脫硫石膏配施聚馬來(lái)酸酐對(duì)堿化土壤的改良效果研究

田 野，劉善江*，馮浩杰

(1.北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源研究所，北京 100097；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100094)

根據(jù)農(nóng)業(yè)部組織的第二次全國(guó)土壤普查資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)鹽漬土面積為0.35億hm2(不包括濱海灘涂)，其中堿土86.7萬(wàn)hm2，各類鹽化、堿化土壤面積為0.18億hm2[1]。面對(duì)城市化、經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)的強(qiáng)勁土地需求，數(shù)以億公頃計(jì)的堿土及堿化土壤的巨大開發(fā)潛力，是保障1.2億hm2耕地和糧食安全的重要途徑[2]。鹽堿地改良是世界性難題，其頑固性和反復(fù)性是治理鹽堿的主要障礙因素。

脫硫石膏是目前應(yīng)用較為廣泛的鹽漬化土壤改良劑[3-4]，含有豐富的Ca、S等植物必需的中量元素，為植物的生長(zhǎng)提供養(yǎng)分[5]，提高作物產(chǎn)量[6]。脫硫石膏作為堿化土壤改良劑已經(jīng)越來(lái)越受到重視[2，7-11]，具有十分廣泛的應(yīng)用前景[12]。脫硫石膏通過(guò)增加土壤中的Ca2+濃度，置換土壤膠體上的交換性Na+，降低土壤堿化度，加快土體排鹽效率，從而達(dá)到改良鹽堿土的目的，但脫硫石膏在堿化土壤中的溶解速率是改良過(guò)程中的限速環(huán)節(jié)，如何增加脫硫石膏的溶解速率成為提高堿土改良速度、降低改良年限的關(guān)鍵。聚馬來(lái)酸酐原作為水體除垢劑使用，與碳酸鈣、硫酸鈣相互作用使之溶解不產(chǎn)生沉淀；聚馬來(lái)酸酐在田間試驗(yàn)是否能明顯提高脫硫石膏的溶解速率、增強(qiáng)脫硫石膏的改良效果，目前尚缺乏研究。本試驗(yàn)結(jié)合了目前國(guó)內(nèi)對(duì)堿化土壤改良的評(píng)價(jià)方法[13-15]，研究了水稻種植模式下不同用量脫硫石膏對(duì)堿土的改良效果，同時(shí)進(jìn)行了脫硫石膏配施聚馬來(lái)酸酐對(duì)降低土壤鹽堿危害、提高改良效率的研究。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地位于吉林省大安市四棵樹鄉(xiāng)建設(shè)村。該地區(qū)海拔高度130～140 m，氣候類型屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均降水量為413.7 mm，年蒸發(fā)量超過(guò)1 200 mm。試驗(yàn)地全年日照時(shí)數(shù)平均3 012.8 h，年平均氣溫4.3℃，全年日平均氣溫≥10℃的積溫為2 921.3℃。試驗(yàn)地土壤pH值在9.0以上，堿化度在20%以上；土壤濕黏干硬，通透性極差，地表常有白色鹽分積淀。

1.2 供試材料

供試土壤：供試土壤類型為草甸堿土，具有堿化、鹽化同時(shí)存在的特點(diǎn)。土壤的基本理化性質(zhì)為：pH值9.41，電導(dǎo)率(EC)1.029 mS·cm-1，陽(yáng)離子交換總量(CEC)20.2 cmol·kg-1，堿化度27.1%，可溶性鹽總量9.22 g·kg-1，堿解氮36.7 mg·kg-1，有效磷17.5 mg·kg-1，速效鉀 155 mg·kg-1，容重1.42 g·cm-3。

供試作物：種植作物為水稻，水稻品種為“白稻8號(hào)”。

供試肥料：供試肥料為普通尿素(N 46%)，復(fù)合肥(N 15%，P2O518%，K2O 12%)。

供試土壤改良劑：脫硫石膏(Desulfurization gypsum，簡(jiǎn)稱DG)，其主要成分見表1。聚馬來(lái)酸酐(Polymaleic anhydride，下文簡(jiǎn)稱“HPMA”)是一種高分子聚合物，可以活化土壤中的Ca2+，取代土壤膠體表面的交換性鈉，實(shí)現(xiàn)促進(jìn)脫硫石膏改良?jí)A化土壤的作用。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)7個(gè)處理：對(duì)照(不施用脫硫石膏)，施脫硫石膏3.0×104、6.0×104、9.0×104、1.2×105kg·hm-2，6.0×104kg·hm-2+低量HPMA，脫硫石膏6.0×104kg·hm-2+高量HPMA。脫硫石膏的施用量是參照本單位往年鹽堿地改良試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行梯度用量設(shè)計(jì)。各試驗(yàn)小區(qū)面積為0.066 7 hm2，每個(gè)處理3 次重復(fù)，共計(jì)21個(gè)小區(qū)，采用田間隨機(jī)排列，具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表2。

表2 試驗(yàn)方案

注：“—”表示處理中無(wú)值。

試驗(yàn)時(shí)間為2014年4月至2015年10月。按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)，2014年插秧前結(jié)合整地將脫硫石膏一次性均勻撒施于地表，耕翻20 cm，使其與土壤充分混合，灌水打漿并排水洗鹽。聚馬來(lái)酸酐在水稻田打漿泡田前均勻噴施。各處理施肥用量采用當(dāng)?shù)剞r(nóng)民常規(guī)用量，基肥使用復(fù)混肥(N 15%，P2O518%，K2O 12%)，用量為450 kg·hm-2；水稻返青期、分蘗期、灌漿期分別追施尿素(N 46%)，用量為75 kg·hm-2。2014年5月中上旬插秧，10 月30 日收獲測(cè)產(chǎn)。2015 年種植與收獲時(shí)間基本與2014 年一致，不再施用脫硫石膏和聚馬來(lái)酸酐，其他田間管理同當(dāng)?shù)亍?/p>

1.4 樣品采集與處理

分別于2014 年4、10 月和2015 年10 月采集深度為0～20 cm土壤樣品。取樣方法：每試驗(yàn)小區(qū)采用“S”5點(diǎn)取樣，充分混勻后裝入密封袋中，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。自然風(fēng)干、磨細(xì)后，分別過(guò)2 mm和1 mm篩，密封袋保存待用。

1.5 數(shù)據(jù)分析及處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2003 和SAS 6.12統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行處理和分析。

1.6 樣品檢測(cè)方法

土壤指標(biāo)測(cè)定方法見表3。

表3 土壤指標(biāo)測(cè)定方法[16]

2 結(jié)果與分析

2.1 施用脫硫石膏對(duì)耕層土壤pH值的影響

松嫩平原西部地區(qū)蘇打堿土的特點(diǎn)之一是具有很高的pH值，主要原因是土壤普遍含有碳酸氫鈉及碳酸鈉，這兩種強(qiáng)堿弱酸鹽水解后顯堿性；土壤膠體上吸附的交換性Na+水解，也增加了土壤的堿性。從表4數(shù)據(jù)可以看出，未施用脫硫石膏條件下種植水稻改良?jí)A化土壤，堿化土壤的滲透性較差，淋洗作用對(duì)降低土壤交換性Na+、碳酸氫根離子的效果有限， CK處理的土壤pH值降低幅度僅為0.24；單獨(dú)施用脫硫石膏處理的土壤pH值降低幅度與用量呈正相關(guān)性，4%DG處理pH值降低幅度最大，用量處理間差異不顯著。2%DG+TS、2%DG+TL處理的土壤pH值降幅略低于2%DG處理，但處理

表4 脫硫石膏對(duì)耕層(0～20 cm)土壤pH值的影響

注：同一列不同小寫字母表示差異達(dá)0.05顯著水平，下同。

間差異不顯著，說(shuō)明脫硫石膏相同用量條件下配施HPMA較單獨(dú)施用脫硫石膏對(duì)降低堿化土壤pH值的作用無(wú)明顯差異。2014 ～2015 年耕層土壤pH值的變化趨勢(shì)表明，pH值降低幅度隨施用年限增加逐步降低，第一年土壤pH值降低幅度為72%～85%，脫硫石膏的添加對(duì)降低土壤pH值起主要作用。

2.2 施用脫硫石膏對(duì)耕層土壤堿化度和可溶性鹽總量的影響

從表5數(shù)據(jù)可以看出，試驗(yàn)地土壤堿化度背景值在27.2%～29.0%之間，2014 年水稻收獲后土壤堿化度降至13.3%～25.0%，2015 年堿化度降至12.9%～25.2%，與pH值變化規(guī)律基本一致：降低幅度與脫硫石膏用量呈正比，第一年改良的降低幅度占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。單獨(dú)施用脫硫石膏處理的土壤可溶性鹽總量隨用量呈先降低后增加的趨勢(shì)，4%DG處理可溶性鹽總量最高為9.09 g·kg-1；脫硫石膏在一定范圍內(nèi)可以顯著降低土壤含鹽量，但過(guò)量施用顯著增加土壤的可溶性鹽總量，對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育起到抑制作用。脫硫石膏配施HPMA處理的堿化度相比2%DG處理無(wú)顯著差異，而2%DG+TL處理的土壤可溶性鹽總量在2014～2015年均顯著低于2%DG處理，說(shuō)明HPMA對(duì)耕層土壤可溶性鹽的淋洗具有一定促進(jìn)作用。

表5 脫硫石膏對(duì)耕層(0～20 cm)土壤堿化度和可溶性鹽總量的影響

2.3 施用脫硫石膏對(duì)耕層土壤水溶性陽(yáng)離子含量的影響

從圖1可以看出，改良前后試驗(yàn)地堿化土壤水溶性K+、Na+、Mg2+大幅降低，脫硫石膏處理的土壤水溶性Ca2+含量明顯增加。脫硫石膏理論上可以加速土壤中Mg2+的淋洗，但脫硫石膏優(yōu)先交換土壤中的交換性K+、Na+，田間試驗(yàn)中脫硫石膏與土壤達(dá)不到理想的混勻程度，土壤本身濃度不高的Mg2+在田間試驗(yàn)條件下不易表現(xiàn)出理想的規(guī)律性。

圖1b可以看出，試驗(yàn)地土壤的水溶性鈉離子含量背景值在696.7 cmol·kg-1。2014～2015 年水稻收獲后，CK處理土壤水溶性Na+含量較2014年插秧前僅分別降低7.1%、6.6%，而施用脫硫石膏處理的土壤水溶性Na+含量降幅均在30%以上，而且脫硫石膏用量越大，土壤的水溶性Na+含量降低幅度越大。圖1c顯示，改良前土壤水溶性Ca2+含量背景值在101.5～104.0 cmol·kg-1之間，CK處理的土壤水溶性Ca2+含量降低是水稻種植過(guò)程中的淋洗作用所致；脫硫石膏處理的土壤水溶性Ca2+含量顯著增加，相比CK脫硫石膏處理的土壤水溶性Ca2+含量分別增加56.2%、169.4%、397.5%、857.8%。

圖1 脫硫石膏對(duì)耕層(0～20 cm)土壤水溶性陽(yáng)離子含量的影響

圖1b、c表明，脫硫石膏配施HPMA 處理與2%DG處理相比，水溶性Na+含量無(wú)顯著變化，水溶性Ca2+含量有一定幅度的提升，2015年收獲后HPMA 處理土壤水溶性Ca2+含量顯著高于2%DG處理，說(shuō)明HPMA對(duì)提高土壤中含鈣物質(zhì)溶解速率具有一定的持續(xù)作用，可以顯著增加土壤可溶性Ca2+含量。

2.4 施用脫硫石膏對(duì)耕層土壤水溶性陰離子的影響

改良前試驗(yàn)地堿化土壤的氯離子含量背景值在222.7 cmol·kg-1。2014 年水稻收獲后，各處理土壤水溶性氯離子含量均大幅下降，降幅在53.1%～74.5%之間；4%DG處理的土壤水溶性氯離子含量顯著低于其他處理，過(guò)量的脫硫石膏施入土壤后與交換性Na+發(fā)生置換反應(yīng)，改變了土壤滲水性能和通透性，加快了耕層土壤氯離子的淋洗速率。

試驗(yàn)地基礎(chǔ)土壤碳酸根離子含量背景值在580～640 cmol·kg-1之間，施入脫硫石膏后土壤碳酸根離子均未檢出，耕層土壤碳酸根離子轉(zhuǎn)換為碳酸氫根離子。從圖2c可以看出，水稻收獲后各處理土壤碳酸氫根離子含量除1%DG處理外均大幅降低，其他脫硫石膏處理降幅在63.2%～82.3%之間，說(shuō)明脫硫石膏的改良效果必須建立在一定用量的基礎(chǔ)上；脫硫石膏配施HPMA對(duì)土壤碳酸氫根離子含量無(wú)顯著影響，理論上HPMA促進(jìn)碳酸鈣的溶解導(dǎo)致土壤水溶性碳酸根或碳酸氫根離子顯著增加，可能是土壤中的碳酸氫根離子背景含量太高，一定程度上掩蓋了碳酸鈣溶解增加的碳酸根或碳酸氫根離子相對(duì)較小幅度的變化。

圖2 脫硫石膏對(duì)耕層(0～20 cm)土壤水溶性陰離子含量的影響

2.5 施用脫硫石膏對(duì)耕層土壤速效養(yǎng)分含量的影響

土壤中速效養(yǎng)分的有效化程度受土壤有機(jī)質(zhì)、酸堿度、土壤礦物母質(zhì)類型等因素的影響，脫硫石膏改善了土壤的鹽堿環(huán)境，極大地提高了土壤養(yǎng)分的有效性。從表6可以看出，施用脫硫石膏后各處理堿解氮、有效磷、速效鉀含量均顯著高于CK。2014 年水稻收獲后各處理土壤堿解氮大幅降低7.0～15.7 mg·kg-1，鹽堿荒地在水田利用條件下土壤中部分堿解氮素隨水流失，導(dǎo)致耕層土壤堿解氮含量下降，但2015 年水稻收獲后各處理的土壤堿解氮含量逐步上升。2014～2015 年兩年收獲后的土壤有效磷含量均與脫硫石膏用量呈正相關(guān)關(guān)系，與土壤pH值的變化規(guī)律基本一致，可能是脫硫石膏主要通過(guò)降低土壤pH值，活化土壤中的磷素來(lái)提高土壤有效磷含量。2014 年施用脫硫石膏處理的土壤速效鉀含量大小順序依次為3%DG>2%DG>1%DG>CK>4%DG，施用過(guò)量脫硫石膏會(huì)引起土壤速效鉀的淋失量增加，這與李謨志等[17]的研究結(jié)果基本一致。

表6 脫硫石膏對(duì)耕層(0～20 cm)土壤速效養(yǎng)分含量的影響 (mg·kg-1)

脫硫石膏配施HPMA處理中，2%DG+TS、2%DG+TL處理堿解氮含量略高于2%DG處理，但處理間差異不顯著；2%DG+TS、2%DG+TL處理對(duì)土壤有效磷、速效鉀含量變化規(guī)律基本一致：脫硫石膏配施低用量HPMA顯著提升有效磷、速效鉀含量，配施高用量HPMA與單獨(dú)施用脫硫石膏無(wú)顯著性差異。

3 討論與結(jié)論

3.2 脫硫石膏的脫鹽效果在一定用量范圍內(nèi)不斷增強(qiáng)，過(guò)量施用會(huì)導(dǎo)致土壤含鹽量迅速增加。有關(guān)研究表明，在鹽漬化土壤中施用脫硫石膏可以增大土壤孔隙，提高水的滲透速率[20-21]，增強(qiáng)脫鹽效果，顯著降低土壤全鹽含量[22]；程鏡潤(rùn)等[23]認(rèn)為過(guò)量脫硫石膏顆粒還會(huì)堵塞部分土壤孔隙，不但不能提高改良效果，而且會(huì)有大量的鹽分積累，增加了改良難度。要達(dá)到理想的改良效果，脫硫石膏改良?jí)A化土壤的用量必須控制在合理范圍內(nèi)，以達(dá)到改堿與降低含鹽量?jī)煞矫娓牧夹Ч钠胶狻?/p>

3.4 施用脫硫石膏改良?jí)A化土壤，土壤鹽堿環(huán)境得到改善，與水稻的根系分泌物、土壤微生物等因素共同作用，可以顯著提高土壤堿解氮、有效磷、速效鉀的有效活性，但過(guò)量施用會(huì)降低土壤堿解氮、速效鉀含量[8，24-25]。

3.5 脫硫石膏配施HPMA可以顯著增加土壤水溶性鈣離子含量，但與硫酸根離子含量增加幅度不一致，依據(jù)牟靜等[26]的研究結(jié)果可以推理HPMA同時(shí)與脫硫石膏、土壤中的碳酸鈣反應(yīng)，導(dǎo)致土壤水溶性鈣離子大于硫酸根離子的增加幅度。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看， HPMA對(duì)增強(qiáng)脫硫石膏的鈣交換性能、降低土壤pH值與堿化度、活化土壤養(yǎng)分方面均未取得理想效果，還需從HPMA的施用方式、用量或施用時(shí)期等方面對(duì)提高脫硫石膏改良效果作進(jìn)一步的探討。

[1] 王占武.鹽生和中生兩種不同環(huán)境下加楊和旱柳的演化結(jié)構(gòu)比較研究[D].長(zhǎng)春：東北師范大學(xué)，2008.

[2] 王艷萍，李松齡，徐國(guó)峰.脫硫廢棄物與有機(jī)肥配合對(duì)鹽堿地的改良效果[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39(4)：2138-2140.

[3] Desutter T M，Cihacek L J．Potential agricultural uses of flue gas desulfurization gypsum in the northern great plains[J]．Agronomy Journal,2009,101 (4):817 -825．

[4] Sakai Y，Matsumoto S，Sadakata M．Alkali soil reclamation with flue gas desulfurization gypsum in China and assessment of metal content in corn grains[ J]．Soil&Sediment Contamination,2004，13(1):65 -80．

[5] Clark R B，Ritchey K D，Baligar V C．Benefits and constraints for use of FGD products on agricultural land[J]．Fuel，2001，80：821- 828．

[6] Liming C，Warren A，DichS N．Soil fertility-flue gas desulfurization products as sulfur sources for a1falfa and soybean[J]． Agronomy Journal,2005,97:265-270.

[7] Stout W L，Priddy W E.Use of flue gas desulfurization (FGD) by-product gypsum on alfalfa[J].Communications in Soil Science & Plant Analysis,1996，27(9-10):2419-2432.

[8] 黃菊瑩，余海龍，孫兆軍，等.添加燃煤脫硫廢棄物和專用改良劑對(duì)堿化土壤和水稻生長(zhǎng)的影響[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2011，29(1)：70-73.

[9] 劉師敏，李培貴，張振希,等.鹽堿地施用脫硫廢棄物對(duì)甜菜種植的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41(3):1085-1087.

[10] 李鳳霞，楊涓，許興,等.煙氣脫硫廢棄物在鹽堿地土壤改良中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].土壤，2010，42(3)：352-357.

[11] 李彥,張峰舉,王淑娟,等.脫硫石膏改良?jí)A化土壤對(duì)土壤重金屬環(huán)境的影響[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào),2010,12(6)：86-89.

[12] Sajwan K S，Punshon T J，Seaman J C．Production of coal combustion products and their potential uses[A]．Coal Combustion Byproducts and Environmental Issues[M].Springer Verlag,2006.3-9．

[13] 趙其國(guó)，孫波，張?zhí)伊?土壤質(zhì)量與持續(xù)環(huán)境:I.土壤質(zhì)量的定義及評(píng)價(jià)方法[J].土壤,1997,29(3)：113-120.

[14] 田野,劉善江,馮浩杰.脫硫廢棄物對(duì)堿化土壤改良效果的評(píng)價(jià)方法研究[J].北方園藝，2015，(7):157-160.

[15] 李彥,衣懷峰,趙博,等.燃煤煙氣脫硫石膏在新疆鹽堿土壤改良中的應(yīng)用研究 [J].生態(tài)環(huán)境,2010,19(7)：1682-1685.

[16] 魯如坤.土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析法[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社，1999.

[17] 李謨志，徐彥虎，林啟美，等.燕麥與脫硫石膏對(duì)內(nèi)蒙古河套地區(qū)鹽漬化土壤肥力的影響[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào),2014,(23):171-176.

[18] Chun S，Nishiyama M，Matsumoto S.Sodic soils reclaimed with byproduct from flue gas desulfurization：corn production and soil quality[ J]．Environmental Pollution，2001，114：453-459.

[19] Crews J T，Dick W A．Liming acid forest soil-with flue gas desulfurization by product：Growth of northern red oak and leachate water quality[J].Environmental Pollution,1998，103 (1):55-61.

[20] 王曉穎，趙秀芳，王振宇，等.室內(nèi)淋洗條件下脫硫石膏對(duì)濱海吹填土理化性質(zhì)的影響[J].水土保持學(xué)報(bào),2012,26(1):120-123.

[21] 張峰舉，肖國(guó)舉，羅成科，等.脫硫石膏對(duì)次生堿化鹽土的改良效果[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué),2010，(02):49-53.

[22] 毛玉梅，李小平.煙氣脫硫石膏對(duì)濱海灘涂鹽堿地的改良效果研究[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),2016,36(1)：225-231.

[23] 程鏡潤(rùn)，陳小華，劉振鴻，等.脫硫石膏改良濱海鹽堿土的脫鹽過(guò)程與效果實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),2014,34(6):1505-1513.

[24] 賀新，蘇艷平，楊培嶺，等.脫硫石膏淋洗次數(shù)對(duì)銨態(tài)氮遷移特征的影響[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2014，45(05):113-117.

[25] 樊麗琴，楊建國(guó)，尚紅鶯，等.脫硫石膏施用下寧夏龜裂堿土水鹽運(yùn)移特征[J].中國(guó)土壤與肥料,2016，(3):134-139.

[26] 牟靜，李小瑞，費(fèi)貴強(qiáng)，等.MA/AA/AM/AMPS四元共聚物的合成及其對(duì)硫酸鈣和碳酸鈣的阻垢性能[J].功能材料,2013,44(2):182-186.