水基钻屑是产生于页岩气田开发过程中的一种固体废弃物^[1-2]。就西南某地页岩气田而言，单井水基钻屑产生量平均为1 000 m^3[3]，每年井口数约250口，一年的水基钻屑产生量约为25×10⁴ m³。随着页岩气田作业面积的不断扩大，气井数量的日益增加，水基钻屑的产生量不容小觑。水基钻屑作为一种固体废弃物，其本身仅为岩屑，但由于其表面裹挟着钻井废液，使之含重金属、石油烃等污染物，因此如何对其进行合理、安全的处理成为了难点^{[2, 4-5]}。目前国内水基钻屑及废弃水基泥浆主要参照QSH 0099.1—2009《川东北地区天然气勘探开发环境保护规范钻井与井下作业》相关要求在钻井平台废水池内进行固化填埋，但该措施对土地空间占用大，且随着时间的推移，仍存在固化填埋场地下水污染的潜在风险^[6-7]。水基钻屑具有良好的矿物质基质，但结构性较差^[4]，因此，将水基钻屑和其他物料混合形成一种基质用于绿化种植值得探索。为此，本文进行了不同配比的水基钻屑基质的绿化植物生长试验，以期为水基钻屑的基质化利用提供依据。

1 材料与方法 1.1 试验材料

供试水基钻屑于2017年2月采集自西南某页岩气田的废弃钻屑堆弃场；供试土壤于同一时间采集自该页岩气田周边的农田；供试腐熟污泥由2017年3月采自重庆市生活污水处理厂的新鲜污泥经由自然风干后，添加木屑好氧堆腐20 d所制得；供试绿化植物为狗牙根与金叶女贞。狗牙根为定量播种，金叶女贞为事先培育的幼苗，后挑选长势相近的幼苗进行移栽。

1.2 试验设计

供试基质由水基钻屑同当地土壤和(或)腐熟污泥过2 mm筛后，按不同质量比例进行混合而成。试验共设置9个处理3个对照，每个处理设置3个重复，具体见表 1。由于水基钻屑和腐熟污泥盐分含量高，因而在试验前将各配比基质装入内径10 cm、高30 cm的有机玻璃柱中，使用去离子水进行两次等量变水头淋洗，其中第一次淋洗前先使基质含水量达到饱和，随后连续进行两次淋洗，其初始水头高度均为5 cm。待淋洗结束后，将基质自然风干，移入高20 cm、上口径30 cm的盆钵中，移栽金叶女贞并播撒狗牙根草种。每盆移栽长势相近的金叶女贞3株，播撒狗牙根草种3 g。种植期间不施用任何肥料，灌溉水定额为最大持水量，尽可能保持不产生底部渗流，如产生少量渗漏液，由底部托盘承接并倒回至盆中，种植时间为120 d。

1.3 样品采集与分析

基质在经过淋洗后，由于有机玻璃柱内不同高度基质的淋洗程度可能存在差异，因而对有机玻璃柱内的基质每5 cm分层等量采样后混合均匀，并自然风干、磨碎过16目与100目筛备用。植物整株采样，样品用湿毛巾去除表面污垢，后烘干研磨成粉末保存。试验中植物样品的锌、铜、铅、镉、铬、镍采用HNO₃-HClO₄消解–原子吸收分光光度法测定^[8-13]，汞、砷使用微波消解–原子荧光分光光度法测定^[14-15]。土壤样品的锌、铜、铅、镉、铬、镍采用HNO₃-HF- HClO₄消解–原子吸收分光光度法测定；汞、砷使用HNO₃-HCl消解–原子荧光法测定；容重采用环刀法测定；pH测定采用水土比5∶1浸提电位法测定；全盐量采用质量法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；有效磷采用碳酸氢钠浸提–钼锑抗比色法测定；速效钾采用醋酸铵浸提–火焰光度法测定；全氮采用凯氏定氮法测定；全磷采用钼锑抗比色法测定；全钾采用火焰光度计法测定，以上测定方法参照GB/T 22105.1—2008《土壤质量总汞、总砷、总铅的测定原子荧光法第1部分：土壤中总汞的测定》^[16]、GB/T 22105.2—2008《土壤质量总汞、总砷、总铅的测定原子荧光法第2部分：土壤中总砷的测定》^[17]与《土壤农业化学分析方法》^[18]。

2 结果与讨论 2.1 不同配比基质的主要理化性质 2.1.1 不同配比基质的容重、pH与初始全盐含量

鉴于水基钻屑和腐熟污泥的初始含盐量较高^[19]，经过2次5 cm等量变水头淋洗后，各处理的基本物理性质见表 2。总体来看，除对照外，各处理的容重为0.75 ~ 1.25 g/cm³，由于水基钻屑、土壤与腐熟污泥之间的容重差距较大，随着腐熟污泥加入比例的提高，基质的容重有所降低；各处理pH为8.0 ~ 8.6，由于腐熟污泥pH呈酸性，当地土壤pH为中性，因而随着腐熟污泥与当地土壤的加入，各处理的pH呈现降低趋势；参照土壤盐渍化分级标准，A1、A2、A3、B1处理均降至非盐化水平(< 1.0 g/kg)，C3处理降至轻度盐化水平(1.0 ~ 2.0 g/kg)，B2、C1、C2处理降至中度盐化水平(2.0 ~ 4.0 g/kg)，而B3处理仍为强度盐化水平(4.0 ~ 6.0 g/kg)。试验中，水基钻屑对照(CK1)与腐熟污泥对照(CK2)的初始全盐含量均较高超过了10 g/kg，但经过淋洗后CK1的全盐含量降至了非盐渍化水平，而CK2的全盐含量仍大于10 g/kg，这可能与污泥自身具有较强的滞水性有关，导致淋洗脱盐效果的减弱^[20-21]。

2.1.2 不同配比基质的养分含量

养分含量的多少是衡量基质质量的一个重要指标^[22-23]。由表 3可知，水基钻屑基质(CK1)除磷含量较低外，氮、钾含量充足；而腐熟污泥基质(CK2)各项养分含量均较为丰富。参照标准NY/T 2118—2012《蔬菜育苗基质》^[24] (水基钻屑为原料的基质其目标是用作绿化基质，由于目前缺少相应标准，因此该标准具有一定的参考意义)，除CK2碱解氮含量超出标准范围(> 500 mg/kg)外，其余处理均符合标准要求；除CK2、B2、B3、C1、C2处理有效磷含量超出标准范围外，其余处理均符合标准要求(> 100 mg/kg)；除CK3速效钾含量符合标准要求外，其余各处理均超出标准范围(> 600 mg/kg)。总体来看，各处理速效钾含量超出标准较多，碱解氮、有效磷基本符合标准要求。

2.1.3 不同配比基质的重金属含量

各处理的重金属含量如表 4所示。据CJ/T 340—2016《绿化种植土壤》^[25]重金属含量技术要求(表 5)，除CK2、B3处理中部分指标属于Ⅱ级标准外，其余各处理的各项重金属指标均符合Ⅰ级标准。依据标准要求：Ⅰ级标准适用于水源涵养林等属于自然保育的绿(林)地，而Ⅱ级标准适用于植物园、公园等与人接触较密切的绿(林)地，因而，以水基钻屑为原料的基质在重金属含量方面能够满足作为绿化基质的基本环境质量要求。

2.2 不同配比基质对绿化植物生物量的影响

生物量能够较好地反映植物的生长状况，而生物量的高低也能从侧面反映植物对于基质的适应能力。Saint-Fort和Ashtani^[26]研究发现，一定量的钻屑废弃物同土壤混合有助于改善土壤的质量，但过量钻屑废弃物会导致植物生物量的降低。由图 1可知，在本试验中金叶女贞的生物量：A1处理最高，CK1最低，在水基钻屑与土壤混合的处理中，生物量呈现随着土壤比例的增加而降低的趋势；在水基钻屑与腐熟污泥混合的处理中，3个处理的生物量均介于CK1与CK2之间，无明显规律；而水基钻屑、腐熟污泥与土壤三者混合的处理中，各处理的生物量差异不显著。

由图 1还可知，狗牙根的生物量变化趋势同金叶女贞有所不同，其生物量以A2处理最高，C1处理最低。在水基钻屑与土壤混合的处理中，3个处理的生物量均大于对照纯水基钻屑(CK1)与纯土壤(CK3)；在水基钻屑与腐熟污泥混合的处理中，其生物量随着腐熟污泥所占比例的提升而提升，但处理间差异不显著；在水基钻屑、腐熟污泥与土壤三者混合的处理中，各处理的生物量随着土壤所占比例的提升而提升。

2.3 不同配比基质对植物体内重金属元素累积量的影响

植物的重金属累积量，主要受植物生物量与植物富集能力的影响，因此对于养分含量以及重金属本底值均不同的基质而言，其上生长的植物的重金属累积会存在一定差异。

由表 6可知，金叶女贞的重金属累积量表现为：CK3的镍、铜累积量最高，CK1的锌累积量最高，A3处理的镉、铅累积量最高。在水基钻屑与土壤混合的基质中，随着土壤比例的增高，铅、镉的累积量显著增加，而铜的累积量呈现下降趋势；水基钻屑与腐熟污泥混合的基质中，随着腐熟污泥比例的增加，锌、镍、铜的累积量呈现下降趋势，而铅的累积量无明显差异；水基钻屑、腐熟污泥与土壤三者混合的处理中，镉、铅的累积量随着土壤比例的提高呈现降低的趋势，而各处理间锌的累积量差异不显著。整体来看，各重金属元素的累积量：铜 > 锌 > 铅≈镍 > 镉。

相对于金叶女贞，狗牙根因其生物量相对较低，其重金属累积量也相对较少。整体来看，各重金属元素的累积量：锌 > 铜 > 镍 > 铅 > 镉。在水基钻屑与土壤混合的基质中，锌、镉、铅的累积量均随着土壤比例的增加而增加；水基钻屑与腐熟污泥混合的基质中锌、镉的累积量随污泥比例的增加而降低，而铜的累积量随污泥比例的增加而提高；水基钻屑、腐熟污泥与土壤三者混合的处理中，锌、镉、铅的累积量随土壤比例的增加而增加。

2.4 不同配比基质对绿化植物重金属富集系数的影响

植物的重金属富集系数是一种表征土壤与植物间重金属转移行为的重要指标^[27-28]，由表 7可见，在不同基质下植物的重金属富集系数存在一定差异。就锌而言，金叶女贞与狗牙根各处理的富集系数均小于1，且两种植物对照处理的富集系数均为：CK1 > CK3 > CK2，其余处理锌的富集系数均存在着类似趋势：即随着土壤比例的增加而增加，而随着污泥比例的增加而降低。与锌不同，两种植物镉的富集系数除CK2与B3处理富集系数小于1，其余处理均高于1，这可能与较高的污泥比例有关，总体来看其富集系数的变化趋势同锌相类似，即随着土壤比例的增加而增加，而随着污泥比例的增加而降低。对于铅的富集，两种植物除A1处理外，各处理的富集系数均高于对照，且随着基质比例的变化，其富集系数起伏较大，各处理间无明显规律。对于镍的富集，两种植物的富集系数均低于1，金叶女贞在混合基质处理中的富集系数均高于CK2，而狗牙根的富集系数在水基钻屑与一定量的土壤混合基质中有所提高，但规律不明显。对于铜的富集，金叶女贞和狗牙根之间的富集情况存在一定差异，在纯水基钻屑处理(CK1)中，金叶女贞的富集系数大于1，而狗牙根的富集系数则小于1，在水机钻屑占比较高的基质中，金叶女贞对铜的富集要优于狗牙根。

3 结论

1) 以水基钻屑为原料的基质，在经过淋洗处理后，其主要理化指标基本满足植物生长要求。一定量腐熟污泥的加入能够较好地平衡基质中的养分，且污泥的滞水性有利于基质保水保肥性能的提升，但也会导致基质含盐量的提高。

2) 除水基钻屑∶腐熟污泥＝10∶1、水基钻屑∶腐熟污泥∶土壤=10∶2∶1两种配比的基质外，其余基质上狗牙根与金叶女贞的生物量均高于纯水基钻屑基质。其中金叶女贞在水基钻屑∶土壤=10∶1的基质上生物量最大，狗牙根在水基钻屑∶土壤=10∶2的基质上生物量最大。

3) 狗牙根和金叶女贞在以水基钻屑为原料的基质上对锌、铜的累积量较高，镉的累积量最低，且不同配比的基质上植物的重金属累积量存在差异。

4) 植物的重金属富集系数表明，金叶女贞与狗牙根对镉、铅、铜存在一定的富集作用，但对于锌、镍的富集不明显。金叶女贞对5种重金属元素的富集系数均随基质中腐熟污泥比例的增加而出现下降的情况，而狗牙根对与锌、铜的富集也出现了类似的情况。腐熟污泥的加入会使基质中重金属的本底值上升，其在带来养分的同时也带来了盐分，这些因素的综合可能最终导致了高腐熟污泥比例下植物对重金属富集能力的降低。

5) 以水基钻屑为原料的基质其重金属含量符合相应标准要求，且在适宜配比下可以满足耐盐先锋植物的生长，对于废弃钻屑的消纳具有一定的意义。