CO2驅(qū)油技術(shù)對作物生長的影響

李悅+張紹良

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2017.13.063[HT9.]

摘要：以某CO2驅(qū)油技術(shù)（CO2-EOR）示范工程為研究對象，通過對CO2-EOR示范區(qū)內(nèi)玉米長勢的監(jiān)測，采用對比分析、顯著性檢驗等方法，定量分析了CO2-EOR對玉米生長的影響。結(jié)果表明，和對照區(qū)相比，監(jiān)測區(qū)內(nèi)玉米的指標(biāo)均值波動為0.23%～5.39%，但長勢沒有顯著差異；油井附近的玉米長勢總體優(yōu)于其他區(qū)域，指標(biāo)均值的波動幅度在0.33%～3.00%，但是也沒有顯著差異。究其原因，CO2-EOR過程中從抽油井中攜帶出來的CO2輕微提高了油井近地表的CO2濃度，產(chǎn)生施肥效應(yīng)。這一結(jié)果顯示，該CO2-EOR示范區(qū)內(nèi)玉米沒有受到CO2溢出的負面影響，反而在一定程度上促進了農(nóng)作物的生長。

關(guān)鍵詞：CO2地質(zhì)封存；CO2驅(qū)油技術(shù)（CO2-EOR）；玉米；影響分析

中圖分類號： S162.5文獻標(biāo)志碼： A[HK]

文章編號：1002-1302（2017）13-0238-04[HS）][HT9.SS]

收稿日期：2016-12-29

基金項目：國家科技支撐計劃（編號：2012BAC24B05）

作者簡介：李悅（1993—），女，四川廣元人，碩士研究生，從事生態(tài)環(huán)境監(jiān)測研究。E-mail：1658826806@qq.com。

通信作者：張紹良，博士，教授，從事生態(tài)監(jiān)測、CO2監(jiān)測研究。Tel：（0516）83591301；E-mail：cumtzslly@126.com。

[ZK）]

近年來，人們特別關(guān)注CO2人為排放引起的全球氣候變暖問題，將CO2埋存于地下是解決該問題的有效措施[1]。CO2驅(qū)油技術(shù)（CO2-EOR，CO2-enhanced oil recovery）是CO2捕獲與存儲優(yōu)先發(fā)展的技術(shù)，也最具商業(yè)推廣前景[2-3]。但是CO2在運輸、注入地下、驅(qū)油以及封存過程中，可能會發(fā)生泄漏，而不同途徑的泄漏對植被、生態(tài)系統(tǒng)的影響至今還不清楚[4-5]。在中國，很多油井都分布在平原農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地區(qū)，因此人們擔(dān)心CO2-EOR工程會影響農(nóng)作物的生長。

國內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，地質(zhì)封存CO2泄漏導(dǎo)致的大氣CO2濃度升高，對農(nóng)作物的影響主要表現(xiàn)在促進植物光合作用、增加其生物量累積；顯著提高C3作物產(chǎn)量，但對C4作物產(chǎn)量的影響很?。唤档土薈3和C4作物氣孔導(dǎo)度，非常顯著地提高了所有作物的水分利用率等方面[6-9]。但也有研究指出，在淹水、地面板結(jié)導(dǎo)致的土壤通氣不暢情景下，水稻、豆類植物和柑橘等作物并未受根部CO2濃度升高、O2缺乏的影響，玉米受高濃度土壤CO2短期影響后能夠得到恢復(fù)[10-11]。因此，地下CO2泄漏對不同農(nóng)作物的影響機理仍存在爭論，未能得出明確的結(jié)論。此外，CO2泄露對生態(tài)環(huán)境影響的研究方法主要停留在實驗室模擬、開放系統(tǒng)中的模擬以及數(shù)值模型模擬等方面[4，6，10-11]，都是在假設(shè)一定濃度CO2泄漏的基礎(chǔ)上，分析其對植被、環(huán)境的影響，而缺少對實際CO2封存工程的監(jiān)測與研究。

為此，本試驗以一個CO2-EOR工程項目為例，通過對監(jiān)測區(qū)、對照區(qū)、油井附近區(qū)和油井遠離區(qū)的玉米作物長勢進行監(jiān)測，調(diào)查CO2-EOR工程實施對玉米生長的影響，以此探討CO2-EOR技術(shù)的安全性

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

[JP2]CO2-EOR示范區(qū)位于山東省某油田范圍內(nèi)（圖1），屬黃河下游的魯北平原，北溫帶季風(fēng)大陸性氣候，春秋短而冬夏長，[JP]光照充足，年平均氣溫13.10 ℃，年平均降水量 539.4 mm，[JP]年均無霜期198 d，夏季多雨，冬春多旱。油田位于青城凸起東緣和東營凹陷的西南緣，主要油氣層埋藏集中在900～1 500 m，埋深大于1 500 m的中深層油藏主要分布于東區(qū)斷裂帶，探明的含油面積7.9 km2，石油地質(zhì)儲量0.196億t。區(qū)域內(nèi)主要作物是玉米和小麥，農(nóng)地水利灌溉設(shè)施良好。

1.2研究方法

1.2.1對比區(qū)域設(shè)置

本研究設(shè)置了監(jiān)測區(qū)與對照區(qū)（圖2），監(jiān)測區(qū)位于CO2-EOR工程實施區(qū)域內(nèi)，面積約 50 km2。工程采取一注多采的方式，核心注采區(qū)位于監(jiān)測區(qū)中心位置，50余口采出井則分布在監(jiān)測區(qū)各處。監(jiān)測區(qū)主要分布著耕地和村莊居民點；對照區(qū)則位于工程實施區(qū)2 km以外的西南角，氣候條件、耕作方式、灌溉系統(tǒng)及作物種植類型與監(jiān)測區(qū)相同。

為了監(jiān)測油井附近玉米作物的生長狀況，劃分油井附近區(qū)和遠離油井區(qū)。根據(jù)實地CO2濃度監(jiān)測結(jié)果，采出井口有較高濃度（6 000 μL/L）（圖3）的CO2逸散，但CO2擴散很快，距離采出井50 m處沒有影響。因此，以50 m作為油井附近區(qū)和遠離油井區(qū)劃分界限。

1.2.2樣本調(diào)查與數(shù)據(jù)采集

采用隨機抽樣方法，在對照區(qū)范圍內(nèi)隨機設(shè)置5個固定樣地，在監(jiān)測區(qū)范圍內(nèi)隨機設(shè)置18個[CM（25]固定樣地。在每一個樣地，布設(shè)3～5個樣方，每個樣方內(nèi)

采集玉米作物數(shù)據(jù)。連續(xù)2年監(jiān)測，分別于2013、2014年8月20日實地調(diào)查采樣。

葉面積指數(shù)、株高是對CO2濃度變化敏感的玉米作物長勢指標(biāo)[12-13]。葉面積指數(shù)是反映作物群體大小的較好的宏觀動態(tài)指標(biāo)，在一定的范圍內(nèi)，作物的產(chǎn)量隨葉面積指數(shù)的增大而提高，CO2濃度增加使植被葉面積指數(shù)增加，且促進作用比較明顯[12-13]。株高是一項可反映植被形態(tài)、健康狀況植被生理指標(biāo)，大氣CO2濃度升高能顯著增加作物株高，促使作物生長，提高產(chǎn)量[13]。采用冠層分析儀測量樣方內(nèi)玉米葉面積指數(shù)，軟尺測量株高。

1.2.3數(shù)據(jù)處理與計算

采用單因素方差分析方法，檢驗監(jiān)測區(qū)和對照區(qū)、油井附近區(qū)和遠離區(qū)的玉米葉面積指數(shù)、株高的差異顯著性，檢驗量F值為：endprint

[JZ（]F=[SX（]SSA/（k-1）SSE/（n-1）[SX）]；[JZ）][JY]（1）

[JZ（]SSA=∑[DD（]ki=1[DD）]ni（x[TX-*5]i-x[TX-*5]）2；[JZ）][JY]（2）

[JZ（]SSE=∑[DD（]ki=1[DD）] ∑[DD（]nii=1[DD）]（xij-x[TX-*5]i）2。[JZ）][JY]（3）

式中：i表示控制變量的第i水平，即第i總體；k表示總體數(shù)；n表示樣本總數(shù)；xij表示第i總體的第j觀測值；x[TX-*5]i表示第i總體的樣本均值；x[TX-*5]表示樣本總均值；SSA為組間平方和，SSE為組內(nèi)平方和。

采用Excel 2010軟件統(tǒng)計數(shù)據(jù)，用SPSS 19.0軟件完成單因素方差分析。

2結(jié)果與分析

2.1監(jiān)測區(qū)和對照區(qū)內(nèi)玉米長勢的對比

2.1.1描述統(tǒng)計量分析

從表1可知，2013年對照區(qū)玉米葉面積指數(shù)、株高均值稍大于監(jiān)測區(qū)均值；2014年則相反，監(jiān)測區(qū)玉米葉面積指數(shù)和株高均值略大于對照區(qū)均值；2年的綜合統(tǒng)計結(jié)果則是對照區(qū)葉面積指數(shù)均值稍大于監(jiān)測區(qū)均值，而監(jiān)測區(qū)株高均值稍大于對照區(qū)均值。以對照區(qū)為基準(zhǔn)，監(jiān)測區(qū)內(nèi)玉米長勢指標(biāo)均值的波動幅度在0.23%～5.39%。2年玉米長勢指標(biāo)中值的比較結(jié)果和均值比較結(jié)果相同?？梢?，對照區(qū)和監(jiān)測區(qū)的玉米長勢不存在明顯差異。

2.1.2單因素方差分析

由檢驗結(jié)果（表2）可以看出，葉面積指數(shù)的F值為0.125，株高的F值為0.000，對照區(qū)域內(nèi)玉米的葉面積指數(shù)方差沒有顯著差異（P>0.05），株高方差也沒有顯著差異（P>0.05）。進一步對2013年和2014年的玉米長勢指標(biāo)進行檢驗（表3）可知，2年間監(jiān)測區(qū)和對照區(qū)內(nèi)玉米葉面積指數(shù)、株高的方差也不存在顯著差異。

方差檢驗結(jié)果表明，葉面積指數(shù)和株高作為對CO2濃度變化敏感的玉米作物長勢指標(biāo)，在CO2-EOR區(qū)域和對照區(qū)域中都沒有顯著差異，表明玉米的生長沒有受到顯著影響。

2.2油井附近區(qū)與遠離油井區(qū)內(nèi)玉米長勢對比

2.2.1描述統(tǒng)計分析

由表4可以發(fā)現(xiàn)，2013年油井附近區(qū)玉米葉面積指數(shù)、株高的均值稍大于遠離油井區(qū)的均值；2014年玉米2項指標(biāo)的均值也是油井附近區(qū)均值大于遠離油井區(qū)均值。與遠離油井區(qū)相比，油井附近區(qū)內(nèi)玉米長勢指標(biāo)均值的波動幅度在0.32%～2.92%。中值的比較結(jié)果和均值的比較結(jié)果相同，即油井附近區(qū)葉面積指數(shù)、株高中值略大于遠離油井區(qū)中值。

2.2.2單因素方差分析

從表5可知，葉面積指數(shù)的F值為0.038，株高的F值為1.144，對應(yīng)的P值分別是0.846和0292，均大于0.05的顯著性水平，表明沒有顯著差異。同樣地，分別對2013、2014年對比區(qū)域內(nèi)玉米葉面積指數(shù)和株高進行F檢驗，結(jié)果如表6所示。由表6可以看出，在油井附近區(qū)和遠離油井區(qū)內(nèi)，玉米2項長勢指標(biāo)沒有顯著差異。

綜上所述，盡管表4的統(tǒng)計結(jié)果顯示，油井附近的玉米葉面積指數(shù)和株高的均值稍大于遠離油井區(qū)的均值，但是表5和表6的檢驗結(jié)果表明這種差異并不顯著（P>0.05），可見靠近油井的玉米作物長勢比遠離油井的玉米長勢稍好，但不存在顯著差異。

3討論

現(xiàn)有研究表明，植被短期暴露于高濃度大氣CO2條件下，對其生長具有肥效作用，長期暴露情景下，植被生理、形態(tài)特征和基因均發(fā)生適應(yīng)性地變化[10，14-15]。CO2濃度升高對農(nóng)作物的影響作用主要表現(xiàn)在促進植物光合作用、增加其生物量累積，顯著提高C3作物產(chǎn)量，但對玉米等C4作物產(chǎn)量的影響很小[6]。CO2驅(qū)油過程中，從油井逃逸出來的CO2導(dǎo)致油井附近地表CO2濃度增加，對農(nóng)作物產(chǎn)量稍有促進作用，且影響范圍與風(fēng)向有關(guān)[16]。據(jù)研究區(qū)內(nèi)CO2濃度監(jiān)測，距離油井越近，近地表的CO2濃度越高，最大可達6 000 μL/L，但隨著距離的增加，地表CO2濃度迅速減小直至恢復(fù)一般水平（圖3）。從表4可以發(fā)現(xiàn)，油井附近區(qū)內(nèi)玉米的葉面積指數(shù)和株高均值都比遠離油井區(qū)的均值稍高，而且連續(xù)2年監(jiān)測的結(jié)果均相同，這可能就是因為油井抽采時CO2逸散出來，增高了油井附近的地表CO2濃度，促進了這些區(qū)域內(nèi)的玉米生長，但是表5和表6結(jié)果顯示這種間歇性的逸散對農(nóng)作物長勢促進作用不大，不存在顯著差異。

地質(zhì)封存的CO2泄漏路徑主要有火山等劇烈地質(zhì)活動、構(gòu)造斷層或破碎帶、高滲透性的滲流帶、井口等[10，17-19]。研究區(qū)內(nèi)可能存在的泄漏途徑有2種：一是CO2在驅(qū)油過程中隨著石油到達井口從而逃逸。從油井附近的CO2濃度監(jiān)測結(jié)果來看，抽油的同時確實存在CO2的逸散情況，但是逸散范圍小，并對作物生長有輕微的促進作用。另一種途徑是從地質(zhì)斷層泄漏至地表。但本研究區(qū)內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)此類泄漏，原因可能是，該區(qū)域油藏深度達900～1 500 m，上面蓋層厚且完整性好，而且CO2從2009年開始注入，注入量僅4萬t/年，注入量也不大。從監(jiān)測區(qū)和對照區(qū)玉米長勢的比較結(jié)果可知，CO2-EOR區(qū)域玉米長勢沒有顯著變化，這說明示范區(qū)實施CO2-EOR工程對農(nóng)作物生長沒有威脅。

本研究是在連續(xù)注入5年后開展的監(jiān)測，且連續(xù)監(jiān)測了2年。統(tǒng)計分析表明，示范工程區(qū)域內(nèi)農(nóng)作物玉米沒有受到影響，不過本研究的的結(jié)論是建立在幾個主要生理指標(biāo)以及實地抽樣調(diào)查的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上的，因此，只能表明在本研究區(qū)農(nóng)作物玉米種植區(qū)內(nèi)開展CO2-EOR工程是安全的。不過，這一結(jié)論在一定程度上消除了人們對CO2-EOR工程實施對地表農(nóng)作物生產(chǎn)的擔(dān)憂。

4結(jié)論

本試驗以CO2-EOR示范區(qū)域玉米作物為對象，以葉面積指數(shù)、株高為指標(biāo)進行研究，對比分析了監(jiān)測區(qū)和對照區(qū)、油井附近區(qū)和遠離油井區(qū)兩組區(qū)域的玉米長勢情況。結(jié)果表明，和對照區(qū)相比，監(jiān)測區(qū)內(nèi)玉米指標(biāo)均值波動為0.23%～[JP2]539%，但方差分析表明玉米長勢沒有顯著差異；油井附近的[JP2]玉米長勢總體優(yōu)于其他區(qū)域，[JP3]指標(biāo)均值的波動幅度在0.33%～[JP]3.00%，但是F檢驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)也沒有顯著差異；分析其原因，CO2-EOR過程中從抽油井中攜帶出來的CO2輕微提高了油井近地表的CO2大氣濃度，產(chǎn)生了施肥效應(yīng)。這一結(jié)果顯示，該CO2-EOR示范區(qū)玉米作物沒有受到CO2溢出的負面影響，反而在一定程度上促進了農(nóng)作物的生長。endprint

由于受到研究區(qū)本身條件、監(jiān)測指標(biāo)、調(diào)查方法等限制，只能證明本研究區(qū)內(nèi)開展CO2-EOR工程是安全的，在一定程度上消除了人們對CO2地質(zhì)封存的擔(dān)憂。

[HTK]致謝：感謝項目組楊永均、劉莘、徐雅晴、黃安平、郝紹金、任雪峰等對資料的收集和整理，為本研究提供了大量分析數(shù)據(jù)，感謝油田公司和工作人員對我們在調(diào)研過程中提供的幫助。[HT]

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