下,‘中科11’玉米品种则具有最强的耐性。因此,‘先优666’和‘中科11’玉米品种可分别作为修复低浓度和中高浓度石油污染土壤的候选植物。