姜同軒,陳 虹,張玉龍,孫魯鵬,楊 濤,吳 剛,馬 蕊,張鳳華
(石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院/新疆兵團綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室,新疆石河子 832003)
【研究意義】煤炭的大量使用導(dǎo)致了SO2的排放量增加,其中燃煤電廠的煙氣SO2排放約占SO2總排放量的50%[1]。為了減輕燃煤產(chǎn)生的SO2對環(huán)境造成的污染,燃煤電廠引進燃煤脫硫技術(shù),這一技術(shù)的利用使得環(huán)境的中SO2減少,但隨之而來產(chǎn)生的大量脫硫廢棄物脫硫石膏卻在逐年劇增,每年產(chǎn)生大量的脫硫廢棄物,如果處理不當(dāng)將會造成環(huán)境污染與土地資源浪費[2-3]。研究施用脫硫石膏對鹽堿土壤改良后進行安全性評價,對于保障糧食安全、生態(tài)環(huán)境保護具有重要意義?!厩叭搜芯窟M展】目前,世界上對煙氣脫硫石膏的研究與應(yīng)用主要集中在工業(yè),例如水泥緩凝劑、建筑石膏板、道路回填路基等方面[4]。有研究表明,氣脫硫石膏可以改善土壤結(jié)構(gòu)。通過增強土壤的離子吸附能力提高土壤持水性,幫助減輕土壤緊實度和提高鈉質(zhì)土壤聚合穩(wěn)定性,增加土壤通氣性。施用煙氣脫硫石膏,并進行淋洗能增加土壤孔隙和水力傳導(dǎo)力,減少土壤容重[5]。也有研究表明煙氣脫硫石膏含有豐富的S、Ca元素[6-7],可以為植物生長提供有益礦物營養(yǎng),還可以通過脫硫石膏中含有的大量Ca2+可以與鹽堿土壤中的吸附態(tài)Na+發(fā)生置換改善鹽堿土壤的透水性,孔隙度,酸堿度等[8-11]?!颈狙芯壳腥朦c】在新疆存在大面積的鹽堿土地,鹽堿地表面鹽分積聚,土壤滲透率低,不利于植物的生長[12-14],改良鹽堿地使其具有很大的潛在耕地價值,可以增加我國后備耕地資源。研究新疆瑪納斯流域鹽堿土壤施用脫硫石膏改良鹽堿土壤安全性評價?!緮M解決的關(guān)鍵問題】研究脫硫石膏不同用量對鹽堿土壤及植株的重金屬含量,分析株中重金屬的含量變化。評價施用脫硫石膏對鹽堿土壤改良的安全性。
油菜品種為華油雜62號。供試土壤樣品取自石河子北泉鎮(zhèn)石總場四分場(N44.44124°,E086.0137 9°),其pH為10.26,電導(dǎo)率為533.3 μS/cm,質(zhì)地粘重,有機質(zhì)含量8.66 g/kg。供試脫硫石膏樣品取自石河子天富南熱電廠,脫硫石膏樣品為灰色半干狀粉末,主要成分為CaSO4·2H2O,含Ca 22.66%,含水率37.46%~38.95%,pH值7.97,電導(dǎo)率為2.92 mS/cm。供試作物為油菜。供試土壤與脫硫石膏均未超過《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)》GB15618-2018。在土壤未施用脫硫石膏前進行土壤樣品采集,采集點選擇從各試驗小區(qū)取0~30 cm深的土壤,每個小區(qū)采五個土樣混合使用四分法進行選擇并帶回實驗室,計劃采集樣點數(shù)12個。于室溫下風(fēng)干后剔除石塊和根系磨碎過1 mm篩測定相關(guān)指標(biāo)。表1
表1 土壤及脫硫石膏重金屬元素含量
Table 1 Content of heavy metal in soil and desulfurization gypsum
砷As鎘Cd鉻Cr銅Cu汞Hg鉛Pb(mg/kg)(mg/kg)(mg/kg)(mg/kg)(mg/kg)(mg/kg)CK1.303c0.018c5.855a2.443a0.049a3.126a脫硫石膏0.0360.0165.8062.6440.0000.286GB15618-2 018250.62501003.4170
試驗設(shè)在開墾兩年的鹽堿地,進行單因素完全隨機試驗,根據(jù)脫硫石膏不同施用量進行試驗設(shè)計,試驗共設(shè)置4個處理,0 t/667 m2(CK),以及3個不同脫硫石膏施用量分別為1 t/667 m2(1T)、3 t/667 m2(3T)、5 t/667 m2(5T),每個處理設(shè)置3次重復(fù),共設(shè)置12個小區(qū),小區(qū)面積15 m2(3 m×5 m),小區(qū)四周設(shè)置 1.5 m 寬的保護行,各小區(qū)完全隨機排列。根據(jù)試驗設(shè)計的要求,播種前將脫硫石膏均勻撒施在地面,脫硫石膏施用為一次性施入,結(jié)合翻地使脫硫石膏與0~30 cm土層土壤充分混勻用于種植油菜,各小區(qū)田間管理水平相同,試驗地鋪設(shè)滴灌設(shè)施進行灌溉。
土壤pH:BPH252酸度計(土水比1∶2.5);土壤電導(dǎo)率:DDSJ-308A型電導(dǎo)率儀(土水比1∶5);土壤堿解氮:堿解擴散法;土壤速效磷:0.5 mol/L NaHCO3土壤有機質(zhì):重鉻酸鉀容量法—外加熱法(鮑士旦,2007);土壤與植株重金屬(As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb)的測定:ICP(等離子體發(fā)射光譜測定法)。
注:不同小寫字母代表不同處理之間差異顯著
Note: Different lowercase letters represent significant differences between the different treatments
圖1 不同脫硫石膏施用量下土壤鹽分變化
Fig.1 Effect of different desulfurization gypsum application rates on soil salinity
利用Microsoft Excel軟件數(shù)據(jù)進行計算處理及繪圖;用SPSS16.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,采用單因素方差分析進行各數(shù)據(jù)組間的顯著性檢驗。
研究表明,在脫硫石膏不同施用量處理下,與CK對比,土壤鹽分顯著(P<0.05)升高;脫硫石膏各處理中表層0~30 cm土壤鹽分均比CK要高,1T、3T、5T土壤鹽分分別是CK處理的6.5、5.8和6.0倍;并且不同處理對于土壤的鹽分表現(xiàn)也不同,其中1T處理中與3T、5T存在顯著(P<0.05)差異,1T處理比3T、5T處理要高,其中3T處理土壤鹽分最低。圖1
研究表明,施用脫硫石膏后,土壤pH值較之于CK有顯著(P<0.05)的降低,其中1T、3T、5T處理的pH值分別比CK處理降低了20.4%、20.8%、21.3%,1T、3T、5T處理之間的pH值差異不顯著。隨著施用量的增大pH值變化趨于穩(wěn)定。圖2
注:不同小寫字母代表不同處理之間差異顯著
Note: Different lowercase letters represent significant differences between the different treatments
圖2 不同脫硫石膏施用量下土壤pH變化
Fig.2 Effect of different desulfurization gypsum application rates on soil pH
研究表明,在施用脫硫石膏后土壤中As、Cd含量有顯著(P<0.05)的上升,并隨著施用量的加大,土壤As、Cd含量也隨之升高,表現(xiàn)為CK<1T<3T<5T。其中與對照相比As含量分別增加了1.178 、1.409和1.942 mg/kg;與對照相比,1T、3T、5T處理中土壤Cd的含量分別增加了0.016、0.022和0.036 mg/kg。對于Cr含量,1T、3T處理與對照相比Cr的含量顯著降低,分別降低了11.3%、7.1%,5T處理沒有顯著(P<0.05)差異,對與Cu、Hg、Pb這3種重金屬來說,施用脫硫石膏前后土壤中Cu含量表現(xiàn)為5T>CK>1T>3T,Hg含量表現(xiàn)為CK<1T<3T<5T,Pb含量表現(xiàn)為5T>CK>1T>3T。
由《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)》 GB15618-2018污染限量標(biāo)準(zhǔn)中可知三個脫硫石膏處理下的土壤重金屬含量均較低,As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb六種重金屬元素含量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。表2
表2 不同施用量土壤中重金屬含量
Table 2 Content of heavy metal in soils with different application rates
重金屬含量Content of heavy metal砷As(mg/kg)鎘Cd(mg/kg)鉻Cr(mg/kg)銅Cu(mg/kg)汞Hg(mg/kg)鉛Pb(mg/kg)CK1.303c0.018c5.855a2.443a0.049a3.126a1T2.481b0.034b5.194b2.149a0.051a3.075a3T2.712b0.04b5.44ab2.413a0.075a3.108a5T3.245a0.054a5.94a2.616a0.076a3.888aGB 15618-2 018250.62501003.4170
注:不同小寫字母代表不同處理之間差異顯著?!锻寥拉h(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-2018)
Note: Different lowercase letters represent significant differences between the different treatments
研究表明,施用脫硫石膏1T、3T、5T與 CK相比,植株體內(nèi)的As、Cd、Pb含量均有所增加;其中Pb達到了顯著水平(P>0.05)。在不同處理與植株的各器官中As含量與CK比較有所增加;CK中Hg含量比1T、3T處理較高,而不同處理間Hg含量隨著施用量的增加顯著增加,Pb含量在不同的處理下隨著施用量的增加也隨之增加,達到了顯著水平(P>0.05)。
在植株的不同器官中As、Cd、Pb含量從大到小依次為根>葉>莖。與CK相比,不同處理下,As在植株的各器官中含量均有所增加。
不同處理下,Cd含量在葉和莖中沒有顯著性變化,而1T、3T、5T處理下,Cd根部含量與CK相比增加了47.1%、88.2%、58.8%。
Cr的含量在莖中沒有顯著的變化,隨著脫硫石膏施用量的增加,根、葉中Cr含量呈現(xiàn)顯著性的增加,表現(xiàn)為根>莖>葉。
莖與葉中未檢出Hg的含量。不同器官莖、葉中的Pb含量變化最為明顯。
由《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》(GB2762-2017)的限量標(biāo)準(zhǔn)中可以得出種植油菜的不同器官中重金屬含量較低,As、Cd、Cr、Hg、Pb五種重金屬元素含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量標(biāo)準(zhǔn)》。表3
表3 不同施用量植株不同器官中重金屬含量
Table 3 Content of heavy metal in different organs of different application rates
重金屬含量Content of heavy metalCK1T3T5T葉菜類含量GB2762-2017谷物含量GB2762-2017As(mg/kg)根0.038b 0.052a 0.041b 0.054a 莖0.008b 0.023a 0.029a 0.032a 葉0.024bc 0.032ab 0.038a 0.021c 0.50.5Cd(mg/kg)根0.004b 0.006ab0.008a 0.007a 莖0.003a 0.004a 0.004a 0.006a 葉0.007a 0.006a 0.005a 0.006a 0.10.2Cr(mg/kg)根0.059b 0.074b 0.142a 0.136a 莖0.127a 0.128a 0.138a0.120a 葉0.043c 0.068b 0.074b 0.091a 0.51Hg(mg/kg)根0.012a 0.004b 0.007b 0.012a 莖一 一 一 一 葉一 一 一 一 0.010.02Pb(mg/kg)根0.042b 0.047b 0.114a 0.118a 莖0.042c 0.058bc0.068b 0.104a 葉0.048d0.065c 0.078b 0.103a 0.20.1
注:不同小寫字母代表不同處理之間差異顯著。由《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》(GB2762-2017)
Note: Different lowercase letters represent significant differences between the different treatments
研究表明,耕層土壤中As、Cr、Cd含量隨著脫硫石膏施用量的增加,呈現(xiàn)增加的趨勢,與王淑娟等[24]的研究相一致,而Cu、Hg、Pb重金屬的含量在施用脫硫石膏后并未出現(xiàn)顯著性的增加或降低,均未超過《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)》 GB15618-2018標(biāo)準(zhǔn)[25-26]。植株的各器官中根部As、Cd、Hg元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大[27-28],而在土壤中需要注意的不僅是土壤中的重金屬總量,還需要關(guān)注重金屬在土壤中的活性,有研究表明,土壤的性質(zhì)對重金屬活性具有很大的影響[29-30]。
研究區(qū)鹽堿土壤,經(jīng)施用脫硫石膏改良后,土壤的pH得到了顯著的調(diào)節(jié),有效的降低了土壤酸堿性,而改良后的土壤鹽分及電導(dǎo)率均有顯著的增加。在施用脫硫石膏的各處理中,其土壤中的重金屬含量均未超過《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)》 (GB15618-2018)標(biāo)準(zhǔn)中的限量,施用脫硫石膏改良未對土壤造成環(huán)境污染。在改良的鹽堿地種植的油菜其根、莖、葉中的含量均未超過《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》(GB2762-2017)標(biāo)準(zhǔn)中的限量,改良后的土壤未對植株造成重金屬污染。在三種施用處理中,3T的施用處理土壤的pH顯著降低,并且鹽分增加最少,改良效果明顯,可作為干旱區(qū)脫硫石膏改良鹽堿地的依據(jù)。