石油污染土壤植物修复技术研究及展望

李先梅，肖 易，吴芸紫，韦政伟，金 涛，周建利，田应兵

(长江大学农学院，湖北荆州 434023)

在石油开采、运输、加工以及储存过程中，由于操作不当或事故泄漏等原因，常会有石油外溢或排放，造成严重的环境污染。据统计，目前我国共有油井20万口，每口油井污染的土地面积为200～500 m2，由此造成的土壤污染面积可达8 000万m2，这一数值每年还在不断增长[1]。石油污染土壤的主要表现形式为落地石油污染，80%以上的原油被截留在表层50 cm以上土壤中[2]。石油烃在表层土壤中的积累会导致土壤黏稠度的增加，影响土壤通透性，损害植物根部，阻碍根的呼吸与养分的吸收，引起根部腐烂，导致作物发芽出苗率降低，结实率下降，抗倒伏、抗病虫害能力降低，对农作物的生长和发育造成很大的负面影响[3]，严重者会导致遭受污染土壤在几年甚至几十年寸草不生[4-6]。此外，石油中的芳香烃类物质对人和动物的毒性较大，它还能通过食物链在动植物体内逐渐富集[5-7]，从而危害到人类的健康[8]。因此，石油污染土壤的修复与治理受到广泛的关注[9-10]。为此，笔者查阅相关文献，综述了石油污染土壤植物修复技术并提出了展望。

1 石油污染土壤的修复技术

20世纪80年代前，石油污染土壤处理方式仅限于物理或化学方法[11]。物理法通过焚烧、隔离或换土，可净化土壤中大部分有机污染物，但只是暂时防止了石油烃类的迁移，并仅适于小面积被石油烃类严重污染土壤的治理，同时破坏土壤结构和组分，且价格昂贵，很难实施，不能作为永久的治理方法[12-15]。化学方法可以获得较好的除油效果，但操作比较复杂，仅适用于油污浓度较高的土壤，并且由于所采用的化学试剂的二次污染问题限制了其应用[16]。

20世纪80年代以后，微生物修复技术成为人们研究的热点[17-20]。微生物修复技术与物理、化学方法相比，费用较低，处理形式多样，无论污染面积的大小均可施用，并且具有可同时处理受污染的土壤和地下水、操作相对简单、能永久性地消除污染物、无二次污染等特点[21]。然而面对大面积、高浓度的环境污染，微生物修复技术由于去污能力弱而很难达到较好的处理效果。植物修复则以其投资少、操作简便、效果好、不破坏场地结构、不引起二次污染、吸收污染物的生物量大、有利于生态环境的改善和野生生物的繁衍生境、兼顾美化环境等优点而成为人们普遍接受的去除土壤石油污染物的首选技术[22-26]。目前，美国和欧洲已成为世界上两个最大的应用植物修复技术的国家[27-30]。

2 植物修复技术的机理分析

植物修复技术是指以植物忍耐和超积累某种或某些污染物的理论为基础，利用植物及其共存微生物体系清除污染物的一种环境污染治理技术，即利用植物来修复和消除由有机毒物造成的土壤污染[31-33]。在实际操作时，先将植物种植于被污染的土壤中，然后收获其地上部分。土壤中的污染物在种植过程中或被转化为低毒或无毒的形态或化合物、或被植物吸收随收获物而从土中带走，然后再将收获的植物进行利用和处理。植物修复有机污染物的机理包括吸收、降解、挥发等[34-35]。

2.1植物吸收植物吸收是通过植物直接吸收污染物并将其转运蓄积到该植株的地上可收割部分。植物吸收是去除有机污染物的有效途径之一[36-38]。凌婉婷等研究了20种植物根对土壤中多环芳烃菲、芘的吸收作用，结果表明，菜心根对菲和芘的吸收作用显著，45 d后对菲和芘的吸收量分别高达11.9和428.3 mg/kg[39]。

2.2植物降解植物降解是指植物本身及相关微生物和各种酶系将有机污染物降解为无毒的小分子中间产物，最终分解为CO2和H2O。Gordon等研究杂交杨树对TCE(三氯乙烯)的修复，结果表明，杂交杨树在其体内可将TCE降解成三氯乙醇、氯代酮，最后降解成CO2[40]。

2.3植物挥发植物挥发是指与植物吸收相互联系的，利用本身的吸收、积累、挥发而减少土壤中的挥发性污染物，即植物将污染物吸收到体内后将其转化为气态物质，释放到大气中[41]。Schwab等利用紫花苜蓿(Medicagosativa)研究植物根系对萘的吸附降解情况，发现通过植物挥发可去除土壤中32.0%～45.0%的萘[42]。

3 植物修复技术的应用

早在1983年，Chaney就提出了利用超富集植物清除土壤污染物的思路，即植物修复技术。最常见的用于修复有机化合物的植物物种包括柳树、杨树和各种草本植物[43]。

3.1木本植物木本植物具有强大的根系，能够在土壤污染物浓度较高时旺盛生长，并对石油污染物具有一定的降解作用，且具有经济价值高、景观效果好、生态效益显著等优势。陆秀君选用山皂荚(GleditsiajaponicaMiq.)、梓树(CatalpaovataG.)、刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)、沙棘(HippophaerhamnoidesL.)4种木本植物的种子，分别在不同石油污染浓度下进行试验，发现在一定浓度石油污染土壤上栽种山皂荚、梓树苗木作为植物修复的主要树种是可行的[44]。Spriggs等研究表明，木本植物黑柳树(SalixnigraMarshall)、岑树(FraxinuspennsylvaniaMarshall)、白杨(Populusdeltoides×P.nigraDN 34 )能促进根际土壤中石油组分的降解[45]。董亚明等对木本植物柽柳(Tamarixchinensis)、沙枣(Elaeagnusangustifolia)修复新疆石油污染土壤的研究表明：经过80 d的修复，石油烃去除率可达到26.5%～28.6%[46]。这表明，不同木本植物忍耐和修复石油污染土壤的能力存大较大差异，部分常见木本植物种类及其石油烃降解率见表1。

3.2草本植物在石油污染土壤上进行植物修复，公认的理想的植物种类应具有较强的生命力，其发芽率应不受污染物的影响或影响较小，许多草本植物具有这方面的特点。彭昆国等对玉米(ZeamaysL.)、高粱(Sorghum)、披碱草(ElymusdahuricusTurcz.)和翅碱蓬(SuaedahetropteraKitag)4种供试植物进行了温室盆栽试验，观测发现，高粱和披碱草具有较大的种子发芽率和石油污染耐受性[47]。李方敏等发现，黑麦草(LoliumperenneL.)和玉米草在石油污染的土壤上具有较强的种子萌发能力[48]。Phillips等比较了裸麦(ElymusangustusTrin.)、高芽草(Agropyronelongatum)、黑麦草、紫花苜蓿(Medicagosativa)、牛毛草(FestucarubraL.)和蓝草(Puccinellianuttalliana)6种草本植物对石油烃污染土壤的修复作用，发现所有的植物修复组中石油烃类的降解率都高于空白对照组，这表明植物修复能有效地降低土壤中石油烃的含量[49-50]。钱晓荣等通过种植黑麦草、紫花苜蓿，对以PDCB(二氯苯)为代表的PCOPs(多氯代有机污染物)污染土壤的植物修复进行了研究，结果发现，PDCB降低了82.4%～62.8%[51-52]。刘春爽等研究了芦苇修复新疆石油污染土壤效果，结果表明：经过123 d的修复，石油烃去除率可达到41.2%～62.1%，明显高于空白样(19.8%～37.9%)，其中饱和烃去除效果最好，可达60.5%～73.1%[53]。这表明，不同草本植物对石油污染土壤具有较好的修复效果，部分常见草本植物种类及其石油烃降解率见表1。

3.3花卉品种我国学者彭胜巍等研究了8种花卉植物种子萌发对石油烃污染土壤的响应，发现在石油污染含量为20 635 mg/kg的条件下孔雀草和硫华菊的发芽率分别比其他花卉高11.1%～44.4%和15.8%～47.4%[54]。张志能等以胜利油田为研究基地，研究适合其原位修复的土生花卉植物，发现紫茉莉、凤仙花、矮牵牛适合生长在高达1.0%石油污染的土壤上[55-56]，并对污染土壤具有较好的修复效果，首次把牵牛花[57]和凤仙花[58]确定为具有专性修复石油烃污染土壤的植物。这表明，花卉植物具有修复土壤石油污染物的潜能，部分常见花卉品种及其石油烃降解率见表1。

表1 部分木本植物草本植物、花卉品种及其石油烃降解率 %

3.4植物联合修复单一植物品种修复石油烃与其他有机或无机污染物复合污染土壤效果并不显著[61-62]，混合的植物修复效果最好[63]。Xu等研究了玉米、黑麦草和白苜蓿及其联合修复对污染土壤中菲和芘的去除效果，发现与单一植物修复相比，植物联合修复对PAHs(多环芳烃)具有更好的修复效果，玉米和黑麦草联合修复的土壤中菲和芘的去除率达98.20%和95.80%[64]。Schwab等对被原油及石油提炼物污染土壤的植物降解的调查研究显示，黑麦草与大豆(Glycinemax)轮作之后，污染土壤中总石油烃含量明显下降[65]。

3.5人为调控种植植物对土壤石油烃的修复效果优于不种植物[66]，是因为植物的存在使土壤中的微生物数量增多，活性增强。在植物修复石油污染土壤的过程中，若要达到较为理想修复效果，人为调控十分必要。在受污染土壤上种植对石油类物质有耐受性的植被，并施用肥料，可大大加速土壤中石油类物质的降解。刘继朝等研究了狗牙根对石油污染土壤的修复效果，结果表明：添加尿素可以有效地增加狗牙根对石油的去除率，当尿素∶土为1∶2 000时，石油污染去除率达到69.4%[67]。袁敏等研究发现，施用CaCO3和有机肥能明显提高紫花苜蓿地上部生物量[68]。张松林等对人为石油污染土壤紫花苜蓿田间修复试验研究表明：施肥对种植苜蓿组土壤扣除空白石油污染物残留量影响很大，施肥组为不施肥组的0.6倍，显示施肥有助于种植苜蓿组土壤石油污染物的去除[69]。

4 展望

虽然国内外应用植物修复石油污染土壤的研究已经取得了一定的成果，但仍存在许多的不足，需要进一步研究。

(1) 木本植物有良好的修复石油污染土壤的效果，目前国内采用木本植物修复石油污染土壤的研究尚少，需要进一步筛选出符合要求的木本植物来进行植物修复研究。

(2)花卉植物在治理石油污染土壤的同时具有美化环境、公众接受度高等优点，目前这一技术正在成为人们研究的热点，如何提高花卉植物的降解率需要进一点研究。

(3)某些植物在高浓度石油污染土壤上生长较好，去污能力强，但初期种子对石油污染耐受能力较差，如何提高植物品种的发芽率需进一步研究。

(4)目前国内针对高效修复植物筛选的研究很多，但是在作物的栽培过程中，如施肥技术，耕作管理等尚不完善，需要加强这方面的研究。

在石油污染土壤的治理过程中，要注意与其他方法相结合，发挥各自的优势，达到最优化，同时也要综合考虑经济效益、社会效益和环境效益。

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