石油污染對土壤持水能力及供水強度的影響

魏 樣, 王益權(quán), 韓霽昌, 孫嬰嬰

(1.陜西省土地工程建設集團有限責任公司, 陜西 西安 710075; 2.陜西省土地整治重點實驗室，陜西 西安 710061; 3.西北農(nóng)林科技大學 資源環(huán)境學院, 陜西 楊凌 712100; 4.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責任公司, 陜西 西安 710075; 5.自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室, 陜西 西安 710075)

土壤水分是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素，是評價土壤生產(chǎn)力的主要指標之一，研究土壤持水能力及供水強度可為土壤資源評價提供基礎依據(jù)[1]。關于土壤持水性、供水能力以及水分有效性，國內(nèi)外學者開展了大量研究。有研究[2]表明，生物炭對不同質(zhì)地土壤的持水性會產(chǎn)生不同的影響，對砂土的影響程度與生物炭添加量顯著正相關，對壤土和黏土的影響均小于砂土；不同綠化植物廢棄物對土壤持水能力和供水強度也產(chǎn)生一定影響，一定吸力條件下，綠化植物廢棄物可有效提高土壤的持水能力，隨著廢棄物含量的增加，土壤田間持水量和有效水含量均逐漸增加[3]；土壤覆被不同，土壤的持水和供水能力也會有所不同，種植玉米和種植大豆的土壤水分狀況存在一定差異[4]；有研究者利用模型來估算土壤的持水供水能力，研究得出通過作物模型可反演估算得到不同土層的土壤有效水含量[5]，利用田間現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)可進一步改進土壤持水曲線的估算模型[6]；另有研究者測定了不同介質(zhì)的土壤水分供持能力，獲得了膨潤土與砂混合介質(zhì)的持水曲線[7]。以上這些研究為土壤水分高效利用提供了基礎數(shù)據(jù)支撐，但是關于石油污染物對土壤持水能力及供水強度方面的研究卻鮮有報道。土壤的持水性依賴于顆粒表面的親水性和毛管孔隙的持水特征，土壤質(zhì)地類別和結(jié)構(gòu)孔隙是左右持水性的基礎。然而土壤受石油污染后，一方面使得土壤顆粒表面疏水化，親水性降低；另一方面油污對土壤孔隙會造成程度不同地堵塞，必將影響土壤的持水容量和持水能力，同樣也會影響土壤的失水過程。土壤受石油污染后，往往會加劇土壤的干燥化過程，直接威脅植被和生態(tài)建設，影響土壤環(huán)境內(nèi)的生物過程和修復效果。

土壤的持水特性必須體現(xiàn)在土壤水分變化的全過程中，而不是某時某刻的水分情況。為了直觀表征在失水期間土壤持水特性的變化規(guī)律，評價不同梯度石油污染處理土壤的供水強度，揭示污染物對土壤干燥化的作用程度，本研究選取陜北采油區(qū)的主要土壤類型—輕壤質(zhì)黃綿土為研究對象，設置不同石油污染梯度，分析土壤水分特征曲線對石油污染的響應，采用Van Genuchten模型[8]進行曲線擬合，以不同石油污染梯度下的土壤水分特征曲線參數(shù)、土壤水分常數(shù)和比水容量等為指標，半量化地認知石油污染物對土壤持水能力及供水強度的作用與影響程度，對于指導石油污染地下水—土系統(tǒng)的治理與修復具有重要理論意義和應用價值，研究結(jié)果也可為分析其它有機污染物對土壤水分物理特性的作用規(guī)律提供借鑒，同時也為分析有機污染物在土壤中遷移與轉(zhuǎn)化規(guī)律提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與制備

供試黃綿土采自陜西省延安市寶塔區(qū)，在遠離油井的荒草地采集清潔土壤。樣品采集時先用取土鏟清除表面雜草，隨后挖取0—30 cm表層土壤，帶回室內(nèi)進行處理。采集的土壤樣品經(jīng)自然風干、除雜、研磨并通過2 mm篩后備用。供試土壤機械組成采用MS 2000型激光粒度儀測定，結(jié)果詳見表1。用取自陜西省延安市延長油田開采的原油作為土壤石油污染物，采用人工定量化配置的均質(zhì)石油污染土壤作為研究素材。具體做法是稱取相同質(zhì)量的土壤樣品，按照污染濃度質(zhì)量分數(shù)分別為0%，0.5%，1%，2%，4%等5個污染梯度將石油與土樣混合，并充分拌勻后放置備用。

表1 供試土壤機械組成

1.2 水分特征曲線的測定與擬合

目前測定不同土壤水分特性曲線的手段或方法很多[9-11]，各個方法和手段均有不同優(yōu)缺點和應用條件。本研究采用高速離心機法對不同處理土壤水分特征曲線進行測定，離心機選用日本HITACHI公司生產(chǎn)的CR21G型高速恒溫冷凍離心機。按照設定土壤容重為1.40 g/cm3稱取經(jīng)過不同程度石油污染處理的土壤樣品，將之裝填在容積為100 cm3的離心機專用環(huán)刀內(nèi)，將盛土的環(huán)刀放入水池內(nèi)，進行充分水分飽和后并且稱重，再放入離心機轉(zhuǎn)子內(nèi)，在20 ℃條件下按照設定的不同離心力依次設定轉(zhuǎn)速和離心時間(表2)，待離心平衡后取出稱重，依次用差減法計算在不同平衡離心力(水吸力)條件下的土壤含水量，即可獲得不同處理土壤的水分特征曲線，每處理均重復3次。

表2 不同土壤水吸力對應的離心機轉(zhuǎn)速及離心時間

為了準確定量化表征各處理土壤的水分特征曲線，采用了V-G模型進行數(shù)學擬合，因為該模型能夠?qū)Χ喾N質(zhì)地類別和結(jié)構(gòu)性狀土壤的實測數(shù)據(jù)實現(xiàn)高度擬合，而被最廣泛地應用。其中V-G模型見公式(1)，相關參數(shù)詳見公式(2)—(3)：

(1)

(2)

(3)

式中：θr≤θ≤θs，θr——土壤剩余含水率(cm3/cm3)；θs——土壤飽和含水率(cm3/cm3)；h——土壤基質(zhì)吸力(cm水柱高)；m，n——土壤水分特性曲線的斜率；α——水分特性曲線最大拐點處對應的水吸力的倒數(shù)(cm-1)。

本研究選用以V-G為模型的RETC軟件擬合了不同石油污染土壤的水分特征曲線，并獲得了各種處理的相應模型參數(shù)。

1.3 土壤水分常數(shù)及水分有效性劃分

土壤水分常數(shù)以及水分有效性可以直接測得，也可以通過土壤水分特征曲線獲得。田間持水量和萎蔫系數(shù)分別是土壤水分有效性的上限和下限，當土壤含水量低于萎蔫系數(shù)時，作物生長困難，甚至枯死。依據(jù)前人的研究結(jié)果，田間持水量大約相當于水吸力(pF)為2.53時的土壤含水量，而萎蔫系數(shù)約為水吸力(pF)為4.18時的土壤含水量[12]。介于田間持水量和萎蔫系數(shù)之間的土壤含水量，即水吸力(pF)在2.53～4.18之間的土壤含水量為全有效水含量[13-14]。全有效水包含速效水(易效水)和遲效水(難效水)，速效水相當于水吸力(pF)在2.53～3.79之間的土壤含水量，遲效水相當于水吸力(pF)在3.79～4.18之間的土壤含水量[15]。

1.4 土壤比水容量的計算

比水容量為土壤水分特征曲線的斜率，表示的是在不同階段單位土水勢或吸力變化時單位質(zhì)量土壤可釋放或吸入的水量，用字母C來表示。比水容量在評價土壤水分有效性[16]和土壤供水能力方面具有極為重要的意義。土壤比水容量采用公式(4)計算，各符號意義同上。

(4)

采用Excel和Origin 85軟件進行數(shù)據(jù)處理和繪圖，采用SPSS進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 石油污染對土壤持水性的影響

2.1.1 對土壤水分特征曲線的影響 土壤水分特征曲線表述了土壤水勢和土壤水分含量之間的關系，反映了土壤水的能量和數(shù)量狀態(tài)之間的關系，是土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、孔隙狀況等物理特性的綜合表征[8]，可用來研究不同性狀土壤的持水性和土壤水分有效性，是研究土壤運動特性與水分保持的基本工具[17]。土壤持水性依賴于礦物顆粒表面的親水性和毛管孔隙彎月力的作用，當土壤顆粒表面親水性受到影響，或持水孔隙被占據(jù)，或孔隙壁的疏水性增加等，必然會影響土壤的持水能力。從機理上講顆粒表面的親水性影響主要體現(xiàn)在對高吸力段的分子持水性方面，而孔隙構(gòu)造或孔隙壁受到影響主要體現(xiàn)在低吸力段的毛管孔隙持水段。圖1為不同污染處理條件下供試土壤的水分特征曲線。由圖1可見，石油污染引起土壤水分特征曲線發(fā)生持水性降低的左移現(xiàn)象。在相同水吸力下，隨著石油污染濃度的增加，土壤的持水量在不同程度地遞減，證實了石油污染對土壤持水能力有著極為顯著的影響。非濕潤性的石油污染土壤后一方面被吸附在土壤顆粒表面，使其表面油脂化，從而使土壤產(chǎn)生了一定斥水性；一方面石油的黏滯性較高，高含量的石油會滯留在土壤孔隙中，占據(jù)水分儲存空間，從而使土壤飽和持水能力下降。石油污染對土壤水分特征曲線影響顯著區(qū)間主要在水吸力(pF)1.5的低吸力段和水吸力(pF)3.5以上的高吸力段。也就是說石油污染物呈現(xiàn)著既明顯降低土壤顆粒表面的親水性，又顯著降低毛管孔隙持水性的機理。其次還可以看出，在顆粒表面分子持水的高吸力段，低濃度的石油污染就能顯著降低分子持水性，隨石油污染物濃度增加，分子持水遞減的幅度明顯減小，似乎佐證著石油污染對顆粒表面的疏水化作用特別明顯，可見石油污染對土壤持水曲線顯著性的影響體現(xiàn)在孔隙持水區(qū)段(低吸力)和顆粒表面分子持水區(qū)段(高吸力)。石油污染梯度變化對土壤水分特征曲線的影響在低水吸力段更加明顯，表明污染對土壤的結(jié)構(gòu)性影響更為顯著。

注：圖中線條均為擬合值，點均代表實測值。

2.1.2 對水分特征曲線參數(shù)的影響 對土壤水分特征曲線參數(shù)進一步分析，不僅能夠了解石油污染對土壤持水特征的影響程度和機理，更有助于量化判別對土壤持水作用影響情況。本研究采用土壤水力學研究中廣泛應用的V-G經(jīng)驗模型對土壤在不同污染梯度下的水分特征曲線進行擬合，擬合參數(shù)詳見表3。由表3可見，擬合系數(shù)R2均達到了極顯著水平，表明V-G模型非常好的擬合了本試驗土壤，有關模型參數(shù)具有較高的可信性和真實性。

表3 石油污染對土壤水分特征曲線V-G模型參數(shù)的影響

注：同一列數(shù)據(jù)后不同小寫字母者表示不同污染濃度在p<0.05水平上差異顯著。下同。

模型參數(shù)θs為飽和含水量(容積含水量)，反映了土壤孔隙持水情況，依賴于土壤總孔隙。理論上講，θs應該在數(shù)值上與土壤總孔隙度相一致，然而從表3可見，各處理土壤雖然容重一致(即總孔隙度相同)，但隨著石油污染濃度的增加，土壤飽和度明顯遞減，土壤殘缺飽和度(無污染土壤飽和含水量與污染土壤飽和含水量的差值與無污染土壤飽和含水量之間的比值)呈現(xiàn)增加趨勢(圖2)。這是因為土壤受非濕潤流體(油)的影響，濕潤流體(水)難以取代非濕潤流體，會產(chǎn)生“殘余非濕潤流體飽和度”[18]，換句話說，因為殘余的非濕潤流體飽和度的影響，必然會出現(xiàn)石油污染土壤水分的“殘缺飽和度”。

圖2 石油污染濃度與殘缺飽和度的關系

θr為土壤剩余含水量，為當水吸力無限增大時土壤所能保持的含水量，嚴格意義上講依賴于顆粒表面性狀，反映的是土壤顆粒表面的分子持水性[19]。受石油污染的作用和影響，土壤顆粒表面被疏水化，影響著顆粒的親水性，各處理θr與清潔土壤之間的差異極為明顯，隨著污染濃度的增加，θr呈線性下降趨勢(R2=0.786 3，p<0.05)，表明石油污染物對土壤顆粒表面分子持水性的顯著作用和影響。

曲線參數(shù)α是土壤進氣值時水吸力的倒數(shù)，隨著石油污染濃度的增加，土壤的α值變化不夠顯著，即石油污染物對土壤的進氣值影響不夠明顯。n值作為土壤水分特征曲線的斜率，直觀反映著在失水期間隨水吸力增大，水分特征曲線逼近剩余含水量的快慢，因此，它是反映土壤的失水速率的參數(shù)。n值越大，土壤失水快，說明保水性越差，土壤越容易干燥化。由表3可見，隨著石油污染濃度的增加，土壤的n值呈現(xiàn)出規(guī)律性的遞增趨勢，表明石油污染物引起土壤失水速率顯著增大，保水性變差。

2.2 石油污染對土壤水分有效性的影響

土壤水分常數(shù)是評價土壤持水性的直觀性指標。根據(jù)各處理土壤水分特征曲線模型獲取不同石油污染處理土壤的系列水分常數(shù)，結(jié)果詳見表4。由表4可以看出，石油污染對土壤水分常數(shù)的影響較為顯著，隨著污染物濃度的增加，土壤持水能力總體上呈現(xiàn)減弱趨勢。相比于無污染土壤而言，4%石油污染濃度土壤的田間持水量和萎蔫系數(shù)分別降低了15.52%和33.09%；全有效水、速效水和遲效水含量分別降低了3.17%，1.32%和14.49%。總之，石油污染土壤后，導致土壤有效水含量降低，引起土壤持水或蓄水能力下降，不利于協(xié)調(diào)干旱氣候與植物需水性之間的矛盾，對作物生長極為不利。

表4 石油污染土壤水分常數(shù) %

2.3 石油污染對土壤比水容量的影響

比水容量是單位土壤基質(zhì)勢(或吸力)變化時單位質(zhì)量土壤可釋放(失水過程)或吸收(吸水過程)的水量，也被稱為土壤的容水度，它是土壤物理性質(zhì)的重要函數(shù)，也是土壤水分動力學的重要參數(shù)，表征著土壤失水或吸水過程與特征，反映的是土壤的釋水能力亦即供水能力。比水容量是土壤水分特征曲線的斜率，由于水分特征曲線為非線性，所以不同水吸力范圍的比水容量也不盡相同。一般在低吸力，土壤釋水量較多，植物汲取水分耗能少，高吸力段，土壤釋水量減少，植物汲水耗能高，故而植物所吸收利用的水分存在一定的不等效性。通過水分特性曲線計算獲得各處理土壤在重要供水的中、低吸力段的比水容量(表5)，以表征石油污染對土壤抗旱性的作用和影響機理。由表5可以看出，在中低吸力段，土壤比水容量隨著水吸力的增加呈先增加后遞減的趨勢，隨著石油污染濃度的增加，污染物引起土壤顆粒表面疏水化程度越發(fā)嚴重，對土壤孔隙的堵塞作用隨之增強，由此引起土壤的比水容量呈現(xiàn)出顯著遞減趨勢，表明污染引起土壤釋水量遞減，為植物供給可利用的水量相應減少。與無污染土壤比較，在低吸力段，較小比例的石油污染(0.5%)便可引起土壤比水容量發(fā)生較大幅度的降低。有研究指出，當比水容量的數(shù)量級為10-4(cm-1)，10-6(Pa-1)時，土壤水分有效程度顯著降低，已處于或相當于毛管斷裂含水量狀態(tài)，土壤處于水分脅迫狀態(tài)，此時的土壤供水能力逐漸開始不能滿足植物的正常生長需求，植物便出現(xiàn)不同程度的萎蔫或減產(chǎn)狀態(tài)[20]。因此，當土壤比水容量達到此數(shù)量級時的吸力值越大，土壤耐旱性越好。對照表5可以看出，石油污染引起土壤可利用水分對應的吸力范圍變窄，由此可見，石油污染物顯著降低了土壤的供水能力，并且隨著污染濃度的增加，土壤供水能力顯著在減弱，土壤耐旱性降低，更加劇了該地區(qū)的土壤旱情，給生態(tài)和植物生產(chǎn)帶來不可避免的災難。

表5 石油污染土壤的比水容量 10-4 cm-1

3 結(jié) 論

土壤受石油污染的影響，水分特征曲線發(fā)生持水性降低的左移現(xiàn)象，引起土壤失水速率顯著增大，保水性降低。石油污染對土壤持水曲線顯著性的影響體現(xiàn)在孔隙持水區(qū)段(低吸力)和顆粒表面分子持水區(qū)段(高吸力)，在低水吸力段的影響更加明顯，表明污染對土壤的結(jié)構(gòu)性的影響更為顯著。石油污染導致土壤有效水含量降低，土壤蓄供水強度顯著減弱，土壤耐旱性降低，不利于協(xié)調(diào)干旱氣候與植物需水性之間的矛盾，對作物生長極為不利。