影响芦苇修复新疆石油污染土壤的关键因素

张云波，吴文华，赵东风，刘春爽，刘其友

(中国石油大学化学工程学院，山东 青岛 266555)

新疆地区油气资源非常丰富，原油年产量占全国的1/8[1，2]。近年来，国家大力开发新疆石油资源，但其勘探、开发、炼制过程中对土壤造成了严重污染[3，4]。植物作为生态系统中物质循环和能量流动的重要组成部分，是污染土壤处理的有效系统[4～7]，石油污染土壤的植物修复以其能耗低、效果好、无二次污染等特点而倍受关注[8]。

本课题组在前期研究中首次根据新疆的气候特点，筛选出高效修复植物芦苇，为新疆石油污染土壤植物修复技术开发奠定了基础。然而，植物修复的效果受多种因素影响，包括土壤含水率、表面活性剂[9～11]及根际土壤中高效石油烃降解菌数量[12，13]等，控制与优化这些因素对提高植物修复效果具有积极意义。

基于此，作者在前期研究的基础上，针对新疆石油污染土壤的修复植物芦苇，进行室外模拟实验，研究其去除污染土壤石油烃的关键因素，通过正交实验优化芦苇修复的条件，以期为新疆石油污染土壤的治理提供可行的技术方法。

1 实验

1.1 材料

供试植物：芦苇，幼苗购于新疆土沙植物园，选择长势一致的芦苇幼苗。

供试土壤：采自新疆克拉玛依采油二厂的石油污染土壤，自然风干后，压碎，去除植物根系、石砾等残留物，过2 mm尼龙筛，供盆栽模拟实验用。

1.2 实验设计

将待用的石油污染土壤与清洁土壤按1∶5的比例混合均匀，称取10 kg装入桶中，在每个桶中栽种数目相同的芦苇幼苗，将桶放置于新疆现场实验室基地的室外。实验分为A、B、C三组，分别投加保水剂、表面活性剂和高效降解菌，投加量见表1。其中，选用十二烷基苯磺酸钠(SDBS)作为表面活性剂，以从当地石油污染土壤中筛选出的混合菌KL8-2作为高效降解菌。每一投加量做3个平行，实验数据取其平均值。实验从2010年5月28日开始到2010年8月26日结束，周期90 d。实验结束后，将土壤风干，过2 mm尼龙筛，采用四分法取样。

表1 影响因素的投加量

根据单因素实验的结果，考察保水剂、SDBS、KL8-2三因素间的相互影响和作用，设计3因素3水平的正交实验，见表2。

表2 正交实验的因素与水平

1.3 分析方法

采用超声-红外分光光度法在OIL510型红外测油仪上测定土壤中石油烃含量[14]。分别采用重铬酸钾容量法-外加热法、碱解蒸馏法、NaHCO3浸提钼锑抗比色法测定土壤有机质、碱解氮、速效磷含量[15]。

2 结果与讨论

2.1 保水剂对修复效果的影响

保水剂对土壤理化性质及芦苇形态指标的影响见表3。

表3 保水剂对土壤理化性质及芦苇形态指标的影响

由表3可知，随着保水剂投加量的增加，测量指标均呈增大趋势，保水剂投加量为15 g·kg-1时，土壤含水率、有机质含量、碱解氮含量最高，分别为35.07%、43.72 g·kg-1、65.11 mg·kg-1，比空白对照提高了51.36%、38.09%和34.19%；当保水剂投加量为12 g·kg-1时，土壤速效磷含量、植物的株高、根长和鲜重值最大，分别为16.76 mg·kg-1、56.14 cm、14.02 cm、16.69 g，比空白对照提高了105.90%、28.73%、20.14%和32.67%。由此可见，保水剂可减少土壤水分、养分的流失，增强土壤的保水性，对土壤氮、磷有明显的保蓄作用，具有保水、保肥的功效。施用保水剂可显著提高石油污染土壤中有机质、碱解氮和速效磷的含量，并将吸收的水分缓慢释放给植物利用，进而促进植物的生长。

保水剂投加量对石油烃降解作用的影响见图1。

图1 保水剂对石油烃降解作用的影响

由图1可知，施用一定量的保水剂可间接提高石油烃的降解率，促进修复作用。随着保水剂投加量的增加，降解率缓慢上升，投加量为0～12 g·kg-1时，降解率从32.16%升至36.47%；在投加量为12 g·kg-1时，降解率最大，比空白对照提高了13.40%；之后继续增加保水剂投加量，降解率反而下降。这表明保水剂的保水、保肥功效促进了芦苇的生长，增强了芦苇的根际效应，使整个植物修复体系处于良好状态，有利于石油烃污染物的降解，但过量的保水剂会产生抑制作用。

2.2 SDBS对修复效果的影响

植物修复过程中，石油烃的脱附和植物的可利用性是限制植物修复的主要因素。表面活性剂能降低界面表面张力，具有增溶作用，增加油类物质的溶解性和流动性，提高石油烃的生物可利用性，强化植物修复的效果。SDBS对石油烃降解作用的影响见图2。

图2 SDBS对石油烃降解作用的影响

由图2可知，修复90 d，SDBS对石油烃降解的促进作用比较明显，随着SDBS投加量的增大，降解率呈先上升后下降的趋势。在SDBS投加量为0～8 g·kg-1时，降解率从32.16%升至39.04%；投加量为8 g·kg-1时，降解率最高，比空白对照提高了21.70%；当SDBS投加量超过8 g·kg-1时，降解率反而下降，投加量增大到14 g·kg-1时，降解率下降到35.48%，比最高值降低了9.12%，这表明过度胶束化降低了水体中有机物的浓度，出现负增溶效果，或者高浓度的SDBS对植物及其根际区的微生物产生微毒害作用，反而抑制了降解过程。由此可见，适宜浓度的SDBS可促进疏水性有机污染物的生物可利用性，强化芦苇对土壤中石油烃的吸收和根际作用，提高降解率。

2.3 KL8-2对修复效果的影响

投加高效降解菌是强化植物修复效果的有效措施，石油组成复杂，土著微生物对其降解能力较弱，向土壤中投加高效降解菌可以促进植物生长，强化植物对石油烃的降解效果。混合菌KL8-2对石油烃降解作用的影响见图3。

图3 混合菌KL8-2对石油烃降解作用的影响

由图3可知，菌液量为0～120 mL·kg-1时，石油烃降解率逐渐提高，从32.16%升至48.92%；菌液量为120 mL·kg-1时，降解率最高，比空白对照提高了52.11%；之后再增加菌液量，降解率反而下降。表明高效降解菌确实具有强化植物修复的作用，这与刘鹏等[16]的研究结果相一致。混合菌KL8-2来自于石油污染土壤，对石油污染环境的适应力强，降解石油烃的能力较强，而且芦苇根际分泌的有机营养物可促进其生长、繁殖。降解菌代谢石油烃的同时，可刺激土壤中原本不能转化石油烃或转化较慢的土著微生物利用石油烃，加快了石油烃的降解。但是，过量的菌液反而不利于石油烃的降解，这是因为微生物量过多会加剧相互之间的竞争，使得存活下来的具有降解功能的微生物数目减少，从而导致降解作用减弱。

2.4 正交实验结果与分析(表4)

表4 正交实验结果与分析

由表4可知，经过90 d的强化修复，石油烃降解率在39.62%～56.72%；修复效果以2#、4#、8#实验较好，降解率均大于50%，其中，8#的降解率最高，为56.72%，比单独投加保水剂、SDBS和KL8-2的最佳降解率36.47%、39.04%、48.92%分别提高了55.53%、45.29%和15.94%，比未施加任何物质的降解率32.16%提高了76.37%。最优组合为A3B2C2，即保水剂15 g·kg-1、SDBS 8 g·kg-1、混合菌KL8-2 120 mL·kg-1。

3个因素对芦苇修复效果的影响大小依次为：KL8-2>SDBS>保水剂，高效降解混合菌KL8-2是影响芦苇修复降解效果的最主要因素，其次是表面活性剂(SDBS)，且二者的R值都很大，说明投加适量的KL8-2和SDBS对强化芦苇修复是至关重要的；保水剂的R值最小，说明保水剂投加量的变化对芦苇修复效果的影响较小。

3 结论

(1)保水剂具有保水、保肥的功效，有利于植物生长，促进修复作用。施用保水剂后，土壤含水率、有机质、碱解氮、速效磷、植物株高、根长、鲜重的最大值高达35.07%、43.72 g·kg-1、65.11 mg·kg-1、16.76 mg·kg-1、56.14 cm、14.02 cm、16.69 g，分别比空白对照提高了51.36%、38.09%、34.19%、105.90%、28.73%、20.14%、32.67%。

(2)施用保水剂、表面活性剂(SDBS)和高效降解混合菌(KL8-2)均可提高芦苇修复新疆石油污染土壤的效率。当保水剂、SDBS、混合菌KL8-2的投加量分别为12 g·kg-1、8 g·kg-1、120 mL·kg-1时，石油烃降解率达到最高，为36.47%、39.04%、48.92%，比空白对照提高了13.40%、21.70%、52.11%。

(3)芦苇修复的最优组合为：保水剂15 g·kg-1、SDBS 8 g·kg-1、混合菌KL8-2 120 mL·kg-1，石油烃降解率为56.72%。其中，混合菌KL8-2对芦苇修复石油污染土壤效果的影响最大。

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