柴油污染土壤对布顿大麦生殖生长的影响

韩丹，陈水红

（塔里木盆地生物资源保护利用兵团重点实验室/塔里木大学生命科学学院，新疆 阿拉尔 843300）

多环芳烃(PAHs)是一类2个或2个以上苯环且具“三致”性的持久性有机污染物。研究表明，居民燃煤、垃圾焚化和石油精炼等工业活动是PAHs的主要来源。据不完全统计，我国每年有近6×105t柴油进入环境，截至2010年底，我国受柴油污染的土壤达5×106hm2，且仍在增长［1］。土壤 PAHs污染不仅影响土壤生态系统的健康，而且间接影响人类的身体健康。目前，治理有机污染土壤的方法主要有物理修复、化学修复和生物修复等，其中生物修复技术因为具有成本低、无二次污染、可大面积应用等优点而备受重视［2,3］。生物修复中的植物修复是近些年发展起来的一种绿色、环保、成本低的土壤修复技术，且成为目前环境保护和农业科学领域中的热点和前沿方向［4］。近年来，在有机污染土壤修复过程中，已报道的利用牧草修复PAHs污染土壤效果有早熟禾(PoaannuaL.)［5］、黑麦草(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.)−黑麦草(Loliumpe⁃renneL.)−白三叶草(TrifoliumrepensL.)［10］、黑麦草(Lo⁃liumperenneL.)−白三叶草(TrifoliumrepensL.)−芹菜(ApiumgraveolensL.)［11］等。

布顿大麦（Hordeumbogdanii）在新疆、甘肃、青海、内蒙古等地区均有分布［12,13］。适应性强，产草量高，草质柔软、细嫩，营养丰富，适口性好，具有较强的抗寒、耐涝及抗盐碱的性能，是一种重要的野生种质资源［14,15］。至今未见布顿大麦在柴油污染土壤中生长情况的报道，是否有清除土壤柴油污染的作用也未知。因此，本研究拟对布顿大麦在人工模拟的柴油污染土壤中的生殖生长的影响规律，测定分蘖数、种子产量、小穗数量等指标，为布顿大麦能否作为生物修复草提供理论依据和参考。

1 材料与方法

1.1 材料

供试植物种子：来源于甘肃省张掖市临泽县的布顿大麦种子。

供试土壤：采自新疆塔里木大学校园实验地表层土壤(0～20 cm)，剔除植物根系、石砾等杂物，过2 mm孔径不锈钢筛，与市售灭菌营养土1:1混匀。

供试污染物：市售0号柴油（主要成分是链烷、环烷或芳烃：饱和烷烃质量分数为65.16%～77.85%，其中C13～C22的直链正构烷烃为44.50%～56.39%，其余为异构烷和取代环烷烃等；芳香烃质量分数为5.82%～21.39%［16］。）

1.2 试验设计

将0号柴油和风干后的实验土壤按以下4个浓度混合为5 g/kg、10 g/kg、20 g/kg、30 g/kg，边喷柴油边充分拌匀，放置48 h使土壤和柴油浓度相对稳定后再次混合均匀。然后将所制备的污染土壤分装到花盆中（花盆上口直径23 cm、下底面直径18 cm、高21 cm），每盆底部放深3 cm的花托。以不加柴油的实验土壤为对照土壤。温室条件下盆栽种植布顿大麦草，测定分蘖数、地上干重、种子产量、小穗数量，计算收获系数。分析柴油污染下布顿大麦的生殖生长情况。

1.3 试验方法

将布顿大麦种子4℃冰箱春化一周后，用75%的乙醇表面杀菌1 min后，无菌水洗4次后放于培养皿中加无菌水发芽，发芽7 d后移栽生长发育良好且高度一致的布顿大麦幼苗到供试土壤的花盆里，每盆4株苗，并将盆放于温室大棚中。大棚温度为白天25±2℃，夜间16±2℃ ，每天14 h光照，10 h黑暗。每盆定期定量浇水,以水不溢出花盆托为最多浇水量，每周每盆浇300 ml hoagland营养液，每个处理水平重复4次，以未进行柴油污染的试验土壤中生长的布顿大麦作为对照(CK)。第一茬试验生长期为4月至7月，刈割后第二茬生长期为8月至11月。相关指标的测定方法如下：

分蘖数：在准备收获种子前，对全部参试植株统计分蘖数。

地上干重：收获种子后，收获地上植株，置于烘箱中105℃杀青20 min后，80℃烘干至恒重后称其重量。

小穗数量：统计每颗布顿大麦在收获时的小穗数量。

种子产量：将种子全部收获，烘干后用天平称重。

收获系数(HI)：用已经记录的种子产量(GY)除以地上干重(AGB)计算。(收获系数公式HI=GY/AGB)。

1.4 数据处理

采用Excel计算和作图，不同浓度分蘖数、生物量、种子产量和小穗数量用SPSS 19进行单因素方差分析，相同处理在第一茬和第二茬之间的比较用独立样本T检验(Duncan 检验，P＜0.05和P＜0.01)。

2 结果与分析

2.1 柴油污染对布顿大麦分蘖数的影响

柴油污染土壤中，布顿大麦第一茬和第二茬分蘖数都显著低于未污染的处理（图1）。5 g/kg柴油污染处理，布顿大麦第一茬的分蘖数降低了30.5%；10 g/kg、20 g/kg和30 g/kg的分蘖数差异不显著；柴油污染的土壤对布顿大麦第二茬分蘖数仍然有抑制作用，但5 g/kg柴油污染与对照差异不显著。

图1 布顿大麦在柴油污染土壤中第一茬和第二茬分蘖数

2.2 柴油污染对布顿大麦地上干重的影响

柴油污染的土壤，布顿大麦第一茬和第二茬地上干重都低于未污染的处理（图2），5 g/kg柴油污染处理，第一茬和第二茬地上干重都显著低于对照，第一茬地上干重在10 g/kg,20 g/kg和30 g/kg处理之间差异不显著，第二茬20 g/kg和30 g/kg处理之间差异不显著。柴油污染土壤处理布顿大麦第一茬和第二茬地上干重均呈降低趋势。

图2 布顿大麦在柴油污染土壤中第一茬和第二茬地上干重

2.3 柴油污染对布顿大麦种子产量和小穗数的影响

柴油污染处理中布顿大麦第一茬和第二茬种子产量均比对照低（图3），在5 g/kg柴油污染处理，第一茬和第二茬布顿大麦种子产量均低于对照，但第一茬与对照差异不显著。随柴油污染浓度增加，种子产量呈降低趋势。柴油污染处理中第一茬和第二茬小穗数量均比对照低（图4），第一茬小穗数量随处理浓度增加呈递减趋势，通过回归分析，种子产量和小穗数量与柴油污染浓度呈极显著负相关（相关系数分别为−0.957，−0.913）。柴油污染对布顿大麦第二茬小穗数量仍有显著抑制作用；抑制趋势与第一茬相似，柴油污染浓度与种子产量和小穗数量也呈现极显著负相关（相关系数分别为−0.923，−0.931）。柴油污染处理布顿大麦第二茬种子产量和小穗数量高于第一茬，第一茬、第二茬种子产量和小穗数量与对照差异均不显著。与分蘖数和鲜重相比，布顿大麦种子产量和小穗数量对柴油污染更敏感。

图3 布顿大麦在柴油污染土壤中第一茬和第二茬种子产量

图4 布顿大麦在柴油污染土壤中第一茬和第二茬小穗数量

2.4 柴油污染对布顿大麦收获系数的影响

柴油污染处理下，布顿大麦第一茬收获系数在20 g/kg和30 g/kg处理显著低于对照（图5），第二茬的收获系数为4个柴油处理浓度的收获系数与对照无显著差异。对比分析第一茬和第二茬柴油污染土壤布顿大麦的收获系数发现，在浓度为5 g/kg时，虽然差异不显著但两茬收获系数都高于对照，而在10 g/kg、20 g/kg和30 g/kg处理之间，随着浓度的增加，第一茬布顿大麦收获系数呈递减的趋势，第二茬则无显著差异。

图5 布顿大麦在柴油污染土壤中第一茬和第二茬收获系数

2.5 两茬数据对比分析

5 g/kg和10 g/kg柴油污染处理，布顿大麦第二茬分蘖数极显著高于第一茬（P＜0.01），对照也显著（P＜0.05）高于第一茬的分蘖数（表1）。30 g/kg柴油污染处理，第二茬种子产量极显著高于第一茬；5 g/kg和30 g/kg处理小穗数量第二茬极显著高于第一茬的（P＜0.01），10 g/kg柴油污染处理小穗数量第二茬显著高于第一茬的（P＜0.05）。对照和5 g/kg处理地上干重第一茬显著高低第二茬。在10 g/kg和30 g/kg柴油处理第二茬收获系数显著高于第一茬。

表1 两茬分蘖数、地上干重、种子产量、小穗数量、收获系数差异比较

3 结论与讨论

通过在室内人工模拟柴油污染土壤中种植布顿大麦，并在一年内收获了两茬种子，试验结果显示，柴油污染的土壤显著抑制了布顿大麦的分蘖数、地上干重、种子产量和小穗数量。对比分析以上指标发现，除了干草产量是第二茬低于第一茬的，其余指标都出现了柴油污染处理第二茬高于第一茬的。

植物去除PAHs的修复机制主要包括通过根释放化合物刺激土壤微生物活性和代谢途径促进生物降解；植物直接吸收和新陈代谢；由根表面和亲脂性根系分泌物使根际中多环芳烃吸附或动员［17］。本试验的柴油污染土壤中，布顿大麦第一茬和第二茬分蘖数都低于未污染的处理，第二茬布顿大麦分蘖数在5 g/kg和10 g/kg处理和对照中极显著高于第一茬的。在第一茬5 g/kg处理的分蘖数显著低于未污染的处理，而第二茬其分蘖数与对照差异不显著。植物可以通过对有机污染物的直接吸收，改善土壤条件、增强土壤透气性而提高降解效率［8,18］。GAO Y等［19］他们证明了植物促进了生物降解是增加了在污染土壤中芘的流失率（＞99.7%）。PAHs污染土壤中植物修复吸收是次要的。这两种途径都是多物种混合显著增加土壤中多环芳烃的损失，而影响植物对PAHs的吸收率的是植物种类［20］。对布顿大麦在柴油污染土壤中具体的修复作用机制还需要进一步试验。是因为布顿大麦通过吸收污染物逐渐修复柴油污染的土壤；还是由于布顿大麦促进了土壤中污染物的分解和流失，而导致本实验第二生长期的5 g/kg和10 g/kg处理分蘖数表现比第一生长期的多。由于分蘖数的增多而使这两个处理在第二茬小穗数量显著高于第一茬的。

燕麦（AvenasativaL.）、紫花苜蓿（MedicagosativaL.）、新麦草（Psathyrostachysjuncea(Fisch.)Nevski）、无芒雀麦（BromusinermiidLeyss）等均属于可再生牧草，在刈割后，第二茬草产量低于第一茬草产量［11,21］。而布顿大麦也属于可再生的多年生禾草，一年内能够多次刈割，本实验结果也得到与前人相同的结果第一茬产量高于第二茬产量。

随着土壤柴油污染浓度的增高，早熟禾（Poaan⁃nuaL.）干重出现明显降低的趋势，因为土壤柴油污染改变了土壤环境与结构，阻碍了植株根系对元素及养分的吸收，严重抑制了早熟禾的生长发育［5］。本实验的结果为柴油污染土壤中生长的布顿大麦的分蘖数，干草产量和种子产量均低于对照，柴油污染严重抑制了布顿大麦的这几个指标，与他们的研究结果一致。

植物修复基于植物与微生物的相互作用。许多研究表明,微生物降解是去除PAHs的主要途径,其他生物修复技术也都离不开微生物的作用。根系分泌物为根际微生物提供能源，从而改变了微生物的群落结构［22−23］。微生物也能改变根系分泌物的组成，分泌植物促生物质并影响土壤理化性质［24,25］。PAHs降解菌可分为土著菌、外来菌和基因工程菌。而前人研究发现，布顿大麦其体内天然携带内生真菌［26］，布顿大麦对柴油污染土壤的修复作用，是否与其体内的内生真菌相关，还需要进一步探索。也有必要研究PAHs代谢产物的演变，以更好地了解PAHs如何被降解。