CO2驅油示范區植被生態本底調查的指標與方法

郝紹金等

摘要：CO2-EOR技術能提高油氣采收率，但由于人為、地質等因素造成的泄漏風險給陸地生態系統帶來潛在威脅，包括對農田生產、人體健康等的影響。對CO2驅油示范區進行植被生態調查有利于監測區域本底生態狀況，主要指標包括農業特征、生態因子、植物群落等，監測方法包括遙感調查、地面實測、室內試驗等。為驗證指標體系的有效性和可行性，對G油田CO2驅油示范區實施了本底調查。結果表明，該指標體系與方法為示范區生態監測提供了重要的指導作用。

關鍵詞：CO2-EOR示范區；植被生態；指標體系；本底調查

中圖分類號： X830.2文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）09-0340-04

收稿日期：2014-03-30

基金項目：國家科技支撐計劃（編號：2012BAC24B05）；國際科技合作計劃（編號：2013DFB60140-08）；江蘇高校優勢學科建設工程。

作者簡介：郝紹金（1988—），男，湖北巴東人，碩士研究生，主要從事農業環境的研究。E-mail：cumthsj@163.com。

通信作者：陳浮，博士，副教授，主要從事碳捕捉與封存（CCS）的研究。Tel：（0516）83883390；E-mail：chenfu@ cumt. edu.cn。由于CO2易達到超臨界狀態，用CO2驅油（CO2-EOR）能提高油氣田的采收率，因此CO2-EOR被廣泛用于油氣開采并取得了較好效果，該技術被認為是3次采油中最具潛力的提高采收率的方法之一[1]。同時CO2驅油減少了向空氣中排放CO2的量，達到綠色環保的目的，被譽為是油田綠色開發技術[2]。CO2驅油是CO2地質封存較為有效方式之一，但我國CO2地質封存還處于起步階段，缺乏法規依據和案例參考以及較為系統的環境監測方法和監測數據的支持[3]，加上CO2驅油過程中經過裂縫、斷層、油氣井的破裂會導致CO2泄漏，CO2一旦泄漏，會對人類、動植物、環境造成影響，當泄漏的量達到一定數值時，CO2驅油也就失去了節能減排作用。如何防止CO2泄漏，如何對CO2泄漏進行監測是CO2驅油的重要任務之一。CO2泄漏是CO2驅油的重要風險，在整個CO2捕捉與封存（CCS）技術中具有最大的潛在環境風險[4]。在CO2泄漏的眾多影響中，生態系統影響是嚴重的風險[5]。英國寧波諾丁漢大學的模擬試驗結果顯示，CO2的濃度對牧草和大豆的生長具有影響[6]。歐志英等研究表明，長期高濃度CO2會降低作物的產量及生物量[7]。在大面積注入CO2前，實施本底植被生態監測、提取本底值、監測評估生態變化是一項必不可少的工作。

1CO2驅油對植被生態的潛在影響

CO2驅油可以提高采收率，但也存在著泄漏的危險，2006年政府間氣候變化專門委員會（IPCC）制定的國家溫室氣體清單指南[8]，在現有研究工作基礎上，本研究將CO2驅油泄漏類型分為人為因素泄漏、地質因素泄漏、化學因素泄漏。人為因素主要是現有井、廢井不封閉，儲藏庫過滿、超過閾值以及油井選址、現有技術缺陷導致的泄漏；地質因素主要是由于地質結構中斷層和裂縫導致的泄漏；化學因素泄漏主要因為部分CO2與水反應，導致蓋層退化，從而產生泄漏。CO2泄漏的主要類型為人為因素及化學因素泄漏，CO2泄漏會影響植被光合作用及呼吸作用，由于CO2能與水反應生成弱酸，能與土壤中的物質發生連串反應，影響植被蒸騰作用，最終危害生態系統和人體健康。CO2泄漏的路徑及危害見表1。

2本底植被生態調查的指標與方法

根據前述分析，CO2驅油示范區泄漏的CO2會對植被和生態系統及人體健康造成影響，而植被對CO2濃度的變化敏感性較強，同時分布廣泛，幾乎所有驅油示范區都能找到，因此常以植被的生理生態指標作為CO2泄漏的監測指標。目前還沒有一個較為系統明確的本底植被生態指標及其方法，筆者在總結相關研究的基礎上，結合農學、農業生態相關知識，確立了主要針對影響植被生長的生態因子、植株生理生態特征、群落、景觀進行的觀測指標（表2）。

從不同的觀測尺度來看，農業特征調查可以對示范區的氣候特征、自然災害、病蟲害、植物的類型有初步了解，為分析數據提供基礎信息。植物群落觀測可以研究種群內部和群落間的有規律組合及其相互關系。植被區域研究某個區域內的整體情況，對實地調查提供指導作用。

植株生理包括水分、礦質營養、光合作用、呼吸作用、物質代謝、植物激素、生長發育、植物與環境、分子生物學。研究CO2泄漏對植被的影響，主要是泄漏的CO2影響了植物生理生態指標，在外界各種因素綜合作用下表現出來。而植被的許多生態過程，諸如蒸發、蒸騰、初級生產、廢物分解[9]等都與植被生化組分的含量密切相關，如葉綠素濃度通常是植物光合能力、營養脅迫和發育階段指標之一[10]，氮素是植物生長的重要養分，在植物營養中有著極其重要地位，也是農田中主要缺少的養分之一，氮素與植被健康生理情況最密切的影響脅迫因子之一[11]。植被主要組成成分為水、葉綠素、蛋白質、纖維素。選定葉綠素a濃度、葉片水含量、葉片氮含量、葉面積指數、葉片光譜反射率作為監測植被的主要指標。植株生理生態主要監測指標及方法[12-15]見表3。

3監測實例

本研究選取G油田為研究對象，結合現場實際情況，以注入井為中心向外延伸劃定為試驗監測區，選取相鄰無泄漏的區域為對照區，劃定了研究區域。對照試驗區、試驗監測區范圍見圖1。于2013年7—8月進行2次生態監測，以主要交通干道為輻射軸，采用隨機抽樣的方法，步行、乘車前往各個采樣點，在考慮到植物類型、種植方式等方面的基礎上，計算出不同植物在不同種植方式下所需的樣本數。2次測量樣點數量分別53、31處，2次采樣點空間分布見圖2，每個樣點主要采集大豆、玉米、棉花3種作物樣品，還專門對采出井、注入井周邊進行了植被調查和采樣。在實驗室對葉綠素、總氮、葉片水分含量等指標進行了測定，對測定數據、調查數據進行分析，得出了植被生態監測的多因素共同作用圖，結果見圖3。endprint

從圖3可以看出，（1）表現出受自然條件影響（水淹、樹蔭等）產生了株高極端數值效應；（2）由于種植制度的不同（連作、套作）產生了樣點整群差異現象；（3）株高與 CO2-EOR 注入井距離不存在明顯相關關系；（4）從不同作物類型來看，棉花樣品方差較小，群落整齊度較高；玉米為大面積農田作物，種植制度對其生長周期影響較大，整群差異較為明顯。大豆種植在邊角地，影響其生長的自然因素較多，作物株高差異明顯。

在對G油田CO2驅油示范區進行野外生態調查、室內試驗及數據分析的基礎上，以基本地理（水系、道路、農村居民點），基本地質，監測數據（監測點、監測路線、光譜特征），石油開發，柵格數據（遙感影像、DEM、植被覆蓋），數據表（植株生理生態、群落），文本數據（農業特征、監測報告）為主要內容，建立本底植被生態監測數據庫，結果見圖4。

通過建立本地植被生態監測數據庫，為后期研究CO2驅油過程中CO2泄漏對植物脅迫影響提供了基礎資料，也為分析植被生態本底值提供了依據， 并為研究植被生態監測提供

了一套較為完整的思路。

4結論與討論

針對CO2驅油帶來的生態不安全因素，從CO2驅油的泄漏風險、公眾焦點出發，分析對植被生態的影響，總結可能的泄漏途徑及危害，得出CO2驅油示范區本地植被生態監測對于CO2驅油開采理論研究、風險評估，建立監測評估體系方面起著重要的作用，提出本底植被生態調查的指標與方法，對植被生態本底調查提取本底值，監測植被生態變化、評估、判斷有重要的意義。以G油田為實例，描述了本底植被生態監測從指標選取，到野外實地調查、室內試驗、數據庫的建立，在本底植被生態監測調查方面具有良好的參考借鑒意義。在監測指標確定方面，結合農學、農業生態相關知識總結而成，對指標的驗證和優化還有待進一步研究。對監測手段和試驗方法采用常規方法，在監測的多樣化和實驗方法的先進性方面還有改進的空間。

參考文獻：

[1]劉忠運，李莉娜. CO2驅油機理及應用現狀[J]. 節能與環保，2009，10（10）：36-38.

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[11]袁金國，牛錚. 基于Hyperion高光譜圖像的氮和葉綠素制圖[J]. 農業工程學報，2007，23（4）：172-178.

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[13]Grossman Y L，Verdebout J. Critique of stepwise multiple linear regressions for the extraction of leaf biochemistry information from leaf reflectance data[J]. Remote Sens Enviorn，1996，56：182-193.

[14]Dawson T P，Curran P J，North P，et al. The propagation of foliar biochemical absorption features in forest canopy reflectance：a theoretical analysis[J]. Remote Sensing of Environment，1999，67（2）：147-159.

[15]魯如坤. 土壤農業化學分析方法[M]. 北京：中國農業科技出版社，2000：302-312.劉璐嘉，陳漢新，周明耀，等. 不同水深條件下的青萍除氮效果試驗[J]. 江蘇農業科學，2014，42（9）：344-348.endprint

從圖3可以看出，（1）表現出受自然條件影響（水淹、樹蔭等）產生了株高極端數值效應；（2）由于種植制度的不同（連作、套作）產生了樣點整群差異現象；（3）株高與 CO2-EOR 注入井距離不存在明顯相關關系；（4）從不同作物類型來看，棉花樣品方差較小，群落整齊度較高；玉米為大面積農田作物，種植制度對其生長周期影響較大，整群差異較為明顯。大豆種植在邊角地，影響其生長的自然因素較多，作物株高差異明顯。

在對G油田CO2驅油示范區進行野外生態調查、室內試驗及數據分析的基礎上，以基本地理（水系、道路、農村居民點），基本地質，監測數據（監測點、監測路線、光譜特征），石油開發，柵格數據（遙感影像、DEM、植被覆蓋），數據表（植株生理生態、群落），文本數據（農業特征、監測報告）為主要內容，建立本底植被生態監測數據庫，結果見圖4。

通過建立本地植被生態監測數據庫，為后期研究CO2驅油過程中CO2泄漏對植物脅迫影響提供了基礎資料，也為分析植被生態本底值提供了依據， 并為研究植被生態監測提供

了一套較為完整的思路。

4結論與討論

針對CO2驅油帶來的生態不安全因素，從CO2驅油的泄漏風險、公眾焦點出發，分析對植被生態的影響，總結可能的泄漏途徑及危害，得出CO2驅油示范區本地植被生態監測對于CO2驅油開采理論研究、風險評估，建立監測評估體系方面起著重要的作用，提出本底植被生態調查的指標與方法，對植被生態本底調查提取本底值，監測植被生態變化、評估、判斷有重要的意義。以G油田為實例，描述了本底植被生態監測從指標選取，到野外實地調查、室內試驗、數據庫的建立，在本底植被生態監測調查方面具有良好的參考借鑒意義。在監測指標確定方面，結合農學、農業生態相關知識總結而成，對指標的驗證和優化還有待進一步研究。對監測手段和試驗方法采用常規方法，在監測的多樣化和實驗方法的先進性方面還有改進的空間。

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[15]魯如坤. 土壤農業化學分析方法[M]. 北京：中國農業科技出版社，2000：302-312.劉璐嘉，陳漢新，周明耀，等. 不同水深條件下的青萍除氮效果試驗[J]. 江蘇農業科學，2014，42（9）：344-348.endprint

從圖3可以看出，（1）表現出受自然條件影響（水淹、樹蔭等）產生了株高極端數值效應；（2）由于種植制度的不同（連作、套作）產生了樣點整群差異現象；（3）株高與 CO2-EOR 注入井距離不存在明顯相關關系；（4）從不同作物類型來看，棉花樣品方差較小，群落整齊度較高；玉米為大面積農田作物，種植制度對其生長周期影響較大，整群差異較為明顯。大豆種植在邊角地，影響其生長的自然因素較多，作物株高差異明顯。

在對G油田CO2驅油示范區進行野外生態調查、室內試驗及數據分析的基礎上，以基本地理（水系、道路、農村居民點），基本地質，監測數據（監測點、監測路線、光譜特征），石油開發，柵格數據（遙感影像、DEM、植被覆蓋），數據表（植株生理生態、群落），文本數據（農業特征、監測報告）為主要內容，建立本底植被生態監測數據庫，結果見圖4。

通過建立本地植被生態監測數據庫，為后期研究CO2驅油過程中CO2泄漏對植物脅迫影響提供了基礎資料，也為分析植被生態本底值提供了依據， 并為研究植被生態監測提供

了一套較為完整的思路。

4結論與討論

針對CO2驅油帶來的生態不安全因素，從CO2驅油的泄漏風險、公眾焦點出發，分析對植被生態的影響，總結可能的泄漏途徑及危害，得出CO2驅油示范區本地植被生態監測對于CO2驅油開采理論研究、風險評估，建立監測評估體系方面起著重要的作用，提出本底植被生態調查的指標與方法，對植被生態本底調查提取本底值，監測植被生態變化、評估、判斷有重要的意義。以G油田為實例，描述了本底植被生態監測從指標選取，到野外實地調查、室內試驗、數據庫的建立，在本底植被生態監測調查方面具有良好的參考借鑒意義。在監測指標確定方面，結合農學、農業生態相關知識總結而成，對指標的驗證和優化還有待進一步研究。對監測手段和試驗方法采用常規方法，在監測的多樣化和實驗方法的先進性方面還有改進的空間。

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[15]魯如坤. 土壤農業化學分析方法[M]. 北京：中國農業科技出版社，2000：302-312.劉璐嘉，陳漢新，周明耀，等. 不同水深條件下的青萍除氮效果試驗[J]. 江蘇農業科學，2014，42（9）：344-348.endprint