页岩气压裂返排液对小麦生长及品质的影响

2020-11-13李炎赖星徐敏罗伟袁林许瑶田冬梅伍钧

生态毒理学报 2020年4期

李炎，赖星，徐敏，罗伟，袁林，许瑶，田冬梅，伍钧

四川农业大学环境学院，成都 611130

页岩气是一种清洁、高效的能源资源和化工原料，主要用于民用和工业燃料、化工和发电行业等，具有广阔的开发前景。目前，开采页岩气主要采用水力压裂技术，即将化学物质与大量水、泥沙的混合物，用高压注入地下井，压裂附近的岩石构造，进而收集天然气，其开采过程会产生巨量高盐返排液[1]，其中有15%～80%的返排液会排至地面[2]。压裂返排液含有压裂液中各种化学添加剂，如杀菌剂、破胶剂、粘土稳定剂和表面活性剂等化学物质[3]，同时还含有压裂液在返排过程中从地层带出的悬浮有机物、油脂、盐分、重金属、酚类、酮类以及放射性物质等多种污染物[4-7]，具有高盐、高矿化度、高色度、含有毒有害物质、可生化性差和难处理的特点[8]。目前，国内使用的压裂液在采用国外已有配方的同时也在开展自主研发，但国内环境管理中尚未要求公开压裂液成分，供应商均以商业机密为由，对压裂液成分保密[9]，因此，一旦压裂返排液泄漏，周围土壤及水体将受到未知程度的污染。根据目前返排液中部分已知成分推断，返排液泄漏可能会造成土壤板结硬化、土壤重金属污染、渗透性降低和盐碱化等，一旦返排液进入农田，不仅会影响农作物生长导致产量降低，还可能引发食品安全问题，危及人类健康[10]。目前，对排至地面的压裂返排液采用现场修建的废液池进行储存，待返排液达到一定量时再转移至污水处理厂或回收再利用，过程中可能存在压裂返排液的外渗或随雨季到来发生外溢，进而污染地下水和土壤[11]。

小麦是我国农业生产的主要粮食作物之一，广泛分布于国内各地，小麦产业发展直接关系到国家粮食安全和社会稳定，同时小麦作为试验常用高等植物之一，探讨压裂返排液对其产量及品质的影响具有重要意义。

我国页岩气勘查开发处在探索试验阶段[12]，关于页岩气压裂返排液对农作物的影响研究鲜有报道。因此，本文通过小麦盆栽试验，探究不同浓度压裂返排液于小麦不同生育期进入土壤后，对小麦生长发育及品质的影响，旨在探究压裂返排液泄漏对环境产生的影响，为页岩气的可持续开发提供数据支撑。

1 材料与方法(Materials and methods)

1.1 试验材料

1.1.1 试验土壤

试验土壤采自四川省大邑县，土壤类型为紫色土。采集0～20 cm表层土壤带回实验室，一部分土壤经自然风干、研磨后，过20目及100目筛，用以测定土壤基本理化性质，另一部分经自然风干后过2 mm筛，用作盆栽试验。土壤pH值7.28，有机质19.92 g·kg-1，全氮0.78 g·kg-1，碱解氮98.03 mg·kg-1，速效磷7.32 mg·kg-1，速效钾181.89 mg·kg-1。

1.1.2 试验压裂返排液

压裂返排液取自四川省某页岩气开采井场，返排液成分如表1所示。

1.1.3 试验小麦

以冬小麦为供试植物，品种为蜀麦691。

1.2 试验方法

盆栽试验于塑料大棚内进行，以口径25 cm、高30 cm的塑料桶为培养容器，每桶装土6.5 kg。以溶液的形式于小麦3个生育期(播种期、分蘖期和抽穗期)向土壤中添加压裂返排液，使之与土壤完全混匀。其中，播种期指添加返排液7 d后播种；分蘖期指仅在小麦分蘖期添加返排液；抽穗期指仅在小麦抽穗期添加返排液；各浓度返排液均一次性施入土壤。试验共设7个处理，每处理3个重复，不同浓度梯度压裂返排液按照单位质量土壤中返排液的含量计，分别为0、50、100、150、200、300和350 g·kg-1，不同浓度处理分别用CK、F50、F100、F150、F200、F300和F350表示。每盆种植15粒籽粒饱满的小麦种子，待五叶期挑除多余麦苗，每盆挑选长势和活力相近的5株麦苗用于试验。根据生长需要进行水分灌溉，保持田间持水量为60%左右。

表1 返排液基本成分Table 1 Basic ingredients of flowback fluid

1.3 样品采集与测定

于小麦灌浆期测定旗叶叶面积(叶面积=长×宽×0.75)，成熟期每盆单独收获，测定穗粒数、籽粒产量、有效穗数、株高和穗长。分别收集植株地上部及根，于鼓风干燥箱内105 ℃杀青30 min，然后于80 ℃烘至恒重，即得地上部生物量及根干重。籽粒粗蛋白含量采用半微量凯氏法测定[13]。矿质元素含量采用原子吸收分光光度法测定[13]。

1.4 数据分析

由Excel2013和SPSS22.0软件完成数据分析，采用单因素方差分析方法和LSD法进行数据统计，用Origin9.0软件完成制图。

2 结果与分析(Results and analysis)

2.1 压裂返排液对小麦形态指标及生物量的影响

2.1.1 对小麦株高及生物量的影响

小麦不同生育期施入返排液对小麦株高及生物量的影响如表2所示。小麦3个生育期随返排液施入量升高，地上部生物量、根干重及株高总体呈下降趋势。播种期及抽穗期施入返排液浓度≥200 g·kg-1、分蘖期≥150 g·kg-1时，地上部生物量与CK相比显著降低(P<0.05)。播种期施入返排液浓度≥100 g·kg-1、分蘖期≥50 g·kg-1时，根干重与CK相比显著降低(P<0.05)，抽穗期各处理根干重与CK差异均不显著(P>0.05)。播种期及分蘖期施入返排液浓度≥50 g·kg-1、抽穗期≥150 g·kg-1时，株高与CK相比显著降低(P<0.05)，相同返排液浓度处理下，播种期施入返排液与其他生育期相比株高最低，表明3个生育期中播种期施入返排液对小麦株高影响最明显。

2.1.2 对小麦旗叶叶面积的影响

小麦不同生育期施入返排液对小麦旗叶叶面积的影响如图1所示。播种期施入返排液≥350 g·kg-1时，小麦种子无法发芽生长；分蘖期施入返排液≥300 g·kg-1时，小麦无法生长而死亡；抽穗期施入返排液≥200 g·kg-1时，小麦旗叶逐渐变黄枯萎，最终导致植株死亡。

图1 压裂返排液对小麦旗叶叶面积的影响注：不同小写字母表示同一生育期、不同返排液浓度处理间差异达显著水平(P<0.05)。Fig. 1 Effect of fracturing flowback fluid on leaf area of wheat flag leafNote: Different lowercase letters indicate a significant difference between different treatments during the same growth period (P<0.05).

播种期随施入返排液浓度升高，旗叶叶面积呈增长趋势，F150～F300处理旗叶叶面积显著高于CK(P<0.05)，于F300处理达到最大值29.42 cm2，与CK相比提高了131.8%；分蘖期及抽穗期施入返排液，旗叶叶面积无显著变化(P>0.05)，表明小麦3个生育期中，播种期施入返排液对小麦旗叶叶面积影响最明显。

表2 压裂返排液对小麦株高及生物量的影响Table 2 Effects of fracturing flowback fluid on wheat plant height and biomass

2.2 压裂返排液对小麦产量及其构成因子的影响

小麦不同生育期施入返排液对小麦产量及构成因子的影响如表3所示。由表3可知，小麦播种期、分蘖期及抽穗期随施入返排液浓度升高，各指标总体呈下降趋势。其中，播种期随施入返排液浓度升高，千粒重呈先降低后升高变化。播种期、分蘖期和抽穗期施入返排液，浓度分别≥200、≥50和≥100 g·kg-1时，籽粒产量与CK相比显著降低(P<0.05)。其中，分蘖期F50～F100处理中小麦产量显著低于CK，但与播种期F100～F150处理中的产量相近，而分蘖期F150处理中小麦产量下降更为明显，与CK相比下降了51.11%，表明分蘖期施入返排液浓度≥150 g·kg-1时对小麦产量影响相对更为明显。播种期、分蘖期和抽穗期施入返排液浓度分别50～150、≥50和≥100 g·kg-1时，千粒重与CK相比显著降低(P<0.05)，相同浓度处理下，3个生育期中抽穗期施入返排液小麦产量及千粒重下降最明显。播种期、分蘖期和抽穗期施入返排液浓度分别≥300、≥150和≥300 g·kg-1时，穗粒数与CK相比显著降低(P<0.05)，相同浓度处理下，3个生育期中分蘖期施入返排液小麦穗粒数下降最明显。播种期、分蘖期施入返排液浓度分别≥300 g·kg-1和≥200 g·kg-1时，穗长与CK相比显著减少(P<0.05)，抽穗期施入返排液对穗长无显著影响。播种期、分蘖期和抽穗期施入返排液浓度分别≥200、≥200和≥300 g·kg-1时，有效穗数与CK相比显著降低(P<0.05)。

表3 压裂返排液对小麦产量及其构成因子的影响Table 3 Effects of fracturing flowback fluid on wheat yield and its constitutive factors

2.3 压裂返排液对小麦籽粒粗蛋白含量的影响

小麦不同生育期施入返排液对小麦籽粒粗蛋白含量的影响如图2所示。由图2可知，小麦3个生育期随施入返排液浓度升高，籽粒粗蛋白含量均呈上升趋势。播种期、分蘖期和抽穗期籽粒粗蛋白含量分别于F300、F200和F350处理达到最大值，与CK相比分别提高了62.06%、23.46%和136.80%。播种期施入返排液浓度≥50 g·kg-1、抽穗期≥100 g·kg-1时，与CK相比籽粒粗蛋白含量显著提高(P<0.05)，分蘖期各返排液处理与CK无显著差异(P>0.05)。相同浓度返排液处理下，F50～F150处理籽粒粗蛋白含量表现为播种期>抽穗期>分蘖期；F200～F350处理籽粒粗蛋白含量表现为抽穗期>播种期>分蘖期，表明低浓度返排液处理下，播种期施入返排液对小麦籽粒粗蛋白含量影响大于分蘖期和抽穗期；高浓度返排液处理下，抽穗期施入返排液对小麦籽粒粗蛋白含量影响大于播种期和分蘖期。

图2 压裂返排液对小麦籽粒粗蛋白含量的影响注：不同小写字母表示同一生育期、不同返排液浓度处理间差异达显著水平(P<0.05)。Fig. 2 Effect of fracturing flowback fluid on crude protein content of wheat grainNote: Different lowercase letters indicate a significant difference between different treatments during the same growth period (P<0.05).

2.4 压裂返排液对小麦籽粒矿质元素的影响

小麦不同生育期施入返排液对小麦籽粒矿质元素含量的影响如图3所示。由图3可知，播种期及抽穗期随返排液施入量提高，籽粒Fe、Mn、Cu和Zn含量总体呈上升趋势；分蘖期Fe、Cu和Zn含量呈上升趋势，Mn含量无明显变化。3个时期籽粒Zn、Cu含量均于返排液浓度≥50 g·kg-1时显著高于CK(P<0.05)。播种期施入返排液后，F300处理Mn含量显著高于CK(P<0.05)，F50～F300处理Fe含量显著高于CK(P<0.05)。分蘖期施入返排液后，各返排液处理籽粒Mn含量与CK均无显著差异(P>0.05)，F100～F200处理Fe含量显著高于CK(P<0.05)。抽穗期施入返排液后，F200～F350处理Mn、Fe含量显著高于CK(P<0.05)。

图3 压裂返排液对小麦籽粒矿质元素含量的影响注：不同小写字母表示同一生育期、不同返排液浓度处理间差异达显著水平(P<0.05)。Fig. 3 Effect of fracturing flowback fluid on mineral element content of wheat grainNote: Different lowercase letters indicate a significant difference between different treatments during the same growth period (P<0.05).

3 讨论(Discussion)

小麦3个生育期随施入返排液浓度增加，株高、生物量、产量及其构成因子总体呈下降趋势，可能是因为返排液中的高盐分离子及有机污染物进入土壤，从而影响小麦生长发育。抽穗期后小麦的生长发育主要是生殖生长而不再是茎、叶等器官的生长发育，抽穗期结束后小麦的株高基本不会再发生变化[14]，故本试验中，抽穗期施入返排液对小麦株高及生物量影响最小。旗叶是小麦生育后期最重要的功能叶，其叶片大小直接影响光合能力，最终影响小麦产量和品质的提高[15]，本试验中，抽穗期施入返排液浓度≥200 g·kg-1时，旗叶逐渐枯萎凋亡，小麦旗叶叶面积受影响程度大于其他时期，这与李彦彬等[14]的研究结果“拔节-抽穗期为小麦株高和叶面积增长的敏感期，外界条件对叶面积的影响远大于其他时期”一致。已有研究表明，拔节期前施入适量水分可使小麦叶面积得到一定程度的提高，且在一定范围内水分含量越大，提高幅度越大[16]，李莎[17]研究发现，适当的增施氮肥有助于叶片生长，本试验中，播种期随施入返排液浓度增加，旗叶叶面积呈增长趋势，可能是因为返排液中的氮元素起到了氮肥的作用，此结果还有待进一步研究。当播种期施入返排液浓度为50～150 g·kg-1时，千粒重与CK相比显著下降(P<0.05)，而200～300 g·kg-1时，千粒重与CK无显著性差异(P>0.05)，可能是因为旗叶叶面积增大，光合作用较强产生更多的营养物质。

矿质元素对小麦生长具有重要作用，其含量对小麦生长发育、品质等有不同程度的影响[18]。本试验中，返排液含有大量的Fe、Mn、Cu和Zn元素，返排液添加提高了土壤中微量元素含量，促进了植物对微量元素的吸收，但土壤微量元素向作物的转移受土壤的水分、养分、热量、微生物及根系生长状况等多种复杂因素影响[19]，故小麦3个生育期随施入返排液浓度增加，籽粒Fe、Mn、Cu和Zn含量呈不同程度增长。