全 文 ：第 16 卷 第 2 期
Vol. 16 No . 2
草地学报
ACTA AGRESTIA SINICA
2008 年 3 月
Mar . 2008
落地石油量对黄土丘陵区撂荒草地植物群落的影响
李小利1, 2, 3 , 刘国彬1* , 党小虎1
( 1.中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心, 陕西 杨陵 712100;
2.河北工业大学化学与化工学院, 河南 郑州 450001; 3.中国科学院研究生院, 北京 100039)
摘要 : 为定量反映落地原油对草地植物群落的影响, 选择黄土丘陵区撂荒草地进行野外石油污染模拟试验。试验
共设 5个处理水平, 4 个重复,周期为 11 个月。结果表明:随着浇油量的增加, 石油对群落的影响逐渐增大,表现为
群落的返青时间推迟,返青系数下降, 返青系数与浇油厚度呈极显著负相关; 浇油厚度为 4. 3 和 5. 8 mm 时, 群落盖
度降低、植株数减少且在整个生长季增加缓慢, 群落物种丰富度指数和 Shannon-w iener 多样性指数显著低于对照
组;不同种群对石油污染的响应不同, 达乌里胡枝子( Lesp edeza daur ica ( L axm. ) Schindl. )和阿尔泰狗哇花( H et-
er opapp us altaicus ( Willd. ) Novopokr. ) 8 月生长系数有相似趋势, 都在 1. 4 mm 浇油厚度时达到最大值0. 697和
0. 612,随着浇油厚度的继续增加 ,二者的生长系数迅速下降; 冰草( A gropy r on cris tatum ( L. ) Gaertn. ) 8月生长系
数与浇油厚度呈显著负相关。
关键词: 落地石油污染; 撂荒草地; 群落特征; 植物种群生长
中图分类号: S812; X503. 23 文献类别: A 文章编号: 1007-0435( 2008) 02-0164-06
Effects of Varying Amounts of Oil Spillage on Grassland Community
of Abandoned Cropland in Loess Hilly Region
LI Xiao- li
1, 2, 3
, L IU Guo-bin
1*
, DANG Xiao-hu
1
( 1. Research C enter of S oi l and Water Conservat ion an d Ecological E nvironmen t, CAS, Yan gling 712100, Chin a;
2. Inst itute of Chemist ry and Ch emical Engin eering, H enan U nivers ity of T echnology, Zhengzh ou 450001, China;
3. Graduate University of Chinese Academy of S ciences, Beijing 100039, Ch ina)
Abstract: Loess H illy Reg ion is one of the ar eas w here ecolog ical environment is f rail and it is also an im-
portant energy base o f China and massive o il exploitation act iv it ies have been car ried out in that ar ea cau-
sing impacts on the environment. In order to illust rate the ef fect o f oil spillage on grasslands vegetat ion, an
11-month field experiment of oil pollut ion simulat ion w as conducted in an abandoned cropland in Loess
H illy Reg ion of no rthern Shaanxi Province. T he crude oil w as applied at 0. 0, 0. 7, 1. 4, 4. 3, and 5. 8 mm
of thickness and each tr eatment level w as replicated four t imes. T he results show that the impacts of oil
spillag e on plant community increased g radually w ith the increased quantity o f crud oil applied. T he germ-i
nat ion t ime of plant species in community w as delayed and the germ inat ion indices of oil po lluted commun-i
t ies decreased. T here w as a signif icant negat ive corr elat ion betw een the germinat ion indices and thicknes-
ses o f oil spillag e; at 4. 3 and 5. 8 mm , the community coverage and plant number show ed reduct ion and
the species richness and Shannon-w iener index w ere significant ly low er than that of the control. The re-
sponse o f dif ferent populat ion to oil spil lag e w as different , the g row th indices of L esp edez a daur ica
( Laxm. ) Schindl. and H eter opap pus altaicus ( Willd. ) N ovopokr. in August changed in similar tr ends
and reached to the maximal values of 0. 697 and 0. 612 at 1. 4 mm tr eatment , respect iv ely , but decreased
收稿日期: 2007-05-28; 修回日期: 2007-11-07
基金项目: 中国科学院西部行动计划 ( KZCX2-XB2-05 ) ; 国家自然科学基金重点项目 ( 90502007 ) ; 国家重点基础研究发展计划
( 2007CB407205)
作者简介: 李小利( 1969-) , 男, 博士研究生,研究方向为环境生态学, E- mail : l ixiaol i@ mails. gu cas. ac. cn ; * 通讯作者 Author for corre-
sponden ce, E-mail: gbliu@ m s. isw c. ac. cn
第 2期 李小利等:落地石油量对黄土丘陵区撂荒草地植物群落的影响
rapidly under the t reatments w ith higher amount o f o il application. A significant negat ive co rrelation exis-
ted in August betw een the g row th indices of A grop y ron cr istatum ( L . ) Gaertn. and the amount of oil ap-
plied.
Key words: Soil pollut ion of oil spillage; Natur al g rassland; Community character ; Plant populat ion
grow th
陕北黄土丘陵区是我国重要的能源基地, 油井
广泛分布在丘陵沟壑区的梁峁及沟坡, 由于原油开
采、运输过程中的井喷和泄漏等事故,造成了土壤不
同程度落地石油污染 [ 1, 2]。受黄土丘陵区地质和地
貌的影响,落地油还会随着该区严重的水土流失发
生迁移,造成更大面积的土壤污染,成为地面水系污
染的首要污染物 [ 3]。已有研究表明, 轻度石油污染
会使植物种子萌发率下降、生长发育迟缓、生物量下
降,重度污染会导致植物死亡、种子无法萌发, 从而
导致生态系统严重退化。鉴于石油污染对植被影响
显著,国内外以不同植物物种为研究对象进行了广
泛研究[ 4~ 9] , 但对天然植物群落的影响报道较
少[ 10]。黄土丘陵区是我国生态环境最为脆弱的地
区之一,生态系统抗逆性差,对各种胁迫因子的影响
反映敏感[ 11] ,虽然广泛分布于梁峁、沟坡的生产油
井对周围的天然草地造成了不同程度的污染, 但目
前关于落地石油污染对该区植物群落影响的研究少
有报道。为了定量说明落地石油污染对植物群落的
影响,本文选择陕北黄土丘陵沟壑区常见的退耕撂荒
草地群落进行落地石油污染的野外模拟试验,研究不
同落地石油污染程度对天然草地群落的影响,以期发
现石油污染耐受和指示物种,为石油污染土壤的植物
修复及废弃污染迹地的植被重建提供参考依据。
1 材料与方法
1. 1研究区概况
研究区选在黄土高原丘陵沟壑区第 副区的延
安燕沟流域( E1092812~ 1093712, N362700~
363636) ,是延河的二级支流, 距离延安市区 10
km ,总面积 47 km2 , 属于典型暖温带大陆性季风气
候,年平均气温 7. 8~ 10. 6 , 年降水量 505. 3 ~
621. 7 mm,但季节降水分布不均匀, 降水年际变化
较大,年径流深 35 mm,年蒸发量 1000 mm 左右, 土
壤类型为黄绵土,区域典型的植被景观表现为森林
和森林草原,为暖温带落叶阔叶林向半干旱森林草
原过渡地带。由国家退耕还林政策引发的退耕荒地
(包括退耕幼林地)是目前主要土地利用类型之一。
沟内的石油开发始于 2003年,发展速度很快,目前
共有油井 300多眼,油区面积约 20 km2。
1. 2样地选择
本研究选择 4年退耕撂荒草地上形成的达乌里
胡枝子+ 阿尔泰狗哇花群落为研究对象, 样地面积
约 2000 m2 ,坡度25, 坡向西偏北 22,海拔1290 m,
群落内主要物种有达乌里胡枝子( L esp edez a d au-
r ica ( Laxm. ) Schindl. )、阿尔泰狗哇花 ( H eter o-
papp us al taicus ( Willd. ) Novopokr. )、冰 草
( A gr opy r on cr i statum ( L . ) Gaer tn. )、茵陈蒿( A r-
temisia cap i llar ies T hunb. )等。
1. 3试验设计
植物体在不同季节对原油的抗性不同。对植物
个体影响由大到小的季节顺序是春季、夏季、秋
季[ 1 0]。本研究在生长季末进行浇油试验, 目的在于
研究落地石油污染对草地植物的最小影响,同时考
察原油经过冬季风化后残留成分对群落返青和生长
的影响程度。
在样地按随机区组试验设计方法沿坡从上到下
布设4个区组,每区组设 5个1. 2 m 2. 2 m 长方形
样方, 其中每个样方内设面积为 1 m 1 m 的群落
调查样方,四周以木桩和铁丝做标记。在生长季末
( 2005年 10月 27日)分别按每区组 5个处理水平,
4个区组 4 次重复在 20个样方上随机进行石油污
染处理,并保证每行每列上没有相同的处理水平。
浇油方法为:称量好每个样方所需原油量,从植物根
部沿地面慢慢浇油,最终均匀覆盖整个样方。
在前期油区原油污染调查中得知井场表层
10cm 土壤污染浓度分布主要为 0. 6% ~ 10% (即
6~ 100 g 石油/ kg 土壤)之间,考虑到试验在坡面上
进行, 确定原油污染梯度为 0%、0. 5%、1%、3%和
5% (按表层 10 cm 土层计算)。后因坡面原油超渗
溢流无法达到 5%的浇油量要求而将 5%改为 4%,
165
草地学报 第 16卷
折合成面积重量分别为 0、575、1150、3450和 4600
g/ m
2
,经测定原油比重为 0. 8,计算得到 5个污染处
理水平 0%、0. 5%、1%、3%和 4%实际浇油厚度分
别约为 0、0. 7、1. 4、4. 3和 5. 8 mm。试验用原油采
自当地生产油井。
1. 4群落调查
在2006年 4- 9月每个月进行一次群落调查,每
次20个样方, 共 6次。记录植物群落的种类组成及
其特征值(盖度、高度、频度)。将所记录的植物种根
据生活型分为一年生草本、多年生草本植物和灌木。
1. 5数据分析
物种丰富度指某区域内植物类型数目, 本文以
调查样方内记录的所有植物种类表示。
Shannon-w iener 指数为多样性综合指标, 反应
植物种类的多寡, 其计算公式如下:
H= - Pi lnPi
式中 P i= N i/ N , N i 为种 i的个体数, N 为所在
群落的所有物种的个体数之和。
为评价石油污染对群落植物返青和生长的影
响,分别以样方调查数据为基础计算了每个样方的
群落返青系数和植物种群生长系数。群落返青系数
由 5月份调查样方内群落返青物种数和总株数经标
准化后加权求和而得, 其中种数和株数权重由专家
打分法得到, 分别为 0. 6和 0. 4。群落返青系数计
算公式如下:
Ii= Si Ws+ DiWd
式中 Ii为第 i 个样方调查样方的群落返青系
数, Si为第 i个样方返青物种数的标准化值, Ws 为
Si的权重, Di为第 i个样方总株数的标准化值, Wd
为 Di的权重, i为调查样方序号, 本文中 i= 1~ 20。
指标标准化方法如下:
Xi=
Xif- Xmin
Xmax- Xmin
式中 Xi为第 i个样方某一指标标准化值, 取值
范围为 0~ 1, Xif 为第 i个样方某一指标实测值,
Xmin、Xmax 分别为所有调查样方中指标的最小
值、最大值。
种群生长系数分别由物种盖度、高度和株数经
标准化后加权求和而得, 其中种盖度、高度和株数权
重由专家打分法得到, 分别为 0. 4、0. 35 和 0. 25。
种群生长系数计算公式如下:
Ii= CiWc+ Hi Wh+ DiWd
式中 Ii为第 i个样方某个植物种群的生长系
数, Ci为第 i个样方该种群盖度的标准化值, Wc为
Ci的权重, H i为第 i个样方该种群平均高度的标准
化值, Wh 为 Hi的权重, Di为第 i个样方该种群植
株数的标准化值, Wd为 Di的权重, i为调查样方序
号,本文中 i= 1~ 20。指标标准化方法同群落返青
系数计算部分。
所有试验数据用 Excel 2000进行整理并绘图;
用 DPS v3. 0专业版进行数据标准化和多样性指数
计算;用 SPSS 13. 0 for w indow s进行方差、相关和
回归分析。
2 结果与分析
2. 1落地石油污染对群落返青的影响
原油覆盖厚度为 0. 7和 1. 4 mm 时群落返青系
数分别比对照低 25%和 30%,但方差分析表明与对
照组无显著差异; 在原油覆盖厚度为 4. 3 mm 和
5. 8 mm时, 返青系数分别降低 79%和 87%, 与对照
组之间存在极显著差异( P< 0. 01)。群落返青系数
与原油覆盖厚度线性回归方程为 y = - 0. 1x +
0. 625, r= 0. 981,表明随着原油覆盖厚度的增加,群
落的返青系数线性下降, 因而返青系数可以较好地
指示陕北撂荒草地群落落地石油污染程度(图 1)。
166
第 2期 李小利等:落地石油量对黄土丘陵区撂荒草地植物群落的影响
由图 2可见,样方平均返青物种数随着浇油厚
度的增加逐渐减少,呈负相关关系,回归方程为 y=
- 1. 225x + 9. 725, r= 0. 978。方差分析表明, 0. 7
mm 和 1. 4 mm 处理组返青物种数与对照组无显著
性差异,但浇油厚度 4. 3 mm 和 5. 8 mm 两个处理
组返青物种数与对照组以及 0. 7 mm 和 1. 4 mm 处
理组均存在显著差异( P < 0. 05) ,说明落地油厚度
在 1. 4 mm 以下对群落次年返青影响不大,大于4. 3
mm 则会对天然草地群落物种的返青造成严重负面
影响。
2. 2落地石油污染对群落基本特征和物种多样性
的影响
图 3给出了群落盖度的月动态变化曲线。从 6
月开始, 施油厚度 0、0. 7、1. 4 mm 3个处理组都进
入旺盛生长期, 群落盖度迅速增加,到 8月份分别达
到 42. 75%、33. 25%和 33%; 而施油厚度为 4. 3、5.
8 mm 的两个重污染处理组群落盖度增加缓慢, 到 8
月份分别只有 7. 67%和 11. 5%。整个生长季所有
石油污染处理的样方群落盖度一直低于对照组。施
油厚度 0. 7和 1. 4 mm 的两种处理之间变化趋势相
似,均低于对照但差异不显著;两种高污染水平处理
之间也表现出相似的群落盖度月变化趋势, 均极显
著低于对照处理( P< 0. 01)。表明两种低污染处理
对群落盖度的影响都较小, 而两种高污染处理严重
影响了群落盖度大小。
图 3 浇油量对群落盖度的影响
Fig . 3 Effect o f oil spillage on community cover age
群落密度月变化趋势与盖度不尽相同 (图 4)。
除了浇油厚度为 0. 7 mm 的污染处理群落密度与对
照有相似趋势( r= 0. 912, P< 0. 05) , 其他污染处理
群落密度月动态变化均与对照组表现不一致, 整个
生长季浇油厚度 4. 3 mm、5. 8 mm 的两个处理组群
落密度之间无显著性差异, 但都显著低于对照和两
个轻度污染处理组( P< 0. 05)。
图 4 浇油量对群落密度的影响
Fig. 4 Effect of o il spillag e on communit y density
物种丰富度指数越大,表明群落物种丰富程度
越高[ 12]。由图 5 可以看出浇油厚度 0. 7 mm 的处
理组物种丰富度受到石油污染的影响较轻,与对照
组无显著差异; 1. 7 mm 组样方平均物种数显著低
于对照和 0. 7 mm 组( P< 0. 05) , 但显著高于 4. 3
mm和 5. 8 mm 处理组( P< 0. 05) ;后两种处理物种
丰富度指数最低, 显著低于前两个处理和对照组
( P< 0. 05) ,但二者间无显著性差异,表明都受到了
较重的石油污染。4- 5月是群落返青期, 所有处理
物种数都快速增加, 5 月与 4月相比,施油厚度从 0
到 5. 8 mm 的 5个处理组物种丰富度分别增加了
50%( P< 0. 01)、76% ( P< 0. 01)、85%( P< 0. 01)、
143%( P< 0. 01)和 150% ( P < 0. 01) , 两种重度石
油污染处理中植物返青多出现在 5月份。此后 4个
月群落进入物种竞争和旺盛生长期, 物种丰富度变
化相对较小。
图 5 浇油量对群落物种丰富度的影响
Fig . 5 Effect o f oil spillage on community species richness
从图 6可以看出 Shannon-w iener 指数大致随
污染程度的增加而降低, 其趋势不如物种丰富度指
数明显。方差分析显示对照组和 0. 7mm 组之间
Shannon-w iener指数无显著差异, 但均显著高于其
它三种处理( P< 0. 05)。整个生长季 Shannon-w ie-
ner 指数出现 0. 7 mm 组略大于对照、5. 8 mm组略
167
草地学报 第 16卷
大于 4. 3 mm 组的情况说明石油污染对群落物种多
样性的影响十分复杂, 也可能与野外样地存在较大
空间变异性有关。
图 6 浇油量对 Shannon-wiener指数的影响
F ig . 6 Effect o f oil spillage on community
Shannon-w iener index
2. 3落地石油污染对种群生长的影响
陕北地区植物生长旺盛期( 8月份) 3种植物的
种群生长系数见图 7。达乌里胡枝子种群和阿尔泰
狗娃花种群在施油厚度 1. 4 mm 时生长系数都达到
了最大值 0. 697 和 0. 612, 除了达乌里胡枝子对照
处理外,二者均显著大于其他处理( P< 0. 05) , 在浇
油厚度增大到 4. 3 mm 和 5. 8 mm 时迅速下降到最
低值,表明达乌里胡枝子和阿尔泰狗娃花可以耐受
厚度不大于 1. 4 mm 落地石油污染, 可作为轻度石
油污染植物修复的候选物种。冰草种群生长系数与
施油厚度呈负相关关系, 其线性回归方程为 y = -
0. 0371x+ 0. 5124, r= 0. 775。施油厚度为 0. 7 mm
时,冰草生长系数达到最高, 比对照高 26% ,此后随
污染程度的增加不断降低, 在 1. 4、4. 3、5. 8 mm 浇
油量时分别低于对照 13%、7%和 50%。冰草是陕
北常见物种之一, 其抗逆性较强, 春季返青早, 秋季
枯黄晚,是西北干旱半干旱地区改良草场以及建立
人工草地和生态建设的重要牧草之一 [ 13] ,冰草在本
研究所有污染处理样方中均有出现,而且生长系数
图 7 浇油量对种群生长系数的影响
Fig. 7 Effect of o il spillag e on plant populat ion g row th index
与施油厚度呈显著负相关,可以作为陕北退耕撂荒
草地石油污染程度的一种指示生物。
3 讨 论
3. 1石油开发过程中产生的落地原油虽然大部分
被回收,但仍有一部分滞留在草地中,对草地植被会
产生影响。为评估试验群落次年的返青状况,计算
了群落返青系数, 陕北草地返青期一般为 3月下旬
到 5月上旬,以 5月份群落指标计算群落返青系数
能代表群落的返青状况,系数值越大,表示群落返青
状况越好。本研究中, 随着原油覆盖厚度的增加,群
落的返青系数线性下降, 表明返青系数可以较好地
指示陕北撂荒草地群落落地石油污染程度。实验室
进行的土柱淋溶模拟实验同时证实, 80%~ 90%的
原油在土壤表层 0~ 10 cm 内[ 14] ,因而,秋季浇油主
要影响存在于土壤表层的植物的种子, 当原油覆盖
地面 2 mm 时, 可使一年生植物的种子失去萌发力
而不能生长繁殖, 而多年生根茎型植物和深根性植
物则对落地油污染抗性最强 [ 10]。本研究中在原油
厚度为 4. 3和 5. 8 mm 时,存活植物冰草、阿尔泰狗
哇花、达乌里胡枝子等多为深根性或多年生植物;而
茵陈蒿、山苦荬( L x er is chinensis )、马齿苋( Por tu-
laca oler acea)等一年生植物只是在浇油厚度小于
1. 7 mm 的处理中常见, 说明轻度石油污染对植物
种子影响较小,重度石油污染对植物种子萌发生长
严重不利,因而影响到群落的返青和生长。两种重
度石油污染处理中植物返青多出现在 5月份,表明
石油污染不仅影响到群落物种丰富度, 同时也影响
了群落中部分植物的返青出苗时间, 而且污染程度
越高,群落返青时间越迟。
3. 2 一般认为, 土壤石油或石油产品污染可以对
植物生长产生明显的影响[ 4] ; 石油碳氢化合物污染
的土壤会产生严重的疏水性,导致不能正常吸湿和
储存水分,从而阻碍植物生长[ 5]。研究表明,浇油量
越大,群落优势种株数(或丛数)减少的百分数越大,
但不同原油量对优势种的高度影响不大, 浇油厚度
在 6和 8 mm 时,优势种高度略有降低 [ 10]。种群生
长系数的计算包含盖度、高度和植株数三方面的种
群信息,能较好地反映植物种群对石油污染不同响
应的综合状况, 系数值越大, 说明种群生长状况越
好。选择的 3种植物在 20个样方中出现频率最大,
并且在 5种处理中都有出现,可以用来比较不同石
油污染处理对植物种群的影响。达乌里胡枝子和阿
168
第 2期 李小利等:落地石油量对黄土丘陵区撂荒草地植物群落的影响
尔泰狗娃花生长系数在 1. 4 mm、冰草在0. 7 mm 浇
油量时达到最大值,可能的原因一是野外样地变异
较大,虽然样方设置可在一定程度上保证群落基本
特征的一致性, 但对于种群来说很难保证各个样方
的基础条件相同,因此可能出现某个植物种群在某
些样方上本底值偏高的情况; 二是它们都属于多年
生植物,厚度 1. 4mm 以下落地石油污染没有影响
其繁殖根茎,相反, 少量淋溶、渗透的原油能刺激土
壤微生物的活动 [ 15] ,促进微生物把土壤养分转化为
有效态,利于植物吸收利用,促进植物生长。
3. 3本研究使用小型洒水壶浇原油,由于样地坡度
较大,地面高低不平、植物影响等原因, 0. 7 和 1. 4
mm 两种处理油量少, 很难使原油均匀覆盖地面, 而
4. 3和 5. 8 mm 两种处理油量多易形成超渗溢流,
造成样地上薄下厚不均匀, 虽然在样地处理时尽量
减慢浇油速度, 基本可以保证样地原油厚度均匀一
致,但以后的研究应进一步改进试验手段,确保石油
均匀覆盖样地。同时, 本实验仅在一个生长期内进
行,初步地说明了群落及群落中不同种群对石油污
染的响应;由于石油降解较慢,其环境影响需要进行
长期监测与研究,这是本文与其他类似研究需要注
意的地方。
4 结 论
4. 1尽管生长季末落地石油污染对植物的影响相
对最小,但本研究模拟的 4个落地石油污染水平仍
然对撂荒草地群落产生了不同程度的影响。随着浇
油厚度的增加, 对群落的影响逐渐增大,表现为群落
的返青时间推迟,返青系数下降,返青系数与浇油厚
度呈极显著负相关关系, 可以作为指示陕北退耕撂
荒草地石油污染程度的一个综合指标。
4. 2本研究中两种重度石油污染处理对群落的影
响很大,导致群落盖度、密度、群落物种多样性显著
降低且整个生长季增加缓慢, 因而应采取有效的预
处理措施(如高效落地油回收技术)清除散落在草地
中的重度石油污染,以达到进行植物修复时所需要
的生态条件。
4. 3不同植物种群对落地油污染的抗性不同。达
乌里胡枝子和阿尔泰狗娃花生长系数有相似趋势,
都在 1. 4 mm 浇油厚度时达到了最大值, 表明二者
在轻度石油污染下能良好生长, 可以作为轻度土壤
石油污染的植物修复候选物种; 冰草生长系数与浇
油厚度呈显著负相关关系,可以作为陕北退耕撂荒
草地石油污染程度的一种指示生物。
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(责任编辑 才 杰)
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