不同原油濃度對兩種農(nóng)作物的生長特性影響評價

雒曉芳，陳麗華，王冬梅，王瑾，霍偉鵬（.西北民族大學(xué)實驗中心，甘肅蘭州730030；.西北民族大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅蘭州730030）

不同原油濃度對兩種農(nóng)作物的生長特性影響評價

雒曉芳1，陳麗華1，王冬梅1，王瑾2，霍偉鵬2
（1.西北民族大學(xué)實驗中心，甘肅蘭州730030；2.西北民族大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅蘭州730030）

通過測定農(nóng)作物的生長狀況及產(chǎn)品品質(zhì)，研究了不同原油含量對農(nóng)作物生長狀況的影響。試驗結(jié)果表明，隨著土壤中原油含量的增加，玉米、大豆中總烴、芳烴、總酚含量也相應(yīng)增多，呈明顯的正相關(guān)性。當加入0.5 g/kg的石油時，玉米果實中的總烴、芳烴、總酚含量分別為37.25 mg/kg、9.80 mg/kg、1.394 mg/kg，大豆中分別為52.14 mg/kg、12.77 mg/kg、1.693 mg/kg。當石油含量為0.5～1.0 g/kg時，對農(nóng)作物的生長發(fā)育有促進作用，同時促進淀粉、蛋白質(zhì)的合成，增加果實質(zhì)量；當含量為3.0 g/kg時，促進效果下降。

原油濃度；玉米；大豆；生長特性；評價

石油作為當今社會的主要能源，推動著工業(yè)和國民經(jīng)濟的發(fā)展，然而其應(yīng)用過程中也伴隨著嚴重的污染問題。石油污染是指石油在開采、冶煉、貯運和使用過程中，原油和各種石油制品進入環(huán)境而造成的污染。目前國內(nèi)外對石油污染土壤的修復(fù)有很多研究，但隨著石油工業(yè)的快速發(fā)展，各種石油類物質(zhì)對土壤的污染問題日益嚴重，油田區(qū)周圍尤為突出。石油造成土壤污染的原因主要有石油中的各種成分都具有一定的毒性，石油類污染物可破壞生物的生活環(huán)境、造成生物的機能障礙[1]。石油烴積累在土壤表層會破壞土壤結(jié)構(gòu)，影響其通透性，進而影響農(nóng)作物的生長和發(fā)育[2]，對植物的生長、結(jié)實和果實的品質(zhì)等造成一定的影響，并可通過食物鏈在動物體內(nèi)逐級富集，危害人類健康。被石油污染的土壤對植物生長的影響、石油污染土壤的生態(tài)毒性效應(yīng)和相應(yīng)的修復(fù)技術(shù)等研究均受到國內(nèi)外專家的關(guān)注[3-6]。

石油污染土壤的修復(fù)方法有物理方法、化學(xué)方法和生物方法，其中微生物修復(fù)是利用微生物的分解作用去除污染物，植物修復(fù)則綜合利用微生物、植物與環(huán)境間的相互作用，將石油組分吸附、降解、轉(zhuǎn)化或固定為無害物質(zhì)[7]。植物可直接吸收有機污染物，釋放分泌物和酶類物質(zhì)，還能提高根系微生物的數(shù)量和活性[1]，植物與微生物共同作用能明顯提高修復(fù)效果[8]。目前，國外已廣泛利用植物根際效應(yīng)修復(fù)有機污染物特別是多環(huán)芳烴（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs）類物質(zhì)[9-10]，我國在此領(lǐng)域的研究起步較晚，李方敏等[11]研究表明，玉米草適合在石油污染土壤上種植；藺聽等[12]認為植物-微生物系統(tǒng)的吸收代謝能力決定了有機污染物的降解。凌婉婷等[13]研究了多種植物根對土壤中多環(huán)芳烴的吸收作用，結(jié)果表明，不同植物根中菲和芘的含量和根系富集系數(shù)與根的脂肪含量呈顯著正相關(guān)。植物可通過體內(nèi)的新陳代謝作用，轉(zhuǎn)化污染物為弱毒或無毒的代謝物，對植物中多環(huán)芳烴吸收積累的研究表明，多環(huán)芳烴大量積聚在植物根部，極少量被運輸?shù)角o葉中[14]。

目前，針對土壤中石油類污染物對植物生長的影響，相關(guān)領(lǐng)域的研究多以盆栽試驗為主，供試植物多為旱田植物，主要有小麥、玉米、高粱、黃豆、苜蓿、披堿草、向日葵等。李春榮等[15]通過盆栽試驗研究不同濃度石油烴對黃豆生長的影響，研究表明石油烴初始質(zhì)量濃度≤5 g/kg時，對黃豆幼苗葉綠素含量、丙二醛（methanedicarboxylicaldehyde，MDA）含量無顯著影響；初始質(zhì)量分數(shù)為10 g/kg時，對黃豆幼苗有明顯的毒害作用；初始質(zhì)量分數(shù)為10～50 g/kg時，對土壤微生物的生長有促進作用。彭昆國等[16]通過研究不同濃度石油對不同植物種子萌發(fā)和幼苗生長的影響，表明玉米和高粱的株高和根長與土壤中石油濃度呈顯著正相關(guān)，而披堿草的根長則與之呈顯著負相關(guān)。程龍飛等[17]研究表明，土壤中石油濃度與玉米產(chǎn)量之間呈直線負相關(guān)，玉米中苯并（a）芘的殘留量與土壤中石油的殘留量之間呈直線正相關(guān)。

試驗選用姬塬油田地區(qū)土壤為供試土壤，以玉米和大豆為研究對象，通過田間和盆栽模擬試驗研究不同濃度的原油污染處理對植物指標的影響，全面監(jiān)測和評價石油污染物脅迫對兩種植物的毒性效應(yīng)，以期為土壤石油污染對植物的影響及其植物生物修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

供試土壤：姬源油田地區(qū)土質(zhì)為典型的黃綿土，有四年耕作史，周圍無污染源，其理化性質(zhì)及有關(guān)化學(xué)物質(zhì)含量分析結(jié)果見表1。原油：陜西姬源油田油井中開采出的石油；玉米和大豆的種子：當?shù)氐霓r(nóng)貿(mào)市場；其他化學(xué)試劑均為國產(chǎn)分析純。

表1 試驗土壤中有機污染物含量和理化性質(zhì)測定結(jié)果Table 1 Physicochemical properties and contents of organic pollutants in tested soil

1.2 儀器與設(shè)備

BS223S電子天平、CPA225D電子天平：賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；XS205DU型電子天平：梅特勒-托利多公司；DSR系列溫濕度記錄儀：杭州佐格通訊設(shè)備有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設(shè)計

選用玉米和大豆為試驗作物，分別進行田間和盆栽試驗，設(shè)置4個土壤原油含量，分別為0、0.5 g/kg、1.0 g/kg、3.0 g/kg。播種與田間管理：播種后先不起垅，每樣方9穴，每穴先加底肥磷酸二胺5 g，然后蓋一層土，澆適量清水滲下去后，撒4～6粒玉米種子，覆土蓋好。玉米幼苗長出25 cm左右，起垅，干旱時期（5、6、7月）澆水5次，除草2次，滅蟲1次，防倒伏1次，并按生長發(fā)育期進行測試觀察。盆栽大豆的管理、觀測方法同玉米田間試驗。試驗期間正常澆水以保持試驗基質(zhì)的濕度，在對照組出苗率達50%的第14天結(jié)束試驗。

1.3.2 測定方法

石油類有機物含量參照國標GB/T8538—2008《飲用天然礦泉水檢驗方法》測定[18]，考馬斯亮藍G-250法測定蛋白質(zhì)含量[19]，蒽酮法測定淀粉含量[20]，索民提取法測定脂肪含量[20]，株高用直尺測量，干物質(zhì)量用稱量法測定。

表2 原油中有機污染物對玉米的影響Table 2 Effect of organic pollutants on maize

2 結(jié)果與分析

2.1 原油中有機污染物對玉米、大豆的影響

石油能夠在植物細胞間隙和維管束系統(tǒng)中運輸，根部從土壤中吸收的石油能向葉子和果實移動，并不斷積累，也能從葉子吸收向根部轉(zhuǎn)移[21]。通過田間玉米和盆栽大豆試驗，設(shè)置4個土壤原油含量分別為0、0.5 g/kg、1.0 g/kg、3.0 g/kg，選用玉米和大豆為試驗作物，分別進行田間和盆栽試驗，種植14 d后測定玉米和大豆中總烴、芳烴、總酚及苯并芘（benzo A pyrene，BaP）含量，結(jié)果分別見表2及表3。

由表2、表3可知，隨著土壤中原油含量的增加，玉米、大豆中總烴、芳烴、總酚含量也相應(yīng)增多，呈明顯正相關(guān)性。試驗種植玉米、大豆的土壤中加入石油的最小含量組為0.5 g/kg，作物果實中總烴、芳烴、總酚含量在玉米中分別為37.250 mg/kg、9.800 mg/kg、1.394 mg/kg，大豆中分別為52.140 mg/kg、12.770 mg/kg、1.693 mg/kg，隨著原油含量上升，作物中總烴、芳烴及總酚含量未見明顯增高，但都較明顯地超過空白對照組農(nóng)作物測定值。值得注意的是，在石油含量為3.0 g/kg時，玉米中的總烴含量和大豆中的總烴、總酚含量都有所下降，分析原因可能是因為石油濃度達到了一定的危害值，使植物的生長受到輕微的抑制，對污染物的吸收量減少。

表3 原油中有機污染物對大豆的影響Table 3 Effect of organic pollutants on soybean

原油中含有多種芳烴，特別是多環(huán)芳烴中有些組分具有致癌性，其中苯并芘（BaP）具有較強的致癌性、致突變性和致畸性。植物體在生長發(fā)育過程中會從土壤中吸收多種多環(huán)芳烴，不斷地積累在植物體中。從試驗結(jié)果來看，大豆、玉米中的BaP含量并不隨土壤中原油含量的增加而增加，各原油含量組的大豆、玉米中BaP的測定值與空白組進行比較，根據(jù)統(tǒng)計學(xué)分析，無顯著差異，處于同一個水平，說明作物中BaP含量并不完全和土壤中石油含量呈正相關(guān)性。

根據(jù)表2和表3的數(shù)據(jù)，與對照組相比，結(jié)果表明，農(nóng)作物對土壤中的石油污染物有較強的吸收和富集作用。在試驗所設(shè)置的幾個質(zhì)量濃度條件下，植物并未出現(xiàn)不良性狀，但當土壤原油含量過高時，會破壞土壤結(jié)構(gòu)，使植物根部的呼吸作用和對營養(yǎng)成分的吸收受到影響，破壞葉綠素的合成，對植物的生長產(chǎn)生毒害作用。石油污染土壤中存在一定數(shù)量的石油降解菌，且易在植物根際選擇性富集，這些微生物的存在會加速污染物的降解。當土壤原油含量過高時，會減少這些微生物的數(shù)量并抑制其活性，這一原因也會影響植物對污染物的修復(fù)，增加污染物對植物的毒害。

2.2 原油對農(nóng)作物生長和產(chǎn)品品質(zhì)的影響

影響農(nóng)作物生長發(fā)育及產(chǎn)品的品質(zhì)的因素，除了農(nóng)作物品種之外，還有環(huán)境條件等諸多因素，特別是土壤條件起著決定性的作用，當土壤中加入不同含量的原油時，對產(chǎn)品的品質(zhì)、作物生長發(fā)育等都產(chǎn)生影響。種植14 d后玉米和大豆中主要指標的測定結(jié)果分別見表4及表5。

表4 原油對玉米生長和營養(yǎng)成分的影響Table 4 Effect of crude oil on growth and nutrition of maize

表5 原油對大豆生長和營養(yǎng)成分的影響Table 5 Effect of crude oil on growth and nutrition of soybean

2.2.1 生長發(fā)育分析

由表4和表5可知，當原油含量為0.5 g/kg時，對玉米株高有明顯的促進作用，當石油量為0.5～3.0 g/kg時，隨著原油含量的增加，植株的高度逐漸減小。從千粒質(zhì)量來看，加入石油含量為0.5～3.0 g/kg，玉米的千粒質(zhì)量均有所增加，其中以0.5 g/kg時最大，為372.50 g。盆栽大豆生長狀況是從0.5～3.0g/kg這三個試驗組來看，植物的千粒質(zhì)量及株高都明顯好于對照組，相對增加＞10%，其中以0.5 g/kg最好。原油含量為0.5～1.0 g/kg時，大豆的千粒質(zhì)量及株高有所增加，原油含量為3.0 g/kg時，千粒質(zhì)量稍有下降，株高增加較少。

綜上所述，低濃度的石油烴對植物自身的生長發(fā)育有一定的促進，千粒質(zhì)量和株高均有所增加。但隨著原油含量的增加，玉米株高和千粒質(zhì)量增加量逐漸減小，石油含量為3.0 g/kg時，對大豆生長的促進效果也稍有下降。說明不同植物對石油含量的耐受力是不同的，但當石油含量在一定范圍內(nèi)增加時，會達到一定的危害指標，使植物生長受到輕微的抑制。

2.2.2 營養(yǎng)成分分析

由表4和表5可知，隨著原油含量從0.5～3.0 g/kg不斷增加，玉米的蛋白質(zhì)含量也有所提高，分別提高了19.4%、16.8%、7.2%；脂肪含量變化無規(guī)律性，其中在原油含量為0.5 g/kg時，脂肪含量有所增加，相對提高了6.6%；淀粉含量普遍明顯增加，以原油含量為0.5g/kg時最好，提高了26.6%。當土壤加油量在0.5～3.0g/kg時，大豆的蛋白質(zhì)含量都有所提高，其中0.5 g/kg和1.0 g/kg組比較明顯，分別提高10.6%和8.90%；而脂肪含量各試驗組差別不顯著，無規(guī)律性；當原油含量為0.5 g/kg和1.0 g/kg時，淀粉含量顯著提高，分別提高65.1%、66.5%。

可見，少量的石油烴對農(nóng)作物的生長有促進作用，可能是由于低含量的石油烴被植物和根際微生物部分降解，生成CO2和H2O等，并產(chǎn)生能量，這些物質(zhì)和能量為根際微生物的生長提供了良好的碳源，促進了植物的碳代謝，促進了固氮菌等細菌的生長和繁殖，加上土壤中氮的積累和有機肥料的分解，使作物易于吸收，最終表現(xiàn)為植物的生長得到促進，產(chǎn)量有所提高。由于本試驗中土壤內(nèi)所加石油含量（≤3%）還未達到抑制作物生長、損害的程度，因此在作物外表上未觀察到不良的性狀。

3 結(jié)論

隨著原油含量上升，作物中總烴、芳烴及總酚含量未見明顯增高，但都明顯地超過空白對照組中農(nóng)作物的測定值。對人體有較強致癌作用的苯并芘（BaP）并不明顯地隨土壤中加入石油量的遞增而增加，作物中BaP含量并不完全和土壤中石油含量呈正相關(guān)性。低含量石油烴在一定程度上，對作物的生長發(fā)育有促進作用，同時促進淀粉、蛋白質(zhì)的合成，增加果實質(zhì)量。其中石油含量為0.5～1.0 g/kg時，促進效果最為明顯，含量為3.0 g/kg時，促進效果下降。高含量石油烴在一定程度上，對作物的生長發(fā)育有抑制作用，對于促進淀粉、蛋白質(zhì)的合成，增加果實質(zhì)量效果沒有低含量石油烴效果好。

由于本試驗中土壤內(nèi)所加石油濃度（≤0.3%）還未達到抑制作物生長、中毒和損害的程度，故在作物形態(tài)上未觀察到不良性狀，說明姬源油田修復(fù)后土壤可以促進作物生長發(fā)育和營養(yǎng)物質(zhì)的積累。

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Effect of different petroleum densities on growth characters of two kinds of crops

LUO Xiaofang1,CHEN Lihua1,WANG Dongmei1,WANG Jin2,HUO Weipeng2

(1.Center of Experiment,Northwest University for Nationality,Lanzhou 730030,China; 2.Life Science and Engineering,Northwest University for Nationality,Lanzhou 730030,China)

Through the determination of crop growth status and product quality,the effect of petroleum density on crop growth condition was measured. Result showed that with the increase of total hydrocarbon,aromatic hydrocarbon and total phenol in corn and soybean,the petroleum density increased as well,which showed a significant positive correlation.When 0.5 g/kg petroleum was added in soil,the total hydrocarbon,aromatic hydrocarbon and total phenol in corn were 37.25 mg/kg,9.80 mg/kg and 1.394 mg/kg,respectively.The contents in soybean were 52.14 mg/kg,12.77 mg/kg and 1.693 mg/kg,respectively.When the petroleum density was 0.5-1.0 g/kg,it showed promotion effect on plant growth and starch and protein synthesis,thus increasing the quality of the fruits.When the petroleum density was 3.0 g/kg,the promotion effect was reduced.

petroleum density;maize;soybean;growth feature;evaluation

Q93

A

0254-5071（2014）07-0039-04

10.11882/j.issn.0254-5071.2014.07.008

2014-05-30

國家自然基金項目（41361070）；甘肅省自然科學(xué)基金項目（1308RJZA187）；中央高?；緲I(yè)務(wù)費專項資金項目（ZYZ 2011103）

雒曉芳（1980-），女，副教授，碩士，主要從事環(huán)境微生物方面的研究工作。