頁巖氣壓裂返排液對小麥生長及品質的影響

李炎，賴星，徐敏，羅偉，袁林，許瑤，田冬梅，伍鈞

四川農業大學環境學院，成都 611130

頁巖氣是一種清潔、高效的能源資源和化工原料，主要用于民用和工業燃料、化工和發電行業等，具有廣闊的開發前景。目前，開采頁巖氣主要采用水力壓裂技術，即將化學物質與大量水、泥沙的混合物，用高壓注入地下井，壓裂附近的巖石構造，進而收集天然氣，其開采過程會產生巨量高鹽返排液[1]，其中有15%～80%的返排液會排至地面[2]。壓裂返排液含有壓裂液中各種化學添加劑，如殺菌劑、破膠劑、粘土穩定劑和表面活性劑等化學物質[3]，同時還含有壓裂液在返排過程中從地層帶出的懸浮有機物、油脂、鹽分、重金屬、酚類、酮類以及放射性物質等多種污染物[4-7]，具有高鹽、高礦化度、高色度、含有毒有害物質、可生化性差和難處理的特點[8]。目前，國內使用的壓裂液在采用國外已有配方的同時也在開展自主研發，但國內環境管理中尚未要求公開壓裂液成分，供應商均以商業機密為由，對壓裂液成分保密[9]，因此，一旦壓裂返排液泄漏，周圍土壤及水體將受到未知程度的污染。根據目前返排液中部分已知成分推斷，返排液泄漏可能會造成土壤板結硬化、土壤重金屬污染、滲透性降低和鹽堿化等，一旦返排液進入農田，不僅會影響農作物生長導致產量降低，還可能引發食品安全問題，危及人類健康[10]。目前，對排至地面的壓裂返排液采用現場修建的廢液池進行儲存，待返排液達到一定量時再轉移至污水處理廠或回收再利用，過程中可能存在壓裂返排液的外滲或隨雨季到來發生外溢，進而污染地下水和土壤[11]。

小麥是我國農業生產的主要糧食作物之一，廣泛分布于國內各地，小麥產業發展直接關系到國家糧食安全和社會穩定，同時小麥作為試驗常用高等植物之一，探討壓裂返排液對其產量及品質的影響具有重要意義。

我國頁巖氣勘查開發處在探索試驗階段[12]，關于頁巖氣壓裂返排液對農作物的影響研究鮮有報道。因此，本文通過小麥盆栽試驗，探究不同濃度壓裂返排液于小麥不同生育期進入土壤后，對小麥生長發育及品質的影響，旨在探究壓裂返排液泄漏對環境產生的影響，為頁巖氣的可持續開發提供數據支撐。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 試驗材料

1.1.1 試驗土壤

試驗土壤采自四川省大邑縣，土壤類型為紫色土。采集0～20 cm表層土壤帶回實驗室，一部分土壤經自然風干、研磨后，過20目及100目篩，用以測定土壤基本理化性質，另一部分經自然風干后過2 mm篩，用作盆栽試驗。土壤pH值7.28，有機質19.92 g·kg-1，全氮0.78 g·kg-1，堿解氮98.03 mg·kg-1，速效磷7.32 mg·kg-1，速效鉀181.89 mg·kg-1。

1.1.2 試驗壓裂返排液

壓裂返排液取自四川省某頁巖氣開采井場，返排液成分如表1所示。

1.1.3 試驗小麥

以冬小麥為供試植物，品種為蜀麥691。

1.2 試驗方法

盆栽試驗于塑料大棚內進行，以口徑25 cm、高30 cm的塑料桶為培養容器，每桶裝土6.5 kg。以溶液的形式于小麥3個生育期(播種期、分蘗期和抽穗期)向土壤中添加壓裂返排液，使之與土壤完全混勻。其中，播種期指添加返排液7 d后播種；分蘗期指僅在小麥分蘗期添加返排液；抽穗期指僅在小麥抽穗期添加返排液；各濃度返排液均一次性施入土壤。試驗共設7個處理，每處理3個重復，不同濃度梯度壓裂返排液按照單位質量土壤中返排液的含量計，分別為0、50、100、150、200、300和350 g·kg-1，不同濃度處理分別用CK、F50、F100、F150、F200、F300和F350表示。每盆種植15粒籽粒飽滿的小麥種子，待五葉期挑除多余麥苗，每盆挑選長勢和活力相近的5株麥苗用于試驗。根據生長需要進行水分灌溉，保持田間持水量為60%左右。

表1 返排液基本成分Table 1 Basic ingredients of flowback fluid

1.3 樣品采集與測定

于小麥灌漿期測定旗葉葉面積(葉面積=長×寬×0.75)，成熟期每盆單獨收獲，測定穗粒數、籽粒產量、有效穗數、株高和穗長。分別收集植株地上部及根，于鼓風干燥箱內105 ℃殺青30 min，然后于80 ℃烘至恒重，即得地上部生物量及根干重。籽粒粗蛋白含量采用半微量凱氏法測定[13]。礦質元素含量采用原子吸收分光光度法測定[13]。

1.4 數據分析

由Excel2013和SPSS22.0軟件完成數據分析，采用單因素方差分析方法和LSD法進行數據統計，用Origin9.0軟件完成制圖。

2 結果與分析(Results and analysis)

2.1 壓裂返排液對小麥形態指標及生物量的影響

2.1.1 對小麥株高及生物量的影響

小麥不同生育期施入返排液對小麥株高及生物量的影響如表2所示。小麥3個生育期隨返排液施入量升高，地上部生物量、根干重及株高總體呈下降趨勢。播種期及抽穗期施入返排液濃度≥200 g·kg-1、分蘗期≥150 g·kg-1時，地上部生物量與CK相比顯著降低(P<0.05)。播種期施入返排液濃度≥100 g·kg-1、分蘗期≥50 g·kg-1時，根干重與CK相比顯著降低(P<0.05)，抽穗期各處理根干重與CK差異均不顯著(P>0.05)。播種期及分蘗期施入返排液濃度≥50 g·kg-1、抽穗期≥150 g·kg-1時，株高與CK相比顯著降低(P<0.05)，相同返排液濃度處理下，播種期施入返排液與其他生育期相比株高最低，表明3個生育期中播種期施入返排液對小麥株高影響最明顯。

2.1.2 對小麥旗葉葉面積的影響

小麥不同生育期施入返排液對小麥旗葉葉面積的影響如圖1所示。播種期施入返排液≥350 g·kg-1時，小麥種子無法發芽生長；分蘗期施入返排液≥300 g·kg-1時，小麥無法生長而死亡；抽穗期施入返排液≥200 g·kg-1時，小麥旗葉逐漸變黃枯萎，最終導致植株死亡。

圖1 壓裂返排液對小麥旗葉葉面積的影響注：不同小寫字母表示同一生育期、不同返排液濃度處理間差異達顯著水平(P<0.05)。Fig. 1 Effect of fracturing flowback fluid on leaf area of wheat flag leafNote: Different lowercase letters indicate a significant difference between different treatments during the same growth period (P<0.05).

播種期隨施入返排液濃度升高，旗葉葉面積呈增長趨勢，F150～F300處理旗葉葉面積顯著高于CK(P<0.05)，于F300處理達到最大值29.42 cm2，與CK相比提高了131.8%；分蘗期及抽穗期施入返排液，旗葉葉面積無顯著變化(P>0.05)，表明小麥3個生育期中，播種期施入返排液對小麥旗葉葉面積影響最明顯。

表2 壓裂返排液對小麥株高及生物量的影響Table 2 Effects of fracturing flowback fluid on wheat plant height and biomass

2.2 壓裂返排液對小麥產量及其構成因子的影響

小麥不同生育期施入返排液對小麥產量及構成因子的影響如表3所示。由表3可知，小麥播種期、分蘗期及抽穗期隨施入返排液濃度升高，各指標總體呈下降趨勢。其中，播種期隨施入返排液濃度升高，千粒重呈先降低后升高變化。播種期、分蘗期和抽穗期施入返排液，濃度分別≥200、≥50和≥100 g·kg-1時，籽粒產量與CK相比顯著降低(P<0.05)。其中，分蘗期F50～F100處理中小麥產量顯著低于CK，但與播種期F100～F150處理中的產量相近，而分蘗期F150處理中小麥產量下降更為明顯，與CK相比下降了51.11%，表明分蘗期施入返排液濃度≥150 g·kg-1時對小麥產量影響相對更為明顯。播種期、分蘗期和抽穗期施入返排液濃度分別50～150、≥50和≥100 g·kg-1時，千粒重與CK相比顯著降低(P<0.05)，相同濃度處理下，3個生育期中抽穗期施入返排液小麥產量及千粒重下降最明顯。播種期、分蘗期和抽穗期施入返排液濃度分別≥300、≥150和≥300 g·kg-1時，穗粒數與CK相比顯著降低(P<0.05)，相同濃度處理下，3個生育期中分蘗期施入返排液小麥穗粒數下降最明顯。播種期、分蘗期施入返排液濃度分別≥300 g·kg-1和≥200 g·kg-1時，穗長與CK相比顯著減少(P<0.05)，抽穗期施入返排液對穗長無顯著影響。播種期、分蘗期和抽穗期施入返排液濃度分別≥200、≥200和≥300 g·kg-1時，有效穗數與CK相比顯著降低(P<0.05)。

表3 壓裂返排液對小麥產量及其構成因子的影響Table 3 Effects of fracturing flowback fluid on wheat yield and its constitutive factors

2.3 壓裂返排液對小麥籽粒粗蛋白含量的影響

小麥不同生育期施入返排液對小麥籽粒粗蛋白含量的影響如圖2所示。由圖2可知，小麥3個生育期隨施入返排液濃度升高，籽粒粗蛋白含量均呈上升趨勢。播種期、分蘗期和抽穗期籽粒粗蛋白含量分別于F300、F200和F350處理達到最大值，與CK相比分別提高了62.06%、23.46%和136.80%。播種期施入返排液濃度≥50 g·kg-1、抽穗期≥100 g·kg-1時，與CK相比籽粒粗蛋白含量顯著提高(P<0.05)，分蘗期各返排液處理與CK無顯著差異(P>0.05)。相同濃度返排液處理下，F50～F150處理籽粒粗蛋白含量表現為播種期>抽穗期>分蘗期；F200～F350處理籽粒粗蛋白含量表現為抽穗期>播種期>分蘗期，表明低濃度返排液處理下，播種期施入返排液對小麥籽粒粗蛋白含量影響大于分蘗期和抽穗期；高濃度返排液處理下，抽穗期施入返排液對小麥籽粒粗蛋白含量影響大于播種期和分蘗期。

圖2 壓裂返排液對小麥籽粒粗蛋白含量的影響注：不同小寫字母表示同一生育期、不同返排液濃度處理間差異達顯著水平(P<0.05)。Fig. 2 Effect of fracturing flowback fluid on crude protein content of wheat grainNote: Different lowercase letters indicate a significant difference between different treatments during the same growth period (P<0.05).

2.4 壓裂返排液對小麥籽粒礦質元素的影響

小麥不同生育期施入返排液對小麥籽粒礦質元素含量的影響如圖3所示。由圖3可知，播種期及抽穗期隨返排液施入量提高，籽粒Fe、Mn、Cu和Zn含量總體呈上升趨勢；分蘗期Fe、Cu和Zn含量呈上升趨勢，Mn含量無明顯變化。3個時期籽粒Zn、Cu含量均于返排液濃度≥50 g·kg-1時顯著高于CK(P<0.05)。播種期施入返排液后，F300處理Mn含量顯著高于CK(P<0.05)，F50～F300處理Fe含量顯著高于CK(P<0.05)。分蘗期施入返排液后，各返排液處理籽粒Mn含量與CK均無顯著差異(P>0.05)，F100～F200處理Fe含量顯著高于CK(P<0.05)。抽穗期施入返排液后，F200～F350處理Mn、Fe含量顯著高于CK(P<0.05)。

圖3 壓裂返排液對小麥籽粒礦質元素含量的影響注：不同小寫字母表示同一生育期、不同返排液濃度處理間差異達顯著水平(P<0.05)。Fig. 3 Effect of fracturing flowback fluid on mineral element content of wheat grainNote: Different lowercase letters indicate a significant difference between different treatments during the same growth period (P<0.05).

3 討論(Discussion)

小麥3個生育期隨施入返排液濃度增加，株高、生物量、產量及其構成因子總體呈下降趨勢，可能是因為返排液中的高鹽分離子及有機污染物進入土壤，從而影響小麥生長發育。抽穗期后小麥的生長發育主要是生殖生長而不再是莖、葉等器官的生長發育，抽穗期結束后小麥的株高基本不會再發生變化[14]，故本試驗中，抽穗期施入返排液對小麥株高及生物量影響最小。旗葉是小麥生育后期最重要的功能葉，其葉片大小直接影響光合能力，最終影響小麥產量和品質的提高[15]，本試驗中，抽穗期施入返排液濃度≥200 g·kg-1時，旗葉逐漸枯萎凋亡，小麥旗葉葉面積受影響程度大于其他時期，這與李彥彬等[14]的研究結果“拔節-抽穗期為小麥株高和葉面積增長的敏感期，外界條件對葉面積的影響遠大于其他時期”一致。已有研究表明，拔節期前施入適量水分可使小麥葉面積得到一定程度的提高，且在一定范圍內水分含量越大，提高幅度越大[16]，李莎[17]研究發現，適當的增施氮肥有助于葉片生長，本試驗中，播種期隨施入返排液濃度增加，旗葉葉面積呈增長趨勢，可能是因為返排液中的氮元素起到了氮肥的作用，此結果還有待進一步研究。當播種期施入返排液濃度為50～150 g·kg-1時，千粒重與CK相比顯著下降(P<0.05)，而200～300 g·kg-1時，千粒重與CK無顯著性差異(P>0.05)，可能是因為旗葉葉面積增大，光合作用較強產生更多的營養物質。

礦質元素對小麥生長具有重要作用，其含量對小麥生長發育、品質等有不同程度的影響[18]。本試驗中，返排液含有大量的Fe、Mn、Cu和Zn元素，返排液添加提高了土壤中微量元素含量，促進了植物對微量元素的吸收，但土壤微量元素向作物的轉移受土壤的水分、養分、熱量、微生物及根系生長狀況等多種復雜因素影響[19]，故小麥3個生育期隨施入返排液濃度增加，籽粒Fe、Mn、Cu和Zn含量呈不同程度增長。

綜上所述，本研究結果表明：

(1) 返排液于小麥不同生育期進入土壤對小麥生長發育均有不同程度影響，播種期、分蘗期和抽穗期返排液進入土壤的濃度分別<200、<150和<100 g·kg-1時，小麥生長發育不會受到明顯影響，同時籽粒粗蛋白及礦質元素等營養品質有所提升。

(2) 播種期、分蘗期和抽穗期返排液進入土壤的濃度分別≥350、≥300和≥200 g·kg-1時，小麥無法正常生長并導致最終死亡。

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