脫硫石膏施用不同年限對(duì)土壤改良效果及安全性評(píng)價(jià)

陳虹 姜同軒 馬蕊

摘要：以干旱區(qū)瑪納斯河流域鹽堿地為研究對(duì)象，分析施用脫硫石膏后不同年限土壤改良效果并對(duì)其進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)。將脫硫石膏一次性施入鹽堿農(nóng)田，分別在第1、第3、第5年定點(diǎn)檢測(cè)土壤pH值、電導(dǎo)率（EC）、有機(jī)質(zhì)和重金屬含量變化。結(jié)果表明，施用脫硫石膏后土壤pH值、電導(dǎo)率較未施用有所降低，而有機(jī)質(zhì)含量高于未施用處理。隨著施用年限增加，土壤pH值有所升高，但仍低于未施用處理。鹽堿荒地復(fù)墾后第3年土壤電導(dǎo)率明顯大幅度降低;施用脫硫石膏土壤EC第5年高于未施用處理，但仍低于復(fù)墾前。施用脫硫石膏后第1年和第3年土壤砷、鎘、銅、鉛的含量有所降低，變化差異不大，第5年有所升高，高于土壤背景值，但都低于GB 15618—2018中的限量。得出脫硫石膏施用5年內(nèi)能夠降低土壤pH值，增加土壤中有機(jī)質(zhì)的含量，不會(huì)造成土壤重金屬污染。

關(guān)鍵詞：鹽堿地;脫硫石膏;重金屬;安全性評(píng)價(jià);土壤改良

土壤鹽漬化、次生鹽漬化是限制世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要因素。在氣候和地形因素的影響下，我國(guó)東北、西北、華北的干旱、半干旱地區(qū)鹽堿地分布廣、種類多，鹽堿地面積約為2 340 hm2，而鹽堿地作為我國(guó)的后備土地資源，它的開發(fā)和利用是保持我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一[1-4]。脫硫石膏的主要成分為CaSO4和CaSO3，其作為鹽堿改良劑改善土壤的理化性質(zhì)，能夠提供植物所需和有益的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)，降低土壤pH值、電導(dǎo)率（EC）和可溶性鈉離子（Na+）含量[5-7]。值得注意的是煙氣脫硫石膏中含有重金屬，施入土壤后會(huì)釋放到土壤中，造成土壤環(huán)境安全隱患，可能影響植物的正常生命活動(dòng)并造成地下水污染[8]。目前已有研究表明，合理施用脫硫石膏不會(huì)造成土壤重金屬污染而影響土壤環(huán)境質(zhì)量[9-11]。目前，大量研究都是針對(duì)脫硫石膏施用后的短期效應(yīng)，關(guān)于脫硫石膏施用后對(duì)土壤改良效果和土壤環(huán)境安全性的長(zhǎng)期影響鮮有報(bào)道。本試驗(yàn)連續(xù)5年跟蹤檢測(cè)施用脫硫石膏改良劑后土壤的改良效果和重金屬含量，旨在為農(nóng)用土壤環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)提供一個(gè)較為客觀和全面的評(píng)價(jià)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地選在新疆維吾爾自治區(qū)瑪納斯河流域的瑪納斯縣冬麥地（44°18′50″N，86°26′31″E），位于天山北坡綠洲平原，處于新疆腹地，常年氣候干燥，屬大陸性干旱氣候，其特點(diǎn)是干旱、少雨、多風(fēng)沙、日照時(shí)間長(zhǎng)、晝夜溫差大、蒸發(fā)量大，年平均降水量為100～200 mm，而蒸發(fā)量為1 500～2 000 mm。2014年在瑪納斯縣冬麥地村新復(fù)墾的鹽堿荒地進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)地土壤屬于重度鹽堿化土壤，pH值為9.01，EC為0.68 mS/cm。土壤通透性差、板結(jié)嚴(yán)重，表面易積水。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

采用完全隨機(jī)試驗(yàn)，共設(shè)置2個(gè)處理：不施用脫硫石膏處理（2014年對(duì)鹽堿棄耕地進(jìn)行翻耕播種，除不施用脫硫石膏外，其他措施與施用脫硫石膏處理一致）、施用脫硫石膏處理（脫硫石膏施用量為 30 t/hm2，2014年播種前對(duì)試驗(yàn)地撒施脫硫石膏，將脫硫石膏均勻施入試驗(yàn)地中，采用犁翻耕使脫硫石膏與土壤充分混合，平整土地，脫硫石膏一次性施入，之后不再進(jìn)行脫硫石膏的撒施，后5年其他水肥管理與2014年相同，但不施入脫硫石膏）。脫硫石膏施用后采用全球定儀系統(tǒng)（GPS）對(duì)樣地進(jìn)行定位采樣，后續(xù)每年對(duì)各小區(qū)點(diǎn)進(jìn)行原位采樣，采樣后測(cè)定土壤理化性質(zhì)及重金屬含量，分別在2014年（第1年）、2016年（第3年）、2018年（第5年）采樣進(jìn)行分析。每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)，共計(jì)6個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)的面積為30 m2（5 m×6 m），小區(qū)周圍設(shè)置1 m寬的保護(hù)行，各個(gè)小區(qū)隨機(jī)排列。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與測(cè)定方法

1.3.1 脫硫石膏組分檢測(cè) 試驗(yàn)所用的脫硫石膏由石河子天富南熱電廠提供，樣品顏色為青灰色，呈粉末狀，主要成分為CaSO4·2H2O及雜質(zhì)，其中鈣（Ca）含量占 22.66%，含水率為37.46%～3895%，pH值為7.45，電導(dǎo)率為2.78 mS/cm，土壤和電廠脫硫石膏重金屬元素含量詳見表1。由表1可知，供試土壤與脫硫石膏重金屬含量均未超過GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》。

1.3.2 土壤指標(biāo) 土壤pH值用BPH-252 pH計(jì)測(cè)得，土壤提取液采用1 ∶ 2.5土水比浸提;土壤電導(dǎo)率用DDSJ-308A型電導(dǎo)率儀測(cè)得，土壤提取液采用1 ∶ 5土水比浸提;土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定;土壤重金屬（As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb）含量的測(cè)定采用等離子體發(fā)射光譜法（ICP）測(cè)定[12]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及繪圖;用SPSS 16.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析法檢測(cè)各數(shù)據(jù)組間的顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 脫硫石膏施用不同年限對(duì)土壤pH值的影響

由圖1可知，從總體（0～60 cm土層）上看，與未施用相比，施用脫硫石膏后土壤pH值在第1、第3、第5年分別降低1.70%、1.54%、2.55%，且隨著復(fù)墾年限增加，未施用脫硫石膏與施用脫硫石膏處理的土壤pH值均升高，但第1年至第3年增幅不大，第3年至第5年增幅較大。在0～20 cm、20～40 cm 土層，與未施用處理相比，施用脫硫石膏后土壤pH值第1年至第3年差異不大，第5年分別降低4.71%、332%;隨著復(fù)墾年限增加，在0～20 cm土層，未施用脫硫石膏土壤的pH值先降低后升高，施用脫硫石膏土壤pH值不斷升高，但均在第3年至第5年增幅較大;在20～40 cm土層，未施用脫硫石膏土壤pH值不斷升高，施用脫硫石膏土壤pH值先降低后升高;在40～60 cm土層，與未施用處理相比，施用脫硫石膏后土壤pH值在第1年、第3年分別降低2.1%、0.6%，但在第5年高于未施用處理，且隨著復(fù)墾年限增加，未施用脫硫石膏與施用脫硫石膏土壤pH值均先升高后降低。

2.2 脫硫石膏施用不同年限對(duì)土壤電導(dǎo)率的影響

由圖2可知，鹽堿荒地復(fù)墾后第1年至第3年施用與未施用脫硫石膏處理的 0～60 cm土層EC降幅較大，第3年至第5年變化不大，施用脫硫石膏后第1年和第3年土壤EC低于未施用，第5年與未施用相比，施用脫硫石膏后土壤EC有所升高。在 0～20 cm土層，與未施用相比，施用脫硫石膏第1年和第3年土壤EC分別下降了43.47%、4848%，第5年升高了246.60%;隨著復(fù)墾年限增加，未施用脫硫石膏土壤EC不斷降低，施用脫硫石膏土壤EC先降低后升高。20～40 cm土層土壤EC變化情況與0～20 cm土層一致，與未施用處理相比，施用脫硫石膏第1年和第3年土壤EC分別下降了1676%、6.89%，第5年升高了283.08%。在 40～60 cm土層，施用脫硫石膏第1年和第5年土壤EC比未施用處理增加69.91%、106.97%，第3年的差異不大，隨著復(fù)墾年限增加，施用脫硫石膏的土壤EC先降低后升高。

2.3 脫硫石膏施用不同年限對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

由圖3可知，鹽堿荒地開墾后第1年和第3 年土壤有機(jī)質(zhì)含量變化差異不大，隨著開墾年限增加，復(fù)墾第5年土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯降低。施用脫硫石膏第1、第3、第5年土壤有機(jī)質(zhì)含量較未施用有所增加，與未施用處理相比，分別增加了9.94%、6.21%、4.55%。

2.4 脫硫石膏施用不同年限對(duì)土壤重金屬含量變化及其安全性評(píng)價(jià)

2014年將試驗(yàn)地施入脫硫石膏復(fù)墾后對(duì)重金屬含量進(jìn)行連續(xù)采樣檢測(cè)，不同年份各類重金屬含量詳見表2。與開墾前相比，隨著年份增加土壤As含量先降低后升高，第1年和第3年As含量差異不顯著，與開墾前相比顯著降低（P<0.05），第5年土壤As含量升高，且顯著高于土壤背景值，施用脫硫石膏后連續(xù)5年土壤As含量遠(yuǎn)低于GB 15618—2018中的As含量限量（25 mg/kg）。

與開墾前相比，施用脫硫石膏后，第1年和第3年土壤Cd含量顯著降低，第1年和第3年差異不顯著，第5年與土壤背景值相比，土壤Cd含量有所升高，但仍遠(yuǎn)低于GB 15618—2018中的Cd含量限量（0.6 mg/kg）。

隨著復(fù)墾年限的增加，土壤Cr含量先降低后升高，第1年和第3年連續(xù)顯著降低，第5年土壤中Cr含量顯著升高，高于土壤背景值，通過連續(xù)5年檢測(cè)，土壤Cr含量遠(yuǎn)低于GB 15618—2018中的Cr含量限量（250 mg/kg）。

土壤Cu含量在施用脫硫石膏后第1、第3年有所降低，但第1年和第3年差異不顯著，第5年土壤銅含量顯著升高，且高于土壤背景值，但連續(xù)5年后土壤Cu含量仍遠(yuǎn)低于GB 15618—2018中的Cu含量限量100 mg/kg）。

土壤中Hg含量未檢出。

土壤中Pb含量在第1、第3年相較于土壤背景值降低，第5年土壤中Pb含量顯著升高，5年后土壤中Pb含量仍遠(yuǎn)低于GB 15618—2018中的限量（170 mg/kg）。

3 討論

本研究表明，施用脫硫石膏能明顯降低表層土壤pH值[13]，這是由于脫硫石膏中的 CaSO4 與土壤中的Na2CO3 或 NaHCO3 反應(yīng)代換出土壤中的 Na+，導(dǎo)致土壤 pH值降低[14-15]。并且脫硫石膏中的Ca2+被置換后留下的 SO2-4是強(qiáng)酸離子，酸堿中和也能使土壤 pH值下降[16]。土壤鹽分對(duì)土壤電導(dǎo)率有顯著影響，電導(dǎo)率能夠反映土壤鹽分濃度，本研究對(duì)施用脫硫石膏后連續(xù)5年的EC檢測(cè)結(jié)果，施用脫硫石膏后0～20 cm和20～40 cm土層土壤電導(dǎo)率低于未施用處理，但40～60 cm土層土壤電導(dǎo)率有所升高。前人研究表明，施用脫硫石膏后改變了0～40 cm土層土壤的孔隙度和土壤的通透性，導(dǎo)致鹽分向下運(yùn)移，在40～60 cm土層積累[17-19]。同時(shí)，脫硫石膏是一種鹽，導(dǎo)致土壤含鹽量增加，雖然施用脫硫石膏能夠置換出土壤中的Na+，但是脫硫石膏同時(shí)置換出來的鈣離子也會(huì)形成鈣鹽，由于淋溶作用導(dǎo)致表層土壤含鹽量降低，逐漸向下富集。總體來看，0～60 cm土層施用脫硫石膏第5年的土壤pH值低于未施用處理，EC高于未施用處理，這與鄒璐等的研究結(jié)果[20]是不一致的，說明脫硫石膏在不同土層深度中pH值降低效果存在差異[21]。

脫硫石膏中含有砷、鎘、鉻、銅、鎳（Ni）、鉛等污染元素[22]。本研究針對(duì)脫硫石膏中含有的重金屬進(jìn)行長(zhǎng)期檢測(cè)，分析土壤重金屬含量變化，表明脫硫石膏改良鹽堿土壤5年后重金屬含量仍低于GB 15618—2018標(biāo)準(zhǔn)中的限量，并未引起土壤重金屬污染。可能由于脫硫石膏能抑制土壤對(duì)Cd、Cu、Ni、Zn、Pb、Cr的吸附作用[23]。

4 結(jié)論

施用脫硫石膏對(duì)耕層土壤pH值和EC具有明顯影響，施用5年后，土壤pH值仍然低于未施用處理。施用脫硫石膏能夠降低土壤pH值，提升土壤有機(jī)質(zhì)含量，脫硫石膏一次性施入對(duì)鹽堿土壤長(zhǎng)期改良效果明顯。

對(duì)試驗(yàn)地進(jìn)行連續(xù)5年重金屬定位檢測(cè)，土壤重金屬含量在5年內(nèi)均未超過GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》中的限量，不會(huì)造成土壤重金屬污染。

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