紫花苜蓿對油污土壤的耐脅迫響應(yīng)及修復(fù)效果研究

徐艷 王曙光 南卡俄吾 楊建強(qiáng)

摘要近年來，土壤修復(fù)研究中植物修復(fù)技術(shù)以其過程簡單、成本低廉和無二次污染等特點(diǎn)受到人們的廣泛關(guān)注。目前已有不少試驗(yàn)研究表明，紫花苜蓿對石油類有機(jī)污染物具有較高的富集作用，是一種很有應(yīng)用前景的土壤修復(fù)植物。通過大量文獻(xiàn)調(diào)研，基于已有試驗(yàn)研究，綜述紫花苜蓿對油污土壤的耐脅迫響應(yīng)及修復(fù)效果研究現(xiàn)狀，以期為后期紫花苜蓿石油污染修復(fù)研究提供一定借鑒。

關(guān)鍵詞紫花苜蓿;石油污染土壤;耐脅迫響應(yīng);修復(fù)效果

中圖分類號X53文獻(xiàn)標(biāo)識碼

A文章編號0517-6611（2017）32-0115-03

Stress Response and Remediation Effect of Alfalfa to Petroleumpolluted Soil

XU Yan， WANG Shuguang*， Namkha Norbu et al（Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group Co.， Ltd，xi′an ，Shaanxi 710075）

AbstractRecently， phytoremediation technology has been widely concerned， and it has some advantages such as simple process， lowcost and no secondary pollution. At present，a lot of experimental researches showed that alfalfa could repair the petroleumpolluted soil efficiently. Alfalfa was a kind of soil restoration plant which could be applied widely in future .Through a large number of literature researches and based on the existing experiments， this paper summarized the stress response and remediation effect of alfalfa to petroleumpolluted soil to provide some reference for the later

research by alfalfa of petroleumpolluted soil remediation.

Key wordsAlfalfa; Petroleumpolluted soil; Stress response; Remediation effect

石油被譽(yù)為“黑金”，是現(xiàn)代社會賴以生存與發(fā)展的血液。在石油生產(chǎn)、貯運(yùn)、煉制加工及使用過程中，常常因事故、不正常操作及檢修等原因，造成石油烴類的溢出和排放，對環(huán)境（土壤、地表和地下水）造成嚴(yán)重污染[1]。近年來，土壤修復(fù)研究的主要治理方式有物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)。生物修復(fù)以其過程簡單、成本低廉、無二次污染等特點(diǎn)受到人們的廣泛關(guān)注。植物修復(fù)技術(shù)是一種很有潛力的環(huán)境修復(fù)技術(shù)，主要通過適生修復(fù)植物吸收、降解和揮發(fā)等方式減少石油類有機(jī)污染物在土壤中的含量，達(dá)到土壤修復(fù)的目的[2]。目前已有不少試驗(yàn)研究表明，草本植物紫花苜蓿對石油類有機(jī)污染物具有較高的修復(fù)作用，是一種很有應(yīng)用前景的土壤修復(fù)植物。該研究主要通過大量文獻(xiàn)調(diào)研，基于已有試驗(yàn)研究綜述紫花苜蓿對油污土壤的耐脅迫響應(yīng)及修復(fù)效果，以期為后期紫花苜蓿石油污染修復(fù)實(shí)踐提供一定借鑒。

1紫花苜蓿的特性和生態(tài)功能

苜蓿為多年生豆科草本植物，素有“牧草之王”之稱，在世界范圍內(nèi)分布廣泛 [3]，原產(chǎn)于小亞細(xì)亞、伊朗、外高加索一帶，經(jīng)“絲綢之路”傳入我國后，已有2 000多年栽培歷史。據(jù)有關(guān)種植實(shí)踐證明，紫花苜蓿具有以下生態(tài)功能[4]：①主根發(fā)達(dá)，通過機(jī)械穿插、根部代謝及產(chǎn)生大量分泌物等方式可有效疏松土壤，改善土壤通氣狀況、分散特性及團(tuán)粒結(jié)構(gòu);耐干旱、耐瘠薄、耐刈割且適應(yīng)性強(qiáng);②營養(yǎng)價值高，適口性好，側(cè)根生有大量根瘤，與根系共生的根瘤菌能將空氣中的游離氮轉(zhuǎn)化為易被植物利用的氮肥，具固氮作用，是一種改良土壤、保持水土、改造環(huán)境的優(yōu)良牧草;③可吸收、去除環(huán)境中的某些污染物，如石油類有機(jī)污染物、銅鉛鋅等重金屬離子。

2植物修復(fù)油污土壤的機(jī)理

植物修復(fù)是依據(jù)特定植物對某種環(huán)境污染物的吸收、超量積累、降解、固定、轉(zhuǎn)移、揮發(fā)及促進(jìn)根際微生物共存體等特性，修復(fù)土壤中有毒重金屬、有機(jī)物、放射性核素等污染物。有機(jī)污染物的修復(fù)機(jī)理包括直接吸收、根系分泌物降解和揮發(fā)[5-6]。植物吸收主要是通過植物直接吸收污染物并將其轉(zhuǎn)運(yùn)蓄積到該植株的地上可收割部分;降解是植物本身及相關(guān)微生物和各種酶將有機(jī)污染物降解為毒性較弱或非植物毒性的代謝物;揮發(fā)是指與植物吸收相互聯(lián)系，利用本身吸收、積累、揮發(fā)而減少土壤中的揮發(fā)性污染物[7-9]。

3石油污染對紫花苜蓿生長指標(biāo)的影響

就土壤而言，80%以上的落地原油被截留在50 cm以上的表層土壤中，逐漸積累導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)破壞，對植物生長造成負(fù)面影響[10]。油污土壤對植物種子發(fā)芽和幼苗生長的影響機(jī)理可能包括[11-12]：①形成油膜包裹種子，使種子處于缺水、缺氧狀態(tài)，導(dǎo)致萌發(fā)率降低;②在植物根系上形成一層石油烴黏膜，阻礙其對營養(yǎng)元素的吸收和呼吸功能，甚至引起根系腐爛，某些有毒組分可直接進(jìn)入植物體內(nèi)對植物造成傷害;③破壞土壤結(jié)構(gòu)，使土壤的透水性降低，阻礙植物生長;

④幼苗養(yǎng)分失衡和生理脫水。由于土壤碳氮比增加，微生物從土壤中吸收大量氮素來合成體細(xì)胞，導(dǎo)致微生物與植物爭奪土壤有效氮素，同時土壤顆粒吸附石油烴干擾了營養(yǎng)元素從土壤顆粒進(jìn)到土壤溶液。

目前，對紫花苜蓿部分生長指標(biāo)的影響研究主要通過將供試的石油類有機(jī)污染物與研究區(qū)附近無污染土壤混合，人為設(shè)置一定濃度梯度，進(jìn)行紫花苜蓿盆栽試驗(yàn)（為主）或田間試驗(yàn)研究。在一定試驗(yàn)周期內(nèi)定期測定不同污染濃度下紫花苜蓿的發(fā)芽時間、發(fā)芽率、株高、地上和根系干重等基本生理指標(biāo)來初步探索紫花苜蓿對石油污染的耐受性（表1、2）。隨著不同地區(qū)土壤中原油濃度增大，紫花苜蓿發(fā)芽率和株高均受到抑制作用，且株高對石油等有機(jī)污染物的反應(yīng)更為敏感，濃度越大，抑制作用越明顯。張松林等[6]研究發(fā)現(xiàn)，紫花苜蓿種子發(fā)芽率與土壤中石油污染質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈指數(shù)關(guān)系，隨著濃度的增加仍具有一定發(fā)芽率，主要是由于種子結(jié)構(gòu)具有多種物理和生化防范功能，能夠有效阻止有毒物質(zhì)的進(jìn)入，因而土壤污染對種子發(fā)芽的毒害作用在一定范圍內(nèi)僅表現(xiàn)為部分抑制，只有土壤污染嚴(yán)重時，種子發(fā)芽才會完全被抑制。

另外，植物株高和生物量是修復(fù)原油污染度的指示指標(biāo)，一般認(rèn)為相同時間內(nèi)植物生長發(fā)育形成的生物量越大，修復(fù)效果越好。岳冰冰等[12]選取東北林業(yè)大學(xué)場地0～10 cm表土為供試土壤，選取大慶油田原油為供試原油，對0、2 500、5 000、7 500 mg/kg石油污染梯度下紫花苜蓿的葉片數(shù)、生物量、可溶性蛋白、淀粉和葉綠素等進(jìn)行了測定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨濃度增加，葉片數(shù)和生物量在超過5 000 mg/kg時大幅減小;而可溶性蛋白和淀粉含量先增后減，葉綠素含量增加?？赡茉蚴菫榱诉m應(yīng)石油污染脅迫，紫花苜蓿產(chǎn)生了更多的營養(yǎng)物質(zhì)以維持正常代謝。

4紫花苜蓿對石油污染土壤的修復(fù)效果研究

目前，大部分試驗(yàn)研究主要通過測定不同濃度石油污染下紫花苜蓿盆栽或田間試驗(yàn)周期內(nèi)土壤或紫花苜蓿中總石油烴（TPH）、多環(huán)芳烴某一組分（菲、芘、苯并[a]芘、三氯聯(lián)苯等）含量等來定量研究紫花苜蓿對石油污染的修復(fù)效果。

4.1紫花苜蓿單一修復(fù)

李先梅等[13]結(jié)合華北油田原油污染實(shí)際情況，設(shè)置6種污染濃度0、10、20、30、40、60 g/kg，70 d后測定的紫花苜蓿石油烴降解率依次為0、59.00%、19.00%、33.00%、24.25%和10.00%。王麗萍等[14]以新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田灰漠土為供試土壤，克拉瑪依采油二廠原油為供試原油，設(shè)置原油濃度為0、6、12、34 g/kg，通過盆栽試驗(yàn)測定土壤石油烴降解率依次為0、87.70%、45.75%、21.31%。上述研究表明，當(dāng)石油濃度超過10%時，紫花苜蓿降解率呈大幅下降，可以看出土壤中石油污染物濃度影響紫花苜蓿的降解率。一般隨污染物濃度增大，植物生長發(fā)育會受到抑制，發(fā)芽率、株高及生物量等有所降低，對石油的去除率也相應(yīng)降低，且濃度越大，影響越顯著[15-16]。另外，趙首彩等[17]通過紫花苜蓿田間試驗(yàn)表明，紫花苜蓿非常適合修復(fù)石油污染土壤，且富集污染物主要位于植株地上部分葉部為主，莖部次之，便于收獲、集中處理（表3）。

4.2紫花苜蓿-微生物聯(lián)合修復(fù)

因石油污染物較為復(fù)雜，植物單一修復(fù)效果有限，因此不少學(xué)者選取紫花苜蓿-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究。劉世亮等[18]選取中科院南京土壤研究所常熟農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站潛育水耕人為土作為供試土壤，以苯并芘為石油污染物，蘇格蘭球囊霉為叢枝菌根真菌展開研究，試驗(yàn)結(jié)果如表4，當(dāng)不種植物時，在相同苯并[a]芘濃度下，接菌與不接菌處理下降解率幾乎沒有區(qū)別，說明在沒有寄主植物時，單純接入菌根真菌并不起作用。而在種植紫花苜蓿后，同一濃度下苯并[a]芘降解率顯著增加，且接菌處理后降解率明顯高于不接菌處理，說明接菌使紫花苜蓿根際土壤中苯并[a]芘的降解進(jìn)一步得到了強(qiáng)化。

4.3施肥-紫花苜蓿聯(lián)合修復(fù)

張松林等[6]以西北師范大學(xué)校園清潔區(qū)土壤為供試土壤，以塔里木盆地原油為供試原油，施加底肥后進(jìn)行人工石油污染土壤植物修復(fù)田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，土壤石油污染盡管存在一定程度的自然降解，但是紫花苜蓿的植物修復(fù)作用依然很顯著;種植紫花苜蓿對石油污染土壤具有很好的修復(fù)效果，且施肥有助于促進(jìn)紫花苜蓿對土壤中石油污染物的去除[20]（表5）。

5問題與展望

大量文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前對紫花苜蓿部分生長指標(biāo)的影響及修復(fù)效果主要通過將供試的石油類有機(jī)污染物與研究區(qū)附近無污染土壤混合，人為設(shè)置一定濃度梯度，以盆栽試驗(yàn)為主。如何將初步試驗(yàn)成果進(jìn)一步規(guī)?；瘧?yīng)用到工程實(shí)踐中，還需進(jìn)一步展開研究。

石油主要是由各種烴類組成的復(fù)雜混合物，組分包括飽和烴、芳香烴和非烴類化合物，各組分降解先后順序?yàn)轱柡蜔N>環(huán)烷芳香烴>多環(huán)芳烴>非烴類化合物[21]。目前，大部分研究以紫花苜蓿對總石油烴降解率為主，而對石油中各組分的降解率研究較少，尤其是紫花苜蓿對土壤中難以降解的多環(huán)芳烴類污染物的修復(fù)效果如何需要進(jìn)一步展開研究。

種植紫花苜蓿對石油污染土壤具有很好的修復(fù)效果，且已有部分研究表明，紫花苜蓿-微生物聯(lián)合修復(fù)、施肥-紫花苜蓿聯(lián)合修復(fù)、紫花苜蓿與其他修復(fù)植物混種等對油污土壤的修復(fù)效果更好，因此，后期可大量展開以紫花苜蓿為主要修復(fù)植物的多種方式（微生物、施肥、混種等）的聯(lián)合修復(fù)研究。

綜上所述，紫花苜蓿對不同地區(qū)不同濃度的石油污染土壤都具有較好的修復(fù)效果，是進(jìn)行植物修復(fù)研究的優(yōu)選物種。在進(jìn)行試驗(yàn)研究中，需要盡可能結(jié)合研究區(qū)石油污染土壤的實(shí)際情況，建立最適合該區(qū)域的植物修復(fù)技術(shù)體系，以達(dá)到最佳的試驗(yàn)效果。

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