施肥对苏丹草修复石油污染土壤的影响
2016-04-06赵志鹏王莹莹
韩 涛，赵志鹏，王莹莹
（南开大学环境科学与工程学院，环境污染过程与基准教育部重点实验室，天津市城市生态环境修复与污染防治重点实验室，天津300071）
施肥对苏丹草修复石油污染土壤的影响
韩涛，赵志鹏，王莹莹*
（南开大学环境科学与工程学院，环境污染过程与基准教育部重点实验室，天津市城市生态环境修复与污染防治重点实验室，天津300071）
摘要：用盆栽试验，研究了苏丹草修复石油污染土壤的效果，在有、无氮磷钾肥的件下，对苏丹草的生长发育和石油的组分进行了分析。结果表明，过90 d的修复，施肥处理的石油烃去除率比无施肥处理的对照高10.31％；苏丹草的株高、地上干重和地下干重也得到了显著提高，而叶绿素a/b和叶绿素a/类胡萝卜素均有所降低；芳烃（16种多环芳烃）的去除率和烷烃（C8～C40）的去除率分别提高了7.39％和6.44％。不论是对照还是施肥处理，烷烃的去除效果均优于芳烃。
关键词：氮磷钾肥；苏丹草；石油烃；芳烃；烷烃
韩涛，赵志鹏，王莹莹.施肥对苏丹草修复石油污染土壤的影响[J].农业环境科学学报，2016，35（1）：86-92.
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石油作为重要的能源和化工原料，在全球的需求不断上升[1]。在开、冶炼、储存和运输的过程中，由于工艺水平和处理技术的限制，常发生石油泄漏和废油废渣抛洒，导致严重的土壤污染[2-3]。据统计，我国每年的石油产量已超过了1.0×1011kg，每年因开石油而污染的土壤达到了1.0×108kg。石油由复杂的有机混合物组成，包括烷烃、烯烃、芳烃、杂环芳烃等多组分复杂分子结构[4]，其中许多物质可干扰动物内分泌系统，影响生物正常繁衍，干扰人类的免疫功能，具有致癌、致畸和致基因突变的作用，严重威胁着人类的健康和环境的质量[3-4]。因此，修复石油污染的土壤已受到了国内外的广泛关注[5]。
在减少石油污染对环境的不良影响方面，“绿色”技术已取得了越来越多的成果[6]。同时，植物在可行的洁技术中的作用，也受到越来越多的关注[6-8]。植物通过提供养分给微生物、善土壤的理化性质等途径来降解、转移、同化和代谢环境中的有害污染物[7，9]。反之，微生物代谢也为植物的生长发育提供了养分，使植物对污染物的耐受性得到了提高[10]。
但是在修复的过程中，由于土壤本身物理结构不佳、微生物数量及养分含量低等因素，通常用添加肥料来调节养分，促进石油污染物的降解[5，11]。同时，肥料还提供了电子受体来加速污染物的去除[12]。本文以苏丹草为试验对象，研究了肥料施用对苏丹草修复石油污染土壤的影响。
1 材料与方法
1.1试验材料
无污染土壤自天津市西青区的农田，风干过筛后，将溶于石油醚中的脱水原油均匀喷洒在土壤中，添加量为10 000 mg.kg-1干土，避光通风放置两周后使用。
1.2试验设计
本试验为室内盆栽试验，对照未添加肥料，处理添加氮磷钾复合肥，各处理3个重复。根据土壤的理化性质，参考谢勇等[13]和李小坤等[14]的报道，得出一个适中的施肥量，80 kg.hm-2N、50 kg.hm-2P2O5、60 kg. hm-2K2O。将污染土壤装盆，每盆1500 g，含水量为田间持水量的60％，将培养箱中催芽1周后的苏丹草幼苗移栽到土壤中，每个花盆10棵。试验温度在18～25℃之间，每天16 h光照。90 d后收取植物地上、地下部分及土壤，对相应指标进行测量及分析。
1.3试验方法
1.3.1土壤理化性质的测定
电位计法测定pH值：按土水比为1∶2.5的比例将土壤与水混合，间歇搅拌30 mjn，再放置30 mjn，用校准后的电位计测定土壤的pH值。
灼烧法测定有机质含量：将105℃下烘干的土壤样品冷却后称重，放置马弗炉中600℃灼烧2 h，冷却后再称重，通过计算得到有机质的含量。
凯氏定氮法测定全氮含量：称取烘干的土壤样品0.100 0 g于消化管中，加入10 mL浓硫酸和1片催化片，在390℃下消化1.5 h，冷却后用全自动凯氏定氮仪测定全氮含量。
火焰光度计法测定全钾含量：称取烘干的土壤样品0.250 0 g于银坩埚中，加入几滴无水乙醇和2.0 g固体氢氧化钠（平铺于土样表面）；将坩埚放入马弗炉内，由低温升温至450℃保持15 mjn，冷却后加水10 mL，并加热至80℃左右，待熔块溶解后再煮5 mjn，转入50 mL容量瓶中；用少量0.2 mo1.L-1硫酸溶液洗数次，也转入到容量瓶中使其体积约为40 mL，再加50％盐酸溶液5滴和4.5 mo1.L-1硫酸溶液5 mL，用水定容，过滤；然后用火焰光度计测定，并通过测定配制的钾元素标准系列溶液绘制标线，查得其浓度。
电感耦合等离子体发射光谱法测定剩余元素含量：称取烘干的土壤样品0.100 0 g于消化管中，加入浓硝酸5 mL、双氧水3 mL和氢氟酸2 mL，适当混合后放入微波消解仪内，由低温升温至150℃保持10 mjn，再升温至180℃保持20 mjn，最后升温到200℃保持30 mjn；冷却后取出消化管，放置加热板上加热至剩绿豆大小的溶液时，停加热，冷却后用2％的稀硝酸定容；用电感耦合等离子体发射光谱仪测定，并通过测定配制的混合元素标准系列溶液绘制各元素的标线，查得各元素的浓度。
1.3.2光合色素的测定
取90 d的苏丹草叶片，混匀后称取0.5 g放入10 mL光合色素提取液中（无水乙醇∶丙酮∶水=45∶45∶10）。避光低温保存一周后，用分光光度计测定溶液在663、645、470 nm波长下的吸收值[15-16]，然后计算色素的含量。
1.3.3土壤中石油烃的测定
称取过100目筛的风干土5.0 g于50 mL离心管中，加入20 mL二氯甲烷超声萃取15 mjn，后4000 r. mjn-1离心10 mjn，将上液转移至锥形瓶后，再加入20 mL二氯甲烷继续超声，共萃取3次。将其放入通风橱中，待二氯甲烷挥发完全后，对锥形瓶称重，利用差量法计算石油烃的含量。
1.3.4石油烃组分的分离
将活化后的硅胶、中性氧化铝、无水硫酸钠溶于正己烷后，自下而上依次装入带有正己烷的直径为1 cm、长为30 cm的玻璃柱中，三种物质的长度分别为12、6、1 cm。向称重后的锥形瓶中加入少量正己烷溶液，将其转移到玻璃柱中，用20 mL的正己烷洗脱得到烷烃后，再用70 mL的混合液（正己烷∶二氯甲烷=1∶1）洗脱得到芳烃。将得到的烷烃和芳烃溶液在通风橱中风干。
1.3.5芳烃和烷烃组分的测定
本试验用Agj1ent 5975 GC-MS联用对烷烃和芳烃的组分进行测定，烷烃和芳烃的混标购自北京百灵威科技有限公司。将风干后的烷烃和芳烃组分分别用正己烷定容，过0.22 μm尼龙膜后分别取1 mL溶液进行气质联用测定。烷烃的升温程为40℃保持2 mjn，以3℃.mjn-1升温到300℃保持55 mjn；芳烃的升温程为70℃保持1 mjn，以10℃.mjn-1升温到260℃保持4 mjn，再以5℃.mjn-1升温到300℃保持4 mjn。
2 结果与分析
2.1土壤的理化性质
对土壤的pH、有机质、元素等进行了测定，pH值为8.15，其他结果见表1。
表1 土壤样品的理化性质（g.kg-1）Tab1e 1 Chemjca1 and physjca1 propertjes of soj1（g.kg-1）
2.2肥料对石油烃去除率的影响
施肥对苏丹草修复石油污染的效果见图1。 过90 d的修复，在苏丹草的单一作用下，石油烃去除率为43.89％，而施肥与苏丹草联合修复后石油烃去除率达54.20％，且与对照有显著差异（P<0.05）。
图1 石油烃的去除率Fjgure 1 Remova1 rates of petro1eum hydrocarbons
2.3肥料对苏丹草生长发育的影响
本试验对苏丹草的形态学特性及光合色素含量进行了测定，以反映施肥对植物的生长发育的作用。由图2可知，施肥促进了植物的株高、根长、干重的增加。对照的株高、根长、地上干重、地下干重分别为15.09 cm、5.44 cm、0.09 g、0.01 g，施肥处理后这些指标分别提高了7.98 cm、1.50 cm、0.36 g、0.07 g。统计分析可知，株高和地下干重达到了极显著差异（P< 0.01），地上干重达到了显著差异（P<0.05）。
对苏丹草叶片的色素含量进行了分析（图3），发现对照的叶绿素和类胡萝卜素含量分别为2.01、0.38 mg.g-1FW，施肥处理的叶绿素含量略微减少了0.03 mg.g-1FW，类胡萝卜素含量增加了0.09 mg.g-1FW；同时对叶绿素a/b和叶绿素a/类胡萝卜素进行了比较，发现施肥处理的叶绿素a/b和叶绿素a/类胡萝卜素分别比对照（叶绿素a/b=6.20、叶绿素a/类胡萝卜素= 4.75）减少了0.22和1.17。对以上4项指标进行统计学分析，结果均无显著差异（P>0.05）。这可能是由于肥料为植物的生长发育提供了必要的营养，使其耐受性得到了提高，促进了植物的生长发育。
2.4肥料对芳烃组分的影响
用气质联用方法对90 d后土壤中的多环芳烃残留量进行了测定（图4）。由图4可知，含量较高的多环芳烃组分有菲（PHE）、芘（PYR）、苯并[a]蒽（BaA）和草屈（CHR），这几种多环芳烃组分的总量在对照和施肥处理中分别占其总多环芳烃（16种）含量的87.33％ 和86.67％，与Wang等[17]报道的主要多环芳烃组分为3种（菲、芘和草屈），占总多环芳烃含量75％的结果有一定相近之处。并且，含量较低的多环芳烃组分包括萘（NP）、苊（ACY）、二氢苊（ACE）和苯并[k]荧蒽（BkF），它们的总量在对照和施肥处理中均占其总多环芳烃含量的0.20％。这可能是由于这几种化合物的沸点低、挥发性强，在提取浓缩等过程中有挥发损失所致[18]。
对16种多环芳烃组分的去除率分别进行比较发现：对照中去除率较高的有蒽（29.82％）、苯并[k]荧蒽（40.00％）、苯并[a]芘（27.47％）、茚并[1，2，3-cd]芘（51.19％）、二苯并[a，h]蒽（58.44％）和苯并[g，h，j]苝（58.53％）；施肥处理中去除率较高的有萘（23.73％）、二氢苊（27.91％）、菲（20.37％）、蒽（47.15％）、苯并[a]蒽（21.81％）、草屈（22.69％）、苯并[b]荧蒽（30.39％）、苯并[k]荧蒽（37.52％）、苯并[a]芘（39.01％）、茚并[1，2，3-cd]芘（58.51％）、二苯并[a，h]蒽（63.07％）和苯并[g，h，j]苝（60.46％）。对照和施肥处理中总多环芳烃的去除率分别为13.96％和21.35％，在统计学上无显著性差异（P>0.05）。
图2 苏丹草的形态学特性Fjgure 2 Morpho1ogjca1 attrjbutes of Sudangrass
图3 苏丹草的光合色素含量Fjgure 3 Content of photosynthetjc pjgments jn Sudangrass
图4 不同理修复后土壤中芳烃的残留量Fjgure 4 Resjdua1 content of aromatjc hydrocarbons jn soj1 wjth djfferent treatments after remedjatjon
2.5肥料对烷烃组分的影响
用气质联用对90 d后土壤中的烷烃残留量进行了测定（表2）。由表2可知，含量较高的烷烃组分是从C14～C40，与Wang等[17]测定的较高含量的烷烃是从C13～C37的结果相近，而本试验中测得的C38、 C39和C40含量也较高，可能与原油中组分含量有一定差异有关。
表2 不同理修复后土壤中烷烃的残留量Tab1e 2 Resjdua1 content of a1kanes jn soj1 wjth djfferent treatments after remedjatjon
对33种烷烃组分进行了比较，对照与施肥处理相比，烷烃组分残留量的差异性表现为：在C8、C10 和C12中均有极显著性差异，在C9、C11和C21～C24中均有显著性差异，在其他组分中无显著差异。此外，对照中去除率达到30％以上的组分范围从C25～C40，其中C34、C36～C40的去除率达到了60％以上，最高为78.22％（C40）；施肥处理中去除率达到30％以上的组分范围从C17～C40，其中C34、C36～C40的去除率达到了60％以上，最高为80.46％（C40）。对照和施肥处理中烷烃（C8～C40）的去除率分别为45.50％和51.94％，在统计学上有显著性差异（P<0.05）。
3 讨论
植物的生物量受其生长环境的影响，气候（温度、光照、水分）、栽培、管理措施等件均能影响植物的生物量[19]。施肥是增加植物株高和生物量的措施之一[20-21]，本试验中苏丹草的株高、地上干重和地下干重均得到了显著增加，可能是肥料在增加地上部生物量的同时，也促进了地下部生物量的增加，进而使植物能够吸收更多的水分，并且生物量的增加还能减少土壤水分的蒸发[19]。这说明肥料是植物获得高生物量的重要件，它能提高植物对水分的利用效益[22-23]，进而使植物能够获得充足的水分，以应对不良环境对其造成的影响，提高植物的耐受性。
同时，养分的添加也能促进石油烃的降解[24-25]，Basumatary等[26]通过向土壤中添加氮磷钾复合肥（N：120 mg.kg-1；P：60 mg.kg-1；K：60 mg.kg-1），过360 d，石油烃降解率达到61.2％～86.2％。Cou1on等[27]通过添加肥料，330 d后重油和柴油的石油烃平均降解率均超过80％。张强等[28]使用土壤质量0.75％的硝酸铵与磷酸二氢铵的复合肥料（5∶1），过60 d的修复，石油烃去除率达到了48.5％。齐建超等[29]将诺沃肥等有机肥加入土壤中，刺激微生物的生长，64 d后石油烃去除率也达43.91％。这均表明，施肥能够促进土壤中石油烃的去除。本试验中施肥也显著提高了污染土壤中石油烃的去除率，可能是肥料为植物和土壤微生物生长发育提供了充足的养分，促进了植物根际和土壤微生物的生长发育，进而善了土壤环境，变了土壤中的微生物结构组成。
肥料能促进石油中烷烃和芳烃组分的去除。在本试验的对照和处理中，菲的去除率分别为11.67％和20.37％，烷烃组分（C13～C28）去除率分别为6.32％～52.05％（C13除外）和10.70％～53.88％（C14除外）。吴亮等[30]添加了硫包衣尿素和甲醛尿素，菲的去除率分别为9.60％和13.49％，从C13～C28的烷烃组分去除率分别为13.94％～59.02％和11.56％～49.65％。在对照和处理中，烷烃（C8～C40）的残留量分别是芳烃（16种多环芳烃）的33.91倍和32.72倍（表2和图4），初始土壤中的比值达到53.53倍，而Wang等[17]报道在其所有试验土壤中烷烃是芳烃的33～87倍。这表明烷烃的含量可能决定着石油烃的去除率，且烷烃比芳烃更容易去除。
4 结论
（1）过90 d的修复，土壤中石油烃含量明显下降，与不加肥料的对照试验相比，氮磷钾肥的配施提高了石油烃的去除率，达到了54.20％，与对照有显著差异。
（2）施肥处理促进了苏丹草的生长发育，其中株高、地上干重和地下干重显著高于对照，其他生长指标无显著差异。
（3）施肥处理促进了多环芳烃（16种）和烷烃（C8～C40）的去除，对烷烃的去除效果优于芳烃。
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Effect of fertilization on remediation of petroleum contaminated soil by Sudangrass
HAN Tao，ZHAO Zhj-peng，WANG Yjng-yjng*
（Mjnjstry of Educatjon Key Laboratory of Po11utjon Processes and Envjronmenta1 Crjterja，Tjanjjn Key Laboratory of Envjronmenta1 Remedjatjon and Po11utjon Contro1，Co11ege of Envjronmenta1 Scjence and Engjneerjng，Nankaj Unjversjty，Tjanjjn 300071，Chjna）
Abstract：In the present study，the effect of fertj1jzatjon on the remedjatjon of petro1eum contamjnated soj1 by Sudangrass was jnvestjgated jn a pot experjment. Growth of Sudangrass and remova1 and components of petro1eum hydrocarbons were examjned. Resu1ts showed that growjng Sudangrass sjgnjfjcant1y decreased petro1eum hydrocarbon content jn the soj1. After 90 day of the experjment，the remova1 rate of petro1eum hydrocarbons was 10.31％ greater under fertj1jzatjon（up to 54.20％）than under the un-fertj1jzed contro1. Fertj1jzatjon a1so promoted the growth of Sudangrass. The shoot hejght（up to 23.07 cm），shoot dry wejght（up to 0.45 g），and root dry wejght（up to 0.08 g）of Sudangrass under fertj1jzatjon were a11 sjgnjfjcant1y hjgher than those under the un-fertj1jzed contro1. The remova1 rates of aromatjc hydrocarbons（16 PAHs，up to 21.35％）and a1kanes（C8～C40，up to 51.94％）were respectjve1y 7.39％ and 6.44％ greater under fertj1jzed condjtjons than under the contro1. Sjgnjfjcant djfferences were observed jn the remova1 rates between a1kanes and aromatjc hydrocarbons. The remova1 effjcjencjes of a1kanes were greater than those of aromatjc hydrocarbons under both fertj1jzed and contro1 condjtjons. Phenanthrene，pyrene and benzo[a] anthracene were the majn components of the aromatjc hydrocarbons，representjng more than 80％ of the tota1 aromatjc hydrocarbons jn the soj1. Our resu1ts demonstrate that fertj1jzatjon cou1d promote the remedjatjon of petro1eum contamjnated soj1 by Sudangrass.
Keywords：N，P and K fertj1jzer；Sudangrass；petro1eum hydrocarbons；aromatjc hydrocarbons；a1kanes
*通信作者：王莹莹E-maj1：wangyy@nankaj.edu.cn
作者简介：韩涛（1988—），男，博士研究生，从事石油污染修复研究。E-maj1：hantao402131837@126.com
基金项目：国家自然科学基金（31270545）
收稿日期：2015-08-02
中图分类号：X53
文献标志码：A
文章编号：1672-2043（2016）01-0086-07doj：10.11654/jaes.2016.01.012
