随着石油产业的迅速发展,石油及其制品的开发与使用日益增多,土壤石油污染问题极为普遍,对农作物生产和生态安全产生了严重的威胁与负面影响,使生态环境承载了巨大的污染负荷。石油污染引起的系列生态及环境问题早就成为土壤学和环境科学研究的热点之一,在多方面已经取得了丰硕的成果,但是,依然遗留有一些未能研究和亟待解决的科学问题和实际问题。关于石油对植物生长的危害机理和危害途径仍然不够详尽、石油污染物对不同性状土壤的危害程度与危害机理还不够清楚,石油污染物在降解过程中对土壤的危害情况依然鲜见研究。本研究依据实地勘察结果,重点以石油污染对土壤持水性、水分入渗与移动性能等影响研究为突破,揭示石油污染对不同质地性状土壤抗旱性的危害与机理;突破以往静态监测和评价的思维模式,从动态尺度上解析石油污染物在土壤降解过程中对其有关理化性质的影响和作用机理;进一步探索适应地域环境条件的石油污染土壤生物修复措施与手段,明析石油污染物对不同性状土壤的危害机理和途径,为石油污染土壤的精确评价和科学修复提供充足的理论依据。研究工作取得了如下结果与进展:(1)石油污染显著降低了不同质地土壤的持水性能,降低了土壤的抗旱性能。依据不同处理土壤水分特征曲线及其曲线模型参数和土壤水分常数等获知,随着石油污染程度的增加,不同质地类别土壤的失水速率,V-G曲线斜率n在持续增大,田间持水量和有效水含量明显递减,表明受石油污染各土壤的持水能力显著下降,有加剧土壤旱情的风险。石油污染程度增加,土壤残余饱和度也随之增大,难以实现土壤的完全饱和状态,直接影响着土壤水库的库容量。不同程度石油污染对土壤持水性能的影响具有阶段性特征,对低于0.5%的轻度污染,主要影响土壤颗粒的表面分子持水性能,当石油污染程度增加到1%以上时,主要影响土壤的结构孔隙持水性能。随着土壤质地的变化其作用机理及其阈值有所不同。(2)通过测定土壤毛管水上升高度,揭示了石油污染物对土壤毛管水运行机制的影响。尽管石油污染引起了土壤颗粒表面的疏水化,但依然存在着土壤毛管水的上升现象,由此说明,石油污染对土壤毛管上升水的影响只是程度上的改变,并没有方向上的逆转,说明了液体水和受石油污染土壤孔隙壁之间的接触角依然是具有一定亲和性的锐角,而不是非亲和性的钝角。石油污染物严重抑制了土壤毛管水的上升速度和上升高度,降低了毛管水上升区域内(包气带中)水分的含量与储量。不同质地类别土壤毛管水上升特征对石油污染产生的响应不同,对风沙土的破坏性远大于塿土和黄绵土。由此表明,石油污染对土壤颗粒较细小、颗粒表面构造和孔隙构造较为复杂土壤的毛管水上升高度和速度影响相对较小;对土壤颗粒较粗、颗粒表面构造和孔隙构造较单一的土壤影响较为严重。石油影响毛管水运行,又是加剧土壤旱情的因素之一。(3)明晰了石油污染对不同质地类别土壤渗透性和润湿性的影响规律。对3种质地类别土壤受不同程度石油污染时的饱和导水率、非饱和导水率和润湿性(斥水性)研究得出,无石油污染土壤的饱和导水率体现着显著的土壤质地效应,而随石油污染程度的递增,各质地类别土壤的饱和导水率均有明显的递减趋势,其机理在于石油污染对各质地类别土壤的优势孔隙有不同程度的作用,使各处理土壤饱和导水率的递减幅度存在着一定的差异性。一般情况下,由于土壤团聚体的不稳定性,饱和导水率会在土壤水分饱和传导过程中呈现一定的递减趋势,但石油污染土壤饱和导水率的递减幅度相对较小,证明油污对团聚体稳定性有一定的保护作用。随着石油污染程度的增加,风沙土和黄绵土的非饱和导水率逐渐减小,而质地粘重的塿土非饱和导水率在高含水量(低吸力)段逐渐减小,在低含水量(高吸力)段逐渐增大。对于有团聚作用或有一定量微团聚体的塿土而言,石油污染对其斥水性影响较弱,对于以质地孔隙为主的黄绵土和风沙土而言,石油污染对其斥水性影响非常显著。(4)从动态尺度探明了石油污染物在降解过程中对土壤有关理化性质影响是非静态的,呈现出一定的动态性变化规律。在室内控制条件下连续历时70 d的生物降解培养试验发现,石油污染物对陕北地区土壤的pH、有机质和氮素的影响极为显著,即使在具有强酸碱缓冲容量的石灰质土壤上,石油降解能使土壤pH平均降低0.22个单位,随着污染程度的增加,pH降幅越大;石油态有机物在土壤中的降解速率呈现出前3周极为缓慢,之后快速升高的态势,与其它新鲜植物有机物料在土壤中的降解过程完全不同。石油污染引起土壤氮素呈现前3周内快速递减,之后基本稳定的动态变化规律,表明氮素是石油态有机物降解的基本前提条件,前期氮素的耗竭是为后期有机碳降解而作准备。石油污染会降低土壤的供氮能力,生物修复需添加一定量的氮营养元素、调节土壤C/N,才能达到理想的修复效果,同时也说明对石油污染土壤的评价不应只在状态上进行监测,更应在过程中去分析评价。(5)揭示了6种陕北当地土著植物对不同程度石油污染土壤的响应特征与修复能力,探明石油污染降低了土壤抗旱性,导致植物易发生枯萎,从而显著抑制了各项生长发育指标的科学机理。土壤石油污染对需水量高的灌木植物危害较大,对草本植物的影响相对较小。从生长抑制程度及石油烃降解量大小等方面综合考量,筛选出了对不同程度石油污染土壤具有一定修复潜力的土著植物。柠条和沙打旺具有能够修复0.5%以下石油污染土壤的潜力;高羊茅、黑麦草、冰草和紫花苜蓿具有修复1%污染水平以下土壤的潜力;黑麦草、高羊茅和冰草具有修复4%污染水平以下土壤的潜力。研究结果可为建立陕北当地石油污染土壤的植物修复科学体系提供技术支撑。