酒泉市边湾农场盐碱化土壤的脱硫石膏改良机理研究
2019-06-11隽伟超张松林段凯祥骆艳
隽伟超 张松林 段凯祥 骆艳
摘要：甘肃省酒泉市边湾农场土壤盐碱化严重，致使农业生产无法进行，因此采用脱硫石膏对采自边湾农场耕作层的土样进行改良试验，以评估其对边湾农场盐碱土改良的可行性。结果表明，与对照相比，施用脱硫石膏处理组（11 250～45 000 kg/hm2）的土壤pH、碱化度、总碱度和钠吸附比均显著降低，分别下降了11.38%～12.61%、20.07%～48.40%、4.81%～8.35%、5.5%～22.92%;土壤中Na+、Cl-、K+和Mg2+含量分别降低了16.78%～29.33%、25.44%～46.77%、4.93%～10.05%、6.61%～17.72%，土壤中Ca2+和SO42-含量分别增加了12.91%～43.46%、5.77%～40.77%，表明试验土样的盐碱化程度降低。可见，试验方案对改良边湾农场盐碱化土壤有较好的效果，综合考虑，脱硫石膏施用量为33 750 kg/hm2时改良效果最优。
关键词：盐碱地;脱硫石膏;改良效果;边湾农场
中图分类号：S156.4 文献标识码：A
文章编号：0439-8114（2019）01-0049-04
DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.01.011 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
Study on Improvement Mechanism of Desulphurization Gypsum for Saline-Alkali Soil in Bianwan Farm，Jiuquan City
JUAN Wei-chao，ZHANG Song-lin，DUAN Kai-xiang，LUO Yan
（College of Geography and Environmental Science，Northwest Normal University，Lanzhou 730070，China）
Abstract： The salinization degree of soil in Bianwan farm， Jiuquan city， Gansu province， is so seriously that makes the agricultural production impossible. Therefore， the desulfuration gypsum was adopted to improve the soil samples from the tilling layer of Bianwan farm in order to evaluate its feasibility for improvement of saline-alkali soil. The results showed that， compared with the control group， the pH value， the degree of soil alkalization， total alkalinity and sodium adsorption ratio of the desulfurization gypsum treatment groups（11 250～45 000 kg/hm2） were significantly decreased， fell by 11.38% to 12.61%， 20.07% to 48.40%， 4.81% to 8.35%，and 8.35% to 22.92%， respectively; the content of Na+，Cl-，K+ and Mg2+ decreased by 16.78% to 29.33%， 25.44% to 46.77%， 4.93% to 10.05%， and 6.61% to 17.72%， respectively， and that of Ca2+ and SO42- increased by 12.91% to 43.46%， 5.77% to 40.77%. Thus， these phenomenons indicated an obvious decrease in salinity of the tested soil samples. So， the test scheme was good for the improvement of saline soil from Bianwan farm， and the optimal amount of desulfurization gypsum was 33 750 kg/hm2.
Key words： saline-alkali soil; desulfuration gypsum; improvement effect; Bianwan farm
中国盐渍土约3 693万hm2，占世界盐碱土面积的1/10，占国土面积的1/3。其中，甘新内陆盐碱区面积1 400万多公顷，为中国盐碱土分布最广、面积最大的区域，改良潜力巨大[1]。因此，需要深入研究盐碱化土壤的改良利用原理，探讨其适度开发利用技术，以缓解中国耕地占补平衡的巨大矛盾。
应用石膏改良土壤的研究已有100多年的历史[2]。國外许多学者[3-7]探讨了利用石膏改良钠质盐碱土的离子交换过程，并据以计算改良所需要的石膏数量。中国早在20世纪50年代就开始尝试使用石膏改良盐碱土，但是由于天然石膏的价格昂贵，大范围田间实施比较困难。随着人们环保意识的增强与环境保护政策的严格实施，火电厂都安装了燃煤脱硫装置，据统计，脱硫石膏年产量突破8 000万t，这为石膏的来源提供了足够的保障，并且脱硫石膏中含有植物必需的矿质营养[8]。脱硫石膏大量露天堆放不仅占用土地，而且会造成二次污染，将其进行盐碱地改良可以实现废物的二次利用。不少研究者尝试将脱硫石膏用于盐碱地的改良，如李焕珍等[9]利用脱硫石膏改良盐碱化土壤取得了良好的效果。但是，由于对盐碱土认识不足、治理技术不高或者选用作物不适宜，导致盐碱土改良和利用的效果不佳。所以，采用脱硫石膏改造盐碱化土壤仍处于研究阶段。
目前，对甘新内陆地区盐碱土改良的研究还很有限，且由于土壤和气候条件不同，现有的改良技术也不能照搬到该区域。河西地区气候干旱、水资源紧缺，盐碱化土壤普遍存在。因此，本试验以甘肃省酒泉市边湾农场典型盐碱土为例，研究脱硫石膏改良盐碱土的效果，以期为该地区盐碱化土壤的改良提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概述
酒泉边湾农场位于甘肃省酒泉市肃州区，海拔1 380～1 400 m，总面积15.6 km2。属于中国六大盐碱区之一的甘新内陆盐渍区。研究区属于温带大陆性干旱气候，年降水量少，仅为87 mm，而蒸发量却高达2 140 mm，光照强烈，盐分随着水分的蒸发在耕作层不断集聚，盐碱化严重，导致土地大面积弃耕。
1.2 材料
所用脱硫石膏来自兰州市西固热电厂，主要成分为CaSO4·2H2O，重金属等有害物质含量低于国家土壤环境施用标准;试验所用的花盆规格为上圆直径23.5 cm、下圆直径15.5 cm、高17.0 cm。
所用仪器有STARTER 3100 pH仪、AANALYST 400原子吸收光谱仪、DHG-9140A电热恒温鼓风干燥烘箱、AR12CN万分之一电子天平。
试验土壤样品采集点是根据边湾农场盐碱化弃耕地的盐碱化程度和植被生长状况确定了代表性区域，采集其0～30 cm的耕作层土样;带回室内风干、去除植物根系和石砾等杂物后磨碎，过0.9 mm筛，放于干燥的密封袋中备用。经测定，土样的pH 8.51，总碱度为0.402 cmol/kg，钠吸附比为2.72，碱化度为35.20%，Na+、Ca2+、Mg2+、K+、Cl-、SO42-含量分别为1.952、3.850、1.865、0.735、1.990、21.900 g/kg。
1.2 试验设计
根据预试验结果，设置5个脱硫石膏施用量，每个处理3次重复，取土样1.5 kg，按比例加入脱硫石膏0、4、8、12、16 g，使其含量分别达到0、11 250、22 500、33 750、45 000 kg/hm2;充分混匀后装入花盆中，每隔7 d浇入相同体积的去离子水，加水量以保持土壤湿润到可以沿花盆底部渗水为准;试验改良为期一个月。
1.3 样品分析
1.4 数据处理
试验结果统计与分析采用Excel 2013和SPSS 22.0软件。各指标均以平均值显示，而不同脱硫石膏处理间各指标的差异显著性检验采用最小显著差异法（LSD）。
2 结果与分析
2.1 土壤pH
从图1可以看出，与对照相比，各脱硫石膏处理均显著降低鹽碱化土壤的pH，下降了11.38%～12.61%。pH降幅（△pH）与脱硫石膏施入量之间为二次函数关系，R2为0.918 8;随着脱硫石膏加入量增大，pH降幅先增加后减小，施入量为33 750 kg/hm2脱硫石膏处理组下降值达到最大（1.51）。
2.2 土壤总碱度
改良前后土壤的总碱度变化见图2，与对照相比，施入脱硫石膏使土样的总碱度显著减少，减少了4.81%～8.35%。减少量与脱硫石膏施用量之间呈现二次函数关系，R2=0.993 9，随着脱硫石膏施用量增加，土壤总碱度的减少量增加。但是，脱硫石膏施用量为33 750和45 000 kg/hm2时总碱度减少量之间的差异不显著。施入脱硫石膏增加了土壤中的Ca2+含量，使土壤中HCO3-和CO32-与Ca2+发生沉淀反应，从而减少了土壤的总碱度，使以碳酸氢盐和碳酸盐为主的盐分类型逐渐向以硫酸盐为主的中性可溶盐转化，有利于土体中有害盐分向无害盐分转化[13]。
2.3 土壤钠吸附比
由图3可知，土壤钠吸附比减少量与脱硫石膏施用量呈二次函数关系，R2=0.983 1，与对照相比，脱硫石膏的施用导致土壤的钠吸附比显著降低，降幅为5.50%～22.92%，且随着脱硫石膏施用量提高钠吸附比减少量增加，但是当脱硫石膏施用量为33 750与45 000 kg/hm2时，钠吸附比减少量差异不显著。处理组钠吸附比的降低主要是由于施用脱硫石膏增加了土壤中的Ca2+含量，通过离子交换作用置换出土壤溶液中的Na+，随水淋滤而去;而Ca2+含量随着脱硫石膏的加入而增加。由于Ca2+优先与Na+发生置换反应，因此Na+的减少量多于Mg2+的减少量，所以降低了土壤的钠吸附比。
2.4 土壤离子
由图4可知，随着脱硫石膏的加入，土壤可溶性盐分离子含量发生了变化。在浇水条件下，与对照相比，各脱硫石膏处理土样的Na+和K+含量显著降低，Ca2+和SO42-含量显著增加。
各脱硫石膏处理土样Na+含量显著降低，降幅为16.78%～29.33%;随着脱硫石膏施用量提高，Na+含量减少量变大，以45 000 kg/hm2脱硫石膏处理组减少量最多，下降了29.33%。这是由于脱硫石膏所含的Ca2+进入土壤后置换出Na+，进入土壤溶液后随水淋洗流失[14]。
与对照相比，脱硫石膏处理组K+和Mg2+含量也显著降低，降幅分别为4.93%～10.05%、6.61%～17.72%;随着脱硫石膏施用量提高，K+和Mg2+减少量增加，最多分别减少了10.05%和17.72%。同样是由于施入脱硫石膏中的Ca2+置换出吸附在土壤胶体上的K+和Mg2+，进入土壤溶液中在水洗作用下向下迁移淋失。但是K+和Mg2+减少量不如Na+，是由于Ca2+优先与土壤中的Na+交换[15]。
土壤中Ca2+和SO42-含量随着脱硫石膏施用量提高而增加，增幅分别为12.91%～43.46%、5.77%～40.77%，，且均与对照组差异显著。由于脱硫石膏本身是一种中溶性盐，主要成分为CaSO4·2H2O，施用脱硫石膏增加了土壤溶液中Ca2+和SO42-的含量;SO42-有所增加有利于形成Na2SO4而淋滤流失，有利于中性土壤形成。
随着脱硫石膏施用量增加，土壤中Cl-含量降幅增加，降幅为25.44%～46.77%;这是由于加入的脱硫石膏中几乎没有氯离子，而Cl-可与大多数阳离子形成可溶性盐，随着水淋出土体或者向下层土体移动[16]。
2.5 土壤碱化度
从图5可以看出，碱化度降低值与脱硫石膏施用量之间呈二次函数关系，R2=0.989 4。与对照相比，脱硫石膏处理组土壤碱化度的降低量差异显著，降幅为20.07%～48.40%，且随着脱硫石膏施用量增加土壤碱化度的降幅越大，但到高值区（45 000 kg/hm2）后降幅反而有些下降。另外，浇水条件下，空白对照组（0 kg/hm2）土壤的碱化度也有轻微下降。
依据表1[17]中的盐碱化程度分类标准，本研究土样为重盐碱化土壤;11 250和22 500 kg/hm2脱硫石膏处理组可将土样从重碱化土改良为中碱化土;33 750和45 000 kg/hm2脱硫石膏处理组均可将重碱化土改良为轻碱化土，但是彼此之间的改良效果差异不显著。
盐碱土壤中含有大量的Na+和K+等盐基离子，Na+是很好的分散剂，会导致土壤团聚体稳定性破坏，使土壤黏粒和团聚体分散、土壤板结和透气透水性变差，耕层土壤品质下降，严重影响作物的生长[18]。土壤胶体对Ca2+有较高的吸附选择性。施加脱硫石膏后，在水洗作用下不断溶出Ca2+优先持续置换土壤胶体上吸附的交换性Na+[19]，从而降低土壤碱化度。
3 结论
施用脱硫石膏后，与对照相比，边湾农场土样的pH、总碱度、钠吸附比和碱化度的降幅差异显著。其中，随着脱硫石膏的施用量的增加，降幅越大，但并不是呈简单的线性关系，超过一定的加入量（33 750 kg/hm2）时，降幅差异不显著或者反而下降。
施用脱硫石膏后，与对照相比，土样中Na+、Cl-、K+和Mg2+含量显著降低，施用量越大降幅越大，但是脱硫石膏施用量为33 750、45 000 kg/hm2时，降幅差异不显著;与对照相比，施用脱硫石膏Ca2+和SO42-含量显著上升，并且施用量越大增幅越高。
综上所述，综合考虑经济成本和改良试验效果，施入脱硫石膏33 750 kg/hm2为边湾农场盐碱地改良复垦的最優选择。
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