2014, Vol. 
陕北作为中国重要的能源基地，石油探明储量已达11亿t. 在长期勘探开采、 储运炼制过程中，由于操作不当、 事故泄漏及钻井液影响，石油烃类污染已造成严重的土壤环境破坏[1, 2, 3]. 陕北油井井场土壤普遍存在原油污染[4]，原油堵塞土壤孔隙、 使土壤结构破坏、 生物多样性降低，特别是多环芳烃的致癌致畸性会随食物链影响人体健康，因此污染土壤的修复迫在眉睫.
原油开采区土壤污染的修复技术研究已经成为当今环保领域新热点[5, 6, 7]. 植物修复(phytoremediation)技术是以植物忍耐和超积累特定污染物的理论为基础，利用植物及共存微生物体系对环境污染物质进行清除、 分解、 吸收或吸附，使土壤环境重新得以恢复的新兴应用技术[8]，因为成本低、 无二次污染等优点备受青睐[9,10]. 植物修复在降解污染物的同时也增加植被覆盖、 控制风沙水蚀、 改善生态环境及野生生物繁衍生境，并给人以美的享受. 由于其所具有的巨大发展潜力，植物修复技术需要系统化应用性的研究.
针对具体的地域环境，筛选出最佳的土壤类别-适生植物-耐油污力的组合，是植物修复技术的前期基础工作，也是决定未来修复效果的核心技术. 石油烃具有的生态毒性会使强致癌物质随农作物采收进入食物链并传播，修复植物的选用因而需要更为慎重，寻找耐油污的花卉、 牧草等植物作为新的修复介质一直是研究的热点[11, 12, 13]. 选择修复植物必须坚持“适生”的原则，将乡土物种应用于退化生态系统修复，并利用植被的演替而渐次削弱土壤的生态毒性应是一个良好的思路，针对陕北区域特征，进行适生乡土植物原油耐受力的筛选研究尚鲜见报道. 陕北黄土高原属生态脆弱区，气候干旱少雨，寒暑温差显著，土壤瘠薄，植被分布因而有其独特的地域性. 豆科植物因为耐阴寒、 干旱、 瘠薄，根系发达且适应性强，成为陕北地区野外分布的优势种群. 本研究针对陕北地区油井周边优势植物种类，选取6种豆科乡土植物沙打旺(Astragalus adsurgens)、 紫花苜蓿(Medicago sativa)、 红三叶草(Trifolium pratense)、 柠条(Caragana korshinskii)、 胡枝子(Lespedeza bicolor)和刺槐(Robinia pseudoacacia)作为供试植物[14]，就植物对原油污染物的耐受力差异性进行了研究，采用混油法盆栽试验，分设0、 5 000、 10 000、 20 000、 40 000 mg ·kg-1 这5个不同的原油污染浓度，分析它们对土壤理化性质的改变，对植物出苗率、 株高、 植物干重、 叶绿素含量和枯萎率的影响，并进行相关性分析. 旨在筛选出最佳土壤类别-适生植物-耐油污能力的组合，为后期深入研究其原油污染的降解力，利用乡土物种的生命力和适生性降低修复成本，增加陕北油污土壤修复效果提供科学依据.
试验用植物种子均采自野外. 原油污染物取自延长石油集团七里村采油厂. 供试土壤取自延安市宝塔区杨家岭后山黄绵土. 土壤样品风干后压碎成细小颗粒过2 mm筛，再同细沙以3 ∶1的比例混匀，待用. 供试花盆的规格为直径20 cm，深20 cm，每盆定值20粒种子.
用1 ∶1水浸提液测定土壤pH，土壤总有机碳含量用德国Elementar总有机碳测定仪(Vario TOC Select)测定，土壤速效氮用碱解扩散法，土壤速效磷采用碳酸氢钠-钼锑抗比色法测定[15]，土壤脲酶采用靛酚比色法测定[16]，以每h每g土壤中NH+4-N的毫克数表示.
2012年4月进行盆栽试验，采用混油法设0、 5 000、 10 000、 20 000、 40 000 mg ·kg-1共5个处理浓度，每种浓度设3组重复. 每盆装3 ∶1的沙土混合物1 kg，共90盆. 用石油醚按1 ∶1溶解原油并施入土壤，静置7 d使石油污染物与土样充分混合. 将盆放置在温度光照基本一致的地方，保持良好的光照和通风，花盆随机分组排列，并定期调换，以达到局部控制的目的. 试验于4月7号播种，每盆播20粒种子，覆土1 cm左右. 每天2次浇灌，使土壤含水率控制在25%左右. 每天观察并记录出苗率、 幼苗生长状况，并分别浓度定期测定植物株高、 枯萎率，2个月后收获测定植物叶绿素(丙酮法)和植物干重.
试验数据用Excel和SPSS 18.0进行统计分析，Excel软件制图.
为深入研究不同原油污染浓度处理对土壤理化因子的改变，及对植物生长的作用，测定了5种原油浓度中土壤的理化性质，见表1. 土壤总有机碳含量随原油浓度的增加而显著增加； 土壤速效氮含量添加原油后显著大于未添加，但不同添加浓度差异不显著； 土壤速效磷含量在原油含量≥20 000 mg ·kg-1浓度时显著高于未添加对照； 样地土壤pH 值为碱性，≥10 000 mg ·kg-1原油浓度后随原油浓度增加而显著增加； 脲酶活性添加原油后显著小于未添加土壤，并随添加浓度的增加而显著减小. 土壤电导率添加原油后大于未添加处理，20 000 mg ·kg-1和40 000 mg ·kg-1浓度时差异显著.
 | 表1 不同浓度原油污染土壤的理化性质1) Table 1 Soil factors in different concentrations of petroleum hydrocarbon |
从表2可知，植物出芽率和出芽时间受到物种本身生物学特性和原油污染的双重影响. 6种豆科植物中沙打旺、 紫花苜蓿、 红三叶草属于草本植物，胡枝子和柠条属于灌木，刺槐属于乔木. 无污染处理时，植物出芽时间为3~6 d，乔木>灌木>草本植物，可见不同受试植物本身的生物特性存在差异. 同种植物出芽时间随污染浓度增高而明显延迟，延迟期限乔木>灌木>草本植物，刺槐延迟最明显； 各浓度污染处理时，植物出芽率均为草本>灌木类>乔木，但同种植物出芽率显著受到原油污染的影响，5 000 mg ·kg-1时6种植物的发芽率均高于无污染的对照，说明低浓度原油对植物发芽有促进作用，后随原油污染浓度增高出芽率降低，40 000 mg ·kg-1高浓度污染时出芽率最低. 与无污染对照相比较6种植物出芽率分别下降为：紫花苜蓿8.3%、 胡枝子19.8%、 柠条27.4%、 沙打旺29.9%、 红三叶草33.3%、 刺槐42.2%，其中紫花苜蓿受污染影响最小，刺槐最大.
另外，沙打旺、 红三叶草、 胡枝子和柠条均在20 000 mg ·kg-1浓度处理时出现叶片枯萎，分别是21%、 32%、 14%、 7%，40 000 mg ·kg-1浓度时枯萎率分别达到28%、 46%、 19%、 10%； 紫花苜蓿40 000 mg ·kg-1浓度时有叶片枯萎9%，刺槐未见枯萎.
| 表2 不同浓度原油污染土壤植物出芽率及出芽时间 Table 2 Germination rate and germination time of tested seeds in different concentrations of petroleum pollution |
图 1分析可知，植物株高、 干重和叶绿素含量均受到原油污染显著影响，紫花苜蓿和柠条的株高在5 000 mg ·kg-1处理时略高于无污染对照，后随污染浓度加大而逐渐减小. 沙打旺、 三叶草、 胡枝子和刺槐的株高均受到原油污染显著影响，且随污染浓度加大而降低. 6种植物株高在40 000 mg ·kg-1处理时与无污染对照相比，降低量依次为：红三叶草68.8%、 刺槐41.5%、 柠条39.2%、 胡枝子35.5%、 沙打旺21.6%、 紫花苜蓿25.0%. 显著抑制植物株高的原油浓度值随物种而不同，沙打旺出现在5 000 mg ·kg-1，刺槐在10 000 mg ·kg-1,柠条在20 000 mg ·kg-1.
紫花苜蓿和柠条的干重在5 000 mg ·kg-1处理时略高于无污染对照，后随污染浓度加大而逐渐减小. 沙打旺、 红三叶草、 胡枝子和刺槐的干重在污染处理时都小于无污染对照，且随污染浓度加大而减小. 6种植物干重在40 000 mg ·kg-1处理时与无污染对照相比，减小量依次为：红三叶草70.1%、 沙打旺52.0%、 紫花苜蓿40.5%、 刺槐38.9%、 胡枝子为31.5%、 柠条30.4%.
6种植物的叶绿素含量首先随物种而有差异，乔木>灌木>草本. 红三叶草叶绿素含量随原油污染浓度加大无一定规律，其它植物在5 000 mg ·kg-1处理时与无污染对照基本持平，后随污染浓度加大而逐渐增加，40 000 mg ·kg-1处理浓度时达到最大值，与植物株高与干重表现出相反的趋势.
 | 图 1 不同原油污染浓度植物的生长指标
Fig.1 Index of tested plant in different concentrations of petroleum pollution
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表3中植物生长与土壤因子相关性分析表明，植物出芽率首先随物种不同而有差异，与物种大小呈极显著负相关，草本最易萌芽，乔木最难. 同种植物出芽率则与原油污染浓度显著负相关. 植物出芽时间受到原油污染显著影响，随土壤总有机碳、 速效氮、 速效磷、 pH及电导率的增加而显著延长，只与脲酶显著负相关. 植物株高和干重均与物种本身特性极显著相关，同种植物则与原油污染浓度显著负相关. 叶绿素含量与物种显著正相关，乔木>灌木>草本，同时与原油污染浓度显著正相关，与土壤总有机碳、 速效氮、 pH、 电导率均显著正相关，但与脲酶显著负相关. 植物枯萎率与原油浓度、 速效磷、 pH、 电导率均显著正相关，但与脲酶显著负相关.
植物的生态效应受到气候、 土壤、 水文、 污染及管理等多种因子的影响而具有多样性，本研究采用室内盆栽，严格控制生态因子差异并以原油浓度为唯一毒理条件，旨在筛选优秀的陕北适生性耐油污植物. 从6种豆科植物的出芽时间、 出芽率受原油污染影响分析，同种植物出芽时间随污染浓度增加而明显延迟，延迟期限乔木>灌木>草本植物，刺槐延迟最明显. 与无污染处理对比，出芽率下降依次为紫花苜蓿<胡枝子<柠条<沙打旺<红三叶草<刺槐. 紫花苜蓿在40 000 mg ·kg-1时出芽率下降仅8.3%，表现出较强的耐受力，种子萌发的抑制可能由于高浓度石油烃抑制了种子贮蛋白水解酶的活性，影响贮蛋白的分解进而妨碍了养分的供给[17].
植物株高和生物量是修复原油污染度的指示指标，一般认为相同时间内植物生长发育形成的生物量越大，修复效果越好. 40 000 mg ·kg-1浓度时与无 污染相比，株高变化依次为紫花苜蓿<沙打旺<胡枝子<柠条<刺槐<红三叶草，紫花苜蓿表现出较强的耐受力. 从高浓度处理时植物的枯萎率分析，草本中紫花苜蓿仅在40 000 mg ·kg-1浓度时出现9%，而刺槐无枯萎现象. 说明土壤低原油浓度污染情况下宜选用草本植物，其中紫花苜蓿综合表现较优，素有“牧草之王”称号的紫花苜蓿很受关注，研究也证明紫花苜蓿有优良的石油烃降解力[13,18].
| 表3 植物生长与土壤因子相关性分析 1) Table 3 Correlation analysis between plant growth and soil factors |
而高浓度污染时，乔木的后期生长耐受力可能更好，其潜在的优势可能表现在根系的抗环境毒理性能力方面[19]，这尚需更进一步的研究.
由原油污染所造成的土壤理化因子的改变是复杂的，黄绵土土体疏松、 软绵，有机质含量低，土壤呈碱性，透水性强[20]，但原油渗透污染易造成土壤黏结而降低其透水性. 由于原油增加了土壤中相应的碳含量，5 000 mg ·kg-1浓度污染反而表现出对植物出芽率和个别株高生长的促进，污染对植物生长的抑制作用在10 000 mg ·kg-1后才表现出来. 其抑制原因可能如下：①原油在水中的溶解度很小，高浓度污染时，原油吸附在土壤表面形成油膜，影响根系吸水，致植物生长受限. 原油污染造成的植物生理性干旱使叶片组织活力下降，出现植物叶片枯萎[21]. ②数据分析表明原油污染土壤中总有机碳的含量显著增加，土壤中碳氮比和碳磷比被显著改变，土壤pH和电导率增加，这和王小雨等[22]及王传远等[23]研究结论相一致. 原油污染改变了土壤的性质和盐离子浓度从而影响到根对营养物质的吸收，宋雪英等[19]研究证明矿物油对植物根系的毒害性更强. ③本研究表明油区土壤脲酶活性随原油污染浓度增加而显著降低，脲酶活性反映土壤有机态氮向有效态氮的转化能力和土壤无机氮的供应能力. 说明由于石油烃污染所导致的碳、 氮的增加，并不具有生物有效活性，相关性分析也表明随土壤脲酶活性降低，植物出芽时间延长，枯萎率和叶绿素含量显著增加. 蔺昕等[24]研究证明随土壤油浓度的增加，土壤中过氧化氢酶和多酚氧化酶的活性下降. 原油增加土壤黏性造成土壤板结，降低土壤通透性，抑制土壤酶的活性等都会降低植物对土壤养分的利用吸收.
植物叶绿素含量与物种显著正相关，乔木>灌木>草本. 同时叶绿素含量与原油含量极显著正相关，主要在10 000~40 000 mg ·kg-1浓度范围随原油污染增加而增加，40 000 mg ·kg-1浓度时达到最大值，与岳冰冰等[25]研究结果类似. 这一方面可能是由于原油污染增加了土壤中光合作用所需要的碳源，再者可能是植物通过增强光合作用积累营养物质用以对抗逆境生理的适应方式.
(1)原油污染显著改变土壤理化性质，土壤总有机碳的含量显著增加，但表征土壤养分无机氮的生物活性的脲酶含量显著减少，土壤碳、 氮、 磷的比率被改变.
(2)本研究中原油污染浓度低时草本植物耐受力较强，其中紫花苜蓿综合表现较优. 从高浓度枯萎率及叶绿素含量分析，刺槐表现较高的耐受力. 以上两种植物在陕北油田区野外生存广泛，生命力强且繁殖迅速，适应粗放型种植和管理，经济成本较低. 因此，黄绵土-紫花苜蓿-低浓度污染和黄绵土-刺槐-高浓度污染是具有修复潜力的两种组合.
(3)受试植物生长所能承受的污染极限不同. 沙打旺、 红三叶草、 胡枝子和柠条所能承受的污染限值为20 000 mg ·kg-1，紫花苜蓿所能承受的污染限值为40 000 mg ·kg-1，刺槐未现枯萎现象，土壤高浓度污染时，乔木的后期生长耐受力可能更好.
(4)5 000 mg ·kg-1低浓度原油污染，对受试植物的发芽率和植物株高有促进作用. 植物出芽时间、 出芽率、 株高和干重在10 000 mg ·kg-1处理浓度后明显降低，与原油污染浓度呈显著负相关. 叶绿素则在10 000~40 000 mg ·kg-1浓度范围与原油污染浓度呈极显著正相关.
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