柴油污染土壤對(duì)布頓大麥生殖生長(zhǎng)的影響

韓丹，陳水紅

（塔里木盆地生物資源保護(hù)利用兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/塔里木大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

多環(huán)芳烴(PAHs)是一類2個(gè)或2個(gè)以上苯環(huán)且具“三致”性的持久性有機(jī)污染物。研究表明，居民燃煤、垃圾焚化和石油精煉等工業(yè)活動(dòng)是PAHs的主要來(lái)源。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年有近6×105t柴油進(jìn)入環(huán)境，截至2010年底，我國(guó)受柴油污染的土壤達(dá)5×106hm2，且仍在增長(zhǎng)［1］。土壤 PAHs污染不僅影響土壤生態(tài)系統(tǒng)的健康，而且間接影響人類的身體健康。目前，治理有機(jī)污染土壤的方法主要有物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)等，其中生物修復(fù)技術(shù)因?yàn)榫哂谐杀镜?、無(wú)二次污染、可大面積應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)而備受重視［2,3］。生物修復(fù)中的植物修復(fù)是近些年發(fā)展起來(lái)的一種綠色、環(huán)保、成本低的土壤修復(fù)技術(shù)，且成為目前環(huán)境保護(hù)和農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域中的熱點(diǎn)和前沿方向［4］。近年來(lái)，在有機(jī)污染土壤修復(fù)過(guò)程中，已報(bào)道的利用牧草修復(fù)PAHs污染土壤效果有早熟禾(PoaannuaL.)［5］、黑麥草(LoliumperenneL.)［6,7］,油菜(Brassicana?pusL.)?紫花苜蓿(MedicagosativaL.)［8］、巴拉草(Bra?chiariamutica(Forsk.)Stapf)?穇子(Eleusinecoracana(L.)Gaertn)［9］、玉米(ZeamaysL.)?黑麥草(Loliumpe?renneL.)?白三葉草(TrifoliumrepensL.)［10］、黑麥草(Lo?liumperenneL.)?白三葉草(TrifoliumrepensL.)?芹菜(ApiumgraveolensL.)［11］等。

布頓大麥（Hordeumbogdanii）在新疆、甘肅、青海、內(nèi)蒙古等地區(qū)均有分布［12,13］。適應(yīng)性強(qiáng)，產(chǎn)草量高，草質(zhì)柔軟、細(xì)嫩，營(yíng)養(yǎng)豐富，適口性好，具有較強(qiáng)的抗寒、耐澇及抗鹽堿的性能，是一種重要的野生種質(zhì)資源［14,15］。至今未見(jiàn)布頓大麥在柴油污染土壤中生長(zhǎng)情況的報(bào)道，是否有清除土壤柴油污染的作用也未知。因此，本研究擬對(duì)布頓大麥在人工模擬的柴油污染土壤中的生殖生長(zhǎng)的影響規(guī)律，測(cè)定分蘗數(shù)、種子產(chǎn)量、小穗數(shù)量等指標(biāo)，為布頓大麥能否作為生物修復(fù)草提供理論依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 材料

供試植物種子：來(lái)源于甘肅省張掖市臨澤縣的布頓大麥種子。

供試土壤：采自新疆塔里木大學(xué)校園實(shí)驗(yàn)地表層土壤(0～20 cm)，剔除植物根系、石礫等雜物，過(guò)2 mm孔徑不銹鋼篩，與市售滅菌營(yíng)養(yǎng)土1:1混勻。

供試污染物：市售0號(hào)柴油（主要成分是鏈烷、環(huán)烷或芳烴：飽和烷烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65.16%～77.85%，其中C13～C22的直鏈正構(gòu)烷烴為44.50%～56.39%，其余為異構(gòu)烷和取代環(huán)烷烴等；芳香烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.82%～21.39%［16］。）

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將0號(hào)柴油和風(fēng)干后的實(shí)驗(yàn)土壤按以下4個(gè)濃度混合為5 g/kg、10 g/kg、20 g/kg、30 g/kg，邊噴柴油邊充分拌勻，放置48 h使土壤和柴油濃度相對(duì)穩(wěn)定后再次混合均勻。然后將所制備的污染土壤分裝到花盆中（花盆上口直徑23 cm、下底面直徑18 cm、高21 cm），每盆底部放深3 cm的花托。以不加柴油的實(shí)驗(yàn)土壤為對(duì)照土壤。溫室條件下盆栽種植布頓大麥草，測(cè)定分蘗數(shù)、地上干重、種子產(chǎn)量、小穗數(shù)量，計(jì)算收獲系數(shù)。分析柴油污染下布頓大麥的生殖生長(zhǎng)情況。

1.3 試驗(yàn)方法

將布頓大麥種子4℃冰箱春化一周后，用75%的乙醇表面殺菌1 min后，無(wú)菌水洗4次后放于培養(yǎng)皿中加無(wú)菌水發(fā)芽，發(fā)芽7 d后移栽生長(zhǎng)發(fā)育良好且高度一致的布頓大麥幼苗到供試土壤的花盆里，每盆4株苗，并將盆放于溫室大棚中。大棚溫度為白天25±2℃，夜間16±2℃ ，每天14 h光照，10 h黑暗。每盆定期定量澆水,以水不溢出花盆托為最多澆水量，每周每盆澆300 ml hoagland營(yíng)養(yǎng)液，每個(gè)處理水平重復(fù)4次，以未進(jìn)行柴油污染的試驗(yàn)土壤中生長(zhǎng)的布頓大麥作為對(duì)照(CK)。第一茬試驗(yàn)生長(zhǎng)期為4月至7月，刈割后第二茬生長(zhǎng)期為8月至11月。相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定方法如下：

分蘗數(shù)：在準(zhǔn)備收獲種子前，對(duì)全部參試植株統(tǒng)計(jì)分蘗數(shù)。

地上干重：收獲種子后，收獲地上植株，置于烘箱中105℃殺青20 min后，80℃烘干至恒重后稱其重量。

小穗數(shù)量：統(tǒng)計(jì)每顆布頓大麥在收獲時(shí)的小穗數(shù)量。

種子產(chǎn)量：將種子全部收獲，烘干后用天平稱重。

收獲系數(shù)(HI)：用已經(jīng)記錄的種子產(chǎn)量(GY)除以地上干重(AGB)計(jì)算。(收獲系數(shù)公式HI=GY/AGB)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel計(jì)算和作圖，不同濃度分蘗數(shù)、生物量、種子產(chǎn)量和小穗數(shù)量用SPSS 19進(jìn)行單因素方差分析，相同處理在第一茬和第二茬之間的比較用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)(Duncan 檢驗(yàn)，P＜0.05和P＜0.01)。

2 結(jié)果與分析

2.1 柴油污染對(duì)布頓大麥分蘗數(shù)的影響

柴油污染土壤中，布頓大麥第一茬和第二茬分蘗數(shù)都顯著低于未污染的處理（圖1）。5 g/kg柴油污染處理，布頓大麥第一茬的分蘗數(shù)降低了30.5%；10 g/kg、20 g/kg和30 g/kg的分蘗數(shù)差異不顯著；柴油污染的土壤對(duì)布頓大麥第二茬分蘗數(shù)仍然有抑制作用，但5 g/kg柴油污染與對(duì)照差異不顯著。

圖1 布頓大麥在柴油污染土壤中第一茬和第二茬分蘗數(shù)

2.2 柴油污染對(duì)布頓大麥地上干重的影響

柴油污染的土壤，布頓大麥第一茬和第二茬地上干重都低于未污染的處理（圖2），5 g/kg柴油污染處理，第一茬和第二茬地上干重都顯著低于對(duì)照，第一茬地上干重在10 g/kg,20 g/kg和30 g/kg處理之間差異不顯著，第二茬20 g/kg和30 g/kg處理之間差異不顯著。柴油污染土壤處理布頓大麥第一茬和第二茬地上干重均呈降低趨勢(shì)。

圖2 布頓大麥在柴油污染土壤中第一茬和第二茬地上干重

2.3 柴油污染對(duì)布頓大麥種子產(chǎn)量和小穗數(shù)的影響

柴油污染處理中布頓大麥第一茬和第二茬種子產(chǎn)量均比對(duì)照低（圖3），在5 g/kg柴油污染處理，第一茬和第二茬布頓大麥種子產(chǎn)量均低于對(duì)照，但第一茬與對(duì)照差異不顯著。隨柴油污染濃度增加，種子產(chǎn)量呈降低趨勢(shì)。柴油污染處理中第一茬和第二茬小穗數(shù)量均比對(duì)照低（圖4），第一茬小穗數(shù)量隨處理濃度增加呈遞減趨勢(shì)，通過(guò)回歸分析，種子產(chǎn)量和小穗數(shù)量與柴油污染濃度呈極顯著負(fù)相關(guān)（相關(guān)系數(shù)分別為?0.957，?0.913）。柴油污染對(duì)布頓大麥第二茬小穗數(shù)量仍有顯著抑制作用；抑制趨勢(shì)與第一茬相似，柴油污染濃度與種子產(chǎn)量和小穗數(shù)量也呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)（相關(guān)系數(shù)分別為?0.923，?0.931）。柴油污染處理布頓大麥第二茬種子產(chǎn)量和小穗數(shù)量高于第一茬，第一茬、第二茬種子產(chǎn)量和小穗數(shù)量與對(duì)照差異均不顯著。與分蘗數(shù)和鮮重相比，布頓大麥種子產(chǎn)量和小穗數(shù)量對(duì)柴油污染更敏感。

圖3 布頓大麥在柴油污染土壤中第一茬和第二茬種子產(chǎn)量

圖4 布頓大麥在柴油污染土壤中第一茬和第二茬小穗數(shù)量

2.4 柴油污染對(duì)布頓大麥?zhǔn)斋@系數(shù)的影響

柴油污染處理下，布頓大麥第一茬收獲系數(shù)在20 g/kg和30 g/kg處理顯著低于對(duì)照（圖5），第二茬的收獲系數(shù)為4個(gè)柴油處理濃度的收獲系數(shù)與對(duì)照無(wú)顯著差異。對(duì)比分析第一茬和第二茬柴油污染土壤布頓大麥的收獲系數(shù)發(fā)現(xiàn)，在濃度為5 g/kg時(shí)，雖然差異不顯著但兩茬收獲系數(shù)都高于對(duì)照，而在10 g/kg、20 g/kg和30 g/kg處理之間，隨著濃度的增加，第一茬布頓大麥?zhǔn)斋@系數(shù)呈遞減的趨勢(shì)，第二茬則無(wú)顯著差異。

圖5 布頓大麥在柴油污染土壤中第一茬和第二茬收獲系數(shù)

2.5 兩茬數(shù)據(jù)對(duì)比分析

5 g/kg和10 g/kg柴油污染處理，布頓大麥第二茬分蘗數(shù)極顯著高于第一茬（P＜0.01），對(duì)照也顯著（P＜0.05）高于第一茬的分蘗數(shù)（表1）。30 g/kg柴油污染處理，第二茬種子產(chǎn)量極顯著高于第一茬；5 g/kg和30 g/kg處理小穗數(shù)量第二茬極顯著高于第一茬的（P＜0.01），10 g/kg柴油污染處理小穗數(shù)量第二茬顯著高于第一茬的（P＜0.05）。對(duì)照和5 g/kg處理地上干重第一茬顯著高低第二茬。在10 g/kg和30 g/kg柴油處理第二茬收獲系數(shù)顯著高于第一茬。

表1 兩茬分蘗數(shù)、地上干重、種子產(chǎn)量、小穗數(shù)量、收獲系數(shù)差異比較

3 結(jié)論與討論

通過(guò)在室內(nèi)人工模擬柴油污染土壤中種植布頓大麥，并在一年內(nèi)收獲了兩茬種子，試驗(yàn)結(jié)果顯示，柴油污染的土壤顯著抑制了布頓大麥的分蘗數(shù)、地上干重、種子產(chǎn)量和小穗數(shù)量。對(duì)比分析以上指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，除了干草產(chǎn)量是第二茬低于第一茬的，其余指標(biāo)都出現(xiàn)了柴油污染處理第二茬高于第一茬的。

植物去除PAHs的修復(fù)機(jī)制主要包括通過(guò)根釋放化合物刺激土壤微生物活性和代謝途徑促進(jìn)生物降解；植物直接吸收和新陳代謝；由根表面和親脂性根系分泌物使根際中多環(huán)芳烴吸附或動(dòng)員［17］。本試驗(yàn)的柴油污染土壤中，布頓大麥第一茬和第二茬分蘗數(shù)都低于未污染的處理，第二茬布頓大麥分蘗數(shù)在5 g/kg和10 g/kg處理和對(duì)照中極顯著高于第一茬的。在第一茬5 g/kg處理的分蘗數(shù)顯著低于未污染的處理，而第二茬其分蘗數(shù)與對(duì)照差異不顯著。植物可以通過(guò)對(duì)有機(jī)污染物的直接吸收，改善土壤條件、增強(qiáng)土壤透氣性而提高降解效率［8,18］。GAO Y等［19］他們證明了植物促進(jìn)了生物降解是增加了在污染土壤中芘的流失率（＞99.7%）。PAHs污染土壤中植物修復(fù)吸收是次要的。這兩種途徑都是多物種混合顯著增加土壤中多環(huán)芳烴的損失，而影響植物對(duì)PAHs的吸收率的是植物種類［20］。對(duì)布頓大麥在柴油污染土壤中具體的修復(fù)作用機(jī)制還需要進(jìn)一步試驗(yàn)。是因?yàn)椴碱D大麥通過(guò)吸收污染物逐漸修復(fù)柴油污染的土壤；還是由于布頓大麥促進(jìn)了土壤中污染物的分解和流失，而導(dǎo)致本實(shí)驗(yàn)第二生長(zhǎng)期的5 g/kg和10 g/kg處理分蘗數(shù)表現(xiàn)比第一生長(zhǎng)期的多。由于分蘗數(shù)的增多而使這兩個(gè)處理在第二茬小穗數(shù)量顯著高于第一茬的。

燕麥（AvenasativaL.）、紫花苜蓿（MedicagosativaL.）、新麥草（Psathyrostachysjuncea(Fisch.)Nevski）、無(wú)芒雀麥（BromusinermiidLeyss）等均屬于可再生牧草，在刈割后，第二茬草產(chǎn)量低于第一茬草產(chǎn)量［11,21］。而布頓大麥也屬于可再生的多年生禾草，一年內(nèi)能夠多次刈割，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果也得到與前人相同的結(jié)果第一茬產(chǎn)量高于第二茬產(chǎn)量。

隨著土壤柴油污染濃度的增高，早熟禾（Poaan?nuaL.）干重出現(xiàn)明顯降低的趨勢(shì)，因?yàn)橥寥啦裼臀廴靖淖兞送寥拉h(huán)境與結(jié)構(gòu)，阻礙了植株根系對(duì)元素及養(yǎng)分的吸收，嚴(yán)重抑制了早熟禾的生長(zhǎng)發(fā)育［5］。本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果為柴油污染土壤中生長(zhǎng)的布頓大麥的分蘗數(shù)，干草產(chǎn)量和種子產(chǎn)量均低于對(duì)照，柴油污染嚴(yán)重抑制了布頓大麥的這幾個(gè)指標(biāo)，與他們的研究結(jié)果一致。

植物修復(fù)基于植物與微生物的相互作用。許多研究表明,微生物降解是去除PAHs的主要途徑,其他生物修復(fù)技術(shù)也都離不開(kāi)微生物的作用。根系分泌物為根際微生物提供能源，從而改變了微生物的群落結(jié)構(gòu)［22?23］。微生物也能改變根系分泌物的組成，分泌植物促生物質(zhì)并影響土壤理化性質(zhì)［24,25］。PAHs降解菌可分為土著菌、外來(lái)菌和基因工程菌。而前人研究發(fā)現(xiàn)，布頓大麥其體內(nèi)天然攜帶內(nèi)生真菌［26］，布頓大麥對(duì)柴油污染土壤的修復(fù)作用，是否與其體內(nèi)的內(nèi)生真菌相關(guān)，還需要進(jìn)一步探索。也有必要研究PAHs代謝產(chǎn)物的演變，以更好地了解PAHs如何被降解。