水基废弃钻井泥浆对玉米产量和品质的影响

柳燕兰,马明生，王 哲，郭贤仕,常彦荣，牛育华, 郝明德

(1.甘肃省农业科学院旱地农业研究所，甘肃 兰州 730070；2.中国科学院 水利部水土保持研究所，陕西 杨凌 712100；3.中国科学院大学，北京 100049；4.中国石油长庆油田西安分公司，陕西 西安 710018；5.陕西科技大学，陕西 西安 710018；6.西北农林科技大学 水土保持研究所，陕西 杨凌 712100)

随着我国经济的快速发展，能源需求量日益增大，石油、天然气作为主要能源已成为我国经济发展的主要促进因素之一[1]。作为我国三大油田之一的长庆油田，石油总资源量约为86亿t，天然气总资源量约11万亿m3。然而，油气品开发中的钻井作业产生大量废弃钻井泥浆被排放到地面，造成环境严重污染。有调查显示，从大庆油田开发至今，除回收外，掩埋的钻井液累积量已超过160万t以上[2]，导致区域生态环境脆弱，因此对废弃钻井泥浆的综合治理,已成为大庆油田区保护生态环境亟待解决的问题。

钻井泥浆是天然气和石油钻井开采过程中产生的主要污染物之一。然而大庆油气开发中的钻井液基本是水基泥浆，其主要成分膨润土、氢氧化钾、腐殖酸钾、聚丙烯酸钾、单宁酸钾和水解聚丙烯腈胺盐等是良好的土壤肥料，富含丰富的N、P、K元素，对植物生长有益[3,4]。已有研究表明，废钻井液对大豆的生长发育有促进作用，使大豆的株高和淀粉含量平均增加了22.87%和17.32%，蛋白质平均增加了3.23%[3]。利用钻井废水浇灌农田可提高土壤肥力，改善土壤结构，同时对小麦、水稻的生长发育、产量及籽粒品质无明显的不利影响[5]。为此，笔者研究在长庆油田开采区有针对性的选取了5个废弃钻井泥浆回填法处理后的井场平台，采用“点对点”的方法采集泥浆池内外的土壤和生长的玉米植株样品，研究废弃钻井泥浆对长庆油田区玉米的生长发育、产量、生物量及品质的影响，以期为废弃钻井泥浆的合理资源化利用及钻井井场的环境保护提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区为典型的油气开采区，位于陕西省榆林地区(107°28′～111°15′ E，36°57′～39°34′ N)，勘测面积37万km2，石油总资源量约为86亿t，天然气总资源量约为11万亿m3。该区属于暖温带半干旱大陆季风气候。年均气温10℃，土壤以黄绵土和绵沙土为主，土质疏松，玉米和马铃薯为主要种植农作物。长庆油田钻井过程中普遍采用水基钻井液体系，其组成单一，无毒、无害，部分可生物降解。

1.2 样品采集和处理

野外采样于2018年10月初玉米收获期完成，采集5个井场泥浆池内的玉米样品和表层土壤，并以相应井场外的玉米样品和土壤为对照，玉米样品的采集与土壤采样点相对应，即土壤和玉米样品来源于同一点。每个井场采集长势相似的10株玉米，风干后脱粒称重测产并折合成亩产。从采集的风干的玉米籽粒中称取2 kg左右，用去离子水清洗干净后烘干研磨，装入自封袋中冷冻保存，用于籽粒营养品质的测定。试验采样区主要气候数据如表1。

表1 试验采样区主要信息

1.3 测定项目与方法

粗蛋白含量测定按照国标法(GB/T 5009.5-2016)进行；粗脂肪含量测定按照国标法(GB/T 5009.6-2016)；淀粉含量测定按照国标法(GB/T 5009.9-2016)进行；还原性糖含量按照国标法(GB/T 5009.7-2016)进行；氨基酸含量测定按照国标法(GB/T 5009.124-2016)进行。

2 结果与分析

2.1 废弃钻井泥浆对玉米产量和生物量的影响

植株生物量是反映作物生长状况的重要指标之一，且与作物产量的形成密切相关。两种质地土壤条件下，废弃钻井泥浆填埋于土壤后均明显增加了玉米植株的生物量(图1A)。黄绵土泥浆池内的玉米植株生物量为2 472 kg·667 m-2，较非泥浆池内增加14.54%，差异显著；而风沙土泥浆池内的玉米植株生物量为1 437 kg·667 m-2，较非泥浆池内的增加15.80%，差异显著。风沙土上泥浆池内的玉米植株生物量增幅大于黄绵土。这主要是由于风沙土沙性大，土质松散，粗粒多，毛管性能差，肥水易流失，其潜在养分含量低，而黄绵土潜在养分含量高于风沙土。因此，在潜在养分含量低的风沙土上填埋废弃钻井泥浆其增产效果更显著。

不同质地土壤上填埋废弃钻井泥浆对玉米籽粒产量的影响存在差异(图1B)。黄绵土泥浆池内的玉米籽粒产量为813 kg·667 m-2，较非泥浆池内的增加13.00%，差异显著；风沙土泥浆池内的玉米籽粒产量为479 kg·667 m-2，低于黄绵土泥浆池内的，且较其非泥浆池内的增加18.66%，差异显著。表明废弃钻井泥浆可以作为肥料资源促进玉米生长，且不同质地土壤上玉米对钻井泥浆的存在显著差异。

图1 不同质地土壤上填埋废弃钻井泥浆对玉米生物量和籽粒产量的影响

2.2 废弃钻井泥浆对玉米品质的影响

2.2.1 对玉米籽粒粗蛋白含量的影响 蛋白质含量是衡量和评价品质及营养价值的重要指标。由图2A可知，废弃钻井泥浆填埋于土壤后均能增加玉米籽粒蛋白质含量，但两种质地土壤上钻井泥浆填埋后增加的幅度不同。黄绵土泥浆池内玉米籽粒的蛋白质含量为9.24%，较非泥浆池内的增加7.11%，且差异显著；而风沙土的泥浆池内玉米籽粒的蛋白质含量低于黄绵土上泥浆池内的，且与其非泥浆池内的差异不显著。

2.2.2 对玉米籽粒粗脂肪含量的影响 由图2B可见，两种质地土壤上废弃钻井泥浆填埋的泥浆池内玉米的粗脂肪含量较非泥浆池均有下降。黄绵土上泥浆池内的玉米籽粒的粗脂肪含量为3.93%，较非泥浆池内的降低了4.84%，且差异显著；风沙土上泥浆池内的玉米籽粒的粗脂肪含量为3.60%，低于黄绵土上泥浆池内的，且较其非泥浆池内的降低了2.7%，但差异不显著。表明废弃钻井泥浆影响玉米籽粒粗脂肪含量。

图2 不同质地土壤上填埋废弃钻井泥浆对玉米籽粒粗蛋白和粗脂肪含量的影响

2.2.3 对玉米籽粒还原性糖含量的影响 废弃钻井泥浆填埋后增加了玉米籽粒的还原性糖含量，但两种质地土壤上增加的幅度有差异(图3A)。黄绵土上泥浆池内的玉米籽粒还原性糖含量为11.43%，较其非泥浆池内的增加4.89%；而风沙土上泥浆池内的玉米籽粒还原性糖含量为11.40%，虽低于黄绵土泥浆池内，但较其非泥浆池内的增加14.40%，且差异均不显著。

2.2.4 对玉米籽粒淀粉含量的影响 废弃钻井泥浆填埋降低了玉米籽粒的淀粉含量，且两种质地土壤上降低的幅度不同(图3B)。黄绵土上泥浆池内的玉米籽粒淀粉含量为50.57%，较其非泥浆池内的降低1.30%；风沙土上泥浆池内的玉米籽粒淀粉含量为50.35%，较黄绵土上泥浆池内的降低0.22个百分点，并较其非泥浆池内的降低3.17%，但差异均不显著。

图3 不同质地土壤上填埋废弃钻井泥浆对玉米籽粒还原性糖和淀粉含量的影响

2.3 废弃钻井泥浆填埋对玉米氨基酸含量的影响

不同质地土壤上废弃钻井泥浆填埋后玉米籽粒氨基酸总含量的变化趋势与粗蛋白含量变化趋势一致(表2)。其中，黄绵土上泥浆池内的玉米籽粒氨基酸总含量最高，较风沙土上泥浆池内的增加2.72%。与非泥浆池内的相比，黄绵土上泥浆池内的玉米籽粒氨基酸总含量增加9.28%，而风沙土上泥浆池内的保持不变，表明废弃钻井泥浆填埋对玉米籽粒氨基酸含量没有产生不利的影响。

表2 不同质地土壤上填埋废弃钻井泥浆对玉米籽粒氨基酸含量的影响 (g·100 g-1)

不同质地土壤上填埋废弃钻井泥浆，玉米籽粒的氨基酸组分中七种必需氨基酸含量的变化不同(表2)。其中，黄绵土上除缬氨酸和赖氨酸外，泥浆池内的玉米籽粒的其余五种必需氨基酸含量均高于非泥浆池内的。与非泥浆池内的相比，黄绵土上泥浆池内的苏氨酸、甲硫氨酸、异亮氨酸、亮氨酸和苯丙氨酸分别增加3.23%、47.06%、12.00%、19.42% 和11.90%。而风沙土上，与非泥浆池内的相比，泥浆池内的玉米籽粒苏氨酸、缬氨酸、甲硫氨基酸及赖氨酸含量分别增加了3.13%、2.44%、7.14%及7.41%；异亮氨基酸、亮氨酸及苯氨酸酸含量分别降低了3.70%、5.83%及2.08%。

不同质地土壤上填埋废弃钻井泥浆，玉米籽粒的氨基酸组分中非必需氨基酸含量的变化差异显著(表2)。其中，与非泥浆池内相比，黄绵土上泥浆池内的玉米籽粒谷氨酸、丙氨酸、脯氨酸、组氨酸、丝氨酸、天冬氨酸及酪氨酸分别增加了13.25%、11.94%、10.67%、9.09%、7.50%、3.51%及3.13%，精氨酸降低了5.71%，甘氨酸保持不变；而风沙土上泥浆池内的玉米籽粒酪氨酸、精氨酸、天冬氨酸及甘氨酸分别增加了12.50%、9.37%、3.33%及3.13%，谷氨酸和丙氨酸分别降低2.94% 和2.82%，组氨酸和脯氨酸含量保持不变。

3 讨论与结论

3.1 废弃钻井泥浆填埋于土壤后对玉米产量的影响

肥料是作物生长过程中重要的养分来源，也是调控作物生长和产量的重要手段。施肥显著增加玉米植株的生物量和籽粒产量[7,8]。本研究中，黄绵土和风沙土的泥浆池内玉米植株生物量和籽粒产量均高于对应的非泥浆池内的，表明废弃钻井泥浆填埋促进玉米生长，起到与肥料类似的结果，这与齐刚[3]、王茜等[9]的研究结果一致。主要是钻井液中添加物主要成分膨润土、氢氧化钾、腐殖酸钾、聚丙烯酸钾、单宁酸钾和水解聚丙烯腈胺盐等，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、膨润土能粘结土壤颗粒，改善土壤孔隙度，改良土壤[11]，进而促进植株生长。不同质地土壤上作物对施肥的响应存在显著差异[12]。本研究中，黄绵土泥浆池内的玉米植株生物量和籽粒产量较非泥浆池内的分别显著增加了14.54%和13.00%；而风沙土泥浆池内的玉米植株生物量和籽粒产量较非泥浆池内的分别显著增加了15.80%和18.66%，表现为基础地力较低的风沙土废弃钻井泥浆填埋增产效应高于基础肥力较高的黄绵土，这与黄晓婷[13]、王茜[9]的研究的结果一致，进一步表明钻井泥浆填埋于不同质地土壤上都能发挥沃土的功效。

3.2 废弃钻井泥浆填埋对玉米籽粒品质的影响

施肥是影响作物品质最为重要的农业措施之一。在不同肥力的田块上，增施肥料，可以提高籽粒的蛋白质含量[14]；且施用猪厩肥和化学氮肥，均有改善蛋白质含量，提高玉米籽粒氨基酸总量和必需氨基酸含量的作用[15]。本研究中，黄绵土泥浆池内玉米籽粒的蛋白质、还原性糖含量及氨基酸总含量较非泥浆池内的增加了7.11%、4.89%和9.28%，而风沙土上填埋废弃钻井泥浆后，玉米籽粒的蛋白质和氨基酸含量变化不明显，但还原性糖含量增加14.40%。表明废弃钻井泥浆填埋于不同质地土壤上均能不同程度地改善作物品质。这主要是钻井液添加物中含有大量植物生长的N、P、K营养物质，特别是高含钾量，有利于改善作物品质，这与李波[16]的研究结果一致。本课题进一步对钻井泥浆与常用的几种土粪[5]进行营养比较，结果证明钻井泥浆废屑确实含有丰富的有机质、N、P、K营养元素，特别是高含钾量(1.02%)是纳入比较的几种土粪中钾含量的1.3～2倍。(表3)。有研究表明，淀粉和脂肪含量则随施氮量的增加而下降[17]。本研究中，黄绵土上泥浆池内的玉米籽粒的粗脂肪和淀粉含量较非泥浆池内的降低4.84%和1.30%，且差异显著；风沙土上泥浆池内的玉米籽粒的粗脂肪和淀粉含量较非泥浆池内的降低2.7%和3.17%，表明废弃钻井泥浆大量元素氮含量高于非泥浆池内的(养分结果另文发表)，可以作为肥料资源肥沃土壤。