受电石渣污染土壤的适宜改良剂研究①

程卫国

(1.沈阳环境科学研究院 辽宁沈阳 110167；2.辽宁省城市生态重点实验室 辽宁沈阳 110167)

1 引言

截至2018年末，我国聚氯乙烯的总产能已经达到2404万吨，总产量约1874万t。目前制备氯乙烯单体的方法主要有电石乙炔法和石油乙烯氧氯化法两种，我国聚氯乙烯产能约80%依赖于电石法装置[1]，采用该工艺生产聚氯乙烯过程中产生大量电石渣，我国电石渣存量已达到数千万吨[2]。电石渣属于高湿度、高碱性的固体废渣，在进行回收利用时主要是将其作为低附加值的水泥原料[3]，但回收率很低（约10%）。我国东北地区某聚氯乙烯生产企业将生产过程中产生的电石渣堆放在租用的荒地上，堆放时间为15年，虽然后来企业对电石渣进行了清理，但长期堆放对土壤造成了影响，导致土壤pH值明显升高（＞11），各农艺指标较周边土壤有所下降。

目前针对盐碱地土壤改良剂的研究很多，也形成了很多不同类型的改良剂产品[4]，其中包括天然改良剂[5]、人工改良剂[6-7]和生物改良剂[8]等，但这些已有研究主要是针对天然盐碱地土壤（pH值在8.0～9.0之间），对于受碱性固体废物影响的高pH值低营养型土壤的适用性较差[9-11]。本研究针对受电石渣污染土壤，为使其恢复利用功能，开发了一种适宜于pH值明显高于一般天然盐碱地土壤的酸性营养型改良剂。

2 材料和方法

2.1 供试土壤

试验土壤在某聚氯乙烯生产企业的电石渣堆放场地采集，采样土壤为电石渣清理后的表层土壤（0～0.5m）。本次共在3个不同区域内分别采集了3组土壤样品，并将其混为1组混合土壤样品，两组供试土壤pH值和各项农艺指标如表1所示。

从原土和受污染土壤的检测结果来看，污染土壤的pH值升高明显，钙含量大大提升，有机质、有效磷和速效钾等营养成分下降明显，阳离子交换量低于10cmol(+)/kg，难以满足作物正常生长需要。

2.2 试验材料

根据本次试验的受试土壤理化性质，试验目的是降低受试土壤pH值，恢复受污染土壤营养水平。因此在选择改良剂时主要考虑三个方面因素：（1）改良剂要呈现酸性（pH值小于5.0），但不能存在其他有害成分；（2）改良剂各项营养指标明显高于当地黑土；（3）改良剂要具有一定的黏性，利于对营养成分和水分的保持。

表1 试验土壤的基本理化性质

表2 试验设计方案

表3 样品测试结果

基于以上原则，单一材料很难满足各项改良剂理化性质，本次试验采用多种改良剂混合后的酸性营养型综合改良剂作为试验材料，此次选择的材料包括：木醋液、草甸土、鸡粪土和小颗粒膨润土。

2.3 试验设计

试验前对土壤样品进行了简单的过筛处理，按照不同改良剂的添加比例，共设计了6组试验，同时设计1组空白组试验。

每组试验准备好200g待试土壤，然后根据比例调制好6组改良剂，并将改良剂与待试土壤充分混合并搅拌均匀，加水养护10d，在养护期间保持土壤含水率在60%以上。养护结束后，对6组样品的相关指标进行检测，包括pH、有机质、电导率、阳离子交换量、有效磷和速效钾等。

在确定各改良剂的添加比例时，主要考虑了待试土壤和各改良剂的理化性质，结合土壤改良成本，分析在成本可控的基础上，能够达到土壤改良效果的最大改良剂添加比例，并在此基础上调整不同改良剂的添加量，以期达到效果/成本最大化。

3 结果与讨论

3.1 样品测试结果

对空白组和6个试验组养护10d之后的样品进行了检测，检测指标包括pH、有机质、电导率、阳离子交换量（CEC）、有效磷和速效钾，检测结果如表3所示。

3.2 测试结果讨论

3.2.1 改良剂对pH和电导率的影响

（1）土壤pH。

从样品测试结果可以看出，施加改良剂后，各试验组土壤pH值均有明显降低，说明本次选用的改良剂，尤其是其中含有的木醋液成分对降低土壤pH值有明显作用。随着木醋液的添加比例增加，土壤pH值整体上逐渐降低，其中S5试验组改良效果最明显，土壤pH从原来的11.65降低到8.03，降幅达到30%以上；S6试验组的木醋液添加量为4%，但土壤pH降幅并没有S5试验组大，主要是由于S5试验组的草甸土和鸡粪土添加比较高于S6试验组，而这两种改良剂也呈现酸性，对土壤pH的改良也具有一定效果。

（2）土壤电导率。

在试验组中，土壤电导率相比对照组下降十分明显，说明本次选用的改良剂对于土壤盐分的抑制作用明显，除改良剂起到的作用外，对土壤的养护过程也起到了关键作用，S0对照组在经过养护后的电导率下降也十分明显（从6244·cm-1下降到4878·cm-1）；相对来说，草甸土和鸡粪土添加含量高，土壤电导率下降更为明显。

3.2.2 改良剂对营养指标的影响

（1）土壤有机质。

土壤有机质(SOM)是表征土壤肥力和质量的重要指标，是植物营养的主要来源之一，也是陆地生态系统中碳循环的重要源与汇。较高的SOM含量能够促进植物的生长发育，明显改善土壤质量，并促进微生物和其他土壤生物的活动，促使土壤中各种营养元素的分解，并大大提高土壤的保肥性。本次通过在受污染土壤中添加改良剂，使原土壤有机质含量大大提升，其中S5组试验的有机质含量提升近5倍，其次为S4组试验。从各不同改良剂原料添加情况来看，对土壤有机质提升起主要作用的为鸡粪土和草甸土，两种物质的添加量越高，有机质提升越明显。

（2）土壤有效磷含量。

磷是影响作物生长和农产品质量的重要指标之一，土壤中磷含量保持在较高水平是农作物高产优质的重要基础。土壤中磷素的丰缺状况，表征了土壤肥力水平的高低，而土壤有效磷是作物在生长过程中从土壤中获得磷养分资源的最重要途径。在本次所选取的受电石渣污染土壤中，磷元素亏缺严重，有效磷含量约11.78mg/kg，处于较低水平，会影响作物生长，但磷素的累积则可能会影响到其他元素的的生物有效性，造成营养元素供应失衡，甚至引起土壤肥力退化。因此，需要通过在受污染土壤中添加改良剂使得土壤有效磷控制在合理范围内，同时结合日常耕作过程中磷肥的施加，保证作物正常生长需要。本次所选用的改良剂对土壤有效磷含量增加有一定的促进作用，添加改良剂的试验组土壤有效磷含量均提升至20mg/kg以上，起主要作用的成分仍然是鸡粪土和草甸土。

（3）土壤速效钾。

钾元素是参与植物生物化学过程并贯穿整个生命周期不可或缺的营养元素，对作物健康乃至农业稳产具有重要意义。很大程度上，土壤中原始速效钾含量是由基岩和母质决定的，人为因素也同样会影响速效钾的分布和土壤中钾元素的供输平衡，例如施用钾肥等。本次所选取的受电石渣污染土壤在长期电石渣的淋滤作用下，土壤中钾元素含量流失明显，速效钾含量低于80mg/kg，在添加改良剂之后，速效钾含量明显提升，在162-256mg/kg之间，依据全国二次土壤普查土壤肥力分级标准判断其土壤肥力处于中上等水平，基本能够满足当地玉米作物的生长需要。

3.2.3 改良剂对CEC的影响

土壤阳离子交换量(CEC)是土壤胶体和土壤肥料的重要特征之一，是土壤物理、化学性质的综合体现，它直接反映土壤保蓄、供应和缓冲阳离子养分的能力。土壤中CEC处于较低水平时，土壤保持养分的能力大大降低，对于作物生长也会有很大影响。本次所选取的受电石渣污染土壤在养护完成后的CEC含量仅为5.05 cmol(+)/kg，已经不能满足作物生长需要。影响CEC值变化的因素包括土壤pH值、土壤黏粒含量和有机质含量等，本次对受污染土壤的改良包括降低pH值（加入木醋液），提高土壤黏粒含量（加入膨润土）和提升有机质含量（加入鸡粪土和草甸土）等。试验组土壤CEC值均明显提升，且都达到了10 cmol(+)/kg以上，其中S5试验组提升至15.79 cmol(+)/kg，达到中上等水平，能够满足作物生长需要。

4 结论

（1）我国电石渣存量已达到数千万吨，很多企业的电石渣被直接露天堆放，导致堆放地土壤受到污染，主要表现为pH值升高和营养流失。

（2）目前针对天然盐碱地土壤（pH值在8.0～9.0之间）的改良剂研究很多，但对于受碱性固体废物影响的高pH值低营养型土壤的适用性较差。本研究针对受电石渣污染，碱性明显增强（pH值大于11.0），营养严重流失的土壤，开发了一种由几种物质按照不同比例混合而成的酸性营养型改良剂。

（3）通过试验组和对照组的试验研究，改良剂的添加可明显降低土壤pH值和电导率，提升有机质、有效磷和速效钾含量，并使土壤CEC值明显提高。

（4）以S5组试验（木醋液3%、草甸土和鸡粪土4%、膨润土2%）的效果最为明显，pH值由11.65降至8.03，电导率由4878·cm-1降到了174.7·cm-1，有机质含量从4.51g/kg提升至21.1g/kg，有效磷含量由11.75mg/kg提升到25.82mg/kg，速效钾含量从79.11mg/kg提高到256.1mg/kg，CEC值从5.05cmol(+)/kg提升到15.79cmol(+)/kg，各项土壤指标均可以满足当地玉米作物的正常生长需要。