施用脫硫廢棄物對(duì)寧夏鹽堿土壤重金屬含量的影響

羅成科　張峰舉　肖國(guó)舉

摘要：為了順利推進(jìn)利用脫硫廢棄物改良河套地區(qū)鹽堿地技術(shù)的示范推廣，跟蹤檢測(cè)了寧夏鹽堿土壤重金屬含量的變化。研究發(fā)現(xiàn)，供試脫硫廢棄物的汞（Hg）、砷（As）、鉻（Cr）、鉛（Pb）、鎘（Cd）含量均低于國(guó)家限量標(biāo)準(zhǔn)和土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；施用脫硫廢棄物后，堿（化）、鹽化、次生鹽漬化3種類型的土壤中重金屬含量，以及種植不同作物的堿化土壤中重金屬含量均未超過(guò)國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（GB15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》）；連續(xù)改良4年的堿化土壤跟蹤監(jiān)測(cè)結(jié)果也證實(shí)，脫硫廢棄物的施用沒有造成土壤環(huán)境的污染，說(shuō)明脫硫廢棄物的農(nóng)業(yè)資源化利用是安全的。

關(guān)鍵詞：脫硫廢棄物；鹽堿地；土壤改良

中圖分類號(hào)： X53；S156.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2015）11-0475-03

收稿日期：2014-11-10

基金項(xiàng)目：寧夏高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（編號(hào)：NGY2014015）；寧夏大學(xué)自然科學(xué)基金（編號(hào)：ZR1322）；寧夏重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（科技惠民）（編號(hào)：2015KJHM26）。

作者簡(jiǎn)介：羅成科（1979—），男，寧夏海原人，博士，副研究員，主要從事鹽堿地改良與利用方面的研究。E-mail：chkluo2002@163.com。黃河河套地區(qū)（以下簡(jiǎn)稱河套地區(qū)）有灌溉農(nóng)田超過(guò)100多萬(wàn)hm2，但1/3以上存在不同程度的土壤鹽漬化問(wèn)題，其中還有60萬(wàn)hm2以上鹽堿荒地。土壤鹽漬化問(wèn)題嚴(yán)重制約著該地區(qū)農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力的提高、綠洲生態(tài)系統(tǒng)的建設(shè)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。燃煤電廠排放的脫硫廢棄物主要含有CaSO4、CaSO3，并富含硫（S）、鈣（Ca）、硅（Si）等植物必需或有益的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)，因而在土壤改良上具有廣泛的應(yīng)用前景[1]。目前，已在我國(guó)的黑龍江省[2]、遼寧省[3]、內(nèi)蒙自治區(qū)[4]、寧夏回族自治區(qū)[5]、新疆維吾爾自治區(qū)[6]、山西省[7]、天津市[8]、廣東省[9]等地付諸實(shí)施，并取得了效果顯著。然而，與化肥不同，脫硫廢棄物是一種工業(yè)副產(chǎn)物，含有一定量的汞（Hg）、砷（As）、鉛（Cr）、鉻（Pb）、鎘（Cd）等重金屬離子[10]。施用脫硫廢棄物可能會(huì)對(duì)土壤和作物造成一定負(fù)面影響，該問(wèn)題一直以來(lái)備受人們關(guān)注。因此，本試驗(yàn)對(duì)示范區(qū)土壤重金屬離子含量進(jìn)行了測(cè)試分析，以期為脫硫廢棄物改良鹽堿地的農(nóng)業(yè)資源化利用提供科學(xué)依據(jù)，以便更好地從大尺度上確保土壤質(zhì)量安全。

1材料與方法

1.1示范區(qū)概況

示范區(qū)包括堿化土壤示范區(qū)、鹽化土壤示范區(qū)和次生鹽漬化土壤示范區(qū)[11]。其中，堿化土壤示范區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)平羅前進(jìn)農(nóng)場(chǎng)西大灘，該基地地處河套平原西南部，地勢(shì)平緩低洼，土壤為堿（化）土壤，鹽分組成以碳酸鈉-重碳酸鈉為主，一般地下水深1.5 m左右，堿化度為15%～60%，總堿度為0.20～0.65 cmol/kg，pH值為8.0～10.4，全鹽含量為2.5～6.5 g/kg，土質(zhì)黏重、透水性差。鹽化土壤示范區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)石嘴山市惠農(nóng)區(qū)，該基地地處河套地區(qū)西北角（寧蒙交界地帶），土壤鹽分組成以氯化物硫酸鹽或硫酸鹽氯化物為主，全鹽含量6 g/kg左右，pH值9左右，堿化度9.8%～19.3%，總堿度0.24～0.63 cmol/kg，地下水深1.0～1.5 m，礦化度10～30 g/L。次生鹽漬化土壤示范區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)中部干旱帶紅寺堡開發(fā)區(qū)，由于不合理灌溉致使該地區(qū)土壤發(fā)生次生鹽漬化，土壤鹽分組成以硫酸鹽氯化物或氯化物硫酸鹽為主。3個(gè)示范區(qū)灌排條件較為完善，適宜利用燃煤脫硫廢棄物進(jìn)行鹽堿地改良。

1.2試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選擇油葵、甜高粱、甜菜、枸杞和玉米，脫硫廢棄物來(lái)自內(nèi)蒙古海渤灣發(fā)電廠（表1）。

1.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)

大田示范脫硫廢棄物施用量參照肖國(guó)舉等推算出的施用量公式[12]，共設(shè)2個(gè)處理，即對(duì)照（CK）：0 kg/hm2；處理（T）：堿化土壤中脫硫廢棄物施用量為22.50×103 kg/hm2，鹽化土壤和次生鹽漬化土壤中均為6.0×103 kg/hm2。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的要求，播前結(jié)合整地將脫硫廢棄物一次性均勻施于地表，機(jī)械耕翻20 cm，使其與土壤充分混勻。

1.4測(cè)定方法

測(cè)定脫硫廢棄物和改良后土壤中Hg、As、Cr、Pb、Cd重金屬元素含量，土樣取自0～20 cm耕作層。測(cè)定方法：Hg采用硝酸-鹽酸消解、As采用鹽酸-硫酸消解，原子熒光光度法測(cè)定（NY/T 1121.10—2006《土壤檢測(cè)第10部分：土壤總汞的測(cè)定》、NY/T 1121.11—2006《土壤檢測(cè)第11部分：土壤總砷的測(cè)定》）；Cr采用鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸消解，火焰原子吸收分光光度法測(cè)定（HJ491—2009《土壤總鉻的測(cè)定火焰原子吸收分光光度法》）；Pb和Cd采用鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸消解，石墨爐原子吸收分光光度法測(cè)定（GB/T 17141—1997《土壤質(zhì)量鉛、鎘的測(cè)定石墨爐原子吸收分光光度法》）。

2結(jié)果與分析

2.1脫硫廢棄物重金屬含量

脫硫廢棄物重金屬含量不僅明顯低于GB 8173—1987《農(nóng)用粉煤灰中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》，而且低于GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（表1），說(shuō)明施用脫硫廢棄物是安全的。

2.2脫硫廢棄物對(duì)不同類型土壤重金屬含量的影響

測(cè)試分析結(jié)果表明，3種類型土壤（包括處理和對(duì)照）中5種重金屬元素含量變化遠(yuǎn)低于國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》），但處理組和對(duì)照組中重金屬元素的含量變化略有不同，具體表現(xiàn)為對(duì)于Hg和Cr來(lái)說(shuō)，除在鹽化土壤中處理組比對(duì)照組略有增加外，另外2種類型土壤處理和對(duì)照相比變化不明顯；對(duì)于As來(lái)說(shuō)，3種類型土壤中處理組和對(duì)照組相比無(wú)明顯變化；對(duì)于Pb來(lái)說(shuō)，除在次生鹽漬化土壤中處理組比對(duì)照組有所增加外，其他2種類型土壤處理組和對(duì)照組相比變化不明顯；對(duì)于Cd來(lái)說(shuō)，在堿化土壤和次生鹽漬化2種土壤中處理組比對(duì)照組都有所增加，而在鹽化土壤中這種變化表現(xiàn)不明顯（圖1、圖2）。

2.3脫硫廢棄物對(duì)種植不同植物的堿化土壤重金屬的影響

施用脫硫廢棄物后，種植不同植物堿化土壤中重金屬含量表現(xiàn)出不同的變化。對(duì)Hg、As、Pb、Cd含量來(lái)說(shuō)，除種植甜高粱的處理高于對(duì)照外，在種植其余4種植物的處理中，元素含量與對(duì)照無(wú)明顯差異；Cr含量變化較為復(fù)雜，種植甜菜和油葵的處理高于對(duì)照，種植枸杞的處理低于對(duì)照，種植甜高粱和玉米的處理和對(duì)照之間變化不明顯（圖3、圖4）。總的來(lái)說(shuō)，無(wú)論是處理組還是對(duì)照組，堿化土壤中5種重金屬含量變化范圍小，明顯低于國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》）。

2.4連續(xù)改良4年的堿化土壤重金屬含量跟蹤監(jiān)測(cè)

連續(xù)改良4年的堿化土壤是指第1年一次性施用脫硫廢棄物，之后3年不再施用脫硫廢棄物的土壤。針對(duì)同一示范地，進(jìn)行了連續(xù)4年跟蹤監(jiān)測(cè)，由圖5、圖6結(jié)果可知，土壤中5種重金屬含量的變化并不隨改良年限的增加呈有規(guī)律的升高或降低趨勢(shì)，總的變化趨勢(shì)是連續(xù)改良4年后的土壤重金屬含量略高于或接近改良前土壤重金屬含量。具體表現(xiàn)為改良1年后，除As相對(duì)于對(duì)照略有增加外，其余4種重金屬元素含量均有所降低；改良2年后，As含量降低到了對(duì)照水平，Pb含量繼續(xù)下降，Cr含量上升并接近對(duì)照水平，Hg含量有所回升但仍低于對(duì)照，Cd含量相對(duì)于改良1年增加了將近一倍，高于對(duì)照；改良3年后，As元素含量維持在改良2年的水平，Pb含量升高但仍低于對(duì)照，Cr含量略有下降，Hg含量的升高水平已大于對(duì)照，Cd含量降至低于對(duì)照水平；改良4年后，As、Cr、Hg元素含量基本恢復(fù)到對(duì)照水平，Pb、Cd含量略高于對(duì)照或與對(duì)照相當(dāng)；盡管施用脫硫廢棄物改良?jí)A化土壤中造成了重金屬含量的不規(guī)律變化，但連續(xù)4年的跟蹤結(jié)果表明，土壤中5種重金屬含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》）（圖5、圖6）。

3討論

與石膏相比，脫硫廢棄物具有投資小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，近些年來(lái)已被許多研究者用來(lái)改良鹽堿地和酸性土壤，取得了見效快、改良效果顯著等社會(huì)效應(yīng)。但在施用脫硫廢棄物改良土壤的過(guò)程中，會(huì)將一些重金屬元素帶入土壤，可能會(huì)導(dǎo)致土壤環(huán)境和作物安全等問(wèn)題。為使脫硫廢棄物的利用在產(chǎn)生社會(huì)效應(yīng)的同時(shí)，最大化帶來(lái)生態(tài)效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)，真正實(shí)現(xiàn)脫硫廢棄物的工農(nóng)業(yè)良性循環(huán)，分析評(píng)價(jià)其對(duì)土壤環(huán)境和作物安全的影響很重要。已有文獻(xiàn)報(bào)道，僅選用某一種類型土壤進(jìn)行脫硫廢棄物改良?jí)A化土壤種植玉米[13]、紫花苜蓿[14]、枸杞[15]的田間試驗(yàn)，也有改良次生鹽漬化土壤種植油葵的田間試驗(yàn)[16]，也有改良酸性土壤種植紫花苜蓿的田間試驗(yàn)[17]和種植豆科作物的盆栽試驗(yàn)[18]，這些研究結(jié)果均表明脫硫廢棄物的施用沒有引起土壤重金屬污染。本試驗(yàn)系統(tǒng)地研究了施用脫硫廢棄物對(duì)不同類型土壤重金屬含量、對(duì)種植不同作物條件下土壤重金屬含量以及對(duì)不同年際土壤重金屬含量變化的影響，結(jié)果表明脫硫石膏中重金屬含量低于GB 8173—1987《農(nóng)用粉煤灰中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》和GB15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，施用脫硫廢棄物后處理組土壤中5種重金屬元素含量與對(duì)照組無(wú)明顯差異。連續(xù)4年的跟蹤監(jiān)測(cè)試驗(yàn)也說(shuō)明，土壤中重金屬元素含量并不隨改良年限的增加而呈有規(guī)律的變化?？傊趬A化土壤中施用22.50×103 kg/hm2的脫硫廢棄物以及在鹽化土壤和次生鹽漬化土壤中施用6.0×103 kg/hm2的脫硫廢棄物沒有引起土壤重金屬元素含量變化，脫硫廢棄物在寧夏農(nóng)業(yè)上的資源化利用是安全的。

施用脫硫廢棄物沒有造成土壤環(huán)境的污染，也沒有引起作物中重金屬元素含量超標(biāo)（數(shù)據(jù)未發(fā)表）。重金屬元素隨添加的脫硫廢棄物而進(jìn)入了土體，并發(fā)生了遷移和重新分布，檢測(cè)結(jié)果表明土壤中重金屬含量并未超過(guò)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其原因可能與脫硫廢棄物能降低土壤對(duì)重金屬的吸附有關(guān)[19]。為了從根本上解釋土壤環(huán)境和作物安全問(wèn)題，還需進(jìn)一步開展施用脫硫石膏引起土壤重金屬的形態(tài)、分布、遷移及其穩(wěn)定固定重金屬機(jī)理等相關(guān)研究。

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