4種適生植物對隴東地區(qū)油污土壤場地生態(tài)修復的響應

井明博， 周天林， 梁 健， 楊蕊琪， 吳勝偉

(1.甘肅省高校隴東生物資源保護與利用省級重點實驗室, 甘肅 慶陽 745000; 2.隴東學院 生命科學與技術(shù)學院,甘肅 慶陽 745000; 3.陜西師范大學 生命科學學院, 陜西 西安 710119; 4.甘肅省極端環(huán)境微生物資源與工程重點實驗室, 中國科學院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 甘肅 蘭州 73 000; 5.西安環(huán)發(fā)環(huán)保工程有限公司, 陜西 西安 710068)

現(xiàn)已成為全國第一大油田的長慶油田公司是隴東地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展的主要支柱產(chǎn)業(yè)。但在石油開采、貯存以及運輸過程中已造成該地區(qū)原油污染土壤面積1.02×104hm2[1]，其中慶陽市北部地區(qū)土壤總石油烴(TPH)含量已高達79 634.37±2 614.15 mg/kg，高出土壤油污臨界值近400倍，那么如何實現(xiàn)當?shù)厣鐣?jīng)濟快速發(fā)展與環(huán)境保護之間雙贏的目標就顯得尤為重要，因此隴東黃土高原地區(qū)油污土壤的生態(tài)修復工作已成為該地區(qū)環(huán)境治理領(lǐng)域的首要問題。

植物修復法以其環(huán)境友好、成本低、操作性強和生態(tài)可承受性好等特點近年來備受青睞[2]，植株修復通常以吸附、轉(zhuǎn)化和特定污染物超級累的方式為基礎(chǔ)，通過提升根際微生物及其根系分泌物的共代謝水平，將土壤中持久性有機污染物吸附、分解、清除或轉(zhuǎn)變成為無毒物質(zhì)[3]。但植物修復技術(shù)通常受植物超級累特性和地域適生性雙重限制[4]，而隴東地區(qū)干旱少雨、土壤貧瘠、鹽堿化程度高、寒暑及晝夜溫差大，因此該地區(qū)植被分布具有明顯地域性[5]。目前有關(guān)油污土壤植物修復技術(shù)的相關(guān)報告多集中在陜西、新疆、山東和黑龍江等地，且植物品種主要包括黑麥草(Loliumperenne)、油菜(Brassicachinensis)、狗尾草(Setariaviridis)、沙打旺(Astragalusadsurgens)、紫花苜蓿(Medicagosativa)和草木犀(Melilotusofficinalis)等[6-9]，而有關(guān)隴東地區(qū)油污土壤植物生態(tài)修復工作相關(guān)報道則相對較少[10]。

為此，本研究擬以紫花苜蓿(Medicagosativa)、金盞菊(Calendulaofficinalis)、非洲菊(Gerberajamesonii)和白三葉草(Trifoliumrepens)這4種隴東適生品種為受試植物，在甘肅省慶陽市馬嶺鎮(zhèn)長慶油田采油二廠“隴東油泥處理站”試驗田開展為期3個月的場地生態(tài)修復試驗，分析不同油污濃度脅迫下4種隴東適生植物根際土壤總石油烴(TPH)降解率、TPH富集(BCF)和轉(zhuǎn)移系數(shù)(TF)、根際TPH降解菌數(shù)量以及5種植物生長指標響應情況，旨在為隴東地區(qū)開展油污土壤植物場地生態(tài)修復技術(shù)提供新的植物品種和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 場地修復樣地選擇和試驗設(shè)置

場地修復試驗在甘肅省慶陽市馬嶺鎮(zhèn)長慶油田采油二廠“隴東油泥處理站”進行(東經(jīng)107°22′19″，北緯36°36′15″)。本次試驗油污來源為清罐油泥(TPH=489 764.62±896.11 mg/kg)，為最大程度模擬隴東黃土高原地區(qū)常見土壤油污濃度，在清罐油泥中配置了部分清潔自然風干土(源自為井場周邊撂荒地，含水量為1.94±0.62%)，使其對應的總石油烴(TPH)終濃度分為3個等級，分別為輕度污染(10 000 mg/kg)、中度污染(40 000 mg/kg)和重度污染(70 000 mg/kg)，澆水平衡10 d后測得TPH含量依次為(9 641.64±184.17)mg/kg，(39 117.18±151.42)mg/kg和(68 794.75±187.34)mg/kg，以不加油泥的井場周邊撂荒地清潔土壤為空白對照組(TPH=0 mg/kg)，文中以設(shè)置濃度為標識。

由西安環(huán)發(fā)環(huán)保工程有限公司負責修建束沿池，深度為50 cm，大小為2 m×3 m，土層鋪設(shè)厚度為25～30 cm。每個油污濃度設(shè)置1組對照和4組處理，分別為CK組、紫花苜蓿組、非洲菊組、金盞菊組和白三葉草組，每組設(shè)3個重復，共計45個束沿修復池。試驗開始于2017年4月6日，結(jié)束于2017年7月5日，試驗周期為91 d，在相應束沿內(nèi)播種供試植物種子150～250?！哺鶕?jù)前期試驗結(jié)果，白三葉草在TPH為40 000 mg/kg時出苗率為(48.21±14.97)%，其余3種適生植物出苗率介于(79.93±19.08)%～(85.97±18.57)%之間，因而每種受試植物播種量據(jù)此增減，使每個束沿池內(nèi)植株個數(shù)保持在150～200株之間，植株密度介于35～45株/m2〕，覆土厚度約為1 cm，由于清罐油泥中瀝青類物質(zhì)含量較高致使油污土壤板結(jié)嚴重，為防止油泥淤積在表層覆土及外部滲漏[10]，使之土壤田間持水量保持在60%～70%[11]。

1.2 樣品采集及測定方法

修復期結(jié)束后，4種供試植物對應束沿池內(nèi)隨機收獲50株供試植物根際土壤樣品，以5份根際土樣合并為1份土樣，共計10個重復[12]，采用超聲—索氏萃取—重量法測定土壤及植物體總石油烴含量[13]，土壤石油烴降解菌數(shù)量則采用最大或然數(shù)(MPN)法[14]；采用山寶琴等[3]的方法測定株高和根長，地上和地下部分干重及其根冠比采用程麗娟等[14]的測定方法。

1.3 數(shù)據(jù)處理與計算

利用IBM SPSS Statistics19.0和R2.15.2(http:∥www.r-project.org/)對數(shù)據(jù)進行分析，用Origin 8.0和R 2.15.2作圖。方差分解運用“Vegan”數(shù)據(jù)包里的“Varpart”功能對本研究所測定9項指標進行方差分解，所有數(shù)據(jù)均經(jīng)過Hellinger轉(zhuǎn)換，用Venn圖表示生長指標，TPH轉(zhuǎn)移效率及土壤石油降解菌數(shù)量對其根際土壤TPH降解率的純效應以及共同效應，圖中的數(shù)字代表上述指標對4種受試植物根際土壤TPH降解情況的信息解釋率[4]。

2 結(jié)果與分析

2.1 4種供試植物根際土壤TPH降解率與日平均降解速率變化情況

圖1為場地修復過程中4種供試植物根際TPH降解率變化情況。F檢驗結(jié)果顯示，輕度污染時紫花苜蓿和金盞菊根際TPH降解率相對較高(p<0.05)；而中度污染時白三葉草根際TPH降解率明顯低于其他3種受試植物(p<0.05)；當油污濃度增至70 000 mg/kg時，4種供試植物根際TPH降解率依次為金盞菊>非洲菊>紫花苜蓿>白三葉草(p<0.05)。而不同油污濃度脅迫下4種植物根際TPH降解率變化情況亦不盡相同(F紫花苜蓿=118.274，F(xiàn)非洲菊=9.320，F(xiàn)金盞菊=4.706，F(xiàn)白三葉草=233.603，p<0.01)。與輕度污染組相比，紫花苜蓿和白三葉草根際TPH降解率在中度污染時分別下降了(6.81±0.94)%和(10.02±1.05)%(p<0.05)，而金盞菊和非洲菊處理組則分別上升了(3.14±0.29)%和(2.11±0.72)%，說明兩種豆科植物對油污濃度在增加相對敏感，但當油污濃度增至70 000 mg/kg時，4種植物根際TPH降解率依次分別下降了(41.97±2.62)%，(12.54±1.91)%，(10.49±2.53)%和(48.11±3.31)%(p<0.05)，相較之下重度石油污染對紫花苜蓿和白三葉草的根際TPH降解率抑制程度最為明顯，其根際TPH降解率僅為(33.78±1.22)%和(11.72±1.51)%。

圖1 場地修復過程中4種供試植物根際土壤TPH降解率與日平均降解速率變化情況(p<0.01，α=0.05)

2.2 不同油污濃度脅迫下4種供試植物處理組土壤TPH富集和轉(zhuǎn)移情況

油污土壤植物修復過程中可采用生物轉(zhuǎn)移系數(shù)(TF)和生物富集系數(shù)(BCF)來表征植物對石油烴的轉(zhuǎn)化和吸收程度[15]，因此本研究分析比較了不同油污濃度脅迫下4種供試植物TPH的轉(zhuǎn)移和富集系數(shù)變化情況(表1)。首先，4種供試植物TF系數(shù)和BCF系數(shù)均相對較低，說明其TPH轉(zhuǎn)移和富集相對低下，原因可能在于修復期相對較短以及石油烴生態(tài)毒性雙重影響[16]，而清罐油泥中含量相對較高的瀝青類物質(zhì)會嚴重抑制植物生物量的積累[17]。其次，輕度污染時金盞菊最高、非洲菊次之，而TF系數(shù)則為金盞菊最高、紫花苜蓿次之(p<0.05)；中度和重度污染時菊科植物根際BCF系數(shù)均顯著高于兩種豆科植物(表1)，而TF系數(shù)在中度污染時依次為金盞菊>非洲菊>紫花苜蓿>白三葉草(p<0.05)。此外，4種受試植物TF系數(shù)在重度污染時的響應情況來看，菊科植物TPH轉(zhuǎn)移效率優(yōu)于豆科植物，而重度污染對豆科植物修復效果的影響主要體現(xiàn)在抑制其根際TPH的有效轉(zhuǎn)移，由此說明不同品種植物間TPH轉(zhuǎn)移效率是決定其根際TPH降解率的主要因素。

表1 場地修復過程中不同油污濃度脅迫下4種供試植物土壤TPH的轉(zhuǎn)移和富集系數(shù)變化情況

注：每組同列不同小寫字母表示不同處理間各指標差異顯著(Duncan，α=0.05)。下同。

2.3 不同油污濃度脅迫下4種供試植物生長指標變化情況

前人研究指出應用于油污土壤生態(tài)修復的植物應具備生物量大、抗逆性強和生長迅速等特點[5]，為此本研究分析比較4種供試植物在不同油污濃度脅迫下生物量變化情況(表2)。首先，白三葉草株高、根長、地上部及地下部干重和根冠比均隨油污濃度的增加而明顯降低(p<0.05)，說明石油污染對其正常生長產(chǎn)生了嚴重影響，結(jié)合其根際TPH轉(zhuǎn)移及富集系數(shù)試驗結(jié)果，可基本確定在隴東地區(qū)重度油污土壤場地生態(tài)修復過程中不應單獨選用白三葉草。其次，由表2可見重度污染可顯著抑制紫花苜蓿和非洲菊株高但卻明顯促進了金盞菊株高的生長(p<0.05)。隨著油污濃度的增加非洲菊和金盞菊根長逐漸降低，而紫花苜蓿根長則顯著增加(p<0.05)，說明當油污濃度≥40 000 mg/kg時可能對該地區(qū)紫花苜蓿根長具有一定促進作用。此外，紫花苜蓿根冠比在中度污染時達到最高，但重度污染時明顯低于非洲菊和金盞菊(p<0.05)，原因在于其地上部干重在中度污染時受到抑制所致(表2)。此外，隨著油污濃度增加非洲菊根冠比逐漸降低，但金盞菊根冠比則隨之上升(p<0.05)。

2.4 不同油污濃度脅迫下4種供試植物根際土壤石油烴降解菌數(shù)量變化情況

前已述及植物根際營養(yǎng)元素有效化及共代謝水平高低是決定土壤TPH降解效率的重要指標[18]，而植物根際功能性土壤微生物數(shù)量是決定土壤TPH降解過程中的關(guān)鍵生物學環(huán)境因素[19]，為此本研究測定了場地修復過程中不同油污濃度脅迫下4種供試植物根際土壤石油烴降解菌數(shù)量變化情況(表3)。就同一油污濃度而言，4種供試植物根際土壤烷烴降解菌數(shù)量在輕度和重度污染時依次為金盞菊>非洲菊>紫花苜蓿>白三葉草(p<0.05)，而中度污染則為金盞菊最高，紫花苜蓿次之(p<0.05)，說明同一油污濃度脅迫下4種受試植物根際烷烴降解菌數(shù)量因種而異，且無論在何種油污濃度脅迫下金盞菊根際烷烴降解菌數(shù)量均為最高。與烷烴降解菌數(shù)量相似的是4種植物根際土壤芳烴降解菌數(shù)量在中度污染時依次為金盞菊>非洲菊>紫花苜蓿>白三葉草(p<0.05)，而不同之處在于金盞菊和非洲菊在輕度和重度污染組間其根際土壤芳烴降解菌數(shù)量無顯著差異。

表2 不同油污濃度脅迫下4種供試植物生長指標變化情況

其次，由表3可見紫花苜蓿根際土壤烷烴降解菌數(shù)量依次為中度污染組>輕度污染組>重度污染組>CK組，而白三葉草處理組則依次為輕度污染組>中度污染組>重度污染組>CK組，2種菊科植物根際土壤烷烴降解菌數(shù)量則在不同油污濃度時無顯著差異但均遠高于CK組，說明重度污染會顯著抑制豆科植物根際烷烴降解菌數(shù)量，而菊科植物根際烷烴降解菌數(shù)量則受油污濃度的影響相對較小。

表3 場地修復過程中不同油污濃度脅迫下4種供試植物根際土壤石油烴降解菌數(shù)量變化情況

注：同列不同小寫字母及同行不同大寫字母表示不同處理間各指標差異顯著(Duncan，α=0.05)。

2.5 場地修復過程中影響4種供試植物根際土壤TPH降解率的因子方差分解

為了明確場地修復過程中植物生長指標、土壤TPH轉(zhuǎn)移效率以及根際土壤石油降解菌數(shù)量對4種供試植物根際土壤TPH降解率的影響情況，將本研究所測定的9組與根際土壤TPH降解率密切相關(guān)的土壤環(huán)境以及植物指標進行了方差分解(圖2)。根據(jù)方差分解殘差(Residuals)可知，3類指標總疊加效應分別解釋了4種供試植物根際土壤TPH降解率68.11%，72.44%，79.47%和60.37%的信息量。

由圖2a可見，植物生長指標、TPH轉(zhuǎn)移效率和石油降解菌數(shù)量分別解釋了紫花苜蓿根際土壤TPH降解率的18%，29%和14%的信息量，而植物生長指標×石油降解菌數(shù)量的交互效應共同解釋了49%的信息量，但3類指標綜合疊加效應僅解釋了紫花苜蓿根際土壤TPH降解率11%的信息量，說明3類指標均不同程度參與了紫花苜蓿根際土壤TPH的生物降解，其中植物生長指標和石油降解菌數(shù)量的共同作用對紫花苜蓿根際土壤TPH降解率影響相對較大。

從2種菊科植物根際土壤TPH降解率的因子方差分解結(jié)果來看(圖2b和2c)，3類指標均不同程度參與了對非洲菊和金盞菊根際土壤TPH的生物降解，其中石油降解菌數(shù)量×TPH轉(zhuǎn)移效率(41%)以及植物生長指標×石油降解菌數(shù)量(52%)是決定兩種菊科植物根際TPH降解率的決定性因素。而白三葉草的根系土壤分析結(jié)果顯示(圖2d)，其植物生長指標由于石油烴生態(tài)毒性限制對其根際TPH降解率無顯著影響，而石油降解菌數(shù)量×TPH轉(zhuǎn)移效率(13%)的交互效應是決定其根際土壤TPH降解效果的關(guān)鍵環(huán)境因素。

注：方差分解殘差R值小于0者在圖中未顯示。圖2 場地修復過程中影響4種供試植物根際土壤TPH降解率的因子方差分解Venn特征

3 討 論

3.1 場地修復過程中4種適生植物生長指標對不同油污濃度的響應

油污土壤植物生態(tài)修復技術(shù)通常受植物特性、污染程度以及土壤環(huán)境等多種因素的影響，其中植物對土壤TPH特定組分的富集轉(zhuǎn)移和根際土壤微生物對TPH的生物降解作用是植物生態(tài)修復的理論基礎(chǔ)[20]。通常情況下應用于油污土壤生態(tài)修復的植物應具備生物量大、抗逆性強和生長迅速等特點[5]。山寶琴等[3]分析比較了不同濃度原油污染脅迫下6種陜北適生豆科植物的生長差異，結(jié)果顯示輕度污染(5 000 mg/kg)對受試植物株高有促進作用，但隨著油污濃度由10 000增至40 000 mg/kg時，6種受試植物株高均受到明顯抑制；而黃建等[9]在分析探討不同油污濃度對4種新疆鹽生植物生長特性的影響時指出油污濃度在5 000 mg/kg時可增加鹽生植物的株高，但隨著污染物濃度的增大供試植物株高受到顯著抑制；程立娟等[14]通過溫室盆栽試驗探討了不同油污濃度對野生觀賞植物長藥八寶生長指標的影響，結(jié)果顯示中度污染可有效增加長藥八寶的根長，但重度污染對其根長有明顯抑制作用，這與本研究試驗結(jié)果基本一致，但金盞菊株高以及紫花苜蓿根長的試驗結(jié)果與上述試驗結(jié)論有所不同，究其原因可能是由于輕度污染對金盞菊株高的影響相對較小，植物體可通過體內(nèi)代謝有效降低了石油烴的生態(tài)毒性[5]，因而在輕度污染時其株高與CK組間無顯著差異；而重度污染脅迫時金盞菊植物抗逆性隨之增加，植物體代謝過程中將TPH有效降解生成CO2和H2O并產(chǎn)生能量，而這些物質(zhì)和能量則可用于自身的生長，進而導致株高和根長的增加[21]。此外，油污土壤植物修復過程中植物根際區(qū)是生物降解的主要場所[22]，且植物根冠比通常與其根際TPH降解率間呈正相關(guān)關(guān)系[17]。本研究中4種受試植物根際TPH降解率在不同油污濃度間的變化趨勢(圖1)與其根冠比變化趨勢(表2)已存在顯著正相關(guān)關(guān)系(R2=0.83，p<0.01)，究其原因在于不同油污濃度脅迫下紫花苜蓿根冠比明顯低于非洲菊和金盞菊，由于中度和重度污染可促進紫花苜蓿地下部干重的同時其地上部干重在中度污染時受到抑制所致(表2)，而中度和重度污染對金盞菊地上部干重的抑制作用進而引起了金盞菊根冠比的增加。

3.2 場地修復過程中4種適生植物根際原油降解菌數(shù)量對不同油污濃度的響應

植株修復通常以吸附、轉(zhuǎn)化和特定污染物超級累的方式為基礎(chǔ)，通過提升根際微生物及其根系分泌物的共代謝水平，將土壤中持久性有機污染物吸附、分解、清除或轉(zhuǎn)變成為無毒物質(zhì)[5]，因此植物修復過程中植物根際土壤微生物數(shù)量高低是決定其修復效果的主要生物學環(huán)境因子[4]。本研究中所設(shè)置的3組油污濃度影響下兩種豆科植物在重度污染時顯著受抑，但菊科植物根際烷烴降解菌數(shù)量則受油污濃度的影響相對較小(表3)，說明相較于豆科植物，隴東地區(qū)石油污染土壤植物修復時菊科植物耐受力相對更強，這與沈偉航等[23]研究指出不同植物對石油污染耐受力不盡相同的研究結(jié)論相一致。原因可能是由于不同植物根際分泌物差異導致了與根際微生物共代謝水平有所差異[24]；其次，中低油污濃度(≤50 000 mg/kg)時土壤TPH為土著石油降解菌提供了豐富的碳源，有助于土壤石油降解數(shù)量的提升[25]，而重度污染會破壞土壤結(jié)構(gòu)，增加植物根際土壤粘度進而抑制土壤透氣性[18]，加之嚴重的碳氮比失衡，進而抑制土壤微生物數(shù)量和活性[1]。此外，本研究中相同油污濃度脅迫下4種供試植物根際烷烴降解菌數(shù)量亦存在顯著差異，但無論在何種油污濃度脅迫下金盞菊根際土壤烷烴和芳烴降解菌數(shù)量均為最高(表3)，可能是由于金盞菊根際土壤微環(huán)境種根際分泌物為土壤微生物的氮源、無機鹽及生長因子等含量相對較高[26]，進而有效提升其根際土壤微生物數(shù)量和活性[27]，加速了根際土壤TPH去除率和降解速率。

3.3 場地修復過程中4種供試植物根際TPH降解率對不同油污濃度的響應

油污土壤植物場地生態(tài)修復通常受到物種本身生物學特性和原油污染的雙重影響，其中不同油污濃度影響下土壤TPH降解率是直接反映和評價植物修復效果的重要指標[7]。李先梅等[28]以紫花苜蓿為試驗材料在華北油田開展了為期70 d的原位修復試驗，結(jié)果顯示隨著油污濃度增加，其TPH降解率由69%降至10%。程立娟等[14]研究表明植物根際TPH降解率與土壤油污濃度間呈顯著負相關(guān)關(guān)系。本研究4種供試植物根際TPH降解率均隨土壤油污濃度的增加而降低，紫花苜蓿、非洲菊和金盞菊在輕度和中度污染時其根際TPH降解率無顯著差異但在重度污染時明顯受到下降(圖1)，原因在于重度污染會增加植物根際土壤黏度[4]，降低根際微環(huán)境通透性[29]，阻礙營養(yǎng)物質(zhì)的有效循環(huán)[14]和生理功能[16]，進而限制了植物根際持久性有機污染物礦化效率[15]，導致根際TPH降解率逐漸逐步。

4 結(jié) 論

(1) 土壤油污濃度增加對豆科植物根際土壤TPH降解率的抑制作用更為顯著，且主要體現(xiàn)在對豆科植物根際TPH有效轉(zhuǎn)移的抑制作用。

(2) 油污濃度增加對紫花苜蓿、非洲菊和白三葉草株高和根長可產(chǎn)生顯著抑制作用，但重度污染對金盞菊株高和根長具有明顯促進作用的同時對其根際石油降解菌數(shù)量無顯著影響。

(3) 石油降解菌數(shù)量×TPH轉(zhuǎn)移效率以及植物生長指標×石油降解菌數(shù)量的交互作用是決定兩種菊科植物根際TPH降解率的關(guān)鍵因素。

綜上所述，4種受試植物各項指標對隴東地區(qū)油污土壤場地生態(tài)修復的響應方式因種而異，但重度油污土壤場地生態(tài)修復過程中不應單獨選用白三葉草，而兩種菊科植物油污耐受性和修復效果相對較好，因此在該地區(qū)具備一定的應用潛力。