2021, Vol. 38
2. 西北大学城市与环境学院, 西安 710127;
3. 中国石油天然气股份有限公司长庆油田分公司第六采气厂, 陕西 延安 727300
2. School of City and Environment, Northwestern University, Xi'an 710127, China;
3. No.6 Gas Production Plant of Changqing Oilfield Branch of PetroChina Co., Ltd., Yan'an 727300, China
钻井泥浆是石油、天然气开采过程中的主要废弃物之一，类似于胶体状态，含有大量聚丙烯酰胺和膨润土、腐植酸钾等物质[1]，具有悬浮钻渣、防止塌孔、平衡地层压力、冷却和润滑钻头钻柱、清洗井底、传递动力等作用[2]。长庆油田开采区主要位于陕甘宁盆地，地表土壤黏粒含量少、结构性差，土壤有机质含量少、肥力低[3]；该区域为干旱与半旱区，年降水量少且季节性分布不均，水土流失严重、生态环境脆弱，不利于作物生长和植被恢复，是典型的农牧交错带和生态脆弱区。长庆油田作为我国第一大油气田，每年产生约600万m3水基废弃钻井泥浆，主要采用固化泥浆池和集中不落地处理法，一定程度降低了环境污染风险。但是国内外对泥浆池法长期处理效益及影响研究较少，而集中不落地处理增加了运输中的污染和费用。因此，需要探寻更环保、经济的处理方式。
寻找水基废弃钻井泥浆的绿色、经济处理方式，并结合区域的水文地质特征，实现水基废弃钻井泥浆无害化、资源化利用，可以促进井场及周边生态环境的恢复。国内外有关学者针对废弃泥浆处理方式进行了大量研究，其处理方式主要包括物理处理、化学处理、生物修复和抛洒到土壤就地利用，以及多种处理方式的联合使用[4]。其中，生物修复和土地抛洒的复合使用，具有安全高效、绿色经济的特点[5]。前人研究结果表明，废弃钻井泥浆含有大量有机物质和养分元素，具备改善土壤理化性质的潜力[6-8]。泥浆中的有机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够分解泥浆中的有机污染物[10]，降低重金属离子危害，且较低含量的有机物可以促进作物幼苗生长[11]。
本研究将水基废弃钻井泥浆作为土壤添加剂，研究添加不同比例泥浆对沙黄土和黄绵土pH值、盐分、颗粒组成、植物生长状况等的影响，研判水基废弃钻井泥浆作为粗质地土壤改良剂使用的可能性，为实现废弃物资源化利用、降低泥浆处理成本、改善开采区土壤物理性质、促进当地植被恢复提供理论基础与技术支撑。
1 材料与方法 1.1 试验材料本试验所用水基废弃钻井泥浆来源于陕甘宁盆地，油井属于长庆油田，选用无害化处理后未进行固化的固液相混合泥浆。表 1、表 2为供试土壤和泥浆基本性质，泥浆中的重金属含量符合《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》（GB 15618—2018）（pH>7.5）基本要求。
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表 1 试验土壤基本性质 Table 1 Basic properties of the testing soil |
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表 2 试验水基废弃钻井泥浆基本性质 Table 2 Basic properties of water-based waste drilling mud |
供试土壤选用陕西省靖边县井场附近区域的粗质地沙黄土和取自陕西省神木市的黄绵土，土壤黏粒含量分别为9.09%、13.02%。土壤风干后过2 mm筛供试验使用。试验所用石膏来自山西省曲沃县山河石膏粉厂。选择直径为16 cm、高15.5 cm的圆柱形漏底PVC材质盆栽容器。基肥中N含量2.12 g·kg-1、P2O5含量1.03 g·kg-1、K2O含量1.78 g·kg-1。供试作物为耐盐碱、耐干旱的藜科作物——甜菜，品种为欧洲Beetroot红甜菜。
1.2 试验方法未经固化处理的水基废弃钻井泥浆pH=8.31，固化后pH=10.10，为防止泥浆施入土壤后pH升高影响作物生长，添加石膏进行调节。鉴于水基废弃钻井泥浆的复杂性和多变性，采用试验法确定石膏添加量，添加含量（石膏与泥浆固相百分比）见表 3，将自然风干固化后的泥浆破碎，过2 mm筛。采用5:1水土比，制备土壤浸出液，用电极法测定pH值。石膏最适合、经济的添加量为3%，pH值较稳定，适合作物生长。
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表 3 石膏含量对pH值的影响 Table 3 Effects of gypsum content on pH value |
试验于2019年9—11月在陕西省杨凌示范区的西北农林科技大学水土保持研究所试验场（34°28′ N，108°07′E）进行。试验前用105 ℃烘干法测定供试土壤和泥浆含水率，分别为沙黄土1%、黄绵土1%、泥浆224%。设计2%、4%、8%、12%四个泥浆含量，依据含水率换算成湿基泥浆含量。每种土壤9个处理，每个处理重复四次，分为对照组、泥浆组和泥浆+石膏组，共计72个土柱（表 4）。
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表 4 试验处理 Table 4 Experimental treatments |
选择均匀饱满的甜菜种子，在水中浸泡12 h后播种，每盆10粒。播种10 d后，间苗，每盆留长势均匀甜菜5株，并开始进行水分控制，用称质量法将含水率控制在10%~13%，试验做遮雨处理。间苗后第20 d（DAY20）和第40 d（DAY40）分别选择长势均匀的甜菜，每盆收获两株，测定甜菜生物指标，观测动态生长变化。
1.3 测定指标用5:1水土比制备土壤浸出液，pH值采用电极法（酸度计为雷磁PHSJ-4F）测定，电导率（EC）用电导率仪（雷磁DDB-303A）测定，测定对象为泥浆、土壤材料以及所有处理土样。颗粒组成用激光粒度仪（马尔文MS2000型）测定：取待测土样5 g，加入蒸馏水和H2O2，去除有机质，再加入盐酸去除CaCO3，至没有气泡，加入分散剂，测定。蒸散量为第1 d上午7：00测定的质量减去第2 d上午7：00测定的质量，即24 h蒸散量，质量测定用精度为1 g的台秤（梅特勒托利多，ICS241），试验随机选择测量了8次日均蒸散量。
株高于收获后测定，为子叶柄基部至整个植株的最高处。叶面积于收获后测定，用叶片扫描仪（美国LI-COR LI-3000A）扫描甜菜所有叶片。叶绿素于收获前用叶绿素仪（Konic Minolta SPAD502）测定，每盆选取两株长势均匀的甜菜，每株选择两片均匀叶片。生物量于收获后测定，先称植株鲜质量，烘箱中105 ℃杀青30 min，再75 ℃烘干至恒质量后称量。
1.4 数据分析采用Excel 2019进行数据整理和计算，采用Excel 2019和Origin 9.0作图，使用SPSS 25.0对各项指标进行单因素方差分析，并用邓肯检验进行多重比较，显著性水平设为α=0.05。
2 结果与分析 2.1 添加泥浆对土壤性质的影响 2.1.1 pH值与EC值pH值、EC值可以表示土壤盐碱化程度，施入泥浆后两种土壤pH值、EC值有相同变化趋势（表 5）。随着泥浆含量增加，泥浆组（SM2、SM4、SM8、SM12和LM2、LM4、LM8、LM12）的pH值均呈现缓慢增长趋势，与对照差异均达到显著水平（P＜0.05）。相对应的泥浆+石膏组的pH值有所下降，泥浆+石膏组1中各处理（SM2+、SM4+、SM8+、SM12+，下同）与CK1相比，pH值分别降低了0.17、0.19、0.17、0.27个单位，其中SM4+、SM12+与CK1差异达到显著水平（P＜0.05）；泥浆+石膏组2中各处理（LM2+、LM4+、LM8+、LM12+，下同）与CK2相比，pH值分别降低了0.06、0.13、0.11、0.16个单位，其中LM12+与CK2差异达到显著水平（P＜0.05）。
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表 5 不同含量泥浆对土壤pH值和EC值的影响 Table 5 Effects of mud on soil pH and EC |
随着加入泥浆量增加，泥浆组的EC值呈增加趋势，除SM2处理外，其余处理与对照差异均达到显著水平（P＜0.05）。加入石膏使得EC值显著升高，泥浆+ 石膏组1各处理比CK1分别增加了82.35%、1.94倍、4.82倍、7.35倍，泥浆+石膏组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值显著上升，但没有改变土壤盐碱化程度。
2.1.2 土壤颗粒组成泥浆含量影响土壤中黏粒、砂粒的相对含量，随着泥浆含量增加，土壤中黏粒相对含量增加，砂粒相对含量减少（图 1）。泥浆组1和泥浆+石膏组1中，黏粒、砂粒相对含量与CK1差异均达到显著水平（P＜0.05），其中SM12变化最为显著，与CK1相比黏粒、粉粒相对含量分别增加了5.73、2.57个百分点，砂粒相对减少了8.30个百分点。泥浆组2和泥浆+石膏组2中，LM12+变化最显著，与CK2相比，黏粒、粉粒相对含量分别增加了4.01、3.18个百分点，砂粒相对减少了7.19个百分点。
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不同小写字母表示处理间差异显著（P＜0.05），下同 The different lowercase letters indicate significant differences among treatments(P < 0.05). The same as below 图 1 不同含量泥浆对土壤颗粒组成的影响 Figure 1 Effect of mud with different content on soil particle composition |
日均蒸散量随着泥浆含量增加，呈现降低趋势（图 2）。相同量泥浆条件下，泥浆组和对应的泥浆+ 石膏组之间蒸散量差异不显著。测量日期中，10月1日（13~22 ℃，小雨）蒸散量与对照组差异最大，沙黄土中，所有处理与CK1差异均达到显著水平，SM12+ 处理蒸散量最低，比CK1降低了43.34%；黄绵土中，除LM2、LM2+外，其余处理与CK2差异均显著，LM12最低，比CK2降低了62.50%。10月10日（12~20 ℃，小雨）各处理蒸散量差异最小，沙黄土中，SM12+处理蒸散量最低，比CK1降低了40.83%，达到显著水平；黄绵土中，最低值出现在LM12+处理，比CK2降低了37.44%，达到显著水平。
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图 2 不同含量泥浆对蒸散量的影响 Figure 2 Effects of different mud contents on evapotranspiration |
施入泥浆对甜菜株高具有显著影响（图 3），两种土壤甜菜株高增长速度为：泥浆组>泥浆+石膏组>对照组。DAY40与DAY20相比，泥浆组1生长效果最好，且泥浆组株高均高于对应的泥浆+石膏组。
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图 3 不同含量泥浆对甜菜株高的影响 Figure 3 Effects of different mud contents on plant height of sugar beet |
沙黄土DAY20时，随着泥浆含量增加，泥浆组1株高呈现增长趋势，除SM2外，与CK1差异均达到显著水平，最大值出现在SM12处理，其株高比CK1增加了25.26%。对应的泥浆+石膏组1株高先增加后趋于稳定，与对照差异均不显著。DAY40时，泥浆组1和对应的泥浆+石膏组1均呈现缓慢增加趋势，泥浆组1均高于CK1并达到显著水平，泥浆+石膏组1除SM2外，与CK1差异均没有达到显著水平。
黄绵土DAY20时，泥浆组2先增加后趋于稳定，泥浆+石膏组2呈现降低趋势，两组处理均显著低于CK2。DAY40时，泥浆组2株高先增加后降低，最大值出现在LM8处理，与CK2相比增加了1.75%，但差异不显著，对应的泥浆+石膏组2总体趋于稳定，但是均显著低于对照。
2.2.2 甜菜总叶面积泥浆组所有处理叶面积总和均高于相对应的泥浆+石膏组（图 4）。沙黄土甜菜DAY20和DAY40取样结果显示，泥浆组1均高于CK1且达到显著水平，SM8处理叶面积最大，与CK1相比分别增加了46.64%、2.43倍。对应的泥浆+石膏组1中SM12+处理叶面积最大，比CK1分别增加了3.86%（P>0.05）、1.15倍（P＜0.05）。泥浆组2各处理在DAY20时均低于CK2，并达到显著水平；DAY40时LM8处理叶面积最大，比CK2增加了32.03%，达到显著水平。相应的泥浆+石膏组2两次收获总叶面积均显著低于CK2。
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图 4 不同含量泥浆对甜菜总叶面积的影响 Figure 4 Effects of mud content on total leaf area of sugar beet |
施入泥浆对甜菜叶片SPAD值具有明显影响（图 5）。DAY20和DAY40两个收获期，泥浆组1的SPAD值均高于CK1，并达到显著水平（P＜0.05），SM8处理SPAD值最大，与CK1相比分别增加了15.85%、58.18%。相对应的泥浆+石膏组1中SM12 +处理SPAD值最大，比CK1分别增加了8.76%、34.34%，达到显著水平（P＜0.05）。泥浆组2中LM8处理SPAD值最大，比CK2分别增加了5.69%、27.65%，达到显著水平（P＜0.05）。对应的泥浆+石膏组2最大值出现在LM12 + 处理，与CK2相比分别增加了- 3.01%、22.54%。
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图 5 不同含量泥浆对甜菜叶片SPAD值的影响 Figure 5 Effects of different mud contents on leaf SPAD values of sugar beet |
两个收获期，随着泥浆添加量的增加，泥浆组1、2生物量均呈现先增加后缓慢降低趋势，对应的泥浆+石膏组1、2均呈现先降低后增加趋势（表 6）。DAY20时，泥浆组1生物量均高于CK1，SM8处理生物量最大，与CK1相比增加了65.73%，达到显著水平（P＜0.05）；对应的泥浆+石膏组1与CK1差异均不显著（P>0.05）。泥浆组2和对应的泥浆+石膏组2均低于CK2，并达到显著水平（P＜0.05）。DAY40时，泥浆组1生物量与CK1差异均达到显著水平，且组内差异显著，最大值出现在SM8处理，与CK1相比增加了3.54倍。泥浆+石膏组1中SM12+处理生物量最大，与CK1相比增加了1.81倍，达到显著水平。泥浆组2中LM8处理生物量最大，但与CK2相比差异不显著。对应的泥浆+石膏组2生物量均低于对照，且达到显著水平（P＜0.05）
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表 6 不同含量泥浆对甜菜生物量的影响（g） Table 6 Effects of different mud contents on biomass of sugar beet(g) |
陕甘宁交界地带土壤黏粒含量少、保肥性差，不能为作物生长提供良好的水肥环境，加上开采区气候恶劣，生态脆弱，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，两组泥浆组pH值、EC值均有所上升，但是没有显著加重土壤盐碱化。泥浆+石膏组土壤pH值降低，但盐分含量增加，这是因为石膏置换出土壤胶体上的钠离子，并中和碱性离子，降低碱性盐[13]，溶解过程中释放SO24 -和钠盐，另外试验过程中进行水分控制，盐分没有及时得到淋洗[14]，累积在土壤表层。但本试验结果显示，添加石膏对土壤颗粒组成和蒸散量无显著影响。
本研究中施入水基废弃钻井泥浆使得土壤中黏粒相对增加，蒸散量减少，从而促进了团聚体含量增加[15]，有效提升土壤持水性能。另外，泥浆中含有的聚丙烯酰胺、膨润土等物质，能够起到黏结土壤颗粒的作用[16]，减少土壤大孔隙[17]，利于有机质的留存，可以作为干旱半干旱地区的土壤改良剂[18]。水基废弃钻井泥浆的有机质含量为117.2 g·kg-1，增加了土壤有机质含量，提升土壤肥力。施入水基废弃钻井泥浆，不仅增加了土壤养分含量，而且改善了土壤持水保肥性能。但是过量添加泥浆会导致土壤表面板结，甚至使得土壤颜色变黑[19]，对土壤微环境产生影响，威胁作物正常生长[20]。因此要根据不同土壤质地，结合作物生长状况，研究最佳添加量[21]。
水基废弃钻井泥浆可促进土壤中的营养元素被作物吸收利用[22]，且泥浆中低浓度的有机物可以促进作物幼苗生长，这与Kisic等[23]研究结果一致。甜菜叶片肥厚粗大，影响着块根产量和糖分，施入钻井泥浆后，泥浆中的养分被作物吸收，并作用于叶面，促进叶片光合作用的进行，使得作物生长迅速。本研究显示，施入一定量水基废弃钻井泥浆，对沙黄土中作物促生效果更好。两种土壤产生差异主要是因为沙黄土中黏粒和养分含量更低[24-25]，较低浓度的泥浆能够起到显著改良作用。泥浆+石膏组中，甜菜各项生长指标均低于相对应的泥浆组，主要是因为添加石膏后土壤盐分含量显著上升，另外试验期间蒸散量较大，土壤表面出现返盐现象，盐分累积在土壤表层，作物受到一定的盐分胁迫[26]。因此，应当依据所用泥浆自身特性，综合考虑土壤pH值增加和盐碱化问题，选择腐植酸、脱硫石膏、硫磺等其他添加剂进行调节。
将油气田开采产生的废弃水基泥浆作为土壤改良剂，施入粗质地土壤，可有效改良土壤结构，提升地力，对改善陕甘宁交界地带的贫瘠土壤具有重要作用。水基废弃钻井泥浆相较于油基泥浆污染风险小，更易于资源化利用[27]，且不会产生重金属危害。本试验所用的水基废弃钻井泥浆中的镉和铬含量相对较高，分别达到0.27、88.10 mg·kg-1，均稍高于供试土壤样品来源地和陕西省土壤背景值[28-29]，但没有超过《土壤环境质量标准农用地土壤污染风险管控标准》（GB 15618—2018）中土壤污染风险筛选值（0.6 mg· kg-1和250 mg·kg-1）。按照最大施用量12% 计算，试验土壤中重金属镉和铬的增幅分别为0.03 mg·kg-1和10.57 mg·kg-1，不会造成土壤污染，但是废弃泥浆大量使用可能造成一定的环境风险，特别是在陕北部分土壤镉含量偏高的矿区[29]。因此，应该按照不同的土壤质地和重金属本底值严格控制施用量，并依据作物、土壤等实际情况进行处理[30]。废弃水基泥浆一般采用一次性处置，不存在重复施用问题，而且土壤- 植物系统对泥浆中有机物的分解与吸收利用，可以实现废弃泥浆变废为宝，从而促进油气田开采与环境保护协同发展。本研究试验期短，缺乏施加泥浆对土壤和作物的长期影响以及泥浆中养分在土壤中的转化方面的研究，今后需进一步探讨。
4 结论（1）添加水基废弃钻井泥浆能够改善粗质地土壤基本物理性质。施入泥浆后，沙黄土和黄绵土中黏粒相对含量增加，提升了土壤持水保肥能力，且重金属含量在安全范围内。
（2）水基废弃钻井泥浆提供了有机质等养分，促进了作物生长。依据作物生长情况，沙黄土和黄绵土中添加8%（干基）泥浆量，对土壤改良和作物促生效果最佳。
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