CO2驱油技术对作物生长的影响

李悦+张绍良

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2017.13.063[HT9.]

摘要：以某CO2驱油技术（CO2-EOR）示范工程为研究对象，通过对CO2-EOR示范区内玉米长势的监测，采用对比分析、显著性检验等方法，定量分析了CO2-EOR对玉米生长的影响。结果表明，和对照区相比，监测区内玉米的指标均值波动为0.23%～5.39%，但长势没有显著差异；油井附近的玉米长势总体优于其他区域，指标均值的波动幅度在0.33%～3.00%，但是也没有显著差异。究其原因，CO2-EOR过程中从抽油井中携带出来的CO2轻微提高了油井近地表的CO2浓度，产生施肥效应。这一结果显示，该CO2-EOR示范区内玉米没有受到CO2溢出的负面影响，反而在一定程度上促进了农作物的生长。

关键词：CO2地质封存；CO2驱油技术（CO2-EOR）；玉米；影响分析

中图分类号： S162.5文献标志码： A[HK]

文章编号：1002-1302（2017）13-0238-04[HS）][HT9.SS]

收稿日期：2016-12-29

基金项目：国家科技支撑计划（编号：2012BAC24B05）

作者简介：李悦（1993—），女，四川广元人，硕士研究生，从事生态环境监测研究。E-mail：1658826806@qq.com。

通信作者：张绍良，博士，教授，从事生态监测、CO2监测研究。Tel：（0516）83591301；E-mail：cumtzslly@126.com。

[ZK）]

近年来，人们特别关注CO2人为排放引起的全球气候变暖问题，将CO2埋存于地下是解决该问题的有效措施[1]。CO2驱油技术（CO2-EOR，CO2-enhanced oil recovery）是CO2捕获与存储优先发展的技术，也最具商业推广前景[2-3]。但是CO2在运输、注入地下、驱油以及封存过程中，可能会发生泄漏，而不同途径的泄漏对植被、生态系统的影响至今还不清楚[4-5]。在中国，很多油井都分布在平原农业生产地区，因此人们担心CO2-EOR工程会影响农作物的生长。

国内外学者研究发现，地质封存CO2泄漏导致的大气CO2浓度升高，对农作物的影响主要表现在促进植物光合作用、增加其生物量累积；显著提高C3作物产量，但对C4作物产量的影响很小；降低了C3和C4作物气孔导度，非常显著地提高了所有作物的水分利用率等方面[6-9]。但也有研究指出，在淹水、地面板结导致的土壤通气不畅情景下，水稻、豆类植物和柑橘等作物并未受根部CO2浓度升高、O2缺乏的影响，玉米受高浓度土壤CO2短期影响后能够得到恢复[10-11]。因此，地下CO2泄漏对不同农作物的影响机理仍存在争论，未能得出明确的结论。此外，CO2泄露对生态环境影响的研究方法主要停留在实验室模拟、开放系统中的模拟以及数值模型模拟等方面[4，6，10-11]，都是在假设一定浓度CO2泄漏的基础上，分析其对植被、环境的影响，而缺少對实际CO2封存工程的监测与研究。

为此，本试验以一个CO2-EOR工程项目为例，通过对监测区、对照区、油井附近区和油井远离区的玉米作物长势进行监测，调查CO2-EOR工程实施对玉米生长的影响，以此探讨CO2-EOR技术的安全性

1材料与方法

1.1研究区概况

[JP2]CO2-EOR示范区位于山东省某油田范围内（图1），属黄河下游的鲁北平原，北温带季风大陆性气候，春秋短而冬夏长，[JP]光照充足，年平均气温13.10 ℃，年平均降水量 539.4 mm，[JP]年均无霜期198 d，夏季多雨，冬春多旱。油田位于青城凸起东缘和东营凹陷的西南缘，主要油气层埋藏集中在900～1 500 m，埋深大于1 500 m的中深层油藏主要分布于东区断裂带，探明的含油面积7.9 km2，石油地质储量0.196亿t。区域内主要作物是玉米和小麦，农地水利灌溉设施良好。

1.2研究方法

1.2.1对比区域设置

本研究设置了监测区与对照区（图2），监测区位于CO2-EOR工程实施区域内，面积约 50 km2。工程采取一注多采的方式，核心注采区位于监测区中心位置，50余口采出井则分布在监测区各处。监测区主要分布着耕地和村庄居民点；对照区则位于工程实施区2 km以外的西南角，气候条件、耕作方式、灌溉系统及作物种植类型与监测区相同。

为了监测油井附近玉米作物的生长状况，划分油井附近区和远离油井区。根据实地CO2浓度监测结果，采出井口有较高浓度（6 000 μL/L）（图3）的CO2逸散，但CO2扩散很快，距离采出井50 m处没有影响。因此，以50 m作为油井附近区和远离油井区划分界限。

1.2.2样本调查与数据采集

采用随机抽样方法，在对照区范围内随机设置5个固定样地，在监测区范围内随机设置18个[CM（25]固定样地。在每一个样地，布设3～5个样方，每个样方内

采集玉米作物数据。连续2年监测，分别于2013、2014年8月20日实地调查采样。

叶面积指数、株高是对CO2浓度变化敏感的玉米作物长势指标[12-13]。叶面积指数是反映作物群体大小的较好的宏观动态指标，在一定的范围内，作物的产量随叶面积指数的增大而提高，CO2浓度增加使植被叶面积指数增加，且促进作用比较明显[12-13]。株高是一项可反映植被形态、健康状况植被生理指标，大气CO2浓度升高能显著增加作物株高，促使作物生长，提高产量[13]。采用冠层分析仪测量样方内玉米叶面积指数，软尺测量株高。

1.2.3数据处理与计算

采用单因素方差分析方法，检验监测区和对照区、油井附近区和远离区的玉米叶面积指数、株高的差异显著性，检验量F值为：endprint

[JZ（]F=[SX（]SSA/（k-1）SSE/（n-1）[SX）]；[JZ）][JY]（1）

[JZ（]SSA=∑[DD（]ki=1[DD）]ni（x[TX-*5]i-x[TX-*5]）2；[JZ）][JY]（2）

[JZ（]SSE=∑[DD（]ki=1[DD）] ∑[DD（]nii=1[DD）]（xij-x[TX-*5]i）2。[JZ）][JY]（3）

式中：i表示控制变量的第i水平，即第i总体；k表示总体数；n表示样本总数；xij表示第i总体的第j观测值；x[TX-*5]i表示第i总体的样本均值；x[TX-*5]表示样本总均值；SSA为组间平方和，SSE为组内平方和。

采用Excel 2010软件统计数据，用SPSS 19.0软件完成单因素方差分析。

2结果与分析

2.1监测区和对照区内玉米长势的对比

2.1.1描述统计量分析

从表1可知，2013年对照区玉米叶面积指数、株高均值稍大于监测区均值；2014年则相反，监测区玉米叶面积指数和株高均值略大于对照区均值；2年的综合统计结果则是对照区叶面积指数均值稍大于监测区均值，而监测区株高均值稍大于对照区均值。以对照区为基准，监测区内玉米长势指标均值的波动幅度在0.23%～5.39%。2年玉米长势指标中值的比较结果和均值比较结果相同。可见，对照区和监测区的玉米长势不存在明显差异。

2.1.2单因素方差分析

由检验结果（表2）可以看出，叶面积指数的F值为0.125，株高的F值为0.000，对照区域内玉米的叶面积指数方差没有显著差异（P>0.05），株高方差也没有显著差异（P>0.05）。进一步对2013年和2014年的玉米长势指标进行检验（表3）可知，2年间监测区和对照区内玉米叶面积指数、株高的方差也不存在显著差异。

方差检验结果表明，叶面积指数和株高作为对CO2浓度变化敏感的玉米作物长势指标，在CO2-EOR区域和对照区域中都没有显著差异，表明玉米的生长没有受到显著影响。

2.2油井附近区与远离油井区内玉米长势对比

2.2.1描述统计分析

由表4可以發现，2013年油井附近区玉米叶面积指数、株高的均值稍大于远离油井区的均值；2014年玉米2项指标的均值也是油井附近区均值大于远离油井区均值。与远离油井区相比，油井附近区内玉米长势指标均值的波动幅度在0.32%～2.92%。中值的比较结果和均值的比较结果相同，即油井附近区叶面积指数、株高中值略大于远离油井区中值。

2.2.2单因素方差分析

从表5可知，叶面积指数的F值为0.038，株高的F值为1.144，对应的P值分别是0.846和0292，均大于0.05的显著性水平，表明没有显著差异。同样地，分别对2013、2014年对比区域内玉米叶面积指数和株高进行F检验，结果如表6所示。由表6可以看出，在油井附近区和远离油井区内，玉米2项长势指标没有显著差异。

综上所述，尽管表4的统计结果显示，油井附近的玉米叶面积指数和株高的均值稍大于远离油井区的均值，但是表5和表6的检验结果表明这种差异并不显著（P>0.05），可见靠近油井的玉米作物长势比远离油井的玉米长势稍好，但不存在显著差异。

3讨论

现有研究表明，植被短期暴露于高浓度大气CO2条件下，对其生长具有肥效作用，长期暴露情景下，植被生理、形态特征和基因均发生适应性地变化[10，14-15]。CO2浓度升高对农作物的影响作用主要表现在促进植物光合作用、增加其生物量累积，显著提高C3作物产量，但对玉米等C4作物产量的影响很小[6]。CO2驱油过程中，从油井逃逸出来的CO2导致油井附近地表CO2浓度增加，对农作物产量稍有促进作用，且影响范围与风向有关[16]。据研究区内CO2浓度监测，距离油井越近，近地表的CO2浓度越高，最大可达6 000 μL/L，但随着距离的增加，地表CO2浓度迅速减小直至恢复一般水平（图3）。从表4可以发现，油井附近区内玉米的叶面积指数和株高均值都比远离油井区的均值稍高，而且连续2年监测的结果均相同，这可能就是因为油井抽采时CO2逸散出来，增高了油井附近的地表CO2浓度，促进了这些区域内的玉米生长，但是表5和表6结果显示这种间歇性的逸散对农作物长势促进作用不大，不存在显著差异。

地质封存的CO2泄漏路径主要有火山等剧烈地质活动、构造断层或破碎带、高渗透性的渗流带、井口等[10，17-19]。研究区内可能存在的泄漏途径有2种：一是CO2在驱油过程中随着石油到达井口从而逃逸。从油井附近的CO2浓度监测结果来看，抽油的同时确实存在CO2的逸散情况，但是逸散范围小，并对作物生长有轻微的促进作用。另一种途径是从地质断层泄漏至地表。但本研究区内没有发现此类泄漏，原因可能是，该区域油藏深度达900～1 500 m，上面盖层厚且完整性好，而且CO2从2009年开始注入，注入量仅4万t/年，注入量也不大。从监测区和对照区玉米长势的比较结果可知，CO2-EOR区域玉米长势没有显著变化，这说明示范区实施CO2-EOR工程对农作物生长没有威胁。

本研究是在连续注入5年后开展的监测，且连续监测了2年。统计分析表明，示范工程区域内农作物玉米没有受到影响，不过本研究的的结论是建立在几个主要生理指标以及实地抽样调查的数据的基础上的，因此，只能表明在本研究区农作物玉米种植区内开展CO2-EOR工程是安全的。不过，这一结论在一定程度上消除了人们对CO2-EOR工程实施对地表农作物生产的担忧。

4结论

本试验以CO2-EOR示范区域玉米作物为对象，以叶面积指数、株高为指标进行研究，对比分析了监测区和对照区、油井附近区和远离油井区两组区域的玉米长势情况。结果表明，和对照区相比，监测区内玉米指标均值波动为0.23%～[JP2]539%，但方差分析表明玉米长势没有显著差异；油井附近的[JP2]玉米长势总体优于其他区域，[JP3]指标均值的波动幅度在0.33%～[JP]3.00%，但是F检验结果发现也没有显著差异；分析其原因，CO2-EOR过程中从抽油井中携带出来的CO2轻微提高了油井近地表的CO2大气浓度，产生了施肥效应。这一结果显示，该CO2-EOR示范区玉米作物没有受到CO2溢出的负面影响，反而在一定程度上促进了农作物的生长。endprint

由于受到研究區本身条件、监测指标、调查方法等限制，只能证明本研究区内开展CO2-EOR工程是安全的，在一定程度上消除了人们对CO2地质封存的担忧。

[HTK]致谢：感谢项目组杨永均、刘莘、徐雅晴、黄安平、郝绍金、任雪峰等对资料的收集和整理，为本研究提供了大量分析数据，感谢油田公司和工作人员对我们在调研过程中提供的帮助。[HT]

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