粉煤灰場復(fù)墾地肥力狀況及對土壤理化性質(zhì)的影響

王長壘 嚴家平 陳孝楊

摘要：選擇安徽省淮南市上窯鎮(zhèn)粉煤灰處置場覆土復(fù)墾地為研究區(qū)域，測定覆土厚度和土壤剖面各層的容重、pH、含水量、有機質(zhì)等理化性質(zhì)，土壤總氮、有效磷、速效鉀等養(yǎng)分含量，以及冬小麥抽穗期的生物量，研究粉煤灰處置場復(fù)墾土壤理化性質(zhì)及其與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性，不同覆土厚度復(fù)墾地冬小麥生長的差異性。結(jié)果表明，粉煤灰場復(fù)墾地土壤總氮含量約0.90 g/kg，有效磷和速效鉀含量分別為12～76 mg/kg、114～135 mg/kg，土壤肥力與作物生長狀況和自然農(nóng)業(yè)土壤相比差異不顯著；除復(fù)墾土壤厚度、容重、含水量對有效磷含量影響顯著外，其余土壤養(yǎng)分與土壤理化性質(zhì)和表土厚度的相關(guān)性不強。

關(guān)鍵詞：復(fù)墾土壤；養(yǎng)分；理化性質(zhì)；表土厚度；粉煤灰場

中圖分類號：TD88 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）06-1273-04

粉煤灰作為燃煤電廠排放的主要固體廢棄物之一，其排放量將在較長時期內(nèi)保持逐年增長的趨勢[1，2]。同時，由于粉煤灰具有特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，在農(nóng)業(yè)上較多地作為改良劑來改善極端條件土壤的理化性質(zhì)，提升土壤肥力，保證作物產(chǎn)量[3-5]，同時粉煤灰用于生產(chǎn)水泥和混凝土等建筑工程材料的比例也不斷得到提高。盡管如此，粉煤灰的綜合利用率近年來仍然不足60%[1]，尚有大量粉煤灰堆積在粉煤灰處置場中，不僅壓占土地，而且形成的揚塵也會給周圍大氣和土壤環(huán)境帶來污染[6]。

由于歷史原因，用粉煤灰作為基質(zhì)充填重構(gòu)煤礦塌陷區(qū)，或者直接在粉煤灰處置場覆土復(fù)墾用于農(nóng)業(yè)種植的工程實踐在我國很多礦區(qū)大量存在[7，8]。已有研究表明好的復(fù)墾模式加上合理的培肥措施，粉煤灰復(fù)墾地的農(nóng)作物產(chǎn)量能夠得到保證[9]。目前，對于復(fù)墾土壤的研究主要集中于理化性質(zhì)和養(yǎng)分的時空變異特征[7，9-11]，而較少地關(guān)注不同覆土厚度的肥力狀況差異及與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系。因此，對其進行研究，可為粉煤灰處置場復(fù)墾地田間管理提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

1 研究區(qū)概況

研究地點位于安徽省淮南市上窯鎮(zhèn)（圖1），地處安徽省中北部的淮河南岸，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫16.9 ℃，年均日照時間2 181 h，年均降雨量915 mm，年均水面蒸發(fā)量790.1 mm。降雨主要集中在夏季，梅雨期較短，約為20 d。試驗小區(qū)為上窯粉煤灰處置場，是淮南洛河電廠和田家庵電廠粉煤灰的原集中處置地，占地共約3.1 km2。

上窯粉煤灰處置場早些年已經(jīng)覆土復(fù)墾用作建筑用地和農(nóng)業(yè)種植。農(nóng)作物主要以大豆和小麥輪作為主，粉煤灰層的厚度為5 m以上。由于機械施工及原農(nóng)田地形的影響，試驗地塊的覆土厚度不均勻，較厚處為1 m以上，較薄處僅25 cm左右。研究期間試驗小區(qū)的種植作物為冬小麥。

2 材料與方法

2.1 采樣點設(shè)置

通過鉆孔探測，試驗區(qū)的表土厚度為25～105 cm，且表現(xiàn)出一定的區(qū)域空間特征，即可將覆土復(fù)墾地劃分為若干個獨立的不同表土厚度采樣點。因此，確定采樣點前人為地將表土分為4個厚度，即0～40 cm（A）、40～55 cm（B）、55～70 cm（C）、70～100 cm（D），然后根據(jù)劃分厚度在試驗點中進行鉆孔篩選，篩選出表土各個厚度的采樣點，每個小區(qū)面積為100 cm×100 cm。同時每一表土厚度選擇3個重復(fù)采樣點，共12個采樣點，分別編號為A1、A2、A3，B1、B2、B3，C1、C2、C3和D1、D2、D3（圖1）。

2.2 采樣方法

每個采樣點均進行3種類型的土壤樣品采集。首先開挖土壤剖面，用鋁盒和100 cm3環(huán)刀采集表層土（0～7 cm）、中層土（表層土與粉煤灰層之間）和底層粉煤灰（粉煤灰層10～20 cm深處）樣品，用作含水量和容重分析。然后應(yīng)用上述剖面采樣法分別采集不同深度土壤混合樣于聚乙烯袋中，帶回實驗室用作pH和有機質(zhì)的分析。再次，采集每個采樣點耕作層的土壤混合樣于聚乙烯袋中，帶回實驗室用作全氮、速效鉀和有效磷的測試。同時應(yīng)用收獲法采集小麥根上部植株樣品，以測定小麥的生物量。采樣時間為2011年5月。

2.3 測定方法

樣品的含水量與容重以105 ℃烘干24 h后稱重計算獲得。pH的測定采用酸度計法，有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化法測得。土壤全氮含量的測定采用凱氏定氮儀法，速效鉀含量測定采用火焰分光光度計法，應(yīng)用離子色譜儀測定有效磷的含量。小麥生物量以80 ℃烘干24 h后稱重計算獲得。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤理化性質(zhì)空間特征

粉煤灰場覆土復(fù)墾地土壤因充填基質(zhì)和表土的性質(zhì)迥異，土壤剖面結(jié)構(gòu)層狀明顯（表1）。由于耕作活動，表層土的容重較小，且因表層腐殖質(zhì)累積，有機質(zhì)含量較高，均大于20 g/kg。相對來說，中層土的容重、含水量和pH均高于表層土，有機質(zhì)含量則明顯低于表層土，而粉煤灰層的有機質(zhì)含量仍然很低，可能是由于試驗區(qū)覆土復(fù)墾的時間雖然較長，但作物根系未能深入粉煤灰層，有機質(zhì)含量增加緩慢，并且粉煤灰層依然表現(xiàn)出低容重、高含水量和高pH的理化特征。

從不同覆土厚度的采樣小區(qū)分析結(jié)果來看，表土厚度對土壤理化性質(zhì)的影響不明顯。當(dāng)表土厚度較薄時（<40 cm，A），表層土的容重和有機質(zhì)含量高于其他幾類覆土厚度，含水量和pH卻低很多，而此變化最可能的影響因子是動植物活動和氣象條件，且分析數(shù)據(jù)與B、C、D 3類覆土厚度的土壤理化性質(zhì)無顯著差異。

3.2 土壤理化性質(zhì)與肥力狀況的相關(guān)分析

用各采樣點中層土混合樣的分析數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分別以土壤的容重、含水量、pH和有機質(zhì)含量為自變量，養(yǎng)分含量（全氮、有效磷、速效鉀）為因變量，進行土壤理化性質(zhì)與養(yǎng)分的相關(guān)分析，研究復(fù)墾地土壤肥力狀況與理化性質(zhì)的關(guān)系。

由分析結(jié)果可知，土壤中有效磷的含量與容重、含水量的相關(guān)系數(shù)分別為0.593、-0.593，呈顯著相關(guān)（r0.05=0.553），復(fù)墾土壤的容重越大，有效磷含量越高；含水量越大，有效磷含量越低。pH和有機質(zhì)含量與土壤有效磷含量的相關(guān)不顯著，且全氮、速效鉀與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)亦不顯著。這一現(xiàn)象說明兩個問題：一是研究分析的樣本數(shù)偏少，可能影響復(fù)墾土壤肥力狀況與理化性質(zhì)的相關(guān)性；二是粉煤灰層的特殊理化性質(zhì)未能有效影響表土理化性質(zhì)和肥力狀況，氮、磷、鉀含量的空間分布特征不明顯。

3.3 覆土厚度對土壤肥力狀況的影響

粉煤灰場復(fù)墾地土壤全氮含量為0.90 g/kg左右，有效磷含量為12～76 mg/kg，速效鉀含量為114～135 mg/kg，小麥生物量為0.45～0.85 kg/m2。采樣前，試驗區(qū)內(nèi)小麥種植無追肥等田間管理行為，試驗數(shù)據(jù)與自然農(nóng)業(yè)土壤相比無顯著差異。

對比4個水平的覆土厚度，粉煤灰場復(fù)墾地土壤全氮和速效鉀含量無顯著差異。覆土厚度為A、B水平（即<55 cm）時，中層土全氮的含量要高于覆土厚度為C和D水平。而對于有效磷來說，覆土厚度為0～40 cm時，其含量顯著高于覆土厚度為40～55 cm（B）、55～70 cm（C）、70～100 cm（D）的采樣小區(qū)。反映到小麥的生長狀況上，當(dāng)覆土厚度為70～100 cm時，小麥生物量顯著降低，而在A、B、C 3種厚度下，覆土厚度對小麥生物量的影響無顯著差異，且從數(shù)值上看也相差不大（圖2）。

4 結(jié)論

1）試驗區(qū)的粉煤灰場復(fù)墾地土壤全氮含量約0.90 g/kg，有效磷和速效鉀含量分別為12～76 mg/kg、114～135 mg/kg；小麥抽穗期的生物量為0.45～0.85 kg/m2。與自然農(nóng)業(yè)土壤相比，土壤肥力和作物生長狀況無顯著差異。

2）粉煤灰復(fù)墾地表層土容重較小，有機質(zhì)含量較高，而粉煤灰層依然表現(xiàn)出低容重、高含水量和高pH的理化性質(zhì)。粉煤灰層對上覆土壤理化性質(zhì)空間特征的影響不明顯。不同表土厚度土壤理化性質(zhì)無顯著差異。

3）粉煤灰場復(fù)墾土壤中，除有效磷含量與容重、含水量呈顯著相關(guān)外，其余土壤養(yǎng)分與理化性質(zhì)的相關(guān)性不強。復(fù)墾地覆土厚度對土壤全氮和速效鉀的含量影響不顯著，但對有效磷的含量影響較大，當(dāng)覆土較薄時（0～40 cm）時，土壤有效磷含量顯著高于覆土較厚的土壤。

致謝：德國奧斯納布呂克應(yīng)用技術(shù)大學(xué)土壤學(xué)課題組E. Weiss和B. Marx等在試驗與數(shù)據(jù)處理工作上給予了幫助，在此表示感謝。

參考文獻：

[1] CAO D Z， SELIC E， JAN HERBELL D. Utilization of fly ash from coal-fired power plants in China[J]. Journal of Zhejiang University -Science A，2008，9（5）：681-687.

[2] 陳孝楊，嚴家平，ANLAUF R.粉煤灰和砂壤土混合后水力學(xué)特征參數(shù)的試驗研究[J].煤炭工程，2012（9）：101-103.

[3] PANDEY V C， SINGH N. Impact of fly ash incorporation in soil systems[J]. Agriculture， Ecosystems and Environment，2010， 136：16-27.

[4] 徐金芳，楊 洋，常智慧，等.粉煤灰農(nóng)業(yè)利用的研究進展[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，50（23）：4771-4774.

[5] 劉 莉，楊 盡，蘇小麗.粉煤灰在土壤改良中的機理研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（31）：17512-17513，17525.

[6] 崔龍鵬，劉培陶，白建峰，等.淮南粉煤灰處置場周圍土壤中若干金屬污染調(diào)查[J]. 土壤通報，2008，39（3）：660-664.

[7] 胡振琪，戚家忠，司繼濤.粉煤灰充填復(fù)墾土壤理化性狀研究[J]. 煤炭學(xué)報，2002，27（6）：639-643.

[8] 王煜琴，李新舉，胡振琪，等.煤礦區(qū)復(fù)墾土壤壓實時空變異特性[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009，25（5）：223-227.

[9] 丁青坡，王秋兵，魏忠義，等.撫順礦區(qū)不同復(fù)墾年限土壤的養(yǎng)分及有機碳特性研究[J].土壤通報，2007，38（2）：262-267.

[10] 張乃明，武雪萍，谷曉濱，等.礦區(qū)復(fù)墾土壤養(yǎng)分變化趨勢研究[J].土壤通報，2003，34（1）：58-60.

[11] 于君寶，王金達，劉景雙，等.礦山復(fù)墾土壤營養(yǎng)元素時空變化研究[J].土壤學(xué)報，2002，39（5）：750-753.