鉆井廢棄物對(duì)黃土區(qū)谷子和高粱產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

翟文晰，郝明德,，王 哲，張榮耀，任 鵬

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；3.長(zhǎng)慶油田分公司第二采氣廠，陜西 西安 710200；4.長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西 西安 710200)

石油和天然氣作業(yè)是石油天然氣采集的必須工藝之一，鉆井完成后，將鉆井廢棄物放置在泥漿池中，并對(duì)其進(jìn)行一系列的處理[1]。國(guó)內(nèi)外對(duì)鉆井廢棄物的處置技術(shù)已較為成熟[2～7]，國(guó)內(nèi)處理鉆井廢棄物多采用固化填埋和固液分離的方式。由于鉆井液在配置時(shí)，加入上百種添加材料，使得鉆井液的有機(jī)質(zhì)、鹽分以及pH等指標(biāo)較高，不合理的處置和利用會(huì)影響周圍環(huán)境，甚至?xí)竞ψ魑?。?guó)內(nèi)外關(guān)于鉆井泥漿對(duì)作物及環(huán)境影響的研究較少，且在鉆井泥漿對(duì)作物生長(zhǎng)利弊的相關(guān)研究有諸多爭(zhēng)議，一些研究認(rèn)為，鉆井液對(duì)植物生長(zhǎng)的影響很大程度上是負(fù)面的，因?yàn)橹参锟衫玫奈⒘吭睾涂扇苄喳}含量較高等原因[8～13]，抑制作物的生長(zhǎng)。也有人認(rèn)為，較低的濃度施加鉆井液或使用較環(huán)保的材料生產(chǎn)的鉆井液對(duì)植物生長(zhǎng)有促進(jìn)作用[1, 6, 14]。固化處理技術(shù)因其可原位處理并成本較低的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中使用較多。因此，探明鉆井廢棄物固化處理方式對(duì)其上作物的影響，對(duì)明確廢棄物處理過程對(duì)環(huán)境的利弊有重要作用。谷子作為一種抗逆性強(qiáng)的禾本科作物，在我國(guó)和世界范圍均有大范圍的種植，是除小麥和大麥外，人類種植最多的夏季谷物；高粱同樣具有抗旱、耐澇、耐鹽堿、耐高溫、耐瘠薄等特點(diǎn)，被譽(yù)為“生物能源系統(tǒng)中最有力競(jìng)爭(zhēng)者”。研究通過對(duì)長(zhǎng)慶油田泥漿埋設(shè)處理13 a后井場(chǎng)上生長(zhǎng)的谷子進(jìn)行調(diào)查研究，探究鉆井泥漿對(duì)填埋處理后對(duì)井場(chǎng)生長(zhǎng)植物的影響，并為鉆井廢棄物埋設(shè)場(chǎng)地利用、環(huán)境恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料方法

1.1 采樣地概況

2018年10月，對(duì)長(zhǎng)慶油田氣井州31-31井場(chǎng)生長(zhǎng)的谷子和氣井榆79井場(chǎng)上生長(zhǎng)點(diǎn)高粱調(diào)查并取樣，該氣井位于陜西省榆林市子洲縣苗家坪鎮(zhèn)和陜西省榆林市綏德縣石家灣附近，地跨暖溫帶與中溫帶，具有大陸性季風(fēng)氣候特點(diǎn)。土壤以黃綿土為主，土層深厚，土質(zhì)疏松，年降水量400 mm以上，屬于黃土丘陵溝壑區(qū)。泥漿池下部和四周鋪設(shè)防滲布，谷子場(chǎng)地上部覆蓋1.0 m的土層，高粱上部覆蓋1.8 m土層。種植制度按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣管理，泥漿池內(nèi)和泥漿池外所采植物在同一地塊生長(zhǎng)。

1.2 研究方法

選取泥漿池和臨近地塊生長(zhǎng)的谷子和高粱，使用 1m2的樣方框，在采樣點(diǎn)設(shè)置樣方采樣，刈割地上部分，測(cè)定植物鮮重，裝入尼龍網(wǎng)袋子中帶回實(shí)驗(yàn)室在105 ± 2℃下殺青0.5 h，75 ℃烘至樣品恒重，計(jì)算生物量及產(chǎn)量。

1.3 檢測(cè)方法

使用石墨爐原子吸收光譜法測(cè)定植物中重金屬鉛、鎘、鉻；使用氫化物發(fā)生原子熒光光譜法測(cè)定植物中總砷；使用原子熒光光譜分析法測(cè)定植物中總汞；用火焰原子吸收光譜法測(cè)定植物中全銅；粗蛋白、粗脂肪、淀粉和還原性糖分別用凱氏定氮法、索氏抽提法、酸水解法和直接滴定法測(cè)定；16種氨基酸含量使用全自動(dòng)氨基酸分析儀(日立L-8800)測(cè)定[15]。

2 數(shù)據(jù)分析

利用Microsoft Office Excel 2016進(jìn)行繪圖和數(shù)據(jù)處理。

3 結(jié)果分析和討論

3.1 鉆井廢棄物對(duì)谷子和高粱重金屬含量的影響

在泥漿池上生長(zhǎng)的谷子和高粱與非泥漿池上生長(zhǎng)谷子和高粱的重金屬含量均在食品安全標(biāo)準(zhǔn)食品限量范圍內(nèi)，兩者含量相近(表 1)。填埋處理后的泥漿對(duì)其上生長(zhǎng)的谷子和高粱的重金屬含量沒有影響。表 1中，泥漿池內(nèi)、泥漿池外谷子以及高粱Pb含量均未檢出，未達(dá)到0.04 mg·kg-1檢出限含量，兩者低于食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB2762-2017要求的0.2 mg·kg-1。泥漿池內(nèi)和泥漿池外谷子Cd含量相比，含量相差不大。泥漿池內(nèi)和泥漿池外兩者谷子和高粱Cd和Cr含量均符合食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB2762-2017的要求。兩者均符合食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB2762-2017的要求。泥漿池內(nèi)、泥漿池外谷子和高粱As含量均未檢出，兩者均低于食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB2762-2017要求的0.2 mg·kg-1。

表1 鉆井廢棄物對(duì)谷子和高粱重金屬含量的影響 (mg·kg-1)

3.2 鉆井廢棄物對(duì)谷子和高粱品質(zhì)的影響

泥漿池對(duì)谷子品質(zhì)的影響較小(圖1,圖2)，泥漿池內(nèi)與泥漿池外谷子品質(zhì)指標(biāo)含量相比沒有明顯的增加和降低。蛋白質(zhì)含量是谷子營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的主要構(gòu)成成分之一[16]。粗脂肪是組成生物體的重要成分，是植物維持生命活動(dòng)必需的儲(chǔ)存物質(zhì)，具有芳香氣味。與泥漿池外相比，泥漿池外生長(zhǎng)的谷子其淀粉含量沒有明顯的提高。但從總量上來看，由于泥漿池內(nèi)生長(zhǎng)的谷子產(chǎn)量增加，淀粉的總量增加了25.1 kg·km-2。還原性糖是植物能量活動(dòng)的重要原料，對(duì)提高作物品質(zhì)有積極作用。鉆井廢棄物對(duì)谷子還原性糖含量影響較小，泥漿池內(nèi)與泥漿池外相比還原性糖含量沒有明顯變化。

圖1 鉆井廢棄物對(duì)谷子品質(zhì)指標(biāo)含量的影響

圖2 鉆井廢棄物對(duì)高粱品質(zhì)指標(biāo)含量的影響

3.3 鉆井廢棄物對(duì)谷子和高粱產(chǎn)量的影響

泥漿池內(nèi)生長(zhǎng)的谷子和高粱與泥漿池外相比生物產(chǎn)量增加了1 959 kg·hm-2和2 700 kg·hm-2(表2)。泥漿池內(nèi)相較于泥漿池外籽粒產(chǎn)量增加了585 kg·hm-2和900 kg·hm-2。

增產(chǎn)的原因多是因?yàn)殂@井時(shí)的添加材料，如為鉆井泥漿增稠、增粘、提高井眼穩(wěn)定性的膨潤(rùn)土，起到穩(wěn)孔作用的水解丙烯酰胺[17]，兩者均有吸濕保水的作用，并且可以作為農(nóng)業(yè)保水劑[18～23]。除此之外，鉆井液添加物中有大量的腐植酸、羧甲基纖維素等材料，這些添加料可以提高土壤有機(jī)質(zhì)，供給氮磷鉀等營(yíng)養(yǎng)元素，有助于提高土壤中微量元素的含量，改善土壤保肥、保水的能力[24]。有研究認(rèn)為，在一定濃度范圍內(nèi)施用硅酸鹽鉆井泥漿，能夠顯著的降低土壤的導(dǎo)水率、孔隙度和田間持水量，且對(duì)作物的生長(zhǎng)的傷害較低[25]。

表2 鉆井廢棄物對(duì)谷子和高粱產(chǎn)量的影響 (kg·hm-2)

3.4 鉆井廢棄物對(duì)谷子和高粱氨基酸含量的影響

谷子的蛋白質(zhì)含量較高，并且其氨基酸組成也比較合理，人體必需氨基酸含量比其他主要糧食作物都高。蛋白質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值與氨基酸的組分密切相關(guān)，特別是必須氨基酸的含量和比例，并且蛋白質(zhì)氨基酸組成越接近人體蛋白質(zhì)組成，其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值越高。

在總氨基酸中，泥漿池內(nèi)相較于泥漿池外谷子和高粱氨基酸含量略有增加。在必需氨基酸中，泥漿池內(nèi)氨基酸與泥漿池外氨基酸相比，異亮氨酸、纈氨酸、亮氨酸、賴氨酸、苯丙氨酸和蘇氨酸含量分別增加了0.03%、0.04%、0.04%、0.05%、0.04%和0.04%，其中以賴氨酸含量增加最多，但必需氨基酸總體上均增加的較少。在非必須氨基酸中，泥漿池內(nèi)氨基酸含量與泥漿池外氨基酸含量相比，十種氨基酸均有增加，其中以天冬氨酸和谷氨酸增加最多，兩者分別增加了0.08%和0.11%。總的來看，鉆井廢棄物對(duì)谷子和高粱氨基酸含量均表現(xiàn)為增加態(tài)勢(shì)，但是均增加不明顯。

表3 鉆井廢棄物對(duì)谷子和高粱氨基酸含量的影響 (%)

4 結(jié)論

(1)在泥漿池上生長(zhǎng)的谷子和高粱重金屬含量均在食品安全標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量范圍內(nèi)，符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。

(2)在鉆井廢棄物上生長(zhǎng)的谷子和高粱品質(zhì)影響不明顯，泥漿池內(nèi)與泥漿池外谷子品質(zhì)指標(biāo)含量相比沒有明顯增減，鉆井廢棄物對(duì)谷子和高粱氨基酸的影響不明顯。

(3)泥漿池內(nèi)相較于泥漿池外產(chǎn)量有較為明顯的增加，猜測(cè)增產(chǎn)的原因多是由于鉆井液中的添加材料具有吸濕保水的能力和增加土壤肥料的特性。