荒漠草地中氮添加與多環(huán)芳烴降解的關(guān)系

楊曉東, ,陳 悅,孟凡波,李 巖,,何學(xué)敏,,張雪妮,,呂光輝,,,*

1 新疆大學(xué)綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830046 2 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,烏魯木齊 830046 3 Global Centre for Environmental Remediation (GCER), the University of Newcastle (UON), Newcastle, NSW 2308, Australia 4 新疆大學(xué)干旱生態(tài)環(huán)境研究所,烏魯木齊 830046

多環(huán)芳烴(Polycyclic aromatic hydrocarbons; PAHs)是含有兩個(gè)或兩個(gè)以上苯環(huán)的芳香族碳?xì)浠衔颷1],它是持久性有機(jī)污染物的一種,容易在生物體內(nèi)富集,難以分解[2-3]。環(huán)境中多環(huán)芳烴除極少部分來源于生物體內(nèi)合成、火山爆發(fā)和森林火災(zāi)等自然現(xiàn)象外,絕大部分由煤、石油、化工產(chǎn)品和垃圾的不完全燃燒,以及原油在開采、運(yùn)輸、精煉和使用過程中的泄漏和排污等人類活動(dòng)所產(chǎn)生[4]。多環(huán)芳烴在環(huán)境中積累后,可引起人體病變、使農(nóng)作物減產(chǎn)和品質(zhì)下降、甚至降低生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[5]。當(dāng)前,多環(huán)芳烴污染已被認(rèn)為是世界各國面臨的重大環(huán)境與公共健康問題[1,5]。土壤作為重要的多環(huán)芳烴匯之一[5],通過它表層的地球化學(xué)循環(huán),多環(huán)芳烴能從土壤傳遞進(jìn)入水體、大氣和生態(tài)系統(tǒng),引起二次污染[6]。此外,土壤表層又是植物和農(nóng)作物營養(yǎng)吸收與根系生長的主要區(qū)域,控制土壤特別是耕作層土壤的多環(huán)芳烴污染,是消減它進(jìn)入食物鏈、降低危害和其引起人體健康風(fēng)險(xiǎn)的重要途徑,也是控制整個(gè)多環(huán)芳烴污染的重要環(huán)節(jié)[7-8]。

近年來,施肥和化石燃料燃燒等人類活動(dòng)使大氣氮沉降在全球范圍內(nèi)不斷增加,陸地生態(tài)系統(tǒng)正從人為氮沉降、農(nóng)業(yè)和工業(yè)排放中氮中獲得大量可利用氮[9]。大氣氮沉降已成為自然生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)重要養(yǎng)分資源,并通過凋落物數(shù)量和質(zhì)量、以及微生物群落的改變提高了土壤中植物根系和微生物群落的功能特征,進(jìn)一步對(duì)土壤物理和化學(xué)的代謝過程產(chǎn)生影響[9-10]。以往研究證明,土壤中多環(huán)芳烴去除主要有土壤腐殖質(zhì)吸附、根系轉(zhuǎn)移和微生物分解3種途徑[5-6]。氮沉降量增加后,腐殖質(zhì)含量、根系和微生物的活性在土壤中都顯著增加[10-11]。此情況下,不難推測：在多環(huán)芳烴污染土壤中加入外源氮素,將有助于促進(jìn)植物根際吸收多環(huán)芳烴和提高土壤微生物降解多環(huán)芳烴的能力,減小其在土壤中含量。遺憾的是,目前雖有少量室內(nèi)模擬試驗(yàn)證明,氮添加在短期內(nèi)能促進(jìn)土壤多環(huán)芳烴被植物根系吸收和微生物降解的能力[12-13],但它們?nèi)狈ψ匀画h(huán)境下的驗(yàn)證。加之,室內(nèi)人工配置土壤和自然土壤差別較大,土壤又是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)。外源氮素加入后是否在自然狀態(tài)下提高多環(huán)芳烴的降解能力？答案仍舊不明。

目前,利用植物修復(fù)方法減少土壤多環(huán)芳烴污染的相關(guān)研究中,均證明修復(fù)植物必須滿足它生長的環(huán)境條件,對(duì)土壤的肥力、含水量、質(zhì)地、鹽度、酸堿度、氣候條件和系統(tǒng)的穩(wěn)定性等都要求較高[9,14]。干旱荒漠區(qū)草地的系統(tǒng)穩(wěn)定性較小,水分匱乏和鹽分含量較高是該系統(tǒng)最顯著特征[15]。相較其他地區(qū)或室內(nèi)修復(fù)土壤多環(huán)芳烴污染的遴選植物,荒漠系統(tǒng)中草本植物生命力十分脆弱,且容易受到環(huán)境干擾的影響[15-16]。因此,當(dāng)前有關(guān)植物修復(fù)土壤多環(huán)芳烴污染的相關(guān)報(bào)道中,基本未涉及干旱荒漠植物。相反,干旱區(qū)荒漠草地是我國北溫帶分布最廣泛的一種生態(tài)系統(tǒng)類型,屬于典型氮素限制系統(tǒng)[17]。當(dāng)?shù)刂参锏牡乩媚芰κ謴?qiáng)大,外源氮素極小幅度增加都能極大地提高植物的生理活性,改變土壤環(huán)境和微生物群落結(jié)構(gòu)[17-18]。因此,大氣氮沉降增加之后,極可能有利于當(dāng)?shù)夭荼局参锶郝浣到馔寥乐械亩喹h(huán)芳烴。但在當(dāng)前,有關(guān)干旱區(qū)荒漠草地降解多環(huán)芳烴污染的報(bào)道不多。

基于以上,本文在新疆克拉瑪依市獨(dú)山子化工園區(qū)附近的原生荒漠草地上,通過氮沉降模擬實(shí)驗(yàn),揭示氮沉降與多環(huán)芳烴降解之間的相互關(guān)系。本文擬回答以下3個(gè)科學(xué)問題：在干旱區(qū)荒漠草地中,(1) 氮沉降是否利于土壤多環(huán)芳烴降解？(2) 氮沉降是否改變了土壤環(huán)境因子、土壤酶活性和土壤微生物功能多樣性？(3) 在土壤環(huán)境因子、土壤酶活性和土壤微生物功能多樣性這3種因子中,那些因子對(duì)土壤多環(huán)芳烴降解過程起主要作用？回答以上3個(gè)科學(xué)問題,對(duì)尋求土壤多環(huán)芳烴污染的控制方法、豐富全球變化的相關(guān)理論、以及在新疆克拉瑪依地區(qū)治理土壤多環(huán)芳烴污染等,都有著十分重要的理論和技術(shù)指導(dǎo)意義。

1 材料和方法

1.1 研究地點(diǎn)

克拉瑪依市(84°44′—86°01′E,44°07′—46°08′N)位于我國西北新疆維吾爾自治區(qū)準(zhǔn)噶爾盆地的西北邊緣,是我國乃至世界最重要的一個(gè)石油化工基地。當(dāng)?shù)仉`屬典型干旱內(nèi)陸氣候,海拔約400 m,年降雨量108.90 mm,年均潛在蒸發(fā)3008.90 mm,最熱(7月)和最冷(1月)的月平均氣溫分別為27.90℃和-15.40℃,土壤類型主要為灰漠土和灰褐土?？死斠朗械氖托袠I(yè)發(fā)展始于1936年,目前具備煉油、化學(xué)和石化行業(yè)一整套完整的工業(yè)體系,可生產(chǎn)燃油、聚烯烴、橡膠、芳香烴和其他26個(gè)大類的600種石油產(chǎn)品[19]。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和采樣

在克拉瑪依市獨(dú)山子區(qū)石化工廠密集排煙位置下風(fēng)向3 km處的原生干旱荒漠草地內(nèi)(84°19′7.47″—84°55′2.99″E, 44°49′2.40″—44°19′11.68″N),在2016年4月隨機(jī)選擇一個(gè)內(nèi)部較平整的50 m×30 m樣地,隨后,在其內(nèi)隨機(jī)設(shè)置3 m×3 m小樣方12個(gè),并隨機(jī)分成CK、N1、N2、N3共4組,每組3個(gè)小樣方。為避免施氮處理中樣方的相互干擾,以及其他物種對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。小樣方周邊20 m內(nèi)未有喬灌木生長,并在小樣方間設(shè)置緩沖帶,間隔距離≥2 m。12個(gè)樣方確定后,四周用木樁固定打腳,并用編織繩圈起標(biāo)記。

中國北方溫帶草原上每年總氮沉降量約為10—30 kg hm-2a-1[9,20]?；诖藬?shù)值,本文設(shè)置了4種模擬氮沉降的實(shí)驗(yàn)梯度：低(N1；10 kg hm-2a-1)、中(N2；30 kg hm-2a-1),高(N3；90 kg hm-2a-1)和未施肥(對(duì)照樣地；CK；0 kg hm-2a-1)。每一種施氮處理都設(shè)置3次重復(fù)。施肥時(shí)間從2016年5月(植物生長初期)持續(xù)到9月(植物生長末期)。施加氮肥為NH4NO3,施肥時(shí)將相應(yīng)NH4NO3量溶解到18 L水中,用噴霧器施加到土壤。CK樣地施加未含有NH4NO3的18 L水。本文中在5—9月施加水量約等于當(dāng)?shù)卦黾恿? mm的年均降水。

本文共收集了兩次土壤樣品：4月(施氮前)和9月(施氮后)的土壤。施氮前土壤在2016年4月初采集,即：在荒漠草地系統(tǒng)植物非生長季采集土壤,此時(shí)植物對(duì)土壤中多環(huán)芳烴、生物非生物環(huán)境因子的影響較小。施氮后土壤在2016年9月中旬采集,此時(shí)是草本植物生長季節(jié)的末期,植物對(duì)多環(huán)芳烴、生物非生物環(huán)境因子的累積效應(yīng)處于最大值。具體采樣時(shí),4月土壤中NH4NO3尚未添加,它其中所含多環(huán)芳烴量相當(dāng)于背景值。在每一種施肥處理的每一小樣方內(nèi)隨機(jī)設(shè)置1個(gè)點(diǎn),采集一個(gè)土壤樣本,共計(jì)12個(gè)。對(duì)9月土壤,在每一種施肥處理的每一小樣方內(nèi),隨機(jī)選擇3個(gè)點(diǎn),采集土樣隨后混合成1個(gè)樣品,每種處理各有3個(gè)混合土壤,共計(jì)12個(gè)。土樣樣品采集深度為0—15 cm。土壤樣品采集后分成兩部分：一部分置入密封袋后儲(chǔ)存在-18℃冰箱中,直到測量多環(huán)芳烴和土壤微生物功能多樣性；另一部分放置在密封袋常溫保存,用以測量其他環(huán)境因素和土壤酶活性。

1.3 多環(huán)芳烴含量的測定

依據(jù)美國環(huán)境保護(hù)署(United States Environmental Protection Agency; USEPA) 對(duì)多環(huán)芳烴的分類,本文檢測了16種優(yōu)先控制多環(huán)芳烴有機(jī)污染物,包括萘naphthalene (Nap),苊烯acenaphthylene (Acy),苊acenaphthene (Ace),芴fluorene (Flu),菲phenanthrene (Phe),蒽anthracene (Ant),熒蒽fluoranthene (Fla),芘pyrene (Pyr),苯并[a]蒽benzo(a)anthracene (BaA),屈c(diǎn)hrysene (Chr),苯并[b]熒蒽benzo(b)fluoranthene (BbF),苯并[k]熒蒽benzo(k)fluoranthene (BkF),苯并[a]芘benzo(a)pyrene (BaP),茚并[1,2,3-cd]芘indeno(1,2,3-cd)pyrene (InP),苯并[g,h,i]苝benzo(g,h,i)perylene (BgP)和二苯并[a,h]蒽dibenz(a,h)anthracene (DaC)。本文采用Agilent 公司開發(fā)的分散固相萃取技術(shù)(QuEChERS)提取和凈化土壤樣品中的多環(huán)芳烴[21]。該方法使用了兩種快速檢測試劑盒QuEChERS Extraction Kit (5982-5755CH) 和QuEChERS Dispersive Solid Phase Extraction (dSPE) Kit (5982-5158)。提取質(zhì)量控制包括空白樣品,重復(fù)樣及加標(biāo)回收率。多環(huán)芳烴含量測定采用氣相色譜-質(zhì)譜分析法(Gas Chromatography-Mass Spectrometry; GC-MS)[21]。具體步驟如下：

(1) 土壤樣品前處理：從樣地采集回來的土壤樣品經(jīng)風(fēng)干(室溫下2 d),撿除石子、植物根莖等雜質(zhì)?；旌暇鶆?過10目篩(2 mm),裝入棕色密閉玻璃樣品瓶,置于-20℃冰箱避光中保存。待測定時(shí),將樣品進(jìn)一步研磨,并過100目篩。

(2) 樣品的提取與凈化(QuEChERS)：準(zhǔn)確稱取5.00 g土壤樣品于50 mL離心管中。加入2.00 mL KOH飽和的甲醇溶液,渦旋均勻,靜置10 min。加入5.00 g無水Na2SO4和8.00 mL 1∶1配置的丙酮-正己烷試劑(Extraction Kit 5982-5755CH),渦旋混勻。超聲波提取10 min (30℃)。3500 r/min下離心3 min。取上清液2.00 mL,加入到已提前放入0.20 g的無水MgSO4、0.50 g的硅膠和0.20 g正丙基乙二胺 (PSA) 的離心管中(Dispersive Solid Phase Extraction Kit 5982-5158)。渦旋2 min。最后將樣品離心管在3500 r/min轉(zhuǎn)速下離心3 min。取上清液儲(chǔ)存在2.00 mL自動(dòng)進(jìn)樣器的棕色樣品瓶中 (PTFE襯底蓋),置于-20℃冰箱中保存待測。

(3) 樣品檢測：多環(huán)芳烴的檢測采用氣相色譜-質(zhì)譜分析法 (Gas Chromatography-Mass Spectrometry; GC-MS)[21]。具體檢測過程中,氣相色譜條件控制為：高純氦氣載氣、1.00 mL/min柱流速、290℃進(jìn)樣口溫度、80℃保持2 min,以12℃/min的速率升溫至200℃,保持0 min,以4℃/min的速率升溫至280℃,保持0 min,再以10·min-1的速率升溫至290℃,保持7 min的柱溫程序、1.00 μL不分流的進(jìn)樣量；質(zhì)譜條件控制為：230℃離子源溫度、150℃四級(jí)桿溫度；280℃色譜-質(zhì)譜接口溫度、EI離子化方式和70 eV電離能量。數(shù)據(jù)采集模式為離子監(jiān)測。檢測過程中,多環(huán)芳烴根據(jù)保留時(shí)間和質(zhì)量與電荷的比值(質(zhì)荷比；m/z)進(jìn)行分類。16種多環(huán)芳烴的濃度采用外標(biāo)法讀取。16種多環(huán)芳烴具體測定條件及待測物保留時(shí)間參見Zhao和Zhai[21]。

(4) 質(zhì)量控制：外標(biāo)法標(biāo)準(zhǔn)曲線使用多環(huán)芳烴標(biāo)準(zhǔn)品SS EPA 610 PAH Mix(4S8743,Sigma-Aldrich,America)。原始標(biāo)樣采用正己烷稀釋,濃度跨越2個(gè)數(shù)量級(jí),包括8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)曲線的決定系數(shù)為0.98—1.00。16種多環(huán)芳烴的檢出限范圍在0.70—1.90 μg/kg。QuEChERS提取土壤樣品中多環(huán)芳烴的效果采用加標(biāo)回收率評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)選用艾比湖濕地自然保護(hù)區(qū)土壤為投加PAHs的載體,設(shè)置空白(CK)及高(H)、低(L)PAHs濃度兩組,每組各3個(gè)重復(fù)。土壤樣品加標(biāo)處理后,經(jīng)老化處理24 h再用于提取。高、低濃度下,16種多環(huán)芳烴的加標(biāo)回收率范圍在64.2%—91.7%。平行樣的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)小于7.00%?？瞻讓?shí)驗(yàn)過程中均未觀測到多環(huán)芳烴。

1.4 生物非生物環(huán)境因子的測定

土壤酶活性被認(rèn)為是一種有效評(píng)價(jià)土壤功能的參數(shù)。研究表明,脫氫酶、過氧化氫酶和脲酶分別緊密聯(lián)系的土壤中微生物的代謝活動(dòng)、土壤中環(huán)境脅迫和土壤中氮循環(huán)動(dòng)態(tài),因而在以往研究中這三種酶的活性通常用來評(píng)估和監(jiān)測土壤多環(huán)芳烴污染的修復(fù)[23]。本文中,脫氫酶、過氧化氫酶和脲酶的活性分別采用TTC-TPF比色法、KMnO4滴定法和靛酚藍(lán)比色法進(jìn)行測定[22]。

在土壤微生物功能多樣性分析實(shí)驗(yàn)之前,為防止溫度快速升高造成的細(xì)胞熱休克和分解。冰箱-18℃冷凍土壤樣本解凍3天,解凍時(shí)溫度逐日增加(第一天為-10℃,第2天為-5℃,第3天為4℃)。待解凍土壤樣品過100目篩后,使用Biolog-ECO生態(tài)板(Biolog Inc. Hayward, CA, USA)方法測量土壤微生物的功能多樣性。Biolog-ECO生態(tài)板包含31種不同的碳源,每種碳源在每塊平板上重復(fù)3次。Biolog-ECO生態(tài)板接種液的制備采用Classen等人的方法[24]。土壤樣品接種至生態(tài)板后,在30℃恒溫箱中培養(yǎng),隨后,分別在培養(yǎng)的1、2、3、4、5、6、7天和8天,采用Benchmark Plus微孔板讀數(shù)器(Bio-Rad, Hercules, USA)測定吸光值,測定波長為590 nm。從Biolog-ECO生態(tài)板上獲得吸光度值,利用公式1—4計(jì)算平均顏色變化率(Averages of well color development; AWCD)、Shannon-Wiener 指數(shù)和McIntosh均勻度指數(shù)。式中,Ci為各反應(yīng)孔在590 nm下的光密度值,R為對(duì)照孔A1的光密度值。待AWCD值計(jì)算結(jié)束之后,本文利用董立國等的方法[25],篩選144 h(微生物群落活性的穩(wěn)定點(diǎn))為土壤微生物功能多樣性最穩(wěn)定的培養(yǎng)時(shí)間。后續(xù)分析中所利用的微生物功能多樣性均為培養(yǎng)144 h時(shí)的數(shù)值。具體篩選過程見圖1。

AWCD=[∑(Ci-R)]/31

(1)

Pi=(Ci-R)/∑(Ci-R)

(2)

H=-∑(Pi×lnPi)

(3)

(4)

圖1 施氮梯度上土壤微生物群落平均顏色變化率隨培養(yǎng)時(shí)間的變化Fig.1 Variances in averages of well color development (AWCD) of four treatments of nitrogen fertilization along the incubation time 施氮共4個(gè)處理：CK,N1,N2 和N3。它們施氮量分別為0,10,30 kg N hm-2 a-1和 90 kg N hm-2 a-1;數(shù)據(jù)為Mean±SE

1.5 數(shù)據(jù)分析

在測得16種優(yōu)先控制多環(huán)芳烴含量的基礎(chǔ)上,依據(jù)多環(huán)芳烴結(jié)構(gòu),按分子量將多環(huán)芳烴分為低分子量(Low molecular weight PAHs; LMW PAHs)(i.e., 2-and 3-ring PAHs)和高分子量(Heavy molecular weight PAHs; HMW PAHs)(i.e., 4-, 5-, and 6-ring PAHs)共二類多環(huán)芳烴[3-4]。前人研究證明,LMW PAHs主要是自然界地質(zhì)學(xué)過程中產(chǎn)生的碳?xì)浠衔?Petrogenic source：原油、燒料油以及精煉油)；相反,HMW PAHs主要是化石燃料熱解以及炭基材料不完全燃燒的產(chǎn)物(Pyrogenic source)[4,26]。因此,LMW/HMW可以用來評(píng)估多環(huán)芳烴的可能來源。即：LMW/HMW>1.00表明環(huán)境中多環(huán)芳烴主要來自石油污染物,而LMW/HMW<1.00表示土壤中多環(huán)芳烴主要是碳?xì)浠衔餆峤饣蛱炕牧喜煌耆紵漠a(chǎn)物[4,26]。除此之外,多環(huán)芳烴異構(gòu)體的比值,比如Fla/(Fla+Pyr)也被廣泛用于區(qū)分環(huán)境中多環(huán)芳烴的來源[26]。即：Fla/(Fla+Pyr)<0.40,環(huán)境中PAHs主要來源于典型石油污染物；0.400.50,環(huán)境中PAHs主要來源于傳統(tǒng)生物物質(zhì)(比如草、木材和煤炭)的燃燒產(chǎn)物[3,26]。本文中,為分析克拉瑪依市干旱荒漠草地內(nèi)土壤多環(huán)芳烴的來源,利用16種優(yōu)先控制多環(huán)芳烴的含量,計(jì)算了LMW/HMW和Fla/(Fla+Pyr)的數(shù)值。

對(duì)照樣地CK在本文中未添加氮素,因而,多環(huán)芳烴和生物非生物環(huán)境因子在施氮實(shí)驗(yàn)處理前后的差異,可以揭示在植物生長季內(nèi)(4—9月),當(dāng)?shù)囟喹h(huán)芳烴年沉降量、以及荒漠草本植物對(duì)16種多環(huán)芳烴降解和生物非生物環(huán)境因子的影響。在此情況下,本文中利用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn) (Independent samplet-test) 分析了對(duì)照樣地中16種多環(huán)芳烴、多環(huán)芳烴總量和生物非生物環(huán)境因子在4月(施氮前)和9月(施氮后)的差別。t檢驗(yàn)過程中,施氮前后數(shù)據(jù)的方差齊性采用Levene F方法用F統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行檢驗(yàn)。方差齊性采用自由度為n1+n2-2的t檢驗(yàn)(n1和n2分別為施氮前后數(shù)據(jù)的采集個(gè)數(shù)),相反,方差不齊性采用修正自由度的t檢驗(yàn)。此外,利用單因素方差分析(One-way ANOVA)分析多環(huán)芳烴和生物非生物環(huán)境因子在施氮梯度上的變化。方差分析中,不同處理間(i.e., CK, N1, N2和N3)方差齊性采用Tukey HSD進(jìn)行檢驗(yàn)；相反,方差不齊性采用Tamhane′s T3 檢驗(yàn)。多環(huán)芳烴與生物非生物環(huán)境因子之間的關(guān)系采用廣義線性混合效應(yīng)模型 (Generalized linear mixed model; GLMM)進(jìn)行檢驗(yàn)。模型回歸中,為消除施肥施加梯度造成的隨機(jī)影響,將施氮量作為隨機(jī)變量,將生物非生物環(huán)境因子作為固定變量。所有數(shù)據(jù)分析過程均在R 3.1.1中完成[27],所有圖均在Origin 8.0中完成。GLMM 使用“l(fā)me4”程序包[28]。所有統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的顯著性P<0.05。

2 結(jié)果分析

2.1 克拉瑪依市荒漠草地上多環(huán)芳烴來源分析及沉降量估算

對(duì)照樣地在施氮前后,LMW/HMW的數(shù)值均>1.00；Fla/(Fla+Pyr)的數(shù)值在0.40—0.50之間(表1)。這說明克拉瑪依市荒漠草地土壤中的多環(huán)芳烴主要來源為原油及其精煉的石油產(chǎn)品。施氮后對(duì)照樣地土壤中多環(huán)芳烴總量(∑PAHs)和14種多環(huán)芳烴的含量均顯著高于施氮前(P<0.05)(表1)。兩種多環(huán)芳烴(Acy和Ace)在本文中均未檢測到其數(shù)值。

在對(duì)照樣地,施氮后的電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)、總氮、脫氫酶、過氧化氫酶、McIntosh均勻度指數(shù)、平均顏色變化率AWCD和Shannon-Wiener指數(shù)顯著高于施氮前(P<0.05)；相反,脲酶、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和速效磷在施氮前顯著高于施氮后(P<0.05)；土壤含水量和pH在施氮前后未有顯著差別(P>0.05)(表1)。

表1 4月和9月對(duì)照樣地中多環(huán)芳烴含量及生物非生物環(huán)境因子的比較

Table 1 Differences in polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), and biotic and abiotic factors between prior and later nitrogen fertilization in an unfertilized control plots (CK)

類型Types名稱Names4月 April9 月 SeptemberMean±SE最大值Maximum最小值MaximumMean±SE最大值Maximum最小值MaximumFTP多環(huán)芳烴萘Nap0.28±0.09B0.510.174.31±2.25A7.222.83197.48-10.26<0.01PAHs (mg/kg)芴Flu0.04±0.01B0.050.030.56±0.02A0.580.5516.01-125.37<0.01菲Phe0.12±0.16B0.940.062.12±0.26A2.29 1.822.61-19.62<0.01蒽Ant0.09±0.02B0.140.0613.38±0.21A13.5713.1557.27-370.39<0.01熒蒽Fla0.02±0.01B0.050.010.43±0.04A0.470.4019.70-45.98<0.01芘Pyr0.03±0.01B0.050.011.11±0.16A1.30 0.99120.69-41.19<0.01苯并[a]蒽BaA0.02±0.01B0.040.010.21±0.02A0.23 0.195.34-38.19<0.01屈Chr0.02±0.01B0.040.010.18±0.01A0.19 0.170.03-3.06<0.01苯并[b]熒蒽BbF0.05±0.01B0.070.033.23±0.33A3.572.9054.00-61.57<0.01苯并[k]熒蒽BkF0.12±0.05B0.190.021.98±0.83A2.861.1957.73-13.46<0.01苯并[a]芘BaP0.02±0.01B0.060.020.25±0.09A0.360.20123.01-15.90<0.01茚并[1,2,3-cd]芘InP0.03±0.01B0.050.020.37±0.00A0.380.371.27-107.07<0.01二苯并[a,h]蒽DaC0.04±0.03B0.190.030.29±0.01A0.30 0.280.01-14.95<0.01苯并[g,h,i]苝BgP0.04±0.01B0.070.030.48±0.02A0.51 0.477.23-83.31<0.01多環(huán)芳烴總量∑PAHs0.88±0.22B1.730.6328.91±2.32A31.4927.0080.51-73.77<0.01多環(huán)芳烴來源Source assignment of PAHs低分子量多環(huán)芳羥/高分子量多環(huán)芳烴 Low mo-lecular weight PAHs (LOW)/Heavy molecular weight PAHs (HMW)1.41±0.451.42±0.51Fla/(Fla+Pyr)0.40±0.080.38±0.09環(huán)境因子土壤含水量/%12.53±2.53A17.329.0510.40±0.05A10.4410.3418.372.030.05Environmental factorspH8.25±0.11A8.418.048.24±0.05A8.328.204.190.310.75電導(dǎo)率EC/(mS/cm)4.52±0.43B5.354.065.71±0.47A6.38 5.127.2717.68<0.01有機(jī)質(zhì)/(g/kg)8.64±2.91B14.455.1612.89±1.25A14.8711.027.31-3.47<0.01速效磷/(mg/kg)20.75±5.04A29.4410.2217.57±1.61B20.81 16.547.611.52<0.05總氮/(g/kg)23.19±3.28B29.6218.4028.05±1.86A30.8725.592.88-3.40<0.01銨態(tài)氮/(mg/kg)36.74±11.97A63.6214.6724.52±1.91B26.54 21.237.992.46<0.05硝態(tài)氮/(mg/kg)3.91±1.34A7.561.532.94±0.78B4.002.130.941.70<0.05土壤酶活性脫氫酶/(mg/L)0.22±0.09B0.460.084.62±1.07A5.94 3.2964.17-22.62<0.01Soil enzymic activites過氧化氫酶/(mg/L)0.28±0.10B0.600.120.50±0.06A0.590.411.62-5.01<0.01脲酶/(mg/L)2.28±0.44A2.891.261.53±0.18B1.751.264.514.09<0.01土壤微生物多樣性平均顏色變化率AWCD7.90±2.30B13.963.4514.67±2.15A16.9210.390.16-11.16<0.01Soil microbial Shannon-Wiener 指數(shù)2.27±0.27B2.921.332.75±0.11A2.89 2.556.48-6.81<0.01functional diversityMcIntosh均勻度指數(shù)1.42±0.92B4.930.543.29±0.72A4.36 2.100.02-7.48<0.01

同行Mean±SE 后不同大寫字母表示施氮前后對(duì)照樣地上相應(yīng)數(shù)值有顯著性差別,相反,相同大寫字母表示未有顯著性差別;F,TandP為獨(dú)立樣本T 檢驗(yàn)的結(jié)果;Low molecular weight (LMW) PAHs為4環(huán)以內(nèi)多環(huán)芳烴,heavy molecular weight (HMW) PAHs為4環(huán)以上多環(huán)芳烴;Nap, Flu, Phe, Ant, Fla, Pyr, BaA, Chr, BbF, BkF, BaP, InP, DaC和BgP 分別是萘Naphthalene, 芴Fluorene, 菲Phenanthrene, 蒽Anthracene, 熒蒽Fluoranthene, 芘Pyrene, 苯并[a]蒽Benzo[a]anthracene, 屈Chrysene, 苯并[b]熒蒽Benzo[b]fluoranthene, 苯并[k]熒蒽Benzo[k]fluoranthene, 苯并[a]芘Benzo[a]pyrene, 茚并[1,2,3-cd]芘Indeno[1,2,3-cd]pyrene, 二苯并[a,h]蒽Dibenzo[a,h]anthracene和苯并[g,h,i]苝Benzo[g,h,i]perylene的縮寫;Acy和Ace分別是苊烯Acenaphthylene和苊Acenaphthene的縮寫,由于這兩種多環(huán)芳烴實(shí)驗(yàn)中未檢測到,故在表中不做展示

2.2 施氮梯度上多環(huán)芳烴的變化

在克拉瑪依市荒漠草地上,多環(huán)芳烴總量(∑PAHs) 隨施氮量增加顯著性減小(N2≤N3

圖2 施氮梯度上多環(huán)芳烴總量和不同類型多環(huán)芳烴含量的差別Fig.2 Variations in total amount of polycyclic aromatic hydrocarbons (∑PAHs) and different types of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) among the amount of nitrogen fertilizations施氮共4個(gè)處理：CK,N1,N2 和N3。它們施氮量分別為0,10,30 kg N hm-2 a-1和 90 kg N hm-2 a-1。Acenaphthylene(Acy)和Acenaphthene(Ace)兩種多環(huán)芳烴實(shí)驗(yàn)中未檢測到,故未在圖中展示。不同大寫字母表示施氮梯度上相應(yīng)∑PAHs有顯著性差別,相反,相同大寫字母表示未有顯著性差別。 F和P 為單因素方差分析的結(jié)果。數(shù)據(jù)為Mean±SE

2.3 施氮梯度上生物非生物環(huán)境因子的變化

pH、銨態(tài)氮、脫氫酶、土壤微生物群落平均顏色變化率(AWCD)、Shannon-Wiener 指數(shù)和McIntosh均勻度指數(shù)隨施氮量增加,其值顯著增加(N3≥N2≥N1≥CK)(P<0.05)(表2)。相反,土壤含水量、有機(jī)質(zhì)、速效磷、總氮和脲酶活性在施氮梯度上,隨施氮量增加顯著降低(P<0.05),表現(xiàn)為在N2值最低,N3次之,N1和CK最高(N2≤N30.05)(表2)。

2.4 廣義線性混合效應(yīng)模型中多環(huán)芳烴與生物非生物因子之間的關(guān)系

廣義線性混合效應(yīng)模型的回歸結(jié)果中,∑PAHs 和pH、有機(jī)質(zhì)、速效磷、總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、過氧化氫酶和脲酶的活性、McIntosh均勻度指數(shù)之間有顯著的回歸關(guān)系(R2=0.98, AIC=246.00,P<0.05)(表3和表4)。相反,16種多環(huán)芳烴與生物非生物環(huán)境因子之間的關(guān)系較為復(fù)雜,沒有一致的回歸關(guān)系。具體概括如下：銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有機(jī)質(zhì)、總氮、有效磷和脲酶是影響上述幾種類型多環(huán)芳烴含量變化的最主要因素,其分別能解釋上述16種多環(huán)芳烴中11種(Phe, Ant, Fla, Pyr, BaA, Chr, BbF, BkF, BaP, DaC, BgP),10種(Nap, Ant, Fla, BaA, Chr, BbF, BkF, BaP, DaC, BgP),12種 (Nap, Flu, Ant, Fla, Pyr, BaA, Chr, BkF, BaP, InP, DaC, BgP),9種 (Nap, Flu, Phe, Ant, Fla, BbF, BkF, BaP, DaC),9 種(Nap, Flu, Fla, Pyr, BaA, BbF, BaP, InP, DaC)和 9種 (Phe, Ant, Fla, Pyr, BaA, Chr, BaP, DaC, BgP)(P<0.05)(表3和表4)。土壤含水量、pH、電導(dǎo)率、平均顏色變化率(AWCD)、香濃-維納豐富度指數(shù)(H)、過氧化氫酶、脫氫酶和McIntosh均勻度指數(shù)(U)解釋個(gè)數(shù)最少,約5—7種(表3和表4)。

3 討論

3.1 克拉瑪依市荒漠草地土壤中多環(huán)芳烴的儲(chǔ)量及來源

克拉瑪依市作為我國重要的石油石化基地和新型工業(yè)化城市,它是世界石油石化產(chǎn)業(yè)的一個(gè)聚集區(qū),具有油氣資源勘探開發(fā)、石油工程技術(shù)服務(wù)、油氣集輸和煉油化工為一體的完整的石化工業(yè)體系。近年,隨國家石油戰(zhàn)略儲(chǔ)備庫、稠油加工及配套項(xiàng)目和千萬噸煉油擴(kuò)建項(xiàng)目的投產(chǎn),克拉瑪依目前是北半球儲(chǔ)存石油量最多,生產(chǎn)石油產(chǎn)品最為豐富的一個(gè)地區(qū)。本文中我們發(fā)現(xiàn),克拉瑪依荒漠草地土壤中的多環(huán)芳烴主要來源為原油及其精煉的石油產(chǎn)品,主要以石油及其精煉產(chǎn)品在運(yùn)輸、裝卸和生產(chǎn)過程中泄漏和排放的碳?xì)浠衔锘衔餅橹?屬于石油污染。這一結(jié)果與當(dāng)?shù)厥鞘褪氐墓I(yè)屬性完全符合,也與張俊葉等對(duì)新疆的研究結(jié)果一致[29]。

表2 施氮梯度上生物和非生物環(huán)境因子的變化

同行Mean±SE后不同大寫字母表示施氮梯度上相應(yīng)數(shù)值有顯著性差別,相反,相同大寫字母表示未有顯著性差別;F和P-values 為單因素方差分析的結(jié)果

本文中,對(duì)照樣地中未添加氮肥,多環(huán)芳烴含量變化可間接表征植物生長季節(jié)內(nèi)(5—9月)多環(huán)芳烴在土壤的沉降量。本文結(jié)果顯示,∑PAHs、LMW PAHs和HMW PAHs的含量在9月份分別為(28.91±2.32)、(21.90±2.38) mg/kg和(8.67±0.66) mg/kg。目前國內(nèi)對(duì)土壤中多環(huán)芳烴污染未有分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),國際上通行的標(biāo)準(zhǔn)通常只以∑PAHs為計(jì)算依據(jù),對(duì)不同環(huán)數(shù)和分子量均沒有定義[7,30-31]?；诖?本文采用Maliszewska-Kordybach建議的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[7],評(píng)價(jià)了克拉瑪依市荒漠草地中多環(huán)芳烴的污染水平。該評(píng)價(jià)方法將土壤中多環(huán)芳烴的污染劃分為以下4類：∑PAHs<200.00g/kg,無污染土壤；200.00<∑PAHs<600.00g/kg,輕微污染土壤；600.00<∑PAHs<1000.00g/kg,污染土壤；∑PAHs>1000.00g/kg,重污染土壤?？死斠朗谢哪莸赝寥乐?月份∑PAHs>1000.00g/kg,屬于多環(huán)芳烴重污染土壤。相比國內(nèi)的長江三角洲地區(qū)農(nóng)田、閩江沿岸土壤、山東省農(nóng)田和北京綠地土壤等[8,32-35],本文得出∑PAHs 量較高,但該值也在張俊葉等人調(diào)查的全國∑PAHs范圍內(nèi)[29]。此外,在9月份,對(duì)照樣地土壤中的∑PAHs、LMW PAHs和HMW PAHs的含量均顯著高于施氮前。相較4月份,它們值分別增加了32、42和23倍,日均沉降量[(Y2-Y2)/((9-4)月30天); Y2和Y1分別為9月和4月的測定值]分別為0.19、0.06 mg kg-1d-1和0.04 mg kg-1d-1。這些數(shù)值相較其他地區(qū),克拉瑪依市的多環(huán)芳烴沉降量較高[30-31,35]。但在另一方面,4和9月之間差異較大,也可能與植物根系分泌物的解析作用有關(guān)[5,36]。多環(huán)芳烴的疏水和親脂的特性讓其結(jié)合在土壤顆粒的表面,運(yùn)用方法提取和檢測時(shí)很難將土壤中全部多環(huán)芳烴解析出來。本文采用QuEChERS方法,屬于多環(huán)芳烴的提取方法中效果偏低的一種。它測定的值往往低于土壤多環(huán)芳烴的實(shí)際值。植物根際效應(yīng)通過有機(jī)物置換和生物酶的催化作用,一定程度上能將土壤中顆粒表面緊密吸附的多環(huán)芳烴激活,讓其溶解在土壤中。因此,在9月份測定的多環(huán)芳烴除原土壤溶解能夠被提取多環(huán)芳烴外,還包括植物根系效應(yīng)重新解析出來的部分。相反,在4月份,土壤中測定值僅是土壤中溶解的多環(huán)芳烴,其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于9月份的土壤。在這種情況下,9月測試得到多環(huán)芳烴值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于4月。這一過程也可以通過對(duì)照樣地中生物非生物環(huán)境因子在施氮前后的變化進(jìn)行佐證。本文中,對(duì)照樣地的生物非生物環(huán)境因子在施氮前后均存在顯著性差別(P>0.05)。這表明植物根系作用可以改變土壤環(huán)境,可能影響多環(huán)芳烴的解析量。

表3 廣義線性混合效應(yīng)模型中多環(huán)芳烴與生物非生物環(huán)境因子的回歸參數(shù)

GLMMs中,生物非生物環(huán)境因子為固定效應(yīng),施氮量為隨機(jī)效應(yīng)。AIC：赤池信息量Akaike information criterion,R2和P-value 均為GLMMs的回歸參數(shù)。Acy：苊烯Acenaphthylene和Ace：苊Acenaphthene兩種多環(huán)芳烴實(shí)驗(yàn)中未檢測到

表4 廣義線性混合效應(yīng)模型中多環(huán)芳烴與生物非生物環(huán)境因子的回歸估計(jì)值

Table 4 Estimated Parameters of generalized liner mixed models(GLMMs)for variability of polycyclic aromatic hydrocarbons(PAHs)induced by the biotic and abiotic factors

Polycyclic aromatic hydrocarbons/(mg/kg)GLMMs 中固定效應(yīng)因子的參數(shù)估計(jì)值Estimated Parameters of fixed factor in GLMMs截距和它的標(biāo)準(zhǔn)誤Intercept and it′ standard error (SE)截距SE環(huán)境因子 Environmental factors土壤酶活性 Soil enzymic activites土壤微生物多樣性 Soil microbial functional diversity土壤含水量/%pH電導(dǎo)率EC/(mS/cm)有機(jī)質(zhì)/(g/kg)速效磷/(mg/kg)總氮/(g/kg)銨態(tài)氮/(mg/kg)硝態(tài)氮/(mg/kg)脫氫酶/(mg/L)過氧化氫酶/(mg/L)脲酶/(mg/L)平均顏色變化率AWCDShannon-wiener 指數(shù)McIntosh均勻度指數(shù)biSEbiSEbiSEbiSEbiSEbiSEbiSEbiSEbiSEbiSEbiSEbiSEbiSEBiSE萘Nap-23.7737.1911.593.36-10.922.710.040.35-0.160.090.100.04-0.110.070.010.060.860.170.180.09-5.842.460.360.97-0.030.07-1.780.990.330.12芴Flu1.413.230.370.26-0.590.23-0.030.030.010.00-0.010.000.020.010.000.000.020.01-0.040.00-0.060.220.130.06-0.010.01-0.070.110.000.01菲Phe-10.3611.522.261.04-1.590.850.090.11-0.010.03-0.020.01-0.040.020.030.020.010.050.020.03-0.870.771.290.290.010.02-0.170.31-0.060.03蒽Ant-46.2415.793.641.411.341.110.610.140.390.03-0.020.02-0.220.070.090.03-0.220.07-0.080.04-2.111.00-1.780.41-0.030.031.110.400.040.05熒蒽Fla2.240.86-0.110.08-0.090.06-0.010.00-0.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.020.06-0.030.020.000.00-0.060.020.000.00芘Pyr10.145.21-1.140.470.050.370.030.05-0.030.010.010.000.010.010.050.01-0.010.02-0.020.01-0.210.340.270.130.000.01-0.270.130.020.02苯并[a]蒽BaA-1.190.670.020.060.100.050.030.010.010.000.000.00-0.000.000.010.00-0.020.00-0.000.00-0.0010.04-0.070.020.000.00-0.030.020.010.00屈Chr-0.010.46-0.080.040.090.030.030.000.010.00-0.000.00-0.000.000.000.00-0.010.00-0.000.0010.010.03-0.030.010.000.00-0.010.010.000.00苯并[b]熒蒽BbF-5.874.77-0.740.431.550.34-0.050.040.000.01-0.010.010.040.010.010.01-0.130.02-0.030.011.270.310.040.13-0.010.010.320.12-0.030.02苯并[k]熒蒽BkF-44.8510.843.270.980.90078-0.220.10-0.050.03-0.000.010.090.020.080.02-0.100.050.010.032.510.71-0.350.28-0.020.020.430.280.020.04苯并[a]芘BaP-8.811.990.640.160.220.140.070.020.030.00-0.000.00-0.010.000.010.00-0.020.01-0.000.00-0.360.130.080.040020.000.080.07-0.020.01茚并[1,2,3-cd]芘InP0.290.420.020.03-0.030.030.000.000.000.00-0.000.000.000.000.000.00-0.000.00-0.010.010.100.03-0.010.010.000.000.000.010.010.00二苯并[a,h]蒽DaC0520.230.050.02-0.070.02-0.000.000.000.000.000.00-0.000.000.000.000.000.000.000.00-0.130.02-0.010.010.000.00-0.010.01-0.000.00苯并[g,h,i]苝BgP-0.100.310.070.040.040.040.030.040.060.01-0.010.01-0.000.000.020.00-0.070.03-0.020.006-0.030.030.020.02-0.000.000.020.010.000.00多環(huán)芳烴總量Total amount of Polycyclic aromatic hydrocarbons (∑PAHs)-104.2537.6817.643.37-9.132.670.640.350.190.090.070.04-0.310.070.340.060.420.160.100.09-5.452.40-0.500.99-0.050.07-0.340.960.330.12

GLMMs中,生物非生物環(huán)境因子為固定效應(yīng),施氮量為隨機(jī)效應(yīng)。bi和SE分別為廣義線性混合效應(yīng)模型各因子對(duì)應(yīng)的回歸系數(shù)和回歸系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)誤,比如,土壤含水量下面的bi和SE分別為廣義線性混合效應(yīng)模型中土壤含水量的回歸系數(shù)(Regression coefficient)和回歸系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)誤(Standard error of the regression coefficient; SE)。苊烯Acenaphthylene(Acy)和苊Acenaphthene(Ace)兩種多環(huán)芳烴實(shí)驗(yàn)中未檢測到

3.2 氮素添加對(duì)多環(huán)芳烴降解的影響

氮是植物根系和微生物的代謝過程中必不可少的元素[10,12]?；钚缘吭陉懙赝寥乐性黾涌梢蕴岣呱锖头巧镞^程的多環(huán)芳烴降解速率[12]。本文中,除Acy和Ace在4個(gè)施氮梯度上均未測得其含量外,∑PAHs和其余14種優(yōu)先控制多環(huán)芳烴的含量隨施氮量增加顯著減小,均在N2施氮處理(30 kg N hm-2a-1)最低。這表明,適當(dāng)?shù)卦黾涌梢蕴岣呋哪菰寥乐械亩喹h(huán)芳烴降解速率,但當(dāng)?shù)卦黾映^一定的范圍時(shí),氮素增加開始限制多環(huán)芳烴的降解。這可能是因?yàn)槎喹h(huán)芳烴降解在土壤中是一個(gè)復(fù)雜的過程,其可能是可用氮素含量、植物根系和微生物的代謝關(guān)系綜合作用的結(jié)果。多環(huán)芳烴在土壤中降解主要包括3個(gè)途徑：根系轉(zhuǎn)移、微生物降解和有機(jī)質(zhì)的固著吸附。適量氮素添加至土壤之后,(1) 加快了根際土壤中各種形式氮素的周轉(zhuǎn)速率[37],促進(jìn)植物根部對(duì)氮素和多環(huán)芳烴的吸收[13]；(2) 植物根系活性提高后,它將分泌更多有機(jī)化合物進(jìn)入土壤。土壤中降解多環(huán)芳烴的微生物主要是細(xì)菌和真菌,他們的活性和多樣性對(duì)外界有機(jī)碳輸入非常敏感[23,38]。根系分泌物增加明顯能增加土壤中真菌和細(xì)菌的數(shù)量和多樣性,加速多環(huán)芳烴的降解[39]；(3) 植物根部可吸收氮素增加后,可以有效提高植物的生物量和代謝速率,植物將給土壤中輸入更多有機(jī)質(zhì)[13]。土壤有機(jī)質(zhì)的吸附和固著作用減少了土壤中多環(huán)芳烴含量。綜上,適量氮添加后,多環(huán)芳烴含量在氮添加梯度上顯著下降。相反,過量的氮添加對(duì)植物根部產(chǎn)生營養(yǎng)過剩的逆環(huán)境,抑制植物生長和根系分泌物的釋放,從而在根際土中產(chǎn)生累加效應(yīng)[11,17],使得本文結(jié)果中∑PAHs和14種多環(huán)芳烴含量的最小值均在N2處理中。在氮素添加背景下,以上這3個(gè)多環(huán)芳烴生物與非生物降解的過程也可以通過生物非生物因子在氮素添加梯度上的變化得到證實(shí)。本文中,土壤含水量、pH、有機(jī)質(zhì)、速效磷、總氮銨態(tài)氮、土壤微生物群落平均顏色變化率、Shannon-Wiener 指數(shù)、McIntosh均勻度、脫氫酶和脲酶的均在氮素添加梯度上存在差別。

另外,本文結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同種類多環(huán)芳烴對(duì)氮添加的響應(yīng)不同,說明植物根系分泌物對(duì)多環(huán)芳烴的解析和促降解兩種作用的抵消過程可能在不同類型之間存在差別。正文前文所述,植物根際效應(yīng)通過有機(jī)物置換和生物酶的催化作用,能夠?qū)⑼寥乐蓄w粒表面緊密吸附的多環(huán)芳烴激活,讓其重新解析在土壤中,增加土壤中多環(huán)芳烴含量。相反,根際分泌物增加了土壤中有機(jī)質(zhì)含量和微生物活性,又能夠促進(jìn)多環(huán)芳烴降解,減少其含量[12-13,40]?！芇AHs和8種多環(huán)芳烴(Nap、Flu、Phe、Ant、Pyr、BbF、BkF和InP)含量在CK>N1>N3≥N2,說明在N素增加的刺激下,在4個(gè)N添加梯度上,根系分泌物對(duì)∑PAHs和這8種多環(huán)芳烴解的促進(jìn)作用大于解析作用。相反,Fla、BaA、Chr、BaP、DaC和BgP在N1上值顯著大于N2和N3(P<0.05)。這說明在N素增加刺激下,在N1梯度上,根系分泌物對(duì)這6種多環(huán)芳烴的解析作用大于促降解作用。

3.3 多環(huán)芳烴降解與生物非生物因子之間的關(guān)系

廣義線性混合效應(yīng)模型的回歸結(jié)果中,有機(jī)質(zhì)、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總氮、有效磷和脲酶活性是影響∑PAHs和14種優(yōu)先控制多環(huán)芳烴含量在干旱區(qū)荒漠草地土壤中變化的最主要因素。除此之外,生物非生物因子與上述14種多環(huán)芳烴的回歸關(guān)系各不一樣,較為復(fù)雜。這說明,克拉瑪依市荒漠草地土壤中多環(huán)芳烴的降解過程是一個(gè)十分復(fù)雜的過程,除在共性上主要受到有機(jī)質(zhì)、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總氮、有效磷和脲酶活性的影響外,其降解效果不僅關(guān)聯(lián)著其他環(huán)境因子,還可以與自身的特性有關(guān)[5,12-13,36]。這一結(jié)論可以通過廣義線性混合效應(yīng)模型的另外一個(gè)結(jié)果得到證實(shí)。本研究,低環(huán)芳烴與生物非生物環(huán)境因子之間的顯著回歸關(guān)系數(shù)明顯多于高環(huán)。這從另外一方面說明,低環(huán)數(shù)和分子量較低的多環(huán)芳烴,其降解過程較容易受到環(huán)境中生物非生物因子的影響,輕弱的環(huán)境因子變化就可以促進(jìn)它的降解過程。相反,高環(huán)數(shù)和分子量較高的多環(huán)芳烴,在土壤中十分穩(wěn)定,其降解過程不易受到環(huán)境的影響。

在眾多引起多環(huán)芳烴含量變化的因素之中,有機(jī)質(zhì)、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總氮、有效磷和脲酶活性影響種類最多。這可能是因?yàn)?干旱區(qū)荒漠草地是一個(gè)氮限制的系統(tǒng)[17],氮缺乏會(huì)抑制微生物和植物的生長。氮添加可以改善土壤中營養(yǎng)元素儲(chǔ)存狀態(tài)和數(shù)量,可以刺激土著微生物和植物根際微生物之間的相互作用[9-10],增加利用不同氮儲(chǔ)存類型降解菌的數(shù)量、促進(jìn)微生物的生長和活性的增強(qiáng)[12,37],從而提高土壤中多環(huán)芳烴降解能力[1,12],使得多環(huán)芳烴含量與銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總氮之間存在顯著的回歸關(guān)系。另外,氮添加能改善土壤營養(yǎng)條件,它們通過刺激根部生長,提高土壤中營養(yǎng)利用效率,加強(qiáng)有機(jī)酸和碳水化合物等可溶性物質(zhì)從根部滲出,為微生物的生長和活性的提高提供可利用碳源[12,41]。在這種情況下,土壤中酶和微生物的代謝活性顯著增加。因此,多環(huán)芳烴含量與有機(jī)質(zhì)、有效磷、反映氮素轉(zhuǎn)化過程的脲酶活性之間存在顯著的回歸關(guān)系。

4 結(jié)論

研究結(jié)果表明,克拉瑪依市石油工業(yè)園區(qū)附近荒漠草地土壤中的LMW/HMW>1且Fla/(Fla+Pyr)在0.40—0.50之間。這說明當(dāng)?shù)囟喹h(huán)芳烴主要為原油及其精煉的石油產(chǎn)品,它主要來源于石油及其精煉產(chǎn)品的運(yùn)輸、裝卸和生產(chǎn)過程中的泄漏和排放。當(dāng)?shù)赝寥乐小芇AHs含量為(28.91±2.32) mg/kg,其值遠(yuǎn)高于Maliszewska-Kordybach分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中重污染數(shù)值(∑PAHs>1000.00g/kg),克拉瑪依市荒漠草地土壤存在多環(huán)芳烴重污染。在氮素添加量增加的梯度上,∑PAHs和14種優(yōu)先控制多環(huán)芳烴含量顯著降低(P<0.05),說明氮素添加能有效減小干旱區(qū)荒漠草地土壤中多環(huán)芳烴的含量。在GLMMs結(jié)果中,有機(jī)質(zhì)、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總氮、有效磷和脲酶活性與多環(huán)芳烴含量之間顯著相關(guān)的種對(duì)數(shù)最多,生物非生物因子與多環(huán)芳烴的回歸關(guān)系在不同種類多環(huán)芳烴間差異較大。這些都說明土壤中的多環(huán)芳烴降解是一個(gè)十分復(fù)雜的過程,它是自身屬性、根系活性和微生物群落多樣性三者之間綜合作用的結(jié)果。干旱區(qū)荒漠草地作為一個(gè)典型氮素限制生態(tài)系統(tǒng),氮添加可以改善土壤中營養(yǎng)元素儲(chǔ)存狀態(tài)和數(shù)量,加速氮素的周轉(zhuǎn)速率,刺激土著微生物和植物根際微生物之間的相互作用,促進(jìn)微生物的生長和活性的增強(qiáng),從而提高土壤中多環(huán)芳烴降解能力。該研究有助于了解干旱區(qū)荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)中氮沉降與多環(huán)芳烴降解之間關(guān)系,豐富全球變化理論,并提出解決多環(huán)芳烴污染的管理對(duì)策。