油田外排水對干旱戈壁區人工濕地土壤微生物生物量的影響

杜顯元, 陳宏坤, 黃 麗, 張心昱,3,*, 吳 騫, 郭 宇

1 石油石化污染物控制與處理國家重點實驗室/中國石油集團安全環保技術研究院有限公司,北京 102206 2 中國科學院地理科學與資源研究所生態系統網絡觀測與模擬重點實驗室,北京 100101 3 中國科學院大學資源與環境學院,北京 100190 4 哈爾濱師范大學地理科學學院,哈爾濱 150025 5 沈陽農業大學土地與環境學院,沈陽 110866

我國油田平均含水率已超過85%。絕大部分油田采出水經過處理后，回注回油層，其中有部分為無效回注。這在一定程度上是一種能源和水資源的浪費，尤其是缺水的干旱半干旱地區。不能被油田循環利用的采出水處理達到國家排放標準[1]后外排，稱之為油田外排水。人工濕地處理油田外排水是近年來逐步發展起來的處理油田采油外排水的新模式,是一種有效的生態外排水處理工藝,利用濕地基質、蘆葦等耐鹽堿植物及微生物群落組成的復合系統對外排水中的低濃度殘余石油類相關物質進行進一步轉化和吸收處理,具有類似生態系統的綜合降解功能,且方便人為監督控制[2-4]。項瑋等[5]人工濕地系統的含油廢水凈化效果的研究表明,人工濕地對含油廢水具有較好的凈化效果,石油類物質平均去除率在96%以上。馬堯等[2]以新疆油田外排水為研究對象,建立了含油含鹽采油外排水人工生態濕地模擬試驗,試驗表明人工濕地可以實現處理后外排水的達標排放。

石油污染物可以影響土壤的物理、化學性質,由于土壤環境變化與污染脅迫作用,導致土壤微生物群落多樣性及其群落結構發生改變[6-11]。磷脂脂肪酸(phospholipid fatty acid,PLFA)是活體微生物細胞膜的重要組分,不同類群的微生物能通過不同的生化途徑合成不同的PLFA,因此通過測定PLFA成份可以分析不同群落微生物生物量,是一種快速、可定性和定量分析土壤微生物量的方法[12-15]。有研究認為,一定濃度的石油污染可以刺激土壤微生物的生長,增加微生物多樣性[11,16]；也有研究表明,石油污染將降低土壤微生物的多樣性[6]。高曉奇等[17]的研究發現,不同開采年限油井土壤總石油烴存在差異,但是土壤微生物群落無顯著差異。磷脂脂肪酸對石油污染物敏感[18-19],能夠表征不同群落結構微生物量的動態變化[20]。總體認為，當土壤中石油物質含量低于一定數量時，是可以增加土壤生物多樣性，并促進植物生長的。但其中很多具體特征和機理尚不明確。本研究通過分析土壤PLFAs，能夠反映干旱戈壁區人工濕地接納油田外排水土壤生物質量的變化特征和趨勢。

本研究以干旱戈壁區某油田石油生產的外排水形成的人工濕地為對象,分析外排水對濕地生態系統土壤微生物生物量的影響。該區域水資源貧乏,生態環境脆弱,隨著石油工業的發展,水的需求量增長很快,油田生產過程中采出的采出水量也急劇增加。在油田開采帶來巨大經濟效益的同時,會對原本十分脆弱的生態環境產生脅迫[21]。濕地作為油田外排水最終受納體,形成生態補水，局部生態環境得到整體顯著提升，但目前對濕地接納油田外排水中是有物質的富集、遷移及對環境的影響機理尚缺乏細致系統研究。其中,對于干旱戈壁區油田開發中采油外排水對土壤微生物群落的影響機制還不清楚。因此,開展油田外排水對人工濕地生態系統土壤微生物生物量及影響機制研究,對預知濕地耐污負荷、指導今后生產實踐具有重要的意義。

1 研究區概況

選取干旱戈壁區某油田長期外排水在排放點形成的經過環保部門批準的人工濕地,濕地總面積約700hm2。該地區屬溫帶干旱荒漠氣候,典型的平原戈壁景觀,夏季炎熱(極端高溫可達49.1℃),冬季嚴寒(極端低溫可達-42.0℃),干旱少雨,年均蒸發量3008.9mm,遠大于年均降水量108.9mm,多年平均風速3.4m/s,土壤含鹽量普遍較高,土壤質地以砂土居多[22]。該地區海拔差低于5m,西南部略高,為了防止外排水對外部生態系統的影響,在濕地低洼部分建有3—4m高的內圈防水壩(內壩)和2—3m高的外圈防水壩(外壩),并在內圈壩內種植蘆葦等耐鹽堿植物。

土壤樣品采集當月,采集外排水處理站進水口和出水口的水樣在當地進行水質檢測,檢測結果見表1。參考GB8978—1996[1],除化學需氧量(COD)外,其他項目出水口水質均已達到污水排放的一級標準。

表1 外排水處理站進水口和出水口主要水質指標

2 研究方法

2.1 土壤樣品的采集

圖1、圖2分別為采樣點分布圖和景觀圖。2018年7月在內壩內(inner dam,ID,靠近排水口)和內外壩間(between dams,BD)各設置3個采樣點,在外壩邊緣(outer dam edge,OD)設置4個采樣點,并在濕地西北方向距離外壩0.5km以外設置3個采樣點作為對照(CK)。在每個采樣點設置10m×10m的樣方,每個樣方以S型布設5個點,用土鉆取0—20cm土壤,剔除石礫和根系等雜質,將5個點的土樣混合,用四分法取出約1kg樣品,過2mm篩,裝入封口袋后放入冷藏箱帶回實驗室,共采集土壤樣品13個,用于土壤理化性質、PLFA、石油烴的測定。

圖1 干旱戈壁區某油田外排水形成濕地不同位置土壤采樣點分布圖

圖2 干旱戈壁區某油田外排水形成濕地不同位置景觀圖

2.2 土壤理化性質測定

2.3 土壤微生物生物量測定

土壤微生物生物量測定采用微生物標志物磷脂脂肪酸(PLFA)法[14,26]。樣品用含甲酯化的C19:0正己烷溶解,用氣相色譜儀(Aglient 7890B)測定,通過MIDI Sherlock微生物鑒定系統(MIDI Inc., Newark, DE)鑒定PLFA類型。表征不同類群微生物生物量的PLFAs標志物見表2。

表2 表征微生物的磷脂脂肪酸(PLFA)標志物

2.4 數據分析

數據使用SPSS 18.0統計軟件進行分析,選擇單因素方差分析(One-Way ANOVA)進行顯著性檢驗(Duncan檢驗),顯著水平為P<0.05,采用Pearson系數進行相關分析。利用SigmaPlot 10.0繪制圖形。使用Canoco 4.5軟件,用主成分分析(PCA)方法分析土壤微生物群落結構關系。

3 結果與分析

3.1 土壤總石油烴及理化性質特征

各類土壤的總石油烴含量無顯著差異,但是在對照位置石油烴含量相對較高,濕地土壤不同位置的石油烴含量相對較低。參考GB36600—2018[32],各采樣點的總石油烴含量低于一類用地篩選值826mg/kg(圖3)。

圖3 油田外排水對人工濕地生態系統土壤總石油烴含量的影響

濕地內壩內、內外壩間、外壩邊緣與對照土壤的pH、容重差異不顯著(P>0.05),電導率、溶解性全鹽為內外壩間>對照>外壩邊緣>內壩內,土壤含水量為內外壩間>內壩內>對照>外壩邊緣(表3)。

表3 油田外排水對人工濕地生態系統土壤物理性質的影響

不同位置濕地和對照土壤的全碳、全氮和有效氮(包括銨態氮和硝態氮)、有效磷含量、全碳/全氮比之間差異不顯著(P>0.05),僅內壩內的土壤全碳含量顯著低于內外壩間,約為內外壩間土壤全碳的50%(表4)。

表4 油田外排水對人工濕地生態系統土壤養分和比值的影響

3.2 土壤微生物生物量及比值

濕地不同位置土壤與對照土壤相比,其總微生物量、細菌、真菌、放線菌、叢枝菌根真菌、外生菌根真菌差異不顯著(P>0.05),而從內壩內至內外壩間至外壩邊緣,土壤總微生物量和主要類群微生物量呈現出逐漸增加的趨勢,內壩內土壤總微生物量、細菌、真菌、革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽性菌和叢枝菌根真菌量均顯著低于外壩邊緣土壤(圖4)。從內壩內至內外壩間至外壩邊緣,真菌/細菌比值(F/B)逐漸增加,并且內壩內、內外壩間土壤F/B比值顯著低于對照土壤(P<0.05)。土壤G+/G-比值濕地內向外有逐漸遞減的趨勢,但差異不顯著(圖4)。

圖4 油田外排水對人工濕地生態系統土壤微生物生物量及比率影響

對濕地不同位置土壤與對照土壤的微生物量進行主成分分析(PCA),第一軸和第二軸分別解釋土壤微生物生物量的78.3%和13.3%(圖5)。在總土壤微生物生物量的貢獻率上,各主要類群微生物生物量表現為細菌>革蘭氏陽性菌>革蘭氏陰性菌>放線菌>真菌>叢枝菌根真菌>外生菌根真菌(圖5)。濕地內壩內、內外壩間和外壩邊緣的土壤主要類群微生物生物量與對照土壤并無明顯差異,表明由于濕地外排水造成濕地不同位置土壤微生物量的差異不顯著(圖5)。

圖5 油田外排水形成人工濕地生態系統土壤微生物生物量及比值的主成分分析

3.3 土壤微生物生物量與土壤性質的相關分析

土壤全氮、全碳、總石油烴含量與土壤微生物生物量正相關(表5)。全氮與革蘭氏陽性菌、細菌、放線菌、叢枝菌根真菌及總微生物量均呈極顯著正相關(P<0.01),與革蘭氏陰性菌、真菌顯著正相關(P<0.05)；總碳與叢枝菌根真菌顯著正相關,與G+/G-比值呈顯著負相關(P<0.05)；總石油烴與真菌、叢枝菌根真菌有顯著正相關(P<0.05)(表5)。其他土壤性質則與土壤微生物生物量無顯著相關性(表5)。

表5 油田外排水形成人工濕地生態系統土壤微生物生物量與環境因子的相關性分析

4 討論

本研究內外壩間土壤的含水量、電導率和溶解性全鹽含量最高,這主要是由于排水和地勢的影響,內外壩間由于地勢相對較低,造成積水和積鹽。由于靠近排水口的內壩內土壤受到長期的水洗作用,電導率、溶解性全鹽、全碳、全氮含量最低,水擴散至內外壩間達到最高土壤含水量。土壤水分是鹽分的溶劑與載體,在土水勢作用下,土壤水分攜帶著溶質產生遷移[33-34],溶質隨著土壤水分的遷移造成濕地內外壩間土壤的電導率和溶解性全鹽量最高,pH值也高于其他類土壤。賈建麗等[35]研究認為,當油田區土壤可溶性鹽含量低于2%時,pH值隨可溶性鹽含量的增加而升高,本研究中不同位置土壤間雖然未達到顯著差異不顯著,但也呈現出pH值隨可溶性鹽含量的增加而升高的趨勢。有效氮(硝態氮和銨態氮)和有效磷含量在內壩內、內外壩間有比對照和濕地外壩邊緣低的趨勢,這可能除了排水帶走了部分有效養分外,還與該區域植物生長對養分吸收有關。水分是干旱區植物生長的最主要限制因子,在濕地中水限制緩解的情況下,蘆葦等植物可能對濕地土壤中氮、磷吸收增加,導致濕地中的有效養分有降低的趨勢。關于濕地外排水對該區域植物生物量、植物對氮、磷吸收的影響還有待于進一步的研究。不同位置土壤的石油烴含量差異不顯著,這是由于外排水從處理站排出后,總石油烴含量已經明顯降低(表1),而濕地不同位置土壤的石油烴含量與土壤真菌(包括叢枝菌根真菌、外生菌根真菌)正相關,說明真菌會分解利用部分外排水帶入濕地中石油烴。

本研究土壤微生物細菌(革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌)、真菌(叢枝菌根真菌、外生菌根真菌)、放線菌、總微生物量都是濕地內壩內最低,濕地外壩邊緣的值最高,土壤微生物生物量與土壤全氮、全碳和總石油烴正相關。微生物的生長常常受氮有性的限制,環境中氮有效性越高,微生物量增加[36]。內壩內的土壤在長時間的外排水沖洗和蘆葦等植物的吸收利用下,土壤碳氮的含量較低,因而影響了土壤微生物量。總石油烴與真菌、叢枝菌根真菌成正相關,表明一定含量的石油烴可以促進土壤真菌微生物的生長,這與劉五星[11]、甑麗莎[16]的研究結果一致。因此,外壩邊緣相對濕地內部較高的石油烴含量,導致其微生物量高于濕地內部。綜上所述,油田外排水未對研究區土壤的理化性質造成顯著影響,外排水改善濕地內壩外的土壤生態環境,增加了土壤微生物量。