水基鉆屑用作基質對植物生長和重金屬富集特征的影響①

高昊辰，劉廣明，陳金林，張 春，張鳳華，黃真真，王秀萍，王相平

水基鉆屑用作基質對植物生長和重金屬富集特征的影響①

高昊辰1,2，劉廣明2*，陳金林1*，張 春3，張鳳華4，黃真真1,2，王秀萍5，王相平2

(1 南京林業大學南方現代林業協同創新中心，南京 210037；2 中國科學院南京土壤研究所，南京 210008；3 重慶市涪陵頁巖氣環保研發與技術服務中心，重慶 408000；4 石河子大學，新疆石河子 832003；5河北省農林科學院濱海農業研究所，河北唐山 063200)

通過將水基鉆屑與土壤和(或)腐熟污泥以一定比例混合形成基質，在進行定量淋洗脫鹽的基礎上，研究了金葉女貞與狗牙根在該種基質上的生長狀況與重金屬富集特征。結果表明：經過淋洗，配比基質鹽分、養分等主要理化指標滿足植物生長需求，重金屬含量符合CJT340—2016《綠化種植土壤》標準，滿足綠化植物生長所需的環境質量要求。金葉女貞與狗牙根生物量的積累在不同配比基質中存在顯著差異，其中在水基鉆屑與土壤質量配比為10∶1與10∶2的基質中生物量最高。對于重金屬的富集，金葉女貞與狗牙根在不同配比基質中存在一定差異，二者對鎘、鉛、銅存在富集作用。可見，水基鉆屑合理配比后可作為基質用作綠化種植。

水基鉆屑；基質；重金屬富集

水基鉆屑是產生于頁巖氣田開發過程中的一種固體廢棄物[1-2]。就西南某地頁巖氣田而言，單井水基鉆屑產生量平均為1 000 m3[3]，每年井口數約250口，一年的水基鉆屑產生量約為25×104m3。隨著頁巖氣田作業面積的不斷擴大，氣井數量的日益增加，水基鉆屑的產生量不容小覷。水基鉆屑作為一種固體廢棄物，其本身僅為巖屑，但由于其表面裹挾著鉆井廢液，使之含重金屬、石油烴等污染物，因此如何對其進行合理、安全的處理成為了難點[2, 4-5]。目前國內水基鉆屑及廢棄水基泥漿主要參照QSH 0099.1—2009《川東北地區天然氣勘探開發環境保護規范鉆井與井下作業》相關要求在鉆井平臺廢水池內進行固化填埋，但該措施對土地空間占用大，且隨著時間的推移，仍存在固化填埋場地下水污染的潛在風險[6-7]。水基鉆屑具有良好的礦物質基質，但結構性較差[4]，因此，將水基鉆屑和其他物料混合形成一種基質用于綠化種植值得探索。為此，本文進行了不同配比的水基鉆屑基質的綠化植物生長試驗，以期為水基鉆屑的基質化利用提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試水基鉆屑于2017年2月采集自西南某頁巖氣田的廢棄鉆屑堆棄場；供試土壤于同一時間采集自該頁巖氣田周邊的農田；供試腐熟污泥由2017年3月采自重慶市生活污水處理廠的新鮮污泥經由自然風干后，添加木屑好氧堆腐20 d所制得；供試綠化植物為狗牙根與金葉女貞。狗牙根為定量播種，金葉女貞為事先培育的幼苗，后挑選長勢相近的幼苗進行移栽。

1.2 試驗設計

供試基質由水基鉆屑同當地土壤和(或)腐熟污泥過2 mm篩后，按不同質量比例進行混合而成。試驗共設置9個處理3個對照，每個處理設置3個重復，具體見表1。由于水基鉆屑和腐熟污泥鹽分含量高，因而在試驗前將各配比基質裝入內徑10 cm、高30 cm的有機玻璃柱中，使用去離子水進行兩次等量變水頭淋洗，其中第一次淋洗前先使基質含水量達到飽和，隨后連續進行兩次淋洗，其初始水頭高度均為5 cm。待淋洗結束后，將基質自然風干，移入高20 cm、上口徑30 cm的盆缽中，移栽金葉女貞并播撒狗牙根草種。每盆移栽長勢相近的金葉女貞3株，播撒狗牙根草種3 g。種植期間不施用任何肥料，灌溉水定額為最大持水量，盡可能保持不產生底部滲流，如產生少量滲漏液，由底部托盤承接并倒回至盆中，種植時間為120 d。

表1 試驗處理

1.3 樣品采集與分析

基質在經過淋洗后，由于有機玻璃柱內不同高度基質的淋洗程度可能存在差異，因而對有機玻璃柱內的基質每5 cm分層等量采樣后混合均勻，并自然風干、磨碎過16目與100目篩備用。植物整株采樣，樣品用濕毛巾去除表面污垢，后烘干研磨成粉末保存。試驗中植物樣品的鋅、銅、鉛、鎘、鉻、鎳采用HNO3-HClO4消解–原子吸收分光光度法測定[8-13]，汞、砷使用微波消解–原子熒光分光光度法測定[14-15]。土壤樣品的鋅、銅、鉛、鎘、鉻、鎳采用HNO3-HF- HClO4消解–原子吸收分光光度法測定；汞、砷使用HNO3-HCl消解–原子熒光法測定；容重采用環刀法測定；pH測定采用水土比5∶1浸提電位法測定；全鹽量采用質量法測定；堿解氮采用堿解擴散法測定；有效磷采用碳酸氫鈉浸提–鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用醋酸銨浸提–火焰光度法測定；全氮采用凱氏定氮法測定；全磷采用鉬銻抗比色法測定；全鉀采用火焰光度計法測定，以上測定方法參照GB/T 22105.1—2008《土壤質量總汞、總砷、總鉛的測定原子熒光法第1部分：土壤中總汞的測定》[16]、GB/T 22105.2—2008《土壤質量總汞、總砷、總鉛的測定原子熒光法第2部分：土壤中總砷的測定》[17]與《土壤農業化學分析方法》[18]。

2 結果與討論

2.1 不同配比基質的主要理化性質

2.1.1 不同配比基質的容重、pH與初始全鹽含量 鑒于水基鉆屑和腐熟污泥的初始含鹽量較高[19]，經過2次5 cm等量變水頭淋洗后，各處理的基本物理性質見表2。總體來看，除對照外，各處理的容重為0.75 ~ 1.25 g/cm3，由于水基鉆屑、土壤與腐熟污泥之間的容重差距較大，隨著腐熟污泥加入比例的提高，基質的容重有所降低；各處理pH為8.0 ~ 8.6，由于腐熟污泥pH呈酸性，當地土壤pH為中性，因而隨著腐熟污泥與當地土壤的加入，各處理的pH呈現降低趨勢；參照土壤鹽漬化分級標準，A1、A2、A3、B1處理均降至非鹽化水平(<1.0 g/kg)，C3處理降至輕度鹽化水平(1.0 ~ 2.0 g/kg)，B2、C1、C2處理降至中度鹽化水平(2.0 ~ 4.0 g/kg)，而B3處理仍為強度鹽化水平(4.0 ~ 6.0 g/kg)。試驗中，水基鉆屑對照(CK1)與腐熟污泥對照(CK2)的初始全鹽含量均較高超過了10 g/kg，但經過淋洗后CK1的全鹽含量降至了非鹽漬化水平，而CK2的全鹽含量仍大于10 g/kg，這可能與污泥自身具有較強的滯水性有關，導致淋洗脫鹽效果的減弱[20-21]。

表2 不同配比基質的容重、pH與初始全鹽量

2.1.2 不同配比基質的養分含量 養分含量的多少是衡量基質質量的一個重要指標[22-23]。由表3可知，水基鉆屑基質(CK1)除磷含量較低外，氮、鉀含量充足；而腐熟污泥基質(CK2)各項養分含量均較為豐富。參照標準NY/T 2118—2012《蔬菜育苗基質》[24](水基鉆屑為原料的基質其目標是用作綠化基質，由于目前缺少相應標準，因此該標準具有一定的參考意義)，除CK2堿解氮含量超出標準范圍(>500 mg/kg)外，其余處理均符合標準要求；除CK2、B2、B3、C1、C2處理有效磷含量超出標準范圍外，其余處理均符合標準要求(>100 mg/kg)；除CK3速效鉀含量符合標準要求外，其余各處理均超出標準范圍(>600 mg/kg)。總體來看，各處理速效鉀含量超出標準較多，堿解氮、有效磷基本符合標準要求。

表3 不同配比基質的養分含量

2.1.3 不同配比基質的重金屬含量 各處理的重金屬含量如表4所示。據CJ/T 340—2016《綠化種植土壤》[25]重金屬含量技術要求(表 5)，除CK2、B3處理中部分指標屬于II級標準外，其余各處理的各項重金屬指標均符合I級標準。依據標準要求：I級標準適用于水源涵養林等屬于自然保育的綠(林)地，而II級標準適用于植物園、公園等與人接觸較密切的綠(林)地，因而，以水基鉆屑為原料的基質在重金屬含量方面能夠滿足作為綠化基質的基本環境質量要求。

表4 不同配比基質的重金屬含量(mg/kg)

表5 綠化種植土壤重金屬含量技術要求(mg/kg)

2.2 不同配比基質對綠化植物生物量的影響

生物量能夠較好地反映植物的生長狀況，而生物量的高低也能從側面反映植物對于基質的適應能力。Saint-Fort 和Ashtani[26]研究發現，一定量的鉆屑廢棄物同土壤混合有助于改善土壤的質量，但過量鉆屑廢棄物會導致植物生物量的降低。由圖1可知，在本試驗中金葉女貞的生物量：A1處理最高，CK1最低，在水基鉆屑與土壤混合的處理中，生物量呈現隨著土壤比例的增加而降低的趨勢；在水基鉆屑與腐熟污泥混合的處理中，3個處理的生物量均介于CK1與CK2之間，無明顯規律；而水基鉆屑、腐熟污泥與土壤三者混合的處理中，各處理的生物量差異不顯著。

(圖中小寫字母不同表示不同處理間差異在P<0.05水平顯著)

由圖1還可知，狗牙根的生物量變化趨勢同金葉女貞有所不同，其生物量以A2處理最高，C1處理最低。在水基鉆屑與土壤混合的處理中，3個處理的生物量均大于對照純水基鉆屑(CK1)與純土壤(CK3)；在水基鉆屑與腐熟污泥混合的處理中，其生物量隨著腐熟污泥所占比例的提升而提升，但處理間差異不顯著；在水基鉆屑、腐熟污泥與土壤三者混合的處理中，各處理的生物量隨著土壤所占比例的提升而提升。

2.3 不同配比基質對植物體內重金屬元素累積量的影響

植物的重金屬累積量，主要受植物生物量與植物富集能力的影響，因此對于養分含量以及重金屬本底值均不同的基質而言，其上生長的植物的重金屬累積會存在一定差異。

由表6可知，金葉女貞的重金屬累積量表現為：CK3的鎳、銅累積量最高，CK1的鋅累積量最高，A3處理的鎘、鉛累積量最高。在水基鉆屑與土壤混合的基質中，隨著土壤比例的增高，鉛、鎘的累積量顯著增加，而銅的累積量呈現下降趨勢；水基鉆屑與腐熟污泥混合的基質中，隨著腐熟污泥比例的增加，鋅、鎳、銅的累積量呈現下降趨勢，而鉛的累積量無明顯差異；水基鉆屑、腐熟污泥與土壤三者混合的處理中，鎘、鉛的累積量隨著土壤比例的提高呈現降低的趨勢，而各處理間鋅的累積量差異不顯著。整體來看，各重金屬元素的累積量：銅>鋅>鉛≈鎳>鎘。

表6 不同基質下金葉女貞和狗牙根的重金屬累積量(μg/株)

注：同列數據后不同小寫字母表示同一植物下不同處理間差異顯著(<0.05)。

相對于金葉女貞，狗牙根因其生物量相對較低，其重金屬累積量也相對較少。整體來看，各重金屬元素的累積量：鋅>銅>鎳>鉛>鎘。在水基鉆屑與土壤混合的基質中，鋅、鎘、鉛的累積量均隨著土壤比例的增加而增加；水基鉆屑與腐熟污泥混合的基質中鋅、鎘的累積量隨污泥比例的增加而降低，而銅的累積量隨污泥比例的增加而提高；水基鉆屑、腐熟污泥與土壤三者混合的處理中，鋅、鎘、鉛的累積量隨土壤比例的增加而增加。

2.4 不同配比基質對綠化植物重金屬富集系數的影響

植物的重金屬富集系數是一種表征土壤與植物間重金屬轉移行為的重要指標[27-28]，由表7可見，在不同基質下植物的重金屬富集系數存在一定差異。就鋅而言，金葉女貞與狗牙根各處理的富集系數均小于1，且兩種植物對照處理的富集系數均為：CK1>CK3>CK2，其余處理鋅的富集系數均存在著類似趨勢：即隨著土壤比例的增加而增加，而隨著污泥比例的增加而降低。與鋅不同，兩種植物鎘的富集系數除CK2與B3處理富集系數小于1，其余處理均高于1，這可能與較高的污泥比例有關，總體來看其富集系數的變化趨勢同鋅相類似，即隨著土壤比例的增加而增加，而隨著污泥比例的增加而降低。對于鉛的富集，兩種植物除A1處理外，各處理的富集系數均高于對照，且隨著基質比例的變化，其富集系數起伏較大，各處理間無明顯規律。對于鎳的富集，兩種植物的富集系數均低于1，金葉女貞在混合基質處理中的富集系數均高于CK2，而狗牙根的富集系數在水基鉆屑與一定量的土壤混合基質中有所提高，但規律不明顯。對于銅的富集，金葉女貞和狗牙根之間的富集情況存在一定差異，在純水基鉆屑處理(CK1)中，金葉女貞的富集系數大于1，而狗牙根的富集系數則小于1，在水機鉆屑占比較高的基質中，金葉女貞對銅的富集要優于狗牙根。

表7 不同基質下金葉女貞和狗牙根的重金屬富集系數

3 結論

1) 以水基鉆屑為原料的基質，在經過淋洗處理后，其主要理化指標基本滿足植物生長要求。一定量腐熟污泥的加入能夠較好地平衡基質中的養分，且污泥的滯水性有利于基質保水保肥性能的提升，但也會導致基質含鹽量的提高。

2) 除水基鉆屑∶腐熟污泥＝10∶1、水基鉆屑∶腐熟污泥∶土壤=10∶2∶1兩種配比的基質外，其余基質上狗牙根與金葉女貞的生物量均高于純水基鉆屑基質。其中金葉女貞在水基鉆屑∶土壤=10∶1的基質上生物量最大，狗牙根在水基鉆屑∶土壤=10∶2的基質上生物量最大。

3) 狗牙根和金葉女貞在以水基鉆屑為原料的基質上對鋅、銅的累積量較高，鎘的累積量最低，且不同配比的基質上植物的重金屬累積量存在差異。

4) 植物的重金屬富集系數表明，金葉女貞與狗牙根對鎘、鉛、銅存在一定的富集作用，但對于鋅、鎳的富集不明顯。金葉女貞對5種重金屬元素的富集系數均隨基質中腐熟污泥比例的增加而出現下降的情況，而狗牙根對與鋅、銅的富集也出現了類似的情況。腐熟污泥的加入會使基質中重金屬的本底值上升，其在帶來養分的同時也帶來了鹽分，這些因素的綜合可能最終導致了高腐熟污泥比例下植物對重金屬富集能力的降低。

5)以水基鉆屑為原料的基質其重金屬含量符合相應標準要求，且在適宜配比下可以滿足耐鹽先鋒植物的生長，對于廢棄鉆屑的消納具有一定的意義。

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Growth and Heavy Metal Accumulation Characteristics of Plants in Matrixes of Water-Based Drilling Cuttings

GAO Haochen1,2, LIU Guangming2*, CHEN Jinlin1*, ZHANG Chun3, ZHANG Fenghua4, HUANG Zhenzhen1,2, WANG Xiuping5, WANG Xiangping2

(1 Co-Innovation Center for Sustainable Forestry in Southern China, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China; 2 Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 3 Chongqing Environmental Protection Center for Shale Gas Technology & Development, Chongqing 408000, China; 4 Shihezi University, Shihezi, Xinjiang 832003, China; 5 Institute of Coast Agriculture, Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Tangshan, Hebei 063200, China)

In this study, the water-based drilling cuttings were mixed with soil and/or decomposed sludge with various proportions to form matrixes, and then the growth status and heavy metal enrichment characteristics ofand bermuda grass in the matrixes were studied based on the quantitative elution of salt. The results showed that the main physiochemical indicators such as the contents of salt and nutrients of matrixes after being leached were satisfied the growth requirements of plants, and heavy metal contents were in line with the standard of green planting soil CJT340—2016, which met the environmental quality requirements for greening plants. There was a significant difference in biomass accumulation betweenand bermuda grass in matrixes with different proportions of water-based driling cuttings and soil and/or decomposed sludge, the biomass were highest in matrixes with water-based drilling cuttings and soil at 10∶1 and 10∶2. There was a certain difference in heavy metal accumulation betweenand bermuda grass in different matrixes,and bermuda grass have enrichment effects on Cd, Pb and Cu. Reasonable proportion of water-based drilling cuttings can be used as matrix for greening planting.

Water-base drilling cuttings; Matrix; Heavy metal enrichment

S15；X74

A

10.13758/j.cnki.tr.2020.05.024

高昊辰, 劉廣明, 陳金林, 等. 水基鉆屑用作基質對植物生長和重金屬富集特征的影響. 土壤, 2020, 52(5): 1043–1049.

江蘇省水利科技項目(2017011)、江蘇省重點研發計劃項目(BE2018759)、江蘇高校優勢學科建設工程項目和重慶市科委–社會事業與民生保障科技創新專項重點研發項目(cstc2017shms-zdyfx0033)資助。

高昊辰(1994—)，男，安徽蕪湖人，碩士研究生，主要從事鹽漬土改良綠化方面的研究。E-mail:ghcnfu@foxmail.com