石油污染對呼倫貝爾草甸草原植物群落多樣性的影響

王一涵，張鳳杰， 隋小文，楊玲玲，顧瑞婷，孫安寧

(大連民族大學 環境與資源學院，遼寧 大連 116600)

1 引言

石油被稱為“工業的血液”，在社會經濟生活中發揮著舉足輕重的作用。我國從1993年開始已經成為石油凈進口國，石油企業在內蒙古、甘肅、寧夏和新疆等西部地區，勘探、開發和利用的步伐逐年加快，但由于開采、加工和運輸過程中的溢油和散落油，造成油田區土壤污染嚴重，對西部地區草原生態系統帶來威脅。據環境保護部2014 年發布的調查結果顯示，13個采油區的494個點位，超標率高達23.6%。研究發現新疆干旱區油田表層土壤中殘油量可達13.1%～22.2%[1]，嚴重超過破壞土壤的固、液、氣三相結構，導致土壤容重，含水率，滲透性能下降[2]，同時土壤碳含量的大幅升高，導致了土壤C/N和C/P的嚴重失調[3]，阻礙微生物和動植物的代謝活動和對養分的吸收，改變微生物群落組成，影響動植物的生長發育，嚴重地會引起整個生態系統退化。

目前開展土壤石油污染對微生物群落結構變化[4]、優勢種群對石油降解作用和代謝特征[5]、植物對土壤石油污染降解效果[6]的研究較多，但關于石油污染對植物群落結構及其生產力的影響的研究尚不多見。為了探明內蒙古地區石油污染引起的草地植物群落結構變化規律，以內蒙古呼倫貝爾草甸草原為研究對象，采用野外模擬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種多樣性變化規律，為定量研究石油類污染對草原生物資源的影響及草原生態損失量的評估提供科學依據。

2 材料與方法

2.1 研究地概況

研究地位于內蒙古呼倫貝爾草甸草原，中國科學院沈陽應用生態研究所內蒙古額爾古納市森林草原過渡帶生態系統研究站的羊草群落長期實驗樣地內，該樣地圍建于2011年。樣地的地理坐標為50°10′46″N, 119°22′56″E。該地區屬于寒溫帶大陸性氣候, 年平均氣溫0.5 ℃, 年降水量307.7 mm。該區主要土壤類型為黑鈣土, 主要植被類型為草甸草原。研究群落主要物種有羊草(Leymuschinensis)、大針茅(Stipagrandis)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、披針葉黃華(Thermopsislanceolata)和細葉白頭翁(Pulsatillaturczaninovii)等。

2.2 實驗設計

試驗分成6個區組，每個區組內設有4個石油污染濃度水平和1個無污染的對照。石油污染濃度為0(對照，SM0)、25 g/m2(SM1)、50 g/m2(SM2)100 g/m2(SM3)、200 g/m2(SM4)。共5個處理，每個處理6次重復，共計30個小區，隨機排列，每個小區面積為4.0 m×4.0 m，樣方間隔2 m。石油污染物采用0#柴油，購買自額爾古納市黑山頭加油站。2018年5月上旬，準確稱量一定質量的柴油均勻拌入一定質量的土壤中，人工均勻撒到樣地內。

2.3 采樣方法

采樣于2018年8月中旬生物量高峰期進行，采用1.0 m×1.0 m的樣方框在4.0 m×4.0 m的小區內的右下角距離邊緣0.5 m處，測定各樣方內所有物種的高度、密度和蓋度。將樣方凋落物、立枯物和各植物物種分別裝入信封中帶回，置于65 ℃烘箱中烘48 h至恒重作為各種植物地上生物量，各種植物累加為群落地上生物量。

2.4 測定指標

2.4.1 重要值和物種多樣性指數測定

重要值(Pi)=(相對蓋度+相 對 密 度+相對高度)/3。

植物多樣性計算選用Patrick 豐富度指數(R)、Shannon-Wiener 指數(H)和Pielou 均勻度指數(E)，計算公式如下[5]：

Patrick 豐富度指數R=S；

2.4.2 植物功能群的劃分

根據白永飛對植物生活型的功能群劃分，將植物分為半灌木或小灌木(SS)，多年生根莖禾草(PR)，多年生叢生禾草(PB)，多年雜草植物(PW)，豆科草植物(LB)。

2.5 數據處理

采用Excel 2007軟件對數據進行初步的整理和分析，利用 SPSS 22.0軟件中的單因素方差進行分析(ANOVA)，并采用 LSD 法進行顯著性多重比較，利用 original 8.0軟件進行作圖。

3 結果與討論

3.1 石油污染對草甸草原植物物種多樣性的影響

從表1中可以看出，石油梯度脅迫下的草甸草原植

表1 不同石油濃度污染下草地植被群落特征

注：同一行中相同字母表示無顯著差異，不同字母表示具有顯著差異，P<0.05

被群落的物種豐富度指數、物種多樣性指數、物種均勻度指數和蓋度都沒有顯著差異(P>0.05)。在低濃度石油梯度脅迫下，草地植被的蓋度沒有很大的波動，但是當濃度梯度擴大至SM4時，物種的蓋度有小幅度的波動，蓋度下降了10.67%。綜合物種多樣性的4個指標來看，物種蓋度在高濃度梯度SM4時比對照組SM0時指數降低之外，其余的物種豐富度、物種多樣性和物種均勻度在土壤被石油污染后都略有提高。這可能是因為植物在石油污染脅迫下，石油中的石油烴等成分會吸附在植物根系的表面粘附形成一層粘膜，限制了根部對營養元素的吸收能力。植物為了適應這種變化，將營養物質更多的投入到根部，減小葉面積和株高，來維持植物正常的生長和代謝，植物這種適應的方式導致植物蓋度小幅度的降低，而其他指數波動保持穩點[7]。

從優勢種的波動來看，羊草石油污染脅迫下皆為優勢種。這可能是因為羊草為克隆植物，當一個克隆的不同分株分別位于有利和不利生境中，有利生境上分株可將營養與水分通過物理連接輸送到不利生境上的分株中，維持其生長， 甚至繁殖[8]。

3.2 石油污染對草甸草原植物功能群結構變化的影響

生產力是生態系統的主要功能，生物群落結構變化是生態系統功能的基礎，體現生物資源的多樣性及其與環境間關系的復雜性。石油濃度污染脅迫功能群相對生物量變化如圖1所示。

通過對比SM1與SM0發現，SS和LB在石油濃度增大后，它們所占生物量的比率沒有發生改變，分別為1%和2%。PB的比率下降了1%， PR下降了10%，PW上升了11%； SM2與SM0比較分析，SS與PB分別上升了2%和1%。PR所占生物量下降了3%。LB與PW所占生物量的比率幾乎沒有發生改變；把SM3與SM0比較發現，除了SS所占生物量的比率沒有發生改變之外，其余4類植物種都發生了波動，LB下降了1%，PB上升了5%，PR下降了15%，PW上升了11%；SM4與SM0對比后發現與SM3的比較相識，除了PB所占生物量的比率沒有改變之外，SS上升了1%，LB下降了1%，PR下降了6%，PW上升了6%。綜上所述，在不同的石油污染濃度梯度脅迫下， 5種功能群植物的生物量都發生了波動性變化，其中波動幅度最小的為SS、LB和PB，而PR和PW的波動幅度最大。

圖1 石油污染脅迫下不同功能群生物量的變化

注： SS為半灌木或小灌木，PR為多年生根莖禾草，PB為多年生叢生禾草，PW為多年雜草植物，LB為豆科草植物

4 結語

短期內不同濃度的石油污染脅迫依然會對草甸草原植物物種多樣性產生小幅度的波動性，其中高濃度梯度污染下，物種的變化下降的幅度最明顯。石油污染對草甸草原植物物種的功能群變化也呈現波動性變化特征，其中半灌木植物、豆科草植物和多年生叢生禾草的波動幅度最小，多年生根莖禾草和多年雜草植物的波動幅度最大。