石油污染对土壤物理性质的影响

2016-06-13魏准田应兵

长江大学学报(自科版) 2016年9期

关键词：渗透系数土壤

魏准，田应兵

(长江大学农学院，湖北荆州 434025)

杜显元，陈宏坤

(中国石油安全环保技术研究院，北京 102206)

金涛，周建利

(长江大学农学院，湖北荆州 434025)

石油污染对土壤物理性质的影响

魏准，田应兵

(长江大学农学院，湖北荆州 434025)

杜显元，陈宏坤

(中国石油安全环保技术研究院，北京 102206)

金涛，周建利

(长江大学农学院，湖北荆州 434025)

[摘要]采用室内模拟的方法，研究了不同含量石油污染条件下土壤容重、孔隙度、含水率和渗透性能的变化。结果表明，土壤中低含量的石油污染物对容重和孔隙度的影响不显著，当土壤中石油污染物含量超过30g/kg以后，土壤容重随含油量的增加而显著降低；当土壤中石油污染物含量超过50g/kg以后，土壤孔隙度随含油量的增加而显著增大。石油污染物能显著降低土壤的渗透性能和含水率，随着石油污染物数量的增加，土壤渗透系数达到稳定的时间也随之延长。

[关键词]石油污染；土壤；容重；孔隙度；渗透系数

近年来,随着石油工业的发展,土壤的石油污染已成为世界各国普遍关注的环境问题。石油类污染物已列入我国危险废物名录,在列入的48种危险废物中,石油类排第8位[1]。石油进入土壤后，破坏土壤的固、液、气三相结构，石油烃在表层土壤中的积累导致土壤结构性和通透性能发生改变，进而影响土壤微生物的活动以及植物根系的呼吸和对水分与养料的吸收，甚至造成植物根系腐烂坏死，最终对农作物的生长和发育造成极大的负面影响[2]。微量石油类污染物进入土壤后可以通过微生物的分解作用去除[3]，但是大量石油类物质进入到土壤中可能会造成整个生态系统的退化[4]。

目前关于土壤中石油污染物对土壤水分运动的影响研究较多，但关于石油污染物对土壤容重、孔隙性质及其与水分运动之间关系的研究尚不多见。鉴于此，本研究采用室内模拟土壤石油污染的方法，研究了不同石油污染水平下土壤容重、孔隙度及渗透性能的变化，旨在为石油污染土壤的治理提供科学依据。

1材料与方法

1.1试验材料

供试土壤采自长江大学农学院实验基地，土壤为灰潮土，质地轻粘。供试石油取自华北油田。

1.2试验方法与测定项目

室内模拟试验设置土壤中石油污染物含量为6个水平，分别为0、30、50、70、90、110g/kg，每个水平3次重复。

试验前，将供试土壤进行风干、磨碎、过2mm筛及混匀处理，每个塑料桶(直径30cm，高45cm)装风干土3kg，按照上述设置的石油污染物水平加入石油，同时分别加入一定数量的水，使土壤质量含水率保持在20%，混匀后静置90d。90d后按照土壤渗透性测定方法测定渗透系数，历时30d。采用烘干法测定土壤含水率，采用环刀法测定土壤容重与孔隙度[5]。

1.3数据分析

利用Microsoft Excel 2003软件和SPSS 19.0进行数据处理与分析。

2结果与分析

2.1石油污染物含量对土壤容重的影响

不同石油污染物含量下各处理的容重结果见表1。

表1　不同含量石油污染物处理后供试土壤的容重变化

注：表中同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)，表2～3 同。

由表1可知，土壤中低含量(0～30g/kg)的石油污染物对容重无显著影响。当土壤中石油污染物含量超过30g/kg以后，土壤容重依次降低，不同处理间差异均达到显著水平。与对照(0g/kg)相比，不同处理的土壤容重分别降低了0.572%、1.591%、3.182%、4.947%和6.388%。说明土壤中石油污染物只有增加到一定数量后才会使土壤容重显著降低。

2.2石油污染物含量对土壤孔隙度的影响

不同石油污染物含量下各处理的孔隙度结果见表2。由表2可知，土壤中低含量(0～50g/kg)的石油污染物对孔隙度无显著影响。当土壤中石油污染物含量超过50g/kg以后，土壤孔隙度依次增大，不同处理间差异均达到显著水平。与对照(0g/kg)相比，不同处理的土壤孔隙度分别增加了0.406%、0.682%、3.208%、4.468%和5.250%。说明土壤中石油污染物只有增加到一定数量后才会显著增大土壤孔隙度。

表2　不同含量石油污染物处理后供试土壤的孔隙度变化

2.3石油污染物含量对土壤渗透性能的影响

由表3可知，供试土壤的渗透系数均随石油污染物数量的增大而降低，不同处理之间差异均达到显著水平。与对照相比，不同处理的土壤渗透系数分别降低了12.578%、26.745%、65.599%、69.605%和76.691%。说明石油污染物能显著降低土壤的渗透性能。

表3　不同含量石油污染物处理后供试土壤的渗透系数

图1反映了不同石油污染物含量对土壤水分渗透过程的影响。从图1可以看出，随着石油污染物数量的增加，土壤渗透系数达到稳定的时间也随之延长。

图1　不同含量石油污染物处理后土壤渗透系数的稳定时间

2.4石油污染物含量对土壤含水率的影响

不同含量石油污染物处理后土壤含水率的变化见图2。

图2　不同含量石油污染物处理后供试土壤的含水率

由图2可知，随着石油污染物含量的增加，土壤含水率呈下降趋势。含油处理的含水率与对照相比均有显著降低。其中30g/kg和50g/kg含量处理的含水率差异不显著，70g/kg和90g/kg含量处理的含水率差异也不显著。

3讨论

土壤受到石油污染后，其容重、孔隙度、渗透性能以及结构性能等物理性状均会发生明显改变。例如，砂质土壤被石油污染(含油量65g/kg)后，在生化降解过程中因生成对改善土壤结构有利的絮凝状代谢物，故土壤水稳性团聚体由初始的12.9%增加到64.4%，土壤容重则由1.3g/cm3降至0.7g/cm3[6]。本研究以粘质土壤为对象进行研究，结果表明低含量(0～30g/kg)的石油污染物对容重无显著影响，只有当土壤中石油污染物含量超过30g/kg以后，土壤容重才会显著降低，而且土壤容重显著降低的临界含油量远低于前人的研究结果，造成这种差异的原因可能在于土壤质地的不同。砂质土壤的颗粒较粗，大孔隙居多，一定时间内容纳的石油数量会多于粘质土，故其导致容重显著降低的临界含油量也较高。也有研究表明，土壤容重会随着石油污染物含量的增加而显著增大[7]，这可能与土壤质地以及石油在土壤中的渗透能力与存留时间有关。质地越粗，渗透力越强；石油及其组分在土壤中存在的时间越久，其在土壤中的渗透作用也越强[8]。

随着土壤容重的降低，石油污染土壤的孔隙度随之增大。本研究结果表明，土壤中低含量(0～50g/kg)的石油污染物对孔隙度无显著影响。当土壤中石油污染物含量超过50g/kg以后，土壤孔隙度依次增大，说明土壤中石油污染物只有增加到一定数量后才会显著增大土壤孔隙度。

由于石油的粘度较高，加上油类降解、同化过程中生成的若干粘稠性代谢物可堵塞土壤孔隙，从而增加土壤的渗透阻力和疏水性[9]。即使进入土壤中的石油较少，由于石油类物质的水溶性一般很小，土壤颗粒吸附石油类物质后不易被水浸润，难以形成有效的导水通路，透水性也会降低[10]。石油污染会显著降低土壤含水率[11]，但不会显著影响土壤水势[12]。本研究结果表明，随着石油污染物含量的增加，土壤含水率呈下降趋势。此外，表层土壤的质地特征是决定土壤透水性能的重要因素[13]。研究表明，土壤透水性能常因地域环境不同而有很大差异[14]。石油污染物的含量也影响到土壤的渗透过程。本研究结果显示，随着石油污染物数量的增加，土壤渗透系数达到稳定的时间也随之延长，其原因在于石油强烈的疏水性使土壤不易被雨水和灌溉水湿润，降雨或灌溉后易形成地表径流而流出土体。

[参考文献]

[1]陈俊武,曹汉昌.催化裂化技术与工程[M].北京:中国石化出版社,1995.

[2]邓绍云,徐学义,邱清华.我国石油污染土壤修复研究现状与展望[J].北方园艺,2012，(14)：184～190.

[3]WU B B,LAN T,LU D D,etal. Ecological and enzymatic responses to petroleum contamination[J]. Environmental Science:Processes and Impacts, 2014,16:1501～1509.

[4]侯梅芳,潘栋宇,黄赛花,等.微生物修复土壤多环芳烃污染的研究进展[J].生态环境科学,2015,23(7):1233～1238.

[5]黄昌勇.土壤学实验实习指导书[M].北京:农业出版社,1992:28～43.

[6]黄昌勇,徐建明.土壤学[M]. 北京:中国农业出版社,2013:246～247.

[7]张晓阳,李凯荣,张麟君.陕北石油污染对土壤理化性质的影响[J].水土保持研究,2013,20(3):32～38.

[8]陈鹤建.原油在土壤中的渗透及降解规律[J].油气田环境保护,2000,10(4):14～15.

[9]李梅,郑西来,童玲,等.石油污染对土壤渗透性的影响研究[J].中山大学学报(自然科学版),2009,48(2):119～123.

[10]任磊,黄廷林.土壤的石油污染[J].农业环境保护,2000,19(6):360～363.

[11]贾建丽,刘莹,李广贺,等.油田区土壤石油污染特性及理化性质关系[J].化工学报,2009,60(3):726～733.

[12]常志州,何加骏.水势与用氮量对土壤中石油降解的影响[J].农村生态环境,1997,13(10):21～24.

[13]郑丽萍,徐海芳.地表层状土壤透水性能的试验研究[J].水资源与水工程学报,2006,17(6):24～27.

[14]刘建伟,陈洪松,张伟,等.盘式入渗仪法测定喀斯特洼地土壤透水性研究[J].水土保持学报,2008,22(6):202～207.

[收稿日期]2015-12-17