土壤石油污染中植物的修復效應作用研究

鄧開良，韋星輝

(1.上海市政工程設(shè)計研究總院集團第十市政設(shè)計院有限公司，甘肅 蘭州 730030;2.西北師范大學，甘肅 蘭州 730000)

1 引言

土壤石油污染在普遍多見，是構(gòu)成地下水污染的主要原因，影響地下水的水質(zhì)，無法保障正常的生活生產(chǎn)用水，石油污染引發(fā)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)破壞、生態(tài)災害等，成為當前亟待解決的重難點問題。Rutherford提出，生物修復技術(shù)不僅可以治理多種類型的土壤污染情況，還能夠?qū)υ?、柴油、汽油等不同類型的石油污染土壤進行修復。而植物修復技術(shù)作為生物修復技術(shù)中的一種，劉五星等在研究中提出，對于石油污染土壤修復而言，柳樹、苜蓿、楊樹等40余種植物均有不錯的石油污染物降解能力。王亞男等在研究中將植物表型、生物化學及生理學特征作為篩選植物的指標，而修復指標主要是石油污染物的去除率和殘留量。因此，應結(jié)合實際情況，加強對土壤石油污染中的植物修復技術(shù)的應用，既可保護原有植被不被破壞，又提升了對土壤結(jié)構(gòu)和生物的修復效應及作用。本文采取試驗與動態(tài)監(jiān)測相結(jié)合的方法，分析各項指標的變化趨勢，如土壤含水量、土壤脫氫酶、土壤微生物數(shù)量等，進一步研究土壤石油污染石油烴降解效應和影響因素。

2 土壤石油污染的成因及危害

關(guān)于土壤石油污染，主要是由于石油開采等因素引發(fā)的污染，這種污染起初以油井為中心，隨著時間的積累，逐步向周圍拓展和延伸。值得注意的是，油井處的污染程度最大，一般來說，油井周圍，最為直觀的就是顏色的變化，其周圍的土壤顏色呈現(xiàn)出黑色，這里生長的植物也會表現(xiàn)出較差的生長態(tài)勢[1]。土壤石油污染的主要原因為采油中人工操作不當，加劇滲油漏油問題，當然，也有預測失誤的因素。特別是油井大范圍的高壓噴井現(xiàn)象，處理不當極易導致重大污染事件。實際的原油開采過程中，還會受到多種因素的影響，如自然環(huán)境、管道老化陳舊等，這些因素都會在一定程度上加劇土壤石油污染。當石油浸透到土壤中，會影響和破壞土壤結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)移和分散各種土粒子，造成土壤透水性降低；期間各種反應基能與氮、磷等的結(jié)合，引發(fā)土壤中的養(yǎng)分含量減少，其中的多環(huán)芳烴組織，甚至還伴有致癌、致畸等危害，這些活性基能在食物鏈結(jié)構(gòu)下，還會快速進入到人及動植物的體內(nèi)，加大一系列的惡性循環(huán)。

3 土壤石油污染修復技術(shù)

3.1 土壤置換法

土壤置換法，即為土壤綜合治理修復方案，主要是提煉和篩選嚴重遭受損害的農(nóng)作物，集散已經(jīng)遭受污染的土壤面積，只鏟除這些被污染的土壤，更換新的、未受污染的土壤。這種方法操作簡易，可直接優(yōu)化和改善土壤環(huán)境，但實際操作中必須嚴格遵循技術(shù)操作規(guī)范，且易受到內(nèi)外環(huán)境影響，需要耗費大量的人力物力及成本。

3.2 微生物修復法

微生物修復法主要具有以下幾種：①現(xiàn)場處理法：將被污染的廢物施加于土壤中，采取施肥、灌溉及撒石灰等方法，達到對污染土壤的修復。對于污染廢物及土層中污染成分的降解而言，需要靈活運用各種土著微生物。②預制床法：根據(jù)預制床的控制排放系統(tǒng)，降低污染物的遷移量，直接將受污染的土壤放置在預制床上，進行施肥、灌溉等操作處理，以此來調(diào)節(jié)酸堿度，還可以取適量微生物及表面活性劑加入其中，保障降解率的優(yōu)勢及作用。③堆制處理法：挖掘未受污染的土壤，避免引發(fā)更大污染面積，妥善堆放到固定位置后，展開相應的生物處理技術(shù)工作，發(fā)揮對污染土壤中的多環(huán)芳烴降解功能。目前已經(jīng)研究出的微生物有節(jié)桿菌屬、不動桿菌屬等可適用于石油污染土壤修復，銅綠假單胞菌更是有著較高的應用率。溫度、環(huán)境、鹽度及營養(yǎng)物質(zhì)等因素均會影響微生物對石油烴的降解效果，需要綜合微生物的修復效應進行分析[2]。

3.3 植物修復、微生物與植物聯(lián)合修復法

植物修復法就是選用輕污染土壤區(qū)域(或是經(jīng)改造后的廢氣油井)，綜合考量土壤石油污染環(huán)境，根據(jù)實際情況，種植一些適應力強、生命力頑強的植物，利用植物自身的代謝及微生物優(yōu)勢，來分解土壤中的污染物，并快速吸收有害物質(zhì)。目前已經(jīng)研究出的耐石油污染植物有鳳眼蓮、香蒲、玉米草、蘆葦、黑麥草、鹽地堿蓬、狗牙根等，植物根系的生長和根系分泌物，具有能夠降解石油烴的酶，土壤石油濃度也對植物降解效率產(chǎn)生影響，不同的植物在降解石油烴時的作用機理各有差異。如紫花苜蓿，在土壤石油固定含量(10 g/kg)，其石油降解率高達59%[3]。土壤石油濃度增加，會大幅降低降解率。也就是說，該方法有著顯著優(yōu)勢，但也受制于植物生長影響限制。

微生物與植物聯(lián)合修復法是一種對多種治理方法的整合與應用，為綜合、高效的土壤修復技術(shù)，適用于繁瑣復雜的中等污染土壤，根據(jù)污染土壤、地理位置及水質(zhì)等因素，優(yōu)選植物(或微生物)進行修復工作，如菌根真菌和根瘤菌的聯(lián)合，聯(lián)合修復土壤層中的多氯苯，分解污染物的效果尤為明顯。這種方法利用植物和微生物的協(xié)同作用治理土壤石油污染，選擇適宜的植物-微生物體系是關(guān)鍵和核心，如金盞菊與外源石油結(jié)合時，多種酶(土壤脲酶等)活性增加，優(yōu)化土壤根際微環(huán)境。這種綜合修復技術(shù)成為目前生物修復技術(shù)領(lǐng)域的研究趨勢。此外，還有生物修復的輔助技術(shù)，如表面活性劑預處理技術(shù)等[4]。

總之，當前土壤石油污染生物修復理論及技術(shù)，在實踐探索中取得顯著性成果，但也顯現(xiàn)出一些矛盾和不足，精準性、系統(tǒng)性研究相對匱乏。因此，應結(jié)合實際情況，加強對土壤石油污染的不同立地類型構(gòu)建生物修復體系的研究。

4 土壤石油污染中植物的習語效應作用研究過程

4.1 材料與方法

4.1.1 研究對象

研究對象位于陜西省的黃土高原典型土壤區(qū)，地勢呈西北高、東南低，具有大量丘陵溝壑區(qū)，總面積37040 km2(平均海拔1200 m)；氣候為暖溫帶半濕潤易旱氣候區(qū)，早晚溫差大(年均氣溫7.8～10.5 ℃)，有著充足的日照量(年均日照數(shù)2400～2600 h)，年均降水量450～500 mm，典型的土壤類型為黃綿土，質(zhì)地呈中壤質(zhì)(發(fā)育在黃土母質(zhì)中)。

本次試驗中選取的供試植物有6種，具體為黑麥草、高羊茅草、冰草、沙打旺、紫花苜蓿、檸條(從野外荒草地中拾取)；土壤系為農(nóng)田表層土壤(2～30 cm)。采集土壤樣本后，先后進行風干和除雜處理，利用5 mm篩備用，提取的石油原油為延長油田萬107號油井，檢測密度和動力黏土分別為0.839 g/cm3(20 ℃)、4.6 MPa/s(50 ℃)，運用盆栽生物試驗，盆缽半徑10 cm、深20 cm[5]。

4.1.2 土壤理化性質(zhì)的測定

①土壤顆粒測定：采用MS3000型激光粒度儀測定；②土壤測定：土壤pH值的檢測，調(diào)配土與水的比例為1∶2.5，根據(jù)電極法(220型酸度計)測定；③有機質(zhì)測定：使用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測定；④全氮含量測定：使用半微量凱氏定氮儀測定；⑤有效磷含量測定：使用碳酸氫鈉浸提和Olsen法(鉬銻抗比色法)；⑥速效鉀含量測定：使用醋酸銨浸提和火焰光度法測定[6]。

4.1.3 植物對土壤石油污染耐受力及降解率測定

為進一步準確分析植物對土壤石油污染的耐受性，試驗中選用均質(zhì)石油，利用生物盆栽方式。具體步驟為先設(shè)計相同質(zhì)量的土壤樣本，分別設(shè)置石油污染程度(水平)為0.5%、1%、2%和4%，將石油與樣本混合后加以密封，放置1周，命名為試驗組；同期選適量沒有遭受石油污染的土壤，作為參照對象，命名為參照組。本次試驗播種期間，每盆播種固定數(shù)量的種子(40粒)，覆土1 cm，橫向設(shè)置對照組1組，循環(huán)往復試驗操作3次。所有播種后的盆栽，根據(jù)隨機原則布置，還要適合時調(diào)換位置，給予種子足夠的通風和光照。在灌溉上則是采取隔天差重法澆水的方法，確保土壤充足的含水率(不低于25%)，參考土壤田間持水量。整個試驗過程中，1周監(jiān)測植物株高1次，試驗周期維持3月(90 d)，還要測定植物的生物量，經(jīng)過采集與處理盆栽土壤，測定土壤中的石油烴總量。其中不同生物處理的石油降解率，參考下式[7]。

4.2 結(jié)果與討論

4.2.1 土壤石油污染對植物種子發(fā)芽率的影響

對于植物種子的發(fā)芽率，這是保持生長過程的基礎(chǔ)和前提，其間受到土壤石油污染，故檢測種子的發(fā)芽率，是確保修復石油污染土壤的關(guān)鍵指標之一。經(jīng)過實施植物發(fā)芽試驗，明確石油污染土壤的修復能力。本次選取的6種種子，發(fā)芽率情況(表1)，發(fā)現(xiàn)在相同的石油污染程度下，灌木植物的發(fā)芽率低于草本植物。

表1 6種種子的發(fā)芽率 %

從表1中可以看出，石油污染水平為0.5%僅有黑麥草和冰草的發(fā)芽率未受波及，土壤污染物含量越多，發(fā)芽率與之成反比，下降趨勢明顯。經(jīng)過與沒有受到污染的對照組相比，污染水平處在4%時，6種植物種子發(fā)芽率表現(xiàn)出不同的下降速度，其間黑麥草、高羊茅草和檸條所有影響最小，保持著較高的相對發(fā)芽率；冰草和紫花苜蓿的發(fā)芽率直接受到土壤石油污染，污染程度4%時發(fā)芽率僅為52.8%和51.8%，沙打旺也是如此，此狀態(tài)下發(fā)芽率僅為20.2%。因此，結(jié)合這些植物的發(fā)芽情況，黑麥草和高羊茅草這兩種植物對土壤石油污染具有十分頑強的耐受力和修復潛力[8]。

6種植物的發(fā)芽率受到石油污染影響，土壤石油污染程度的加劇，植物的發(fā)芽率下降現(xiàn)象明顯；同一種石油污染程度下，草本植物與灌木植物相比，發(fā)芽率更高，耐受力和生命力較強。

4.2.2 土壤石油污染對植物株高的影響

植物的株高除了受到遺傳因素外，還與土壤水分的供給情況有著直接關(guān)系。也就是說，在土壤石油污染狀態(tài)下，土壤持水性、供水性，也對植株的生長產(chǎn)生作用。可以將植株高度看作是植物對土壤石油污染耐受性的外觀指標，這一指標是比較敏感的。6種植物的植株高度，也不同程度受到土壤石油污染的影響，尤其是在污染程度的加重，株高下降趨勢明顯，這與相關(guān)專家的研究實證相符。

在土壤石油污染狀態(tài)下，不同種類的植物表現(xiàn)也各有差異，黑麥草、紫花苜蓿、檸條受到在污染程度為1%時遭受污染，冰草、高羊茅草和沙打旺在污染程度為0.5%影響顯著，經(jīng)過動態(tài)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)紫花苜蓿和沙打旺所受污染最為直接。當石油污染程度4%時，所有植物呈現(xiàn)出緩慢和滯后的生長態(tài)勢，在試驗結(jié)束前期，紫花苜蓿和沙打旺植物幾乎瀕臨枯死狀態(tài)，這兩種植物的耐受性最差，究其原因，在于耗水量較大。此外，黑麥草、冰草、高羊茅草、檸條受到土壤石油污染影響較小，保持著一定的水分，耐受力相對較強[9,10]。

在污染程度0.5%的狀態(tài)下，冰草和高羊茅草抑制影響下，生長到85 d時，株高與對照組相比分別是42.4%、51.7%；在污染程度1%時，黑麥草和檸條抑制影響下，生長到85 d時，株高與對照組相比分別是53.6%、38.4%；在4%污染程度下，種植到85 d時，與對照組相比，黑麥草株高39.8%、冰草株高29.7%、高羊茅草株高32.4%、檸條株高20.6%。從中可以看出，6種植物中黑麥草受到土壤石油污染影響最小，表現(xiàn)出巨大的抗石油污染土壤修復潛力。

在土壤石油污染狀態(tài)下，土壤層中的持水性和供水性也有所變化，造成6種植物對外界刺激反應大，在石油污染程度不斷增加下，植物的株高降低趨勢十分明顯。關(guān)于石油對植物株高的抑制效應，植物自身也是影響因素之一，3種植物(黑麥草、紫花苜蓿、檸條)受到抑制出現(xiàn)在1%的污染水平，3種植物(冰草、高羊茅、沙打旺)受到抑制出現(xiàn)在0.5%的污染水平，尤其是紫花苜蓿和沙打旺受土壤石油污染影響最直接[11,12]。

4.2.3 土壤石油污染對植物生物量的影響

在6種植物的修復過程中，經(jīng)過對植物微生物的測定，運用MPN法(大腸菌群檢測法)，測定90 d內(nèi)的植物根際土壤和未種植的土壤，對比兩者之間的微生物數(shù)量變化情況。對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，植物根際的微生物數(shù)量多出3個數(shù)量級，修復前，植物根際微生物數(shù)量多出2個數(shù)量級，修復后的兩個月后，植物根際的微生物數(shù)量多出1個數(shù)量級。無論是修復前期，還是修復后期，植物根際微生物數(shù)量差異顯著，既與測定時間因素有關(guān)，也受植物根系分泌物的影響。在植物根際生物量不斷增加的同時，微生物的數(shù)量及種類發(fā)生改觀，土壤石油污染刺激植物生長環(huán)境，促使除油微生物的出現(xiàn)，在生長中逐漸衍變成為植物根際環(huán)境中的優(yōu)勢菌群。此外，植物為適應外界環(huán)境，提高自身耐受力和生命力，還會分泌出與污染物具有相同之處的物質(zhì)，以此來刺激土壤石油污染的抵抗，進一步改變所有微生物的種類分布[11,12]。

如圖1所示為6種植物生物量隨石油污染程度的變化情況。

圖1 不同石油污染水平土壤條件下供試植物的生物量

6種植物的微生物量變化，在土壤石油污染程度加劇下減少，同一石油污染程度下，每個植物的微生物量表現(xiàn)出不同的減小現(xiàn)象。當石油污染程度為2%時，這6種植物基本都受到比較大的影響。

4.2.4 植物對土壤石油污染的修復效應作用

植物修復技術(shù)(包括石油污染物在內(nèi)的有機污染物的修復)，經(jīng)過相關(guān)研究，其具有較高的生態(tài)修復價值，這種綜合修復技術(shù)，利用植物根系分泌微生物，在生物催化作用下，降解有機污染物，以此來降低對植物的危害性。沒有植物種植的對照土壤和供試植物在經(jīng)過3個月的生育期后，土壤的石油烴降解變化情況十分顯著，在植物根際土壤中，因植物對適應土壤環(huán)境作出的調(diào)節(jié)，適應微生物的生長，其間根系不斷延伸，土壤發(fā)生變化，從集合體轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷?，污染物氧化過程中必需的氧氣，順著根渠方向，逐步進入到深厚的土壤層中，再加上植物根系生長中自身又會分泌出有機質(zhì)和酶，對石油烴的降解有著極大的好處，促進整個石油烴的降解變化過程[13～15]。

未種植植物的空白對照土壤情況，在光解、土壤原著微生物等作用下，4個污染程度處理下(0.5%、1%、2%、4%)土壤中石油污染物的降解率變化為13.3%～17.9%。6種植物條件都會促進土壤石油污染物的降解，各植物之間的降解促進作用從大到小依次排列為黑麥草、高羊茅草、冰草、紫花苜蓿、砂打旺、檸條，且灌木植物的降解能力顯著地域草本植物。若是石油污染程度不斷上漲，植物生長過程中，受到土壤石油污染的脅迫作用，石油烴的降解率又表現(xiàn)為下降的趨勢。

經(jīng)過對水平方向的相同污染程度的空白對照比較，污染程度0.5%，6種植物受土壤石油污染影響較小，降解效果十分明顯，特別是黑麥草和高羊茅草最為明顯，其石油烴降解率為對照組的2.2倍左右，對石油烴降解率最低的檸條也高出對照組的1.3倍[16～19]。污染程度1%時，在石油烴降解效果表現(xiàn)上，與對照組處理相比，高羊茅草為2.4倍，黑麥草為2.3倍，冰草為1.7倍，紫花苜蓿為1.6倍，沙旺打和檸條的降解無明顯。污染程度為2%和4%時，只有冰草、黑麥草和高羊茅草降解效應明顯，前者污染程度3種植物對石油烴的降解率分別是對照處理的2.3、2.3和2.1倍；后者污染程度其降解率分別是對照處理的1.7、1.6和1.5倍，而紫花苜蓿、沙打旺、檸條石油烴降解效果不明顯。

結(jié)合石油烴的降解變化情況，6種植物對土壤石油污染表現(xiàn)出促進作用，總體趨勢上灌木植物的降解能力低于草本植物；伴隨著土壤石油污染程度的加劇，植物受到污染物的脅迫作用明顯，這時植物的降解能力會逐漸下降。本研究所選的試驗對象為陜北地區(qū)石油污染代表性區(qū)域，就當?shù)赝寥朗臀廴緺顟B(tài)下的石灰性土壤來說，6種供試植物中的檸條和沙打旺適用于污染程度0.5%的土壤層修復潛力；高羊茅草、黑麥草、冰草、紫花苜蓿適用于污染程度1%的土壤修復潛力；黑麥草、高羊茅草、冰草適用于污染程度4%的土壤修復潛力[20]。

5 結(jié)論及建議

通過關(guān)于植物對土壤石油污染的響應及修復效果的研究，得出以下幾點結(jié)論：①土壤石油污染對6種植物的發(fā)芽率影響顯著，伴隨著污染程度加劇，所有植物的發(fā)芽率逐漸降低；同一種污染程度，草本植物的發(fā)芽率高于灌木植物；②在土壤石油污染狀態(tài)下，土壤的持水性和供水性也受到限制，表現(xiàn)為植物株高的直接影響，在污染程度加劇下，株高降低趨勢愈演愈烈，黑麥草、紫花苜蓿、檸條的抑制為污染程度1%,冰草、高羊茅草、沙打旺的抑制為污染程度0.5%，尤其是紫花苜蓿和沙打旺受土壤石油污染的影響最為顯著；③6種植物的微生物量在土壤石油污染程度下降趨勢顯著，每種植物表現(xiàn)各不相同，在污染程度達到2%，絕大多數(shù)的植物受到限制影響；④石油烴降解率對土壤污染石油修復具有促進作用，各種植物的石油烴降解率各不相同，也表現(xiàn)出不同的土壤修復潛力。

本文經(jīng)過試驗分析，動態(tài)監(jiān)測和分析土壤石油污染狀態(tài)的植物修復效應作用，探索生物降解、植物修復技術(shù)，對比各種植物修復技術(shù)優(yōu)勢，豐富陜北生長環(huán)境和不同土壤石油污染程度的植物修復潛力，為相關(guān)研究提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。建議今后的相關(guān)性試驗，注重開展土壤石油污染對土壤水分運移過程、數(shù)值模擬研究、內(nèi)在機理等，還要在植物修復技術(shù)體系上，推進化學修復技術(shù)研究，其意義十分重大。