脱硫石膏施用不同年限对土壤改良效果及安全性评价

陈虹 姜同轩 马蕊

摘要：以干旱区玛纳斯河流域盐碱地为研究对象，分析施用脱硫石膏后不同年限土壤改良效果并对其进行安全性评价。将脱硫石膏一次性施入盐碱农田，分别在第1、第3、第5年定点检测土壤pH值、电导率（EC）、有机质和重金属含量变化。结果表明，施用脱硫石膏后土壤pH值、电导率较未施用有所降低，而有机质含量高于未施用处理。随着施用年限增加，土壤pH值有所升高，但仍低于未施用处理。盐碱荒地复垦后第3年土壤电导率明显大幅度降低;施用脱硫石膏土壤EC第5年高于未施用处理，但仍低于复垦前。施用脱硫石膏后第1年和第3年土壤砷、镉、铜、铅的含量有所降低，变化差异不大，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。得出脱硫石膏施用5年内能够降低土壤pH值，增加土壤中有机质的含量，不会造成土壤重金属污染。

关键词：盐碱地;脱硫石膏;重金属;安全性评价;土壤改良

土壤盐渍化、次生盐渍化是限制世界农业生产的主要因素。在气候和地形因素的影响下，我国东北、西北、华北的干旱、半干旱地区盐碱地分布广、种类多，盐碱地面积约为2 340 hm2，而盐碱地作为我国的后备土地资源，它的开发和利用是保持我国农业可持续发展的重要途径之一[1-4]。脱硫石膏的主要成分为CaSO4和CaSO3，其作为盐碱改良剂改善土壤的理化性质，能够提供植物所需和有益的矿质营养，降低土壤pH值、电导率（EC）和可溶性钠离子（Na+）含量[5-7]。值得注意的是烟气脱硫石膏中含有重金属，施入土壤后会释放到土壤中，造成土壤环境安全隐患，可能影响植物的正常生命活动并造成地下水污染[8]。目前已有研究表明，合理施用脱硫石膏不会造成土壤重金属污染而影响土壤环境质量[9-11]。目前，大量研究都是针对脱硫石膏施用后的短期效应，关于脱硫石膏施用后对土壤改良效果和土壤环境安全性的长期影响鲜有报道。本试验连续5年跟踪检测施用脱硫石膏改良剂后土壤的改良效果和重金属含量，旨在为农用土壤环境安全风险提供一个较为客观和全面的评价。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地选在新疆维吾尔自治区玛纳斯河流域的玛纳斯县冬麦地（44°18′50″N，86°26′31″E），位于天山北坡绿洲平原，处于新疆腹地，常年气候干燥，属大陆性干旱气候，其特点是干旱、少雨、多风沙、日照时间长、昼夜温差大、蒸发量大，年平均降水量为100～200 mm，而蒸发量为1 500～2 000 mm。2014年在玛纳斯县冬麦地村新复垦的盐碱荒地进行试验，试验地土壤属于重度盐碱化土壤，pH值为9.01，EC为0.68 mS/cm。土壤通透性差、板结严重，表面易积水。

1.2 试验设计方案

采用完全随机试验，共设置2个处理：不施用脱硫石膏处理（2014年对盐碱弃耕地进行翻耕播种，除不施用脱硫石膏外，其他措施与施用脱硫石膏处理一致）、施用脱硫石膏处理（脱硫石膏施用量为 30 t/hm2，2014年播种前对试验地撒施脱硫石膏，将脱硫石膏均匀施入试验地中，采用犁翻耕使脱硫石膏与土壤充分混合，平整土地，脱硫石膏一次性施入，之后不再进行脱硫石膏的撒施，后5年其他水肥管理与2014年相同，但不施入脱硫石膏）。脱硫石膏施用后采用全球定仪系统（GPS）对样地进行定位采样，后续每年对各小区点进行原位采样，采样后测定土壤理化性质及重金属含量，分别在2014年（第1年）、2016年（第3年）、2018年（第5年）采样进行分析。每个处理设置3次重复，共计6个小区，每个小区的面积为30 m2（5 m×6 m），小区周围设置1 m宽的保护行，各个小区随机排列。

1.3 测定项目与测定方法

1.3.1 脱硫石膏组分检测 试验所用的脱硫石膏由石河子天富南热电厂提供，样品颜色为青灰色，呈粉末状，主要成分为CaSO4·2H2O及杂质，其中钙（Ca）含量占 22.66%，含水率为37.46%～3895%，pH值为7.45，电导率为2.78 mS/cm，土壤和电厂脱硫石膏重金属元素含量详见表1。由表1可知，供试土壤与脱硫石膏重金属含量均未超过GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》。

1.3.2 土壤指标 土壤pH值用BPH-252 pH计测得，土壤提取液采用1 ∶ 2.5土水比浸提;土壤电导率用DDSJ-308A型电导率仪测得，土壤提取液采用1 ∶ 5土水比浸提;土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法-外加热法测定;土壤重金属（As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb）含量的测定采用等离子体发射光谱法（ICP）测定[12]。

1.4 数据处理

利用Microsoft Excel软件进行数据处理及绘图;用SPSS 16.0软件对试验数据进行统计分析，采用单因素方差分析法检测各数据组间的显著性。

2 结果与分析

2.1 脱硫石膏施用不同年限对土壤pH值的影响

由图1可知，从总体（0～60 cm土层）上看，与未施用相比，施用脱硫石膏后土壤pH值在第1、第3、第5年分别降低1.70%、1.54%、2.55%，且随着复垦年限增加，未施用脱硫石膏与施用脱硫石膏处理的土壤pH值均升高，但第1年至第3年增幅不大，第3年至第5年增幅较大。在0～20 cm、20～40 cm 土层，与未施用处理相比，施用脱硫石膏后土壤pH值第1年至第3年差異不大，第5年分别降低4.71%、332%;随着复垦年限增加，在0～20 cm土层，未施用脱硫石膏土壤的pH值先降低后升高，施用脱硫石膏土壤pH值不断升高，但均在第3年至第5年增幅较大;在20～40 cm土层，未施用脱硫石膏土壤pH值不断升高，施用脱硫石膏土壤pH值先降低后升高;在40～60 cm土层，与未施用处理相比，施用脱硫石膏后土壤pH值在第1年、第3年分别降低2.1%、0.6%，但在第5年高于未施用处理，且随着复垦年限增加，未施用脱硫石膏与施用脱硫石膏土壤pH值均先升高后降低。

2.2 脱硫石膏施用不同年限对土壤电导率的影响

由图2可知，盐碱荒地复垦后第1年至第3年施用与未施用脱硫石膏处理的 0～60 cm土层EC降幅较大，第3年至第5年变化不大，施用脱硫石膏后第1年和第3年土壤EC低于未施用，第5年与未施用相比，施用脱硫石膏后土壤EC有所升高。在 0～20 cm土层，与未施用相比，施用脱硫石膏第1年和第3年土壤EC分别下降了43.47%、4848%，第5年升高了246.60%;随着复垦年限增加，未施用脱硫石膏土壤EC不断降低，施用脱硫石膏土壤EC先降低后升高。20～40 cm土层土壤EC变化情况与0～20 cm土层一致，与未施用处理相比，施用脱硫石膏第1年和第3年土壤EC分别下降了1676%、6.89%，第5年升高了283.08%。在 40～60 cm土层，施用脱硫石膏第1年和第5年土壤EC比未施用处理增加69.91%、106.97%，第3年的差异不大，随着复垦年限增加，施用脱硫石膏的土壤EC先降低后升高。

2.3 脱硫石膏施用不同年限对土壤有机质含量的影响

由图3可知，盐碱荒地开垦后第1年和第3 年土壤有机质含量变化差异不大，随着开垦年限增加，复垦第5年土壤有机质含量明显降低。施用脱硫石膏第1、第3、第5年土壤有机质含量较未施用有所增加，与未施用处理相比，分别增加了9.94%、6.21%、4.55%。

2.4 脱硫石膏施用不同年限对土壤重金属含量变化及其安全性评价

2014年将试验地施入脱硫石膏复垦后对重金属含量进行连续采样检测，不同年份各类重金属含量详见表2。与开垦前相比，随着年份增加土壤As含量先降低后升高，第1年和第3年As含量差异不显著，与开垦前相比显著降低（P<0.05），第5年土壤As含量升高，且显著高于土壤背景值，施用脱硫石膏后连续5年土壤As含量远低于GB 15618—2018中的As含量限量（25 mg/kg）。

与开垦前相比，施用脱硫石膏后，第1年和第3年土壤Cd含量显著降低，第1年和第3年差异不显著，第5年与土壤背景值相比，土壤Cd含量有所升高，但仍远低于GB 15618—2018中的Cd含量限量（0.6 mg/kg）。

随着复垦年限的增加，土壤Cr含量先降低后升高，第1年和第3年连续显著降低，第5年土壤中Cr含量显著升高，高于土壤背景值，通过连续5年检测，土壤Cr含量远低于GB 15618—2018中的Cr含量限量（250 mg/kg）。

土壤Cu含量在施用脱硫石膏后第1、第3年有所降低，但第1年和第3年差异不显著，第5年土壤铜含量显著升高，且高于土壤背景值，但连续5年后土壤Cu含量仍远低于GB 15618—2018中的Cu含量限量100 mg/kg）。

土壤中Hg含量未检出。

土壤中Pb含量在第1、第3年相较于土壤背景值降低，第5年土壤中Pb含量显著升高，5年后土壤中Pb含量仍远低于GB 15618—2018中的限量（170 mg/kg）。

3 讨论

本研究表明，施用脱硫石膏能明显降低表层土壤pH值[13]，这是由于脱硫石膏中的 CaSO4 與土壤中的Na2CO3 或 NaHCO3 反应代换出土壤中的 Na+，导致土壤 pH值降低[14-15]。并且脱硫石膏中的Ca2+被置换后留下的 SO2-4是强酸离子，酸碱中和也能使土壤 pH值下降[16]。土壤盐分对土壤电导率有显著影响，电导率能够反映土壤盐分浓度，本研究对施用脱硫石膏后连续5年的EC检测结果，施用脱硫石膏后0～20 cm和20～40 cm土层土壤电导率低于未施用处理，但40～60 cm土层土壤电导率有所升高。前人研究表明，施用脱硫石膏后改变了0～40 cm土层土壤的孔隙度和土壤的通透性，导致盐分向下运移，在40～60 cm土层积累[17-19]。同时，脱硫石膏是一种盐，导致土壤含盐量增加，虽然施用脱硫石膏能够置换出土壤中的Na+，但是脱硫石膏同时置换出来的钙离子也会形成钙盐，由于淋溶作用导致表层土壤含盐量降低，逐渐向下富集。总体来看，0～60 cm土层施用脱硫石膏第5年的土壤pH值低于未施用处理，EC高于未施用处理，这与邹璐等的研究结果[20]是不一致的，说明脱硫石膏在不同土层深度中pH值降低效果存在差异[21]。

脱硫石膏中含有砷、镉、铬、铜、镍（Ni）、铅等污染元素[22]。本研究针对脱硫石膏中含有的重金属进行长期检测，分析土壤重金属含量变化，表明脱硫石膏改良盐碱土壤5年后重金属含量仍低于GB 15618—2018标准中的限量，并未引起土壤重金属污染。可能由于脱硫石膏能抑制土壤对Cd、Cu、Ni、Zn、Pb、Cr的吸附作用[23]。

4 结论

施用脱硫石膏对耕层土壤pH值和EC具有明显影响，施用5年后，土壤pH值仍然低于未施用处理。施用脱硫石膏能够降低土壤pH值，提升土壤有机质含量，脱硫石膏一次性施入对盐碱土壤长期改良效果明显。

对试验地进行连续5年重金属定位检测，土壤重金属含量在5年内均未超过GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准》中的限量，不会造成土壤重金属污染。

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