水基岩屑作为油气田中产生量最大的固体废物，其理化性能与环境影响特征主要受地层岩石和水基钻井液组分的影响[1-3]，现有部分行业和地方标准提出了固化、生物降解和高温氧化分解等处理技术，无害化后填埋或资源化利用（铺路、制砖和作水泥辅料等）。然而，大部分水基岩屑因黏土、Ca2+等含量偏高，铺路抗压强度偏低和掺混量有限（水泥窑协同掺混量约4%、制砖掺混量一般＜30%）[4-5]，故仍需探索低成本、大宗和安全的利用途径。
水基岩屑富含黏土、K+和有机质等组分，可以提高沙漠土壤中的黏土颗粒和腐殖质含量，从而改善土壤理化性质[6-10]，增强沙土肥力和保水能力。此外，水基岩屑还含有大量成土元素和矿物质，具有良好的矿物质和养分基础，可进行荒漠土壤化合理利用[11-12]。现已有水基岩屑用于特殊环境下种植土壤等资源化方法研究[13-15]，例如：某地区使用废弃硅酸盐钻井液改良黑钙土、沙壤土等4种土壤，种植大麦和冰草（细麦草），结果显著提高了大麦地上部生物量、土壤电导率和钠吸附率[16]，而施用硅酸钾水基岩屑则可提高土壤钾速效率1.6~4.1倍[17]；大港油田以质量分数为10%的废弃钻井液、5%的水基岩屑与20%的煤混合作为处理剂，在土壤中添加质量分数为10%的该处理剂混合成为一种园林绿化土壤 （土壤有机质质量分数大于30 g/kg，孔隙率大于50%），结果表明该混合土壤有利于苇状羊茅生长[18]；采用岩屑+水基废弃钻井泥浆（2%，质量分数）+腐植酸（1%，质量分数）改良沙土，种植菠菜40天后，株高比对照组增加了12%，叶面积增加了30%，生物量增加了70%，总产量提升了70%[19]；利用废弃钻井液对沙漠土壤进行改良后，土壤微生物数量大幅增加，植物株高增加了约2.0倍，干重增加约1. 5倍，生态环境得到改善[20]。
水基钻井液因添加剂不同而类型众多[21]，不同地区水基钻井液及地层岩石也导致了水基岩屑的理化性质差异较大。为了探究水基岩屑荒漠土壤化的可行性，以新疆典型水基岩屑为研究对象，以CJ/T 340—2016《绿化种植土壤》为土壤质量的评价指标，通过分析水基岩屑、荒漠土和碳汇林土壤（以下简称碳汇土）的土壤指标，解析水基岩屑土壤化制约因子，采用不同比例混合，选取紫羊茅、紫花苜蓿进行实验种植，探索水基岩屑荒漠土壤化植物生长情况及制约因子演变过程，以期为水基岩屑低碳高效资源化用于荒漠种植土的可行性提供参考。
1） 岩屑取自新疆某岩屑处置公司，来源于坂土−CMC、聚合物钻井液体系钻井过程中产生的岩屑。钻井液主要组分为膨润土、NaOH、Na2CO3、羟甲基纤维素（CMC）、包被剂（聚丙烯酰胺类）、降滤失剂、润滑剂（油基类）、防塌剂（沥青类）、KCl、CaO、加重材料（BaSO4）等，且已经添加水泥、粉煤灰等固化材料进行处理，经检测达到了DB 65/T 3997—2017《油气田钻井固体废物综合利用污染控制要求》标准。从取自东、南、西、北、中5个方向的约1 000 m3钻井岩屑中分别取样3~5 kg，并混合均匀为1个样品。
2） 荒漠土取自古尔班通古特沙漠公路距离零公里起点约20 km处戈壁滩20~30 cm地表土，地表有少量梭梭草，在约20 m×20 m的地表平面上，采用梅花点法，除中间点外，每两个点之间的距离为5 m，每个点取样1~2 kg，然后每5个取样混合均匀为1个样品。
3） 碳汇土取自克拉玛依市大农业区域，沿约1 km的公路两侧，每100 m取样1~2 kg，每5个取样混合均匀为1个样品。
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针对GB 36600—2018《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准（试行）》中所列的挥发性和半挥发性有机物，采用HJ 605—2011《土壤和沉积物 挥发性有机物的测定 吹扫捕集/气相色谱−质谱法》和HJ 834—2017《土壤和沉积物 半挥发性有机物的测定 气相色谱−质谱法》对样品进行检测分析。其余相关指标检测方法见表1。
将水基岩屑分别与荒漠土、碳汇土按质量比分别为9∶1、8∶2、7∶3和6∶4进行混合，以及单独的水基岩屑、荒漠土和碳汇土，共制作成11个土壤样品（依次标记为DD1、DD2、DD3、DD4、DC1、DC2、DC3、DC4，D0、DS0、C0），装于树脂PP材质种植箱中（尺寸为40 cm×40 cm×30 cm），厚度为20~25 cm。将每个种植箱均分为2部分，分别种植紫羊茅、紫花苜蓿，每种种子数为50颗。在新疆室外温度＞10 ℃时露天种植，且每天补充自来水以确保土壤中水的质量分数为10%~15%，每隔10天记录1次生长情况，生长周期为120天，然后记录植物总体生长情况，并测量土壤相关性能。
对比绿化土种植标准（见表2），可以看出，水基岩屑、荒漠土和碳汇土三者的pH均呈碱性，但水基岩屑的pH严重超标，原因为其黏附有pH为9~11的水基钻井液，且无害化过程中添加的水泥也会增加水基岩屑的pH。pH对土壤的物化性质都有着重要的影响，大多数植物在pH > 9.0或pH < 2.5的情况下都难以生长，控制适当的土壤pH对于促进植物生长、维持土壤健康和最大化利用土壤中养分是至关重要的。
三者的含盐量均超过标准数倍，且荒漠土含盐量最高，而经过了土壤改良和种植的碳汇土含盐量最低。钻井液中一般添加质量分数为5%~7%的KCl或NaCl等盐类，用于抑制泥岩水化膨胀，且地层流体中由于含盐量高等原因导致水基岩屑中含盐量显著高于碳汇土，荒漠土和水基岩屑的电导率远远高于碳汇土，这与含盐量呈正相关。
土壤有机质是指以各种形态存在于土壤中的所有含碳的有机物质（包括土壤中的各种动、植物残体，微生物及其分解和合成的各种有机物质），三者的有机质都达到了标准要求，但数值偏低，水基岩屑的有机质略低于荒漠土，碳汇土有机质含量最高。从纯数值上看，有机质含量不是制约水基岩屑荒漠化的核心制约因子，但从有机质在植物生长过程中具有的显著作用看，有机质含量越高，越有利于植物生长，因此，可以考虑将有机质含量作为水基岩屑荒漠化改良的提高目标之一。
由此可见，水基岩屑pH、含盐量是制约其土壤化的主要影响因子，有机质是水基岩屑土壤化改良的重要指标。
针对不同功能的土壤，其肥力要求指标差异较大。表3为三者的土壤肥力参数对比表。由表3可知，有效镁含量在荒漠土中最高，在水基岩屑和碳汇土中相近，且高于标准限值；有效锌含量在荒漠土中最低，水基岩屑中最高，略高于标准限值；速效钾含量在水基岩屑中远远高于标准和碳汇土，荒漠土含量最低；水基岩屑中阳离子交换量 （cation exchange capacity，CEC ）和水解性氮含量低于标准和碳汇土。荒漠土中有效硫含量和有效钙含量显著高于标准，体现出典型的超高盐碱地特征。水基岩屑中的含盐量远远超过标准和碳汇土，低于荒漠土。
CEC是衡量土壤保持或储存阳离子能力的指标，对土壤结构稳定性、养分有效性以及保肥供肥能力有非常重要的影响。综合来看，水基岩屑中的CEC、可溶性氯含量是制约其土壤化的主要影响因子。
对比相关标准，由表4可以看出，水基岩屑、荒漠土和碳汇土的重金属含量检测值均未超标，除荒漠土中的砷外，各项指标均远远低于各标准限制值，水基岩屑中重金属对环境潜在的生态风险相对较小[22]，满足荒漠土壤化要求。但钡离子含量较大，荒漠土和碳汇土中重金属含量可能与区域土壤背景值有关，岩屑中的钡离子主要来自于钻井液中的加重材料BaSO4。
水基岩屑、荒漠土和碳汇土中除邻苯二甲酸丁基苄酯外，其余挥发性和半挥发性污染物含量均低于方法检出限，水基岩屑、荒漠土中的邻苯二甲酸丁基苄酯质量分数依次为0.275 mg/kg、0.264 mg/kg，碳汇土中的则低于方法检出限。
水基岩屑荒漠土壤化可行性研究分别统计了植物种植30天后的发芽率和120天后的成活率、鲜重和根长情况，植物的生长情况如图1所示。
由图1可知，碳汇土（C0）的植物成长情况明显最好，发芽率可达50%以上，存活率可达40%以上。水基岩屑（D0）的发芽率和存活率均不足20%，但优于荒漠土（DS0），这与表2中碳汇土、盐质量分数、电导率低、有机质质量分数高相吻合。荒漠土和水基岩屑中高含盐量会导致种子吸收过多的盐分，造成盐毒效应[23]，引起种子细胞脱水、钠−钾离子平衡紊乱，从而干扰或抑制种子发芽和生长。含盐量越高，这种破坏作用就越大。水基岩屑分别与荒漠土、碳汇土混合后，改变了土壤成分和各组分离子含量等，随着水基岩屑占比的下降，发芽率、成活率和鲜重较水基岩屑（D0）、荒漠土（DS0）均有增加；当水基岩屑占比相同时，水基岩屑与碳汇土混合土壤（DC1~DC4）的植物成长情况明显优于与荒漠土混合土壤（DD1~DD4）。在相同条件下，紫花苜蓿的发芽率、成活率、现状和根长均高于紫羊茅。紫花苜蓿是豆科苜蓿属植物，紫羊茅为禾本科羊茅亚属植物，都具有耐盐、耐碱、抗旱、抗寒等特性[24-25]，但植物生长受到的影响因素众多，对于相同的土壤和气候条件，不同的植物生长情况差异也较大。由图1（a）和图1（b）可知，当水基岩屑占比小于90%时，混合土壤的发芽率和成活率多集中在30%~40%，结合图1（c）和图1（d）分析，为了最大程度地消纳水基岩屑，减少荒漠土或碳汇土的掺混量，确保在植物生长条件下水基岩屑占比可控制在70%~80%。
上述研究表明，制约水基岩屑荒漠土壤化的主要影响因子为pH、含盐量、阳离子交换量和可溶性氯含量。此外，有机质含量偏低，不利于植物生长，水基岩屑中速效钾含量远远高于荒漠土和碳汇土，是植物生长的主要肥力因素之一。因此，采用种植箱模拟种植的方法，探究不同的土壤改良方法对以上6个指标的影响，结果见图2。
种植后的岩屑混合土壤中pH、盐质量分数、可溶性氯质量浓度和速效钾质量分数依次平均下降了6.95%、60.67%、62.42%和11.00%，阳离子交换量和有机质含量依次平均升高了557.98%和41.95%，土壤理化性能有明显改善。
图2（a）显示了种植前后不同样品的pH变化，土壤中HO−主要来源于Na、K、Ca和Mg的${\mathrm{CO}}_3^{2-} $、${\mathrm{HCO}}_3^{-} $盐类，其中，Na+饱和度表示土壤碱化度，对比种植前后水基岩屑中离子含量变化显示，水基岩屑中${\mathrm{HCO}}_3^{-} $质量分数由182 mg/kg降至31 mg/kg，Na、Mg含量下降，K、Ca含量升高，水基岩屑中${\mathrm{CO}}_3^{2-} $、${\mathrm{HCO}}_3^{-} $、HO−等水溶性盐类和部分阳离子随着种植过程中的持续浇水而向种植箱底部移动或流失。因此，水基岩屑（D0）的pH显著降低，由10.39降至8.52，而荒漠土（DS0）和碳汇土（C0）中的${\mathrm{HCO}}_3^{-} $质量分数分别由26 mg/kg和32 mg/kg降至18 mg/kg和20 mg/kg，K、Ca、Mg含量下降，受土壤表面阳离子吸附−解吸平衡作用的影响[26]，Na含量升高，荒漠土（DS0）和碳汇土（C0）的pH升高。在相同的水基岩屑占比条件下，种植后，水基岩屑与荒漠土混合土壤（DD1~DD4）的pH较与碳汇土混合土壤（DC1~DC4）的pH更低。这是因为，一方面，荒漠土的初始pH低；另一方面，可能是荒漠土中沙土含量高，渗透性好，有利于碱性离子随浇水向下部移动等。
图2（b）、图2（c）显示了种植前后不同样品中含盐量和可溶性氯含量变化，两个图的变化趋势较为相似，浇水过程起到“脱盐”作用，种植后样品中含盐量均降低了50%以上，可溶性氯含量也降低了30%以上，其变化受浇水量影响较大。由于实验种植过程中每天持续浇水，保持了土壤的含水量，故未造成下部盐分随毛细管上升而聚集在样品表层。
图2（d）、图2（e）显示了种植前后不同样品的阳离子交换量和有机质含量变化，种植前水基岩屑（D0）、荒漠土（DS0）及其混合土壤（DD1~DD4）的阳离子交换量均为0.8 cmol/kg，种植后上升至7~8 cmol/kg，与碳汇土（C0）种植前数值相近，但仍然低于CJ/T 340—2016《绿化种植土壤》≥10的要求。阳离子交换量随着荒漠土占比增加而降低，随着碳汇土占比增加而增加，变化幅度较小。种植前水基岩屑（D0）的有机质含量最低，种植后荒漠土（DS0）的有机质含量最低，混合土壤（DD1~DD4、DC1~DC4）的有机质含量由种植前的18~24 g/kg上升至26~34 g/kg。经观察，种植后的土壤中细小的根须残留物明显增加，可能是有机质含量增加的主要原因。
图2（f）显示了种植前后不同样品的速效钾含量变化情况，种植前，水基岩屑中速效钾质量分数超过5 000 mg/kg，约为荒漠土的25倍、碳汇土的7倍，可为绿化种植提供足够的K+；种植后，速效钾含量均有所下降。水基岩屑占比越低，速效钾质量分数下降就越多，但仍然超过3 000 mg/kg，超过了CJ/T 340—2016中规定的最高限值的10倍。
1） 通过对水基岩屑、荒漠土和碳汇土的基本理化性能、土壤肥力、典型重金属含量和挥发性、半挥发性有机物检测和对比分析可以看出，制约水基岩屑荒漠土壤化的主要影响因子为pH、含盐量、阳离子交换量和可溶性氯含量这4项。水基岩屑中速效钾、有效锌和有效镁含量均高于标准，可以提高荒漠土中的土壤肥力，水基岩屑中未发现重金属超标，需要关注钡、邻苯二甲酸丁基苄酯的环境风险。
2） 通过模拟种植发现，种植后的水基岩屑混合土壤中，pH、含盐量、可溶性氯和速效钾含量均下降，阳离子交换量、有机质含量均升高，土壤理化性能均有明显改善。pH、速效钾含量随岩屑占比的下降而降低；含盐量、可溶性氯含量和阳离子交换量随着荒漠土占比的增加而增加，随着碳汇土的增加而降低；有机质含量随着水基岩屑的占比下降而升高，岩屑与荒漠土、碳汇土的混合土壤中紫羊茅和紫花苜蓿的生长情况均优于水基岩屑、荒漠土单一土壤，说明水基岩屑荒漠土壤化具有可行性。
3） 尽管室内模拟种植箱放置在室外环境中，但仍存在很多不足，下一步需要对土壤中微生物种群、植物中环境污染物等进行检测分析，进一步研究荒漠自然环境、微生物−植物等因素对水基岩屑改良的土壤理化性能的影响。此外，仅水基岩屑与荒漠土混合的阳离子交换量、有机质含量仍较低，pH、含盐量、可溶性氯含量仍高于标准，可以探索通过腐殖酸、生物质炭等土壤改性材料进行改良。
2024, Vol. 53 Issue (6): 141-148 2024, Vol. 53 Issue (6): 141-148