鉆井廢棄物對黃土區谷子和高粱產量和品質的影響

翟文晰，郝明德,，王 哲，張榮耀，任 鵬

(1.西北農林科技大學 資源環境學院，陜西 楊凌 712100；2.中國科學院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；3.長慶油田分公司第二采氣廠，陜西 西安 710200；4.長慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西 西安 710200)

石油和天然氣作業是石油天然氣采集的必須工藝之一，鉆井完成后，將鉆井廢棄物放置在泥漿池中，并對其進行一系列的處理[1]。國內外對鉆井廢棄物的處置技術已較為成熟[2～7]，國內處理鉆井廢棄物多采用固化填埋和固液分離的方式。由于鉆井液在配置時，加入上百種添加材料，使得鉆井液的有機質、鹽分以及pH等指標較高，不合理的處置和利用會影響周圍環境，甚至會毒害作物。國內外關于鉆井泥漿對作物及環境影響的研究較少，且在鉆井泥漿對作物生長利弊的相關研究有諸多爭議，一些研究認為，鉆井液對植物生長的影響很大程度上是負面的，因為植物可利用的微量元素和可溶性鹽含量較高等原因[8～13]，抑制作物的生長。也有人認為，較低的濃度施加鉆井液或使用較環保的材料生產的鉆井液對植物生長有促進作用[1, 6, 14]。固化處理技術因其可原位處理并成本較低的優點，在實際生產中使用較多。因此，探明鉆井廢棄物固化處理方式對其上作物的影響，對明確廢棄物處理過程對環境的利弊有重要作用。谷子作為一種抗逆性強的禾本科作物，在我國和世界范圍均有大范圍的種植，是除小麥和大麥外，人類種植最多的夏季谷物；高粱同樣具有抗旱、耐澇、耐鹽堿、耐高溫、耐瘠薄等特點，被譽為“生物能源系統中最有力競爭者”。研究通過對長慶油田泥漿埋設處理13 a后井場上生長的谷子進行調查研究，探究鉆井泥漿對填埋處理后對井場生長植物的影響，并為鉆井廢棄物埋設場地利用、環境恢復提供科學依據。

1 材料方法

1.1 采樣地概況

2018年10月，對長慶油田氣井州31-31井場生長的谷子和氣井榆79井場上生長點高粱調查并取樣，該氣井位于陜西省榆林市子洲縣苗家坪鎮和陜西省榆林市綏德縣石家灣附近，地跨暖溫帶與中溫帶，具有大陸性季風氣候特點。土壤以黃綿土為主，土層深厚，土質疏松，年降水量400 mm以上，屬于黃土丘陵溝壑區。泥漿池下部和四周鋪設防滲布，谷子場地上部覆蓋1.0 m的土層，高粱上部覆蓋1.8 m土層。種植制度按照當地農民習慣管理，泥漿池內和泥漿池外所采植物在同一地塊生長。

1.2 研究方法

選取泥漿池和臨近地塊生長的谷子和高粱，使用 1m2的樣方框，在采樣點設置樣方采樣，刈割地上部分，測定植物鮮重，裝入尼龍網袋子中帶回實驗室在105 ± 2℃下殺青0.5 h，75 ℃烘至樣品恒重，計算生物量及產量。

1.3 檢測方法

使用石墨爐原子吸收光譜法測定植物中重金屬鉛、鎘、鉻；使用氫化物發生原子熒光光譜法測定植物中總砷；使用原子熒光光譜分析法測定植物中總汞；用火焰原子吸收光譜法測定植物中全銅；粗蛋白、粗脂肪、淀粉和還原性糖分別用凱氏定氮法、索氏抽提法、酸水解法和直接滴定法測定；16種氨基酸含量使用全自動氨基酸分析儀(日立L-8800)測定[15]。

2 數據分析

利用Microsoft Office Excel 2016進行繪圖和數據處理。

3 結果分析和討論

3.1 鉆井廢棄物對谷子和高粱重金屬含量的影響

在泥漿池上生長的谷子和高粱與非泥漿池上生長谷子和高粱的重金屬含量均在食品安全標準食品限量范圍內，兩者含量相近(表 1)。填埋處理后的泥漿對其上生長的谷子和高粱的重金屬含量沒有影響。表 1中，泥漿池內、泥漿池外谷子以及高粱Pb含量均未檢出，未達到0.04 mg·kg-1檢出限含量，兩者低于食品安全國家標準GB2762-2017要求的0.2 mg·kg-1。泥漿池內和泥漿池外谷子Cd含量相比，含量相差不大。泥漿池內和泥漿池外兩者谷子和高粱Cd和Cr含量均符合食品安全國家標準GB2762-2017的要求。兩者均符合食品安全國家標準GB2762-2017的要求。泥漿池內、泥漿池外谷子和高粱As含量均未檢出，兩者均低于食品安全國家標準GB2762-2017要求的0.2 mg·kg-1。

表1 鉆井廢棄物對谷子和高粱重金屬含量的影響 (mg·kg-1)

3.2 鉆井廢棄物對谷子和高粱品質的影響

泥漿池對谷子品質的影響較小(圖1,圖2)，泥漿池內與泥漿池外谷子品質指標含量相比沒有明顯的增加和降低。蛋白質含量是谷子營養品質的主要構成成分之一[16]。粗脂肪是組成生物體的重要成分，是植物維持生命活動必需的儲存物質，具有芳香氣味。與泥漿池外相比，泥漿池外生長的谷子其淀粉含量沒有明顯的提高。但從總量上來看，由于泥漿池內生長的谷子產量增加，淀粉的總量增加了25.1 kg·km-2。還原性糖是植物能量活動的重要原料，對提高作物品質有積極作用。鉆井廢棄物對谷子還原性糖含量影響較小，泥漿池內與泥漿池外相比還原性糖含量沒有明顯變化。

圖1 鉆井廢棄物對谷子品質指標含量的影響

圖2 鉆井廢棄物對高粱品質指標含量的影響

3.3 鉆井廢棄物對谷子和高粱產量的影響

泥漿池內生長的谷子和高粱與泥漿池外相比生物產量增加了1 959 kg·hm-2和2 700 kg·hm-2(表2)。泥漿池內相較于泥漿池外籽粒產量增加了585 kg·hm-2和900 kg·hm-2。

增產的原因多是因為鉆井時的添加材料，如為鉆井泥漿增稠、增粘、提高井眼穩定性的膨潤土，起到穩孔作用的水解丙烯酰胺[17]，兩者均有吸濕保水的作用，并且可以作為農業保水劑[18～23]。除此之外，鉆井液添加物中有大量的腐植酸、羧甲基纖維素等材料，這些添加料可以提高土壤有機質，供給氮磷鉀等營養元素，有助于提高土壤中微量元素的含量，改善土壤保肥、保水的能力[24]。有研究認為，在一定濃度范圍內施用硅酸鹽鉆井泥漿，能夠顯著的降低土壤的導水率、孔隙度和田間持水量，且對作物的生長的傷害較低[25]。

表2 鉆井廢棄物對谷子和高粱產量的影響 (kg·hm-2)

3.4 鉆井廢棄物對谷子和高粱氨基酸含量的影響

谷子的蛋白質含量較高，并且其氨基酸組成也比較合理，人體必需氨基酸含量比其他主要糧食作物都高。蛋白質的營養價值與氨基酸的組分密切相關，特別是必須氨基酸的含量和比例，并且蛋白質氨基酸組成越接近人體蛋白質組成，其營養價值越高。

在總氨基酸中，泥漿池內相較于泥漿池外谷子和高粱氨基酸含量略有增加。在必需氨基酸中，泥漿池內氨基酸與泥漿池外氨基酸相比，異亮氨酸、纈氨酸、亮氨酸、賴氨酸、苯丙氨酸和蘇氨酸含量分別增加了0.03%、0.04%、0.04%、0.05%、0.04%和0.04%，其中以賴氨酸含量增加最多，但必需氨基酸總體上均增加的較少。在非必須氨基酸中，泥漿池內氨基酸含量與泥漿池外氨基酸含量相比，十種氨基酸均有增加，其中以天冬氨酸和谷氨酸增加最多，兩者分別增加了0.08%和0.11%。總的來看，鉆井廢棄物對谷子和高粱氨基酸含量均表現為增加態勢，但是均增加不明顯。

表3 鉆井廢棄物對谷子和高粱氨基酸含量的影響 (%)

4 結論

(1)在泥漿池上生長的谷子和高粱重金屬含量均在食品安全標準食品中污染物限量范圍內，符合標準的要求。

(2)在鉆井廢棄物上生長的谷子和高粱品質影響不明顯，泥漿池內與泥漿池外谷子品質指標含量相比沒有明顯增減，鉆井廢棄物對谷子和高粱氨基酸的影響不明顯。

(3)泥漿池內相較于泥漿池外產量有較為明顯的增加，猜測增產的原因多是由于鉆井液中的添加材料具有吸濕保水的能力和增加土壤肥料的特性。