石油污染對(duì)土壤水分特性的影響

魏 樣 ，蔡 苗 ，朱 坤，王啟龍

2. 西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，楊凌 712100

3. 陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，西安 710075

4. 國(guó)土資源部退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710075

5. 陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，西安 710075

水是人類賴以生存的寶貴資源，隨著經(jīng)濟(jì)和科技水平的快速發(fā)展，人類對(duì)自然環(huán)境的影響也與日俱增，在生產(chǎn)和生活中，會(huì)產(chǎn)生各種類型的污染物，以不同方式進(jìn)入到地下水-土環(huán)境中，對(duì)土壤和地下水產(chǎn)生不同程度的污染威脅。石油是人類寶貴的自然資源，隨著世界經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)石油需求量逐漸增多，在石油大規(guī)模開采運(yùn)輸過程中，不可避免會(huì)造成石油的泄露傾灑，從而對(duì)土壤和地下水造成一定程度的污染。石油污染土壤后會(huì)堵塞土壤孔隙，影響土壤的通氣透水性（程金香等，2004）；引起土壤養(yǎng)分狀況發(fā)生改變，使碳氮比和碳磷比失調(diào)（陸秀君等，2003）；引起土壤微生物群落等發(fā)生變化，破壞土壤微生態(tài)環(huán)境。石油污染濃度高時(shí)還會(huì)導(dǎo)致油品下滲，從而污染地下水。

現(xiàn)階段石油污染土壤相關(guān)研究主要集中在石油污染對(duì)植物生長(zhǎng)（李小利等，2007；時(shí)騰飛等，2013）、土壤理化性質(zhì)的影響（賈建麗等，2009；張曉陽等，2013），石油污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)（劉志全等，2006；劉五星等，2007），石油污染生物修復(fù)等方面（顧傳輝和陳桂珠，2000；毛麗華等，2006；祁迎春等，2015），關(guān)于石油污染對(duì)土壤水分特性的影響方面的研究較少。李小飛等（2015）開展了柴油污染對(duì)土壤水分特征曲線的研究，童玲等（2011）開展了柴油污染土壤中毛細(xì)水上升規(guī)律研究，鄭西來等（2011）開展了柴油和機(jī)油污染多孔介質(zhì)的水動(dòng)力特性研究。這些研究多是針對(duì)石油提取物所開展，而原油對(duì)土壤水分特性影響方面的研究較少。土壤潤(rùn)濕性和滲透性與土壤水分入滲、地表徑流的產(chǎn)生、水土流失等存在著密切關(guān)系，還會(huì)影響污染物在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化，以及土壤對(duì)污染物的吸附等。研究土壤潤(rùn)濕性和滲透性對(duì)于農(nóng)業(yè)管理、水循環(huán)、環(huán)境保護(hù)等具有重要意義。陜北榆林和延安地區(qū)石油儲(chǔ)量豐富，被譽(yù)為中國(guó)石油工業(yè)的發(fā)祥地，大規(guī)模的石油開采和運(yùn)輸難免會(huì)對(duì)土壤、地下水等產(chǎn)生危害。開展陜北地區(qū)石油污染對(duì)土壤水分特性的影響意義重大。不同種類土壤潤(rùn)濕性及滲透性差別很大，本研究以陜北采油區(qū)的黃綿土和風(fēng)沙土為研究對(duì)象，以關(guān)中地區(qū)的塿土作為參比，人為設(shè)置不同石油污染濃度，討論不同污染濃度對(duì)3種不同土質(zhì)土壤水分特性的影響，為陜北地區(qū)石油污染土壤修復(fù)治理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與制備

供試土壤分別取自陜西省延安市、榆林市和渭南市，采集未受污染地塊的耕作層土壤，樣品經(jīng)自然風(fēng)干、除雜、研碎、過2 mm篩后備用。供試土壤的機(jī)械組成采用MS2000型激光粒度儀測(cè)定，結(jié)果見表1。試驗(yàn)石油取自延安油田，為油井開采的原油。試驗(yàn)采用人工配置的理想均質(zhì)石油污染土壤作為研究對(duì)象，稱取相同質(zhì)量的土壤樣品，按照質(zhì)量含油率分別為0.5%、1%、2%、4%共4個(gè)污染梯度稱取原油加入土壤中充分拌勻，備用，同時(shí)以清潔土壤作為對(duì)照。

表1 供試土壤機(jī)械組成Tab.1 Soil mechanical composition

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 潤(rùn)濕性的測(cè)定

采用滴水穿透時(shí)間法（WDPT）（Letey，1969；吳延磊等，2007），分別對(duì)3種不同土質(zhì)土壤在不同污染程度時(shí)的潤(rùn)濕性進(jìn)行分析。分別取干燥樣品80 g置于干凈的玻璃培養(yǎng)皿中，輕輕將土樣表面抹平，用滴定管將蒸餾水滴到土樣表面，測(cè)定水滴滲入不同處理樣品所需時(shí)間，根據(jù)水滴入滲時(shí)間的不同來表示其表面的潤(rùn)濕程度，時(shí)間越長(zhǎng)則越難入滲，疏水性越強(qiáng)，潤(rùn)濕性也就越差，每處理重復(fù)10次。實(shí)驗(yàn)采用Dekker和Jungerius類標(biāo)準(zhǔn)（Dekker and Jungerius，1990；Dekker et al，2006）將表面斥水性分為5個(gè)等級(jí)，如表2所示。

表2 WDPT斥水性分類標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 WDPT water repellency classification standards

1.2.2 飽和導(dǎo)水率測(cè)定

采用DIK-4012四點(diǎn)式土壤透水性測(cè)定儀測(cè)定不同處理土壤飽和導(dǎo)水率。實(shí)驗(yàn)前將供試土壤按預(yù)設(shè)容重（1.40 g ? cm?3）填裝儀器環(huán)刀，充分飽和后，間隔一定時(shí)間測(cè)定透水量，根據(jù)透水量計(jì)算得到土壤飽和導(dǎo)水率，每處理重復(fù)6次。

2 結(jié)果與分析

2.1 石油污染對(duì)土壤潤(rùn)濕性的影響

3種土壤在不同石油污染程度的潤(rùn)濕性試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，通過對(duì)比不同石油污染濃度土壤的滴水入滲試驗(yàn)結(jié)果可知，3種土壤在0%和0.5%含油率條件下水分均能快速入滲，入滲時(shí)間均小于5 s，潤(rùn)濕等級(jí)為0級(jí)，無斥水性；塿土在4%含油率處理下開始呈現(xiàn)輕微的斥水性；黃綿土從2%含油率開始斥水性增強(qiáng)，2%含油率土壤為輕微斥水，4%含油率呈現(xiàn)強(qiáng)烈的斥水性；風(fēng)沙土在1%含油率時(shí)即表現(xiàn)為強(qiáng)烈的斥水性，2%含油率為嚴(yán)重斥水，4%為極度斥水。石油污染對(duì)土壤潤(rùn)濕性的影響從大到小依次為：風(fēng)沙土、黃綿土、塿土。由此可見，當(dāng)土壤受石油污染時(shí)，會(huì)引起其潤(rùn)濕性能發(fā)生變化，產(chǎn)生一定程度的斥水性，該變化在風(fēng)沙土上表現(xiàn)尤為明顯。

表3 潤(rùn)濕性試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Wetting test results

2.2 石油污染對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的影響

土壤飽和導(dǎo)水率是土壤重要的物理性質(zhì)之一，了解土壤在不同污染程度下的飽和導(dǎo)水率直接表征了石油污染對(duì)土壤水分入滲能力的影響。3種土壤的飽和導(dǎo)水率隨含油率變化趨勢(shì)見圖1。圖中可見，石油污染對(duì)3種土壤的飽和導(dǎo)水率均有顯著影響，飽和導(dǎo)水率均隨著污染程度的加劇而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，飽和導(dǎo)水率雖有降低，但是對(duì)于同一土質(zhì)的土壤來說，均在一個(gè)數(shù)量級(jí)內(nèi)，沒有產(chǎn)生量級(jí)躍遷。塿土和黃綿土的飽和導(dǎo)水率均在10?5數(shù)量級(jí)，同一污染濃度，黃綿土的飽和導(dǎo)水率大于塿土，風(fēng)沙土的飽和導(dǎo)水率在10?3數(shù)量級(jí)。污染濃度對(duì)于3種土壤飽和導(dǎo)水率的影響表現(xiàn)在較低含油率時(shí)較為顯著，隨著含油率的增加，飽和導(dǎo)水率下降趨勢(shì)逐漸變緩，這種影響在風(fēng)沙土上表現(xiàn)更為顯著。以1%含油率的砂土飽和導(dǎo)水率為基準(zhǔn)，當(dāng)土壤含油率從0%變化到1%時(shí)，土壤飽和導(dǎo)水率平均變化率為0.16 cm ? s?1，含油率從 1% 升高到 4% 時(shí)，飽和導(dǎo)水率平均變化率僅為 0.02 cm ? s?1。

圖1 不同污染程度下的土壤飽和導(dǎo)水率Fig.1 Soil saturated hydraulic conductivity of the tested soils under different pollution degree

3 討論

3.1 石油污染對(duì)土壤潤(rùn)濕性的影響

潔凈土壤通常具有一定程度的親水性，但當(dāng)土壤被油類有機(jī)物污染后，表面潤(rùn)濕性可能會(huì)發(fā)生變化，由親水性表面轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷员砻妫a(chǎn)生不同程度的斥水性，從而引起土壤持水能力的降低。石油污染土壤后，土壤中殘留油分含有大量的極性分子，在土壤比較干燥或者水分含量很低的情況下，會(huì)使其表面具有油潤(rùn)濕性的特征，導(dǎo)致土壤水動(dòng)力特性發(fā)生很大變化，從而嚴(yán)重影響石油污染土壤原位治理技術(shù)。

本研究表明，石油污染對(duì)土壤潤(rùn)濕性產(chǎn)生顯著影響，表現(xiàn)為對(duì)風(fēng)沙土潤(rùn)濕性的影響最大，塿土最小。風(fēng)沙土粘粒含量少，親水性組分含量較低，故而疏水性的石油污染物能極大地減弱土壤表面張力，增大土壤接觸角。李小飛等（2015）研究表明，當(dāng)柴油滲入到石英砂中，較低含量的柴油就會(huì)引起其潤(rùn)濕性能發(fā)生較大的改變，產(chǎn)生明顯的斥水性。梁春（2011）研究表明 ，輕微機(jī)油污染即可導(dǎo)致石英砂和粗砂產(chǎn)生強(qiáng)烈的斥水性，且隨著機(jī)油污染程度的提高，斥水性急劇提高。柴油和機(jī)油均為石油提取組分，故二者引起石英砂斥水性的改變和本文石油在風(fēng)沙土上的研究結(jié)果有一定的相似性。后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步深化開展石油污染對(duì)土壤潤(rùn)濕性的作用機(jī)制，進(jìn)一步明確石油污染對(duì)土壤水動(dòng)力特性的影響。

3.2 石油污染對(duì)土壤滲透性的影響

土壤中水分運(yùn)輸和物質(zhì)運(yùn)移、地表水向地下水的補(bǔ)給、污染物的遷移等都和土壤滲透性密切相關(guān)（李梅，2008）。石油污染土壤后勢(shì)必對(duì)土壤的滲透性能產(chǎn)生一定程度的影響，從而影響土壤水分運(yùn)移與物質(zhì)交換。石油污染對(duì)塿土、黃綿土和風(fēng)沙土的飽和導(dǎo)水率均有顯著影響，隨著污染程度的加劇，飽和導(dǎo)水率均呈下降趨勢(shì)，飽和導(dǎo)水率雖有降低，但是對(duì)于同一土質(zhì)的土壤來說，沒有產(chǎn)生量級(jí)躍遷。同一污染濃度下的飽和導(dǎo)水率均表現(xiàn)為風(fēng)沙土最大，黃綿土次之，塿土最小，這可能是因?yàn)橥寥蕾|(zhì)地和結(jié)構(gòu)與導(dǎo)水率有直接關(guān)系，砂質(zhì)土壤通常比細(xì)質(zhì)土壤具有更高的飽和導(dǎo)水率（黃昌勇，1999），同時(shí)Khamehchiyan et al（2007）研究也表明，土壤飽和導(dǎo)水率與土壤顆粒大小成正比，與含油率成反比。

本文研究發(fā)現(xiàn)隨著含油率的增加，風(fēng)沙土飽和導(dǎo)水率逐漸減小，減小趨勢(shì)漸變平緩，這與李梅等（2009）在砂土上的研究結(jié)果一致?？赡茉蚴鞘臀廴竞笤谕寥辣砻娈a(chǎn)生一定的疏水性，減小了水分下滲的阻力，緩解了飽和導(dǎo)水率下降的趨勢(shì)。本文風(fēng)沙土飽和導(dǎo)水率均在10?3數(shù)量級(jí)，但是童玲（2008）研究發(fā)現(xiàn)清潔砂和1%含油率砂土飽和導(dǎo)水率均在10?3數(shù)量級(jí)，原油含量增加至2%時(shí)，飽和導(dǎo)水率發(fā)生了量級(jí)改變，數(shù)量級(jí)為10?4。這與兩者研究對(duì)象機(jī)械組成不同有著直接的關(guān)系。石油污染土壤后一方面會(huì)堵塞土壤水分運(yùn)移通道，一方面會(huì)使土壤表面產(chǎn)生一定的疏水性減小水分運(yùn)移阻力，這兩方面共同作用，引起土壤滲透性能發(fā)生改變。

4 結(jié)論

（1）石油污染能夠改變土壤的表面潤(rùn)濕性，對(duì)風(fēng)沙土潤(rùn)濕性的影響最大，塿土的影響最小。對(duì)于風(fēng)沙土來說，較低含量石油污染就會(huì)造成土壤產(chǎn)生較強(qiáng)的斥水現(xiàn)象。

（2）石油污染對(duì)塿土、黃綿土和風(fēng)沙土的飽和導(dǎo)水率均有顯著影響，飽和導(dǎo)水率均隨著污染程度的加劇而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，飽和導(dǎo)水率雖有降低，但是對(duì)于同一土質(zhì)的土壤來說，均在一個(gè)數(shù)量級(jí)內(nèi)。隨著含油率的增加，風(fēng)沙土飽和導(dǎo)水率逐漸減小，減小趨勢(shì)漸變平緩。