野生植物对陕北黄土丘陵区土壤石油污染影响研究

郭军权

（延安职业技术学院，延安 陕西 716000）

0 引言

石油作为国家战略能源在经济建设中起着举足轻重的作用，但石油在开采、运输等过程中造成了土壤污染。石油污染直接导致土壤的生产力降低甚至丧失，影响正常农业生产。另外石油烃经过植物富集沿着食物链进入人体，危害人类健康，因此土壤石油污染修复已经成为专家学者研究的一个重要课题。植物技术修复方面，彭胜巍等[1]研究了8 种花卉种子不同石油含量土壤中的响应；徐艳等[2]紫花苜蓿对石油污染土壤的修复响应；宋曦等[3]研究了紫花苜蓿对陇东黄土高原油污土壤场地生态修复的综合响应。微生物修技术复方面，高晶等[4]研究了2 株真菌的筛选及其在石油污染土壤修复中的作用；黄廷林等[5]室内研究了邻单胞菌SY23 菌株对石油降解率的影响；周际海等[6]通过在石油污染土壤中接种不同种类食细菌线虫，探究土壤微生物活性和多样性的变化。微生物植物联合修复方面，杨燕等[7]研究了石油污染胁迫下冰草根围丛枝菌根真菌侵染率。王拓等[8]研究了小黑麦对石油污染盐碱土壤细菌群落与石油烃降解的影响。植物修复方法作为一种高效、价廉的方法受到学者的普遍关注，但当前对植物修复研究主要集中在室内栽培试验，直接对野外野生植物对石油污染的自然修复鲜有报道。以延安市川口油田废弃油井区为研究对象，在其上选取野生植物生长较好典型样方测定其自然生长的野生植物的种类、数量、生物量，并对植物富集石油烃含量和土壤石油降解情况进行分析研究，为陕北土壤石油污染修复提供科学方法和帮助。

1 研究区概况

研究区地处陕北黄土高原中部丘陵沟壑区。地处于北纬36°11′至37°09′，东经109°21′至110°03′之间。平均海拔998 m，年均降水量550 mm，年均气温7 ℃，年均无霜期150 d，属干旱半干旱性气候。土层深厚、疏松、多孔隙，透水性较强，黄绵土，有机质质量比一般为0.65%，ω （全氮）0.08%，ω （全磷）0.17%，pH 值7.0 ～8.1。

2 材料与方法

2.1 试验材料

试验地点选取川口油田具有代表性的废弃油井区。在同一废弃油井区选取了3 个石油质量比为7 780，14 564，19 324 mg/kg 的不同石油污染梯度样区，分别为样区1、样区2、样区3。试验选取了铁杆蒿、猪毛蒿、虎尾草、冰草、白羊草、狗尾草、早熟禾、黄蒿、黎、稗草等10 种陕北野生优势植物种子，种子饱满，并且浸泡24 h，每个样区中选取3 个面积为1 m×1 m 试验重复样方的进行种植，每个样区10 种植物的播种量相同，对每个样区进行翻耕，保证土壤石油含量均匀。样方所有测定数据取平均值，每个样区设置一个空白对照，空白对照中无植物生长仅测量土壤石油天然降解率。试验时间为120 d，从4月底开始种植，样方土壤样品分别在30，60，90，120 d采样4 次，土壤土钻取0 ～20 cm 土层土壤样品，每个样区3 个样方样品混合均匀，装入塑料袋密封，用于测定土壤中石油烃含量，120 d 对样方中所有植物进行整株取样，同一样区同一类植物样放置一起，装塑料袋，带回实验室，用于测定植物生物量和体内的石油烃含量。

2.2 研究方法

对采回的植物进行数量、种类的测定。生物量测定用重量法，将植物地上和地下部分分开，剪碎，在烘箱中80 ℃烘24 h 至恒重，测定干重。将采集的土样在阴凉处风干后，除去土样中石子和动植物残体等异物，用研钵研碎，通过0.150 mm 土筛，用快速溶剂抽提总石油烃重量的重量法测定土壤中石油烃含量[8]。植物体内石油污染物含量的测定采用索氏提取总石油烃重量法测定[9]。

2.3 数据处理

应用EXCEL2010 和SPSS18.0 软件进行数据处理。

3 结果与分析

3.1 土壤初始石油浓度对样区中野生植物群落的影响

通过对样区采回的植物种类和数量进行分析，发现样区1 植物种类最多，10 种野生植物均存在，样方内平均植株数量29 株；样区2 中植物种类变为6种，平均植株数量20 株；样区3 中植物种类为5 种，样方中平均植株为14 株。与样区1 相比，在样区2，3中植物的种类、株数分别降低了4 种和5 种、9 株和15 株，这可能是由于低浓度石油污染，植物对石油的耐受性较强，对植物生长影响较小，随着石油含量的升高，胁迫和毒理作用，影响植物种子发芽和植物生长，部分植物不能适应环境而被淘汰，导致植株种类和数量减少。3 样区中野生植物的种类见表1。

表1 不同样区主要野生植物种类、数量及生物量

由表1 可以看出，不同石油含量水平下，铁杆蒿、猪毛蒿、虎尾草、冰草、白羊草5 种野生植物均存在。通过对这5 种野生植物在样区内所占的比重进行测定分析，结果发现，这5 中野生植物在数量总和上分别占3 个样区的78%，93%，100%，生物量总和上占整个样区的89%，95%，100%，说明这5 种野生植物能够在高浓度石油污染土壤上生存，具有修复石油污染土壤的潜力。

3.2 不同土壤初始石油含量对野生植物生物量的影响

3 个样区中5 种植物的地下、地上和总生物量见图1。

图1 3 个样区中5 种植物的地下、地上和总生物量

从图1 可以看出，3 个样区中，5 种优势植物的生物量大小表现为： 铁杆蒿>猪毛蒿>虎尾草>冰草>白羊草。土壤初始石油质量比从样区1 中7 780 mg/kg 增大至样区2 中14564mg/kg 及样区3中19324 mg/kg，单独分析5 种植物地下和地上生物量和单种植物生物量均呈现减少趋势，铁杆蒿地下、地上生物量和单种植物生物量从214，125，339 g/m2减小到91，82，173 g/m2，分别减少了57.4%，34.4%，48.9%；猪毛蒿从212，128，329 g/m2减少到79，68，147g/m2，分别减少了62.7%，46.8%，55.3%；虎尾草从80，27，107 g/m2减少到36，17，53 g/m2，分别减少了55%，37%，50.4%；冰草从73，22，95 g/m2减少到31，15，46 g/m2，分别减少了57.5%，31.8%，51.6%；白羊草从51，20，71 g/m2减少到26，12，38 g/m2，分别减少了49%，40%，46.5%。从单株植物生物量来分析，随着土壤初始石油含量的增大，猪毛蒿的生物量减少最多为55.3%，白羊草减少的最少为16.5%，说明在5种植物中，石油含量对猪毛蒿的生长抑制作用最大，对白羊草的生长抑制作用最小。

3 个样区中植物总生物量（各类植物生物量之和）与土壤初始石油含量的关系见图2。

图2 不同土壤初始石油含量下120 d 样区植物总生物量

从图2 可以看出，地上总生物量、地下总生物量、植物总生物量均随着土壤初始石油含量的升高而降低。总结以上分析可知，样区中从单种植物、和所有植物的生物量都随着土壤初始石油含量的升高而减小。

3.3 野生植物对土壤中石油降解率的影响

样区土壤石油烃降解率和植物生长时间关系见图3。从图3 可以看出，3 个样区中，石油烃降解率随着植物生长时间逐渐增大。3 样区120 d 植物生长的总生物量为941，674，451 g/m2，土壤石油降解率分别为61.17%，46.13%，39.11%，与天然降解对照相比，石油降解率提升了45.75%，30.72%，23.69%。从图3 还可看出，60 和90 d 的石油降解最快，具体表现为，60和90 d 各样区土壤石油降解率分别为22.79%，26.91%，26.47%和31.12%，30.96%，38.57%，2 次的降解率之和占整个降解率值的53.92%，57.87%，65.04%。主要原因可能是60 和90 d 是植物生长最快，代谢量最大，产生生物量最多的时期，对土壤石油烃类降解也最多。

图3 不同样区中土壤石油降解率随时间的变化关系

120 d 植物样区总生物量和石油降解率的关系见图4。从图4 可以看出，样区中土壤石油总降解率是随着其上生长野生植物的生物量增大而增大，石油降解率和样区总生物量成线性相关，相关系数R2=0.978，说明石油土壤修复过程中，植物的生长量和长势直接影响着土壤石油污染物的去除。

图4 样区中总生物量与石油烃降解率的关系

3.4 植物中石油烃含量与土壤石油烃含量的关系

3 样区中5 种野生植物体内石油烃含量和土壤初始石油含量的关系见图5。从图5 可以看出，5 中植物体内石油烃含量和土壤中的石油烃含量成正相关关系，既随着土壤中初始石油含量升高，植物中石油烃含量也在升高，其中猪毛蒿在样区1 和样区2 中，其体内石油烃质量比最高分别为2 665，6 314 mg/kg，白羊草石油烃质量比最低为1 201，2 541 mg/kg，其他3 种植物处于中间；样区3 中铁杆蒿体内的石油烃质量比最高为7 632 mg/kg，白羊草最低为3 177 mg/kg。在样区中比较5 种植物的富集顺序，样区1 中顺序是： 猪毛蒿＞虎尾草＞冰草＞铁杆蒿＞白羊草；样区2 中顺序： 猪毛蒿＞铁杆蒿＞虎尾草＞冰草＞白羊草；样区3 中：铁杆蒿＞猪毛蒿＞虎尾草＞冰草＞白羊草。分析3 个样区植物富集石油的顺序，发现土壤初始石油含量低时，草本类植物对石油富集效果越明显，土壤石油含量高时，木本类植物对石油富集的效果明显。从图5 还可以看出，5 中植物体内的石油烃含量均小于土壤初始石油烃含量，但是已经接近120 d 时土壤石油烃含量。

图5 5 种不同野生植物体内石油烃含量与种植土壤中石油烃含量的关系

4 讨论

（1）试验区选择在废弃油井区，主要是考虑正常作业的油井区周围的土壤中的石油含量改变，影响因素较多，不是一个定数，可能还会出现土壤含量不降反升的现象，选取废旧油井区研究土壤石油污染相对稳定，不会有新污染发生，有利于控制影响石油含量的影响因子。

（2）对陕北典型的野生植物与土壤中石油含量的关系进行研究，通过野外种植试验发现猪毛蒿、虎尾草、铁杆蒿、冰草、白羊草5 种野生植物能在较高浓度的石油污染土壤上生长，可以作为优势植物修复石油污染土壤，这个研究结果与张麟君等[11]的研究结果一致。试验中土壤石油质量比大于14 000 mg/kg，样区2 和样区3 中的植物发芽和生物量受到抑制[5]，植物种类分别减少了4 种和5 种，植物减少了9 株和15 株，导致植物的种类和数量减少，生物量减少，最终降低了土壤石油降解率[12]。

（3）对5 种植物的根冠比进行研究，随着土壤石油含量的增加，5 种优势野生植物的生物量和根冠比均显著降低，根系变短，地上植物量减少，这与吕志萍等[13]的研究结果一致。

（4）研究5 种植物对石油的富集能力，发现猪毛蒿和铁杆蒿对石油富集能力最强，特别是石油质量比高于14 000 mg/kg，这2 种植物富集效果更佳明显。低浓度下冰草和虎尾草富集效果较好，这说明以后在进行石油污染土壤修复时，对于不同浓度石油污染土壤，选取不同的野生植物，才能达到预期效果[14]。

5 结论

（1）在试验条件下，铁杆蒿、虎尾草、猪毛蒿、冰草、白羊草5 种野生植物在数量总和上和生物量总和上分别占3 样区的78%，93%，100%和89%，95%，100%，为石油污染土壤上的优势植物。

（2）随着3 个样区土壤石油含量的增大，5 种植物的种类和数量不断减小。土壤石油含量与样区总生物量成负相关关系，样区中植物总生物量顺序与样区的石油含量大小顺序相反： 样区1 ＞样区2 ＞样区3。120 d 样区1，2，3 土壤石油降解率分别为61.17%，46.13%、39.11%，与天然降解对照相比，石油降解率提升了45.75%，30.72%，23.69%，石油降解率和样区总生物量成线性相关，相关系数R2=0.978。

（3）在试验土壤石油含量低条件下，虎尾草、冰草、白羊草对石油烃有较高的富集量，石油含量较高，虎铁杆蒿、猪毛蒿对石油富集量较大，并且野生植物中的石油烃与土壤中的石油烃成正相关关系。