王茜，朱志梅，樊繼銘，張鵬，付威，翟文晰，郝明德，樊軍*

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西楊凌 712100；2.西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，西安 710127；3.中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司第六采氣廠，陜西延安 727300）

鉆井泥漿是石油、天然氣開采過程中的主要廢棄物之一，類似于膠體狀態(tài)，含有大量聚丙烯酰胺和膨潤土、腐植酸鉀等物質(zhì)[1]，具有懸浮鉆渣、防止塌孔、平衡地層壓力、冷卻和潤滑鉆頭鉆柱、清洗井底、傳遞動力等作用[2]。長慶油田開采區(qū)主要位于陜甘寧盆地，地表土壤黏粒含量少、結(jié)構(gòu)性差，土壤有機(jī)質(zhì)含量少、肥力低[3]；該區(qū)域為干旱與半旱區(qū)，年降水量少且季節(jié)性分布不均，水土流失嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境脆弱，不利于作物生長和植被恢復(fù)，是典型的農(nóng)牧交錯帶和生態(tài)脆弱區(qū)。長慶油田作為我國第一大油氣田，每年產(chǎn)生約600萬m3水基廢棄鉆井泥漿，主要采用固化泥漿池和集中不落地處理法，一定程度降低了環(huán)境污染風(fēng)險。但是國內(nèi)外對泥漿池法長期處理效益及影響研究較少，而集中不落地處理增加了運(yùn)輸中的污染和費用。因此，需要探尋更環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的處理方式。

尋找水基廢棄鉆井泥漿的綠色、經(jīng)濟(jì)處理方式，并結(jié)合區(qū)域的水文地質(zhì)特征，實現(xiàn)水基廢棄鉆井泥漿無害化、資源化利用，可以促進(jìn)井場及周邊生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)。國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者針對廢棄泥漿處理方式進(jìn)行了大量研究，其處理方式主要包括物理處理、化學(xué)處理、生物修復(fù)和拋灑到土壤就地利用，以及多種處理方式的聯(lián)合使用[4]。其中，生物修復(fù)和土地拋灑的復(fù)合使用，具有安全高效、綠色經(jīng)濟(jì)的特點[5]。前人研究結(jié)果表明，廢棄鉆井泥漿含有大量有機(jī)物質(zhì)和養(yǎng)分元素，具備改善土壤理化性質(zhì)的潛力[6-8]。泥漿中的有機(jī)物一定程度被截留在土壤表面[9]，另外，植物根系分泌物和土壤微生物能夠分解泥漿中的有機(jī)污染物[10]，降低重金屬離子危害，且較低含量的有機(jī)物可以促進(jìn)作物幼苗生長[11]。

本研究將水基廢棄鉆井泥漿作為土壤添加劑，研究添加不同比例泥漿對沙黃土和黃綿土pH值、鹽分、顆粒組成、植物生長狀況等的影響，研判水基廢棄鉆井泥漿作為粗質(zhì)地土壤改良劑使用的可能性，為實現(xiàn)廢棄物資源化利用、降低泥漿處理成本、改善開采區(qū)土壤物理性質(zhì)、促進(jìn)當(dāng)?shù)刂脖换謴?fù)提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗所用水基廢棄鉆井泥漿來源于陜甘寧盆地，油井屬于長慶油田，選用無害化處理后未進(jìn)行固化的固液相混合泥漿。表1、表2 為供試土壤和泥漿基本性質(zhì)，泥漿中的重金屬含量符合《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—2018）（pH＞7.5）基本要求。

表1 試驗土壤基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of the testing soil

表2 試驗水基廢棄鉆井泥漿基本性質(zhì)Table 2 Basic properties of water-based waste drilling mud

供試土壤選用陜西省靖邊縣井場附近區(qū)域的粗質(zhì)地沙黃土和取自陜西省神木市的黃綿土，土壤黏粒含量分別為9.09%、13.02%。土壤風(fēng)干后過2 mm 篩供試驗使用。試驗所用石膏來自山西省曲沃縣山河石膏粉廠。選擇直徑為16 cm、高15.5 cm的圓柱形漏底PVC 材質(zhì)盆栽容器?；手蠳 含量2.12 g·kg-1、P2O5含量1.03 g·kg-1、K2O 含量1.78 g·kg-1。供試作物為耐鹽堿、耐干旱的藜科作物——甜菜，品種為歐洲Beetroot紅甜菜。

1.2 試驗方法

未經(jīng)固化處理的水基廢棄鉆井泥漿pH=8.31，固化后pH=10.10，為防止泥漿施入土壤后pH 升高影響作物生長，添加石膏進(jìn)行調(diào)節(jié)。鑒于水基廢棄鉆井泥漿的復(fù)雜性和多變性，采用試驗法確定石膏添加量，添加含量（石膏與泥漿固相百分比）見表3，將自然風(fēng)干固化后的泥漿破碎，過2 mm 篩。采用5∶1 水土比，制備土壤浸出液，用電極法測定pH值。石膏最適合、經(jīng)濟(jì)的添加量為3%，pH值較穩(wěn)定，適合作物生長。

表3 石膏含量對pH值的影響Table 3 Effects of gypsum content on pH value

試驗于2019 年9—11 月在陜西省楊凌示范區(qū)的西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所試驗場（34°28′N，108°07′E）進(jìn)行。試驗前用105 ℃烘干法測定供試土壤和泥漿含水率，分別為沙黃土1%、黃綿土1%、泥漿224%。設(shè)計2%、4%、8%、12%四個泥漿含量，依據(jù)含水率換算成濕基泥漿含量。每種土壤9 個處理，每個處理重復(fù)四次，分為對照組、泥漿組和泥漿+石膏組，共計72個土柱（表4）。

表4 試驗處理Table 4 Experimental treatments

選擇均勻飽滿的甜菜種子，在水中浸泡12 h后播種，每盆10 粒。播種10 d 后，間苗，每盆留長勢均勻甜菜5 株，并開始進(jìn)行水分控制，用稱質(zhì)量法將含水率控制在10%～13%，試驗做遮雨處理。間苗后第20 d（DAY20）和第40 d（DAY40）分別選擇長勢均勻的甜菜，每盆收獲兩株，測定甜菜生物指標(biāo)，觀測動態(tài)生長變化。

1.3 測定指標(biāo)

用5∶1 水土比制備土壤浸出液，pH 值采用電極法（酸度計為雷磁PHSJ-4F）測定，電導(dǎo)率（EC）用電導(dǎo)率儀（雷磁DDB-303A）測定，測定對象為泥漿、土壤材料以及所有處理土樣。顆粒組成用激光粒度儀（馬爾文MS2000型）測定：取待測土樣5 g，加入蒸餾水和H2O2，去除有機(jī)質(zhì)，再加入鹽酸去除CaCO3，至沒有氣泡，加入分散劑，測定。蒸散量為第1 d上午7：00測定的質(zhì)量減去第2 d 上午7：00 測定的質(zhì)量，即24 h 蒸散量，質(zhì)量測定用精度為1 g 的臺秤（梅特勒托利多，ICS241），試驗隨機(jī)選擇測量了8次日均蒸散量。

株高于收獲后測定，為子葉柄基部至整個植株的最高處。葉面積于收獲后測定，用葉片掃描儀（美國LI-COR LI-3000A）掃描甜菜所有葉片。葉綠素于收獲前用葉綠素儀（Konic Minolta SPAD502）測定，每盆選取兩株長勢均勻的甜菜，每株選擇兩片均勻葉片。生物量于收獲后測定，先稱植株鮮質(zhì)量，烘箱中105 ℃殺青30 min，再75 ℃烘干至恒質(zhì)量后稱量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2019 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和計算，采用Excel 2019 和Origin 9.0 作圖，使用SPSS 25.0 對各項指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析，并用鄧肯檢驗進(jìn)行多重比較，顯著性水平設(shè)為α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 添加泥漿對土壤性質(zhì)的影響

2.1.1 pH值與EC值

pH 值、EC 值可以表示土壤鹽堿化程度，施入泥漿后兩種土壤pH 值、EC 值有相同變化趨勢（表5）。隨著泥漿含量增加，泥漿組（SM2、SM4、SM8、SM12 和LM2、LM4、LM8、LM12）的pH 值均呈現(xiàn)緩慢增長趨勢，與對照差異均達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。相對應(yīng)的泥漿+石膏組的pH值有所下降，泥漿+石膏組1中各處理（SM2+、SM4+、SM8+、SM12+，下同）與CK1相比，pH 值分別降低了0.17、0.19、0.17、0.27 個單位，其中SM4+、SM12+與CK1 差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05）；泥漿+石膏組2 中各處理（LM2+、LM4+、LM8+、LM12+，下同）與CK2 相比，pH 值分別降低了0.06、0.13、0.11、0.16 個單位，其中LM12+與CK2 差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。

隨著加入泥漿量增加，泥漿組的EC 值呈增加趨勢，除SM2 處理外，其余處理與對照差異均達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。加入石膏使得EC值顯著升高，泥漿+石膏組1 各處理比CK1 分別增加了82.35%、1.94 倍、4.82倍、7.35倍，泥漿+石膏組2比CK2增加了77.27%、1.68倍、3.86倍、5.55倍。添加石膏使土壤pH值降低，使EC值顯著上升，但沒有改變土壤鹽堿化程度。

2.1.2 土壤顆粒組成

泥漿含量影響土壤中黏粒、砂粒的相對含量，隨著泥漿含量增加，土壤中黏粒相對含量增加，砂粒相對含量減少（圖1）。泥漿組1 和泥漿+石膏組1 中，黏粒、砂粒相對含量與CK1 差異均達(dá)到顯著水平（P＜0.05），其中SM12 變化最為顯著，與CK1 相比黏粒、粉粒相對含量分別增加了5.73、2.57 個百分點，砂粒相對減少了8.30 個百分點。泥漿組2 和泥漿+石膏組2中，LM12+變化最顯著，與CK2 相比，黏粒、粉粒相對含量分別增加了4.01、3.18 個百分點，砂粒相對減少了7.19個百分點。

2.1.3 蒸散量

日均蒸散量隨著泥漿含量增加，呈現(xiàn)降低趨勢（圖2）。相同量泥漿條件下，泥漿組和對應(yīng)的泥漿+石膏組之間蒸散量差異不顯著。測量日期中，10 月1日（13～22 ℃，小雨）蒸散量與對照組差異最大，沙黃土中，所有處理與CK1 差異均達(dá)到顯著水平，SM12+處理蒸散量最低，比CK1 降低了43.34%；黃綿土中，除LM2、LM2+外，其余處理與CK2 差異均顯著，LM12最低，比CK2 降低了62.50%。10 月10 日（12～20 ℃，小雨）各處理蒸散量差異最小，沙黃土中，SM12+處理蒸散量最低，比CK1 降低了40.83%，達(dá)到顯著水平；黃綿土中，最低值出現(xiàn)在LM12+處理，比CK2 降低了37.44%，達(dá)到顯著水平。

表5 不同含量泥漿對土壤pH值和EC值的影響Table 5 Effects of mud on soil pH and EC

2.2 添加泥漿對甜菜生長的影響

2.2.1 甜菜株高

施入泥漿對甜菜株高具有顯著影響（圖3），兩種土壤甜菜株高增長速度為：泥漿組＞泥漿+石膏組＞對照組。DAY40 與DAY20 相比，泥漿組1 生長效果最好，且泥漿組株高均高于對應(yīng)的泥漿+石膏組。

圖3 不同含量泥漿對甜菜株高的影響Figure 3 Effects of different mud contents on plant height of sugar beet

沙黃土DAY20 時，隨著泥漿含量增加，泥漿組1株高呈現(xiàn)增長趨勢，除SM2 外，與CK1 差異均達(dá)到顯著水平，最大值出現(xiàn)在SM12 處理，其株高比CK1 增加了25.26%。對應(yīng)的泥漿+石膏組1株高先增加后趨于穩(wěn)定，與對照差異均不顯著。DAY40 時，泥漿組1和對應(yīng)的泥漿+石膏組1 均呈現(xiàn)緩慢增加趨勢，泥漿組1 均高于CK1 并達(dá)到顯著水平，泥漿+石膏組1 除SM2外，與CK1差異均沒有達(dá)到顯著水平。

黃綿土DAY20 時，泥漿組2 先增加后趨于穩(wěn)定，泥漿+石膏組2 呈現(xiàn)降低趨勢，兩組處理均顯著低于CK2。DAY40 時，泥漿組2 株高先增加后降低，最大值出現(xiàn)在LM8 處理，與CK2 相比增加了1.75%，但差異不顯著，對應(yīng)的泥漿+石膏組2總體趨于穩(wěn)定，但是均顯著低于對照。

2.2.2 甜菜總?cè)~面積

泥漿組所有處理葉面積總和均高于相對應(yīng)的泥漿+石膏組（圖4）。沙黃土甜菜DAY20和DAY40取樣結(jié)果顯示，泥漿組1均高于CK1且達(dá)到顯著水平，SM8處理葉面積最大，與CK1相比分別增加了46.64%、2.43倍。對應(yīng)的泥漿+石膏組1中SM12+處理葉面積最大，比CK1分別增加了3.86%（P＞0.05）、1.15倍（P＜0.05）。泥漿組2各處理在DAY20時均低于CK2，并達(dá)到顯著水平；DAY40 時LM8 處理葉面積最大，比CK2 增加了32.03%，達(dá)到顯著水平。相應(yīng)的泥漿+石膏組2兩次收獲總?cè)~面積均顯著低于CK2。

圖4 不同含量泥漿對甜菜總?cè)~面積的影響Figure 4 Effects of mud content on total leaf area of sugar beet

2.2.3 葉綠素相對含量（SPAD值）

施入泥漿對甜菜葉片SPAD 值具有明顯影響（圖5）。DAY20 和DAY40 兩個收獲期，泥漿組1 的SPAD值均高于CK1，并達(dá)到顯著水平（P＜0.05），SM8 處理SPAD 值最大，與CK1 相比分別增加了15.85%、58.18%。相對應(yīng)的泥漿+石膏組1 中SM12+處理SPAD 值最大，比CK1 分別增加了8.76%、34.34%，達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。泥漿組2中LM8處理SPAD 值最大，比CK2 分別增加了5.69%、27.65%，達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。對應(yīng)的泥漿+石膏組2 最大值出現(xiàn)在LM12+處理，與CK2 相比分別增加了-3.01%、22.54%。

圖5 不同含量泥漿對甜菜葉片SPAD值的影響Figure 5 Effects of different mud contents on leaf SPAD values of sugar beet

2.2.4 地上部分生物量

兩個收獲期，隨著泥漿添加量的增加，泥漿組1、2 生物量均呈現(xiàn)先增加后緩慢降低趨勢，對應(yīng)的泥漿+石膏組1、2 均呈現(xiàn)先降低后增加趨勢（表6）。DAY20 時，泥漿組1 生物量均高于CK1，SM8 處理生物量最大，與CK1 相比增加了65.73%，達(dá)到顯著水平（P＜0.05）；對應(yīng)的泥漿+石膏組1 與CK1 差異均不顯著（P＞0.05）。泥漿組2 和對應(yīng)的泥漿+石膏組2 均低于CK2，并達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。DAY40 時，泥漿組1 生物量與CK1 差異均達(dá)到顯著水平，且組內(nèi)差異顯著，最大值出現(xiàn)在SM8 處理，與CK1 相比增加了3.54 倍。泥漿+石膏組1 中SM12+處理生物量最大，與CK1 相比增加了1.81 倍，達(dá)到顯著水平。泥漿組2中LM8 處理生物量最大，但與CK2 相比差異不顯著。對應(yīng)的泥漿+石膏組2 生物量均低于對照，且達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。

表6 不同含量泥漿對甜菜生物量的影響（g）Table 6 Effects of different mud contents on biomass of sugar beet（g）

3 討論

陜甘寧交界地帶土壤黏粒含量少、保肥性差，不能為作物生長提供良好的水肥環(huán)境，加上開采區(qū)氣候惡劣，生態(tài)脆弱，只有提高土壤持水保肥性能，才能持久有效改良土壤[12]。本研究中，兩組泥漿組pH值、EC值均有所上升，但是沒有顯著加重土壤鹽堿化。泥漿+石膏組土壤pH 值降低，但鹽分含量增加，這是因為石膏置換出土壤膠體上的鈉離子，并中和堿性離子，降低堿性鹽[13]，溶解過程中釋放和鈉鹽，另外試驗過程中進(jìn)行水分控制，鹽分沒有及時得到淋洗[14]，累積在土壤表層。但本試驗結(jié)果顯示，添加石膏對土壤顆粒組成和蒸散量無顯著影響。

本研究中施入水基廢棄鉆井泥漿使得土壤中黏粒相對增加，蒸散量減少，從而促進(jìn)了團(tuán)聚體含量增加[15]，有效提升土壤持水性能。另外，泥漿中含有的聚丙烯酰胺、膨潤土等物質(zhì)，能夠起到黏結(jié)土壤顆粒的作用[16]，減少土壤大孔隙[17]，利于有機(jī)質(zhì)的留存，可以作為干旱半干旱地區(qū)的土壤改良劑[18]。水基廢棄鉆井泥漿的有機(jī)質(zhì)含量為117.2 g·kg-1，增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量，提升土壤肥力。施入水基廢棄鉆井泥漿，不僅增加了土壤養(yǎng)分含量，而且改善了土壤持水保肥性能。但是過量添加泥漿會導(dǎo)致土壤表面板結(jié)，甚至使得土壤顏色變黑[19]，對土壤微環(huán)境產(chǎn)生影響，威脅作物正常生長[20]。因此要根據(jù)不同土壤質(zhì)地，結(jié)合作物生長狀況，研究最佳添加量[21]。

水基廢棄鉆井泥漿可促進(jìn)土壤中的營養(yǎng)元素被作物吸收利用[22]，且泥漿中低濃度的有機(jī)物可以促進(jìn)作物幼苗生長，這與Kisic 等[23]研究結(jié)果一致。甜菜葉片肥厚粗大，影響著塊根產(chǎn)量和糖分，施入鉆井泥漿后，泥漿中的養(yǎng)分被作物吸收，并作用于葉面，促進(jìn)葉片光合作用的進(jìn)行，使得作物生長迅速。本研究顯示，施入一定量水基廢棄鉆井泥漿，對沙黃土中作物促生效果更好。兩種土壤產(chǎn)生差異主要是因為沙黃土中黏粒和養(yǎng)分含量更低[24-25]，較低濃度的泥漿能夠起到顯著改良作用。泥漿+石膏組中，甜菜各項生長指標(biāo)均低于相對應(yīng)的泥漿組，主要是因為添加石膏后土壤鹽分含量顯著上升，另外試驗期間蒸散量較大，土壤表面出現(xiàn)返鹽現(xiàn)象，鹽分累積在土壤表層，作物受到一定的鹽分脅迫[26]。因此，應(yīng)當(dāng)依據(jù)所用泥漿自身特性，綜合考慮土壤pH值增加和鹽堿化問題，選擇腐植酸、脫硫石膏、硫磺等其他添加劑進(jìn)行調(diào)節(jié)。

將油氣田開采產(chǎn)生的廢棄水基泥漿作為土壤改良劑，施入粗質(zhì)地土壤，可有效改良土壤結(jié)構(gòu)，提升地力，對改善陜甘寧交界地帶的貧瘠土壤具有重要作用。水基廢棄鉆井泥漿相較于油基泥漿污染風(fēng)險小，更易于資源化利用[27]，且不會產(chǎn)生重金屬危害。本試驗所用的水基廢棄鉆井泥漿中的鎘和鉻含量相對較高，分別達(dá)到0.27、88.10 mg·kg-1，均稍高于供試土壤樣品來源地和陜西省土壤背景值[28-29]，但沒有超過《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—2018）中土壤污染風(fēng)險篩選值（0.6 mg·kg-1和250 mg·kg-1）。按照最大施用量12%計算，試驗土壤中重金屬鎘和鉻的增幅分別為0.03 mg·kg-1和10.57 mg·kg-1，不會造成土壤污染，但是廢棄泥漿大量使用可能造成一定的環(huán)境風(fēng)險，特別是在陜北部分土壤鎘含量偏高的礦區(qū)[29]。因此，應(yīng)該按照不同的土壤質(zhì)地和重金屬本底值嚴(yán)格控制施用量，并依據(jù)作物、土壤等實際情況進(jìn)行處理[30]。廢棄水基泥漿一般采用一次性處置，不存在重復(fù)施用問題，而且土壤-植物系統(tǒng)對泥漿中有機(jī)物的分解與吸收利用，可以實現(xiàn)廢棄泥漿變廢為寶，從而促進(jìn)油氣田開采與環(huán)境保護(hù)協(xié)同發(fā)展。本研究試驗期短，缺乏施加泥漿對土壤和作物的長期影響以及泥漿中養(yǎng)分在土壤中的轉(zhuǎn)化方面的研究，今后需進(jìn)一步探討。

4 結(jié)論

（1）添加水基廢棄鉆井泥漿能夠改善粗質(zhì)地土壤基本物理性質(zhì)。施入泥漿后，沙黃土和黃綿土中黏粒相對含量增加，提升了土壤持水保肥能力，且重金屬含量在安全范圍內(nèi)。

（2）水基廢棄鉆井泥漿提供了有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分，促進(jìn)了作物生長。依據(jù)作物生長情況，沙黃土和黃綿土中添加8%（干基）泥漿量，對土壤改良和作物促生效果最佳。