施肥對石油污染土壤酶活性的影響

祁迎春，衡宇琪，許小華，羅 田，陳 強(qiáng)

(延安大學(xué)石油工程與環(huán)境工程學(xué)院；延安市環(huán)境檢測與修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西延安716000)

石油的開采、加工及使用過程不可避免地造成采油區(qū)和煉廠附近大面積土壤石油污染，且污染面積不斷增大[1,2]。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[3]，漸漸積累導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)的破壞，影響土壤通透性，并對植物的生長和發(fā)育造成很大的負(fù)面影響[4]。石油類污染還可以通過根系吸收后殘留在植物體內(nèi)，通過食物鏈影響人體健康[5]。

石油中富含反應(yīng)基，能與無機(jī)N、P結(jié)合并限制硝化作用和脫磷酸作用[6]，石油污染土壤中C源大量增加也會造成土壤N、P等營養(yǎng)物質(zhì)缺乏，土壤營養(yǎng)物質(zhì)的不平衡影響微生物對石油污染物的降解能力[7]，施肥能顯著提高石油污染土壤中石油污染物的降解能力。Lin等[8]研究發(fā)現(xiàn)，投加適量的無機(jī)肥可使更多石油從土壤中被吸收進(jìn)入植物體內(nèi)，更多分泌物從根中向根際轉(zhuǎn)移。Xu等[9]利用緩釋型肥料Osmocote(半透膜包裹無機(jī)水溶性N、P、K)修復(fù)石油污染海灘沉淀物，發(fā)現(xiàn)修復(fù)45 d后，未添加肥料的樣品中脂肪族烷烴的降解率為26%，而添加肥料的沉淀物中降解率達(dá)96%，顯著高于未添加肥料的。因此，通過施肥添加適量的營養(yǎng)物質(zhì)是生物修復(fù)石油污染土壤的重要保障。

土壤酶在有毒物質(zhì)降解過程中起催化劑的作用，可作為評價(jià)石油污染程度的指標(biāo)[10]。陜北地區(qū)石油資源豐富，分布面積廣[11]，近年來，隨著大規(guī)模的石油開發(fā)，環(huán)境污染與生態(tài)破壞有加劇的趨勢[12，13]。因此，本研究設(shè)置石油污染濃度為10 g·kg-1，分別施入N肥和P肥使土壤C∶N∶P為100∶5∶1、100∶10∶1、100∶15∶1和100∶20∶2，通過盆栽試驗(yàn)研究相同石油污染濃度下不同C∶N∶P土壤石油烴的降解率以及過氧化氫酶、酸性磷酸酶和脲酶的活性，并進(jìn)行相關(guān)性分析，為陜北地區(qū)油污土壤修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試原油取自延安寶塔區(qū)油田。

供試土壤采自延安市寶塔區(qū)未受污染的農(nóng)田土壤表層(0～20 cm)，土樣采集后，在室內(nèi)自然風(fēng)干并磨碎過2 mm尼龍篩，備用。土壤pH值為7.97。

供試肥料為氯化銨和磷酸二氫鉀。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)置土壤石油濃度為10 g·kg-1，加入N肥和P肥使土壤C∶N∶P為100∶5∶1、100∶10∶1、100∶15∶1和100∶20∶2，分別用處理1、處理2、處理3和處理4表示，同時(shí)設(shè)置空白實(shí)驗(yàn)和不施肥處理(CK)全程對照(空白設(shè)置為不加石油、不施肥；CK設(shè)置為加石油、不施肥)。每盆裝土2.5 kg，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)方法

每kg土壤加入10 g原油，充分?jǐn)嚢韬螅o置7 d，使土壤顆粒與石油充分接觸后，在露天自然狀態(tài)下培養(yǎng)。每天澆一次水，定期松土以防止土壤板結(jié)。在第15 d和30 d分別測定土壤石油烴降解率、過氧化氫酶、酸性磷酸酶和脲酶活性。

1.2.3 測定方法

過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法進(jìn)行測定，活性以1 g土壤消耗0.1 mol·L-1KMnO4的體積(ml)表示；酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法進(jìn)行測定；脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法進(jìn)行測定。土壤pH的測定采用酸度計(jì)法，水土比為2.5∶1。石油烴含量采用OCMA-350非分散紅外石油分析儀測定。降解率計(jì)算方法為：

石油烴降解率=(培養(yǎng)前的土壤石油烴質(zhì)量濃度﹣培養(yǎng)結(jié)束時(shí)的石油烴質(zhì)量濃度)/培養(yǎng)前的土壤石油烴質(zhì)量濃度

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用Excel和Spss 18.0進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤石油烴降解率

圖1 不同施肥處理土壤石油烴的降解率

圖1為不同施肥處理土壤石油烴的降解率。由圖可知，無論作用15 d還是30 d，處理1(C∶N∶P=100∶5∶1)下的土壤石油烴的降解率均高于對照組(CK)，而處理2(C∶N∶P=100∶10∶1)、處理3(C∶N∶P=100∶5∶1)和處理4(C∶N∶P=100∶5∶1)下的土壤石油烴的降解率均低于對照組(CK)，且隨著N、P肥比例的繼續(xù)增加，土壤石油烴降解率呈現(xiàn)下降趨勢。

2.2 不同施肥處理土壤酶活性的分析

2.2.1 過氧化氫酶活性

過氧化氫酶能促使過氧化氫分解為水和氧氣，解除過氧化氫對生物和土壤的毒害作用。圖2為不同施肥處理土壤過氧化氫酶活性。由圖可知，在培養(yǎng)15 d和30 d，CK組過氧化氫酶活性分別比空白組高3.90%和0.95%，說明石油污染使土壤過氧化氫酶活性升高。處理1過氧化氫酶活性值最高，在培養(yǎng)15 d和30 d時(shí)分別為5.30 ml·g-1·h-1和6.50 ml·g-1·h-1，說明其有機(jī)物降解活動較強(qiáng)。與CK相比，處理1、處理2和處理3土壤過氧化氫酶活性都有所增加，培養(yǎng)30 d時(shí)，分別增加了18.5%、6.0%和2.2%。隨著N肥施用量的增加，土壤過氧化氫酶活性表現(xiàn)出下降的趨勢。N肥施用量最高，并且施用了P肥的處理4過氧化氫酶活性在培養(yǎng)15 d時(shí)低于空白，與CK相近；在培養(yǎng)30 d時(shí)低于空白和CK組。表明少量的施肥能夠增加土壤中過氧化氫酶活性，但施肥量增加到一定程度時(shí)又有抑制土壤過氧化氫酶活性的趨勢，與朱同彬等[14]對未污染土壤的研究結(jié)果(N、P、K肥的施用可以降低土壤過氧化氫酶的活性)有類似之處。

圖2 不同施肥處理土壤過氧化氫酶活性

2.2.2 酸性磷酸酶活性

酸性磷酸酶能夠?qū)⑼寥乐杏袡C(jī)P分解為無機(jī)P，提高土壤P的有效性。圖3是不同施肥處理下酸性磷酸酶活性。由圖可知，培養(yǎng)30 d時(shí)不同施肥處理酸性磷酸酶的活性均低于15 d時(shí)磷酸酶的活性，其原因可能是因?yàn)閯傞_始加入P肥對酸性磷酸酶的活性有促進(jìn)作用，其活性較大，隨著時(shí)間增長，土壤中的有機(jī)質(zhì)進(jìn)行分解產(chǎn)生有機(jī)酸從而抑制了磷酸酶的活性。此外，由圖3還可以看出，培養(yǎng)15 d時(shí)，空白對照組及各施肥處理組酸性磷酸酶的活性在0.56～0.68 mg·g-1·h-1之間，處理1與CK組接近，其它處理均低于CK組。培養(yǎng)30 d時(shí)，處理1、處理3和處理4土壤磷酸酶活性略高于CK組，而處理2略低于CK組?？梢?，N、P肥的添加對土壤磷酸酶的活性沒有明顯的抑制或促進(jìn)作用，這主要與土壤復(fù)雜的環(huán)境條件及其磷酸酶反應(yīng)之間的密切性不同有關(guān)[15]。

2.2.3 脲酶活性

圖4為不同施肥處理土壤脲酶的活性，由圖可知，隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，對照空白組及處理組土壤脲酶活性均有所增加，且不同施肥處理下脲酶活性均表現(xiàn)為處理4>處理3>處理2>處理1>對照>空白，N、P的添加量越大，脲酶的活性就越高，當(dāng)C∶N∶P為100∶20∶2時(shí)脲酶活性在培養(yǎng)15 d和30 d時(shí)分別為0.50 mg·g-1·h-1和1.173 mg·g-1·h-1，分別是對照的4.3倍和4.9倍。涂利華[16]等對華西雨屏區(qū)光皮樺人工林的土壤酶活性的研究得出N添加處理下脲酶活性比對照增加了11.3%～44.9%；李冰[17]等研究得出土壤脲酶活性與總P呈顯著正相關(guān)關(guān)系，含水量和總P是影響土壤脲酶活性的兩個主要因素。本研究同樣表明脲酶活性增加可能與施入的肥料有關(guān)，N、P肥的添加能夠增加土壤脲酶的活性。

圖4 不同施肥處理土壤脲酶活性

2.3 不同施肥處理土壤pH的分析

施肥會對土壤pH產(chǎn)生影響，而土壤pH與酶活性之間有一定關(guān)系。圖5為不同施肥處理土壤中pH的變化，由圖可知，各施肥處理土壤pH在7.34～7.53(15 d)和7.25～7.45(30 d)之間，均低于對照組和空白組。此外，隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，各處理土壤pH呈下降趨勢，主要原因是肥料施入土壤后經(jīng)解離，大量酸根離子殘留在土壤中導(dǎo)致土壤酸化。另外，土壤N、P、K配比不合理也會使土壤的pH值下降。

圖5 不同施肥處理土壤pH

2.4 土壤石油烴降解率與pH、酶活性之間相關(guān)分析

表1為石油烴降解率與pH、酶活性之間相關(guān)關(guān)系。由表可知，石油烴降解率與過氧化氫酶、酸性磷酸酶之間呈正相關(guān)關(guān)系，且與過氧化氫酶活性之間顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.872，而與脲酶活性之間沒有相關(guān)性；pH與石油烴降解率、三種酶活性之間相關(guān)性不顯著。說明在石油污染土壤修復(fù)過程中可通過改變酶活性來提高土壤石油烴的降解率。土壤石油烴的降解率除與土壤酶活性密切相關(guān)[18-21]，還與石油降解微生物種類和數(shù)量、污染物的物理化學(xué)特性以及復(fù)雜的土壤環(huán)境等因素有關(guān)，因此污染土壤修復(fù)過程是長期而復(fù)雜的，還有待于進(jìn)一步研究。

表1 土壤石油烴降解率與pH、酶活性之間相關(guān)關(guān)系

3 結(jié)論

(1)石油污染物使土壤中過氧化氫酶活性升高，適量的施肥可使過氧化氫酶活性增加，但過多的施肥又會降低過氧化氫酶的活性。N、P肥的添加對土壤脲酶的活性在一定程度上有促進(jìn)作用，而對酸性磷酸酶的活性沒有明顯的抑制或促進(jìn)作用。

(2)石油烴降解率與過氧化氫酶間呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.872；與酸性磷酸酶之間呈正相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性不顯著；與脲酶之間沒有相關(guān)性?？赏ㄟ^增加過氧化氫酶和酸性磷酸酶的活性來提高石油烴的降解。