石油污染及施氮修复对灌草枯落物分解及土壤生物学性质的影响

摘要

陕北地区是我国重要的石油能源基地，同时其脆弱的生态系统也受到严重石油污染的直接威胁，其中灌草地是主要的受害对象之一。植物修复技术广泛应用于油污土壤的生物修复。然而，现有的关于植物修复的研究较少考虑到石油污染对植物枯落物分解及养分释放的影响。如果石油污染抑制上述过程，则必将导致植物-油污土壤生态系统养分循环受阻，降低其群落稳定性，增加生态恢复的难度和成本。因此，本研究以陕北石油污染区常见的、对石油污染具有良好耐受能力或修复能力的10种灌草植物为研究对象，在未污染土壤（对照）和轻度（石油浓度15 gkg-1）、中度(30 gkg-1)和重度(45g kg-1)石油污染土壤中进行为期1年（灌木）或半年（草本）的室内（恒温恒湿）枯落物分解培养试验，跟踪测定灌草枯落物的分解速率及分解过程中大量元素C、N、P和K以及微量元素Cu、Zn、Fe、Mn、Mg和Ca的释放动态，研究不同程度石油污染对灌草枯落物分解及养分循环的影响，评价上述植物是否可以在石油污染区形成稳定群落，发挥长期的生态效益。同时，本研究同时设置对重度污染进行施氮修复（石油浓度45 g kg-1，添加尿素调节土壤C/N比约为25∶1）的处理，以此讨论在对油污土壤进行植物修复的同时配合施氮修复是否有利于枯落物的分解过程。此外，在试验过程中分阶段测定各处理下土壤生物学性质（酶活性及微生物数量）的动态变化，以期阐明石油污染及施氮修复影响枯落物分解及养分释放的机理。本研究取得以下主要结论:
　　(1)综合考虑石油污染对灌草枯落物分解速率及10种养分释放的影响，轻度污染显著促进了沙棘、柠条、紫穗槐、酸枣、杠柳及白羊草的分解及总体养分释放，同时其显著促进了紫花苜蓿枯落物的分解以及小冠花和铁杆蒿枯落物的总体养分释放:中度污染显著促进了柠条、酸枣和杠柳枯落物的分解及总体养分释放，但其显著抑制了紫花苜蓿、小冠花、铁杆蒿和白三叶枯落物的分解及总体养分释放;重度污染显著促进了酸枣枯落物的分解及总体养分释放，显著促进了紫花苜蓿枯落物的分解及小冠花枯落物的总体养分释放，但其显著抑制了沙棘、紫穗槐和白羊草枯落物的分解及总体养分释放。另外，其对杠柳枯落物的总体养分释放和铁杆蒿枯落物的分解也表现出强烈抑制作用。
　　(2)绝大多数情况下，施氮并未缓解重度污染对灌草枯落物分解速率的抑制（沙棘枯落物），反而导致在重度污染土壤中原本分解未受影响或受到促进的枯落物（如白三叶、酸枣和杠柳枯落物）的分解受到显著抑制，甚至加剧重度污染对枯落物分解的抑制（紫穗槐和白羊草枯落物），同时，施氮对上述枯落物的总体养分释放均产生不利影响。施氮仅显著促进了油污土壤中小冠花枯落物的分解，并显著提高了其P、Cu、Fe、 Mn、Mg和Ca的释放速率。
　　(3)对所有10种枯落物分解介质（土壤）而言，3种程度石油污染在分解前期均显著提高了淀粉酶活性，而同时显著抑制了蛋白酶（或蔗糖酶）的活性。至分解中后期，轻度污染普遍显著提高了沙棘、柠条、紫穗槐、酸枣、杠柳和白羊草等6种分解介质中葡糖苷酶、木聚糖酶、碱性磷酸酶、过氧化物酶和脱氢酶的活性。中度污染对上述6种分解介质中上述主要参与中后期分解的酶类活性的促进和抑制作用大致平衡。重度污染则普遍显著抑制了沙棘、柠条、紫穗槐、酸枣和杠柳分解介质中羧甲基纤维素酶、木聚糖酶、多酚氧化酶和脱氢酶的活性。3种程度石油污染对紫花苜蓿、小冠花、铁杆蒿和白三叶等4种分解介质中主要参与中后期分解的酶类的促进和抑制作用则大致平衡。
　　对所有10种枯落物分解介质（土壤）而言，轻度污染在分解前期均显著提高细菌、放线菌和真菌数量。在分解中后期，轻度污染普遍显著提高了土壤细菌或放线菌的数量，仅白羊草分解介质的微生物数量未受显著影响。中度污染在分解前期均显著提高细菌和放线菌数量。在分解中后期，中度污染则普遍显著提高了土壤放线菌的数量，但铁杆蒿分解介质的微生物数量未受显著影响，沙棘、酸枣和杠柳3种枯落物分解介质的细菌数量在分解后期则显著降低。重度污染在分解前期均未显著影响分解介质微生物数量，在分解中后期，其显著提高了灌木枯落物分解介质的放线菌或真菌的数量，但普遍并未显著影响草本枯落物分解介质的微生物数量。
　　(4)施氮虽然在少数情况下缓解了重度污染对某些酶类活性的抑制，但多数情况下其并无明显缓解作用，甚至反而显著抑制重度污染下原本未受影响（或者显著提高）的酶的活性，或显著加剧重度污染对酶活性的抑制。这一现象普遍存在于与枯落物分解各阶段相关、与石油烃降解相关及与土壤养分循环密切相关的各种酶，特别是主要参与枯落物中后期分解的羧甲基纤维素酶、木聚糖酶、多酚氧化酶、过氧化物酶和碱性磷酸酶等。对所有10种枯落物分解介质而言，施氮在分解前期均显著提高了重度污染土壤中细菌和放线菌的数量。但在分解进行中后期，施氮对土壤微生物的数量基本不具有利影响，在沙棘、紫穗槐、杠柳、紫花苜蓿和白三叶分解介质中，施氮甚至显著抑制其中原本未受影响（或受到促进）的微生物的繁殖。
　　(5)从生态系统养分循环的角度考虑，10种灌草植物均可用于轻度石油污染土壤的植物修复或改善油污区生态环境;沙棘、柠条、紫穗槐、酸枣、杠柳和白羊草可用于中度石油污染土壤的植物修复或改善油污区生态环境，紫花苜蓿、小冠花、铁杆蒿和白三叶则不适用于该目的:柠条、酸枣、紫花苜蓿、小冠花和白三叶可用于重度石油污染土壤的植物修复或改善油污区生态环境，沙棘、紫穗槐、杠柳、白羊草和铁杆蒿则不适用于该目的。施氮修复不能缓解重度污染对灌草枯落物分解及养分释放的抑制作用，多数情况下反而产生不利影响，因此不建议在对重度污染土壤进行植物修复的同时配合施氮修复。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究目的及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 室内试验条件下枯落物分解的影响因素

1．2．2 石油污染对土壤性质的影响

1．2．3 氮素对枯落物分解的影响

1．2．4 氮素对污染土壤石油降解及土壤性质的影响

1．3 技术路线

第二章 研究内容与方法

2．1 研究内容

2．1．1 石油污染对灌草枯落物分解速率的影响

2．1．2 石油污染对灌草枯落物分解过程中养分释放的影响

2．1．3 油污土壤生物学性质在枯落物分解过程中的动态变化

2．1．4 施氮修复对油污土壤中枯落物分解及土壤生物学性质的影响

2．2 研究方法

2．2．1 研究区概况

2．2．2 供试土壤、灌草枯落物及石油样品采集

2．2．3 枯落物分解介质(土壤)制备

2．2．4 枯落物分解试验

2．2．5 枯落物分解残余物回收

2．2．6 灌草枯落物分解过程中分解介质(土壤)样品采集

2．2．7 枯落物基质质量及分解残余物养分含量测定

2．2．8 土壤性质测定

2．2．9 数据处理

第三章 土壤石油污染及施氮修复对灌草枯落物分解速率的影响

3．1 枯落物的基质质量

3．2 石油污染对灌草枯落物分解速率的影响

3．2．1 未污染土壤(对照)中的枯落物分解速率

3．2．2 轻度石油污染对枯落物分解速率的影响

3．2．3 中度石油污染对枯落物分解速率的影响

3．2．4 重度石油污染对枯落物分解速率的影响

3．3 施氮修复对油污土壤中灌草枯落物分解速率的影响

3．4 讨论

3．4．1 关于不同程度石油污染对灌草枯落物整体分解速率的影响

3．4．2 关于石油污染对枯落物不同阶段分解速率的影响

3．4．3 关于施氮对石油污染土壤中枯落物分解的影响

3．5 本章小结

第四章 土壤石油污染及施氮修复对灌草枯落物养分释放的影响

4．1 土壤石油污染对灌草枯落物养分释放总体规律的影响

4．1．2 对柠条C．korshinskii枯落物的影响

4．1．3 对紫穗槐A．fruticosa枯落物的影响

4．1．6 对紫花苜蓿M．sativa枯落物的影响

4．1．7 对小冠花C．varia枯落物的影响

4．1．9 对铁杆蒿A．sacrorum枯落物的影响

4．1．10 对白三叶T．repens枯落物的影响

4．2 土壤石油污染对灌草枯落物养分释放过程的影响

4．2．1 对沙棘H．rhamnoides枯落物的影响

4．2．2 对柠条C．korshinskii枯落物的影响

4．2．3 对紫穗槐A．fruticosa枯落物的影响

4．2．4 对酸枣Z．jujuba var．spinosa枯落物的影响

4．2．5 对杠柳P．sepium枯落物的影响

4．2．6 对紫花苜蓿M．sativa枯落物的影响

4．2．7 对小冠花C．varia枯落物的影响

4．2．8 对白羊草B．ischaemum枯落物的影响

4．2．9 对铁杆蒿A．sacrorum枯落物的影响

4．2．10 对白三叶T．repens枯落物的影响

4．3 施氮对油污土壤中灌草枯落物养分释放的影响

4．3．1 对沙棘H．rhamnoides枯落物的影响

4．3．2 对柠条C．korshinskii枯落物的影响

4．3．3 对紫穗槐A．fruticosa枯落物的影响

4．3．4 对酸枣Z．jujuba vat．spinosa桔落物的影响

4．3．5 对杠柳P．sepium枯落物的影响

4．3．6 对紫花苜蓿M．sativa枯落物的影响

4．3．7 对小冠花C．varia砌枯落物的影响

4．3．8 对白羊草B．ischaemum枯落物的影响

4．3．9 对铁杆蒿A．sacrorum枯落物的影响

4．3．10 对白三叶T．repens枯落物的影响

4．4 讨论

4．4．1 石油污染对枯落物养分释放的影响

4．4．2 施氮对石油污染土壤中枯落物养分释放的影响

4．5 本章小结

第五章 石油污染及施氮修复对枯落物分解介质(土壤)生物学性质的影响

5．1．1 石油污染对枯落物分解介质酶活性的影响

5．1．2 石油污染对分解介质微生物数量的影响

5．2 施氮修复对枯落物分解介质(土壤)生物学性质的影响

5．2．1 施氮修复对枯落物分解介质酶活性的影响

5．2．2 施氮修复对枯落物分解介质微生物数量的影响

5．3 讨论

5．3．1 石油污染对枯落物分解介质(土壤)生物学性质的影响

5．3．2 施氮修复对枯落物分解介质生物学性质的影响

5．4 本章小结

6．1 主要结论

6．1．1 石油污染对灌草枯落物分解速率及养分释放的影响

6．1．2 施氮对油污土壤中灌草枯落物分解速率及养分释放的影响

6．1．3 石油污染对灌草枯落物分解介质(土壤)生物学性质的影响

6．1．4 施氮对油污土壤生物学性质的影响

6．2 进一步研究方向

参考文献

致谢

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