頁巖氣壓裂返排液對小麥生長及品質(zhì)的影響

李炎，賴星，徐敏，羅偉，袁林，許瑤，田冬梅，伍鈞

四川農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)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(yè)燃料、化工和發(fā)電行業(yè)等，具有廣闊的開發(fā)前景。目前，開采頁巖氣主要采用水力壓裂技術(shù)，即將化學(xué)物質(zhì)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(gòu)造，進而收集天然氣，其開采過程會產(chǎn)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(xué)添加劑，如殺菌劑、破膠劑、粘土穩(wěn)定劑和表面活性劑等化學(xué)物質(zhì)[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(zhì)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(zhì)、可生化性差和難處理的特點[8]。目前，國內(nèi)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(fā)，但國內(nèi)環(huán)境管理中尚未要求公開壓裂液成分，供應(yīng)商均以商業(yè)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(jù)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(jié)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(nóng)田，不僅會影響農(nóng)作物生長導(dǎo)致產(chǎn)量降低，還可能引發(fā)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(xiàn)場修建的廢液池進行儲存，待返排液達到一定量時再轉(zhuǎn)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(fā)生外溢，進而污染地下水和土壤[11]。

小麥?zhǔn)俏覈r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要糧食作物之一，廣泛分布于國內(nèi)各地，小麥產(chǎn)業(yè)發(fā)展直接關(guān)系到國家糧食安全和社會穩(wěn)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(chǎn)量及品質(zhì)的影響具有重要意義。

我國頁巖氣勘查開發(fā)處在探索試驗階段[12]，關(guān)于頁巖氣壓裂返排液對農(nóng)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(fā)育及品質(zhì)的影響，旨在探究壓裂返排液泄漏對環(huán)境產(chǎn)生的影響，為頁巖氣的可持續(xù)開發(fā)提供數(shù)據(jù)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(jīng)自然風(fēng)干、研磨后，過20目及100目篩，用以測定土壤基本理化性質(zhì)，另一部分經(jīng)自然風(fēng)干后過2 mm篩，用作盆栽試驗。土壤pH值7.28，有機質(zhì)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(nèi)進行，以口徑25 cm、高30 cm的塑料桶為培養(yǎng)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(shè)7個處理，每處理3個重復(fù)，不同濃度梯度壓裂返排液按照單位質(zhì)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(jù)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(shù)、籽粒產(chǎn)量、有效穗數(shù)、株高和穗長。分別收集植株地上部及根，于鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)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(zhì)元素含量采用原子吸收分光光度法測定[13]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

由Excel2013和SPSS22.0軟件完成數(shù)據(jù)分析，采用單因素方差分析方法和LSD法進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，用Origin9.0軟件完成制圖。

2 結(jié)果與分析(Results and analysis)

2.1 壓裂返排液對小麥形態(tài)指標(biāo)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(fā)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(dǎo)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，F(xiàn)150～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(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響

小麥不同生育期施入返排液對小麥產(chǎn)量及構(gòu)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(biāo)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(chǎn)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(chǎn)量顯著低于CK，但與播種期F100～F150處理中的產(chǎn)量相近，而分蘗期F150處理中小麥產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(shù)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(shù)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(shù)與CK相比顯著降低(P<0.05)。

表3 壓裂返排液對小麥產(chǎn)量及其構(gòu)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，F(xiàn)50～F150處理籽粒粗蛋白含量表現(xiàn)為播種期>抽穗期>分蘗期；F200～F350處理籽粒粗蛋白含量表現(xiàn)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(zhì)元素的影響

小麥不同生育期施入返排液對小麥籽粒礦質(zhì)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，F(xiàn)300處理Mn含量顯著高于CK(P<0.05)，F(xiàn)50～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)，F(xiàn)100～F200處理Fe含量顯著高于CK(P<0.05)。抽穗期施入返排液后，F(xiàn)200～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(zhì)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(chǎn)量及其構(gòu)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(fā)育。抽穗期后小麥的生長發(fā)育主要是生殖生長而不再是莖、葉等器官的生長發(fā)育，抽穗期結(jié)束后小麥的株高基本不會再發(fā)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(chǎn)量和品質(zhì)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(jié)果“拔節(jié)-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(yuǎn)大于其他時期”一致。已有研究表明，拔節(jié)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(nèi)水分含量越大，提高幅度越大[16]，李莎[17]研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)?shù)脑鍪┑视兄谌~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(jié)果還有待進一步研究。當(dāng)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(chǎn)生更多的營養(yǎng)物質(zhì)。

礦質(zhì)元素對小麥生長具有重要作用，其含量對小麥生長發(fā)育、品質(zhì)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(zhuǎn)移受土壤的水分、養(yǎng)分、熱量、微生物及根系生長狀況等多種復(fù)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(jié)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(fā)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(fā)育不會受到明顯影響，同時籽粒粗蛋白及礦質(zhì)元素等營養(yǎng)品質(zhì)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(dǎo)致最終死亡。

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