石油污染对呼伦贝尔草甸草原植物群落多样性的影响

2019-07-15王一涵张凤杰隋小文杨玲玲顾瑞婷孙安宁

绿色科技 2019年12期

王一涵，张凤杰，隋小文，杨玲玲，顾瑞婷，孙安宁

(大连民族大学环境与资源学院，辽宁大连 116600)

1 引言

石油被称为“工业的血液”，在社会经济生活中发挥着举足轻重的作用。我国从1993年开始已经成为石油净进口国，石油企业在内蒙古、甘肃、宁夏和新疆等西部地区，勘探、开发和利用的步伐逐年加快，但由于开采、加工和运输过程中的溢油和散落油，造成油田区土壤污染严重，对西部地区草原生态系统带来威胁。据环境保护部2014 年发布的调查结果显示，13个采油区的494个点位，超标率高达23.6%。研究发现新疆干旱区油田表层土壤中残油量可达13.1%～22.2%[1]，严重超过破坏土壤的固、液、气三相结构，导致土壤容重，含水率，渗透性能下降[2]，同时土壤碳含量的大幅升高，导致了土壤C/N和C/P的严重失调[3]，阻碍微生物和动植物的代谢活动和对养分的吸收，改变微生物群落组成，影响动植物的生长发育，严重地会引起整个生态系统退化。

目前开展土壤石油污染对微生物群落结构变化[4]、优势种群对石油降解作用和代谢特征[5]、植物对土壤石油污染降解效果[6]的研究较多，但关于石油污染对植物群落结构及其生产力的影响的研究尚不多见。为了探明内蒙古地区石油污染引起的草地植物群落结构变化规律，以内蒙古呼伦贝尔草甸草原为研究对象，采用野外模拟土壤石油污染的方法，研究了不同石油污染水平下草甸草原植物群落物种多样性变化规律，为定量研究石油类污染对草原生物资源的影响及草原生态损失量的评估提供科学依据。

2 材料与方法

2.1 研究地概况

研究地位于内蒙古呼伦贝尔草甸草原，中国科学院沈阳应用生态研究所内蒙古额尔古纳市森林草原过渡带生态系统研究站的羊草群落长期实验样地内，该样地围建于2011年。样地的地理坐标为50°10′46″N, 119°22′56″E。该地区属于寒温带大陆性气候, 年平均气温0.5 ℃, 年降水量307.7 mm。该区主要土壤类型为黑钙土, 主要植被类型为草甸草原。研究群落主要物种有羊草(Leymuschinensis)、大针茅(Stipagrandis)、糙隐子草(Cleistogenessquarrosa)、披针叶黄华(Thermopsislanceolata)和细叶白头翁(Pulsatillaturczaninovii)等。

2.2 实验设计

试验分成6个区组，每个区组内设有4个石油污染浓度水平和1个无污染的对照。石油污染浓度为0(对照，SM0)、25 g/m2(SM1)、50 g/m2(SM2)100 g/m2(SM3)、200 g/m2(SM4)。共5个处理，每个处理6次重复，共计30个小区，随机排列，每个小区面积为4.0 m×4.0 m，样方间隔2 m。石油污染物采用0#柴油，购买自额尔古纳市黑山头加油站。2018年5月上旬，准确称量一定质量的柴油均匀拌入一定质量的土壤中，人工均匀撒到样地内。

2.3 采样方法

采样于2018年8月中旬生物量高峰期进行，采用1.0 m×1.0 m的样方框在4.0 m×4.0 m的小区内的右下角距离边缘0.5 m处，测定各样方内所有物种的高度、密度和盖度。将样方凋落物、立枯物和各植物物种分别装入信封中带回，置于65 ℃烘箱中烘48 h至恒重作为各种植物地上生物量，各种植物累加为群落地上生物量。

2.4 测定指标

2.4.1 重要值和物种多样性指数测定

重要值(Pi)=(相对盖度+相对密度+相对高度)/3。

植物多样性计算选用Patrick 丰富度指数(R)、Shannon-Wiener 指数(H)和Pielou 均匀度指数(E)，计算公式如下[5]：

Patrick 丰富度指数R=S；

2.4.2 植物功能群的划分

根据白永飞对植物生活型的功能群划分，将植物分为半灌木或小灌木(SS)，多年生根茎禾草(PR)，多年生丛生禾草(PB)，多年杂草植物(PW)，豆科草植物(LB)。

2.5 数据处理

采用Excel 2007软件对数据进行初步的整理和分析，利用 SPSS 22.0软件中的单因素方差进行分析(ANOVA)，并采用 LSD 法进行显著性多重比较，利用 original 8.0软件进行作图。

3 结果与讨论

3.1 石油污染对草甸草原植物物种多样性的影响

从表1中可以看出，石油梯度胁迫下的草甸草原植

表1 不同石油浓度污染下草地植被群落特征

注：同一行中相同字母表示无显著差异，不同字母表示具有显著差异，P<0.05

被群落的物种丰富度指数、物种多样性指数、物种均匀度指数和盖度都没有显著差异(P>0.05)。在低浓度石油梯度胁迫下，草地植被的盖度没有很大的波动，但是当浓度梯度扩大至SM4时，物种的盖度有小幅度的波动，盖度下降了10.67%。综合物种多样性的4个指标来看，物种盖度在高浓度梯度SM4时比对照组SM0时指数降低之外，其余的物种丰富度、物种多样性和物种均匀度在土壤被石油污染后都略有提高。这可能是因为植物在石油污染胁迫下，石油中的石油烃等成分会吸附在植物根系的表面粘附形成一层粘膜，限制了根部对营养元素的吸收能力。植物为了适应这种变化，将营养物质更多的投入到根部，减小叶面积和株高，来维持植物正常的生长和代谢，植物这种适应的方式导致植物盖度小幅度的降低，而其他指数波动保持稳点[7]。

从优势种的波动来看，羊草石油污染胁迫下皆为优势种。这可能是因为羊草为克隆植物，当一个克隆的不同分株分别位于有利和不利生境中，有利生境上分株可将营养与水分通过物理连接输送到不利生境上的分株中，维持其生长，甚至繁殖[8]。

3.2 石油污染对草甸草原植物功能群结构变化的影响

生产力是生态系统的主要功能，生物群落结构变化是生态系统功能的基础，体现生物资源的多样性及其与环境间关系的复杂性。石油浓度污染胁迫功能群相对生物量变化如图1所示。

通过对比SM1与SM0发现，SS和LB在石油浓度增大后，它们所占生物量的比率没有发生改变，分别为1%和2%。PB的比率下降了1%， PR下降了10%，PW上升了11%； SM2与SM0比较分析，SS与PB分别上升了2%和1%。PR所占生物量下降了3%。LB与PW所占生物量的比率几乎没有发生改变；把SM3与SM0比较发现，除了SS所占生物量的比率没有发生改变之外，其余4类植物种都发生了波动，LB下降了1%，PB上升了5%，PR下降了15%，PW上升了11%；SM4与SM0对比后发现与SM3的比较相识，除了PB所占生物量的比率没有改变之外，SS上升了1%，LB下降了1%，PR下降了6%，PW上升了6%。综上所述，在不同的石油污染浓度梯度胁迫下， 5种功能群植物的生物量都发生了波动性变化，其中波动幅度最小的为SS、LB和PB，而PR和PW的波动幅度最大。