雒曉芳,陳麗華,王冬梅,王瑾,霍偉鵬(.西北民族大學(xué)實(shí)驗(yàn)中心,甘肅蘭州730030;.西北民族大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院,甘肅蘭州730030)
不同原油濃度對(duì)兩種農(nóng)作物的生長(zhǎng)特性影響評(píng)價(jià)
雒曉芳1,陳麗華1,王冬梅1,王瑾2,霍偉鵬2
(1.西北民族大學(xué)實(shí)驗(yàn)中心,甘肅蘭州730030;2.西北民族大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院,甘肅蘭州730030)
通過(guò)測(cè)定農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀況及產(chǎn)品品質(zhì),研究了不同原油含量對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)狀況的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著土壤中原油含量的增加,玉米、大豆中總烴、芳烴、總酚含量也相應(yīng)增多,呈明顯的正相關(guān)性。當(dāng)加入0.5 g/kg的石油時(shí),玉米果實(shí)中的總烴、芳烴、總酚含量分別為37.25 mg/kg、9.80 mg/kg、1.394 mg/kg,大豆中分別為52.14 mg/kg、12.77 mg/kg、1.693 mg/kg。當(dāng)石油含量為0.5~1.0 g/kg時(shí),對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育有促進(jìn)作用,同時(shí)促進(jìn)淀粉、蛋白質(zhì)的合成,增加果實(shí)質(zhì)量;當(dāng)含量為3.0 g/kg時(shí),促進(jìn)效果下降。
原油濃度;玉米;大豆;生長(zhǎng)特性;評(píng)價(jià)
石油作為當(dāng)今社會(huì)的主要能源,推動(dòng)著工業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,然而其應(yīng)用過(guò)程中也伴隨著嚴(yán)重的污染問(wèn)題。石油污染是指石油在開采、冶煉、貯運(yùn)和使用過(guò)程中,原油和各種石油制品進(jìn)入環(huán)境而造成的污染。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)石油污染土壤的修復(fù)有很多研究,但隨著石油工業(yè)的快速發(fā)展,各種石油類物質(zhì)對(duì)土壤的污染問(wèn)題日益嚴(yán)重,油田區(qū)周圍尤為突出。石油造成土壤污染的原因主要有石油中的各種成分都具有一定的毒性,石油類污染物可破壞生物的生活環(huán)境、造成生物的機(jī)能障礙[1]。石油烴積累在土壤表層會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu),影響其通透性,進(jìn)而影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)和發(fā)育[2],對(duì)植物的生長(zhǎng)、結(jié)實(shí)和果實(shí)的品質(zhì)等造成一定的影響,并可通過(guò)食物鏈在動(dòng)物體內(nèi)逐級(jí)富集,危害人類健康。被石油污染的土壤對(duì)植物生長(zhǎng)的影響、石油污染土壤的生態(tài)毒性效應(yīng)和相應(yīng)的修復(fù)技術(shù)等研究均受到國(guó)內(nèi)外專家的關(guān)注[3-6]。
石油污染土壤的修復(fù)方法有物理方法、化學(xué)方法和生物方法,其中微生物修復(fù)是利用微生物的分解作用去除污染物,植物修復(fù)則綜合利用微生物、植物與環(huán)境間的相互作用,將石油組分吸附、降解、轉(zhuǎn)化或固定為無(wú)害物質(zhì)[7]。植物可直接吸收有機(jī)污染物,釋放分泌物和酶類物質(zhì),還能提高根系微生物的數(shù)量和活性[1],植物與微生物共同作用能明顯提高修復(fù)效果[8]。目前,國(guó)外已廣泛利用植物根際效應(yīng)修復(fù)有機(jī)污染物特別是多環(huán)芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)類物質(zhì)[9-10],我國(guó)在此領(lǐng)域的研究起步較晚,李方敏等[11]研究表明,玉米草適合在石油污染土壤上種植;藺聽等[12]認(rèn)為植物-微生物系統(tǒng)的吸收代謝能力決定了有機(jī)污染物的降解。凌婉婷等[13]研究了多種植物根對(duì)土壤中多環(huán)芳烴的吸收作用,結(jié)果表明,不同植物根中菲和芘的含量和根系富集系數(shù)與根的脂肪含量呈顯著正相關(guān)。植物可通過(guò)體內(nèi)的新陳代謝作用,轉(zhuǎn)化污染物為弱毒或無(wú)毒的代謝物,對(duì)植物中多環(huán)芳烴吸收積累的研究表明,多環(huán)芳烴大量積聚在植物根部,極少量被運(yùn)輸?shù)角o葉中[14]。
目前,針對(duì)土壤中石油類污染物對(duì)植物生長(zhǎng)的影響,相關(guān)領(lǐng)域的研究多以盆栽試驗(yàn)為主,供試植物多為旱田植物,主要有小麥、玉米、高粱、黃豆、苜蓿、披堿草、向日葵等。李春榮等[15]通過(guò)盆栽試驗(yàn)研究不同濃度石油烴對(duì)黃豆生長(zhǎng)的影響,研究表明石油烴初始質(zhì)量濃度≤5 g/kg時(shí),對(duì)黃豆幼苗葉綠素含量、丙二醛(methanedicarboxylicaldehyde,MDA)含量無(wú)顯著影響;初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 g/kg時(shí),對(duì)黃豆幼苗有明顯的毒害作用;初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10~50 g/kg時(shí),對(duì)土壤微生物的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用。彭昆國(guó)等[16]通過(guò)研究不同濃度石油對(duì)不同植物種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響,表明玉米和高粱的株高和根長(zhǎng)與土壤中石油濃度呈顯著正相關(guān),而披堿草的根長(zhǎng)則與之呈顯著負(fù)相關(guān)。程龍飛等[17]研究表明,土壤中石油濃度與玉米產(chǎn)量之間呈直線負(fù)相關(guān),玉米中苯并(a)芘的殘留量與土壤中石油的殘留量之間呈直線正相關(guān)。
試驗(yàn)選用姬塬油田地區(qū)土壤為供試土壤,以玉米和大豆為研究對(duì)象,通過(guò)田間和盆栽模擬試驗(yàn)研究不同濃度的原油污染處理對(duì)植物指標(biāo)的影響,全面監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)石油污染物脅迫對(duì)兩種植物的毒性效應(yīng),以期為土壤石油污染對(duì)植物的影響及其植物生物修復(fù)提供理論依據(jù)。
1.1 材料與試劑
供試土壤:姬源油田地區(qū)土質(zhì)為典型的黃綿土,有四年耕作史,周圍無(wú)污染源,其理化性質(zhì)及有關(guān)化學(xué)物質(zhì)含量分析結(jié)果見(jiàn)表1。原油:陜西姬源油田油井中開采出的石油;玉米和大豆的種子:當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)貿(mào)市場(chǎng);其他化學(xué)試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。
表1 試驗(yàn)土壤中有機(jī)污染物含量和理化性質(zhì)測(cè)定結(jié)果Table 1 Physicochemical properties and contents of organic pollutants in tested soil
1.2 儀器與設(shè)備
BS223S電子天平、CPA225D電子天平:賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司;XS205DU型電子天平:梅特勒-托利多公司;DSR系列溫濕度記錄儀:杭州佐格通訊設(shè)備有限公司。
1.3 試驗(yàn)方法
1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
選用玉米和大豆為試驗(yàn)作物,分別進(jìn)行田間和盆栽試驗(yàn),設(shè)置4個(gè)土壤原油含量,分別為0、0.5 g/kg、1.0 g/kg、3.0 g/kg。播種與田間管理:播種后先不起垅,每樣方9穴,每穴先加底肥磷酸二胺5 g,然后蓋一層土,澆適量清水滲下去后,撒4~6粒玉米種子,覆土蓋好。玉米幼苗長(zhǎng)出25 cm左右,起垅,干旱時(shí)期(5、6、7月)澆水5次,除草2次,滅蟲1次,防倒伏1次,并按生長(zhǎng)發(fā)育期進(jìn)行測(cè)試觀察。盆栽大豆的管理、觀測(cè)方法同玉米田間試驗(yàn)。試驗(yàn)期間正常澆水以保持試驗(yàn)基質(zhì)的濕度,在對(duì)照組出苗率達(dá)50%的第14天結(jié)束試驗(yàn)。
1.3.2 測(cè)定方法
石油類有機(jī)物含量參照國(guó)標(biāo)GB/T8538—2008《飲用天然礦泉水檢驗(yàn)方法》測(cè)定[18],考馬斯亮藍(lán)G-250法測(cè)定蛋白質(zhì)含量[19],蒽酮法測(cè)定淀粉含量[20],索民提取法測(cè)定脂肪含量[20],株高用直尺測(cè)量,干物質(zhì)量用稱量法測(cè)定。
表2 原油中有機(jī)污染物對(duì)玉米的影響Table 2 Effect of organic pollutants on maize
2.1 原油中有機(jī)污染物對(duì)玉米、大豆的影響
石油能夠在植物細(xì)胞間隙和維管束系統(tǒng)中運(yùn)輸,根部從土壤中吸收的石油能向葉子和果實(shí)移動(dòng),并不斷積累,也能從葉子吸收向根部轉(zhuǎn)移[21]。通過(guò)田間玉米和盆栽大豆試驗(yàn),設(shè)置4個(gè)土壤原油含量分別為0、0.5 g/kg、1.0 g/kg、3.0 g/kg,選用玉米和大豆為試驗(yàn)作物,分別進(jìn)行田間和盆栽試驗(yàn),種植14 d后測(cè)定玉米和大豆中總烴、芳烴、總酚及苯并芘(benzo A pyrene,BaP)含量,結(jié)果分別見(jiàn)表2及表3。
由表2、表3可知,隨著土壤中原油含量的增加,玉米、大豆中總烴、芳烴、總酚含量也相應(yīng)增多,呈明顯正相關(guān)性。試驗(yàn)種植玉米、大豆的土壤中加入石油的最小含量組為0.5 g/kg,作物果實(shí)中總烴、芳烴、總酚含量在玉米中分別為37.250 mg/kg、9.800 mg/kg、1.394 mg/kg,大豆中分別為52.140 mg/kg、12.770 mg/kg、1.693 mg/kg,隨著原油含量上升,作物中總烴、芳烴及總酚含量未見(jiàn)明顯增高,但都較明顯地超過(guò)空白對(duì)照組農(nóng)作物測(cè)定值。值得注意的是,在石油含量為3.0 g/kg時(shí),玉米中的總烴含量和大豆中的總烴、總酚含量都有所下降,分析原因可能是因?yàn)槭蜐舛冗_(dá)到了一定的危害值,使植物的生長(zhǎng)受到輕微的抑制,對(duì)污染物的吸收量減少。
表3 原油中有機(jī)污染物對(duì)大豆的影響Table 3 Effect of organic pollutants on soybean
原油中含有多種芳烴,特別是多環(huán)芳烴中有些組分具有致癌性,其中苯并芘(BaP)具有較強(qiáng)的致癌性、致突變性和致畸性。植物體在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中會(huì)從土壤中吸收多種多環(huán)芳烴,不斷地積累在植物體中。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,大豆、玉米中的BaP含量并不隨土壤中原油含量的增加而增加,各原油含量組的大豆、玉米中BaP的測(cè)定值與空白組進(jìn)行比較,根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,無(wú)顯著差異,處于同一個(gè)水平,說(shuō)明作物中BaP含量并不完全和土壤中石油含量呈正相關(guān)性。
根據(jù)表2和表3的數(shù)據(jù),與對(duì)照組相比,結(jié)果表明,農(nóng)作物對(duì)土壤中的石油污染物有較強(qiáng)的吸收和富集作用。在試驗(yàn)所設(shè)置的幾個(gè)質(zhì)量濃度條件下,植物并未出現(xiàn)不良性狀,但當(dāng)土壤原油含量過(guò)高時(shí),會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu),使植物根部的呼吸作用和對(duì)營(yíng)養(yǎng)成分的吸收受到影響,破壞葉綠素的合成,對(duì)植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生毒害作用。石油污染土壤中存在一定數(shù)量的石油降解菌,且易在植物根際選擇性富集,這些微生物的存在會(huì)加速污染物的降解。當(dāng)土壤原油含量過(guò)高時(shí),會(huì)減少這些微生物的數(shù)量并抑制其活性,這一原因也會(huì)影響植物對(duì)污染物的修復(fù),增加污染物對(duì)植物的毒害。
2.2 原油對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)品品質(zhì)的影響
影響農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)品的品質(zhì)的因素,除了農(nóng)作物品種之外,還有環(huán)境條件等諸多因素,特別是土壤條件起著決定性的作用,當(dāng)土壤中加入不同含量的原油時(shí),對(duì)產(chǎn)品的品質(zhì)、作物生長(zhǎng)發(fā)育等都產(chǎn)生影響。種植14 d后玉米和大豆中主要指標(biāo)的測(cè)定結(jié)果分別見(jiàn)表4及表5。
表4 原油對(duì)玉米生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)成分的影響Table 4 Effect of crude oil on growth and nutrition of maize
表5 原油對(duì)大豆生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)成分的影響Table 5 Effect of crude oil on growth and nutrition of soybean
2.2.1 生長(zhǎng)發(fā)育分析
由表4和表5可知,當(dāng)原油含量為0.5 g/kg時(shí),對(duì)玉米株高有明顯的促進(jìn)作用,當(dāng)石油量為0.5~3.0 g/kg時(shí),隨著原油含量的增加,植株的高度逐漸減小。從千粒質(zhì)量來(lái)看,加入石油含量為0.5~3.0 g/kg,玉米的千粒質(zhì)量均有所增加,其中以0.5 g/kg時(shí)最大,為372.50 g。盆栽大豆生長(zhǎng)狀況是從0.5~3.0g/kg這三個(gè)試驗(yàn)組來(lái)看,植物的千粒質(zhì)量及株高都明顯好于對(duì)照組,相對(duì)增加>10%,其中以0.5 g/kg最好。原油含量為0.5~1.0 g/kg時(shí),大豆的千粒質(zhì)量及株高有所增加,原油含量為3.0 g/kg時(shí),千粒質(zhì)量稍有下降,株高增加較少。
綜上所述,低濃度的石油烴對(duì)植物自身的生長(zhǎng)發(fā)育有一定的促進(jìn),千粒質(zhì)量和株高均有所增加。但隨著原油含量的增加,玉米株高和千粒質(zhì)量增加量逐漸減小,石油含量為3.0 g/kg時(shí),對(duì)大豆生長(zhǎng)的促進(jìn)效果也稍有下降。說(shuō)明不同植物對(duì)石油含量的耐受力是不同的,但當(dāng)石油含量在一定范圍內(nèi)增加時(shí),會(huì)達(dá)到一定的危害指標(biāo),使植物生長(zhǎng)受到輕微的抑制。
2.2.2 營(yíng)養(yǎng)成分分析
由表4和表5可知,隨著原油含量從0.5~3.0 g/kg不斷增加,玉米的蛋白質(zhì)含量也有所提高,分別提高了19.4%、16.8%、7.2%;脂肪含量變化無(wú)規(guī)律性,其中在原油含量為0.5 g/kg時(shí),脂肪含量有所增加,相對(duì)提高了6.6%;淀粉含量普遍明顯增加,以原油含量為0.5g/kg時(shí)最好,提高了26.6%。當(dāng)土壤加油量在0.5~3.0g/kg時(shí),大豆的蛋白質(zhì)含量都有所提高,其中0.5 g/kg和1.0 g/kg組比較明顯,分別提高10.6%和8.90%;而脂肪含量各試驗(yàn)組差別不顯著,無(wú)規(guī)律性;當(dāng)原油含量為0.5 g/kg和1.0 g/kg時(shí),淀粉含量顯著提高,分別提高65.1%、66.5%。
可見(jiàn),少量的石油烴對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用,可能是由于低含量的石油烴被植物和根際微生物部分降解,生成CO2和H2O等,并產(chǎn)生能量,這些物質(zhì)和能量為根際微生物的生長(zhǎng)提供了良好的碳源,促進(jìn)了植物的碳代謝,促進(jìn)了固氮菌等細(xì)菌的生長(zhǎng)和繁殖,加上土壤中氮的積累和有機(jī)肥料的分解,使作物易于吸收,最終表現(xiàn)為植物的生長(zhǎng)得到促進(jìn),產(chǎn)量有所提高。由于本試驗(yàn)中土壤內(nèi)所加石油含量(≤3%)還未達(dá)到抑制作物生長(zhǎng)、損害的程度,因此在作物外表上未觀察到不良的性狀。
隨著原油含量上升,作物中總烴、芳烴及總酚含量未見(jiàn)明顯增高,但都明顯地超過(guò)空白對(duì)照組中農(nóng)作物的測(cè)定值。對(duì)人體有較強(qiáng)致癌作用的苯并芘(BaP)并不明顯地隨土壤中加入石油量的遞增而增加,作物中BaP含量并不完全和土壤中石油含量呈正相關(guān)性。低含量石油烴在一定程度上,對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育有促進(jìn)作用,同時(shí)促進(jìn)淀粉、蛋白質(zhì)的合成,增加果實(shí)質(zhì)量。其中石油含量為0.5~1.0 g/kg時(shí),促進(jìn)效果最為明顯,含量為3.0 g/kg時(shí),促進(jìn)效果下降。高含量石油烴在一定程度上,對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育有抑制作用,對(duì)于促進(jìn)淀粉、蛋白質(zhì)的合成,增加果實(shí)質(zhì)量效果沒(méi)有低含量石油烴效果好。
由于本試驗(yàn)中土壤內(nèi)所加石油濃度(≤0.3%)還未達(dá)到抑制作物生長(zhǎng)、中毒和損害的程度,故在作物形態(tài)上未觀察到不良性狀,說(shuō)明姬源油田修復(fù)后土壤可以促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的積累。
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Effect of different petroleum densities on growth characters of two kinds of crops
LUO Xiaofang1,CHEN Lihua1,WANG Dongmei1,WANG Jin2,HUO Weipeng2
(1.Center of Experiment,Northwest University for Nationality,Lanzhou 730030,China; 2.Life Science and Engineering,Northwest University for Nationality,Lanzhou 730030,China)
Through the determination of crop growth status and product quality,the effect of petroleum density on crop growth condition was measured. Result showed that with the increase of total hydrocarbon,aromatic hydrocarbon and total phenol in corn and soybean,the petroleum density increased as well,which showed a significant positive correlation.When 0.5 g/kg petroleum was added in soil,the total hydrocarbon,aromatic hydrocarbon and total phenol in corn were 37.25 mg/kg,9.80 mg/kg and 1.394 mg/kg,respectively.The contents in soybean were 52.14 mg/kg,12.77 mg/kg and 1.693 mg/kg,respectively.When the petroleum density was 0.5-1.0 g/kg,it showed promotion effect on plant growth and starch and protein synthesis,thus increasing the quality of the fruits.When the petroleum density was 3.0 g/kg,the promotion effect was reduced.
petroleum density;maize;soybean;growth feature;evaluation
Q93
A
0254-5071(2014)07-0039-04
10.11882/j.issn.0254-5071.2014.07.008
2014-05-30
國(guó)家自然基金項(xiàng)目(41361070);甘肅省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(1308RJZA187);中央高?;緲I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(ZYZ 2011103)
雒曉芳(1980-),女,副教授,碩士,主要從事環(huán)境微生物方面的研究工作。