脱硫石膏不同施用量对盐碱地改良安全性评价

姜同轩，陈 虹，张玉龙，孙鲁鹏，杨 涛，吴 刚，马 蕊，张凤华

(石河子大学农学院/新疆兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意义】煤炭的大量使用导致了SO2的排放量增加，其中燃煤电厂的烟气SO2排放约占SO2总排放量的50%[1]。为了减轻燃煤产生的SO2对环境造成的污染，燃煤电厂引进燃煤脱硫技术，这一技术的利用使得环境的中SO2减少，但随之而来产生的大量脱硫废弃物脱硫石膏却在逐年剧增，每年产生大量的脱硫废弃物，如果处理不当将会造成环境污染与土地资源浪费[2-3]。研究施用脱硫石膏对盐碱土壤改良后进行安全性评价，对于保障粮食安全、生态环境保护具有重要意义。【前人研究进展】目前，世界上对烟气脱硫石膏的研究与应用主要集中在工业，例如水泥缓凝剂、建筑石膏板、道路回填路基等方面[4]。有研究表明,气脱硫石膏可以改善土壤结构。通过增强土壤的离子吸附能力提高土壤持水性，帮助减轻土壤紧实度和提高钠质土壤聚合稳定性，增加土壤通气性。施用烟气脱硫石膏，并进行淋洗能增加土壤孔隙和水力传导力，减少土壤容重[5]。也有研究表明烟气脱硫石膏含有丰富的S、Ca元素[6-7]，可以为植物生长提供有益矿物营养，还可以通过脱硫石膏中含有的大量Ca2+可以与盐碱土壤中的吸附态Na+发生置换改善盐碱土壤的透水性，孔隙度，酸碱度等[8-11]。【本研究切入点】在新疆存在大面积的盐碱土地，盐碱地表面盐分积聚，土壤渗透率低，不利于植物的生长[12-14]，改良盐碱地使其具有很大的潜在耕地价值，可以增加我国后备耕地资源。研究新疆玛纳斯流域盐碱土壤施用脱硫石膏改良盐碱土壤安全性评价。【拟解决的关键问题】研究脱硫石膏不同用量对盐碱土壤及植株的重金属含量，分析株中重金属的含量变化。评价施用脱硫石膏对盐碱土壤改良的安全性。

1 材料与方法

1.1 材 料

油菜品种为华油杂62号。供试土壤样品取自石河子北泉镇石总场四分场(N44.44124°，E086.0137 9°)，其pH为10.26，电导率为533.3 μS/cm，质地粘重，有机质含量8.66 g/kg。供试脱硫石膏样品取自石河子天富南热电厂，脱硫石膏样品为灰色半干状粉末，主要成分为CaSO4·2H2O，含Ca 22.66%，含水率37.46%～38.95%，pH值7.97，电导率为2.92 mS/cm。供试作物为油菜。供试土壤与脱硫石膏均未超过《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》GB15618-2018。在土壤未施用脱硫石膏前进行土壤样品采集，采集点选择从各试验小区取0～30 cm深的土壤，每个小区采五个土样混合使用四分法进行选择并带回实验室，计划采集样点数12个。于室温下风干后剔除石块和根系磨碎过1 mm筛测定相关指标。表1

表1 土壤及脱硫石膏重金属元素含量

Table 1 Content of heavy metal in soil and desulfurization gypsum

砷As镉Cd铬Cr铜Cu汞Hg铅Pb(mg/kg)(mg/kg)(mg/kg)(mg/kg)(mg/kg)(mg/kg)CK1.303c0.018c5.855a2.443a0.049a3.126a脱硫石膏0.0360.0165.8062.6440.0000.286GB15618-2 018250.62501003.4170

1.2 方 法

试验设在开垦两年的盐碱地，进行单因素完全随机试验，根据脱硫石膏不同施用量进行试验设计，试验共设置4个处理，0 t/667 m2(CK)，以及3个不同脱硫石膏施用量分别为1 t/667 m2(1T)、3 t/667 m2(3T)、5 t/667 m2(5T)，每个处理设置3次重复，共设置12个小区，小区面积15 m2(3 m×5 m)，小区四周设置 1.5 m 宽的保护行，各小区完全随机排列。根据试验设计的要求，播种前将脱硫石膏均匀撒施在地面，脱硫石膏施用为一次性施入，结合翻地使脱硫石膏与0～30 cm土层土壤充分混匀用于种植油菜，各小区田间管理水平相同，试验地铺设滴灌设施进行灌溉。

土壤pH：BPH252酸度计(土水比1∶2.5)；土壤电导率：DDSJ-308A型电导率仪(土水比1∶5)；土壤碱解氮：碱解扩散法；土壤速效磷：0.5 mol/L NaHCO3土壤有机质：重铬酸钾容量法—外加热法(鲍士旦，2007)；土壤与植株重金属(As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb)的测定：ICP(等离子体发射光谱测定法)。

注:不同小写字母代表不同处理之间差异显著

Note: Different lowercase letters represent significant differences between the different treatments

图1 不同脱硫石膏施用量下土壤盐分变化

Fig.1 Effect of different desulfurization gypsum application rates on soil salinity

1.3 数据处理

利用Microsoft Excel软件数据进行计算处理及绘图；用SPSS16.0软件对试验数据进行统计分析，采用单因素方差分析进行各数据组间的显著性检验。

2 结果与分析

2.1 脱硫石膏不同施用量对土壤盐分的影响

研究表明，在脱硫石膏不同施用量处理下，与CK对比，土壤盐分显著(P<0.05)升高；脱硫石膏各处理中表层0～30 cm土壤盐分均比CK要高，1T、3T、5T土壤盐分分别是CK处理的6.5、5.8和6.0倍；并且不同处理对于土壤的盐分表现也不同，其中1T处理中与3T、5T存在显著(P<0.05)差异，1T处理比3T、5T处理要高，其中3T处理土壤盐分最低。图1

2.2 不同施用量的脱硫石膏对土壤pH的影响

研究表明，施用脱硫石膏后，土壤pH值较之于CK有显著(P<0.05)的降低，其中1T、3T、5T处理的pH值分别比CK处理降低了20.4%、20.8%、21.3%，1T、3T、5T处理之间的pH值差异不显著。随着施用量的增大pH值变化趋于稳定。图2

注:不同小写字母代表不同处理之间差异显著

Note: Different lowercase letters represent significant differences between the different treatments

图2 不同脱硫石膏施用量下土壤pH变化

Fig.2 Effect of different desulfurization gypsum application rates on soil pH

2.3 不同施用量脱硫石膏对土壤重金属影响

研究表明，在施用脱硫石膏后土壤中As、Cd含量有显著(P<0.05)的上升，并随着施用量的加大，土壤As、Cd含量也随之升高，表现为CK<1T<3T<5T。其中与对照相比As含量分别增加了1.178 、1.409和1.942 mg/kg；与对照相比，1T、3T、5T处理中土壤Cd的含量分别增加了0.016、0.022和0.036 mg/kg。对于Cr含量，1T、3T处理与对照相比Cr的含量显著降低，分别降低了11.3%、7.1%，5T处理没有显著(P<0.05)差异，对与Cu、Hg、Pb这3种重金属来说，施用脱硫石膏前后土壤中Cu含量表现为5T>CK>1T>3T，Hg含量表现为CK<1T<3T<5T，Pb含量表现为5T>CK>1T>3T。

由《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准》 GB15618-2018污染限量标准中可知三个脱硫石膏处理下的土壤重金属含量均较低，As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb六种重金属元素含量均远远低于土壤环境质量标准。表2

表2 不同施用量土壤中重金属含量

Table 2 Content of heavy metal in soils with different application rates

重金属含量Content of heavy metal砷As(mg/kg)镉Cd(mg/kg)铬Cr(mg/kg)铜Cu(mg/kg)汞Hg(mg/kg)铅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:不同小写字母代表不同处理之间差异显著。《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准》(GB15618-2018)

Note: Different lowercase letters represent significant differences between the different treatments

2.4 脱硫石膏不同施用量下植株各器官重金属含量

研究表明，施用脱硫石膏1T、3T、5T与 CK相比，植株体内的As、Cd、Pb含量均有所增加；其中Pb达到了显著水平(P>0.05)。在不同处理与植株的各器官中As含量与CK比较有所增加；CK中Hg含量比1T、3T处理较高，而不同处理间Hg含量随着施用量的增加显著增加，Pb含量在不同的处理下随着施用量的增加也随之增加，达到了显著水平(P>0.05)。

在植株的不同器官中As、Cd、Pb含量从大到小依次为根>叶>茎。与CK相比，不同处理下，As在植株的各器官中含量均有所增加。

不同处理下，Cd含量在叶和茎中没有显著性变化，而1T、3T、5T处理下，Cd根部含量与CK相比增加了47.1%、88.2%、58.8%。

Cr的含量在茎中没有显著的变化，随着脱硫石膏施用量的增加，根、叶中Cr含量呈现显著性的增加，表现为根>茎>叶。

茎与叶中未检出Hg的含量。不同器官茎、叶中的Pb含量变化最为明显。

由《食品安全国家标准 食品中污染物限量》(GB2762-2017)的限量标准中可以得出种植油菜的不同器官中重金属含量较低，As、Cd、Cr、Hg、Pb五种重金属元素含量远远低于《食品安全国家标准 食品中污染物限量标准》。表3

3 讨 论

3.1 土壤酸碱度与盐分变化

表3 不同施用量植株不同器官中重金属含量

Table 3 Content of heavy metal in different organs of different application rates

重金属含量Content of heavy metalCK1T3T5T叶菜类含量GB2762-2017谷物含量GB2762-2017As(mg/kg)根0.038b 0.052a 0.041b 0.054a 茎0.008b 0.023a 0.029a 0.032a 叶0.024bc 0.032ab 0.038a 0.021c 0.50.5Cd(mg/kg)根0.004b 0.006ab0.008a 0.007a 茎0.003a 0.004a 0.004a 0.006a 叶0.007a 0.006a 0.005a 0.006a 0.10.2Cr(mg/kg)根0.059b 0.074b 0.142a 0.136a 茎0.127a 0.128a 0.138a0.120a 叶0.043c 0.068b 0.074b 0.091a 0.51Hg(mg/kg)根0.012a 0.004b 0.007b 0.012a 茎一 一 一 一 叶一 一 一 一 0.010.02Pb(mg/kg)根0.042b 0.047b 0.114a 0.118a 茎0.042c 0.058bc0.068b 0.104a 叶0.048d0.065c 0.078b 0.103a 0.20.1

注:不同小写字母代表不同处理之间差异显著。由《食品安全国家标准 食品中污染物限量》(GB2762-2017)

Note: Different lowercase letters represent significant differences between the different treatments

3.2 土壤与植株中的重金属变化

研究表明，耕层土壤中As、Cr、Cd含量随着脱硫石膏施用量的增加，呈现增加的趋势，与王淑娟等[24]的研究相一致，而Cu、Hg、Pb重金属的含量在施用脱硫石膏后并未出现显著性的增加或降低，均未超过《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准》 GB15618-2018标准[25-26]。植株的各器官中根部As、Cd、Hg元素的质量分数较大[27-28]，而在土壤中需要注意的不仅是土壤中的重金属总量，还需要关注重金属在土壤中的活性，有研究表明,土壤的性质对重金属活性具有很大的影响[29-30]。

4 结 论

研究区盐碱土壤，经施用脱硫石膏改良后，土壤的pH得到了显著的调节，有效的降低了土壤酸碱性，而改良后的土壤盐分及电导率均有显著的增加。在施用脱硫石膏的各处理中，其土壤中的重金属含量均未超过《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准》 (GB15618-2018)标准中的限量，施用脱硫石膏改良未对土壤造成环境污染。在改良的盐碱地种植的油菜其根、茎、叶中的含量均未超过《食品安全国家标准 食品中污染物限量》(GB2762-2017)标准中的限量，改良后的土壤未对植株造成重金属污染。在三种施用处理中，3T的施用处理土壤的pH显著降低，并且盐分增加最少，改良效果明显，可作为干旱区脱硫石膏改良盐碱地的依据。