CO2驅油技術對作物生長的影響

李悅+張紹良

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

摘要：以某CO2驅油技術（CO2-EOR）示范工程為研究對象，通過對CO2-EOR示范區內玉米長勢的監測，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。結果表明，和對照區相比，監測區內玉米的指標均值波動為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于其他區域，指標均值的波動幅度在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，產生施肥效應。這一結果顯示，該CO2-EOR示范區內玉米沒有受到CO2溢出的負面影響，反而在一定程度上促進了農作物的生長。

關鍵詞：CO2地質封存；CO2驅油技術（CO2-EOR）；玉米；影響分析

中圖分類號： S162.5文獻標志碼： 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，從事生態環境監測研究。E-mail：1658826806@qq.com。

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

[ZK）]

近年來，人們特別關注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驅油技術（CO2-EOR，CO2-enhanced oil recovery）是CO2捕獲與存儲優先發展的技術，也最具商業推廣前景[2-3]。但是CO2在運輸、注入地下、驅油以及封存過程中，可能會發生泄漏，而不同途徑的泄漏對植被、生態系統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業生產地區，因此人們擔心CO2-EOR工程會影響農作物的生長。

國內外學者研究發現，地質封存CO2泄漏導致的大氣CO2濃度升高，對農作物的影響主要表現在促進植物光合作用、增加其生物量累積；顯著提高C3作物產量，但對C4作物產量的影響很小；降低了C3和C4作物氣孔導度，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、地面板結導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[10-11]。因此，地下CO2泄漏對不同農作物的影響機理仍存在爭論，未能得出明確的結論。此外，CO2泄露對生態環境影響的研究方法主要停留在實驗室模擬、開放系統中的模擬以及數值模型模擬等方面[4，6，10-11]，都是在假設一定濃度CO2泄漏的基礎上，分析其對植被、環境的影響，而缺少對實際CO2封存工程的監測與研究。

為此，本試驗以一個CO2-EOR工程項目為例，通過對監測區、對照區、油井附近區和油井遠離區的玉米作物長勢進行監測，調查CO2-EOR工程實施對玉米生長的影響，以此探討CO2-EOR技術的安全性

1材料與方法

1.1研究區概況

[JP2]CO2-EOR示范區位于山東省某油田范圍內（圖1），屬黃河下游的魯北平原，北溫帶季風大陸性氣候，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斷裂帶，探明的含油面積7.9 km2，石油地質儲量0.196億t。區域內主要作物是玉米和小麥，農地水利灌溉設施良好。

1.2研究方法

1.2.1對比區域設置

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

為了監測油井附近玉米作物的生長狀況，劃分油井附近區和遠離油井區。根據實地CO2濃度監測結果，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作為油井附近區和遠離油井區劃分界限。

1.2.2樣本調查與數據采集

采用隨機抽樣方法，在對照區范圍內隨機設置5個固定樣地，在監測區范圍內隨機設置18個[CM（25]固定樣地。在每一個樣地，布設3～5個樣方，每個樣方內

采集玉米作物數據。連續2年監測，分別于2013、2014年8月20日實地調查采樣。

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

1.2.3數據處理與計算

采用單因素方差分析方法，檢驗監測區和對照區、油井附近區和遠離區的玉米葉面積指數、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；n表示樣本總數；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為組內平方和。

采用Excel 2010軟件統計數據，用SPSS 19.0軟件完成單因素方差分析。

2結果與分析

2.1監測區和對照區內玉米長勢的對比

2.1.1描述統計量分析

從表1可知，2013年對照區玉米葉面積指數、株高均值稍大于監測區均值；2014年則相反，監測區玉米葉面積指數和株高均值略大于對照區均值；2年的綜合統計結果則是對照區葉面積指數均值稍大于監測區均值，而監測區株高均值稍大于對照區均值。以對照區為基準，監測區內玉米長勢指標均值的波動幅度在0.23%～5.39%。2年玉米長勢指標中值的比較結果和均值比較結果相同。可見，對照區和監測區的玉米長勢不存在明顯差異。

2.1.2單因素方差分析

由檢驗結果（表2）可以看出，葉面積指數的F值為0.125，株高的F值為0.000，對照區域內玉米的葉面積指數方差沒有顯著差異（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年的玉米長勢指標進行檢驗（表3）可知，2年間監測區和對照區內玉米葉面積指數、株高的方差也不存在顯著差異。

方差檢驗結果表明，葉面積指數和株高作為對CO2濃度變化敏感的玉米作物長勢指標，在CO2-EOR區域和對照區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油井附近區與遠離油井區內玉米長勢對比

2.2.1描述統計分析

由表4可以發現，2013年油井附近區玉米葉面積指數、株高的均值稍大于遠離油井區的均值；2014年玉米2項指標的均值也是油井附近區均值大于遠離油井區均值。與遠離油井區相比，油井附近區內玉米長勢指標均值的波動幅度在0.32%～2.92%。中值的比較結果和均值的比較結果相同，即油井附近區葉面積指數、株高中值略大于遠離油井區中值。

2.2.2單因素方差分析

從表5可知，葉面積指數的F值為0.038，株高的F值為1.144，對應的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年對比區域內玉米葉面積指數和株高進行F檢驗，結果如表6所示。由表6可以看出，在油井附近區和遠離油井區內，玉米2項長勢指標沒有顯著差異。

綜上所述，盡管表4的統計結果顯示，油井附近的玉米葉面積指數和株高的均值稍大于遠離油井區的均值，但是表5和表6的檢驗結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、形態特征和基因均發生適應性地變化[10，14-15]。CO2濃度升高對農作物的影響作用主要表現在促進植物光合作用、增加其生物量累積，顯著提高C3作物產量，但對玉米等C4作物產量的影響很小[6]。CO2驅油過程中，從油井逃逸出來的CO2導致油井附近地表CO2濃度增加，對農作物產量稍有促進作用，且影響范圍與風向有關[16]。據研究區內CO2濃度監測，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一般水平（圖3）。從表4可以發現，油井附近區內玉米的葉面積指數和株高均值都比遠離油井區的均值稍高，而且連續2年監測的結果均相同，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，促進了這些區域內的玉米生長，但是表5和表6結果顯示這種間歇性的逸散對農作物長勢促進作用不大，不存在顯著差異。

地質封存的CO2泄漏路徑主要有火山等劇烈地質活動、構造斷層或破碎帶、高滲透性的滲流帶、井口等[10，17-19]。研究區內可能存在的泄漏途徑有2種：一是CO2在驅油過程中隨著石油到達井口從而逃逸。從油井附近的CO2濃度監測結果來看，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斷層泄漏至地表。但本研究區內沒有發現此類泄漏，原因可能是，該區域油藏深度達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。從監測區和對照區玉米長勢的比較結果可知，CO2-EOR區域玉米長勢沒有顯著變化，這說明示范區實施CO2-EOR工程對農作物生長沒有威脅。

本研究是在連續注入5年后開展的監測，且連續監測了2年。統計分析表明，示范工程區域內農作物玉米沒有受到影響，不過本研究的的結論是建立在幾個主要生理指標以及實地抽樣調查的數據的基礎上的，因此，只能表明在本研究區農作物玉米種植區內開展CO2-EOR工程是安全的。不過，這一結論在一定程度上消除了人們對CO2-EOR工程實施對地表農作物生產的擔憂。

4結論

本試驗以CO2-EOR示范區域玉米作物為對象，以葉面積指數、株高為指標進行研究，對比分析了監測區和對照區、油井附近區和遠離油井區兩組區域的玉米長勢情況。結果表明，和對照區相比，監測區內玉米指標均值波動為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]玉米長勢總體優于其他區域，[JP3]指標均值的波動幅度在0.33%～[JP]3.00%，但是F檢驗結果發現也沒有顯著差異；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，產生了施肥效應。這一結果顯示，該CO2-EOR示范區玉米作物沒有受到CO2溢出的負面影響，反而在一定程度上促進了農作物的生長。endprint

由于受到研究區本身條件、監測指標、調查方法等限制，只能證明本研究區內開展CO2-EOR工程是安全的，在一定程度上消除了人們對CO2地質封存的擔憂。

[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據，感謝油田公司和工作人員對我們在調研過程中提供的幫助。[HT]

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