石油在开采和生产过程中产生的大量废水，往往要回注再利用，但在回注过程中，经常会出现管线泄漏等事故，使含油废水对土地形成一定时间的淹灌，这就是所谓的“油水淹地”。吉林油田现有油井16 000口，管线20 000 km以上，一些管线已经使用30多年，极易漏水、漏油，仅在吉林油田的油水淹地污染土壤的总面积就高达1000 hm2。据统计，我国每年约有十几亿吨采油废水需要处理，油田废水的成分比较复杂，含盐量、化学需氧量（COD）与悬浮颗粒物含量较高，还含有包括界面剂、破乳剂、混凝剂、絮凝剂、杀菌剂和残留石油等上千种结构复杂的有机物^[1]，由于其特殊的物理和化学性质以及难去除和残留时间长的特点，这些油田废水一旦进入土壤形成油水淹地后，会对土壤造成很大程度上的危害，作物无法正常生长，急需修复再利用。

关于石油污染对土壤的影响已有很多报道，Andrade 等^[1]和Khamehchiyan等^[2]研究了石油污染土壤的渗透性，认为受石油污染后土壤孔隙度减小进而渗透性降低；贾建丽等^[3]研究表明土壤含油率与含水率存在制约关系；王传远等^[4]认为土壤总有机碳（TOC）含量与含油率呈正相关关系，石油污染土壤中C、N比例严重失调；Viggor等^[5]认为石油污染影响了微生物物种的组成。石油对环境的污染主要有3种形式：含油固体废弃物、落地原油和含油废水^[6]，含油固体废弃物对环境的污染具有可控制性，而落地原油和含油废水对环境的污染具有不可控制性，经常由于意外而产生大范围的污染，石油污染土壤的多数研究都关注落地原油对土壤性质的影响^[1,2,3,4,5]，针对含油废水形成的油水淹地这种大范围的油和盐复合污染对土壤性质的影响尚未见报道。本研究对吉林油田含油废水形成的油水淹地土壤进行调查取样，以附近作物生长良好的未污染耕地土壤作为对照，测定了油水淹地土壤的石油含量、离子组成以及微生物群落等性质，以期探究油田废水对土壤性质的影响和污染机理，揭示油水淹地污染土壤不能正常生长作物的原因，为该地区的环境评价和油水淹地土壤的修复提供参考。 1 材料与方法 1.1 供试土壤采样

土壤采样地点3处，分别位于吉林省松原市宁江区新城乡联合村、长虹村和八家子村，采样地点概况见表 1。于2013年5月采样，被淹至采样前自然恢复，未做修复处理。将联合村、长虹村和八家子村分别记作采样地1、2、3，污染区域（Contaminated site）记作C，在每个村子作物生长良好的耕地上取土作为对照区域记作CK，每个区域分别设3个采样点，在表层0~20 cm取样。土壤类型为淡黑钙土，土壤质地为壤土。

表 1 采样地点概况 Table 1 Profile of sampling sites

表选项

由表 2可知，油田废水中的主要阳离子为Na⁺，含量为6.34 cmol·L-1，其次为Ca²⁺和Mg²⁺，含量分别为0.25、0.14 cmol·L-1；阴离子主要为HCO₃^-，含量高达335.0 cmol·L-1，显著高于CO₃^2-、Cl^-和SO₄^2-。

表 2 油田废水的基本性质和可溶性盐离子含量（cmol·L-1） Table 2 Basic properties and soluble salt ion concentrations in oilfield wastewater（cmol·L-1）

表选项

土壤中石油含量的测定采用超声-紫外法^[7]：电位计法测定土壤的pH值；电导率仪测定土壤的电导率；重铬酸钾容量法测定土壤有机质；CO₃^2-和HCO₃^-采用双指示剂中和法测定；Cl^-采用AgNO₃滴定法测定；SO₄^2-采用EDTA间接滴定法测定；Ca²⁺和Mg²⁺采用EDTA络合滴定法测定；K⁺和Na⁺采用火焰光度法测定；全盐量采用离子加和法^[8]；土壤中细菌、真菌及放线菌数量采用稀释平板法^[9]；微生物量碳的测定采用氯仿熏蒸浸提法。 1.4 数据处理与分析

运用 Microsoft Excel 2003处理数据。DPS V7. 05系统软件分析数据，用LSD（Least significant difference test）进行样本平均数的差异显著性比较。 2 结果与讨论 2.1 油水淹地土壤的石油含量

石油是一种极为稳定的复杂物质^[10]，通常将土壤中石油含量小于临界值500 mg·kg-1的土壤看作清洁土壤，高于此值则视为污染土壤。从图 1可以看出，污染区土壤的石油含量明显高于该值，污染土壤C1、C2、C3的石油含量分别为2239、2654、3037 mg·kg-1，分别是CK1、CK2和CK3的110.10、134.97、130.14倍，污染土壤C的石油含量显著高于CK（P<0.05）。由于石油烃的水溶性小，土壤颗粒被石油烃吸附后不能形成有效的导水通路，透气性和透水性都会下降。土壤残留石油的组分十分复杂，含有包括苯系化合物、多环芳烃中菲、蒽、芘及酚类等具有较大毒性的多种烃类，这些高分子化合物具有毒性，不但会在作物种子外形成一层粘膜，阻碍种子的呼吸作用和营养吸收，导致种子不能正常萌发，还会在植物根系上形成粘膜，阻碍根系的呼吸与吸收功能，导致根系腐烂^[6]，影响作物正常生长。

采样地1、2、3分别为联合村、长虹村和八家子村；不同小写字母表示5%差异显著性水平。下同 Sampling site 1: Lianhe village，2: Changhong village and 3: Bajiazi village. Different lowercase letters indicate significant difference at 5% level. The same below 图 1 采样地土壤的石油含量 Figure 1 Content of petroleum in studied soils

图选项

土壤的有机质含量、pH值和电导率见表 3。

表 3 采样地土壤的有机质含量、pH值和电导率 Table 3 Organic matter content, pH and electrical conductivity of studied soils

表选项

污染土壤C1、C2、C3的有机质含量分别为25.05、22.88、27.83 g·kg-1，是相应CK土壤的1.89、1.57、2.16倍。由于石油中含有大量碳氢化合物，在石油烃存在的污染土壤中有机质含量会升高，王传远等^[4]研究表明石油污染土壤中有机质含量与石油烃之间呈显著正相关，说明污染土壤中的有机质含量有一部分是由石油烃提供。然而，由于石油含量而增加的这部分有机质并不能被生物正常吸收，油水淹地污染土壤的潜在肥力并不能用有机质含量来判断^[11]。

CK1、CK2、CK3土壤的pH值分别为7.51、7.42、7.65，为中性和弱碱性土壤，污染土壤的pH都大于8.5，均为强碱性土壤。土壤的电导率（EC）可以反映土壤的盐分状况，污染土壤C1、C2、C3的电导率分别为0.651、0.595、0.712 mS·cm-1，是相应CK土壤的8.31、9.11、10.08倍。张晓阳等^[11]和刘五星等^[12]研究表明石油的污染使土壤的pH值下降，而本研究中油水淹地土壤的pH值则因污染而升高；Benka-Coker等^[13]认为石油污染使土壤电导率降低，与本研究的结果相反。pH值和电导率与他人研究结果存在的差异可能是由于油水淹地土壤和通常的落地原油污染土壤存在着较大的差异。 2.3 油水淹地土壤的离子组成

土壤钠离子含量过高可能引起土壤次生碱化的发生^[14]。钠吸附比（SAR）是土壤溶液中钠离子和钙镁离子的相对含量，鉴于SAR的计算公式还没有统一的标准，本文选择之比作为非盐化土壤、盐土、盐性碱土和碱土的分类依据^[15]，以比值5、15和25为界限。如图 2所示，污染土壤的SAR与CK相差显著，CK土壤SAR的最大值为1.58（mmol·L-1）^0.5，污染土壤C1、C2、C3的SAR分别为18.03、13.98、17.78 （mmol·L-1）^0.5。可知，CK土壤为非盐性土壤，污染土壤C2为盐土，C1、C3为盐性碱土，SAR越大，钙镁离子相对于阳离子总量的比值越小，钠离子所占的比值越大，土壤产生盐渍化的危害越大。

图 2 采样地土壤的钠吸附比（SAR） Figure 2 Sodium adsorption ratio of soils

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CO₃^2-、HCO₃^-的存在是土壤发生碱化的主要原因，土壤的总碱度（TA）可作为土壤碱化程度的指标之一，是土壤溶液中CO₃^2-和HCO₃^-的总量。由图 3可见，CK土壤TA的最大值为1.73 cmol·kg-1，污染土壤C1、C2、C3的TA值分别为9.42、8.95、9.10 cmol·kg-1，与CK差异显著，说明污染土壤的碱化程度过高。

图 3 采样地土壤的总碱度（TA） Figure 3 Total alkalinity of sampling site soils

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图 4 采样地土壤的电导率与Na+、CO32-含量的相关性分析 Figure 4 Correlation of electrical conductivity and content of Na+ and CO32- in soils

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土壤可溶性盐离子含量见表 4。污染土壤中，阴离子以CO₃^2-、HCO₃^-为主，C1、C2、C3土壤的CO₃^2-含量分别占阴离子总量的34.60%、36.21%、37.29%，HCO₃^-含量分别占阴离子总量的28.08%、29.33%、26.98%；阳离子以Na⁺为主，分别占阳离子总量的93.65%、91.17%和93.31%。CK土壤中阴离子CO₃^2-和HCO₃^-占阴离子总量的最大值分别为28.45%和24.86%，Na⁺含量占阳离子总量的最大值仅为38.03%。由此可知，污染土壤中Na⁺、HCO₃^-、CO₃^2-的含量百分比占绝对优势，并且由图 4可知电导率与Na⁺、CO₃^2-和HCO₃^-的相关系数R2分别为0.995 9和0.987 6，表明污染土壤中Na⁺ 主要与CO₃^2-、HCO₃^-相结合，污染土壤的盐分组成主要为Na₂CO₃和NaHCO₃。由油田废水中的可溶性盐离子测定结果可知，废水中主要的阳离子与油水淹地相同，都是以Na⁺为主；油田废水中阴离子以HCO₃^-为主，而油水淹地中阴离子以CO₃^2-和HCO₃^-为主。这可能是由于油田废水进入土壤后，一部分HCO₃^-与H⁺结合，失水产生了CO₃^2-。闫治斌等^[16]认为在可溶性盐离子组成的化合物中，Na₂CO₃和NaHCO₃对植物的毒害作用最大，这可能是导致油水淹地土壤盐碱化和植物生长不良的重要原因之一。从土壤的全盐量来看，CK土壤的全盐量最大值为8.21 cmol·kg-1，污染土壤C1、C2、C3的全盐量分别达到了21.95、19.88、21.19 cmol·kg-1，显著高于CK。这可能是因为油田废水致使作物无法生长，使裸土表面蒸发量增加，土壤盐分表聚。

表 4 采样地土壤中可溶性盐离子含量 Table 4 Content of soluble salt ions in soils

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图 4 采样地土壤的电导率与Na+、CO32-含量的相关性分析 Figure 4 Correlation of electrical conductivity and content of Na+ and CO32- in soils

图选项

植物组织中充足的K⁺浓度对植物的正常生长十分关键^[17]，K⁺可以作为植物的渗透调节剂^[18]，植物体内适宜浓度的K⁺也对植物的有效叶面积和气孔导度有一定影响，植物体中的Na⁺/K⁺与其耐盐能力也存在着一定的关系^[19]。由表 4可知，与CK相比污染土壤的Na⁺/K⁺值发生了明显的变化，污染土壤C1、C2、C3的Na⁺/K⁺值分别是相应CK的8.06、5.12和7.11倍。土壤中Na⁺与Ca²⁺、Mg²⁺含量的关系由图 5所示，随着土壤中Na⁺浓度的不断增加，Ca２+和Mg２+的浓度不断降低，Na⁺与Ca２+和Mg２+在土壤中的含量呈现此消彼长的变化规律。这可能是土壤表层中的Ca²⁺、Mg²⁺与油水中的Na⁺发生了离子交换作用，Na⁺在土壤表面发生聚集现象，Ca²⁺、Mg²⁺被淋洗到土壤深层所致^[20]。钙可以通过防止膜脂过氧化，降低质膜透性，进而维持细胞内的区域化，以保证细胞内各种代谢能够正常进行，Ca²⁺的缺失还会使种子内淀粉酶活性降低，从而使种子萌发率降低。盐胁迫下Na⁺能够置换细胞膜结合的Ca²⁺，打破细胞间一价（Na⁺）和二价（Ca²⁺）离子的平衡，使膜结构的完整性和通透性遭到破坏，功能改变^[21]。污染土壤的Na⁺/Ca²⁺值变化也很明显，污染土壤C的Na⁺/Ca²⁺值分别是相应CK的28.82、25.55、37.15倍。Mg²⁺能够维持生理代谢关键酶的活性，是叶绿素的中心分子，对植物的光和作用具有重要的作用，而且Mg²⁺还影响着细胞的离子平衡、调节气孔的关闭和呼吸作用，盐胁迫使得植物无法正常生长^[22,23,24]，污染土壤C的Na⁺/Mg²⁺值分别是相应CK的48.37、18.35和44.77倍，变化更为明显。

图 5 采样地土壤中Na+与Ca2+、Mg2+含量的关系 Figure 5 Content of Na+，Ca2+ and Mg2+ in soils

图选项

土壤中的可溶性阳离子对植物的生长有很重要的作用^{[17,18,19,21,22,23,24]}，过量的Na⁺是植物生长受到抑制和产量下降的主要原因^[25,26]。污染土壤中Na⁺含量增加，K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺含量明显降低，Na⁺进入植物使细胞内Na⁺大量增加，K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺外渗，使得Na⁺/K⁺、Na⁺/Ca²⁺、Na⁺/Mg²⁺的比值上升，破坏了原有的离子平衡，当Na⁺/K⁺、Na⁺/Ca²⁺、Na⁺/Mg²⁺值超过阈值时植物将无法正常生长。而且盐胁迫还会使植物体内积累许多抑制植物生物合成的有毒代谢产物，致使植物叶片生长不良，组织变黑甚至坏死等，除了毒素积累，渗透胁迫、营养物质流失也是盐害的重要原因。土壤盐渍化影响作物产量、蛋白质合成和光合作用以及能量代谢^[27,28,29]，油水淹地污染土壤中Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺的含量与CK相比具有较大的差异，盐胁迫特征明显，这是植物无法正常生长的一个重要原因。 2.4 油水淹地土壤中微生物群落研究

土壤微生物群落的组成与活性很大程度上决定土壤的肥力和质量，土壤微生物量碳可作为评价微生物数量和动态的重要参数指标。从表 5可以看出，污染土壤C中细菌、放线菌、真菌的数量均显著低于CK。在土壤的微生物量碳上，污染土壤也都显著低于CK。虽然仅从微生物数量变化上来判断污染物对土壤质量的影响比较片面，但是土壤中的细菌、放线菌和真菌这三种微生物的数量与其发挥的生态功能密切相关，其数量的减少能反映出土壤质量的下降^[30]。刘五星等^[12]、Hilla等^[31]认为石油为微生物提供了的丰富的碳源和氮源，会刺激土壤中微生物的生长，而孙佳杰等^[32]认为随盐害程度的增加微生物数量会随之减少。在本研究中污染土壤的细菌、放线菌和真菌的数量都显著低于CK，可能是因为虽然碳源和氮源充足，但污染土壤中的盐分和其他有害物质却抑制了微生物的生长，致使细菌、放线菌和真菌这三种微生物的数量都显著低于CK。从微生物量碳的分析结果可知，污染土壤的微生物量碳均比CK低，微生物量碳的含量反应着微生物的动态变化，这与土壤中微生物的数量变化一致。

表 5 土壤中细菌、放线菌及真菌的数量和微生物量碳 Table 5 Population of bacteria，actinomycetes and fungi，and microbial biomass carbon in soils

表选项

（1）油水淹地土壤受到石油的污染，土壤中石油含量与周围正常土壤差异显著，石油含量远远超过了清洁土壤的标准。

（2）油水淹地土壤具有明显的盐化特征，土壤pH值、EC、TA、SAR都明显高于周边正常土壤；土壤盐分离子组成中Na₂CO₃和NaHCO₃比例升高，土壤中Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺的含量与CK相比具有较大差异，盐胁迫特征明显。

（3）油水淹地土壤与周围正常土壤相比，微生物群落也受到影响，污染土壤的微生物数量显著减少。