灌草凋落物混合添加對(duì)原油污染土壤修復(fù)效果的影響

張曉曦,周雯星,王麗潔,李江文,胡嘉偉,胡 漫

1 延安大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 延安 716100 2 陜西省區(qū)域生物資源保育與利用工程技術(shù)研究中心, 延安 716100

陸地采油過(guò)程中,井噴事故、輸油管線破損以及廢水廢渣傾倒填埋已經(jīng)導(dǎo)致采、運(yùn)、煉制相關(guān)區(qū)域土壤被嚴(yán)重污染[1-2]。原油污染物對(duì)土壤理化環(huán)境的干擾、其毒性作用對(duì)植物和土壤生物生長(zhǎng)的抑制以及對(duì)其群落結(jié)構(gòu)和功能的改變往往使污染區(qū)土壤生態(tài)功能退化或喪失,導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性降低或崩潰[3- 5]。此外,污染物中的多環(huán)芳烴等組分對(duì)人體也具有明顯的致癌、致畸和致突變效應(yīng)[2]。鑒于原油污染的上述生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),如何去除原油污染物并恢復(fù)土壤受損生態(tài)功能歷來(lái)是環(huán)境科學(xué)和土壤科學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。

生物修復(fù)是最有前景的油污土壤修復(fù)技術(shù)之一,其中,生物刺激技術(shù)通過(guò)改善土壤微生物的通氣、水分和養(yǎng)分環(huán)境促進(jìn)土著微生物生長(zhǎng),以利用其降解潛力去除污染物,具有投資低、二次污染少以及幾乎不受污染程度限制等優(yōu)勢(shì)[6-7]。大量研究表明,無(wú)機(jī)肥料和動(dòng)植物有機(jī)廢物等均可作為刺激物大幅加速土壤污染物的降解[7- 11]。其中,植物殘?bào)w是近年來(lái)受到廣泛關(guān)注的生物刺激物之一[12- 14]。疏松殘?bào)w的輸入可改善土壤孔隙狀況,使微生物更易獲取氧氣,滿足其生長(zhǎng)和好氣降解的需要[6-7]。同時(shí),鑒于油污土壤往往處在氮磷限制狀態(tài),植物殘?bào)w提供的養(yǎng)分可以顯著促進(jìn)降解微生物的生長(zhǎng)[7, 15]。此外,植物殘?bào)w釋放和轉(zhuǎn)化成的多種表面活性劑(如有機(jī)酸和腐殖酸)和共代謝底物(如可溶性糖、有機(jī)酸、酚類和黃酮)[16- 18]則可協(xié)助微生物吸收和降解吸附性、疏水性較強(qiáng)或毒性較大的大分子量芳烴和非烴類物質(zhì)。

植物殘?bào)w的修復(fù)效果已經(jīng)得到了大量研究的證實(shí),且已有研究表明在相同使用條件下,對(duì)某些植物殘?bào)w進(jìn)行炭化處理或配合肥料使用可以顯著強(qiáng)化其修復(fù)能力[8, 19]。然而,上述途徑需要額外的能源(獲取高溫)和材料(如肥料)成本,如何使用更為簡(jiǎn)單的方式進(jìn)一步提高其修復(fù)效果是殘?bào)w修復(fù)技術(shù)應(yīng)用中需要考慮的問(wèn)題?，F(xiàn)有研究表明,不同植物殘?bào)w混合分解時(shí)往往產(chǎn)生顯著的非加和效應(yīng),且多數(shù)情況下將提高混合物總體的分解和養(yǎng)分釋放速率[20]。相應(yīng)地,混合分解同樣將對(duì)土壤性質(zhì)產(chǎn)生非加和影響,使植物殘?bào)w對(duì)土壤微生物和酶活性、養(yǎng)分狀況以及pH的影響顯著高于或低于基于單種植物殘?bào)w處理的預(yù)期(即協(xié)同效應(yīng)或拮抗效應(yīng))[21-22]。鑒于上述性質(zhì)均與原油污染物的降解密切相關(guān),采用簡(jiǎn)單的混合處理即有可能利用殘?bào)w混合分解對(duì)土壤性質(zhì)的非加和影響進(jìn)一步強(qiáng)化植物殘?bào)w的修復(fù)效果。

然而,現(xiàn)有研究多數(shù)集中于單種殘?bào)w的修復(fù)效果,少數(shù)關(guān)于混合殘?bào)w修復(fù)效應(yīng)的研究也往往將其視為一個(gè)整體[23],極少關(guān)注不同殘?bào)w間在修復(fù)過(guò)程中的相互作用。鑒于污染區(qū)周邊易于獲取的野生植物往往以群落形式共存,以往研究是否忽視了不同植物殘?bào)w修復(fù)油污土壤時(shí),彼此間的協(xié)同效應(yīng)對(duì)修復(fù)效果的強(qiáng)化作用？抑或不同植物殘?bào)w間對(duì)土壤性質(zhì)的影響是否存在拮抗效應(yīng),從而削弱了實(shí)際修復(fù)效果[24]？上述問(wèn)題需要進(jìn)一步研究。此外,植物殘?bào)w混合分解往往對(duì)不同土壤性質(zhì)產(chǎn)生相異影響,使用混合殘?bào)w處理會(huì)否在強(qiáng)化污染物降解的同時(shí)劣化土壤生化性質(zhì),因而削弱整體的修復(fù)效果？上述問(wèn)題也尚需加以研究驗(yàn)證。因此,本文以我國(guó)陜北石油產(chǎn)區(qū)易于獲取的10種植物凋落物及其混合物為對(duì)象,通過(guò)室內(nèi)模擬修復(fù)試驗(yàn)評(píng)價(jià)其修復(fù)效果,以及不同凋落物混合處理油污土壤時(shí)其修復(fù)效應(yīng)的相互影響。以期探索通過(guò)簡(jiǎn)單混合處理強(qiáng)化凋落物修復(fù)油污土壤的可能性,并避免凋落物混合處理土壤時(shí)產(chǎn)生拮抗效應(yīng),削弱整體的修復(fù)效果。研究結(jié)果可為合理利用野生植物資源修復(fù)油污土壤提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

本研究采樣區(qū)位于陜西省延安市延長(zhǎng)縣(東經(jīng)109°33′—110°30′,北緯36°14′—36°46′,海拔高度997—1731 m)嚴(yán)家灣。當(dāng)?shù)貙倥瘻貛Ц珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候,年平均氣溫10.4℃,年平均降水量505.3 mm,集中于7—9月。年平均日照時(shí)數(shù)2397.3 h,≥10℃積溫3532.2℃,無(wú)霜期143—162 d。當(dāng)?shù)赝寥罏辄S綿土,植被以灌草地為主。經(jīng)在采油區(qū)所處范圍內(nèi)網(wǎng)格式多點(diǎn)采樣實(shí)測(cè),污染土壤中原油濃度介于11.44—44.72 g/kg之間。因土壤污染時(shí)間難以確定,老化效應(yīng)、長(zhǎng)期自然衰減、植物生長(zhǎng)或凋落物輸入導(dǎo)致的污染物組成和結(jié)合形態(tài)的改變均顯著影響試驗(yàn)結(jié)果,因此本文采用人工污染方式處理土樣,以排除上述因素產(chǎn)生的誤差。原油購(gòu)自當(dāng)?shù)赜途?其凝點(diǎn)為19.6℃,20℃時(shí)密度為0.881 g/cm3,含有51.22%的飽和烴、27.91%的芳香烴,其余為12.97%的膠質(zhì)和7.24%的瀝青質(zhì)以及其他物質(zhì)。

于2018年10月末采集供試土樣和植物凋落物。土壤采集自油井附近坡地上部。采用重量法檢測(cè)確定土壤不含污染物后,在坡地上部荒地內(nèi)不同位置隨機(jī)設(shè)置1 m×1 m樣方若干,采集其0—20 cm層土壤,充分混勻后過(guò)5 mm篩去除雜物,并采用四分法獲取足量土樣。部分土樣用于測(cè)定未污染土壤生化性質(zhì)本底值、飽和持水量和實(shí)際含水量。其余經(jīng)人工原油污染后部分用于檢測(cè)污染對(duì)土壤性質(zhì)的具體影響,部分用于模擬修復(fù)試驗(yàn)。同時(shí),在未污染區(qū)采集表1所示10種植物的凋落物(草本植物為全部立枯體、灌木植物為凋落葉),在背陰處自然風(fēng)干1個(gè)月后粉碎,過(guò)1 mm篩后備用,并采用常規(guī)方法測(cè)定其初始元素組成特征和與原油降解相關(guān)的代謝產(chǎn)物含量[25-26]。

表1 凋落物初始元素組成特征

表2 凋落物代謝產(chǎn)物初始含量

1.2 土壤污染及均質(zhì)化處理

依據(jù)當(dāng)?shù)赝寥涝臀廴镜妮^低濃度11.44 g/kg(高濃度多集中于油井附近有限范圍,面積較小),本研究設(shè)置污染濃度為15 g/kg(干土),將原油與供試土壤依據(jù)上述濃度混合。處理時(shí),將所有原油與部分土樣通過(guò)攪拌揉搓充分混勻后,將污染土壤與剩余土壤再次充分混合。為保證污染物在土壤中達(dá)到自然均質(zhì)化,并能顯著影響土壤生化性質(zhì)以衡量植物殘?bào)w的修復(fù)效果,污染土樣在背陰處進(jìn)行15 d的自然均質(zhì)化處理,以模擬近期發(fā)生污染的表層土壤。均質(zhì)化15 d后,土壤中飽和烴、芳香烴和非烴類物質(zhì)含量分別為(7.40±0.04) g/kg、(4.18±0.09) g/kg和(2.94±0.02) g/kg(原油總殘留率約96.8%)。

1.3 修復(fù)試驗(yàn)

稱取前述污染土樣60份,每份500 g。其中3份作為自然衰減對(duì)照,其余57份污染土樣分別添加單種凋落物(10種)或混合凋落物粉末(9種),并充分混合。凋落物添加比例依據(jù)前期研究設(shè)置為2%(干質(zhì)量比),其中混合凋落物處理中各植物種凋落物所占質(zhì)量均分。混合凋落物組成如下：白羊草+杠柳+狼牙刺(白杠狼M1)、白羊草+狼牙刺(白狼M2)、達(dá)烏里胡枝子+鐵桿蒿(胡鐵M3)、達(dá)烏里胡枝子+阿爾泰狗娃花+黃蒿(胡狗黃M4)、鐵桿蒿+杠柳(鐵杠M5)、鐵桿蒿+狼牙刺(鐵狼M6)、沙棘+狼牙刺(沙狼M7)、杠柳+狼牙刺(杠狼M8)和鐵桿蒿+冰草+無(wú)芒雀麥+黃蒿(鐵冰無(wú)黃M9),均依據(jù)當(dāng)?shù)刂参飳?shí)際形成的群落組成設(shè)置。每個(gè)處理均制備3份土樣作為重復(fù)。

隨后,將每份處理樣品分別置入規(guī)格為：22 cm × 16.3 cm × 9 cm的PC材質(zhì)培養(yǎng)缽中,根據(jù)土樣飽和持水量的50%與其實(shí)際含水量的差值(換算為質(zhì)量差),撥開土壤逐層補(bǔ)充滅菌蒸餾水,隨后使用帶孔保鮮膜封口,以控制水分過(guò)快蒸發(fā)并為微生物提供空氣。處理后,將培養(yǎng)缽隨機(jī)單層擺放,置于溫度為20—25℃的環(huán)境中培養(yǎng)150 d終止(保證凋落物完全分解[11])。培養(yǎng)期內(nèi),每周稱量培養(yǎng)缽質(zhì)量并依據(jù)失水量補(bǔ)充滅菌蒸餾水,維持濕度恒定。自然衰減土樣與凋落物處理土樣做相同處理。為模擬野外實(shí)際修復(fù)情況,培養(yǎng)過(guò)程中不再擾動(dòng)土壤。

1.4 指標(biāo)測(cè)定

培養(yǎng)完成后,預(yù)留部分鮮土測(cè)定氧化還原酶活性,其余土樣風(fēng)干后過(guò)1 mm篩,用于測(cè)定其他指標(biāo)。其中,土壤原油(Coil)殘留量采用二氯甲烷提取-重量法測(cè)定[27]。提取出的原油再次溶解后轉(zhuǎn)入活化硅膠氧化鋁層析柱,分別使用正己烷、二氯甲烷/正己烷混合物(v/v=2∶1)和甲醇洗脫分離其飽和烴(SHs)、芳香烴(AHs)和非烴類(NonHs)組分,采用重量法測(cè)定其殘留量[27]。土壤硝銨態(tài)氮(NO3-N和NH4-N)、有效磷(AP)和速效鉀(AK)含量分別采用氯化鉀浸提-靛酚藍(lán)比色法/紫外分光光度法、碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法以及乙酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定[26]。土壤pH使用玻璃電極法測(cè)定(水土比為2.5∶1)。脲酶(Ure)、蔗糖酶(Suc)、堿性磷酸酶(APase)、多酚氧化酶(PPO)和脫氫酶(Deh)活性分別采用3,5-二硝基水楊酸比色法、靛酚藍(lán)比色法、磷酸苯二鈉比色法、鄰苯三酚比色法和三苯基四唑氯化物比色法測(cè)定,結(jié)果以單位時(shí)間(d)單位質(zhì)量土樣(g)催化產(chǎn)生的水解或氧化產(chǎn)物(氨氮、葡萄糖、酚、紅紫棓精和甲臜)的質(zhì)量(mg或μg)數(shù)表示。過(guò)氧化氫酶(CAT)活性采用高錳酸鉀滴定法測(cè)定,結(jié)果以單位質(zhì)量干土(g)在單位時(shí)間(h)內(nèi)催化后殘留的過(guò)氧化氫消耗0.01 mol/L高錳酸鉀溶液的mL數(shù)表示[28]。

1.5 混合處理效應(yīng)判別依據(jù)

參照前人判斷混合凋落物處理非污染土壤時(shí)是否產(chǎn)生非加和影響的理論依據(jù)[22],假定不同凋落物對(duì)彼此的修復(fù)效果不存在相互影響,則可使用下述公式基于單種凋落物處理下測(cè)得的石油烴(組分)降解率和土壤指標(biāo)值計(jì)算其在混合處理下的理論預(yù)測(cè)值PM：

PM=∑ri,j...×Oi,j...

式中ri,j….為每種凋落物在混合物中所占比例,Oi,j….為各種凋落物單獨(dú)處理時(shí)上述指標(biāo)的測(cè)值。

將PM與混合凋落物處理后上述指標(biāo)的實(shí)測(cè)值M對(duì)比時(shí),如果在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上M>PM>Oi, j…,或Oi>M>PM>Oj,則均認(rèn)為凋落物在混合處理土壤時(shí)可顯著強(qiáng)化彼此對(duì)特定土壤性質(zhì)的修復(fù)效果(含對(duì)原油及其組分的降解能力)。其中前種情況的強(qiáng)化效果最佳,后種情況下,盡管混合物的修復(fù)效果較某一單種凋落物的修復(fù)效果較差,但其仍表現(xiàn)出一定的強(qiáng)化效應(yīng),在某些具有較強(qiáng)修復(fù)效果的凋落物可獲取量較小的情況下、或?qū)嶋H應(yīng)用中能獲取的凋落物均為混合狀態(tài)時(shí),可在一定程度上減少對(duì)凋落物的消耗,減少殘?bào)w修復(fù)技術(shù)對(duì)污染區(qū)周邊環(huán)境的破壞。當(dāng)在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上M

1.6 統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)于每個(gè)凋落物組合下不同處理(其中自然衰減和混合物處理的理論預(yù)測(cè)值也視為處理)間特定原油(組分)降解或土壤性質(zhì)指標(biāo),在SPSS 23.0中作單因素方差分析(one-way ANOVA),多種比較采用Duncan′s新復(fù)極差法,顯著性檢驗(yàn)水平為α=0.05。使用FDiversity軟件計(jì)算混合凋落物的化學(xué)多樣性指標(biāo)(FAD2、FRic和FDis指數(shù))。使用SIMCA 14.1軟件對(duì)混合凋落物的化學(xué)特性(含養(yǎng)分含量、化學(xué)計(jì)量比、代謝產(chǎn)物含量以及化學(xué)多樣性指標(biāo))與修復(fù)效果指標(biāo)(原油及其組分降解率以及土壤生化指標(biāo)數(shù)值)做偏最小二乘回歸分析(PLS regression)。每個(gè)修復(fù)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的變量投影重要值VIP大于1的凋落物指標(biāo)視為影響該指標(biāo)修復(fù)效果的主要因素。繪圖使用SigmaPlot 14.5完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 原油污染及自然衰減對(duì)土壤化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)的影響

研究結(jié)果表明(表3),原油污染顯著降低土壤硝銨態(tài)氮和有效磷含量并抑制土壤蔗糖酶和脲酶活性,但同時(shí)顯著提高堿性磷酸酶和多酚氧化酶活性(P<0.05)。自然衰減未顯著改善污染土壤速效養(yǎng)分含量,反而導(dǎo)致銨態(tài)氮和有效磷含量進(jìn)一步顯著降低(P<0.05),且同時(shí)顯著降低了污染土壤的pH(P<0.05)。除顯著提高污染土壤過(guò)氧化氫酶活性外(P<0.05),自然衰減對(duì)其他酶活性、特別是污染后受到顯著抑制的蔗糖酶和脲酶活性無(wú)顯著影響(P>0.05)。

2.2 混合處理對(duì)凋落物去除原油污染物效果的影響

150 d的自然衰減可在一定程度上降解原油(降解率為32.44%)及其組分,其中飽和烴的降解率(41.26%)顯著高于芳香烴和非烴物質(zhì)(29.90%和14.20%,圖1)。單種凋落物處理均可顯著提高原油及其組分的降解率(P<0.05),混合添加時(shí)多數(shù)凋落物間產(chǎn)生非加和效應(yīng),使其促進(jìn)污染物降解的效果顯著強(qiáng)于或弱于基于單種凋落物修復(fù)效果的預(yù)測(cè)值。其中,鐵杠或胡狗黃凋落物混合處理產(chǎn)生顯著協(xié)同效應(yīng)(P<0.05),強(qiáng)化了對(duì)原油整體的降解效果。鐵杠、白杠狼、胡鐵或鐵冰無(wú)黃凋落物混合顯著強(qiáng)化了對(duì)飽和烴的降解效果(P<0.05)；白杠狼或胡狗黃凋落物混合顯著強(qiáng)化了對(duì)芳香烴的降解效果(P<0.05)；白杠狼、胡鐵或胡狗黃凋落物混合顯著強(qiáng)化了對(duì)非烴物質(zhì)的降解效果(P<0.05)。而白狼、鐵狼或杠狼凋落物混合對(duì)原油及其各組分的降解則均產(chǎn)生顯著拮抗效應(yīng)(P<0.05),削弱了對(duì)污染物的降解效果。

表3 石油污染及自然衰減對(duì)土壤生化性質(zhì)的影響

圖1 凋落物處理后的原油及其組分降解率Fig.1 Degradation rates of crude oil and its components after litter treatments圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,混合預(yù)測(cè)值視為處理之一進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析;B.i.: 白羊草Bothriochloa ischaemum; L.d.: 達(dá)烏里胡枝子Lespedeza davurica; A.g.: 鐵桿蒿Artemisia gmelinii; H.a.: 阿爾泰狗娃花Heteropappus altaicus; H.r.: 沙棘Hippophae rhamnoides; P.s.: 杠柳Periploca sepium; S.d.: 狼牙刺Sophora davidii; A.s.: 黃蒿Artemisia annua; A.c.: 冰草Agropyron cristatum; B.in.: 無(wú)芒雀麥Bromus inermis; NA：自然衰減 natural attenuation處理;M1—M9 分別為混合物(對(duì)應(yīng)各子圖中所有單種凋落物的混合物)處理的降解率實(shí)測(cè)值，PM1—PM9 為混合物處理的預(yù)測(cè)值

2.3 混合處理對(duì)凋落物修復(fù)受損土壤性質(zhì)效果的影響

單種凋落物處理普遍顯著提高了土壤速效養(yǎng)分含量(圖2),而不同凋落物混合添加時(shí)對(duì)土壤速效養(yǎng)分含量也存在非加和影響。其中,鐵冰無(wú)黃、鐵狼或沙狼凋落物混合顯著強(qiáng)化了對(duì)硝態(tài)氮的補(bǔ)充效果,而胡鐵、鐵杠、白杠狼、白狼、胡狗黃或杠狼凋落物混合則產(chǎn)生顯著拮抗效應(yīng)(P<0.05),削弱補(bǔ)充效果；鐵狼凋落物混合顯著強(qiáng)化了對(duì)銨態(tài)氮的補(bǔ)充效果,而杠狼、鐵杠或沙狼凋落物混合則顯著削弱了對(duì)銨態(tài)氮的補(bǔ)充效果(P<0.05)；白狼或沙狼凋落物混合顯著強(qiáng)化了對(duì)有效磷的補(bǔ)充效果,而杠狼凋落物混合則顯著削弱了對(duì)有效磷的補(bǔ)充效果(P<0.05)；白狼、胡狗黃、鐵杠、沙狼、杠狼、鐵狼或鐵冰無(wú)黃凋落物混合顯著強(qiáng)化了對(duì)速效鉀的補(bǔ)充效果(P<0.05)。

圖2 凋落物處理后的土壤速效養(yǎng)分含量Fig.2 The content of soil available nutrients after litter treatments

較之自然衰減,多數(shù)單種凋落物處理均進(jìn)一步顯著降低土壤pH(圖3,P<0.05)。凋落物混合后在多數(shù)情況下(胡狗黃、胡狼、鐵杠、鐵狼或杠狼凋落物混合)對(duì)彼此降低土壤pH的效果產(chǎn)生拮抗效應(yīng),使混合處理后土壤pH顯著高于單種凋落物或基于單種凋落物處理的預(yù)測(cè)值(P<0.05)。

圖3 凋落物處理后的土壤pHFig.3 Soil pH after litter treatments

較之自然衰減,多數(shù)單種凋落物處理顯著提高了污染土壤除多酚氧化酶外的酶活性(P<0.05,圖4)。白杠狼、白狼、鐵狼、沙狼、杠狼或鐵冰無(wú)黃凋落物混合顯著強(qiáng)化了對(duì)蔗糖酶活性的刺激效果,而胡鐵或鐵杠凋落物混合顯著削弱了對(duì)其的刺激效果(P<0.05)；鐵黃或鐵狼凋落物混合顯著強(qiáng)化了對(duì)脲酶活性的刺激效果,而胡鐵凋落物混合顯著削弱了對(duì)其的刺激效果(P<0.05)；白杠狼、白狼、沙狼或杠狼凋落物混合顯著強(qiáng)化了對(duì)磷酸酶活性的刺激效果,而鐵狗黃凋落物混合顯著削弱了對(duì)其的刺激效果(P<0.05)；鐵狼、鐵冰無(wú)黃、或鐵杠凋落物混合顯著強(qiáng)化了對(duì)過(guò)氧化氫酶活性的刺激效果(P<0.05)；白狼、鐵狼、杠狼或鐵冰無(wú)黃凋落物混合顯著強(qiáng)化了對(duì)脫氫酶活性的刺激效果,而胡鐵、胡狗黃或鐵杠凋落物混合顯著削弱了對(duì)其的刺激效果(P<0.05)；沙狼或鐵冰無(wú)黃凋落物混合顯著強(qiáng)化了對(duì)多酚氧化酶活性的刺激效果,而胡鐵凋落物混合顯著削弱了對(duì)其的刺激效果(P<0.05)。

圖4 凋落物處理下土壤酶活性Fig.4 The soil enzymatic activities after litter treatments

2.4 混合凋落物的修復(fù)效果與其化學(xué)組成特征的關(guān)系

根據(jù)偏最小二乘回歸分析結(jié)果(圖5),將混合凋落物視為一個(gè)整體時(shí),其對(duì)污染物中烴類成分的去除效果與其磷、有機(jī)酸、總酚和黃酮含量及其化學(xué)多樣性存在正相關(guān)關(guān)系,而與其碳含量、碳磷比和氮磷比存在負(fù)相關(guān)關(guān)系；對(duì)非烴類污染物的修復(fù)效果則與其磷鉀含量顯著正相關(guān),而與其氨基酸、萜類以及可溶性糖含量負(fù)相關(guān)?？傮w而言,混合凋落物對(duì)土壤速效氮磷鉀的補(bǔ)充與其對(duì)應(yīng)養(yǎng)分含量正相關(guān),而與萜類、有機(jī)酸、黃酮和酚類含量負(fù)相關(guān)；對(duì)酶活性的刺激作用與其氮、氨基酸和可溶性糖含量正相關(guān),而與萜類、有機(jī)酸、黃酮和酚類含量以及碳氮比負(fù)相關(guān)；對(duì)pH的影響則與其化學(xué)多樣性和分異性正相關(guān),而與氨基酸和可溶性糖等指標(biāo)負(fù)相關(guān)。

圖5 影響混合凋落物修復(fù)效果的主要凋落物性質(zhì)Fig.5 The dominant characteristics affecting the remediating effects of mixed litters以偏最小二乘回歸分析獲得的VIP值(VIP: Variable Importance in Projection變量投影重要性指標(biāo))表示;僅列出VIP值大于1的指標(biāo),空白柱代表正相關(guān),灰色柱代表負(fù)相關(guān)。C: 碳含量 Content of C; N: 氮含量 Content of N; P: 磷含量 Content of P; K: 鉀含量 Content of K; CRN: 碳氮比 The ratio of C to N; CRP: 碳磷比 The ratio of C to P; NRP: 氮磷比 The ratio of N to P; phen: 多酚含量 Content of polyphenols; SS: 可溶性糖含量 Content of soluble saccharide; terp: 萜類含量 Content of terpenoids; AA: 氨基酸含量 Content of amino acids; flav: 黃酮含量 Content of flavonoids; Oac: 有機(jī)酸含量 Content of organic acids; FAD2: 功能性狀距離; FRic: 功能體積指數(shù); FDis: 功能分散指數(shù);未檢測(cè)出對(duì)過(guò)氧化氫酶有明顯影響的凋落物性質(zhì)指標(biāo)

3 討論

與前人研究結(jié)果一致[29],自然衰減處理下土壤中的土著降解菌可直接利用原油組分作為碳源[14, 30]使其含量出現(xiàn)明顯降低(圖1)。然而,微生物在降解原油時(shí)將消耗大量土壤氮磷,最終導(dǎo)致自身生長(zhǎng)受限和自然衰減的停滯[31]。同時(shí),部分芳香烴和非烴物質(zhì)有限的生物可利用性也使污染物降解進(jìn)一步受到限制[32]。較之自然衰減,多數(shù)凋落物處理顯著提高了原油、特別是其中芳香烴和非烴物質(zhì)等的降解率,這與多項(xiàng)研究結(jié)果相似[10- 12]。其原因是凋落物源氮磷養(yǎng)分促進(jìn)了降解菌的生長(zhǎng)[12],且其釋放的有機(jī)酸促進(jìn)了多環(huán)芳烴的解吸和溶解、提高其生物可利用性[12, 33],黃酮、酚類和萜類則可誘導(dǎo)氧化酶的分泌,輔助微生物通過(guò)共代謝途徑降解其無(wú)法直接利用的原油組分[16- 18, 33]。

與預(yù)期一致,部分混合形式顯著強(qiáng)化了凋落物對(duì)原油組分的去除能力(圖1)。偏最小二乘回歸分析表明,不同混合凋落物的FAD2指數(shù)與其降解原油及其飽和烴和芳香烴組分的能力具有明顯的正相關(guān)(圖5),而具體至某一個(gè)凋落物組合時(shí),考慮到混合添加無(wú)法改變凋落物化學(xué)成分的絕對(duì)含量,出現(xiàn)協(xié)同強(qiáng)化效應(yīng)主要應(yīng)歸因于混合提高了凋落物總體的化學(xué)多樣性(根據(jù)FAD2指數(shù)的計(jì)算方法,混合物的化學(xué)多樣性必然高于單種凋落物)。這在一方面提供了多樣化的養(yǎng)分并調(diào)節(jié)了凋落物的碳氮磷比例,使其更有利于多種微生物生長(zhǎng)及其對(duì)凋落物的快速分解,從而使大量養(yǎng)分和降解輔助物質(zhì)在更短時(shí)間內(nèi)得以釋放[34-35],在污染物老化前促進(jìn)微生物對(duì)其的降解[12],進(jìn)而提高原油及其組分的降解率。另一方面,混合添加凋落物也可以同時(shí)為原油降解菌提供多種有機(jī)無(wú)機(jī)養(yǎng)分和降解輔助物,從而解除降解菌生長(zhǎng)、污染物生物可利用性和溶解或某些共代謝底物缺乏的限制,更有效地降解原油的各個(gè)組分。例如,達(dá)烏里胡枝子+阿爾泰狗娃花+黃蒿混合時(shí),黃蒿凋落物含有更多的氮磷養(yǎng)分但C/N和C/P較高,而其余兩種凋落物的C/N和C/P較低(表1),其存在能夠調(diào)節(jié)混合物的分解和養(yǎng)分釋放速率,更有利于在短時(shí)間內(nèi)為微生物降解污染物提供養(yǎng)分。同時(shí),達(dá)烏里胡枝子可提供更多可溶性糖和有機(jī)酸、阿爾泰狗娃花可以提供更多萜類物質(zhì),而黃蒿凋落物則可提供更多酚類、黃酮和氨基酸類物質(zhì)(表2),上述凋落物混合也有利于為微生物同時(shí)提供多種生物表面活性劑和共代謝底物,使混合物可通過(guò)多個(gè)途徑的相互配合加速污染物降解。因此即使混合后凋落物養(yǎng)分和代謝產(chǎn)物含量不變,其對(duì)芳香烴和非烴類物質(zhì)的降解能力仍顯著高于預(yù)期值,甚至超過(guò)任一單種凋落物處理。此外,不同凋落物處理將誘導(dǎo)不同土壤微生物豐度的增加[36]。鑒于各種微生物產(chǎn)生的降解酶的種類有所不同,這種差異可能產(chǎn)生互補(bǔ)效應(yīng),使降解微生物可以同時(shí)降解不同原油組分[17],并相互配合催化污染物降解的各環(huán)節(jié),因此避免高毒性或酸性中間產(chǎn)物積累導(dǎo)致的降解過(guò)程停滯或降解的不徹底。相反地,部分凋落物混合則產(chǎn)生顯著拮抗效應(yīng)(如白羊草+狼牙刺和鐵桿蒿+狼牙刺等)。其可能原因是混合添加對(duì)凋落物化學(xué)多樣性的提高十分有限(胡狗黃混合凋落物的FAD2值為12.28,而白狼和鐵狼混合凋落物僅為1.81和3.49),促進(jìn)分解的作用較弱。而由于上述混合物中狼牙刺的基質(zhì)質(zhì)量遠(yuǎn)高于其他兩種凋落物(氮含量高、碳氮比低),較大的養(yǎng)分梯度意味著前者將在真菌作用下轉(zhuǎn)移大量氮素至白羊草和鐵桿蒿凋落物協(xié)助其分解,而后兩者在分解時(shí)更傾向于固定養(yǎng)分,導(dǎo)致混合物整體分解和養(yǎng)分釋放速率降低[27],削弱其促進(jìn)降解微生物生長(zhǎng)的效果。這與偏最小二乘回歸分析(圖5)發(fā)現(xiàn)混合物的修復(fù)效果與其多個(gè)基質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)具有顯著相關(guān)的結(jié)論類似,說(shuō)明化學(xué)多樣性增加并非影響凋落物修復(fù)效果的唯一因素。此外,大量研究表明酚類、萜類、黃酮和有機(jī)酸等輔助降解物質(zhì)往往同時(shí)具有抑制土壤酶活性的效果[37]。某些凋落物混合后,上述物質(zhì)可能對(duì)分解酶產(chǎn)生協(xié)同抑制,導(dǎo)致凋落物養(yǎng)分釋放速率降低[37-38],部分掩蓋了其促進(jìn)污染物去除的效果。

對(duì)于土壤生化性質(zhì)而言,自然衰減不利于污染土壤速效養(yǎng)分含量的恢復(fù),Sanni等[31]的研究指出污染物降解過(guò)程將大量消耗土壤中積蓄的養(yǎng)分,這也支持了本文結(jié)論。凋落物處理一方面直接補(bǔ)充了土壤速效氮磷鉀,其對(duì)污染物降解的促進(jìn)也使土壤中轉(zhuǎn)化養(yǎng)分的微生物類群部分恢復(fù),因此使土壤速效養(yǎng)分含量顯著提高[8, 39]。與前人關(guān)于凋落物混合處理對(duì)土壤養(yǎng)分產(chǎn)生非加和影響的結(jié)論一致[22],混合添加同樣使凋落物補(bǔ)充污染土壤速效養(yǎng)分的效果出現(xiàn)協(xié)同增強(qiáng)或拮抗削弱。由于本研究條件下凋落物能夠完全分解[11],但凋落物混合后能釋放的養(yǎng)分總量不變,因此其對(duì)土壤養(yǎng)分的非加和影響應(yīng)歸因于混合處理影響了污染物的降解。某些凋落物混合處理后污染物的加速降解有利于提高土壤中參與養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的微生物和相關(guān)基因(如nifH、narG和amoA)的豐度[39],從而使土壤中其他形態(tài)的氮磷養(yǎng)分向速效態(tài)轉(zhuǎn)化,導(dǎo)致混合凋落物處理后的速效養(yǎng)分顯著含量高于預(yù)測(cè)值或單種處理。但污染物加速降解同時(shí)意味著大量的養(yǎng)分損耗,其改善土壤養(yǎng)分狀況的具體結(jié)果取決于上述因素的綜合效應(yīng)。此外,某些凋落物混合后妨礙污染物的降解,不利于養(yǎng)分轉(zhuǎn)化微生物的恢復(fù),或其混合添加將導(dǎo)致土壤微生物的功能特性改變。例如本文相關(guān)結(jié)果表明白羊草+狼牙刺混合物處理后,重度污染土壤(45 g/kg)中參與反硝化過(guò)程的細(xì)菌豐度顯著提高,這也可能是導(dǎo)致混合添加削弱凋落物硝態(tài)氮補(bǔ)充能力的重要因素之一。自然衰減顯著降低了污染土壤的pH,而多數(shù)凋落物處理則導(dǎo)致其進(jìn)一步降低,這與Alotaibi等[10]的研究結(jié)果一致。其原因是凋落物輸入加速了污染物降解,導(dǎo)致其酸性中間降解產(chǎn)物增多[4],且凋落物自身釋放的酸性產(chǎn)物也導(dǎo)致了土壤pH降低[10]?；旌咸砑佣鄶?shù)導(dǎo)致凋落物對(duì)土壤pH的影響呈拮抗結(jié)果,即使pH降低幅度較預(yù)測(cè)減小,但不同混合凋落物導(dǎo)致上述現(xiàn)象的途徑可能有所差異。例如對(duì)于鐵桿蒿+狼牙刺凋落物而言,混合產(chǎn)生的拮抗效應(yīng)弱化了刺激污染物降解的效果(圖1),因此導(dǎo)致酸性中間產(chǎn)物減少。而對(duì)于達(dá)烏里胡枝子+阿爾泰狗娃花+黃蒿等混合而言,可能是其混合在加速污染物降解的同時(shí)增加了微生物的多樣性,促進(jìn)了酸性中間產(chǎn)物的徹底降解,其具體原因尚需進(jìn)一步研究加以分析。對(duì)土壤酶活性而言,自然衰減僅能提高過(guò)氧化氫酶活性,而多數(shù)凋落物處理對(duì)多種土壤酶活性均有刺激效果。這與前人研究結(jié)果一致[8, 11, 40],其原因首先是凋落物處理促進(jìn)了微生物生長(zhǎng),且為其分泌酶提供了必要元素或前體物質(zhì)(N、P和氨基酸等),因此使胞內(nèi)酶和胞外酶的活性顯著提高[18]。同時(shí),凋落物提供的糖類、蛋白質(zhì)和多酚等底物也誘導(dǎo)微生物分泌特定的酶,因此提高測(cè)得的酶活性(例如萜類物質(zhì)誘導(dǎo)雙加氧酶的產(chǎn)生[32])。與前人研究結(jié)果一致[22],混合處理導(dǎo)致凋落物對(duì)土壤酶活性的影響與預(yù)測(cè)結(jié)果通常也存在差異。出現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)可能是混合處理加速了污染物的降解,使其對(duì)微生物的抑制進(jìn)一步解除,同時(shí)污染物的降解減少了其與酶活性位點(diǎn)的結(jié)合或其對(duì)底物的包裹,因此提高了酶活性[41]。此外,前述混合處理對(duì)土壤酸堿性的改善也有利于部分酶活性的提高。而拮抗抑制可能是由于加速了抑制酶活性物質(zhì)的釋放[37],使微生物活性受到限制所致。

需要指出的是,前述關(guān)于混合添加對(duì)凋落物修復(fù)效果產(chǎn)生非加和影響的機(jī)理分析是基于單個(gè)凋落物組合而言的。對(duì)于不同混合物而言,其修復(fù)效果不僅僅取決于不同凋落物間修復(fù)效果的相互影響,且在相當(dāng)程度上仍然受到凋落物總體基質(zhì)質(zhì)量的控制(圖5)。事實(shí)上,除較高的化學(xué)多樣性外,較高的凋落物磷、有機(jī)酸、總酚和黃酮含量和較高的可分解性(低碳含量和碳磷比)也是有利于原油及其組分的降解的重要因素,但高次生代謝物含量同時(shí)可能不利于土壤養(yǎng)分狀況和酶活性的恢復(fù)(圖5)。其機(jī)理已在前文討論[8, 12, 16- 18, 33, 37],此處不再贅述。僅需額外說(shuō)明的是,混合物對(duì)非烴類物質(zhì)的降解能力僅受其磷鉀含量(正相關(guān))和可溶性糖、氨基酸等易利用碳源(負(fù)相關(guān))控制,其原因應(yīng)與其極難被微生物利用[42],因此有機(jī)酸、總酚和黃酮等對(duì)其分解的促進(jìn)有限有關(guān)；而在易利用碳源含量較高時(shí),生長(zhǎng)基質(zhì)比例的增加反而導(dǎo)致競(jìng)爭(zhēng)性抑制[43],不利于最難分解的非烴類組分的降解。

本文僅著重討論了在污染區(qū)周邊可獲取的凋落物的修復(fù)能力有限時(shí),是否可以通過(guò)選擇適宜的凋落物組合強(qiáng)化修復(fù)效果、減少對(duì)凋落物的消耗以避免過(guò)度干擾污染區(qū)周邊生態(tài)系統(tǒng)。抑或在可獲取的凋落物均具有較強(qiáng)的修復(fù)能力時(shí),是否有必要在采集凋落物時(shí)通過(guò)一定手段分離不同種類凋落物,以避免其修復(fù)效應(yīng)相互拮抗而降低修復(fù)效果。在具體實(shí)踐中,尚需結(jié)合凋落物形成具體混合形式時(shí)的總體基質(zhì)質(zhì)量(化學(xué)組成特征)對(duì)其修復(fù)效果進(jìn)行預(yù)判,以期在合理范圍內(nèi)達(dá)到凋落物用量最小、修復(fù)效果最大化的目的,并避免在強(qiáng)化凋落物降解原油污染物效果的同時(shí)削弱其恢復(fù)土壤生化性質(zhì)的能力。

4 結(jié)論

單種凋落物處理普遍顯著提高了污染物降解率和土壤速效養(yǎng)分含量,且多數(shù)處理顯著提高了污染土壤中蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶和脫氫酶的活性?；旌咸砑訉?duì)凋落物的修復(fù)效果產(chǎn)生顯著非加和影響。其中白羊草+杠柳+狼牙刺、胡枝子+鐵桿蒿、胡枝子+狗娃花+黃蒿或鐵桿蒿+杠柳凋落物混合對(duì)原油及其組分的降解呈顯著協(xié)同作用,使其降解率顯著高于任一單種處理或基于單種處理的預(yù)測(cè)值,但其同時(shí)拮抗削弱凋落物對(duì)土壤速效氮(特別是硝態(tài)氮)的補(bǔ)充作用及(或)酶活性(特別是蔗糖酶和脫氫酶)的刺激作用。在實(shí)際使用中,可通過(guò)上述混合形式強(qiáng)化凋落物對(duì)污染物的降解能力,但需配合其他修復(fù)手段改善污染土壤生化性質(zhì)。白羊草+狼牙刺、鐵桿蒿+狼牙刺、杠柳+狼牙刺凋落物混合產(chǎn)生相反效果,在使用上述群落的凋落物作為生物刺激劑時(shí),應(yīng)注意對(duì)不同凋落物進(jìn)行分離以避免削弱其修復(fù)效果?？傮w而言,添加多酚、黃酮、有機(jī)酸和磷含量高,碳含量和碳磷比低且化學(xué)多樣性更高的混合凋落物更有利于降解原油污染物,但同時(shí)可能不利于土壤養(yǎng)分狀況和酶活性的恢復(fù)。