李 炎，田冬梅，賴 星，孟曉霞，袁 林，許 瑤，徐 敏，伍 鈞*

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，成都 611130；2.四川省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，成都 610041）

目前，開采頁巖氣主要采用水力壓裂技術(shù)，即將化學(xué)物質(zhì)和大量水、泥沙的混合物，用高壓注入地下井，壓裂附近的巖石構(gòu)造，進(jìn)而收集天然氣[1]。頁巖氣的開采存在一定的環(huán)境污染隱患：首先含有化學(xué)試劑的壓裂液注入地下可能污染地下水，返排液中含有高度礦化的地層水[2]，如處置不當(dāng)會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成極大的危害，尤其是對(duì)周圍土壤環(huán)境的影響。其次，頁巖氣開采壓裂作業(yè)完成后有15%～80%的返排液會(huì)排至地面[3]，這些返排液中含有大量的添加劑、碳?xì)浠衔?、重金屬、鹽分及放射性物質(zhì)等多種化學(xué)物質(zhì)[4-5]，若滲透到土壤中，將會(huì)對(duì)土壤造成嚴(yán)重影響。最后，鉆井廢水遇降雨漏排事故，會(huì)使附近農(nóng)田土壤、地表水體水質(zhì)受到不同程度的污染[6]。有關(guān)研究表明，工業(yè)區(qū)、油田井場周邊土壤存在一定程度的重金屬污染，具有較高的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[7-8]，工業(yè)活動(dòng)可能對(duì)區(qū)域重金屬積累有一定影響[9]。而我國頁巖氣勘查開發(fā)處在探索試驗(yàn)階段[10]，頁巖氣開采對(duì)井場周圍土壤環(huán)境的影響鮮有報(bào)道，因此對(duì)頁巖氣井場周圍土壤重金屬進(jìn)行調(diào)查并開展生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究具有重要意義。

本文擬對(duì)不同功能階段及集氣中心站4 個(gè)頁巖氣井場外圍區(qū)域土壤進(jìn)行采樣分析，探究土壤中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb 的含量，并采用單因子指數(shù)、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)對(duì)井場周圍土壤重金屬進(jìn)行評(píng)價(jià)，旨在為頁巖氣開采的土壤環(huán)境影響提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測，為頁巖氣產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于四川省某頁巖氣開采區(qū)，該地區(qū)地勢南高北低，地形為狹長形，海拔最高處1 642 m，最低處310 m，境內(nèi)層巒疊嶂，山脊多呈鋸齒形，長崗狀；地體多由石灰?guī)r和紫色頁巖組成，巖溶地形特征明顯，多溶洞、漏斗、石筍、石灰?guī)r等。丘陵和平壩面積小，以中低山地為主，有少數(shù)巖溶沖積壩。當(dāng)?shù)貙賮啛釒夂?，年平均氣?8.2 ℃，年總降水量1 143.6 mm，年日照總時(shí)數(shù)829.8 h。

1.2 土壤樣品采集與測定

為了探究頁巖氣整個(gè)開采過程對(duì)周圍土壤重金屬的影響，選取兩個(gè)不同開采階段的井場S1、S3，一個(gè)含油基處理站的特殊井場S2 及未進(jìn)行開采但收集整個(gè)地區(qū)頁巖氣的井場S4 共4 個(gè)具有代表性的井場為研究對(duì)象（見表1），在每個(gè)井場外部以井場為中心，按照隨機(jī)、均勻、等量的原則采集井場四周200 m 內(nèi)0～20 cm 深度土壤樣品。采樣中盡量避開外來土層，每個(gè)樣品采用隨機(jī)多點(diǎn)混合、四分的方法采集。土壤樣品分布情況如圖1所示。樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，挑出動(dòng)植物殘?bào)w、石塊、結(jié)核等雜物，風(fēng)干，過100 目篩，裝袋備用。土壤樣品各重金屬含量參照土壤和沉積物14 種金屬元素的測定方法進(jìn)行分析測定[11]。

1.3 污染評(píng)價(jià)方法

以各井場對(duì)照點(diǎn)平均值為參比值，采用單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)頁巖氣開采井場區(qū)域土壤重金屬污染情況。

表1 采樣方案Table 1 Sampling scheme

圖1 研究區(qū)采樣分布圖Figure 1 Sampling distribution map of the study area

1.3.1 單因子指數(shù)法及內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法

土壤污染程度采用單因子指數(shù)法及內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法[12]進(jìn)行評(píng)價(jià)，污染等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

式（1）中Pi為土壤重金屬元素i 的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；Ci為元素i 的實(shí)測含量；Si為元素i 的參比值。

式（2）中P 為土壤綜合污染指數(shù)；Pimax為土壤中單項(xiàng)污染物的最大污染指數(shù)；Piave為土壤中各污染物的平均污染指數(shù)。

1.3.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

1.3.3 參比值的確定

選用區(qū)域內(nèi)各井場外圍2 000 m 外少受人為活動(dòng)干擾的沒有進(jìn)行農(nóng)業(yè)種植的、土壤類型相同的9 個(gè)自然土壤樣點(diǎn)作為對(duì)照樣點(diǎn)。樣品采集和實(shí)驗(yàn)方法與本文1.2 節(jié)相同。計(jì)算各重金屬元素檢測值的算術(shù)平均值作為參比值。與四川省土壤背景值[15]相比各種金屬元素含量均不同程度高于四川省土壤背景值，具備一定區(qū)域特點(diǎn)，可作為評(píng)價(jià)的參比值（表4）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理采用Excel 2013 軟件分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬含量分析

4 個(gè)頁巖氣井場周圍土壤中重金屬含量見表5。由表5可知，4 個(gè)井場各重金屬元素平均含量均低于參比值，但各井場均存在部分樣點(diǎn)重金屬元素含量略高于參比值，其中超過參比值的樣點(diǎn)數(shù)量及倍數(shù)最高的為S2 井場。各井場采樣點(diǎn)土壤重金屬含量與《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)篩選值》[16]相比，S1、S3、S4 井場部分樣點(diǎn) Cd 超標(biāo)，超標(biāo)倍數(shù)分別為 0.41～1.35、0.05～1.50、0.14～1.07，點(diǎn)位超標(biāo)率分別為60.00%、66.67%、77.78%。S2 井場部分樣點(diǎn) As、Cd 超標(biāo)，超標(biāo)倍數(shù)分別為 0.07～0.45、0.15～3.48，超標(biāo)率分別為 14.28%、56.52%。Cd 為井場周圍土壤主要超標(biāo)元素，4 個(gè)井場周圍土壤Cd 平均含量表現(xiàn)為 S2=S3＞S4＞S1，其中 S2、S3 井場周圍土壤Cd 含量相對(duì)較高，但均低于參比值，表明頁巖氣開采對(duì)井場周圍土壤重金屬含量無明顯影響。

表2 土壤重金屬污染等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Criteria of pollution grade of soil heavy metal

表3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Classification standard of potential ecological risk

表4 背景值選取Table 4 Background value selection

表5 各井場外圍區(qū)域土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)Table 5 Statistics of soil heavy metals in the periphery area of each well field

變異系數(shù)可以反映人類活動(dòng)對(duì)重金屬含量的影響程度。變異系數(shù)越大，存在點(diǎn)源污染可能性就越大[17]。變異系數(shù)＜0.15 為弱變異，變異系數(shù)＞0.36為強(qiáng)變異[18]。由表可以看出，井場S1、S2 土壤Cd 與S4 土壤Pb、Cr 均為強(qiáng)變異，變異系數(shù)分別為0.43、0.56、0.53、0.40。井場S3 土壤所有重金屬均為中等變異與弱變異，其中Cr 具有相對(duì)較高變異系數(shù)，為0.35。4 個(gè)井場周圍土壤受人為影響較大的重金屬元素各不相同，其中井場S1、S2 土壤Cd 與井場S4土壤Pb、Cr 含量均受到相對(duì)較強(qiáng)的人為影響。

2.2 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

4 個(gè)頁巖氣井場周圍土壤重金屬單因子及綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果見表6。由表6可知，S1 井場有20.00%土壤樣品Ni、40.00%土壤樣品Pb 為輕度污染，S2 井場有33.34%土壤樣品Cr、42.86%土壤樣品Ni、38.09%土壤樣品 Cu、38.10%土壤樣品 Zn、33.33%土壤樣品 As、42.85%土壤樣品 Cd、28.57%土壤樣品Pb 為輕度污染，S3 井場有38.89%土壤樣品 Cr、16.66 土壤樣品 Ni、22.22%土壤樣品 Cd 為輕度污染，S4 井場有5.56%土壤樣品Cr、22.23%土壤樣品Pb 為輕度污染，但4 個(gè)井場周圍土壤各重金屬單因子污染指數(shù)平均值均小于1，無單一重金屬污染。由綜合污染指數(shù) P 可以看出，S1、S2、S3、S4 井場重金屬輕度污染樣點(diǎn)占總樣點(diǎn)的比例分別為10.00%、71.43%、16.66%、16.67%，但 S1、S3、S4 井場周圍土壤綜合污染指數(shù)平均值均小于1，無重金屬污染；S2 井場周圍土壤綜合污染指數(shù)平均值大于1小于2，存在重金屬輕度污染。

表6 各井場外圍區(qū)域土壤重金屬單因子及綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)Table 6 Evaluation of single factor and comprehensive pollution index of soil heavy metals in the periphery area of each well field

2.3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

4 個(gè)頁巖氣井場周圍土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果見表7。由表7可知，各井場周圍土壤重金屬潛在生態(tài)危害主要來自Cd。S2、S3 井場存在19.05%、5.55%的樣點(diǎn)屬于Cd 中度風(fēng)險(xiǎn)，但4 個(gè)井場周圍土壤各重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)平均值均小于40，屬輕度風(fēng)險(xiǎn)水平。由綜合潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)可以看出，各井場周圍所有采樣點(diǎn)均屬于輕度風(fēng)險(xiǎn)水平。

表7 各井場外圍區(qū)域土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)Table 7 Potential ecological risk assessment of soil heavy metals in the periphery area of each well field

3 討論及結(jié)論

各井場周圍土壤無單一重金屬污染且單一重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)均屬輕度風(fēng)險(xiǎn)，但S2、S3 井場部分樣點(diǎn)存在Cd 中度風(fēng)險(xiǎn)，相關(guān)文獻(xiàn)指出，Cd 一般是工業(yè)“三廢”排放所致，或作為施用農(nóng)藥和化肥等農(nóng)業(yè)活動(dòng)的標(biāo)識(shí)元素[12]，本研究中Cd 中度風(fēng)險(xiǎn)樣點(diǎn)分別位于返排液處理池附近、井場周邊農(nóng)田，說明Cd 含量受到較大的人為活動(dòng)影響?？傮w上，各井場綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度屬輕度；S1、S3、S4 井場周圍土壤無重金屬污染，S2 井場周圍土壤為輕度污染，且輕度污染樣點(diǎn)均位于返排液處理池附近，可能是因?yàn)榉蹬乓河鼋涤暌馔庑孤┻M(jìn)而污染了周邊土壤，需注意油基處理池因降雨等意外而產(chǎn)生的污染物泄漏等情況，做好防范措施。

各井場周圍土壤重金屬元素含量與《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》中的篩選值相比，重金屬 Cd 為主要超標(biāo)元素，其中 S1、S2、S3、S4井場分別有 60%、56.52%、72.22%、77.78%的樣點(diǎn)Cd 含量超標(biāo)。從平均值來看，4 個(gè)井場周圍土壤Cd平均含量表現(xiàn)為S2=S3＞S4＞S1，可能是因?yàn)镾2 井場含特殊油基處理站，油基處理站即廢泥漿巖屑（返排液）處理處，廢泥漿巖屑若不及時(shí)處置或處置不當(dāng)會(huì)大量占用土地并污染土壤[19]。S3 井場屬于正鉆井井場，鉆井過程會(huì)產(chǎn)生大量巖屑灰塵，可能通過大氣沉降作用進(jìn)入到井場周圍土壤中。

總體上，各井場周圍雖有部分樣點(diǎn)土壤重金屬元素含量超標(biāo)，但重金屬平均含量均低于當(dāng)?shù)貙?duì)照參比值，表明當(dāng)?shù)赝寥乐亟饘僭乇尘爸递^高，而頁巖氣開采對(duì)井場周圍土壤重金屬含量影響不明顯，但需要注意含油基處理站井場返排液的泄漏及正開采井場巖屑灰塵的處理問題，同時(shí)采取一定的防控措施降低土壤重金屬的移動(dòng)性，以保證糧食安全生產(chǎn)。