牧草植物對黃土丘陵區(qū)農田石油污染土壤的修復研究

郭軍權

(延安職業(yè)技術學院，陜西 延安 716000)

隨著石油工業(yè)發(fā)展，油田區(qū)周邊的農田土壤受到石油污染， 大約有80%以上的原油被截留在50cm以上的耕層土壤中，造成土壤污染[1]。石油烴在表層土壤中的積累導致土壤結構的破壞,影響土壤通透性,并對農作物的生長和發(fā)育造成很大的負面影響[2]。土壤石油污染治理與修復受到越來越多學者和研究人員的關注，張麗芳等對當前表面活性劑在石油污染土壤治理中應用成果進行研究[3]。孫鐵珩等選擇苜蓿草和水稻為供試生物，通過盆栽實驗，進行土壤中石油和多環(huán)芳烴的生物修復研究，旨在探討以植物修復石油污染土壤的可行性[4]。陸昕等研究了假單胞菌Nwu1-mu 對陜北地區(qū)石油污染土壤修復效果[5]。當前對石油土壤污染的修復研究主要集中在微生物法[6, 7]、化學方法[8]、微生物-植物聯(lián)合修復法[9,10]，且多為室內試驗研究，對野外實地植物修復研究報道較少。筆者通過幾種牧草植物在石油污染土壤上的種植，研究其對石油污染土壤的修復效果，并從中篩選出對石油污染土壤修復效果較好的牧草類植物，為黃土丘陵區(qū)土壤生態(tài)環(huán)境修復提供了新的解決思路。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于延安市川口油田周邊農田，屬典型的黃土高原丘陵溝壑區(qū)，地勢北、西、南高，東低，土質為黃綿土，植被較少，多暴雨，水土流失嚴重。土壤容重為 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，積溫3 878.1℃，無霜期年均162 d，年平均溫度8～10℃，年降水量400～700 mm，屬干旱和半干旱地區(qū)。

1.2 供試材料

試驗場地選取在延安市寶塔區(qū)川口油田廢棄的油井周邊農田內,試驗土壤性質見表1。供試植物為：白三葉、紅三葉、紫花苜蓿、堿茅草、沙打旺。供試土壤在試驗前進行翻耕，去掉碎石和植物枝葉，保證供試土壤物理化性質一致,土壤石油含量均勻，選取同一農田離廢棄油井較遠處無石油污染土壤做出芽率空白對照，將耕作后試驗區(qū)劃分為5個試驗小區(qū)，每個小區(qū)分為面積為1 m×5 m的4塊樣地，每個小區(qū)設3個平行，一個無植物對照試驗。5組試驗共20塊試驗樣地，對5個小區(qū)周邊進行高隆培土，防止因降雨導致石油類物質徑流損失。1～5號小區(qū)依次種植白三葉、紅三葉、紫花苜蓿、堿茅草、沙打旺,挑選出同樣顆粒數(shù)籽粒飽滿的種子共試，試驗時間從2019年4月21日至8月21日，測出芽率，播種21 d后觀察有石油污染土壤和無石油污染空白對照出芽率；土樣采集，采樣時間分別為4月21日、5月21日，6月21日，7月21日，8月21日，試驗共取土樣5次，測定土壤含水量和土壤容重，測土壤石油含量，同時于5月21日，6月21日，7月21日整株取少量植物樣，根據少量植物樣測算總生物量，同時測定植物中石油烴含量， 8月21對小區(qū)中所有植物(包括根莖及掉落植物莖葉)整體取樣測生物量和石油烴含量，對植物的根入土深度進行測量。

表1 試驗土壤性質

1.3 研究方法

用快速溶劑萃取總石油烴重量的重量法測定土壤中石油烴含量，植物體內石油含量的測定采用索氏提取總石油烴重量法測定[11]。生物量測定：采植物樣品包括根系，并將采好的植物樣，分裝入塑料袋內，帶回實驗室，然后放入恒溫烘箱，調制65℃烘至恒重，重量法測生物量。

1.4 數(shù)據處理

使用SPSS18.0軟件和微軟Excel2010進行數(shù)據處理。

2 結果與分析

2.1 土壤石油烴對不同牧草植物的發(fā)芽率影響

對石油污染土壤試驗區(qū)種植21 d后牧草植物的出芽率進行統(tǒng)計，見圖1，從圖1可以看出，5種牧草植物在石油污染土壤中出芽率的大小順序為：沙打旺>紫花苜蓿>紅三葉>白三葉>堿茅草。與無石油污染土壤空白對照相比，石油污染土壤中沙打旺、紫花苜蓿、紅三葉、白三葉、堿茅草等5種植物的出芽率均有所降低，分別降低了5.4%，12.1%， 18.2%，19.5%，51. 2%，具體表現(xiàn)為：堿茅草受到的影響最大，出芽率從無污染的94.4%降到43.2%，降低了51. 2%；相對受影響最小的為沙打旺，從93.1%降低到87.8%，降低了5.4%，紫花苜蓿從96.2%降到84.1%，降低了12.1%；白三葉草叢92.6%降到73.1%，紅三葉從94.8%降到76.6%，分別減少了19.5%，18.2%，說明沙打旺和紫花苜蓿較容易在石油污染的土壤中生長，對石油污染土壤有較好的修復潛力，白三葉和紅三葉修復潛力次之，堿茅草不太適宜在石油污染土壤中生長。

圖1 石油烴對植物發(fā)芽率的影響

2.2 不同牧草植物對土壤石油烴降解率的影響

通過對5、6、7、8月5次的土壤樣石油含量進行測定，點繪出不同牧草植物對石油烴的降解率的影響如圖2所示。從圖2可以看出，紫花苜蓿的對土壤石油烴的降解率影響最大，從9.5%～63.4%，其次是沙打旺,7.9%～57.8%，白三葉是6.9%～42.9，紅三葉是6.6% ～40.6%，影響最小為堿茅草為3.8%～25.8%，與空白對照相比，土壤石油降解率分別提高了53.2%，47.7%，32.7,30.4%，15.6%。分析圖2可知，沙打旺、紫花苜蓿、紅三葉、白三葉、堿茅草在5、6、7、8月的土壤石油降解率趨勢一致，均隨采樣時間逐漸提高，5種牧草植物中紫花苜蓿在各個時間內對土壤石油降解率始終保持最大，其次沙打旺，白三葉和紅三葉交替上升，對土壤石油降解率最小的是堿茅草，降解率增大的主要原因是植物隨著試驗時間的進行，進入夏季植物的生長季，這時溫度高有利于植物生長，5種牧草植物生長和代謝旺盛，對土壤中石油吸收和代謝降解也較快。5種植物對石油降解率的作用大小順序為：紫花苜蓿> 沙打旺>白三葉>紅三葉 >堿茅草。

圖2 同種類植物對土壤石油烴降解率的影響

2.3 不同植物的生物量比較

圖3為5種植物在石油污染土壤中和空白無

石油污染土壤中相同株數(shù)生物量，從圖3可以看出，石油污染土壤中堿茅草、紅三葉、白三葉、沙打旺、紫花苜蓿的生物量分別是221、625、645、791、815 g·m-2，空白無石油污染土壤中生物量為251、723、762、1 038、1 118 g·m-2，有石油污染植物生物量比空白減少了12%，13.6%，15.4%，23.8%，27.1%。說明石油在土壤中的存在，導致植物生物量的減少，石油污染物對植物的生長和代謝起到了負作用。石油污染土壤中的生物量大小順序是：紫花苜蓿>沙打旺 >紅三葉> 白三葉>堿茅草。

圖3 同植物種類的生物量大小

2.4 不同植物對石油烴的富集效果

將4次采回的植物樣進行分析，將分析結果繪圖如4所示，從圖4(a)中可以看出，5-8月所有的植物均富集一定量石油烴，其中紫花苜蓿和沙打旺富集量最大，分別達到1 903 mg·kg-1和2 013 mg·kg-1。5種牧草植物體中富集石油烴含量均隨著月份的遞增而不斷升高，8月份達到最大，原因主要是和植物的長勢有關，6、7、8月是植物生長最快的時期，各種代謝也是最旺盛時期，因此吸收和富集石油烴也是最多的時期。在圖4(b)中比較同一月份的5種牧草植物的石油富集含量，發(fā)現(xiàn)除7月份外，植物富集石油烴量大小：紫花苜蓿>沙打旺 >紅三葉>白三葉 >堿毛草，其余月份富集石油烴的大小順序均為:紫花苜蓿>沙打旺 >紅三葉>白三葉 >堿毛草。

(a) (b)

3 討論

筆者研究了5種牧草類植物在污染土壤中的修復效果，發(fā)現(xiàn)紫花苜蓿和沙打旺在污染土壤中的出芽率較高，且在石油污染土壤上的生物量和對石油烴的富集效果均較好，篩選出適合黃土丘陵區(qū)石油污染土壤修復的植物。筆者只對單一的石油含量土壤進行了研究，沒有選擇不同梯度石油污染土壤，土壤石油污染含量對出芽率及植物生物量是否存在一個臨界值，對重石油污染土壤植物修復技術，還需要后續(xù)進一步的研究。

4 結論

(1)與無污染土壤空白對照相比，紫花苜蓿、沙打旺、紅三葉、白三葉、堿茅草等5種牧草類植物在石油污染土壤中的出芽率分別降低了12.1%，5.4%， 18.2%，19.5%，51. 2%；植物生物量減少了12%，13.6%，15.4%，23.8%，27.1%。與空白對照無植物生長相比，紫花苜蓿、沙打旺、紅三葉、白三葉、堿茅草的生長使土壤石油降解率分別提高了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順序是：沙打旺>紫花苜蓿>紅三葉>白三葉>堿茅草；5種植物對石油降解率的作用大小順序為：紫花苜蓿> 沙打旺>白三葉>紅三葉 >堿茅草；石油污染土壤中的生物量大小順序和富集石油烴一致：紫花苜蓿>沙打旺 >紅三葉> 白三葉>堿茅草。

從以上結論可以看出紫花苜蓿、沙打旺、紅三葉和白三葉具有修復石油污染土壤的潛力，可以作為石油污染土壤的修復植物使用。