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    原油对土壤团聚体粒径及稳定性的影响_王田丽.pdf

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    原油对土壤团聚体粒径及稳定性的影响_王田丽.pdf

    1、第 40 卷第 12 期2022 年 12 月环境工程Environmental EngineeringVol40No12Dec2022收稿日期:20211224基金项目:国家重点研发计划项目“石油污染土壤高效快速移动式绿色洗脱技术及成套装备”(2018YFC1801904)*第一作者、通信作者:王田丽(1982),女,高级工程师,主要研究方向为油气田采出水和固废处理工艺技术。Wangtinaliosec sinopecDOI:10.13205/jhjgc202212023王田丽,杨阳,韩霞 原油对土壤团聚体粒径及稳定性的影响 J 环境工程,2022,40(12):173179原油对土壤团聚体

    2、粒径及稳定性的影响王田丽*杨阳韩霞(中石化石油工程设计有限公司,山东 东营 257026)摘要:为探究原油对土壤团聚体粒径和稳定性的影响,以模拟污染土壤为研究对象,研究了在不同原油污染量(2%、5%、10%)和污染时间(2,15,30 d)条件下,土壤机械稳定团聚体和水稳定团聚体的粒径和含油量等参数的变化。结果表明:原油提升了土壤粒径2 mm 的机械稳定团聚体和水稳定团聚体含量,降低了粒径0.25 mm 的机械稳定团聚体和水稳定团聚体含量。随着污染时间增加,粒径2 mm 的团聚体含量显著增加,粒径0.25 mm 的团聚体含量显著降低。相同粒径团聚体的含油量随着土壤总原油量的增加而增加,原油量为

    3、 10%的土壤各粒径团聚体的含油量最高;原油在不同粒径团聚体中的分配顺序为:2 mm 以上0.252 mm0.25 mm 以下,且粒径2 mm 的团聚体中分配的原油量占原油总量的 60%以上。总体来说,原油污染改变了土壤团聚体的粒径分布,增加了团聚体的稳定性,促进了土壤中粒径2 mm 的大团聚体的形成,而原油主要赋存在大团聚体中。关键词:原油污染;土壤团聚体;团聚体粒径;团聚体稳定性;土壤含油量INFLUENCE OF CUDE OIL CONTAMINATION ON PATICLE SIZE AND STABILITY OFSOIL AGGEGATESWANG Tianli*,YANG Y

    4、ang,HAN Xia(Sinopec Petroleum Engineering Corporation,Dongying 257026,China)Abstract:To explore the effects of crude oil contamination on the particle size and stability of soil aggregates,taking thesimulated polluted soil as the research object,parameters such as particle size of soil mechanically

    5、stable aggregates,particlesize of water-stable aggregates and crude oil concentration of aggregates under the condition of different crude oil content(2%,5%,10%)and different polluting duration(2 d,15 d,30 d)were studied The results showed that:the proportions ofmechanically stable aggregates and wa

    6、ter-stable aggregates with a particle size of 2 mm above were increased by crude oil,andthe proportions of mechanically stable aggregates and water-stable aggregates with a particle size of less than 0.25 mm werereduced With the polluting duration prolonged,the proportion of aggregates with a partic

    7、le size of 2 mm above increasedsignificantly,and the proportion of aggregates with a particle size of 0.25mm below decreased significantly The crude oilconcentration of aggregates with the same particle size increased with the increase of total oil content of the soil Thedistribution of crude oil in

    8、 aggregates with different particle sizes decreased in the order of 2 mm above 0.25 to 2 mm0.25 mm below The distribution of crude oil in aggregates with a particle size of 2 mm above accounted for more than 60%of the total crude oil Crude oil changed the particle sizes of soil aggregates,increased

    9、the stability of aggregates and promotedthe formation of large aggregates with a particle size of 2 mm above Crude oil was mainly distributed in large aggregatesKeywords:crude oil contamination;soil aggregates;aggregate size;aggregate stability;oil concentration in soil环境工程第 40 卷0引言油田开发过程中,处于开放环境中的油

    10、田开采区在钻井、采油和集输等过程中不可避免地会出现原油抛洒或泄漏,从而形成原油污染土壤。原油进入土壤后,填充土壤孔隙,土壤颗粒表面会产生不同程度的斥水性,使原有的疏松土壤结构被破坏1-3,土壤颗粒粘连在一起,导致土壤粒级发生变化,进而影响土壤处理效果,如原油污染土壤在清洗处理过程中,由于清洗剂无法与大颗粒土壤的内部接触4,5,需采用机械搅拌或超声波6,7 等外力手段,破碎土壤中的大粒级颗粒,提高处理效率。目前,针对原油污染对土壤性质的影响研究,主要集中在孔隙度、渗透性、营养物质和微生物等方面8-12,对土壤颗粒粒径和稳定性的影响研究较少。土壤团聚体是土壤结构的基本单元,大小、形状各异的团聚体被

    11、称为土壤结构的指示因子13,因此研究原油对土壤团聚体的影响,有助于了解原油对土壤颗粒粒径和稳定性的影响。为探明原油污染对土壤团聚粒径及稳定性的影响,选取胜利油田黄河三角洲沙土,通过室内模拟实验,研究在不同原油污染量、不同污染时间等条件下,土壤不同粒级团聚体含量的变化趋势,以及原油在不同粒级团聚体中的含量和分配比例。1材料与方法1.1实验材料与制备供试土壤取自黄河三角洲胜利油田河口采油厂井场表层土壤。黄河三角洲土壤为粉砂土14,呈黄色,颗粒级颗粒均匀且松散,强度不高。将采集的样品置于密封袋运回实验室,弃去粗根和小石块,避免土壤受机械压力而变形,将样品放置风干备用。供试原油取自胜利油田河口采油厂,

    12、密度为0.8325 mg/L,50 黏度为 21 mPa s。模拟污染土壤的制备:取一定量土壤,配置成水分质量占比为 30%的土壤,然后加入不同质量的原油配制原油污染土壤,充分搅拌混合均匀,放置 24 h后备用。1.2分析方法1.2.1土壤团聚体的测定采用干筛分法测定土壤风干团聚体组成:取风干土样 500 g(精确到 0 01 g),装入孔径顺序为 5,2,0.25 mm 的筛组,收集各级土壤颗粒,称重,计算各级干筛团聚体的百分含量。采用湿筛分法测定土壤水稳定团聚体组成:根据干筛法求得的各级团聚体的百分含量,把干筛分取的风干土壤样品按比例配成 50 g 混合样品,倒入1000 mL沉降筒,在水

    13、中浸泡 10 min 后,塞住筒口,重复倒转 10 次,将 1 套孔径为 5,2,0.25 mm 的筛组放入盛有水的水桶中,将沉降筒倒转过来,筒口置于最上层筛上,待样品全部沉到筒口处,拔去塞子,使土样均匀地分布在整个筛面上取出沉降筒,将筛组缓慢提起、迅速沉下,重复 15 次后,将筛组分开,收集各级土粒,称重,并计算各级团聚体的含量占比如式(1)所示。Xi=mim0 100(1)式中:Xi为第 i 级团聚体的含量占比,%;mi为第 i 粒级团聚体风干质量,g;m0为各粒级团聚体总质量,g。1.2.2土壤团聚体含油量检测采用萃取法测定土壤团聚体中的原油含量。将土壤团聚体风干、研磨、准确称取约 10

    14、 g,用滤纸包好,放入索氏提取器中,烧瓶中加入 200 mL 氯仿,在沸点温度(40)下回流萃取至少 4 h,具体萃取时间由索氏提取器中氯仿层的脱色状况决定。萃取后,将氯仿转移至恒重称量的烧杯重中,在 75 下干燥,直到氯仿完全蒸发,干燥称重。ci=w1 w2w0 103(2)式中:ci为第 i 级团聚体的含油量,mg/g;w1为烧杯和原油的总质量,g;w2为空烧杯质量,g;w0为土壤样品质量,g。wi=103cimi(3)式中:wi为第 i 级团聚体中赋存的原油量,g。wt=n1wi(4)式中:wt为各级团聚体中赋存的总原油量,g。Pi=wiwt 100(5)式中:Pi为第 i 级团聚体中赋

    15、存的原油量在各级团聚体总原油量中的质量占比,%。2结果与讨论2.1原油对土壤机械稳定团聚体的影响配制含油量分别为 2%、5%、10%、20%和 30%5组模拟污染土壤,配制过程发现,土壤含油量为 20%和 30%时,土壤已充分被原油浸润,放置一定时间471第 12 期王田丽,等:原油对土壤团聚体粒径及稳定性的影响后,底部会有游离原油析出,土壤整体呈“面团”状态,此时已不适合干筛,因此只对对照的清洁土壤和原油量含量 2%、5%和 10%的污染土壤进行干筛分实验,计算各级机械稳定团聚体含量占比,结果见图 1。注:图柱上方 A、B、C 表示同一土壤不同粒径机械稳定团聚体间差异显著(P0.05),a、

    16、b、c 表示同一粒径机械稳定团聚体不同土壤间差异显著(P0.05)图 1不同原油污染土壤机械稳定团聚体含量Figure 1Content of mechanically stable aggregates in soil polluted bydifferent crude oil由图 1 可知:对照土壤与污染土壤机械稳定团聚体含量与粒径变化的趋势相反,原油改变了土壤的粒级构成。对照土壤机械稳定团聚体含量随着粒径减小呈增加趋势,粒径0.25 mm 的机械稳定团聚体所占比例最高,达到 58.23%,粒径2 mm 的机械稳定团聚体所占比例最低,仅为 8.71%。而原油污染土壤机械稳定团聚体含量随着

    17、粒径减小呈降低趋势,其中粒径2 mm 的机械稳定团聚体所占比例最高,为55.20%74.71%,粒径0.25 mm 的机械稳定团聚体所占比例最低,仅为 1.15%12.37%。对照土壤与污染土壤粒径为 0.252 mm 的机械稳定团聚体所占比例均处于粒径2 mm 和0.25 mm 的团聚体之间。随着土壤含油量的增加,粒径2 mm 的机械稳定团聚体含量显著增加,含油量为 2%、5%和 10%的原油污染土壤中粒径2 mm 的机械稳定团聚体含量逐渐递增,分别为 55.20%、62.99%和 74.71%;粒径为 0.252 mm 和粒径0.25 mm 的机械稳定团聚体含量则呈显著下降趋势。对照土壤中

    18、粒径2 mm的机械稳定团聚体的含量显著小于原油污染土壤,粒径0.25 mm 的机械稳定团聚体的含量则显著大于原油污染土壤。同一土壤不同粒径团聚体间呈显著差异(P0.05),同一粒径团聚体在不同土壤间呈显著差异(P0.05)。2.2原油对土壤水稳定团聚体的影响分别对含油量为 2%、5%、10%、20%和 30%的 5组污染土壤和对照土壤进行湿筛分实验,计算各级水稳定团聚体含量占比,结果见图 2。注:图柱上方字母 A、B、C 表示同一土壤不同粒径水稳定团聚体间差异显著(P0.05),a、b、c 表示同一粒径水稳定团聚体不同土壤间差异显著(P0.05)图 2不同原油污染土壤水稳定团聚体含量Figur

    19、e 2Content of water stable aggregates in soil polluted bydifferent crude oil由图 2 可知:土壤不同粒径水稳定团聚体含量随着粒径的变化存在 3 个趋势。第 1 种是随着粒径减小呈显著增加趋势,对照土壤呈这一趋势,粒径0.25mm 的水稳定团聚体占比达到 93.62%,粒径0.25mm 的水稳定团聚体占比仅为 6.38%。第 2 种是随着粒径减小呈先减小后升高的趋势,原油污染量为2%和 5%的 污 染 土 壤 呈 这 种 趋 势,其 中 粒 径0.25 mm的水稳定团聚体含量占比最高,占总量的64.15%和 46.84%

    20、;粒径为 0.252 mm 的水稳定团聚体含量占比最低,占总量的 13.37%和 18.82%;粒径2 mm 的水稳定团聚体含量占比居中。第 3 组是随着粒径减小呈逐渐降低趋势,含油量 10%、20%和30%3 组原油污染土壤水稳定团聚体含量随着粒径减小均呈降低趋势,其中粒径2 mm 的水稳定团聚体 含 量 最 高,占 比 为 53.55%57.37%;粒 径0.25 mm的水稳定团聚体含量占比最低,占总量的9.22%11.61%;粒径为 0.252 mm 的水稳定团聚体含量占比居中。在含油量10%条件下,随着污染土壤含油量增加,粒径2 mm 和粒径为 0.252 mm的水 稳 定 团 聚 体

    21、 所 占 比 例 呈 增 加 趋 势;粒 径0.25 mm的水稳定团聚体含量则随着含油量增加显著下降。各组原油污染土壤粒径2 mm 和粒径为571环境工程第 40 卷0.25 2 mm 的水稳定团聚体含量均显著大于对照组;粒径0.25 mm 的水稳定团聚体含量均显著小于对照组。同一土壤的不同粒径水稳定团聚体间呈显著差异(P0.05),同一粒径的水稳定团聚体不同土壤间差异显著(P0.05)。2.3污染时间对土壤团聚体的影响针对含油量为 2%、5%、10%的 3 组污染土壤,分别在污染时间为 2,15,30 d 时,取一定量的土壤进行干筛分和湿筛分试验,考察不同污染时间下,原油对土壤机械稳定团聚体

    22、和水稳定团聚体的影响,结果见图 3。注:图柱上方 a、b、c 表示同一污染土壤的同一粒径团聚体在不同污染时间下的差异显著(P0.05)图 3不同时间条件下土壤团聚体含量Figure 3Soil aggregate contents in different pollution stages由图 3a 可知:土壤粒径2 mm 的机械稳定团聚体含量随着污染时间增加呈上升趋势,且呈显著差异(P0.05);粒径0.25 mm 的机械稳定团聚体含量随着污染时间增加呈降低趋势,但未表现出显著差异(P0.05);粒径为0.252 mm 的机械稳定团聚体含量也随着污染时间增加呈降低趋势,除含油量 10%的污染

    23、土壤呈显著差异(P0.05)外,其他 2 组含油量土壤未表现出显著差异(P0.05)。由图 3b 可知:原油污染土壤粒径2 mm 的水稳定团聚体含量随着污染时间增加呈上升趋势,且呈显著差异(P0.05);粒径0.25 mm 的水稳定团聚体含量随着污染时间增加呈显著降低趋势(P0.05)。3 组原油污染土壤粒径为 0.252 mm 的水稳定团聚体含量随着污染时间增加呈 3 种不同的变化趋势,其中含油量为 2%污染土壤随着污染时间增加呈显著增加趋势(P0.05),含油量为 5%土壤随污染时间增加未表现出显著差异(P0.05),含油量为 10%土壤随污染时间增加呈显著降低趋势(P0.05)。2.4土

    24、壤团聚体含油量与粒径的关系参照式(2)计算含油量 2%、5%、10%的 3 组污染土壤各粒级机械稳定团聚体和水稳定团聚的含油量,并分析团聚体含油量与粒径的关系,结果见图 4;综合利用式(3)(5)计算出各级团聚体中赋存的原油量在总原油量中的占比,结果见图 5。由图 4a 可知:土壤机械稳定团聚体的含油量随着粒径减小呈降低趋势,且差异显著(P0.05),其中粒径0.25 mm 的机械稳定团聚体含油量显著小于粒径为2 mm 和粒径 0.252 mm 的团聚体,仅为3.710.2 mg/g。随着土壤含油量增加,各粒级机械稳定团聚体的含油量均呈增加趋势,且差异显著(P0.05),含油量 10%土壤的各

    25、粒级机械稳定团聚体含油量最高,其中粒径2 mm 的机械稳定团聚体含油量较含油量 2%和 5%2 组土壤增加量分别为 84.6,55.0 mg/g,粒径 0.25 2 mm 的相应增加量分别为54.6,29.8 mg/g。由图 4b 可知:水稳定团聚体的含油量与机械稳定团聚体含油量变化趋势一致,随着粒径减小呈显著降低趋势,且差异显著(P0.05);随着土壤含油量增加,各粒级水稳定团聚体的含油量呈增加趋势,且差异显著(P0.05)。对比图 4a、b 可知:相同粒径的机械稳定团聚体与水稳定团聚体相比,含油量普遍偏低。其中粒径2 mm的机械稳定团聚体含油量分别为 25.0,54.6,109.6 mg/

    26、g,而水稳定团聚体含油量分别为 34.6,59.8,112.9 mg/g;粒径0.25 mm 的机械稳定团聚体含油量分别为 3.7,6.4,10.2 mg/g,而水稳定团聚671第 12 期王田丽,等:原油对土壤团聚体粒径及稳定性的影响注:图柱上方 A、B、C 表示同一污染土壤不同粒径团聚体的含油量间差异显著(P0.05),a、b、c 表示同一粒径团聚体的含油量在不同污染土壤间差异显著(P0.05)图 4各组土壤不同粒级团聚体的含油量Figure 4Oil content of soil aggregates with different particle sizesin each group

    27、体含油量分别为 4.0,11.1,13.3 mg/g。由图 5a 可知:针对机械稳定团聚体,粒径2 mm的团聚体中赋存的原油量最高,且赋存量随着土壤原油量增加呈显著增加趋势(P0.05);各组土壤粒径2 mm的机械稳定团聚体所赋存的原油量在土壤总原油量中占比达到68.86%82.68%;粒径0.25 mm 的机械稳定团聚体所赋存的原油量最低,各组土壤粒径0.25 mm 的机械稳定团聚体所赋存的原油量占土壤总原油量的 0.12%2.30%,且赋存量随着土壤总含油量增加呈降低趋势(P0.05);粒径为 0.25 2 mm的机械稳定团聚体所赋存的原油量占比为17.19%28.85%,介于另外 2 个

    28、粒级之间,且赋存量随土壤总含油量的增加呈降低趋势(P0.05)。由图 5b 可知:针对水稳定团聚体,粒径2 mm的团聚体中赋存原油量最高,各组土壤粒径2 mm的水稳定团聚体所赋存的原油量在总原油量中的占比为 60.44%67.41%;粒径为 0.252 mm 的水稳注:图柱上方 A、B、C 表示同一污染土壤不同粒径团聚体原油量占比间差异显著(P0.05),a、b、c 表示同一粒径团聚体原油量占比在不同污染土壤间差异显著(P0.05)图 5不同粒级团聚体所赋存的原油量占原油总量的比例Figure 5Proportion of crude oil in different particle siz

    29、e aggregatesin total crude oil定团聚体所赋存的原油量随着土壤总含油量增加呈显著增加趋势;粒径0.25 mm 的水稳定团聚体所赋存的含油量随着土壤总含油量增加呈降低趋势,含油量 10%的污染土壤中粒径0.25 mm 的水稳定团聚体所赋存的含油量仅占土壤总含油量的 1.71%。3讨论实验过程发现,土壤含油量为 20%和 30%时,原油和土壤融合呈黏稠状,且有部分原油浸出。李梅等3 在研究石油污染对土壤渗透性的影响时,考虑试样中含油率过大导致油的浸出,将试样含油率最大设置为 11%左右。本实验虽然分析了含油量为 20%和 30%时土壤水稳定团聚体的含量,但由于污染体系已

    30、趋于流态,且由于存在大量原油堵塞筛孔的问题,分析结果的代表性需要进一步验证。因此,本研究重点分析污染土壤在含油量为 2%、5%和 10%条件771环境工程第 40 卷下,原油含量对土壤团聚体的影响。在原油污染量10%条件下,原油污染改变了土壤各粒级团聚体含量,污染土壤粒径2 mm 的团聚体含量较对照土壤均显著升高,且随着原油污染量增加呈增加趋势。王婉丽等15 研究了原油污染对芦苇湿地土壤团聚体的影响,发现随着原油添加量增加,粗大团聚体(粒径2 mm)的比例显著增大,而微团聚体的比例显著降低。本研究中,团聚体变化趋势基本与上述研究结果相一致。原油促进土壤团聚化的原因可能是由于其高黏度以及疏水等特

    31、性,是一种比较好的胶结物质,而胶结物质是土壤颗粒团聚的主要因素16、17。团聚体可分为大团聚体(粒径0.25 mm)和微团聚体(粒径0.25 mm),其中大团聚体是用于评价土壤团聚体稳定性的指标之一,通常认为土壤大团聚体含量越大,土壤结构的稳定性越好18,19。以水稳定性团聚体含量进行分析,试验过程对照土壤的机械稳定团聚体经过湿筛后,大部分被分散为粒径0.25mm 的微团聚体,粒径0.25 mm 的水稳定大团聚体仅占总量的 6.40%;而含油量为 2%、5%、10%原油污染土壤中粒径0.25 mm 的水稳定大团聚体含量分别为 35.85%、53.16%、88.39%,说明原油增加了土壤团聚体稳

    32、定性。一定条件下大团聚体的稳定性与土壤有机质密切相关20,21。试验发现,含油量不同的土壤水稳定大团聚体的含量不同,说明对应土壤的稳定性也不同。因此,在原油污染土壤清洗处理过程中,可依据土壤稳定性制定针对性的清洗工艺参数,如搅拌时间、搅拌强度等,将稳定大团聚体破碎为细小的微团聚体,促使土壤颗粒与药剂充分接触,提高土壤清洗效果。试验期间,时间对含油量 2%、5%和 10%3 组原油污染土壤粒径2 mm 的水稳定团聚体影响显著(P0.05),随着时间增加团聚体含量呈增加趋势;而粒径0.25 mm 的微团聚体含量随着时间增加呈显著降低趋势(P0.05),说明原油与土壤作用时间越长,土壤团聚体稳定性越

    33、高。分析原因,可能是随着时间延长土壤颗粒与原油发生会发生复杂的物理、化学反应,与土壤结合得更紧密22,同时随着时间延长原油会发生老化,而老化原油对土壤的黏结作用更强23,24,团聚体更加稳定,通常认为老化原油污染土壤清洗难度更大。对原油污染土壤各粒级机械稳定团聚体和水稳定团聚的含油量分析结果表明:土壤团聚体的含油量随着粒径减小呈降低趋势,原油主要存在于大团聚体中。含油量 2%、5%和 3 组原油污染土壤粒径2 mm的水稳定团聚体含油量分别为 34.6,59.8,112.9 mg/g,赋存的原油量在总原油量中的占比均达到60%;粒径0.25 mm 的水稳定团聚体含油量最低,分别为4.0,11.0

    34、,13.3 mg/g,所赋存的含油量仅占土壤总含油量的 21.14%、16.18%和 1.71%,说明原油在土壤中的分布具有不均匀的特性。因此在原油污染土壤处理过程中,可采取预处理措施,将粒径0.25 mm的低含油污染土壤和粒径2 mm 的高含油污染土壤进行分离,分别采取合适的处理方式进行处理,避免难处理且高含油量土壤与易处理且低含油量土壤混合处理,增加处理难度。本研究还发现,粒径2 mm和粒径0.25 mm 的水稳定团聚体的含油量大于相同粒径区间的机械稳定团聚体的含油量,可能是由于水稳定团聚体湿筛测试过程中,经过振荡、浸泡、冲洗后,部分原油量较低的、稳定性低的团聚体破碎为小团聚体,剩余的为原

    35、油量高、黏附紧密的水稳定团聚体。但由于水稳定团聚体与机械稳定团聚体含量占比构成不同,并且湿筛分过程中会有部分易于脱附的原油进入水相,导致水稳定团聚体总原油含量低于机械稳定团聚体含量,说明简单机械水洗可去除部分原油。4结论通过分析不同原油污染量和污染时间条件下模拟土壤中团聚体粒径及含油量的变化,研究了原油对土壤团聚体组成及稳定性的影响,结果表明:原油改变了土壤团聚体的粒级构成,促进土壤团聚化,提升了土壤中粒径2 mm 的团聚体含量,降低了粒径0.25 mm的团聚体含量,且在土壤含油量10%的条件下,含油量越高,影响程度越大。原油与土壤间的作用时间越长,土壤中粒径0.25 mm 的团聚体含量越高,

    36、说明土壤团聚体的稳定性越高。原油对土壤的污染是不均匀的,原油在不同粒径团聚体中的含量随着团聚体粒径的增大而增加,原油在粒径2 mm的团聚体中的分配量在土壤原油总量中的占比60%,在实际土壤处理中,可利用筛分等预处理措施,分离出粒径2 mm 的高含油污染土壤团聚体,并对其采取单独处理方式,避免高污染土壤颗粒与低污染土壤颗粒的混合,提高土壤综合处理效率。参考文献1魏样石油污染对土壤性质的影响分析J生物化工,2020,6871第 12 期王田丽,等:原油对土壤团聚体粒径及稳定性的影响(1):159-1642魏样,蔡苗,朱坤,等石油污染对土壤水分特性的影响J 地球环境学报,2018,9(3):266-

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