土壤石油污染中植物的修復(fù)效應(yīng)作用研究

鄧開良，韋星輝

(1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院集團(tuán)第十市政設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730030;2.西北師范大學(xué)，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(zāi)害等，成為當(dāng)前亟待解決的重難點(diǎn)問題。Rutherford提出，生物修復(fù)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(jìn)行修復(fù)。而植物修復(fù)技術(shù)作為生物修復(fù)技術(shù)中的一種，劉五星等在研究中提出，對(duì)于石油污染土壤修復(fù)而言，柳樹、苜蓿、楊樹等40余種植物均有不錯(cuò)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(xué)及生理學(xué)特征作為篩選植物的指標(biāo)，而修復(fù)指標(biāo)主要是石油污染物的去除率和殘留量。因此，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，加強(qiáng)對(duì)土壤石油污染中的植物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用，既可保護(hù)原有植被不被破壞，又提升了對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和生物的修復(fù)效應(yīng)及作用。本文采取試驗(yàn)與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法，分析各項(xiàng)指標(biāo)的變化趨勢(shì)，如土壤含水量、土壤脫氫酶、土壤微生物數(shù)量等，進(jìn)一步研究土壤石油污染石油烴降解效應(yīng)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(shí)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(huì)表現(xiàn)出較差的生長態(tài)勢(shì)[1]。土壤石油污染的主要原因?yàn)椴捎椭腥斯げ僮鞑划?dāng)，加劇滲油漏油問題，當(dāng)然，也有預(yù)測(cè)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(dāng)極易導(dǎo)致重大污染事件。實(shí)際的原油開采過程中，還會(huì)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(huì)在一定程度上加劇土壤石油污染。當(dāng)石油浸透到土壤中，會(huì)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(yīng)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(huì)快速進(jìn)入到人及動(dòng)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(fù)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(fù)方案，主要是提煉和篩選嚴(yán)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(shí)際操作中必須嚴(yán)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(fèi)大量的人力物力及成本。

3.2 微生物修復(fù)法

微生物修復(fù)法主要具有以下幾種：①現(xiàn)場(chǎng)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(dá)到對(duì)污染土壤的修復(fù)。對(duì)于污染廢物及土層中污染成分的降解而言，需要靈活運(yùn)用各種土著微生物。②預(yù)制床法：根據(jù)預(yù)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(yù)制床上，進(jìn)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(shì)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(yīng)的生物處理技術(shù)工作，發(fā)揮對(duì)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(dòng)桿菌屬等可適用于石油污染土壤修復(fù)，銅綠假單胞菌更是有著較高的應(yīng)用率。溫度、環(huán)境、鹽度及營養(yǎng)物質(zhì)等因素均會(huì)影響微生物對(duì)石油烴的降解效果，需要綜合微生物的修復(fù)效應(yīng)進(jìn)行分析[2]。

3.3 植物修復(fù)、微生物與植物聯(lián)合修復(fù)法

植物修復(fù)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(shí)際情況，種植一些適應(yīng)力強(qiáng)、生命力頑強(qiáng)的植物，利用植物自身的代謝及微生物優(yōu)勢(shì)，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(duì)植物降解效率產(chǎn)生影響，不同的植物在降解石油烴時(shí)的作用機(jī)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(dá)59%[3]。土壤石油濃度增加，會(huì)大幅降低降解率。也就是說，該方法有著顯著優(yōu)勢(shì)，但也受制于植物生長影響限制。

微生物與植物聯(lián)合修復(fù)法是一種對(duì)多種治理方法的整合與應(yīng)用，為綜合、高效的土壤修復(fù)技術(shù)，適用于繁瑣復(fù)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(jìn)行修復(fù)工作，如菌根真菌和根瘤菌的聯(lián)合，聯(lián)合修復(fù)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(shí)，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(fù)技術(shù)成為目前生物修復(fù)技術(shù)領(lǐng)域的研究趨勢(shì)。此外，還有生物修復(fù)的輔助技術(shù)，如表面活性劑預(yù)處理技術(shù)等[4]。

總之，當(dāng)前土壤石油污染生物修復(fù)理論及技術(shù)，在實(shí)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(zhǔn)性、系統(tǒng)性研究相對(duì)匱乏。因此，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，加強(qiáng)對(duì)土壤石油污染的不同立地類型構(gòu)建生物修復(fù)體系的研究。

4 土壤石油污染中植物的習(xí)語效應(yīng)作用研究過程

4.1 材料與方法

4.1.1 研究對(duì)象

研究對(duì)象位于陜西省的黃土高原典型土壤區(qū)，地勢(shì)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?yàn)榕瘻貛О霛駶櫼缀禋夂騾^(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(yàn)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(jìn)行風(fēng)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(hào)油井，檢測(cè)密度和動(dòng)力黏土分別為0.839 g/cm3(20 ℃)、4.6 MPa/s(50 ℃)，運(yùn)用盆栽生物試驗(yàn)，盆缽半徑10 cm、深20 cm[5]。

4.1.2 土壤理化性質(zhì)的測(cè)定

①土壤顆粒測(cè)定：采用MS3000型激光粒度儀測(cè)定；②土壤測(cè)定：土壤pH值的檢測(cè)，調(diào)配土與水的比例為1∶2.5，根據(jù)電極法(220型酸度計(jì))測(cè)定；③有機(jī)質(zhì)測(cè)定：使用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測(cè)定；④全氮含量測(cè)定：使用半微量凱氏定氮儀測(cè)定；⑤有效磷含量測(cè)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(cè)定：使用醋酸銨浸提和火焰光度法測(cè)定[6]。

4.1.3 植物對(duì)土壤石油污染耐受力及降解率測(cè)定

為進(jìn)一步準(zhǔn)確分析植物對(duì)土壤石油污染的耐受性，試驗(yàn)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(jì)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(yàn)組；同期選適量沒有遭受石油污染的土壤，作為參照對(duì)象，命名為參照組。本次試驗(yàn)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(duì)照組1組，循環(huán)往復(fù)試驗(yàn)操作3次。所有播種后的盆栽，根據(jù)隨機(jī)原則布置，還要適合時(shí)調(diào)換位置，給予種子足夠的通風(fēng)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(gè)試驗(yàn)過程中，1周監(jiān)測(cè)植物株高1次，試驗(yàn)周期維持3月(90 d)，還要測(cè)定植物的生物量，經(jīng)過采集與處理盆栽土壤，測(cè)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(duì)植物種子發(fā)芽率的影響

對(duì)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(cè)種子的發(fā)芽率，是確保修復(fù)石油污染土壤的關(guān)鍵指標(biāo)之一。經(jīng)過實(shí)施植物發(fā)芽試驗(yàn)，明確石油污染土壤的修復(fù)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(shì)明顯。經(jīng)過與沒有受到污染的對(duì)照組相比，污染水平處在4%時(shí)，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(duì)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(shí)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(duì)土壤石油污染具有十分頑強(qiáng)的耐受力和修復(fù)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(qiáng)。

4.2.2 土壤石油污染對(duì)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(duì)植株的生長產(chǎn)生作用?？梢詫⒅仓旮叨瓤醋魇侵参飳?duì)土壤石油污染耐受性的外觀指標(biāo)，這一指標(biāo)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(shì)明顯，這與相關(guān)專家的研究實(shí)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(shí)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(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)紫花苜蓿和沙打旺所受污染最為直接。當(dāng)石油污染程度4%時(shí)，所有植物呈現(xiàn)出緩慢和滯后的生長態(tài)勢(shì)，在試驗(yàn)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(duì)較強(qiáng)[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(shí)，株高與對(duì)照組相比分別是42.4%、51.7%；在污染程度1%時(shí)，黑麥草和檸條抑制影響下，生長到85 d時(shí)，株高與對(duì)照組相比分別是53.6%、38.4%；在4%污染程度下，種植到85 d時(shí)，與對(duì)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(fù)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(duì)外界刺激反應(yīng)大，在石油污染程度不斷增加下，植物的株高降低趨勢(shì)十分明顯。關(guān)于石油對(duì)植物株高的抑制效應(yīng)，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(duì)植物生物量的影響

在6種植物的修復(fù)過程中，經(jīng)過對(duì)植物微生物的測(cè)定，運(yùn)用MPN法(大腸菌群檢測(cè)法)，測(cè)定90 d內(nèi)的植物根際土壤和未種植的土壤，對(duì)比兩者之間的微生物數(shù)量變化情況。對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，植物根際的微生物數(shù)量多出3個(gè)數(shù)量級(jí)，修復(fù)前，植物根際微生物數(shù)量多出2個(gè)數(shù)量級(jí)，修復(fù)后的兩個(gè)月后，植物根際的微生物數(shù)量多出1個(gè)數(shù)量級(jí)。無論是修復(fù)前期，還是修復(fù)后期，植物根際微生物數(shù)量差異顯著，既與測(cè)定時(shí)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(shí)，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(shì)菌群。此外，植物為適應(yīng)外界環(huán)境，提高自身耐受力和生命力，還會(huì)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(jìn)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(gè)植物的微生物量表現(xiàn)出不同的減小現(xiàn)象。當(dāng)石油污染程度為2%時(shí)，這6種植物基本都受到比較大的影響。

4.2.4 植物對(duì)土壤石油污染的修復(fù)效應(yīng)作用

植物修復(fù)技術(shù)(包括石油污染物在內(nèi)的有機(jī)污染物的修復(fù))，經(jīng)過相關(guān)研究，其具有較高的生態(tài)修復(fù)價(jià)值，這種綜合修復(fù)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(jī)污染物，以此來降低對(duì)植物的危害性。沒有植物種植的對(duì)照土壤和供試植物在經(jīng)過3個(gè)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(duì)適應(yīng)土壤環(huán)境作出的調(diào)節(jié)，適應(yīng)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(jìn)入到深厚的土壤層中，再加上植物根系生長中自身又會(huì)分泌出有機(jī)質(zhì)和酶，對(duì)石油烴的降解有著極大的好處，促進(jìn)整個(gè)石油烴的降解變化過程[13～15]。

未種植植物的空白對(duì)照土壤情況，在光解、土壤原著微生物等作用下，4個(gè)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(huì)促進(jìn)土壤石油污染物的降解，各植物之間的降解促進(jìn)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(shì)。

經(jīng)過對(duì)水平方向的相同污染程度的空白對(duì)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(duì)照組的2.2倍左右，對(duì)石油烴降解率最低的檸條也高出對(duì)照組的1.3倍[16～19]。污染程度1%時(shí)，在石油烴降解效果表現(xiàn)上，與對(duì)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(shí)，只有冰草、黑麥草和高羊茅草降解效應(yīng)明顯，前者污染程度3種植物對(duì)石油烴的降解率分別是對(duì)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(duì)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(duì)土壤石油污染表現(xiàn)出促進(jìn)作用，總體趨勢(shì)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(shí)植物的降解能力會(huì)逐漸下降。本研究所選的試驗(yàn)對(duì)象為陜北地區(qū)石油污染代表性區(qū)域，就當(dāng)?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(fù)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(fù)潛力；黑麥草、高羊茅草、冰草適用于污染程度4%的土壤修復(fù)潛力[20]。

5 結(jié)論及建議

通過關(guān)于植物對(duì)土壤石油污染的響應(yīng)及修復(fù)效果的研究，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：①土壤石油污染對(duì)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(shì)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(shì)顯著，每種植物表現(xiàn)各不相同，在污染程度達(dá)到2%，絕大多數(shù)的植物受到限制影響；④石油烴降解率對(duì)土壤污染石油修復(fù)具有促進(jìn)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(fù)潛力。

本文經(jīng)過試驗(yàn)分析，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和分析土壤石油污染狀態(tài)的植物修復(fù)效應(yīng)作用，探索生物降解、植物修復(fù)技術(shù)，對(duì)比各種植物修復(fù)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，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(fù)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(yàn)，注重開展土壤石油污染對(duì)土壤水分運(yùn)移過程、數(shù)值模擬研究、內(nèi)在機(jī)理等，還要在植物修復(fù)技術(shù)體系上，推進(jìn)化學(xué)修復(fù)技術(shù)研究，其意義十分重大。