牧草植物對(duì)黃土丘陵區(qū)農(nóng)田石油污染土壤的修復(fù)研究

郭軍權(quán)

(延安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 延安 716000)

隨著石油工業(yè)發(fā)展，油田區(qū)周邊的農(nóng)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(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)的破壞,影響土壤通透性,并對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)和發(fā)育造成很大的負(fù)面影響[2]。土壤石油污染治理與修復(fù)受到越來(lái)越多學(xué)者和研究人員的關(guān)注，張麗芳等對(duì)當(dāng)前表面活性劑在石油污染土壤治理中應(yīng)用成果進(jìn)行研究[3]。孫鐵珩等選擇苜蓿草和水稻為供試生物，通過(guò)盆栽實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行土壤中石油和多環(huán)芳烴的生物修復(fù)研究，旨在探討以植物修復(fù)石油污染土壤的可行性[4]。陸昕等研究了假單胞菌Nwu1-mu 對(duì)陜北地區(qū)石油污染土壤修復(fù)效果[5]。當(dāng)前對(duì)石油土壤污染的修復(fù)研究主要集中在微生物法[6, 7]、化學(xué)方法[8]、微生物-植物聯(lián)合修復(fù)法[9,10]，且多為室內(nèi)試驗(yàn)研究，對(duì)野外實(shí)地植物修復(fù)研究報(bào)道較少。筆者通過(guò)幾種牧草植物在石油污染土壤上的種植，研究其對(duì)石油污染土壤的修復(fù)效果，并從中篩選出對(duì)石油污染土壤修復(fù)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(fù)提供了新的解決思路。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于延安市川口油田周邊農(nóng)田，屬典型的黃土高原丘陵溝壑區(qū)，地勢(shì)北、西、南高，東低，土質(zhì)為黃綿土，植被較少，多暴雨，水土流失嚴(yán)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(wú)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(yàn)場(chǎng)地選取在延安市寶塔區(qū)川口油田廢棄的油井周邊農(nóng)田內(nèi),試驗(yàn)土壤性質(zhì)見(jiàn)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(yàn)前進(jìn)行翻耕，去掉碎石和植物枝葉，保證供試土壤物理化性質(zhì)一致,土壤石油含量均勻，選取同一農(nóng)田離廢棄油井較遠(yuǎn)處無(wú)石油污染土壤做出芽率空白對(duì)照，將耕作后試驗(yàn)區(qū)劃分為5個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)分為面積為1 m×5 m的4塊樣地，每個(gè)小區(qū)設(shè)3個(gè)平行，一個(gè)無(wú)植物對(duì)照試驗(yàn)。5組試驗(yàn)共20塊試驗(yàn)樣地，對(duì)5個(gè)小區(qū)周邊進(jìn)行高隆培土，防止因降雨導(dǎo)致石油類物質(zhì)徑流損失。1～5號(hào)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(yàn)時(shí)間從2019年4月21日至8月21日，測(cè)出芽率，播種21 d后觀察有石油污染土壤和無(wú)石油污染空白對(duì)照出芽率；土樣采集，采樣時(shí)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(yàn)共取土樣5次，測(cè)定土壤含水量和土壤容重，測(cè)土壤石油含量，同時(shí)于5月21日，6月21日，7月21日整株取少量植物樣，根據(jù)少量植物樣測(cè)算總生物量，同時(shí)測(cè)定植物中石油烴含量， 8月21對(duì)小區(qū)中所有植物(包括根莖及掉落植物莖葉)整體取樣測(cè)生物量和石油烴含量，對(duì)植物的根入土深度進(jìn)行測(cè)量。

表1 試驗(yàn)土壤性質(zhì)

1.3 研究方法

用快速溶劑萃取總石油烴重量的重量法測(cè)定土壤中石油烴含量，植物體內(nèi)石油含量的測(cè)定采用索氏提取總石油烴重量法測(cè)定[11]。生物量測(cè)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(nèi)，帶回實(shí)驗(yàn)室，然后放入恒溫烘箱，調(diào)制65℃烘至恒重，重量法測(cè)生物量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS18.0軟件和微軟Excel2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤石油烴對(duì)不同牧草植物的發(fā)芽率影響

對(duì)石油污染土壤試驗(yàn)區(qū)種植21 d后牧草植物的出芽率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)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?yàn)椋荷炒蛲?紫花苜蓿>紅三葉>白三葉>堿茅草。與無(wú)石油污染土壤空白對(duì)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(wú)污染的94.4%降到43.2%，降低了51. 2%；相對(duì)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(shuō)明沙打旺和紫花苜蓿較容易在石油污染的土壤中生長(zhǎng)，對(duì)石油污染土壤有較好的修復(fù)潛力，白三葉和紅三葉修復(fù)潛力次之，堿茅草不太適宜在石油污染土壤中生長(zhǎng)。

圖1 石油烴對(duì)植物發(fā)芽率的影響

2.2 不同牧草植物對(duì)土壤石油烴降解率的影響

通過(guò)對(duì)5、6、7、8月5次的土壤樣石油含量進(jìn)行測(cè)定，點(diǎn)繪出不同牧草植物對(duì)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(duì)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(duì)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(shì)一致，均隨采樣時(shí)間逐漸提高，5種牧草植物中紫花苜蓿在各個(gè)時(shí)間內(nèi)對(duì)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(duì)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(yàn)時(shí)間的進(jìn)行，進(jìn)入夏季植物的生長(zhǎng)季，這時(shí)溫度高有利于植物生長(zhǎng)，5種牧草植物生長(zhǎng)和代謝旺盛，對(duì)土壤中石油吸收和代謝降解也較快。5種植物對(duì)石油降解率的作用大小順序?yàn)椋鹤匣ㄜ俎? 沙打旺>白三葉>紅三葉 >堿茅草。

圖2 同種類植物對(duì)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(wú)

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(wú)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(shuō)明石油在土壤中的存在，導(dǎo)致植物生物量的減少，石油污染物對(duì)植物的生長(zhǎng)和代謝起到了負(fù)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(duì)石油烴的富集效果

將4次采回的植物樣進(jìn)行分析，將分析結(jié)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(dá)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(dá)到最大，原因主要是和植物的長(zhǎng)勢(shì)有關(guān)，6、7、8月是植物生長(zhǎng)最快的時(shí)期，各種代謝也是最旺盛時(shí)期，因此吸收和富集石油烴也是最多的時(shí)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(fù)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(duì)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(fù)的植物。筆者只對(duì)單一的石油含量土壤進(jìn)行了研究，沒(méi)有選擇不同梯度石油污染土壤，土壤石油污染含量對(duì)出芽率及植物生物量是否存在一個(gè)臨界值，對(duì)重石油污染土壤植物修復(fù)技術(shù)，還需要后續(xù)進(jìn)一步的研究。

4 結(jié)論

(1)與無(wú)污染土壤空白對(duì)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(duì)照無(wú)植物生長(zhǎng)相比，紫花苜蓿、沙打旺、紅三葉、白三葉、堿茅草的生長(zhǎng)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(duì)石油降解率的作用大小順序?yàn)椋鹤匣ㄜ俎? 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(jié)論可以看出紫花苜蓿、沙打旺、紅三葉和白三葉具有修復(fù)石油污染土壤的潛力，可以作為石油污染土壤的修復(fù)植物使用。