钻井废弃物对黄土区谷子和高粱产量和品质的影响

翟文晰，郝明德,，王 哲，张荣耀，任 鹏

(1.西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨凌 712100；2.中国科学院水利部水土保持研究所，陕西 杨凌 712100；3.长庆油田分公司第二采气厂，陕西 西安 710200；4.长庆油田分公司油气工艺研究院，陕西 西安 710200)

石油和天然气作业是石油天然气采集的必须工艺之一，钻井完成后，将钻井废弃物放置在泥浆池中，并对其进行一系列的处理[1]。国内外对钻井废弃物的处置技术已较为成熟[2～7]，国内处理钻井废弃物多采用固化填埋和固液分离的方式。由于钻井液在配置时，加入上百种添加材料，使得钻井液的有机质、盐分以及pH等指标较高，不合理的处置和利用会影响周围环境，甚至会毒害作物。国内外关于钻井泥浆对作物及环境影响的研究较少，且在钻井泥浆对作物生长利弊的相关研究有诸多争议，一些研究认为，钻井液对植物生长的影响很大程度上是负面的，因为植物可利用的微量元素和可溶性盐含量较高等原因[8～13]，抑制作物的生长。也有人认为，较低的浓度施加钻井液或使用较环保的材料生产的钻井液对植物生长有促进作用[1, 6, 14]。固化处理技术因其可原位处理并成本较低的优点，在实际生产中使用较多。因此，探明钻井废弃物固化处理方式对其上作物的影响，对明确废弃物处理过程对环境的利弊有重要作用。谷子作为一种抗逆性强的禾本科作物，在我国和世界范围均有大范围的种植，是除小麦和大麦外，人类种植最多的夏季谷物；高粱同样具有抗旱、耐涝、耐盐碱、耐高温、耐瘠薄等特点，被誉为“生物能源系统中最有力竞争者”。研究通过对长庆油田泥浆埋设处理13 a后井场上生长的谷子进行调查研究，探究钻井泥浆对填埋处理后对井场生长植物的影响，并为钻井废弃物埋设场地利用、环境恢复提供科学依据。

1 材料方法

1.1 采样地概况

2018年10月，对长庆油田气井州31-31井场生长的谷子和气井榆79井场上生长点高粱调查并取样，该气井位于陕西省榆林市子洲县苗家坪镇和陕西省榆林市绥德县石家湾附近，地跨暖温带与中温带，具有大陆性季风气候特点。土壤以黄绵土为主，土层深厚，土质疏松，年降水量400 mm以上，属于黄土丘陵沟壑区。泥浆池下部和四周铺设防渗布，谷子场地上部覆盖1.0 m的土层，高粱上部覆盖1.8 m土层。种植制度按照当地农民习惯管理，泥浆池内和泥浆池外所采植物在同一地块生长。

1.2 研究方法

选取泥浆池和临近地块生长的谷子和高粱，使用 1m2的样方框，在采样点设置样方采样，刈割地上部分，测定植物鲜重，装入尼龙网袋子中带回实验室在105 ± 2℃下杀青0.5 h，75 ℃烘至样品恒重，计算生物量及产量。

1.3 检测方法

使用石墨炉原子吸收光谱法测定植物中重金属铅、镉、铬；使用氢化物发生原子荧光光谱法测定植物中总砷；使用原子荧光光谱分析法测定植物中总汞；用火焰原子吸收光谱法测定植物中全铜；粗蛋白、粗脂肪、淀粉和还原性糖分别用凯氏定氮法、索氏抽提法、酸水解法和直接滴定法测定；16种氨基酸含量使用全自动氨基酸分析仪(日立L-8800)测定[15]。

2 数据分析

利用Microsoft Office Excel 2016进行绘图和数据处理。

3 结果分析和讨论

3.1 钻井废弃物对谷子和高粱重金属含量的影响

在泥浆池上生长的谷子和高粱与非泥浆池上生长谷子和高粱的重金属含量均在食品安全标准食品限量范围内，两者含量相近(表 1)。填埋处理后的泥浆对其上生长的谷子和高粱的重金属含量没有影响。表 1中，泥浆池内、泥浆池外谷子以及高粱Pb含量均未检出，未达到0.04 mg·kg-1检出限含量，两者低于食品安全国家标准GB2762-2017要求的0.2 mg·kg-1。泥浆池内和泥浆池外谷子Cd含量相比，含量相差不大。泥浆池内和泥浆池外两者谷子和高粱Cd和Cr含量均符合食品安全国家标准GB2762-2017的要求。两者均符合食品安全国家标准GB2762-2017的要求。泥浆池内、泥浆池外谷子和高粱As含量均未检出，两者均低于食品安全国家标准GB2762-2017要求的0.2 mg·kg-1。

表1 钻井废弃物对谷子和高粱重金属含量的影响 (mg·kg-1)

3.2 钻井废弃物对谷子和高粱品质的影响

泥浆池对谷子品质的影响较小(图1,图2)，泥浆池内与泥浆池外谷子品质指标含量相比没有明显的增加和降低。蛋白质含量是谷子营养品质的主要构成成分之一[16]。粗脂肪是组成生物体的重要成分，是植物维持生命活动必需的储存物质，具有芳香气味。与泥浆池外相比，泥浆池外生长的谷子其淀粉含量没有明显的提高。但从总量上来看，由于泥浆池内生长的谷子产量增加，淀粉的总量增加了25.1 kg·km-2。还原性糖是植物能量活动的重要原料，对提高作物品质有积极作用。钻井废弃物对谷子还原性糖含量影响较小，泥浆池内与泥浆池外相比还原性糖含量没有明显变化。

图1 钻井废弃物对谷子品质指标含量的影响

图2 钻井废弃物对高粱品质指标含量的影响

3.3 钻井废弃物对谷子和高粱产量的影响

泥浆池内生长的谷子和高粱与泥浆池外相比生物产量增加了1 959 kg·hm-2和2 700 kg·hm-2(表2)。泥浆池内相较于泥浆池外籽粒产量增加了585 kg·hm-2和900 kg·hm-2。

增产的原因多是因为钻井时的添加材料，如为钻井泥浆增稠、增粘、提高井眼稳定性的膨润土，起到稳孔作用的水解丙烯酰胺[17]，两者均有吸湿保水的作用，并且可以作为农业保水剂[18～23]。除此之外，钻井液添加物中有大量的腐植酸、羧甲基纤维素等材料，这些添加料可以提高土壤有机质，供给氮磷钾等营养元素，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]。有研究认为，在一定浓度范围内施用硅酸盐钻井泥浆，能够显著的降低土壤的导水率、孔隙度和田间持水量，且对作物的生长的伤害较低[25]。

表2 钻井废弃物对谷子和高粱产量的影响 (kg·hm-2)

3.4 钻井废弃物对谷子和高粱氨基酸含量的影响

谷子的蛋白质含量较高，并且其氨基酸组成也比较合理，人体必需氨基酸含量比其他主要粮食作物都高。蛋白质的营养价值与氨基酸的组分密切相关，特别是必须氨基酸的含量和比例，并且蛋白质氨基酸组成越接近人体蛋白质组成，其营养价值越高。

在总氨基酸中，泥浆池内相较于泥浆池外谷子和高粱氨基酸含量略有增加。在必需氨基酸中，泥浆池内氨基酸与泥浆池外氨基酸相比，异亮氨酸、缬氨酸、亮氨酸、赖氨酸、苯丙氨酸和苏氨酸含量分别增加了0.03%、0.04%、0.04%、0.05%、0.04%和0.04%，其中以赖氨酸含量增加最多，但必需氨基酸总体上均增加的较少。在非必须氨基酸中，泥浆池内氨基酸含量与泥浆池外氨基酸含量相比，十种氨基酸均有增加，其中以天冬氨酸和谷氨酸增加最多，两者分别增加了0.08%和0.11%。总的来看，钻井废弃物对谷子和高粱氨基酸含量均表现为增加态势，但是均增加不明显。

表3 钻井废弃物对谷子和高粱氨基酸含量的影响 (%)

4 结论

(1)在泥浆池上生长的谷子和高粱重金属含量均在食品安全标准食品中污染物限量范围内，符合标准的要求。

(2)在钻井废弃物上生长的谷子和高粱品质影响不明显，泥浆池内与泥浆池外谷子品质指标含量相比没有明显增减，钻井废弃物对谷子和高粱氨基酸的影响不明显。

(3)泥浆池内相较于泥浆池外产量有较为明显的增加，猜测增产的原因多是由于钻井液中的添加材料具有吸湿保水的能力和增加土壤肥料的特性。