土壤石油污染中植物的修复效应作用研究

邓开良，韦星辉

(1.上海市政工程设计研究总院集团第十市政设计院有限公司，甘肃 兰州 730030;2.西北师范大学，甘肃 兰州 730000)

1 引言

土壤石油污染在普遍多见，是构成地下水污染的主要原因，影响地下水的水质，无法保障正常的生活生产用水，石油污染引发的农业生产破坏、生态灾害等，成为当前亟待解决的重难点问题。Rutherford提出，生物修复技术不仅可以治理多种类型的土壤污染情况，还能够对原油、柴油、汽油等不同类型的石油污染土壤进行修复。而植物修复技术作为生物修复技术中的一种，刘五星等在研究中提出，对于石油污染土壤修复而言，柳树、苜蓿、杨树等40余种植物均有不错的石油污染物降解能力。王亚男等在研究中将植物表型、生物化学及生理学特征作为筛选植物的指标，而修复指标主要是石油污染物的去除率和残留量。因此，应结合实际情况，加强对土壤石油污染中的植物修复技术的应用，既可保护原有植被不被破坏，又提升了对土壤结构和生物的修复效应及作用。本文采取试验与动态监测相结合的方法，分析各项指标的变化趋势，如土壤含水量、土壤脱氢酶、土壤微生物数量等，进一步研究土壤石油污染石油烃降解效应和影响因素。

2 土壤石油污染的成因及危害

关于土壤石油污染，主要是由于石油开采等因素引发的污染，这种污染起初以油井为中心，随着时间的积累，逐步向周围拓展和延伸。值得注意的是，油井处的污染程度最大，一般来说，油井周围，最为直观的就是颜色的变化，其周围的土壤颜色呈现出黑色，这里生长的植物也会表现出较差的生长态势[1]。土壤石油污染的主要原因为采油中人工操作不当，加剧渗油漏油问题，当然，也有预测失误的因素。特别是油井大范围的高压喷井现象，处理不当极易导致重大污染事件。实际的原油开采过程中，还会受到多种因素的影响，如自然环境、管道老化陈旧等，这些因素都会在一定程度上加剧土壤石油污染。当石油浸透到土壤中，会影响和破坏土壤结构，转移和分散各种土粒子，造成土壤透水性降低；期间各种反应基能与氮、磷等的结合，引发土壤中的养分含量减少，其中的多环芳烃组织，甚至还伴有致癌、致畸等危害，这些活性基能在食物链结构下，还会快速进入到人及动植物的体内，加大一系列的恶性循环。

3 土壤石油污染修复技术

3.1 土壤置换法

土壤置换法，即为土壤综合治理修复方案，主要是提炼和筛选严重遭受损害的农作物，集散已经遭受污染的土壤面积，只铲除这些被污染的土壤，更换新的、未受污染的土壤。这种方法操作简易，可直接优化和改善土壤环境，但实际操作中必须严格遵循技术操作规范，且易受到内外环境影响，需要耗费大量的人力物力及成本。

3.2 微生物修复法

微生物修复法主要具有以下几种：①现场处理法：将被污染的废物施加于土壤中，采取施肥、灌溉及撒石灰等方法，达到对污染土壤的修复。对于污染废物及土层中污染成分的降解而言，需要灵活运用各种土著微生物。②预制床法：根据预制床的控制排放系统，降低污染物的迁移量，直接将受污染的土壤放置在预制床上，进行施肥、灌溉等操作处理，以此来调节酸碱度，还可以取适量微生物及表面活性剂加入其中，保障降解率的优势及作用。③堆制处理法：挖掘未受污染的土壤，避免引发更大污染面积，妥善堆放到固定位置后，展开相应的生物处理技术工作，发挥对污染土壤中的多环芳烃降解功能。目前已经研究出的微生物有节杆菌属、不动杆菌属等可适用于石油污染土壤修复，铜绿假单胞菌更是有着较高的应用率。温度、环境、盐度及营养物质等因素均会影响微生物对石油烃的降解效果，需要综合微生物的修复效应进行分析[2]。

3.3 植物修复、微生物与植物联合修复法

植物修复法就是选用轻污染土壤区域(或是经改造后的废气油井)，综合考量土壤石油污染环境，根据实际情况，种植一些适应力强、生命力顽强的植物，利用植物自身的代谢及微生物优势，来分解土壤中的污染物，并快速吸收有害物质。目前已经研究出的耐石油污染植物有凤眼莲、香蒲、玉米草、芦苇、黑麦草、盐地碱蓬、狗牙根等，植物根系的生长和根系分泌物，具有能够降解石油烃的酶，土壤石油浓度也对植物降解效率产生影响，不同的植物在降解石油烃时的作用机理各有差异。如紫花苜蓿，在土壤石油固定含量(10 g/kg)，其石油降解率高达59%[3]。土壤石油浓度增加，会大幅降低降解率。也就是说，该方法有着显著优势，但也受制于植物生长影响限制。

微生物与植物联合修复法是一种对多种治理方法的整合与应用，为综合、高效的土壤修复技术，适用于繁琐复杂的中等污染土壤，根据污染土壤、地理位置及水质等因素，优选植物(或微生物)进行修复工作，如菌根真菌和根瘤菌的联合，联合修复土壤层中的多氯苯，分解污染物的效果尤为明显。这种方法利用植物和微生物的协同作用治理土壤石油污染，选择适宜的植物-微生物体系是关键和核心，如金盏菊与外源石油结合时，多种酶(土壤脲酶等)活性增加，优化土壤根际微环境。这种综合修复技术成为目前生物修复技术领域的研究趋势。此外，还有生物修复的辅助技术，如表面活性剂预处理技术等[4]。

总之，当前土壤石油污染生物修复理论及技术，在实践探索中取得显著性成果，但也显现出一些矛盾和不足，精准性、系统性研究相对匮乏。因此，应结合实际情况，加强对土壤石油污染的不同立地类型构建生物修复体系的研究。

4 土壤石油污染中植物的习语效应作用研究过程

4.1 材料与方法

4.1.1 研究对象

研究对象位于陕西省的黄土高原典型土壤区，地势呈西北高、东南低，具有大量丘陵沟壑区，总面积37040 km2(平均海拔1200 m)；气候为暖温带半湿润易旱气候区，早晚温差大(年均气温7.8～10.5 ℃)，有着充足的日照量(年均日照数2400～2600 h)，年均降水量450～500 mm，典型的土壤类型为黄绵土，质地呈中壤质(发育在黄土母质中)。

本次试验中选取的供试植物有6种，具体为黑麦草、高羊茅草、冰草、沙打旺、紫花苜蓿、柠条(从野外荒草地中拾取)；土壤系为农田表层土壤(2～30 cm)。采集土壤样本后，先后进行风干和除杂处理，利用5 mm筛备用，提取的石油原油为延长油田万107号油井，检测密度和动力黏土分别为0.839 g/cm3(20 ℃)、4.6 MPa/s(50 ℃)，运用盆栽生物试验，盆钵半径10 cm、深20 cm[5]。

4.1.2 土壤理化性质的测定

①土壤颗粒测定：采用MS3000型激光粒度仪测定；②土壤测定：土壤pH值的检测，调配土与水的比例为1∶2.5，根据电极法(220型酸度计)测定；③有机质测定：使用重铬酸钾氧化—外加热法测定；④全氮含量测定：使用半微量凯氏定氮仪测定；⑤有效磷含量测定：使用碳酸氢钠浸提和Olsen法(钼锑抗比色法)；⑥速效钾含量测定：使用醋酸铵浸提和火焰光度法测定[6]。

4.1.3 植物对土壤石油污染耐受力及降解率测定

为进一步准确分析植物对土壤石油污染的耐受性，试验中选用均质石油，利用生物盆栽方式。具体步骤为先设计相同质量的土壤样本，分别设置石油污染程度(水平)为0.5%、1%、2%和4%，将石油与样本混合后加以密封，放置1周，命名为试验组；同期选适量没有遭受石油污染的土壤，作为参照对象，命名为参照组。本次试验播种期间，每盆播种固定数量的种子(40粒)，覆土1 cm，横向设置对照组1组，循环往复试验操作3次。所有播种后的盆栽，根据随机原则布置，还要适合时调换位置，给予种子足够的通风和光照。在灌溉上则是采取隔天差重法浇水的方法，确保土壤充足的含水率(不低于25%)，参考土壤田间持水量。整个试验过程中，1周监测植物株高1次，试验周期维持3月(90 d)，还要测定植物的生物量，经过采集与处理盆栽土壤，测定土壤中的石油烃总量。其中不同生物处理的石油降解率，参考下式[7]。

4.2 结果与讨论

4.2.1 土壤石油污染对植物种子发芽率的影响

对于植物种子的发芽率，这是保持生长过程的基础和前提，其间受到土壤石油污染，故检测种子的发芽率，是确保修复石油污染土壤的关键指标之一。经过实施植物发芽试验，明确石油污染土壤的修复能力。本次选取的6种种子，发芽率情况(表1)，发现在相同的石油污染程度下，灌木植物的发芽率低于草本植物。

表1 6种种子的发芽率 %

从表1中可以看出，石油污染水平为0.5%仅有黑麦草和冰草的发芽率未受波及，土壤污染物含量越多，发芽率与之成反比，下降趋势明显。经过与没有受到污染的对照组相比，污染水平处在4%时，6种植物种子发芽率表现出不同的下降速度，其间黑麦草、高羊茅草和柠条所有影响最小，保持着较高的相对发芽率；冰草和紫花苜蓿的发芽率直接受到土壤石油污染，污染程度4%时发芽率仅为52.8%和51.8%，沙打旺也是如此，此状态下发芽率仅为20.2%。因此，结合这些植物的发芽情况，黑麦草和高羊茅草这两种植物对土壤石油污染具有十分顽强的耐受力和修复潜力[8]。

6种植物的发芽率受到石油污染影响，土壤石油污染程度的加剧，植物的发芽率下降现象明显；同一种石油污染程度下，草本植物与灌木植物相比，发芽率更高，耐受力和生命力较强。

4.2.2 土壤石油污染对植物株高的影响

植物的株高除了受到遗传因素外，还与土壤水分的供给情况有着直接关系。也就是说，在土壤石油污染状态下，土壤持水性、供水性，也对植株的生长产生作用。可以将植株高度看作是植物对土壤石油污染耐受性的外观指标，这一指标是比较敏感的。6种植物的植株高度，也不同程度受到土壤石油污染的影响，尤其是在污染程度的加重，株高下降趋势明显，这与相关专家的研究实证相符。

在土壤石油污染状态下，不同种类的植物表现也各有差异，黑麦草、紫花苜蓿、柠条受到在污染程度为1%时遭受污染，冰草、高羊茅草和沙打旺在污染程度为0.5%影响显著，经过动态监测，发现紫花苜蓿和沙打旺所受污染最为直接。当石油污染程度4%时，所有植物呈现出缓慢和滞后的生长态势，在试验结束前期，紫花苜蓿和沙打旺植物几乎濒临枯死状态，这两种植物的耐受性最差，究其原因，在于耗水量较大。此外，黑麦草、冰草、高羊茅草、柠条受到土壤石油污染影响较小，保持着一定的水分，耐受力相对较强[9,10]。

在污染程度0.5%的状态下，冰草和高羊茅草抑制影响下，生长到85 d时，株高与对照组相比分别是42.4%、51.7%；在污染程度1%时，黑麦草和柠条抑制影响下，生长到85 d时，株高与对照组相比分别是53.6%、38.4%；在4%污染程度下，种植到85 d时，与对照组相比，黑麦草株高39.8%、冰草株高29.7%、高羊茅草株高32.4%、柠条株高20.6%。从中可以看出，6种植物中黑麦草受到土壤石油污染影响最小，表现出巨大的抗石油污染土壤修复潜力。

在土壤石油污染状态下，土壤层中的持水性和供水性也有所变化，造成6种植物对外界刺激反应大，在石油污染程度不断增加下，植物的株高降低趋势十分明显。关于石油对植物株高的抑制效应，植物自身也是影响因素之一，3种植物(黑麦草、紫花苜蓿、柠条)受到抑制出现在1%的污染水平，3种植物(冰草、高羊茅、沙打旺)受到抑制出现在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响最直接[11,12]。

4.2.3 土壤石油污染对植物生物量的影响

在6种植物的修复过程中，经过对植物微生物的测定，运用MPN法(大肠菌群检测法)，测定90 d内的植物根际土壤和未种植的土壤，对比两者之间的微生物数量变化情况。对比结果发现，植物根际的微生物数量多出3个数量级，修复前，植物根际微生物数量多出2个数量级，修复后的两个月后，植物根际的微生物数量多出1个数量级。无论是修复前期，还是修复后期，植物根际微生物数量差异显著，既与测定时间因素有关，也受植物根系分泌物的影响。在植物根际生物量不断增加的同时，微生物的数量及种类发生改观，土壤石油污染刺激植物生长环境，促使除油微生物的出现，在生长中逐渐衍变成为植物根际环境中的优势菌群。此外，植物为适应外界环境，提高自身耐受力和生命力，还会分泌出与污染物具有相同之处的物质，以此来刺激土壤石油污染的抵抗，进一步改变所有微生物的种类分布[11,12]。

如图1所示为6种植物生物量随石油污染程度的变化情况。

图1 不同石油污染水平土壤条件下供试植物的生物量

6种植物的微生物量变化，在土壤石油污染程度加剧下减少，同一石油污染程度下，每个植物的微生物量表现出不同的减小现象。当石油污染程度为2%时，这6种植物基本都受到比较大的影响。

4.2.4 植物对土壤石油污染的修复效应作用

植物修复技术(包括石油污染物在内的有机污染物的修复)，经过相关研究，其具有较高的生态修复价值，这种综合修复技术，利用植物根系分泌微生物，在生物催化作用下，降解有机污染物，以此来降低对植物的危害性。没有植物种植的对照土壤和供试植物在经过3个月的生育期后，土壤的石油烃降解变化情况十分显著，在植物根际土壤中，因植物对适应土壤环境作出的调节，适应微生物的生长，其间根系不断延伸，土壤发生变化，从集合体转变为疏松，污染物氧化过程中必需的氧气，顺着根渠方向，逐步进入到深厚的土壤层中，再加上植物根系生长中自身又会分泌出有机质和酶，对石油烃的降解有着极大的好处，促进整个石油烃的降解变化过程[13～15]。

未种植植物的空白对照土壤情况，在光解、土壤原著微生物等作用下，4个污染程度处理下(0.5%、1%、2%、4%)土壤中石油污染物的降解率变化为13.3%～17.9%。6种植物条件都会促进土壤石油污染物的降解，各植物之间的降解促进作用从大到小依次排列为黑麦草、高羊茅草、冰草、紫花苜蓿、砂打旺、柠条，且灌木植物的降解能力显著地域草本植物。若是石油污染程度不断上涨，植物生长过程中，受到土壤石油污染的胁迫作用，石油烃的降解率又表现为下降的趋势。

经过对水平方向的相同污染程度的空白对照比较，污染程度0.5%，6种植物受土壤石油污染影响较小，降解效果十分明显，特别是黑麦草和高羊茅草最为明显，其石油烃降解率为对照组的2.2倍左右，对石油烃降解率最低的柠条也高出对照组的1.3倍[16～19]。污染程度1%时，在石油烃降解效果表现上，与对照组处理相比，高羊茅草为2.4倍，黑麦草为2.3倍，冰草为1.7倍，紫花苜蓿为1.6倍，沙旺打和柠条的降解无明显。污染程度为2%和4%时，只有冰草、黑麦草和高羊茅草降解效应明显，前者污染程度3种植物对石油烃的降解率分别是对照处理的2.3、2.3和2.1倍；后者污染程度其降解率分别是对照处理的1.7、1.6和1.5倍，而紫花苜蓿、沙打旺、柠条石油烃降解效果不明显。

结合石油烃的降解变化情况，6种植物对土壤石油污染表现出促进作用，总体趋势上灌木植物的降解能力低于草本植物；伴随着土壤石油污染程度的加剧，植物受到污染物的胁迫作用明显，这时植物的降解能力会逐渐下降。本研究所选的试验对象为陕北地区石油污染代表性区域，就当地土壤石油污染状态下的石灰性土壤来说，6种供试植物中的柠条和沙打旺适用于污染程度0.5%的土壤层修复潜力；高羊茅草、黑麦草、冰草、紫花苜蓿适用于污染程度1%的土壤修复潜力；黑麦草、高羊茅草、冰草适用于污染程度4%的土壤修复潜力[20]。

5 结论及建议

通过关于植物对土壤石油污染的响应及修复效果的研究，得出以下几点结论：①土壤石油污染对6种植物的发芽率影响显著，伴随着污染程度加剧，所有植物的发芽率逐渐降低；同一种污染程度，草本植物的发芽率高于灌木植物；②在土壤石油污染状态下，土壤的持水性和供水性也受到限制，表现为植物株高的直接影响，在污染程度加剧下，株高降低趋势愈演愈烈，黑麦草、紫花苜蓿、柠条的抑制为污染程度1%,冰草、高羊茅草、沙打旺的抑制为污染程度0.5%，尤其是紫花苜蓿和沙打旺受土壤石油污染的影响最为显著；③6种植物的微生物量在土壤石油污染程度下降趋势显著，每种植物表现各不相同，在污染程度达到2%，绝大多数的植物受到限制影响；④石油烃降解率对土壤污染石油修复具有促进作用，各种植物的石油烃降解率各不相同，也表现出不同的土壤修复潜力。

本文经过试验分析，动态监测和分析土壤石油污染状态的植物修复效应作用，探索生物降解、植物修复技术，对比各种植物修复技术优势，丰富陕北生长环境和不同土壤石油污染程度的植物修复潜力，为相关研究提供了数据依据。建议今后的相关性试验，注重开展土壤石油污染对土壤水分运移过程、数值模拟研究、内在机理等，还要在植物修复技术体系上，推进化学修复技术研究，其意义十分重大。