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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)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(guó)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(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101 3 中國(guó)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(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院,沈陽(yáng) 110866

我國(guó)油田平均含水率已超過(guò)85%。絕大部分油田采出水經(jīng)過(guò)處理后，回注回油層，其中有部分為無(wú)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(guó)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(lái)逐步發(fā)展起來(lái)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(duì)外排水中的低濃度殘余石油類(lèi)相關(guān)物質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步轉(zhuǎn)化和吸收處理,具有類(lèi)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(duì)含油廢水具有較好的凈化效果,石油類(lèi)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(duì)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(lèi)群的微生物能通過(guò)不同的生化途徑合成不同的PLFA,因此通過(guò)測(cè)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(zhǎng),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(kāi)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(wú)顯著差異。磷脂脂肪酸對(duì)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(dòng)態(tài)變化[20]?？傮w認(rèn)為，當(dāng)土壤中石油物質(zhì)含量低于一定數(shù)量時(shí)，是可以增加土壤生物多樣性，并促進(jìn)植物生長(zhǎng)的。但其中很多具體特征和機(jī)理尚不明確。本研究通過(guò)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(shì)。

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(duì)象,分析外排水對(duì)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(zhǎng)很快,油田生產(chǎn)過(guò)程中采出的采出水量也急劇增加。在油田開(kāi)采帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí),會(huì)對(duì)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(duì)濕地接納油田外排水中是有物質(zhì)的富集、遷移及對(duì)環(huán)境的影響機(jī)理尚缺乏細(xì)致系統(tǒng)研究。其中,對(duì)于干旱戈壁區(qū)油田開(kāi)發(fā)中采油外排水對(duì)土壤微生物群落的影響機(jī)制還不清楚。因此,開(kāi)展油田外排水對(duì)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(duì)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(zhǎng)期外排水在排放點(diǎn)形成的經(jīng)過(guò)環(huán)保部門(mén)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(duì)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(cè),檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)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(jí)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(gè)采樣點(diǎn),在外壩邊緣(outer dam edge,OD)設(shè)置4個(gè)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(gè)采樣點(diǎn)作為對(duì)照(CK)。在每個(gè)采樣點(diǎn)設(shè)置10m×10m的樣方,每個(gè)樣方以S型布設(shè)5個(gè)點(diǎn),用土鉆取0—20cm土壤,剔除石礫和根系等雜質(zhì),將5個(gè)點(diǎn)的土樣混合,用四分法取出約1kg樣品,過(guò)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(gè),用于土壤理化性質(zhì)、PLFA、石油烴的測(cè)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(cè)定

2.3 土壤微生物生物量測(cè)定

土壤微生物生物量測(cè)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(cè)定,通過(guò)MIDI Sherlock微生物鑒定系統(tǒng)(MIDI Inc., Newark, DE)鑒定PLFA類(lèi)型。表征不同類(lèi)群微生物生物量的PLFAs標(biāo)志物見(jiàn)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(lèi)土壤的總石油烴含量無(wú)顯著差異,但是在對(duì)照位置石油烴含量相對(duì)較高,濕地土壤不同位置的石油烴含量相對(duì)較低。參考GB36600—2018[32],各采樣點(diǎn)的總石油烴含量低于一類(lèi)用地篩選值826mg/kg(圖3)。

圖3 油田外排水對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)照>外壩邊緣(表3)。

表3 油田外排水對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(lèi)群微生物量呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì),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(yáng)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(duì)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(shì),但差異不顯著(圖4)。

圖4 油田外排水對(duì)人工濕地生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物生物量及比率影響

對(duì)濕地不同位置土壤與對(duì)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(lèi)群微生物生物量表現(xiàn)為細(xì)菌>革蘭氏陽(yáng)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(lèi)群微生物生物量與對(duì)照土壤并無(wú)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(yáng)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(wú)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?jī)?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(shì)的影響,內(nèi)外壩間由于地勢(shì)相對(duì)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(zhǎng)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(shì)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(lèi)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(shí),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(shì)。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(duì)照和濕地外壩邊緣低的趨勢(shì),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(zhǎng)對(duì)養(yǎng)分吸收有關(guān)。水分是干旱區(qū)植物生長(zhǎng)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?duì)濕地土壤中氮、磷吸收增加,導(dǎo)致濕地中的有效養(yǎng)分有降低的趨勢(shì)。關(guān)于濕地外排水對(duì)該區(qū)域植物生物量、植物對(duì)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(shuō)明真菌會(huì)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(yáng)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(zhǎng)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(zhǎng)時(shí)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。總石油烴與真菌、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(zhǎng),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(duì)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(duì)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。