施加脫硫石膏對(duì)蘇打鹽化土不同層次主要離子的影響

崔媛，張強(qiáng)，王斌，黃高鑒，李麗君

（1.山西大學(xué)生物工程學(xué)院，山西太原030006；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西太原030031）

施加脫硫石膏對(duì)蘇打鹽化土不同層次主要離子的影響

崔媛1，張強(qiáng)2，王斌2，黃高鑒2，李麗君2

（1.山西大學(xué)生物工程學(xué)院，山西太原030006；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西太原030031）

通過土柱淋洗試驗(yàn)，研究重度蘇打鹽化土施加不同量的脫硫石膏（0，5.5，11，22，33 g/kg）后，土壤不同層次（0～20，20～40，40～60 cm）主要鹽離子的累積規(guī)律，闡明不同用量脫硫石膏對(duì)重度蘇打鹽化土的改良效果。結(jié)果顯示，施用脫硫石膏可以有效降低蘇打鹽化土pH值，提高土壤導(dǎo)水能力，促進(jìn)有害離子Na+的淋洗；脫硫石膏改良后表層（0～20 cm）土壤含量和pH值降幅最大，表層（0～20 cm）改良效果最好；和Na+在淋洗作用下向下遷移，呈現(xiàn)和Na+在土壤底層（40～60 cm）累積；添加脫硫石膏的處理Ca2+和在土壤表層（0～20 cm）顯著增加（P＜0.05）；土壤pH值與土壤層次間呈顯著正相關(guān)（P＜0.05，r＝0.855）；蘇打鹽化土改良效果與脫硫石膏用量并不呈正相關(guān)關(guān)系。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，22 g/kg脫硫石膏用量的改良淋洗效果較好。

脫硫石膏；蘇打鹽化土；鹽離子；改良效果

煤炭燃燒會(huì)產(chǎn)生大量的SO2有害氣體，為此國(guó)家要求采用濕式石灰石-石膏法脫硫工藝進(jìn)行煙氣脫硫[1]，以減少環(huán)境污染。山西作為煤炭大省，每年將產(chǎn)生大量的脫硫廢棄物，并且這種脫硫副產(chǎn)物在逐年遞增，如果不能合理地處置會(huì)造成土地和資源浪費(fèi)。

近年來，脫硫石膏被廣泛地應(yīng)用于改良鹽堿地。脫硫石膏主要成分是CaSO4·2H2O[2]，溶解后的鈣離子與土壤中的堿性物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)，能代換出土壤中的鈉離子[1]，在淋洗條件下排出土體。脫硫石膏在鹽堿土壤改良中具有廣闊的應(yīng)用前景，研究?jī)?nèi)容主要包括利用脫硫石膏改良鹽堿地的施用量、施用方式、施用時(shí)期、灌水量以及對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響等[3-8]。有研究表明，脫硫石膏能有效降低蘇打鹽化土的pH值、ESP和TDS，提高土壤飽和導(dǎo)水率[3-5]。利用脫硫石膏改良鹽堿地不僅可以避免環(huán)境污染，還可以擴(kuò)大耕地面積，實(shí)現(xiàn)資源再利用，對(duì)于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

山西省有鹽堿地30.13萬hm2，其中，以大同盆地鹽堿地面積最大，達(dá)到17.3萬多hm2，而且集中連片，治理難度大。

本研究采用室內(nèi)土柱淋洗模擬試驗(yàn)，在蘇打鹽化土表層（0～20 cm）施加脫硫石膏后，以明確土壤不同層次鹽離子的累積規(guī)律，并且通過對(duì)土壤離子淋洗的研究，探討了脫硫石膏對(duì)重度蘇打鹽化土的改良效果，旨在為合理施用脫硫石膏改良大同蘇打鹽化土提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試土壤采自大同天鎮(zhèn)天翔農(nóng)場(chǎng)鹽堿地改良示范基地（東經(jīng)113°53′～114°32′，北緯40°9′～40°40′）未經(jīng)改良的蘇打鹽化土壤。采集0～20，20～40，40～60 cm土層，經(jīng)過陰干、過5 mm篩充分?jǐn)噭蚝髠溆?。土柱為PVC管，高80 cm，直徑16 cm，底部有出水口。供試土壤的理化性質(zhì)列于表1。脫硫石膏取自太原第一熱電廠，其理化性質(zhì)列于表2。

表1 供試土壤的基本理化性質(zhì)

表2 脫硫石膏的基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境與資源研究所實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。土柱內(nèi)先放置與內(nèi)徑一致的PVC滲濾孔板，上面加0.57kg石英砂，分土層（0～20，20～40，40～60 cm）將土裝入土柱，每層均勻壓實(shí)到20 cm，各處理管理措施一致。淋洗試驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)處理：CK.不施加脫硫石膏；T1.脫硫石膏施用量5.5 g/kg；T2.脫硫石膏施用量11 g/kg；T3.脫硫石膏施用量22 g/kg；T4.脫硫石膏施用量33 g/kg，每個(gè)處理重復(fù)4次。按照試驗(yàn)方案將脫硫石膏與表層土壤（0～20 cm）混合均勻，為保持均勻滲透，表層加上3層濾紙，用去離子水至上而下進(jìn)行淋洗，使土壤水分達(dá)到最大持水量，靜置7 d。之后每次加去離子水400 mL，每隔10 d淋洗一次。淋洗結(jié)束后，土壤分層次（0～20，20～40，40～60 cm）測(cè)定Na+，Ca2+，的含量。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

按照《土壤農(nóng)化分析》[9]，Ca2+采用EDTA滴定法測(cè)定采用稀硫酸中和滴定法測(cè)定；Na+采用火焰光度法測(cè)定采用硫酸鋇比濁法測(cè)定；pH值采用酸度計(jì)測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Minitab和Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 脫硫石膏對(duì)土壤不同層次Na+的影響

不同脫硫石膏用量下分層土壤（0～20，20～40，40～60 cm）Na+含量的變化如圖1所示。

從圖1可以看出，土層0～20 cm，隨著脫硫石膏用量的增大，土壤Na+含量逐漸降低，對(duì)照土壤中Na+含量顯著高于其他處理（P＜0.05）。土層20～40 cm，對(duì)照土壤中Na+含量最高，施加脫硫石膏的處理土壤中Na+含量差異不大，保持在0.94～0.97 g/kg范圍內(nèi)。土層40～60 cm，隨著脫硫石膏用量的增大，土壤Na+含量呈先降后升的變化趨勢(shì)。處理CK，T1，T2，T3，T4土壤中Na+含量隨著土層的加深變化趨勢(shì)一致，與土壤層次呈顯著正相關(guān)（P＜0.05，r＝0.909）。由試驗(yàn)結(jié)果可以得出，脫硫石膏對(duì)土壤Na+的淋洗效果較好，Na+向著土壤深層累積，可減少對(duì)作物生長(zhǎng)的影響。

方差分析表明，與對(duì)照相比，施加脫硫石膏后，土壤Na+的含量顯著降低（P＜0.05）；土層0～20 cm，各處理相比，土壤Na+的含量差異顯著（P＜0.05）；土層20～40 cm和土層40～60 cm，施加脫硫石膏的各處理土壤Na+含量間差異不顯著（P＞0.05）。

2.2 脫硫石膏對(duì)土壤不同層次Ca2+的影響

不同脫硫石膏用量下分層土壤（0～20，20～40，40～60 cm）Ca2+含量的變化如圖2所示。結(jié)果顯示，土層0～20 cm，隨著脫硫石膏用量的增大，土壤Ca2+含量先升高后降低，對(duì)照土壤中Ca2+含量最低。土層20～40 cm，對(duì)照土壤中Ca2+含量顯著高于其他處理（P＜0.05），施加脫硫石膏的處理間土壤中Ca2+含量差異不顯著。土層40～60 cm，各處理土壤中Ca2+含量特別低，在0.018～0.024 g/kg范圍內(nèi)波動(dòng)。處理CK，T1，T2，T3，T4土壤中Ca2+含量隨著土層的加深變化趨勢(shì)一致，與土壤層次呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05，r＝-0.732）。由試驗(yàn)結(jié)果可以得出，脫硫石膏對(duì)增加表層土壤Ca2+效果較好，有利于土壤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

方差分析表明，土層0～20 cm，與對(duì)照相比，處理T2，T3土壤中Ca2+的含量顯著升高（P＜0.05）；土層20～40 cm，CK與T1，T2，T3，T4土壤中Ca2+的含量差異顯著（P＜0.05）；土層40～60 cm，各處理土壤Ca2+含量之間差異不顯著（P＞0.05）。

2.3 脫硫石膏對(duì)土壤不同層次SO42-的影響

不同脫硫石膏用量下土壤分層（0～20，20～40，40～60 cm）含量的變化如圖3所示。從圖3可以看出，土層0～20 cm，隨著脫硫石膏用量的增大，土壤含量先升高后降低，對(duì)照土壤中含量最低。土層20～40 cm，對(duì)照土壤中含量顯著高于其他處理（P＜0.05），施加脫硫石膏的處理間土壤中含量差異不顯著。土層40～60 cm，土壤中含量隨著脫硫石膏用量的增大先降低后升高，對(duì)照土壤中含量顯著高于其他處理（P＜0.05）。對(duì)照與T1，T2，T3，T4處理相比，土壤中含量隨著土壤層次加深變化趨勢(shì)不一致，對(duì)照土壤中含量與土壤層次間呈顯著正相關(guān)（P＜0.05，r＝0.951），T1，T2，T3，T4處理土壤中含量與土壤層次間呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05，r＝-0.811）。由試驗(yàn)結(jié)果可知，脫硫石膏對(duì)增加表層土壤效果較好，隨著土層增加含量逐漸減少。

方差分析表明，土層0～20 cm，與對(duì)照相比，處理T2，T3土壤中的含量顯著升高（P＜0.05）；土層20～40 cm和土層40～60 cm，CK與T1，T2，T3，T4土壤中含量差異顯著（P＜0.05），土層20～40 cm施加脫硫石膏的各處理土壤含量之間差異不顯著（P＞0.05）。

2.4 脫硫石膏對(duì)土壤不同層次CO32-的影響

不同脫硫石膏用量下土壤分層（0～20，20～40，40～60 cm）CO32-含量的變化如表3所示。

表3 不同脫硫石膏用量下土壤分層含量的變化g/kg

表3 不同脫硫石膏用量下土壤分層含量的變化g/kg

土層深度/cm 0～20 20～40 40～60原始土0.12 0.22 0.26 CK 0.09 0.17 0.28 T1＜0.002＜0.002 0.143 T2＜0.002＜0.002 0.227 T3＜0.002＜0.002 0.283 T4＜0.002＜0.002 0.193

由表3可知，施加脫硫石膏的處理土層（0～40 cm）土壤中含量均低于檢測(cè)值0.002 g/kg，顯著降低了原土的含量，對(duì)照和原土土壤各個(gè)層次含量變化不大。土層40～60 cm，施加脫硫石膏的處理土壤中含量隨著改良劑用量的增大先升高后降低。由試驗(yàn)結(jié)果可知，脫硫石膏對(duì)土壤淋洗效果較好，在淋洗作用下向土壤底層累積。

2.5 脫硫石膏對(duì)土壤不同層次pH值的影響

不同脫硫石膏用量下，土壤pH值變化情況如圖4所示。由圖4可知，隨著脫硫石膏用量的增大，土壤pH值逐漸降低。對(duì)照土壤pH值顯著高于其他處理（P＜0.05），且pH值隨著土壤層次加深變化差異不大，均在10以上。處理T1，T2，T3，T4的pH值隨著土壤層次的加深逐漸升高，土壤pH值與土壤層次間呈顯著正相關(guān)（P＜0.05，r＝0.855）。由試驗(yàn)結(jié)果可以得出，脫硫石膏對(duì)表層土壤0～20 cm改良效果較好。

3 討論

3.1 施用脫硫石膏對(duì)土壤不同層次主要離子含量的影響

影響堿化土壤作物生長(zhǎng)的2個(gè)關(guān)鍵因素是代換性Na+和pH值[8]。陽離子代換性能通常是評(píng)價(jià)土壤保水保肥能力的重要指標(biāo)，尤其對(duì)堿化土壤來說，則是更為重要的土壤改良指標(biāo)，堿化土壤的許多不良性質(zhì)與其含有大量的代換性Na+密切相關(guān)[14]。施加脫硫石膏后蘇打鹽化土Na+和pH值顯著降低；同時(shí)，脫硫石膏提高了淋洗的速度，較對(duì)照不添加脫硫石膏的處理土壤導(dǎo)水性有所提高，有利于Na+的淋洗，降低了土壤堿性，土壤結(jié)構(gòu)得到了優(yōu)化和改良。

不同用量的脫硫石膏對(duì)土壤鹽離子的淋洗效果影響不同。對(duì)于Na+來說，土層0～20 cm土壤施加脫硫石膏后，Na+的含量分別由原土的1.92 g/kg下降到0.01～0.14 g/kg，處理33 g/kg用量下降幅度最為顯著。這是因?yàn)槊摿蚋碑a(chǎn)物改良?jí)A化土壤的原理，就是利用脫硫石膏中含有的Ca2+對(duì)土壤膠體吸附的Na+進(jìn)行置換，并通過淋洗將其排出土體，以達(dá)到治堿改土的目的[2]。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，隨著脫硫石膏用量的增大，Na+淋洗效果越好。與對(duì)照相比，施加脫硫石膏也顯著降低了土層20～60 cm土壤Na+的含量，但是施加脫硫石膏的各處理差異不顯著，這是因?yàn)槊摿蚴嗯c表層（0～20 cm）土壤混合，土層越深，淋洗效果越差，脫硫石膏用量不同造成淋洗效果差異并不顯著。

對(duì)于Ca2+和來說，土層0～20 cm土壤施加脫硫石膏后Ca2+和含量顯著高于對(duì)照，這是因?yàn)榱芟礂l件下，表層施用脫硫石膏大量溶解。隨著脫硫石膏用量的增加，Ca2+和含量先升高后降低，其中，處理11～22 g/kg用量下Ca2+和含量較大，這與脫硫石膏用量越大，土壤Ca2+和越多不符。其原因可能是由于淋洗過程中，脫硫石膏會(huì)隨淋洗液排出造成滲漏損失[11]。淋洗初期石膏溶解量大，轉(zhuǎn)換量大，淋洗效果和脫硫石膏用量間呈正相關(guān)，雖然也有石膏滲漏但不起決定性作用[16]。淋洗后期，土壤通透性改變，間接加速土壤鹽分的淋洗速率和滲漏量，溶解量和轉(zhuǎn)換量低于脫硫石膏滲漏量，脫硫石膏用量越大淋洗流失量也比較大[12]，所以，33 g/kg用量下Ca2+和含量反而較少。

土壤鹽離子在土壤各層次有不同的累積規(guī)律。隨著土層的加深，施加脫硫石膏土壤Na+和向下累積，原因是脫硫石膏增加了土壤溶液Ca2+含量，土壤膠體對(duì)Ca2+具有較高的吸附選擇性，Ca2+置換出吸附在土壤膠體表面的Na+，使土壤Na+較對(duì)照更易于淋洗，在水作用下向下遷移，土層0～20 cm土壤中Na+含量最低[13]。pH值降低后，土壤中CaCO3加速水解，進(jìn)而提高的淋洗，0～40 cm土層含量最低[13]。施加脫硫石膏后，表層0～20 cm土壤脫硫石膏與土壤混合大量溶解，顯著增大了Ca2+和含量，土壤Ca2+和與土層間呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05，r＝-0.732，r＝-0.811）。對(duì)照土壤在淋洗作用下Na+，和向下遷移，由于淋洗過程中沒有收集到淋洗液，鹽離子沒有排出土體，在土壤底層累積。對(duì)照土壤Ca2+變化較為特別，與土壤層次間呈顯著負(fù)相關(guān)，并沒有在土壤底層累積。這是由于土壤膠體對(duì)Ca2+具有較高的吸附選擇性，Ca2+移動(dòng)性差[13]，在土壤深層含量很低[15]。

3.2 施用脫硫石膏對(duì)土壤pH值的影響

淋洗后，不同處理的pH值都得到了降低，并且施加脫硫石膏的處理要明顯低于對(duì)照，表層（0～20 cm）土壤pH值低于底層（20～40，40～60 cm）土壤，表層淋洗效果較好，因此，脫硫石膏顯著改善了土壤的理化性質(zhì)。表層0～20 cm土壤pH值隨著脫硫石膏用量的增加呈先降低后升高的趨勢(shì)，說明蘇打鹽化土壤的改良效果與脫硫石膏用量并不呈正相關(guān)關(guān)系，必須選擇適宜的脫硫副產(chǎn)物用量。22 g/kg脫硫石膏用量下，土壤各個(gè)層次pH值降幅最顯著，改良效果最好。

4 結(jié)論

土柱淋洗條件下，表施脫硫石膏后，土層0～20 cm土壤可溶性鹽分離子發(fā)生了明顯變化，施用脫硫石膏的處理土壤Na+和含量顯著低于對(duì)照，和Ca2+含量較對(duì)照顯著升高。脫硫石膏改善了土壤的理化性質(zhì)，增加了土壤的導(dǎo)水能力，游離的和置換出的Na+在水作用下向下遷移，呈現(xiàn)出Na+和在土壤底層累積。施用脫硫石膏能夠顯著降低土壤的pH值，表層0～20 cm土壤改良效果最好。蘇打鹽化土壤的改良效果與脫硫石膏用量并不呈正相關(guān)關(guān)系。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，22 g/kg脫硫石膏用量的改良淋洗效果較好，土壤pH值和Na+含量由原來的10.3和1.92 g/kg下降到7.66和0.04 g/kg。

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Effect of Desulfurization Gypsum on Leaching of Major Ions in Different Heavy Soda Saline Soil Layers

CUI Yuan1，ZHANG Qiang2，WANG Bin2，HUANG Gao-jian2，LI Li-jun2
（1.College of Biological Engineering，Shanxi University，Taiyuan 030006，China；2.Institute of Agricultural Environment&Resources，Shanxi Academy of Agricultural Sciences，Taiyuan 030031，China）

To clarify the effectiveness of different dosage of flue gas desulfurization gypsum for improvement effect on heavy soda saline soil and provide scientific basis for the soda-saline soil in Datong,a soil-column leaching experiment was done to study the varying pattern of salt ionsof different soil layers（0-20,20-40,40-60 cm）in leachate under different dose of desulfurization gypsum（0,5.5,11,22,33 g/kg）applying into tested soil.The results showed that soil pH significantly decreased,soil infiltration velocity was improved and elution efficiency of Na+had being deeply promoted by applying the desulfurization gypsum.The Na+content,content and soil pH had a pretty significant drop at topsoil layers（0-20 cm）and the effect of improvement at topsoil layers（0-20 cm）was the best.The direction of Na+andmigration was down,which led to Na+andaccumulate at the base of the soil layers（40-60 cm）.Theincreased significantly at topsoil layers（0-20 cm）by desulfurised gypsum application（P＜0.05）.Soil pH and soil layer had significant positively correlation（P＜0.05,r=0.855）.The effect of improvement and the amount of desulfurization gypsum were not positively correlated.The optimum application rate of desulfurised gypsum was 22 g/kg.

gesulfurization gypsum;soda saline soil;salt ions（improvement effect

S156.4＋4

A

1002-2481（2016）01-0048-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.01.14

2015-10-13

國(guó)家星火重大專項(xiàng)（2012GA630001）；山西省回國(guó)留學(xué)人員科研資助項(xiàng)目（2014-097）；山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院重點(diǎn)項(xiàng)目（YZD1415）

崔媛（1989-），女，山西長(zhǎng)治人，在讀碩士，研究方向：土壤修復(fù)。李麗君為通信作者。