CO2驅(qū)油示范區(qū)植被生態(tài)本底調(diào)查的指標(biāo)與方法

郝紹金等

摘要：CO2-EOR技術(shù)能提高油氣采收率，但由于人為、地質(zhì)等因素造成的泄漏風(fēng)險(xiǎn)給陸地生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)潛在威脅，包括對(duì)農(nóng)田生產(chǎn)、人體健康等的影響。對(duì)CO2驅(qū)油示范區(qū)進(jìn)行植被生態(tài)調(diào)查有利于監(jiān)測(cè)區(qū)域本底生態(tài)狀況，主要指標(biāo)包括農(nóng)業(yè)特征、生態(tài)因子、植物群落等，監(jiān)測(cè)方法包括遙感調(diào)查、地面實(shí)測(cè)、室內(nèi)試驗(yàn)等。為驗(yàn)證指標(biāo)體系的有效性和可行性，對(duì)G油田CO2驅(qū)油示范區(qū)實(shí)施了本底調(diào)查。結(jié)果表明，該指標(biāo)體系與方法為示范區(qū)生態(tài)監(jiān)測(cè)提供了重要的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：CO2-EOR示范區(qū)；植被生態(tài)；指標(biāo)體系；本底調(diào)查

中圖分類號(hào)： X830.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2014）09-0340-04

收稿日期：2014-03-30

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃（編號(hào)：2012BAC24B05）；國(guó)際科技合作計(jì)劃（編號(hào)：2013DFB60140-08）；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程。

作者簡(jiǎn)介：郝紹金（1988—），男，湖北巴東人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)環(huán)境的研究。E-mail：cumthsj@163.com。

通信作者：陳浮，博士，副教授，主要從事碳捕捉與封存（CCS）的研究。Tel：（0516）83883390；E-mail：chenfu@ cumt. edu.cn。由于CO2易達(dá)到超臨界狀態(tài)，用CO2驅(qū)油（CO2-EOR）能提高油氣田的采收率，因此CO2-EOR被廣泛用于油氣開(kāi)采并取得了較好效果，該技術(shù)被認(rèn)為是3次采油中最具潛力的提高采收率的方法之一[1]。同時(shí)CO2驅(qū)油減少了向空氣中排放CO2的量，達(dá)到綠色環(huán)保的目的，被譽(yù)為是油田綠色開(kāi)發(fā)技術(shù)[2]。CO2驅(qū)油是CO2地質(zhì)封存較為有效方式之一，但我國(guó)CO2地質(zhì)封存還處于起步階段，缺乏法規(guī)依據(jù)和案例參考以及較為系統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)方法和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的支持[3]，加上CO2驅(qū)油過(guò)程中經(jīng)過(guò)裂縫、斷層、油氣井的破裂會(huì)導(dǎo)致CO2泄漏，CO2一旦泄漏，會(huì)對(duì)人類、動(dòng)植物、環(huán)境造成影響，當(dāng)泄漏的量達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，CO2驅(qū)油也就失去了節(jié)能減排作用。如何防止CO2泄漏，如何對(duì)CO2泄漏進(jìn)行監(jiān)測(cè)是CO2驅(qū)油的重要任務(wù)之一。CO2泄漏是CO2驅(qū)油的重要風(fēng)險(xiǎn)，在整個(gè)CO2捕捉與封存（CCS）技術(shù)中具有最大的潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[4]。在CO2泄漏的眾多影響中，生態(tài)系統(tǒng)影響是嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)[5]。英國(guó)寧波諾丁漢大學(xué)的模擬試驗(yàn)結(jié)果顯示，CO2的濃度對(duì)牧草和大豆的生長(zhǎng)具有影響[6]。歐志英等研究表明，長(zhǎng)期高濃度CO2會(huì)降低作物的產(chǎn)量及生物量[7]。在大面積注入CO2前，實(shí)施本底植被生態(tài)監(jiān)測(cè)、提取本底值、監(jiān)測(cè)評(píng)估生態(tài)變化是一項(xiàng)必不可少的工作。

1CO2驅(qū)油對(duì)植被生態(tài)的潛在影響

CO2驅(qū)油可以提高采收率，但也存在著泄漏的危險(xiǎn)，2006年政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)（IPCC）制定的國(guó)家溫室氣體清單指南[8]，在現(xiàn)有研究工作基礎(chǔ)上，本研究將CO2驅(qū)油泄漏類型分為人為因素泄漏、地質(zhì)因素泄漏、化學(xué)因素泄漏。人為因素主要是現(xiàn)有井、廢井不封閉，儲(chǔ)藏庫(kù)過(guò)滿、超過(guò)閾值以及油井選址、現(xiàn)有技術(shù)缺陷導(dǎo)致的泄漏；地質(zhì)因素主要是由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)中斷層和裂縫導(dǎo)致的泄漏；化學(xué)因素泄漏主要因?yàn)椴糠諧O2與水反應(yīng)，導(dǎo)致蓋層退化，從而產(chǎn)生泄漏。CO2泄漏的主要類型為人為因素及化學(xué)因素泄漏，CO2泄漏會(huì)影響植被光合作用及呼吸作用，由于CO2能與水反應(yīng)生成弱酸，能與土壤中的物質(zhì)發(fā)生連串反應(yīng)，影響植被蒸騰作用，最終危害生態(tài)系統(tǒng)和人體健康。CO2泄漏的路徑及危害見(jiàn)表1。

2本底植被生態(tài)調(diào)查的指標(biāo)與方法

根據(jù)前述分析，CO2驅(qū)油示范區(qū)泄漏的CO2會(huì)對(duì)植被和生態(tài)系統(tǒng)及人體健康造成影響，而植被對(duì)CO2濃度的變化敏感性較強(qiáng)，同時(shí)分布廣泛，幾乎所有驅(qū)油示范區(qū)都能找到，因此常以植被的生理生態(tài)指標(biāo)作為CO2泄漏的監(jiān)測(cè)指標(biāo)。目前還沒(méi)有一個(gè)較為系統(tǒng)明確的本底植被生態(tài)指標(biāo)及其方法，筆者在總結(jié)相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合農(nóng)學(xué)、農(nóng)業(yè)生態(tài)相關(guān)知識(shí)，確立了主要針對(duì)影響植被生長(zhǎng)的生態(tài)因子、植株生理生態(tài)特征、群落、景觀進(jìn)行的觀測(cè)指標(biāo)（表2）。

從不同的觀測(cè)尺度來(lái)看，農(nóng)業(yè)特征調(diào)查可以對(duì)示范區(qū)的氣候特征、自然災(zāi)害、病蟲(chóng)害、植物的類型有初步了解，為分析數(shù)據(jù)提供基礎(chǔ)信息。植物群落觀測(cè)可以研究種群內(nèi)部和群落間的有規(guī)律組合及其相互關(guān)系。植被區(qū)域研究某個(gè)區(qū)域內(nèi)的整體情況，對(duì)實(shí)地調(diào)查提供指導(dǎo)作用。

植株生理包括水分、礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)、光合作用、呼吸作用、物質(zhì)代謝、植物激素、生長(zhǎng)發(fā)育、植物與環(huán)境、分子生物學(xué)。研究CO2泄漏對(duì)植被的影響，主要是泄漏的CO2影響了植物生理生態(tài)指標(biāo)，在外界各種因素綜合作用下表現(xiàn)出來(lái)。而植被的許多生態(tài)過(guò)程，諸如蒸發(fā)、蒸騰、初級(jí)生產(chǎn)、廢物分解[9]等都與植被生化組分的含量密切相關(guān)，如葉綠素濃度通常是植物光合能力、營(yíng)養(yǎng)脅迫和發(fā)育階段指標(biāo)之一[10]，氮素是植物生長(zhǎng)的重要養(yǎng)分，在植物營(yíng)養(yǎng)中有著極其重要地位，也是農(nóng)田中主要缺少的養(yǎng)分之一，氮素與植被健康生理情況最密切的影響脅迫因子之一[11]。植被主要組成成分為水、葉綠素、蛋白質(zhì)、纖維素。選定葉綠素a濃度、葉片水含量、葉片氮含量、葉面積指數(shù)、葉片光譜反射率作為監(jiān)測(cè)植被的主要指標(biāo)。植株生理生態(tài)主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)及方法[12-15]見(jiàn)表3。

3監(jiān)測(cè)實(shí)例

本研究選取G油田為研究對(duì)象，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，以注入井為中心向外延伸劃定為試驗(yàn)監(jiān)測(cè)區(qū)，選取相鄰無(wú)泄漏的區(qū)域?yàn)閷?duì)照區(qū)，劃定了研究區(qū)域。對(duì)照試驗(yàn)區(qū)、試驗(yàn)監(jiān)測(cè)區(qū)范圍見(jiàn)圖1。于2013年7—8月進(jìn)行2次生態(tài)監(jiān)測(cè)，以主要交通干道為輻射軸，采用隨機(jī)抽樣的方法，步行、乘車(chē)前往各個(gè)采樣點(diǎn)，在考慮到植物類型、種植方式等方面的基礎(chǔ)上，計(jì)算出不同植物在不同種植方式下所需的樣本數(shù)。2次測(cè)量樣點(diǎn)數(shù)量分別53、31處，2次采樣點(diǎn)空間分布見(jiàn)圖2，每個(gè)樣點(diǎn)主要采集大豆、玉米、棉花3種作物樣品，還專門(mén)對(duì)采出井、注入井周邊進(jìn)行了植被調(diào)查和采樣。在實(shí)驗(yàn)室對(duì)葉綠素、總氮、葉片水分含量等指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定，對(duì)測(cè)定數(shù)據(jù)、調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出了植被生態(tài)監(jiān)測(cè)的多因素共同作用圖，結(jié)果見(jiàn)圖3。endprint

從圖3可以看出，（1）表現(xiàn)出受自然條件影響（水淹、樹(shù)蔭等）產(chǎn)生了株高極端數(shù)值效應(yīng)；（2）由于種植制度的不同（連作、套作）產(chǎn)生了樣點(diǎn)整群差異現(xiàn)象；（3）株高與 CO2-EOR 注入井距離不存在明顯相關(guān)關(guān)系；（4）從不同作物類型來(lái)看，棉花樣品方差較小，群落整齊度較高；玉米為大面積農(nóng)田作物，種植制度對(duì)其生長(zhǎng)周期影響較大，整群差異較為明顯。大豆種植在邊角地，影響其生長(zhǎng)的自然因素較多，作物株高差異明顯。

在對(duì)G油田CO2驅(qū)油示范區(qū)進(jìn)行野外生態(tài)調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，以基本地理（水系、道路、農(nóng)村居民點(diǎn)），基本地質(zhì)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（監(jiān)測(cè)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)路線、光譜特征），石油開(kāi)發(fā)，柵格數(shù)據(jù)（遙感影像、DEM、植被覆蓋），數(shù)據(jù)表（植株生理生態(tài)、群落），文本數(shù)據(jù)（農(nóng)業(yè)特征、監(jiān)測(cè)報(bào)告）為主要內(nèi)容，建立本底植被生態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)果見(jiàn)圖4。

通過(guò)建立本地植被生態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，為后期研究CO2驅(qū)油過(guò)程中CO2泄漏對(duì)植物脅迫影響提供了基礎(chǔ)資料，也為分析植被生態(tài)本底值提供了依據(jù)， 并為研究植被生態(tài)監(jiān)測(cè)提供

了一套較為完整的思路。

4結(jié)論與討論

針對(duì)CO2驅(qū)油帶來(lái)的生態(tài)不安全因素，從CO2驅(qū)油的泄漏風(fēng)險(xiǎn)、公眾焦點(diǎn)出發(fā)，分析對(duì)植被生態(tài)的影響，總結(jié)可能的泄漏途徑及危害，得出CO2驅(qū)油示范區(qū)本地植被生態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)于CO2驅(qū)油開(kāi)采理論研究、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，建立監(jiān)測(cè)評(píng)估體系方面起著重要的作用，提出本底植被生態(tài)調(diào)查的指標(biāo)與方法，對(duì)植被生態(tài)本底調(diào)查提取本底值，監(jiān)測(cè)植被生態(tài)變化、評(píng)估、判斷有重要的意義。以G油田為實(shí)例，描述了本底植被生態(tài)監(jiān)測(cè)從指標(biāo)選取，到野外實(shí)地調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，在本底植被生態(tài)監(jiān)測(cè)調(diào)查方面具有良好的參考借鑒意義。在監(jiān)測(cè)指標(biāo)確定方面，結(jié)合農(nóng)學(xué)、農(nóng)業(yè)生態(tài)相關(guān)知識(shí)總結(jié)而成，對(duì)指標(biāo)的驗(yàn)證和優(yōu)化還有待進(jìn)一步研究。對(duì)監(jiān)測(cè)手段和試驗(yàn)方法采用常規(guī)方法，在監(jiān)測(cè)的多樣化和實(shí)驗(yàn)方法的先進(jìn)性方面還有改進(jìn)的空間。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉忠運(yùn)，李莉娜. CO2驅(qū)油機(jī)理及應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 節(jié)能與環(huán)保，2009，10（10）：36-38.

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從圖3可以看出，（1）表現(xiàn)出受自然條件影響（水淹、樹(shù)蔭等）產(chǎn)生了株高極端數(shù)值效應(yīng)；（2）由于種植制度的不同（連作、套作）產(chǎn)生了樣點(diǎn)整群差異現(xiàn)象；（3）株高與 CO2-EOR 注入井距離不存在明顯相關(guān)關(guān)系；（4）從不同作物類型來(lái)看，棉花樣品方差較小，群落整齊度較高；玉米為大面積農(nóng)田作物，種植制度對(duì)其生長(zhǎng)周期影響較大，整群差異較為明顯。大豆種植在邊角地，影響其生長(zhǎng)的自然因素較多，作物株高差異明顯。

在對(duì)G油田CO2驅(qū)油示范區(qū)進(jìn)行野外生態(tài)調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，以基本地理（水系、道路、農(nóng)村居民點(diǎn)），基本地質(zhì)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（監(jiān)測(cè)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)路線、光譜特征），石油開(kāi)發(fā)，柵格數(shù)據(jù)（遙感影像、DEM、植被覆蓋），數(shù)據(jù)表（植株生理生態(tài)、群落），文本數(shù)據(jù)（農(nóng)業(yè)特征、監(jiān)測(cè)報(bào)告）為主要內(nèi)容，建立本底植被生態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)果見(jiàn)圖4。

通過(guò)建立本地植被生態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，為后期研究CO2驅(qū)油過(guò)程中CO2泄漏對(duì)植物脅迫影響提供了基礎(chǔ)資料，也為分析植被生態(tài)本底值提供了依據(jù)， 并為研究植被生態(tài)監(jiān)測(cè)提供

了一套較為完整的思路。

4結(jié)論與討論

針對(duì)CO2驅(qū)油帶來(lái)的生態(tài)不安全因素，從CO2驅(qū)油的泄漏風(fēng)險(xiǎn)、公眾焦點(diǎn)出發(fā)，分析對(duì)植被生態(tài)的影響，總結(jié)可能的泄漏途徑及危害，得出CO2驅(qū)油示范區(qū)本地植被生態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)于CO2驅(qū)油開(kāi)采理論研究、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，建立監(jiān)測(cè)評(píng)估體系方面起著重要的作用，提出本底植被生態(tài)調(diào)查的指標(biāo)與方法，對(duì)植被生態(tài)本底調(diào)查提取本底值，監(jiān)測(cè)植被生態(tài)變化、評(píng)估、判斷有重要的意義。以G油田為實(shí)例，描述了本底植被生態(tài)監(jiān)測(cè)從指標(biāo)選取，到野外實(shí)地調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，在本底植被生態(tài)監(jiān)測(cè)調(diào)查方面具有良好的參考借鑒意義。在監(jiān)測(cè)指標(biāo)確定方面，結(jié)合農(nóng)學(xué)、農(nóng)業(yè)生態(tài)相關(guān)知識(shí)總結(jié)而成，對(duì)指標(biāo)的驗(yàn)證和優(yōu)化還有待進(jìn)一步研究。對(duì)監(jiān)測(cè)手段和試驗(yàn)方法采用常規(guī)方法，在監(jiān)測(cè)的多樣化和實(shí)驗(yàn)方法的先進(jìn)性方面還有改進(jìn)的空間。

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從圖3可以看出，（1）表現(xiàn)出受自然條件影響（水淹、樹(shù)蔭等）產(chǎn)生了株高極端數(shù)值效應(yīng)；（2）由于種植制度的不同（連作、套作）產(chǎn)生了樣點(diǎn)整群差異現(xiàn)象；（3）株高與 CO2-EOR 注入井距離不存在明顯相關(guān)關(guān)系；（4）從不同作物類型來(lái)看，棉花樣品方差較小，群落整齊度較高；玉米為大面積農(nóng)田作物，種植制度對(duì)其生長(zhǎng)周期影響較大，整群差異較為明顯。大豆種植在邊角地，影響其生長(zhǎng)的自然因素較多，作物株高差異明顯。

在對(duì)G油田CO2驅(qū)油示范區(qū)進(jìn)行野外生態(tài)調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，以基本地理（水系、道路、農(nóng)村居民點(diǎn)），基本地質(zhì)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（監(jiān)測(cè)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)路線、光譜特征），石油開(kāi)發(fā)，柵格數(shù)據(jù)（遙感影像、DEM、植被覆蓋），數(shù)據(jù)表（植株生理生態(tài)、群落），文本數(shù)據(jù)（農(nóng)業(yè)特征、監(jiān)測(cè)報(bào)告）為主要內(nèi)容，建立本底植被生態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)果見(jiàn)圖4。

通過(guò)建立本地植被生態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，為后期研究CO2驅(qū)油過(guò)程中CO2泄漏對(duì)植物脅迫影響提供了基礎(chǔ)資料，也為分析植被生態(tài)本底值提供了依據(jù)， 并為研究植被生態(tài)監(jiān)測(cè)提供

了一套較為完整的思路。

4結(jié)論與討論

針對(duì)CO2驅(qū)油帶來(lái)的生態(tài)不安全因素，從CO2驅(qū)油的泄漏風(fēng)險(xiǎn)、公眾焦點(diǎn)出發(fā)，分析對(duì)植被生態(tài)的影響，總結(jié)可能的泄漏途徑及危害，得出CO2驅(qū)油示范區(qū)本地植被生態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)于CO2驅(qū)油開(kāi)采理論研究、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，建立監(jiān)測(cè)評(píng)估體系方面起著重要的作用，提出本底植被生態(tài)調(diào)查的指標(biāo)與方法，對(duì)植被生態(tài)本底調(diào)查提取本底值，監(jiān)測(cè)植被生態(tài)變化、評(píng)估、判斷有重要的意義。以G油田為實(shí)例，描述了本底植被生態(tài)監(jiān)測(cè)從指標(biāo)選取，到野外實(shí)地調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，在本底植被生態(tài)監(jiān)測(cè)調(diào)查方面具有良好的參考借鑒意義。在監(jiān)測(cè)指標(biāo)確定方面，結(jié)合農(nóng)學(xué)、農(nóng)業(yè)生態(tài)相關(guān)知識(shí)總結(jié)而成，對(duì)指標(biāo)的驗(yàn)證和優(yōu)化還有待進(jìn)一步研究。對(duì)監(jiān)測(cè)手段和試驗(yàn)方法采用常規(guī)方法，在監(jiān)測(cè)的多樣化和實(shí)驗(yàn)方法的先進(jìn)性方面還有改進(jìn)的空間。

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