天然氣開采區(qū)土壤成分對涵養(yǎng)水源功能的影響機制研究

侯艷，王濤

天然氣開采區(qū)土壤成分對涵養(yǎng)水源功能的影響機制研究

侯艷1，王濤2

（1.四川思潤智慧農(nóng)業(yè)科技有限公司，四川 成都 610065；2.中水君信工程勘察設(shè)計有限公司，四川 成都 610065）

天然氣建設(shè)會對地表進(jìn)行擾動，從而影響土壤涵養(yǎng)水源功能。為研究天然氣開采區(qū)土壤成分對涵養(yǎng)水源功能的影響，以四川天然氣氣田為研究區(qū)，通過實驗測得不同地形、不同建成年限區(qū)域土壤化學(xué)成分、重金屬含量以及飽和持水量、滲透系數(shù)，采用相關(guān)性分析和主成分分析方法，研究得出土壤化學(xué)成分以及重金屬含量對飽和持水量以及滲透系數(shù)的影響程度，并分別構(gòu)建土壤成分與飽和持水量、滲透系數(shù)的線性回歸模型，為后續(xù)天然氣開采對土壤涵養(yǎng)水源功能的影響研究提供了理論依據(jù)。

天然氣；化學(xué)成分；重金屬；涵養(yǎng)水源

土壤涵養(yǎng)水源功能是一項重要的生態(tài)服務(wù)功能[1]，土壤中的水分通過地表蒸發(fā)、植物蒸騰等方式回到大氣，是生物圈水分調(diào)節(jié)、生態(tài)系統(tǒng)維護(hù)不可缺少的一部分[2]。土壤涵養(yǎng)水源功能的影響因素很多，建設(shè)活動是其中的一個重要因素。建設(shè)活動通過改變地表結(jié)構(gòu)，破壞地表植被，進(jìn)而影響土壤涵養(yǎng)水源功能。目前針對建設(shè)活動對土壤涵養(yǎng)水源功能影響方面的研究較少，特別是天然氣開采對土壤涵養(yǎng)水源功能的影響研究更是鮮有耳聞。

四川地區(qū)天然氣資源豐富，據(jù)全國第二次油氣資源評價，四川天然氣資源總量為7.2萬億立方米，可采儲量為2.49萬億立方米[3]。雖然天然氣屬于清潔能源，在生產(chǎn)期間幾乎不產(chǎn)生固體廢棄物，對地表破壞較小，但在建設(shè)期間，天然氣站場及管道建設(shè)會擾動土壤，改變土壤理化性質(zhì)，降低周邊植被覆蓋率，污染土壤，從而影響土壤涵養(yǎng)水源功能。

本文以四川天然氣氣田為研究區(qū)，通過對天然氣臨時占地的土壤采樣分析，研究土壤成分對涵養(yǎng)水源功能的重要指標(biāo)——飽和持水量以及滲透系數(shù)[4-5]的影響。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為四川省遂寧市安岳縣、綿陽市梓潼縣，所跨地區(qū)介于東經(jīng)103°42′～106°32′和北緯30°26′～31°37′之間。兩個氣田地理位置距離較近，氣候類型為亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候。遂寧市安岳縣年平均氣溫16.7～17.4 ℃，年平均降水量909～1 097 mm，相對濕度80%～82%，屬于盆地中部丘陵低山地區(qū)，地貌類型單一，主要有4個土類，分別為新積土、紫色土、黃壤土及水稻土。綿陽市梓潼縣年平均氣溫15.0～17.0 ℃，年平均降水量963～1 132 mm，相對濕度72%～83%，地勢西北高，東南低，地形起伏顯著，山地面積比例較大，土壤以紫色土為主。

研究區(qū)內(nèi)林地、植被發(fā)育良好，屬亞熱帶常綠闊葉林、亞熱帶竹林，種類有構(gòu)樹（Broussonetia papyrifera）、槐樹（Sophora japonica）、小葉榕（Ficus micru Carpa）、鵝觀草（Roegneria kamoji）、三葉草（Medicago sativa）等樹草種。

2 材料與方法

2.1 研究樣地

為研究天然氣建設(shè)活動后，臨時用地土壤成分對土壤涵養(yǎng)水源功能的影響，在研究區(qū)內(nèi)選取山區(qū)、丘陵、平壩三種地貌，4種不同建成年限：0～1年、1～5年、5～10年、10年以上，共計120余個樣地。

2.2 試驗方法

土壤化學(xué)成分測定采用常規(guī)分析方法：土壤pH釆用1∶2.5土水比的懸濁液測定；土壤有機質(zhì)釆用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測定；速效氮采用NaOH堿解擴(kuò)散法測定，速效磷采用NaHCO3浸提-鉬銻鈧比色法測定；速效鉀采用NH4OAc浸提-火焰光度法測定，全氮采用半微量凱氏定氮法測定。重金屬（砷、汞、鉛、鎘、鉻、鋅）含量根據(jù)GB 36600—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》進(jìn)行測定。

土壤滲透系數(shù)采用野外雙環(huán)法進(jìn)行測定，飽和持水量計算采用MARSHALL[6]提出的公式：

t=tw（1）

式（1）中：t為土壤飽和持水量，t/m2；t為總孔隙度，%；為土層厚度，m；w為水的密度，t/m3。總孔隙度為：

式（2）中：為土壤容重，采用環(huán)刀法測定；s為土壤比例，采用比重瓶法測定；為土壤質(zhì)量含水率，采用烘干法測定。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和SPSS（21.0）統(tǒng)計軟件進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 相關(guān)性分析

設(shè)土壤有機質(zhì)含量為1，pH為2，速效氮為3，速效磷為4，速效鉀為5，全氮為6，砷為7，汞為8，鉛為9，鎘為10，鉻為11，鋅為12，土壤飽和持水量為1，滲透系數(shù)為2。分別將1～12與1，2進(jìn)行相關(guān)性分析。土壤化學(xué)性質(zhì)及重金屬含量與飽和持水量及滲透系數(shù)相關(guān)關(guān)系矩陣如表1所示。

表1 土壤化學(xué)性質(zhì)及重金屬含量與飽和持水量及滲透系數(shù)相關(guān)關(guān)系矩陣

X1X2X3X4X5X6 Y10.792**-0.424**0.0690.561**0.0010.593** Y20.257**-0.514**-0.2460.303*-0.0720.339** X7X8X9X10X11X12 Y10.326*-0.0560.444*-0.045-0.0420.529** Y20.276*-0.0940.297*-0.0710.0920.310*

注：*表示在0.05水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān)；**表示在0.01水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān)。

結(jié)果顯示，土壤化學(xué)性質(zhì)方面，土壤飽和持水量及滲透系數(shù)均與土壤pH值呈負(fù)相關(guān)，且為極顯著；與有機質(zhì)含量和全氮含量均呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)；分別與速效磷呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)以及顯著正相關(guān)；與速效氮、速效鉀方面關(guān)系不顯著。土壤重金屬含量方面，土壤飽和持水量及滲透系數(shù)均與砷、鉛呈顯著正相關(guān)；土壤飽和持水量與鋅呈極顯著正相關(guān)，滲透系數(shù)與鋅呈現(xiàn)顯著正相關(guān)；與重金屬汞、鎘、鉻方面關(guān)系不顯著。

研究結(jié)果表明：①pH值與土壤飽和持水量以及滲透性呈極顯著負(fù)相關(guān)，這與前人研究成果一致[7-8]，原因在于pH值越大，土壤中含有的交換性鈉含量越大，土粒越分散，土壤粘重閉結(jié)，通透性就越差，不利于水分的流通與保持。而相對于土壤化學(xué)性質(zhì)的其他指標(biāo)而言，土壤飽和持水量以及滲透系數(shù)影響都比較顯著，特別是全氮、速效磷和有機質(zhì)含量等幾個主要指標(biāo)數(shù)值的大小不僅決定了土壤肥力的大小，同時也關(guān)系到土壤滲透能力的強弱。②重金屬中砷、鉛、鋅含量與土壤飽和持水量及滲透系數(shù)呈顯著相關(guān)，其中鋅含量與土壤飽和持水量呈極顯著相關(guān)。說明三種重金屬含量與土壤飽和持水量與滲透系數(shù)有一定的相關(guān)關(guān)系，但是目前未有權(quán)威的重金屬含量與土壤飽和持水量及滲透系數(shù)之間影響機理的研究，待下一步進(jìn)行更深入的研究討論。

3.2 主成分分析

根據(jù)以上相關(guān)分析結(jié)果，選擇了與土壤飽和持水量與滲透系數(shù)均極顯著或顯著相關(guān)的因子：有機質(zhì)含量（1）、pH（2）、速效磷（3）、全氮（4）、砷（1）、鉛（2）、鋅（3）。下面進(jìn)行主成分分析。

土壤化學(xué)性質(zhì)主成分分析如表2所示。

表2 土壤化學(xué)性質(zhì)主成分分析

參數(shù)成份 P1P2P3P4 α10.7250.592-0.160-0.312 α2-0.7170.6230.0520.309 α30.7580.0710.6310.150 α40.823-0.045-0.3950.406 特征值2.2920.7460.5820.381 貢獻(xiàn)率0.572 90.186 50.145 40.095 2 累積貢獻(xiàn)率/（%）57.2975.9490.48100

結(jié)果表明，第一主成分方差貢獻(xiàn)率為57.29%，其中以全氮的負(fù)荷量最大，為0.823，pH的負(fù)荷量最小，但也高達(dá)0.717，均大于其他主成分，表明與土壤飽和持水量及滲透系數(shù)相關(guān)的土壤化學(xué)性質(zhì)在第一主成分中表達(dá)了絕大多數(shù)信息。方程為=0.4791－0.4742+0.5013+0.5464。土壤重金屬含量主成分分析如表3所示。

表3 土壤重金屬含量主成分分析

參數(shù)成份 P1P2P3 β10.778-0.3740.504 β20.793-0.260-0.550 β30.6950.7160.064 特征值1.7190.7200.561 貢獻(xiàn)率0.573 00.240 10.187 0 累積貢獻(xiàn)率/（%）57.3081.30100

結(jié)果表明，第一主成分方差貢獻(xiàn)率為57.30%，其中以鉛的負(fù)荷量最大，為0.793，鋅的負(fù)荷量最小，但也高達(dá)0.695，均大于其他主成分，表明與土壤飽和持水量及滲透系數(shù)相關(guān)的土壤重金屬含量在第一主成分中表達(dá)了絕大多數(shù)信息。方程為=0.5931－0.6052+0.5303。

根據(jù)分析結(jié)果，和分別代表土壤化學(xué)成分以及重金屬含量的主成分，可定義為化學(xué)成分參數(shù)以及重金屬成分參數(shù)。以化學(xué)成分及總金屬成分的標(biāo)準(zhǔn)化主成分得分為因變量，土壤飽和持水量1及滲透系數(shù)2為因變量，分析得到回歸方程：1=0.007－0.001+0.196（2=0.619，=0.000 1），2=0.000 37－0.000 18+0.000 89（2=0.630，=0.001）。

4 不足與展望

本研究僅根據(jù)地形劃分，而未在地形基礎(chǔ)上對占地類型（如耕地、林地等）進(jìn)行細(xì)分，加之土壤取樣具有隨機性，因此本研究結(jié)果僅對所取土樣具有代表性，而對于研究成果仍需進(jìn)行進(jìn)一步驗證。

由于天然氣開發(fā)的特殊性，往往是同一個區(qū)域在同一時期集中開發(fā)，建成年限較為接近，難以采集到同一區(qū)域較為連續(xù)的試驗結(jié)果，建議在今后選擇幾處典型站場或管線，進(jìn)行多年土壤涵養(yǎng)水源功能連續(xù)監(jiān)測。

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2095－6835（2020）06－0063－02

TE991.3；S152.7

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.06.021

侯艷（1988—），女，本科，工程師，研究方向為高效農(nóng)業(yè)灌溉及水土保持。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕