王茜,朱志梅,樊繼銘,張鵬,付威,翟文晰,郝明德,樊軍*
(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所,陜西楊凌 712100;2.西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院,西安 710127;3.中國(guó)石油天然氣股份有限公司長(zhǎng)慶油田分公司第六采氣廠,陜西延安 727300)
鉆井泥漿是石油、天然氣開采過程中的主要廢棄物之一,類似于膠體狀態(tài),含有大量聚丙烯酰胺和膨潤(rùn)土、腐植酸鉀等物質(zhì)[1],具有懸浮鉆渣、防止塌孔、平衡地層壓力、冷卻和潤(rùn)滑鉆頭鉆柱、清洗井底、傳遞動(dòng)力等作用[2]。長(zhǎng)慶油田開采區(qū)主要位于陜甘寧盆地,地表土壤黏粒含量少、結(jié)構(gòu)性差,土壤有機(jī)質(zhì)含量少、肥力低[3];該區(qū)域?yàn)楦珊蹬c半旱區(qū),年降水量少且季節(jié)性分布不均,水土流失嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境脆弱,不利于作物生長(zhǎng)和植被恢復(fù),是典型的農(nóng)牧交錯(cuò)帶和生態(tài)脆弱區(qū)。長(zhǎng)慶油田作為我國(guó)第一大油氣田,每年產(chǎn)生約600萬(wàn)m3水基廢棄鉆井泥漿,主要采用固化泥漿池和集中不落地處理法,一定程度降低了環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。但是國(guó)內(nèi)外對(duì)泥漿池法長(zhǎng)期處理效益及影響研究較少,而集中不落地處理增加了運(yùn)輸中的污染和費(fèi)用。因此,需要探尋更環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的處理方式。
尋找水基廢棄鉆井泥漿的綠色、經(jīng)濟(jì)處理方式,并結(jié)合區(qū)域的水文地質(zhì)特征,實(shí)現(xiàn)水基廢棄鉆井泥漿無(wú)害化、資源化利用,可以促進(jìn)井場(chǎng)及周邊生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)。國(guó)內(nèi)外有關(guān)學(xué)者針對(duì)廢棄泥漿處理方式進(jìn)行了大量研究,其處理方式主要包括物理處理、化學(xué)處理、生物修復(fù)和拋灑到土壤就地利用,以及多種處理方式的聯(lián)合使用[4]。其中,生物修復(fù)和土地拋灑的復(fù)合使用,具有安全高效、綠色經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)[5]。前人研究結(jié)果表明,廢棄鉆井泥漿含有大量有機(jī)物質(zhì)和養(yǎng)分元素,具備改善土壤理化性質(zhì)的潛力[6-8]。泥漿中的有機(jī)物一定程度被截留在土壤表面[9],另外,植物根系分泌物和土壤微生物能夠分解泥漿中的有機(jī)污染物[10],降低重金屬離子危害,且較低含量的有機(jī)物可以促進(jìn)作物幼苗生長(zhǎng)[11]。
本研究將水基廢棄鉆井泥漿作為土壤添加劑,研究添加不同比例泥漿對(duì)沙黃土和黃綿土pH值、鹽分、顆粒組成、植物生長(zhǎng)狀況等的影響,研判水基廢棄鉆井泥漿作為粗質(zhì)地土壤改良劑使用的可能性,為實(shí)現(xiàn)廢棄物資源化利用、降低泥漿處理成本、改善開采區(qū)土壤物理性質(zhì)、促進(jìn)當(dāng)?shù)刂脖换謴?fù)提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。
本試驗(yàn)所用水基廢棄鉆井泥漿來源于陜甘寧盆地,油井屬于長(zhǎng)慶油田,選用無(wú)害化處理后未進(jìn)行固化的固液相混合泥漿。表1、表2 為供試土壤和泥漿基本性質(zhì),泥漿中的重金屬含量符合《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—2018)(pH>7.5)基本要求。
表1 試驗(yàn)土壤基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of the testing soil
表2 試驗(yàn)水基廢棄鉆井泥漿基本性質(zhì)Table 2 Basic properties of water-based waste drilling mud
供試土壤選用陜西省靖邊縣井場(chǎng)附近區(qū)域的粗質(zhì)地沙黃土和取自陜西省神木市的黃綿土,土壤黏粒含量分別為9.09%、13.02%。土壤風(fēng)干后過2 mm 篩供試驗(yàn)使用。試驗(yàn)所用石膏來自山西省曲沃縣山河石膏粉廠。選擇直徑為16 cm、高15.5 cm的圓柱形漏底PVC 材質(zhì)盆栽容器?;手蠳 含量2.12 g·kg-1、P2O5含量1.03 g·kg-1、K2O 含量1.78 g·kg-1。供試作物為耐鹽堿、耐干旱的藜科作物——甜菜,品種為歐洲Beetroot紅甜菜。
未經(jīng)固化處理的水基廢棄鉆井泥漿pH=8.31,固化后pH=10.10,為防止泥漿施入土壤后pH 升高影響作物生長(zhǎng),添加石膏進(jìn)行調(diào)節(jié)。鑒于水基廢棄鉆井泥漿的復(fù)雜性和多變性,采用試驗(yàn)法確定石膏添加量,添加含量(石膏與泥漿固相百分比)見表3,將自然風(fēng)干固化后的泥漿破碎,過2 mm 篩。采用5∶1 水土比,制備土壤浸出液,用電極法測(cè)定pH值。石膏最適合、經(jīng)濟(jì)的添加量為3%,pH值較穩(wěn)定,適合作物生長(zhǎng)。
表3 石膏含量對(duì)pH值的影響Table 3 Effects of gypsum content on pH value
試驗(yàn)于2019 年9—11 月在陜西省楊凌示范區(qū)的西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所試驗(yàn)場(chǎng)(34°28′N,108°07′E)進(jìn)行。試驗(yàn)前用105 ℃烘干法測(cè)定供試土壤和泥漿含水率,分別為沙黃土1%、黃綿土1%、泥漿224%。設(shè)計(jì)2%、4%、8%、12%四個(gè)泥漿含量,依據(jù)含水率換算成濕基泥漿含量。每種土壤9 個(gè)處理,每個(gè)處理重復(fù)四次,分為對(duì)照組、泥漿組和泥漿+石膏組,共計(jì)72個(gè)土柱(表4)。
表4 試驗(yàn)處理Table 4 Experimental treatments
選擇均勻飽滿的甜菜種子,在水中浸泡12 h后播種,每盆10 粒。播種10 d 后,間苗,每盆留長(zhǎng)勢(shì)均勻甜菜5 株,并開始進(jìn)行水分控制,用稱質(zhì)量法將含水率控制在10%~13%,試驗(yàn)做遮雨處理。間苗后第20 d(DAY20)和第40 d(DAY40)分別選擇長(zhǎng)勢(shì)均勻的甜菜,每盆收獲兩株,測(cè)定甜菜生物指標(biāo),觀測(cè)動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)變化。
用5∶1 水土比制備土壤浸出液,pH 值采用電極法(酸度計(jì)為雷磁PHSJ-4F)測(cè)定,電導(dǎo)率(EC)用電導(dǎo)率儀(雷磁DDB-303A)測(cè)定,測(cè)定對(duì)象為泥漿、土壤材料以及所有處理土樣。顆粒組成用激光粒度儀(馬爾文MS2000型)測(cè)定:取待測(cè)土樣5 g,加入蒸餾水和H2O2,去除有機(jī)質(zhì),再加入鹽酸去除CaCO3,至沒有氣泡,加入分散劑,測(cè)定。蒸散量為第1 d上午7:00測(cè)定的質(zhì)量減去第2 d 上午7:00 測(cè)定的質(zhì)量,即24 h 蒸散量,質(zhì)量測(cè)定用精度為1 g 的臺(tái)秤(梅特勒托利多,ICS241),試驗(yàn)隨機(jī)選擇測(cè)量了8次日均蒸散量。
株高于收獲后測(cè)定,為子葉柄基部至整個(gè)植株的最高處。葉面積于收獲后測(cè)定,用葉片掃描儀(美國(guó)LI-COR LI-3000A)掃描甜菜所有葉片。葉綠素于收獲前用葉綠素儀(Konic Minolta SPAD502)測(cè)定,每盆選取兩株長(zhǎng)勢(shì)均勻的甜菜,每株選擇兩片均勻葉片。生物量于收獲后測(cè)定,先稱植株鮮質(zhì)量,烘箱中105 ℃殺青30 min,再75 ℃烘干至恒質(zhì)量后稱量。
采用Excel 2019 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和計(jì)算,采用Excel 2019 和Origin 9.0 作圖,使用SPSS 25.0 對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析,并用鄧肯檢驗(yàn)進(jìn)行多重比較,顯著性水平設(shè)為α=0.05。
2.1.1 pH值與EC值
pH 值、EC 值可以表示土壤鹽堿化程度,施入泥漿后兩種土壤pH 值、EC 值有相同變化趨勢(shì)(表5)。隨著泥漿含量增加,泥漿組(SM2、SM4、SM8、SM12 和LM2、LM4、LM8、LM12)的pH 值均呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì),與對(duì)照差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。相對(duì)應(yīng)的泥漿+石膏組的pH值有所下降,泥漿+石膏組1中各處理(SM2+、SM4+、SM8+、SM12+,下同)與CK1相比,pH 值分別降低了0.17、0.19、0.17、0.27 個(gè)單位,其中SM4+、SM12+與CK1 差異達(dá)到顯著水平(P<0.05);泥漿+石膏組2 中各處理(LM2+、LM4+、LM8+、LM12+,下同)與CK2 相比,pH 值分別降低了0.06、0.13、0.11、0.16 個(gè)單位,其中LM12+與CK2 差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。
隨著加入泥漿量增加,泥漿組的EC 值呈增加趨勢(shì),除SM2 處理外,其余處理與對(duì)照差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。加入石膏使得EC值顯著升高,泥漿+石膏組1 各處理比CK1 分別增加了82.35%、1.94 倍、4.82倍、7.35倍,泥漿+石膏組2比CK2增加了77.27%、1.68倍、3.86倍、5.55倍。添加石膏使土壤pH值降低,使EC值顯著上升,但沒有改變土壤鹽堿化程度。
2.1.2 土壤顆粒組成
泥漿含量影響土壤中黏粒、砂粒的相對(duì)含量,隨著泥漿含量增加,土壤中黏粒相對(duì)含量增加,砂粒相對(duì)含量減少(圖1)。泥漿組1 和泥漿+石膏組1 中,黏粒、砂粒相對(duì)含量與CK1 差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05),其中SM12 變化最為顯著,與CK1 相比黏粒、粉粒相對(duì)含量分別增加了5.73、2.57 個(gè)百分點(diǎn),砂粒相對(duì)減少了8.30 個(gè)百分點(diǎn)。泥漿組2 和泥漿+石膏組2中,LM12+變化最顯著,與CK2 相比,黏粒、粉粒相對(duì)含量分別增加了4.01、3.18 個(gè)百分點(diǎn),砂粒相對(duì)減少了7.19個(gè)百分點(diǎn)。
2.1.3 蒸散量
日均蒸散量隨著泥漿含量增加,呈現(xiàn)降低趨勢(shì)(圖2)。相同量泥漿條件下,泥漿組和對(duì)應(yīng)的泥漿+石膏組之間蒸散量差異不顯著。測(cè)量日期中,10 月1日(13~22 ℃,小雨)蒸散量與對(duì)照組差異最大,沙黃土中,所有處理與CK1 差異均達(dá)到顯著水平,SM12+處理蒸散量最低,比CK1 降低了43.34%;黃綿土中,除LM2、LM2+外,其余處理與CK2 差異均顯著,LM12最低,比CK2 降低了62.50%。10 月10 日(12~20 ℃,小雨)各處理蒸散量差異最小,沙黃土中,SM12+處理蒸散量最低,比CK1 降低了40.83%,達(dá)到顯著水平;黃綿土中,最低值出現(xiàn)在LM12+處理,比CK2 降低了37.44%,達(dá)到顯著水平。
表5 不同含量泥漿對(duì)土壤pH值和EC值的影響Table 5 Effects of mud on soil pH and EC
2.2.1 甜菜株高
施入泥漿對(duì)甜菜株高具有顯著影響(圖3),兩種土壤甜菜株高增長(zhǎng)速度為:泥漿組>泥漿+石膏組>對(duì)照組。DAY40 與DAY20 相比,泥漿組1 生長(zhǎng)效果最好,且泥漿組株高均高于對(duì)應(yīng)的泥漿+石膏組。
圖3 不同含量泥漿對(duì)甜菜株高的影響Figure 3 Effects of different mud contents on plant height of sugar beet
沙黃土DAY20 時(shí),隨著泥漿含量增加,泥漿組1株高呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì),除SM2 外,與CK1 差異均達(dá)到顯著水平,最大值出現(xiàn)在SM12 處理,其株高比CK1 增加了25.26%。對(duì)應(yīng)的泥漿+石膏組1株高先增加后趨于穩(wěn)定,與對(duì)照差異均不顯著。DAY40 時(shí),泥漿組1和對(duì)應(yīng)的泥漿+石膏組1 均呈現(xiàn)緩慢增加趨勢(shì),泥漿組1 均高于CK1 并達(dá)到顯著水平,泥漿+石膏組1 除SM2外,與CK1差異均沒有達(dá)到顯著水平。
黃綿土DAY20 時(shí),泥漿組2 先增加后趨于穩(wěn)定,泥漿+石膏組2 呈現(xiàn)降低趨勢(shì),兩組處理均顯著低于CK2。DAY40 時(shí),泥漿組2 株高先增加后降低,最大值出現(xiàn)在LM8 處理,與CK2 相比增加了1.75%,但差異不顯著,對(duì)應(yīng)的泥漿+石膏組2總體趨于穩(wěn)定,但是均顯著低于對(duì)照。
2.2.2 甜菜總?cè)~面積
泥漿組所有處理葉面積總和均高于相對(duì)應(yīng)的泥漿+石膏組(圖4)。沙黃土甜菜DAY20和DAY40取樣結(jié)果顯示,泥漿組1均高于CK1且達(dá)到顯著水平,SM8處理葉面積最大,與CK1相比分別增加了46.64%、2.43倍。對(duì)應(yīng)的泥漿+石膏組1中SM12+處理葉面積最大,比CK1分別增加了3.86%(P>0.05)、1.15倍(P<0.05)。泥漿組2各處理在DAY20時(shí)均低于CK2,并達(dá)到顯著水平;DAY40 時(shí)LM8 處理葉面積最大,比CK2 增加了32.03%,達(dá)到顯著水平。相應(yīng)的泥漿+石膏組2兩次收獲總?cè)~面積均顯著低于CK2。
圖4 不同含量泥漿對(duì)甜菜總?cè)~面積的影響Figure 4 Effects of mud content on total leaf area of sugar beet
2.2.3 葉綠素相對(duì)含量(SPAD值)
施入泥漿對(duì)甜菜葉片SPAD 值具有明顯影響(圖5)。DAY20 和DAY40 兩個(gè)收獲期,泥漿組1 的SPAD值均高于CK1,并達(dá)到顯著水平(P<0.05),SM8 處理SPAD 值最大,與CK1 相比分別增加了15.85%、58.18%。相對(duì)應(yīng)的泥漿+石膏組1 中SM12+處理SPAD 值最大,比CK1 分別增加了8.76%、34.34%,達(dá)到顯著水平(P<0.05)。泥漿組2中LM8處理SPAD 值最大,比CK2 分別增加了5.69%、27.65%,達(dá)到顯著水平(P<0.05)。對(duì)應(yīng)的泥漿+石膏組2 最大值出現(xiàn)在LM12+處理,與CK2 相比分別增加了-3.01%、22.54%。
圖5 不同含量泥漿對(duì)甜菜葉片SPAD值的影響Figure 5 Effects of different mud contents on leaf SPAD values of sugar beet
2.2.4 地上部分生物量
兩個(gè)收獲期,隨著泥漿添加量的增加,泥漿組1、2 生物量均呈現(xiàn)先增加后緩慢降低趨勢(shì),對(duì)應(yīng)的泥漿+石膏組1、2 均呈現(xiàn)先降低后增加趨勢(shì)(表6)。DAY20 時(shí),泥漿組1 生物量均高于CK1,SM8 處理生物量最大,與CK1 相比增加了65.73%,達(dá)到顯著水平(P<0.05);對(duì)應(yīng)的泥漿+石膏組1 與CK1 差異均不顯著(P>0.05)。泥漿組2 和對(duì)應(yīng)的泥漿+石膏組2 均低于CK2,并達(dá)到顯著水平(P<0.05)。DAY40 時(shí),泥漿組1 生物量與CK1 差異均達(dá)到顯著水平,且組內(nèi)差異顯著,最大值出現(xiàn)在SM8 處理,與CK1 相比增加了3.54 倍。泥漿+石膏組1 中SM12+處理生物量最大,與CK1 相比增加了1.81 倍,達(dá)到顯著水平。泥漿組2中LM8 處理生物量最大,但與CK2 相比差異不顯著。對(duì)應(yīng)的泥漿+石膏組2 生物量均低于對(duì)照,且達(dá)到顯著水平(P<0.05)。
表6 不同含量泥漿對(duì)甜菜生物量的影響(g)Table 6 Effects of different mud contents on biomass of sugar beet(g)
陜甘寧交界地帶土壤黏粒含量少、保肥性差,不能為作物生長(zhǎng)提供良好的水肥環(huán)境,加上開采區(qū)氣候惡劣,生態(tài)脆弱,只有提高土壤持水保肥性能,才能持久有效改良土壤[12]。本研究中,兩組泥漿組pH值、EC值均有所上升,但是沒有顯著加重土壤鹽堿化。泥漿+石膏組土壤pH 值降低,但鹽分含量增加,這是因?yàn)槭嘀脫Q出土壤膠體上的鈉離子,并中和堿性離子,降低堿性鹽[13],溶解過程中釋放和鈉鹽,另外試驗(yàn)過程中進(jìn)行水分控制,鹽分沒有及時(shí)得到淋洗[14],累積在土壤表層。但本試驗(yàn)結(jié)果顯示,添加石膏對(duì)土壤顆粒組成和蒸散量無(wú)顯著影響。
本研究中施入水基廢棄鉆井泥漿使得土壤中黏粒相對(duì)增加,蒸散量減少,從而促進(jìn)了團(tuán)聚體含量增加[15],有效提升土壤持水性能。另外,泥漿中含有的聚丙烯酰胺、膨潤(rùn)土等物質(zhì),能夠起到黏結(jié)土壤顆粒的作用[16],減少土壤大孔隙[17],利于有機(jī)質(zhì)的留存,可以作為干旱半干旱地區(qū)的土壤改良劑[18]。水基廢棄鉆井泥漿的有機(jī)質(zhì)含量為117.2 g·kg-1,增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量,提升土壤肥力。施入水基廢棄鉆井泥漿,不僅增加了土壤養(yǎng)分含量,而且改善了土壤持水保肥性能。但是過量添加泥漿會(huì)導(dǎo)致土壤表面板結(jié),甚至使得土壤顏色變黑[19],對(duì)土壤微環(huán)境產(chǎn)生影響,威脅作物正常生長(zhǎng)[20]。因此要根據(jù)不同土壤質(zhì)地,結(jié)合作物生長(zhǎng)狀況,研究最佳添加量[21]。
水基廢棄鉆井泥漿可促進(jìn)土壤中的營(yíng)養(yǎng)元素被作物吸收利用[22],且泥漿中低濃度的有機(jī)物可以促進(jìn)作物幼苗生長(zhǎng),這與Kisic 等[23]研究結(jié)果一致。甜菜葉片肥厚粗大,影響著塊根產(chǎn)量和糖分,施入鉆井泥漿后,泥漿中的養(yǎng)分被作物吸收,并作用于葉面,促進(jìn)葉片光合作用的進(jìn)行,使得作物生長(zhǎng)迅速。本研究顯示,施入一定量水基廢棄鉆井泥漿,對(duì)沙黃土中作物促生效果更好。兩種土壤產(chǎn)生差異主要是因?yàn)樯滁S土中黏粒和養(yǎng)分含量更低[24-25],較低濃度的泥漿能夠起到顯著改良作用。泥漿+石膏組中,甜菜各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)均低于相對(duì)應(yīng)的泥漿組,主要是因?yàn)樘砑邮嗪笸寥利}分含量顯著上升,另外試驗(yàn)期間蒸散量較大,土壤表面出現(xiàn)返鹽現(xiàn)象,鹽分累積在土壤表層,作物受到一定的鹽分脅迫[26]。因此,應(yīng)當(dāng)依據(jù)所用泥漿自身特性,綜合考慮土壤pH值增加和鹽堿化問題,選擇腐植酸、脫硫石膏、硫磺等其他添加劑進(jìn)行調(diào)節(jié)。
將油氣田開采產(chǎn)生的廢棄水基泥漿作為土壤改良劑,施入粗質(zhì)地土壤,可有效改良土壤結(jié)構(gòu),提升地力,對(duì)改善陜甘寧交界地帶的貧瘠土壤具有重要作用。水基廢棄鉆井泥漿相較于油基泥漿污染風(fēng)險(xiǎn)小,更易于資源化利用[27],且不會(huì)產(chǎn)生重金屬危害。本試驗(yàn)所用的水基廢棄鉆井泥漿中的鎘和鉻含量相對(duì)較高,分別達(dá)到0.27、88.10 mg·kg-1,均稍高于供試土壤樣品來源地和陜西省土壤背景值[28-29],但沒有超過《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—2018)中土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值(0.6 mg·kg-1和250 mg·kg-1)。按照最大施用量12%計(jì)算,試驗(yàn)土壤中重金屬鎘和鉻的增幅分別為0.03 mg·kg-1和10.57 mg·kg-1,不會(huì)造成土壤污染,但是廢棄泥漿大量使用可能造成一定的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),特別是在陜北部分土壤鎘含量偏高的礦區(qū)[29]。因此,應(yīng)該按照不同的土壤質(zhì)地和重金屬本底值嚴(yán)格控制施用量,并依據(jù)作物、土壤等實(shí)際情況進(jìn)行處理[30]。廢棄水基泥漿一般采用一次性處置,不存在重復(fù)施用問題,而且土壤-植物系統(tǒng)對(duì)泥漿中有機(jī)物的分解與吸收利用,可以實(shí)現(xiàn)廢棄泥漿變廢為寶,從而促進(jìn)油氣田開采與環(huán)境保護(hù)協(xié)同發(fā)展。本研究試驗(yàn)期短,缺乏施加泥漿對(duì)土壤和作物的長(zhǎng)期影響以及泥漿中養(yǎng)分在土壤中的轉(zhuǎn)化方面的研究,今后需進(jìn)一步探討。
(1)添加水基廢棄鉆井泥漿能夠改善粗質(zhì)地土壤基本物理性質(zhì)。施入泥漿后,沙黃土和黃綿土中黏粒相對(duì)含量增加,提升了土壤持水保肥能力,且重金屬含量在安全范圍內(nèi)。
(2)水基廢棄鉆井泥漿提供了有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分,促進(jìn)了作物生長(zhǎng)。依據(jù)作物生長(zhǎng)情況,沙黃土和黃綿土中添加8%(干基)泥漿量,對(duì)土壤改良和作物促生效果最佳。
農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)報(bào)2021年3期