土壤石油污染对羊草叶片性状的影响

隋小文，张凤杰，杨玲玲，王丽巧，刘 璐

(大连民族大学 环境与资源学院，辽宁 大连 116000)

1 引言

石油是国民经济发展中重要的能源和原料。随着对石油的需求量日渐增加，石油的开采，运输和加工等活动的加剧使土壤面临石油污染的风险问题。植物与环境的相互关系一直是生态学研究的核心问题。前人关于石油污染对农作物、土壤微生物和土壤理化性质的影响有一些报道，然而关于石油污染对植物叶片功能形状的影响鲜有报道。石油污染的人为干扰正在改变植物生长的有效资源和关键生长因子。植物通过对外部形态、内部结构及生理生态特征的调节来适应石油污染胁迫的环境变化[1]。功能性状是植物形态特征，存活、生长、适应等行为的综合表现。叶的功能形状属性最能反映植物对环境变化的适应性[2]。植物在干旱条件下通过降低叶片高度，缩短了根际水分到达叶部的距离，提高水分的有效运输，同时减小叶面积防止水分的过度蒸发散失[3]。异速生长理论在植物功能性状与生长关系中得到了越来越多的应用[4]。

羊草(Leymuschinensis)是欧亚大陆草原区东部草甸草原和典型草原的重要优势物种之一，具有耐旱、耐寒、耐盐碱、耐牧等多方面的生态可塑性和较强的生存竞争能力，在污染场地植被恢复中发挥着举足轻重的作用。本研究采用完全混合柴油的人工土为研究对象，通过盆栽种植羊草，模拟研究土壤不同石油污染水平对羊草叶片功能形状的影响，为监测土壤石油污染的环境影响及其生物修复提供理论依据。

2 材料与方法

2.1 试验材料

试验土壤采用人工配置，配置方法如下：取大连民族大学开发区校区未受污染的表层土和细沙过10目筛子，按照土壤、细沙和蛭石的质量比2∶2∶1的比例搅拌均匀，土壤质地为粉砂土，基本理化性质为土壤pH为6.96，有机碳含量为1.39 g/kg，全氮含量为638.88 mg/kg，全磷含量为0.63 mg/kg。

试验用柴油购自大连金浦新区五彩城加油站，比重为0.85 kg/L，粘度03.5 mm2/s(20 ℃)，凝固点-5 ℃，羊草(LeymusChinensis)种子由采自内蒙古额尔古纳市黑山头镇。

2.2 试验方法

采用温室盆栽控制实验，采用60 cm×40 cm×22 cm(l×w×h)的长方形PVC花盆，石油污染设置3个水平，分别为对照组(0 g/kg)、低浓度处理组(15 g/kg)和高浓度处理组(50 g/kg)，每个处理6组重复，共18个处理。

2.3 分析方法

每盆随机取5片完整的取自植株同一部位叶子来测量叶片性状。叶片厚度使用游标卡尺测量，株高、叶长、叶宽使用钢卷尺测量，叶面积(cm2)用MapInfo软件进行计算得出，根系使用扫描仪(型号 Epson7500，分辨率为 400 bpi)进行扫描后采用WinRhizoPro Vision 5.0a 分析程序对图像进行分析。

2.4 数据处理

作图使用 EXCEL 2010软件，叶片功能特征的平均值差异性的比较采用单因素方差分析，用SPSS 19.0软件进行计算。

3 结果

3.1 石油污染对羊草叶片形态特征的影响

植物在异质生境下的性状特征和构件资源分配的变异是植物克服环境胁迫的重要途径之一。叶片作为植物的基本结构和功能单位，是植物进行光合作用的主要器官[5]不仅影响植物的基本行为和功能，而且能够反映植物对不同生境的适应能力[6]。石油污染对羊草性状特征具体影响可以参见表1。

表1 石油污染胁迫对羊草叶片形状的影响

从表1中可以看出在低浓度石油污染下，羊草的叶长宽、株高、叶面积以及生物量都没有显著差异(P>0.05)；在高浓度石油污染下，以上指标均与对照组之间差异极显著(P<0.01)。叶长下降了17.12%，叶宽下降了15.20%，株高下降了35.93 %，叶面积下降了50.00 %，生物量下降了77.49%。而在石油污染胁迫下对羊草的单株叶片数、叶片厚度以及根长没有显著的影响(P>0.05)。石油中存在分子量较高的石油烃等成分会吸附在羊草根系的表面粘附在植物根部形成一层粘膜，阻碍根部吸收水分等营养物质[1]。所以在石油污染胁迫下羊草的根长有所增加，增加根与土壤接触面积，提高根部吸收水和营养物质的能力，减小叶面积和株高，使叶片对碳资源的要求降低，同时减少叶片蒸腾失水提高水分的利用率。

3.2 石油污染对羊草比叶面积的影响

比叶面积是重要的植物叶片性状之一，反映植物获取资源的能力。由于叶面积与植物的生长和生存对策有紧密的联系，能反映植物对不同生境的适应特征，使其成为植物比较生态学研究中叶片性状的首选指标[7]。

图1 石油污染胁迫对羊草比叶面积的影响

图1表明：对照组羊草比叶面积为0.061；在石油污染浓度为15 g/kg处理下，羊草比叶面积为0.067；在石油污染浓度为50 g/kg处理下，羊草比叶面积为0.092。叶面积对照组与15 g/kg处理组差异不大(P>0.05)，与对照组相比，50 g/kg处理组的比叶面积增加了50.82%(P<0.01)。通常具有较高比叶面积的植物种类，其叶片的光捕获面积较高会形成较高的净光合速率[6～8]。说明与对照组和低浓度组相比，相同的生物量下，高浓度处理组羊草的生物量更多的分配给了叶片。可能是因为高浓度的石油污染对羊草有一定的毒害，羊草需要获得更多的光能才能维持正常的代谢。

3.3 石油污染下叶面积与生物量的异速生长关系

异速生长理论在植物可塑性响应、植物功能性状间生长关系中得到了越来越多的应用[2]。关于叶性状间异速生长关系已有大量研究，但影响叶性状异速生长关系的因子复杂多变而且在不同空间尺度或在不同功能群中均表现出强烈的差异性[3,4]。石油污染胁迫会引起土壤理化性质的改变，而由石油污染胁迫引起的生境条件的变化势必会影响着植物的生长规律。因此，研究不同浓度的石油污染胁迫下植物叶性状间的异速生长关系对揭示植物功能性状如何适应地形环境因子具有重要意义[9]。对叶面积和生物量的平均值进行对数(以10为底)转换后再进行分析，对数转换使之符合正态分布。对叶面积与生物量及功能特征关系的研究，采用y=bxa，线性转换成log(y)=log(b)+alog (x)，式中，x和y表示两个特征参数，b代表性状关系的截距，a表示相关性的斜率，即异速生长参数或相对生长的指数，当a=1时，表示两者是等速关系；当a>1时，表示y的增加程度大于x的增加程度；当a<1时，表示y的增加程度小于x的增加程度[9]。

图2 石油污染胁迫下叶面积与生物量之间的关系

羊草的叶面积与生物量呈极显著的正相关关系(R2=0.615，P<0.01)，图2中石油污染胁迫下叶面积与生物量之间的关系曲线斜率为1.18大于1，说明叶面积的增加程度要小于生物量的加程度。可能原因是在高浓度石油污染胁迫下羊草为了保证生存和发展从而迫切需求增加碳获取资源，此时羊草将生物量主要分配给叶片，用来增加光捕获面积提高光合能力，进行物质积累。而低浓度石油胁迫处理对羊草的毒害作用不明显，与对照组和低浓度石油污染处理组相比，高浓度石油污染处理叶片需要较大的呼吸和蒸腾的成本[9]。羊草为了适应高浓度石油污染胁迫的土壤环境，在生长适应过程中发育出相对较小的叶片。高浓度石油污染处理组株高最低，在水分补充充足的情况下光照成为限制羊草生长的主要因素。根据党晶晶等的研究[10]，受光照限制的甘肃臭草叶片为了获得更多光能，将投资更多的生物量用于叶表面积的构建；而受水分限制的甘肃臭草则是选择面积小而厚度大的叶片，来长降低碳资源获取成本和提高水分利用效率。本研究中羊草叶片资源利用策略与其研究相符合，体现了羊草面对高浓度石油污染胁迫的生存策略。

4 结论

低浓度石油污染胁迫下对羊草叶片性状没有太大的影响，而高浓度石油污染下羊草的叶长、叶宽、株高、叶面积和生物量均有不同程度的下降，比叶面积明显增加，并且生物量的增加程度要大于叶面积的增加程度。