油田外排水對干旱戈壁區(qū)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司,北京 102206 2 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101 3 中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100190 4 哈爾濱師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,哈爾濱 150025 5 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)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(jīng)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(fèi)，尤其是缺水的干旱半干旱地區(qū)。不能被油田循環(huán)利用的采出水處理達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)[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(fā)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(tài)外排水處理工藝,利用濕地基質(zhì)、蘆葦?shù)饶望}堿植物及微生物群落組成的復(fù)合系統(tǒng)對外排水中的低濃度殘余石油類相關(guān)物質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步轉(zhuǎn)化和吸收處理,具有類似生態(tài)系統(tǒng)的綜合降解功能,且方便人為監(jiān)督控制[2-4]。項(xiàng)瑋等[5]人工濕地系統(tǒng)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(zhì)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(tài)濕地模擬試驗(yàn),試驗(yàn)表明人工濕地可以實(shí)現(xiàn)處理后外排水的達(dá)標(biāo)排放。

石油污染物可以影響土壤的物理、化學(xué)性質(zhì),由于土壤環(huán)境變化與污染脅迫作用,導(dǎo)致土壤微生物群落多樣性及其群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變[6-11]。磷脂脂肪酸(phospholipid fatty acid,PLFA)是活體微生物細(xì)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(rèn)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(fā)現(xiàn),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(jié)構(gòu)微生物量的動態(tài)變化[20]。總體認(rèn)為，當(dāng)土壤中石油物質(zhì)含量低于一定數(shù)量時，是可以增加土壤生物多樣性，并促進(jìn)植物生長的。但其中很多具體特征和機(jī)理尚不明確。本研究通過分析土壤PLFAs，能夠反映干旱戈壁區(qū)人工濕地接納油田外排水土壤生物質(zhì)量的變化特征和趨勢。

本研究以干旱戈壁區(qū)某油田石油生產(chǎn)的外排水形成的人工濕地為對象,分析外排水對濕地生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物生物量的影響。該區(qū)域水資源貧乏,生態(tài)環(huán)境脆弱,隨著石油工業(yè)的發(fā)展,水的需求量增長很快,油田生產(chǎn)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(jīng)濟(jì)效益的同時,會對原本十分脆弱的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生脅迫[21]。濕地作為油田外排水最終受納體,形成生態(tài)補(bǔ)水，局部生態(tài)環(huán)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(zhì)的富集、遷移及對環(huán)境的影響機(jī)理尚缺乏細(xì)致系統(tǒng)研究。其中,對于干旱戈壁區(qū)油田開發(fā)中采油外排水對土壤微生物群落的影響機(jī)制還不清楚。因此,開展油田外排水對人工濕地生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物生物量及影響機(jī)制研究,對預(yù)知濕地耐污負(fù)荷、指導(dǎo)今后生產(chǎn)實(shí)踐具有重要的意義。

1 研究區(qū)概況

選取干旱戈壁區(qū)某油田長期外排水在排放點(diǎn)形成的經(jīng)過環(huán)保部門批準(zhǔn)的人工濕地,濕地總面積約700hm2。該地區(qū)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(dá)49.1℃),冬季嚴(yán)寒(極端低溫可達(dá)-42.0℃),干旱少雨,年均蒸發(fā)量3008.9mm,遠(yuǎn)大于年均降水量108.9mm,多年平均風(fēng)速3.4m/s,土壤含鹽量普遍較高,土壤質(zhì)地以砂土居多[22]。該地區(qū)海拔差低于5m,西南部略高,為了防止外排水對外部生態(tài)系統(tǒng)的影響,在濕地低洼部分建有3—4m高的內(nèi)圈防水壩(內(nèi)壩)和2—3m高的外圈防水壩(外壩),并在內(nèi)圈壩內(nèi)種植蘆葦?shù)饶望}堿植物。

土壤樣品采集當(dāng)月,采集外排水處理站進(jìn)水口和出水口的水樣在當(dāng)?shù)剡M(jìn)行水質(zhì)檢測,檢測結(jié)果見表1。參考GB8978—1996[1],除化學(xué)需氧量(COD)外,其他項(xiàng)目出水口水質(zhì)均已達(dá)到污水排放的一級標(biāo)準(zhǔn)。

表1 外排水處理站進(jìn)水口和出水口主要水質(zhì)指標(biāo)

2 研究方法

2.1 土壤樣品的采集

圖1、圖2分別為采樣點(diǎn)分布圖和景觀圖。2018年7月在內(nèi)壩內(nèi)(inner dam,ID,靠近排水口)和內(nèi)外壩間(between dams,BD)各設(shè)置3個采樣點(diǎn),在外壩邊緣(outer dam edge,OD)設(shè)置4個采樣點(diǎn),并在濕地西北方向距離外壩0.5km以外設(shè)置3個采樣點(diǎn)作為對照(CK)。在每個采樣點(diǎn)設(shè)置10m×10m的樣方,每個樣方以S型布設(shè)5個點(diǎn),用土鉆取0—20cm土壤,剔除石礫和根系等雜質(zhì),將5個點(diǎn)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(shí)驗(yàn)室,共采集土壤樣品13個,用于土壤理化性質(zhì)、PLFA、石油烴的測定。

圖1 干旱戈壁區(qū)某油田外排水形成濕地不同位置土壤采樣點(diǎn)分布圖

圖2 干旱戈壁區(qū)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(zhì)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(biāo)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(tǒng)(MIDI Inc., Newark, DE)鑒定PLFA類型。表征不同類群微生物生物量的PLFAs標(biāo)志物見表2。

表2 表征微生物的磷脂脂肪酸(PLFA)標(biāo)志物

2.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)使用SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析,選擇單因素方差分析(One-Way ANOVA)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(Duncan檢驗(yàn)),顯著水平為P<0.05,采用Pearson系數(shù)進(jìn)行相關(guān)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(jié)構(gòu)關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤總石油烴及理化性質(zhì)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(diǎn)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(tài)系統(tǒng)土壤總石油烴含量的影響

濕地內(nèi)壩內(nèi)、內(nèi)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(dǎo)率、溶解性全鹽為內(nèi)外壩間>對照>外壩邊緣>內(nèi)壩內(nèi),土壤含水量為內(nèi)外壩間>內(nèi)壩內(nèi)>對照>外壩邊緣(表3)。

表3 油田外排水對人工濕地生態(tài)系統(tǒng)土壤物理性質(zhì)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(tài)氮和硝態(tài)氮)、有效磷含量、全碳/全氮比之間差異不顯著(P>0.05),僅內(nèi)壩內(nèi)的土壤全碳含量顯著低于內(nèi)外壩間,約為內(nèi)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(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)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(xì)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(nèi)壩內(nèi)至內(nèi)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(xiàn)出逐漸增加的趨勢,內(nèi)壩內(nèi)土壤總微生物量、細(xì)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(nèi)壩內(nèi)至內(nèi)外壩間至外壩邊緣,真菌/細(xì)菌比值(F/B)逐漸增加,并且內(nèi)壩內(nèi)、內(nèi)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(nèi)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(tài)系統(tǒng)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(jìn)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(xiàn)率上,各主要類群微生物生物量表現(xiàn)為細(xì)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(nèi)壩內(nèi)、內(nèi)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(tài)系統(tǒng)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(zhì)的相關(guān)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(guān)(表5)。全氮與革蘭氏陽性菌、細(xì)菌、放線菌、叢枝菌根真菌及總微生物量均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與革蘭氏陰性菌、真菌顯著正相關(guān)(P<0.05)；總碳與叢枝菌根真菌顯著正相關(guān),與G+/G-比值呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；總石油烴與真菌、叢枝菌根真菌有顯著正相關(guān)(P<0.05)(表5)。其他土壤性質(zhì)則與土壤微生物生物量無顯著相關(guān)性(表5)。

表5 油田外排水形成人工濕地生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物生物量與環(huán)境因子的相關(guān)性分析

4 討論

本研究內(nèi)外壩間土壤的含水量、電導(dǎo)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(nèi)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(nèi)壩內(nèi)土壤受到長期的水洗作用,電導(dǎo)率、溶解性全鹽、全碳、全氮含量最低,水?dāng)U散至內(nèi)外壩間達(dá)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?jǐn)y帶著溶質(zhì)產(chǎn)生遷移[33-34],溶質(zhì)隨著土壤水分的遷移造成濕地內(nèi)外壩間土壤的電導(dǎo)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(rèn)為,當(dāng)油田區(qū)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(dá)到顯著差異不顯著,但也呈現(xiàn)出pH值隨可溶性鹽含量的增加而升高的趨勢。有效氮(硝態(tài)氮和銨態(tài)氮)和有效磷含量在內(nèi)壩內(nèi)、內(nèi)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(yǎng)分外,還與該區(qū)域植物生長對養(yǎng)分吸收有關(guān)。水分是干旱區(qū)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?shù)戎参锟赡軐竦赝寥乐械⒘孜赵黾?導(dǎo)致濕地中的有效養(yǎng)分有降低的趨勢。關(guān)于濕地外排水對該區(qū)域植物生物量、植物對氮、磷吸收的影響還有待于進(jìn)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(jīng)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(guān),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(xì)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(nèi)壩內(nèi)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(guān)。微生物的生長常常受氮有性的限制,環(huán)境中氮有效性越高,微生物量增加[36]。內(nèi)壩內(nèi)的土壤在長時間的外排水沖洗和蘆葦?shù)戎参锏奈绽孟?土壤碳氮的含量較低,因而影響了土壤微生物量?？偸蜔N與真菌、叢枝菌根真菌成正相關(guān),表明一定含量的石油烴可以促進(jìn)土壤真菌微生物的生長,這與劉五星[11]、甑麗莎[16]的研究結(jié)果一致。因此,外壩邊緣相對濕地內(nèi)部較高的石油烴含量,導(dǎo)致其微生物量高于濕地內(nèi)部。綜上所述,油田外排水未對研究區(qū)土壤的理化性質(zhì)造成顯著影響,外排水改善濕地內(nèi)壩外的土壤生態(tài)環(huán)境,增加了土壤微生物量。