土壤石油污染對9個玉米(Zea mays L.)品種種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

羅 巧,段 磊,趙顯林,楊 婷,李亞鑫,賈漢忠,周建利

(1.長江大學 農學院,湖北荊州 434025;2.西北農林科技大學 資源環(huán)境學院,陜西楊凌 712100)

石油是現(xiàn)代社會生產(chǎn)和生活必不可少的能源和物質基礎,但在開采、運輸和加工過程中,由于石油的泄漏等問題會造成環(huán)境的污染;據(jù)統(tǒng)計,全球每年可產(chǎn)生將近800萬t的石油污染物,這些污染物以不同的方式進入土壤,從而引起土壤石油污染[1-3]。石油污染土壤的修復技術包括物理修復、化學修復和生物修復[2,4],其中生物修復又包括微生物修復和植物修復,而植物修復技術的機理是利用根際微生物降解石油污染物[5],其具有自然美觀、成本低、無二次污染的優(yōu)勢而受到關注。

植物修復技術的關鍵是篩選出合適的修復植物(耐性強、生長快、生物量大、根系發(fā)達等)。前人已從野生植物[3,6]、花卉[7]、牧草和綠肥[8-10]以及農作物[11-14]等植物中進行了篩選,已經(jīng)篩選出一些有一定修復效果的植物。石油污染土壤會降低種子萌發(fā)、影響植物生長和各種作物的產(chǎn)量,有研究表明,石油污染對谷物、豆類和其他作物的地上部和地下部生物量均有負面影響,引起作物根結構的變化,造成根長度、根密度和根表面積以及根重的減小[15-22]。前人的研究發(fā)現(xiàn)包括玉米在內的禾本科作物對石油污染土壤具有一定的修復效果[14,23]。玉米為1 a生禾本科植物,其生長快、生物量大、根系發(fā)達,具有修復石油污染土壤的巨大潛力。但是玉米的品種多樣,不同品種玉米對石油污染土壤的響應特征如何尚需進一步研究。因此,本研究通過人工模擬石油污染土壤的試驗,探討9個玉米品種對石油污染土壤的響應,以期篩選出對石油污染具有較強耐性的玉米品種。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采自長江大學西校區(qū)教學科研實習基地的水稻土,其基本理化性質為p H 7.72,有機質15.73 g/kg,全氮1.69 g/kg,全磷1.04 g/kg,全鉀16.92 g/kg,堿解氮54.58 mg/kg,有效磷11.72 mg/kg,速效鉀122.80 mg/kg。供試原油由中石化江漢油田荊州采油廠提供。供試玉米均購自于種業(yè)公司,其基本信息見表1。

表1 玉米種子基本信息Table1 Basic information of maize seeds

1.2 試驗方法

將風干后的土壤過2 mm篩,然后每kg(以烘干土計)土壤拌入0、50、100、150 g原油(所有處理的原油均為同一批次),充分攪拌(人工手搓以達到混合均勻),靜置7 d,使土壤顆粒與石油充分接觸。

稱取80 g各種濃度的石油污染土壤,平鋪于培養(yǎng)皿(直徑90 mm)中,同一玉米品種每個石油污染濃度設置3次重復。認真挑選顆粒大小一致且飽滿、無蟲蛀的玉米種子。種子播種前用體積分數(shù)為4%次氯酸鈉溶液浸泡20 min進行消毒后[2,24-25],每個培養(yǎng)皿播20粒,播種深度為1 cm左右。播后澆足水分,置于恒溫光照培養(yǎng)箱中25℃下培養(yǎng),光照時間為12 h/d。每天定時觀察,加水保持土壤濕潤,記錄每天種子發(fā)芽數(shù),3 d內無新增發(fā)芽種子則為發(fā)芽結束時間[2-3],最后確定所有處理的培養(yǎng)時間均為9 d。發(fā)芽結束后測定幼苗的苗高、根長、地上部生物量、根質量和根系表面積。

1.3 測定指標

測定指標包括萌發(fā)指標和生長指標[26-27]。萌發(fā)指標分別為發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和相對發(fā)芽率;生長指標分別為幼苗苗高、根長、地上部生物量、根質量和根系表面積。萌發(fā)指標的計算公式如下:

Gr=∑Gt/T×100%

式中,Gr為發(fā)芽率;Gt為在時間t時的發(fā)芽數(shù)(個);T為供試種子總數(shù)(個)。

Gi=∑(Gt/Dt)

式中,Gi為發(fā)芽指數(shù);Gt為在時間t時的發(fā)芽數(shù)(個);Dt為相應的發(fā)芽時間(d)。

相對發(fā)芽率=處理組發(fā)芽率/對照組發(fā)芽率×100%

試驗結束后,用自來水將整株植物沖洗干凈,用剪刀分取為地上部和地下部(根部),然后用MICROTEK根系掃描儀(型號:MRS-9600TFU2L)測定植株根長和根系表面積,用直尺測定植株苗高、用電子天平測定植株鮮質量(包括地上部生物量和根質量)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和DPSv 14.10進行數(shù)據(jù)處理和方差分析,采用Duncan’s法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同土壤石油污染濃度對玉米種子萌發(fā)的影響

某一植物能否修復石油污染土壤的前提是該種子在石油污染脅迫下是否具有較強的萌發(fā)能力[2]。發(fā)芽率是各處理組發(fā)芽數(shù)與供試種子總數(shù)的比值。在不同石油污染濃度的處理下不同品種玉米種子的發(fā)芽率情況如表2所示,在50 g/kg石油污染濃度下,9個玉米品種的種子發(fā)芽率與對照(0 g/kg)相比其差異均不顯著,說明低濃度的土壤石油污染對9個玉米品種的種子萌發(fā)無顯著影響;隨著土壤石油污染濃度的升高,9個玉米品種的種子發(fā)芽率均呈現(xiàn)顯著下降的趨勢,表明高濃度的土壤石油污染對玉米種子的萌發(fā)產(chǎn)生顯著的抑制作用;但在較高的石油污染濃度(100 g/kg)下,‘聯(lián)創(chuàng)808’‘鄭單958‘中科11’和‘京科甜608’4個玉米品種的種子發(fā)芽率與較低濃度(0 g/kg和50 g/kg)的處理均無顯著差異,表明這4個玉米品種的種子對高濃度的石油污染具有較強的耐性。

從表2可知,玉米種子發(fā)芽率受到種子自身條件和石油污染濃度的雙重影響。在沒有添加石油的條件下(0 g/kg處理),9個玉米品種的種子發(fā)芽率為66.7%～100%;而‘紅甜糯144’和‘金甜60’品種的種子發(fā)芽率較低,分別為73.3%和66.7%,則顯著低于其他品種。可見9個玉米品種的種子在沒有石油污染的條件下其發(fā)芽率就存在差異。通過計算各種子的相對發(fā)芽率[假定對照(0 g/kg)的發(fā)芽率為100%,各處理的發(fā)芽率與對照發(fā)芽率的百分比即為相對發(fā)芽率][23]消除這種差異,從而更準確的比較各玉米種子對土壤石油污染的耐受性[2-3]。由表2可知,在50 g/kg石油污染濃度處理下,‘萬盛68’(飼料玉米)的相對發(fā)芽率顯著高于‘金甜60’(甜玉米);100 g/kg石油污染濃度下,‘聯(lián)創(chuàng)808’和‘中科11’(2種飼料玉米)的相對發(fā)芽率顯著高于‘紅甜糯144’和‘科白糯8號’(2種甜玉米);而在150 g/kg石油污染濃度下,‘鄭單958’和‘萬盛68’(2種飼料玉米)的相對發(fā)芽率顯著高于‘紅甜糯144’‘科白糯8號’和‘金甜60’3種甜玉米。由此可見,在各種石油污染濃度下,飼料玉米的相對發(fā)芽率均高于甜玉米,且石油污染濃度越高其表現(xiàn)越明顯。在最高的石油污染濃度(150 g/kg)下,飼料玉米種子的真實發(fā)芽率仍然高達65%～78.3%,而甜玉米僅為8.3%～48.3%,表明飼料玉米種子具有更強的忍耐土壤石油污染的能力。

表2 不同石油污染濃度處理玉米種子發(fā)芽率和相對發(fā)芽率Table2 Germination rate and relative germination rate of maize seeds under different petroleum hydrocarbon concentrations

發(fā)芽指數(shù)是植物種子的活力指標,發(fā)芽指數(shù)越高,活力就越高。由表3可以看出,隨著石油污染濃度的遞增,9個玉米品種的種子發(fā)芽指數(shù)均呈現(xiàn)顯著下降的趨勢。表明在土壤石油污染脅迫下玉米種子的活力水平受到抑制,且隨著石油污染濃度的增加,其種子活力水平持續(xù)下降。但是在土壤石油污染濃度為50 g/kg條件下,‘先優(yōu)666’‘萬盛68’和‘科白糯8號’的種子發(fā)芽指數(shù)與對照(0 g/kg)均無顯著差異,表明‘先優(yōu)666’‘萬盛68’和‘科白糯8號’這3個玉米品種能夠忍耐濃度為50 g/kg的土壤石油污染脅迫對種子萌發(fā)的影響。

由表3可知,在100 g/kg的石油污染濃度下,飼料玉米品種‘先優(yōu)666’的種子發(fā)芽指數(shù)與4個甜玉米品種無顯著差異;而飼料玉米品種‘萬盛68’的種子發(fā)芽指數(shù)與甜玉米品種‘京科甜608’無顯著差異,但顯著高于其他3個甜玉米品種;其他3個飼料玉米品種‘聯(lián)創(chuàng)808’‘鄭單958’和‘中科11’的種子發(fā)芽指數(shù)則顯著高于4個甜玉米品種。而在石油污染濃度為0、50和150 g/kg條件下,5個飼料玉米品種的種子發(fā)芽指數(shù)均顯著高于4個甜玉米品種。由此可見在各種石油污染濃度下飼料玉米的種子活力強于甜玉米。從5個飼料玉米品種來看,在石油添加量為0 g/kg處理下,‘中科11’品種的種子發(fā)芽指數(shù)顯著高于其他4種飼料玉米;在50 g/kg石油污染濃度下,5個飼料玉米的種子發(fā)芽指數(shù)均無顯著差異;在100 g/kg和150 g/kg石油污染濃度下,‘聯(lián)創(chuàng)808’‘鄭單958’和‘中科11’品種的種子發(fā)芽指數(shù)均無顯著差異,且均處在最高水平。由此表明,‘聯(lián)創(chuàng)808’‘鄭單958’和‘中科11’這3個飼料玉米品種在高濃度的石油脅迫下仍具有較高的種子活力。

表3 不同石油污染濃度處理下玉米種子發(fā)芽指數(shù)Table3 Germination index of maize seeds under different petroleum hydrocarbon concentrations

2.2 不同土壤石油污染濃度對玉米幼苗生長性狀的影響

從圖1可以發(fā)現(xiàn),隨著石油污染濃度的升高,9個玉米品種的苗高、根長、地上部生物量和根質量4個生長指標均呈現(xiàn)顯著下降的趨勢(圖1-A、B、C、D);除了‘聯(lián)創(chuàng)808’‘萬盛68’‘科白糯8號’和‘金甜60’以外其他5個玉米品種的根系表面積也均隨著石油污染濃度的升高而呈現(xiàn)顯著減小的趨勢(圖1-E)。在較低的石油污染濃度(50 g/kg)處理下,除了‘紅甜糯144’以外其他8個玉米品種的1個或多個生長指標與對照(0 g/kg)無顯著差異(圖1-A、B、C、D、E);但是在較高的石油污染濃度(100 g/kg和150 g/kg)處理下,9個玉米品種的苗高、根長、地上部生物量和根質量等4個生長指標均顯著低于對照(見圖1-A、B、C、D)。表明供試的9個玉米品種中有8個品種對低濃度(50 g/kg)的土壤石油污染具有程度不同的耐性,而較高的土壤石油污染濃度(100 g/kg和150 g/kg)則顯著抑制9個玉米品種幼苗的生長。

2.3 同一土壤石油污染濃度下不同玉米幼苗生長性狀的比較

植物生長性狀(苗高、根長和生物量等)是修復石油污染土壤的重要指標,一般認為,同一時期內植物生長性狀愈良好,則修復效果愈好[10]。

由圖2-A、B、C、D、E可知,在同一石油污染濃度(包括對照0 g/kg)處理下,9個玉米品種的苗高、根長、地上部生物量、根質量和根系表面積等5項生長指標均呈現(xiàn)出顯著差異的現(xiàn)象。在各種石油污染濃度下,5個飼料玉米品種(‘先優(yōu)666’‘聯(lián)創(chuàng)808’‘鄭單958’‘萬盛68’和‘中科11’)的根質量均顯著高于4個甜玉米(‘京科甜608’‘紅甜糯144’‘科白糯8號’和‘金甜60’)(圖2-D),玉米的其他生長指標均是飼料玉米最高而甜玉米最低(圖2-A、B、C、E),表明在各種土壤石油污染濃度(包括對照0 g/kg)下,飼料玉米的生長性狀均優(yōu)于甜玉米。從5個飼料玉米品種來看(圖2),在沒有添加石油(0 g/kg)的條件下,‘中科11’‘鄭單958’和‘先優(yōu)666’分別有3項(根長、根質量和根系表面積)、2項(苗高和地上部生物量)和1項(根系表面積)生長指標處于最高水平,另外分別有1項(苗高)、2項(根質量和根系表面積)和2項(根長和根質量)生長指標處于次高水平。在石油污染濃度為50 g/kg處理下,‘先優(yōu)666’和‘鄭單958’品種分別有4項(除地上部生物量外)和1項(地上部生物量)生長指標處于最高水平,另外分別有1項(地上部生物量)和2項(苗高和根質量)生長指標處于次高水平;而中科11品種有3項(根長、根質量和根系表面積)生長指標處于次高水平,但有2項(苗高和地上部生物量)生長指標處于最低水平(5個飼料玉米品種最低)。在石油污染濃度為100 g/kg處理下,‘中科11’和‘聯(lián)創(chuàng)808’分別有5項和4項(除根長外)生長指標處于最高水平,‘鄭單958’有4項(除根長外)生長指標處于次高水平。在石油污染濃度為150 g/kg處理下,‘中科11’的5項生長指標均處于最高水平。由此可見,在沒有添加石油的條件下,生長性狀最優(yōu)的飼料玉米品種是‘中科11’,其次是‘鄭單958’和‘先優(yōu)666’;在濃度為50 g/kg的石油污染脅迫下,生長性狀最優(yōu)的飼料玉米品種為‘先優(yōu)666’,其次是‘鄭單958’;而在濃度為100～150 g/kg的石油污染脅迫下,生長性狀最優(yōu)的飼料玉米品種均為‘中科11’。

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)不同品種的玉米在低濃度(50 g/kg)的石油污染條件下,種子的發(fā)芽率均與對照(0 g/kg)沒有顯著差異,這與李小利等[28]的研究結果一致,這可能是由于低濃度的石油污染物在種子萌發(fā)前無法穿透表皮損傷種子,所以對種子萌發(fā)率沒有影響。本研究還發(fā)現(xiàn)在高濃度(150 g/kg)的石油污染脅迫下,大多數(shù)玉米品種的種子發(fā)芽率與對照(0 g/kg)均存在顯著差異。這是因為種子周圍的土壤中含有大量的石油烴,其形成油膜包裹種子,使種子無法正常呼吸和吸收水分,從而影響種子的萌發(fā)[28]。而肖易等[23]研究發(fā)現(xiàn)在石油污染濃度為40～60 g/kg條件下,玉米的種子發(fā)芽率為81.67%～85%,說明玉米種子在石油污染脅迫下仍具有較強的萌發(fā)能力。本研究發(fā)現(xiàn)在石油污染濃度為50 g/kg條件下,5個飼料玉米品種的種子發(fā)芽率為95%～100%;而石油污染濃度為150 g/kg條件下,5個飼料玉米品種的種子發(fā)芽率仍然高達65.0%～78.3%(相對發(fā)芽率為66.7%～78.3%)。李先梅等[10]的研究發(fā)現(xiàn),墨西哥玉米草和蘇丹草在土壤石油污染濃度為60 g/kg時,其種子發(fā)芽率分別為52.5%和57.5%(相對發(fā)芽率分別為65.6%和63.3%),均高于黑麥草和紫花苜蓿。由此可見,本研究的5個飼料玉米品種在高濃度的石油污染脅迫下仍然具有較強的耐性。

生物量是植物修復石油污染土壤的重要指標,植物生長形成的生物量愈大,意味著該植物修復石油污染的潛力愈強[29]。本研究發(fā)現(xiàn)隨著石油污染濃度的上升,玉米的生物量均呈現(xiàn)下降趨勢。Tran等[30]研究發(fā)現(xiàn)在所有石油污染土壤處理中,金合歡的萌發(fā)能力顯著下降,且隨著土壤含油率的增加,幼苗的生長參數(shù)、地上和地下部干物質量均顯著降低。而本試驗結果表明在低濃度(50 g/kg)石油污染條件下對玉米幼苗的生長未產(chǎn)生抑制作用,而中高濃度(100～150 g/kg)石油污染則對玉米幼苗的生長產(chǎn)生了顯著的抑制作用。在生態(tài)系統(tǒng)中,植物和土壤是兩個緊密聯(lián)系的子系統(tǒng),它們相互影響[31],當土壤受到石油污染時,土壤中石油烴會在植物根系表面包裹形成油膜,破壞土壤的物理結構,使植物無法從受污染的土壤中吸收和儲存水分和造成生理干旱,從而抑制植物的生長[32]。在石油污染土壤中,石油主要通過兩種途徑抑制植物的生長:第一,石油烴組分中分子量較高的部分會包裹在土壤顆粒及植物根系的表面,不僅會降低土壤的透氣性和親水性,還會使植物的呼吸和蒸騰作用受到抑制,從而使植物生長受阻;第二,石油烴組分中分子量較小的部分一般具有高脂溶性,脂溶性物質可以穿過植物的細胞膜,從而對植物產(chǎn)生毒害作用,抑制植物的生長[33]。

4 結論

(1)隨著土壤石油污染濃度的遞增,供試的9個玉米品種的種子萌發(fā)指標和幼苗生長指標均呈現(xiàn)顯著下降的趨勢;而較高的土壤石油污染濃度(100 g/kg和150 g/kg)則顯著抑制9個玉米品種幼苗的生長。

(2)在各種濃度的土壤石油污染脅迫下,飼料玉米的種子萌發(fā)性狀和幼苗生長性狀均優(yōu)于甜玉米。在最高濃度(150 g/kg)土壤石油污染的脅迫下,飼料玉米種子的真實發(fā)芽率仍然高達65%～78.3%,而甜玉米僅為8.3%～48.3%,表明飼料玉米種子具有更強的忍耐土壤石油污染的能力。

(3)在較低的土壤石油污染濃度(50 g/kg)脅迫下,供試的9個玉米品種中‘先優(yōu)666’品種的耐性最強,其種子萌發(fā)性狀和幼苗生長性狀均最優(yōu);而在較高的土壤石油污染濃度(100 g/kg和150 g/kg)脅迫下,‘中科11’玉米品種則具有最強的耐性。因此,‘先優(yōu)666’和‘中科11’玉米品種可分別作為修復低濃度和中高濃度石油污染土壤的候選植物。