水基廢棄鉆井泥漿對玉米產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

柳燕蘭,馬明生，王 哲，郭賢仕,常彥榮，牛育華, 郝明德

(1.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所，甘肅 蘭州 730070；2.中國科學(xué)院 水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4.中國石油長慶油田西安分公司，陜西 西安 710018；5.陜西科技大學(xué)，陜西 西安 710018；6.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源需求量日益增大，石油、天然氣作為主要能源已成為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要促進(jìn)因素之一[1]。作為我國三大油田之一的長慶油田，石油總資源量約為86億t，天然氣總資源量約11萬億m3。然而，油氣品開發(fā)中的鉆井作業(yè)產(chǎn)生大量廢棄鉆井泥漿被排放到地面，造成環(huán)境嚴(yán)重污染。有調(diào)查顯示，從大慶油田開發(fā)至今，除回收外，掩埋的鉆井液累積量已超過160萬t以上[2]，導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱，因此對廢棄鉆井泥漿的綜合治理,已成為大慶油田區(qū)保護(hù)生態(tài)環(huán)境亟待解決的問題。

鉆井泥漿是天然氣和石油鉆井開采過程中產(chǎn)生的主要污染物之一。然而大慶油氣開發(fā)中的鉆井液基本是水基泥漿，其主要成分膨潤土、氫氧化鉀、腐殖酸鉀、聚丙烯酸鉀、單寧酸鉀和水解聚丙烯腈胺鹽等是良好的土壤肥料，富含豐富的N、P、K元素，對植物生長有益[3,4]。已有研究表明，廢鉆井液對大豆的生長發(fā)育有促進(jìn)作用，使大豆的株高和淀粉含量平均增加了22.87%和17.32%，蛋白質(zhì)平均增加了3.23%[3]。利用鉆井廢水澆灌農(nóng)田可提高土壤肥力，改善土壤結(jié)構(gòu)，同時對小麥、水稻的生長發(fā)育、產(chǎn)量及籽粒品質(zhì)無明顯的不利影響[5]。為此，筆者研究在長慶油田開采區(qū)有針對性的選取了5個廢棄鉆井泥漿回填法處理后的井場平臺，采用“點對點”的方法采集泥漿池內(nèi)外的土壤和生長的玉米植株樣品，研究廢棄鉆井泥漿對長慶油田區(qū)玉米的生長發(fā)育、產(chǎn)量、生物量及品質(zhì)的影響，以期為廢棄鉆井泥漿的合理資源化利用及鉆井井場的環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為典型的油氣開采區(qū)，位于陜西省榆林地區(qū)(107°28′～111°15′ E，36°57′～39°34′ N)，勘測面積37萬km2，石油總資源量約為86億t，天然氣總資源量約為11萬億m3。該區(qū)屬于暖溫帶半干旱大陸季風(fēng)氣候。年均氣溫10℃，土壤以黃綿土和綿沙土為主，土質(zhì)疏松，玉米和馬鈴薯為主要種植農(nóng)作物。長慶油田鉆井過程中普遍采用水基鉆井液體系，其組成單一，無毒、無害，部分可生物降解。

1.2 樣品采集和處理

野外采樣于2018年10月初玉米收獲期完成，采集5個井場泥漿池內(nèi)的玉米樣品和表層土壤，并以相應(yīng)井場外的玉米樣品和土壤為對照，玉米樣品的采集與土壤采樣點相對應(yīng)，即土壤和玉米樣品來源于同一點。每個井場采集長勢相似的10株玉米，風(fēng)干后脫粒稱重測產(chǎn)并折合成畝產(chǎn)。從采集的風(fēng)干的玉米籽粒中稱取2 kg左右，用去離子水清洗干凈后烘干研磨，裝入自封袋中冷凍保存，用于籽粒營養(yǎng)品質(zhì)的測定。試驗采樣區(qū)主要?dú)夂驍?shù)據(jù)如表1。

表1 試驗采樣區(qū)主要信息

1.3 測定項目與方法

粗蛋白含量測定按照國標(biāo)法(GB/T 5009.5-2016)進(jìn)行；粗脂肪含量測定按照國標(biāo)法(GB/T 5009.6-2016)；淀粉含量測定按照國標(biāo)法(GB/T 5009.9-2016)進(jìn)行；還原性糖含量按照國標(biāo)法(GB/T 5009.7-2016)進(jìn)行；氨基酸含量測定按照國標(biāo)法(GB/T 5009.124-2016)進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 廢棄鉆井泥漿對玉米產(chǎn)量和生物量的影響

植株生物量是反映作物生長狀況的重要指標(biāo)之一，且與作物產(chǎn)量的形成密切相關(guān)。兩種質(zhì)地土壤條件下，廢棄鉆井泥漿填埋于土壤后均明顯增加了玉米植株的生物量(圖1A)。黃綿土泥漿池內(nèi)的玉米植株生物量為2 472 kg·667 m-2，較非泥漿池內(nèi)增加14.54%，差異顯著；而風(fēng)沙土泥漿池內(nèi)的玉米植株生物量為1 437 kg·667 m-2，較非泥漿池內(nèi)的增加15.80%，差異顯著。風(fēng)沙土上泥漿池內(nèi)的玉米植株生物量增幅大于黃綿土。這主要是由于風(fēng)沙土沙性大，土質(zhì)松散，粗粒多，毛管性能差，肥水易流失，其潛在養(yǎng)分含量低，而黃綿土潛在養(yǎng)分含量高于風(fēng)沙土。因此，在潛在養(yǎng)分含量低的風(fēng)沙土上填埋廢棄鉆井泥漿其增產(chǎn)效果更顯著。

不同質(zhì)地土壤上填埋廢棄鉆井泥漿對玉米籽粒產(chǎn)量的影響存在差異(圖1B)。黃綿土泥漿池內(nèi)的玉米籽粒產(chǎn)量為813 kg·667 m-2，較非泥漿池內(nèi)的增加13.00%，差異顯著；風(fēng)沙土泥漿池內(nèi)的玉米籽粒產(chǎn)量為479 kg·667 m-2，低于黃綿土泥漿池內(nèi)的，且較其非泥漿池內(nèi)的增加18.66%，差異顯著。表明廢棄鉆井泥漿可以作為肥料資源促進(jìn)玉米生長，且不同質(zhì)地土壤上玉米對鉆井泥漿的存在顯著差異。

圖1 不同質(zhì)地土壤上填埋廢棄鉆井泥漿對玉米生物量和籽粒產(chǎn)量的影響

2.2 廢棄鉆井泥漿對玉米品質(zhì)的影響

2.2.1 對玉米籽粒粗蛋白含量的影響 蛋白質(zhì)含量是衡量和評價品質(zhì)及營養(yǎng)價值的重要指標(biāo)。由圖2A可知，廢棄鉆井泥漿填埋于土壤后均能增加玉米籽粒蛋白質(zhì)含量，但兩種質(zhì)地土壤上鉆井泥漿填埋后增加的幅度不同。黃綿土泥漿池內(nèi)玉米籽粒的蛋白質(zhì)含量為9.24%，較非泥漿池內(nèi)的增加7.11%，且差異顯著；而風(fēng)沙土的泥漿池內(nèi)玉米籽粒的蛋白質(zhì)含量低于黃綿土上泥漿池內(nèi)的，且與其非泥漿池內(nèi)的差異不顯著。

2.2.2 對玉米籽粒粗脂肪含量的影響 由圖2B可見，兩種質(zhì)地土壤上廢棄鉆井泥漿填埋的泥漿池內(nèi)玉米的粗脂肪含量較非泥漿池均有下降。黃綿土上泥漿池內(nèi)的玉米籽粒的粗脂肪含量為3.93%，較非泥漿池內(nèi)的降低了4.84%，且差異顯著；風(fēng)沙土上泥漿池內(nèi)的玉米籽粒的粗脂肪含量為3.60%，低于黃綿土上泥漿池內(nèi)的，且較其非泥漿池內(nèi)的降低了2.7%，但差異不顯著。表明廢棄鉆井泥漿影響玉米籽粒粗脂肪含量。

圖2 不同質(zhì)地土壤上填埋廢棄鉆井泥漿對玉米籽粒粗蛋白和粗脂肪含量的影響

2.2.3 對玉米籽粒還原性糖含量的影響 廢棄鉆井泥漿填埋后增加了玉米籽粒的還原性糖含量，但兩種質(zhì)地土壤上增加的幅度有差異(圖3A)。黃綿土上泥漿池內(nèi)的玉米籽粒還原性糖含量為11.43%，較其非泥漿池內(nèi)的增加4.89%；而風(fēng)沙土上泥漿池內(nèi)的玉米籽粒還原性糖含量為11.40%，雖低于黃綿土泥漿池內(nèi)，但較其非泥漿池內(nèi)的增加14.40%，且差異均不顯著。

2.2.4 對玉米籽粒淀粉含量的影響 廢棄鉆井泥漿填埋降低了玉米籽粒的淀粉含量，且兩種質(zhì)地土壤上降低的幅度不同(圖3B)。黃綿土上泥漿池內(nèi)的玉米籽粒淀粉含量為50.57%，較其非泥漿池內(nèi)的降低1.30%；風(fēng)沙土上泥漿池內(nèi)的玉米籽粒淀粉含量為50.35%，較黃綿土上泥漿池內(nèi)的降低0.22個百分點，并較其非泥漿池內(nèi)的降低3.17%，但差異均不顯著。

圖3 不同質(zhì)地土壤上填埋廢棄鉆井泥漿對玉米籽粒還原性糖和淀粉含量的影響

2.3 廢棄鉆井泥漿填埋對玉米氨基酸含量的影響

不同質(zhì)地土壤上廢棄鉆井泥漿填埋后玉米籽粒氨基酸總含量的變化趨勢與粗蛋白含量變化趨勢一致(表2)。其中，黃綿土上泥漿池內(nèi)的玉米籽粒氨基酸總含量最高，較風(fēng)沙土上泥漿池內(nèi)的增加2.72%。與非泥漿池內(nèi)的相比，黃綿土上泥漿池內(nèi)的玉米籽粒氨基酸總含量增加9.28%，而風(fēng)沙土上泥漿池內(nèi)的保持不變，表明廢棄鉆井泥漿填埋對玉米籽粒氨基酸含量沒有產(chǎn)生不利的影響。

表2 不同質(zhì)地土壤上填埋廢棄鉆井泥漿對玉米籽粒氨基酸含量的影響 (g·100 g-1)

不同質(zhì)地土壤上填埋廢棄鉆井泥漿，玉米籽粒的氨基酸組分中七種必需氨基酸含量的變化不同(表2)。其中，黃綿土上除纈氨酸和賴氨酸外，泥漿池內(nèi)的玉米籽粒的其余五種必需氨基酸含量均高于非泥漿池內(nèi)的。與非泥漿池內(nèi)的相比，黃綿土上泥漿池內(nèi)的蘇氨酸、甲硫氨酸、異亮氨酸、亮氨酸和苯丙氨酸分別增加3.23%、47.06%、12.00%、19.42% 和11.90%。而風(fēng)沙土上，與非泥漿池內(nèi)的相比，泥漿池內(nèi)的玉米籽粒蘇氨酸、纈氨酸、甲硫氨基酸及賴氨酸含量分別增加了3.13%、2.44%、7.14%及7.41%；異亮氨基酸、亮氨酸及苯氨酸酸含量分別降低了3.70%、5.83%及2.08%。

不同質(zhì)地土壤上填埋廢棄鉆井泥漿，玉米籽粒的氨基酸組分中非必需氨基酸含量的變化差異顯著(表2)。其中，與非泥漿池內(nèi)相比，黃綿土上泥漿池內(nèi)的玉米籽粒谷氨酸、丙氨酸、脯氨酸、組氨酸、絲氨酸、天冬氨酸及酪氨酸分別增加了13.25%、11.94%、10.67%、9.09%、7.50%、3.51%及3.13%，精氨酸降低了5.71%，甘氨酸保持不變；而風(fēng)沙土上泥漿池內(nèi)的玉米籽粒酪氨酸、精氨酸、天冬氨酸及甘氨酸分別增加了12.50%、9.37%、3.33%及3.13%，谷氨酸和丙氨酸分別降低2.94% 和2.82%，組氨酸和脯氨酸含量保持不變。

3 討論與結(jié)論

3.1 廢棄鉆井泥漿填埋于土壤后對玉米產(chǎn)量的影響

肥料是作物生長過程中重要的養(yǎng)分來源，也是調(diào)控作物生長和產(chǎn)量的重要手段。施肥顯著增加玉米植株的生物量和籽粒產(chǎn)量[7,8]。本研究中，黃綿土和風(fēng)沙土的泥漿池內(nèi)玉米植株生物量和籽粒產(chǎn)量均高于對應(yīng)的非泥漿池內(nèi)的，表明廢棄鉆井泥漿填埋促進(jìn)玉米生長，起到與肥料類似的結(jié)果，這與齊剛[3]、王茜等[9]的研究結(jié)果一致。主要是鉆井液中添加物主要成分膨潤土、氫氧化鉀、腐殖酸鉀、聚丙烯酸鉀、單寧酸鉀和水解聚丙烯腈胺鹽等，富含植物必需的N、P、K元素，尤其腐殖酸可以培肥土壤[10]。另外，添加物中大量的聚丙烯酰胺、膨潤土能粘結(jié)土壤顆粒，改善土壤孔隙度，改良土壤[11]，進(jìn)而促進(jìn)植株生長。不同質(zhì)地土壤上作物對施肥的響應(yīng)存在顯著差異[12]。本研究中，黃綿土泥漿池內(nèi)的玉米植株生物量和籽粒產(chǎn)量較非泥漿池內(nèi)的分別顯著增加了14.54%和13.00%；而風(fēng)沙土泥漿池內(nèi)的玉米植株生物量和籽粒產(chǎn)量較非泥漿池內(nèi)的分別顯著增加了15.80%和18.66%，表現(xiàn)為基礎(chǔ)地力較低的風(fēng)沙土廢棄鉆井泥漿填埋增產(chǎn)效應(yīng)高于基礎(chǔ)肥力較高的黃綿土，這與黃曉婷[13]、王茜[9]的研究的結(jié)果一致，進(jìn)一步表明鉆井泥漿填埋于不同質(zhì)地土壤上都能發(fā)揮沃土的功效。

3.2 廢棄鉆井泥漿填埋對玉米籽粒品質(zhì)的影響

施肥是影響作物品質(zhì)最為重要的農(nóng)業(yè)措施之一。在不同肥力的田塊上，增施肥料，可以提高籽粒的蛋白質(zhì)含量[14]；且施用豬廄肥和化學(xué)氮肥，均有改善蛋白質(zhì)含量，提高玉米籽粒氨基酸總量和必需氨基酸含量的作用[15]。本研究中，黃綿土泥漿池內(nèi)玉米籽粒的蛋白質(zhì)、還原性糖含量及氨基酸總含量較非泥漿池內(nèi)的增加了7.11%、4.89%和9.28%，而風(fēng)沙土上填埋廢棄鉆井泥漿后，玉米籽粒的蛋白質(zhì)和氨基酸含量變化不明顯，但還原性糖含量增加14.40%。表明廢棄鉆井泥漿填埋于不同質(zhì)地土壤上均能不同程度地改善作物品質(zhì)。這主要是鉆井液添加物中含有大量植物生長的N、P、K營養(yǎng)物質(zhì)，特別是高含鉀量，有利于改善作物品質(zhì)，這與李波[16]的研究結(jié)果一致。本課題進(jìn)一步對鉆井泥漿與常用的幾種土糞[5]進(jìn)行營養(yǎng)比較，結(jié)果證明鉆井泥漿廢屑確實含有豐富的有機(jī)質(zhì)、N、P、K營養(yǎng)元素，特別是高含鉀量(1.02%)是納入比較的幾種土糞中鉀含量的1.3～2倍。(表3)。有研究表明，淀粉和脂肪含量則隨施氮量的增加而下降[17]。本研究中，黃綿土上泥漿池內(nèi)的玉米籽粒的粗脂肪和淀粉含量較非泥漿池內(nèi)的降低4.84%和1.30%，且差異顯著；風(fēng)沙土上泥漿池內(nèi)的玉米籽粒的粗脂肪和淀粉含量較非泥漿池內(nèi)的降低2.7%和3.17%，表明廢棄鉆井泥漿大量元素氮含量高于非泥漿池內(nèi)的(養(yǎng)分結(jié)果另文發(fā)表)，可以作為肥料資源肥沃土壤。