施加脱硫石膏对苏打盐化土不同层次主要离子的影响

崔媛，张强，王斌，黄高鉴，李丽君

（1.山西大学生物工程学院，山西太原030006；2.山西省农业科学院农业环境与资源研究所，山西太原030031）

施加脱硫石膏对苏打盐化土不同层次主要离子的影响

崔媛1，张强2，王斌2，黄高鉴2，李丽君2

（1.山西大学生物工程学院，山西太原030006；2.山西省农业科学院农业环境与资源研究所，山西太原030031）

通过土柱淋洗试验，研究重度苏打盐化土施加不同量的脱硫石膏（0，5.5，11，22，33 g/kg）后，土壤不同层次（0～20，20～40，40～60 cm）主要盐离子的累积规律，阐明不同用量脱硫石膏对重度苏打盐化土的改良效果。结果显示，施用脱硫石膏可以有效降低苏打盐化土pH值，提高土壤导水能力，促进有害离子Na+的淋洗；脱硫石膏改良后表层（0～20 cm）土壤含量和pH值降幅最大，表层（0～20 cm）改良效果最好；和Na+在淋洗作用下向下迁移，呈现和Na+在土壤底层（40～60 cm）累积；添加脱硫石膏的处理Ca2+和在土壤表层（0～20 cm）显著增加（P＜0.05）；土壤pH值与土壤层次间呈显著正相关（P＜0.05，r＝0.855）；苏打盐化土改良效果与脱硫石膏用量并不呈正相关关系。在试验范围内，22 g/kg脱硫石膏用量的改良淋洗效果较好。

脱硫石膏；苏打盐化土；盐离子；改良效果

煤炭燃烧会产生大量的SO2有害气体，为此国家要求采用湿式石灰石-石膏法脱硫工艺进行烟气脱硫[1]，以减少环境污染。山西作为煤炭大省，每年将产生大量的脱硫废弃物，并且这种脱硫副产物在逐年递增，如果不能合理地处置会造成土地和资源浪费。

近年来，脱硫石膏被广泛地应用于改良盐碱地。脱硫石膏主要成分是CaSO4·2H2O[2]，溶解后的钙离子与土壤中的碱性物质进行反应，能代换出土壤中的钠离子[1]，在淋洗条件下排出土体。脱硫石膏在盐碱土壤改良中具有广阔的应用前景，研究内容主要包括利用脱硫石膏改良盐碱地的施用量、施用方式、施用时期、灌水量以及对土壤理化性质的影响等[3-8]。有研究表明，脱硫石膏能有效降低苏打盐化土的pH值、ESP和TDS，提高土壤饱和导水率[3-5]。利用脱硫石膏改良盐碱地不仅可以避免环境污染，还可以扩大耕地面积，实现资源再利用，对于农业的可持续发展具有重要的意义。

山西省有盐碱地30.13万hm2，其中，以大同盆地盐碱地面积最大，达到17.3万多hm2，而且集中连片，治理难度大。

本研究采用室内土柱淋洗模拟试验，在苏打盐化土表层（0～20 cm）施加脱硫石膏后，以明确土壤不同层次盐离子的累积规律，并且通过对土壤离子淋洗的研究，探讨了脱硫石膏对重度苏打盐化土的改良效果，旨在为合理施用脱硫石膏改良大同苏打盐化土提供一定的科学依据。

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试土壤采自大同天镇天翔农场盐碱地改良示范基地（东经113°53′～114°32′，北纬40°9′～40°40′）未经改良的苏打盐化土壤。采集0～20，20～40，40～60 cm土层，经过阴干、过5 mm筛充分搅匀后备用。土柱为PVC管，高80 cm，直径16 cm，底部有出水口。供试土壤的理化性质列于表1。脱硫石膏取自太原第一热电厂，其理化性质列于表2。

表1 供试土壤的基本理化性质

表2 脱硫石膏的基本理化性质

1.2 试验方法

试验在山西省农业科学院环境与资源研究所实验室进行。土柱内先放置与内径一致的PVC渗滤孔板，上面加0.57kg石英砂，分土层（0～20，20～40，40～60 cm）将土装入土柱，每层均匀压实到20 cm，各处理管理措施一致。淋洗试验共设置5个处理：CK.不施加脱硫石膏；T1.脱硫石膏施用量5.5 g/kg；T2.脱硫石膏施用量11 g/kg；T3.脱硫石膏施用量22 g/kg；T4.脱硫石膏施用量33 g/kg，每个处理重复4次。按照试验方案将脱硫石膏与表层土壤（0～20 cm）混合均匀，为保持均匀渗透，表层加上3层滤纸，用去离子水至上而下进行淋洗，使土壤水分达到最大持水量，静置7 d。之后每次加去离子水400 mL，每隔10 d淋洗一次。淋洗结束后，土壤分层次（0～20，20～40，40～60 cm）测定Na+，Ca2+，的含量。

1.3 测定项目及方法

按照《土壤农化分析》[9]，Ca2+采用EDTA滴定法测定采用稀硫酸中和滴定法测定；Na+采用火焰光度法测定采用硫酸钡比浊法测定；pH值采用酸度计测定。

1.4 数据处理

采用Minitab和Excel软件进行数据分析和图表制作。

2 结果与分析

2.1 脱硫石膏对土壤不同层次Na+的影响

不同脱硫石膏用量下分层土壤（0～20，20～40，40～60 cm）Na+含量的变化如图1所示。

从图1可以看出，土层0～20 cm，随着脱硫石膏用量的增大，土壤Na+含量逐渐降低，对照土壤中Na+含量显著高于其他处理（P＜0.05）。土层20～40 cm，对照土壤中Na+含量最高，施加脱硫石膏的处理土壤中Na+含量差异不大，保持在0.94～0.97 g/kg范围内。土层40～60 cm，随着脱硫石膏用量的增大，土壤Na+含量呈先降后升的变化趋势。处理CK，T1，T2，T3，T4土壤中Na+含量随着土层的加深变化趋势一致，与土壤层次呈显著正相关（P＜0.05，r＝0.909）。由试验结果可以得出，脱硫石膏对土壤Na+的淋洗效果较好，Na+向着土壤深层累积，可减少对作物生长的影响。

方差分析表明，与对照相比，施加脱硫石膏后，土壤Na+的含量显著降低（P＜0.05）；土层0～20 cm，各处理相比，土壤Na+的含量差异显著（P＜0.05）；土层20～40 cm和土层40～60 cm，施加脱硫石膏的各处理土壤Na+含量间差异不显著（P＞0.05）。

2.2 脱硫石膏对土壤不同层次Ca2+的影响

不同脱硫石膏用量下分层土壤（0～20，20～40，40～60 cm）Ca2+含量的变化如图2所示。结果显示，土层0～20 cm，随着脱硫石膏用量的增大，土壤Ca2+含量先升高后降低，对照土壤中Ca2+含量最低。土层20～40 cm，对照土壤中Ca2+含量显著高于其他处理（P＜0.05），施加脱硫石膏的处理间土壤中Ca2+含量差异不显著。土层40～60 cm，各处理土壤中Ca2+含量特别低，在0.018～0.024 g/kg范围内波动。处理CK，T1，T2，T3，T4土壤中Ca2+含量随着土层的加深变化趋势一致，与土壤层次呈显著负相关（P＜0.05，r＝-0.732）。由试验结果可以得出，脱硫石膏对增加表层土壤Ca2+效果较好，有利于土壤结构的优化。

方差分析表明，土层0～20 cm，与对照相比，处理T2，T3土壤中Ca2+的含量显著升高（P＜0.05）；土层20～40 cm，CK与T1，T2，T3，T4土壤中Ca2+的含量差异显著（P＜0.05）；土层40～60 cm，各处理土壤Ca2+含量之间差异不显著（P＞0.05）。

2.3 脱硫石膏对土壤不同层次SO42-的影响

不同脱硫石膏用量下土壤分层（0～20，20～40，40～60 cm）含量的变化如图3所示。从图3可以看出，土层0～20 cm，随着脱硫石膏用量的增大，土壤含量先升高后降低，对照土壤中含量最低。土层20～40 cm，对照土壤中含量显著高于其他处理（P＜0.05），施加脱硫石膏的处理间土壤中含量差异不显著。土层40～60 cm，土壤中含量随着脱硫石膏用量的增大先降低后升高，对照土壤中含量显著高于其他处理（P＜0.05）。对照与T1，T2，T3，T4处理相比，土壤中含量随着土壤层次加深变化趋势不一致，对照土壤中含量与土壤层次间呈显著正相关（P＜0.05，r＝0.951），T1，T2，T3，T4处理土壤中含量与土壤层次间呈显著负相关（P＜0.05，r＝-0.811）。由试验结果可知，脱硫石膏对增加表层土壤效果较好，随着土层增加含量逐渐减少。

方差分析表明，土层0～20 cm，与对照相比，处理T2，T3土壤中的含量显著升高（P＜0.05）；土层20～40 cm和土层40～60 cm，CK与T1，T2，T3，T4土壤中含量差异显著（P＜0.05），土层20～40 cm施加脱硫石膏的各处理土壤含量之间差异不显著（P＞0.05）。

2.4 脱硫石膏对土壤不同层次CO32-的影响

不同脱硫石膏用量下土壤分层（0～20，20～40，40～60 cm）CO32-含量的变化如表3所示。

表3 不同脱硫石膏用量下土壤分层含量的变化g/kg

表3 不同脱硫石膏用量下土壤分层含量的变化g/kg

土层深度/cm 0～20 20～40 40～60原始土0.12 0.22 0.26 CK 0.09 0.17 0.28 T1＜0.002＜0.002 0.143 T2＜0.002＜0.002 0.227 T3＜0.002＜0.002 0.283 T4＜0.002＜0.002 0.193

由表3可知，施加脱硫石膏的处理土层（0～40 cm）土壤中含量均低于检测值0.002 g/kg，显著降低了原土的含量，对照和原土土壤各个层次含量变化不大。土层40～60 cm，施加脱硫石膏的处理土壤中含量随着改良剂用量的增大先升高后降低。由试验结果可知，脱硫石膏对土壤淋洗效果较好，在淋洗作用下向土壤底层累积。

2.5 脱硫石膏对土壤不同层次pH值的影响

不同脱硫石膏用量下，土壤pH值变化情况如图4所示。由图4可知，随着脱硫石膏用量的增大，土壤pH值逐渐降低。对照土壤pH值显著高于其他处理（P＜0.05），且pH值随着土壤层次加深变化差异不大，均在10以上。处理T1，T2，T3，T4的pH值随着土壤层次的加深逐渐升高，土壤pH值与土壤层次间呈显著正相关（P＜0.05，r＝0.855）。由试验结果可以得出，脱硫石膏对表层土壤0～20 cm改良效果较好。

3 讨论

3.1 施用脱硫石膏对土壤不同层次主要离子含量的影响

影响碱化土壤作物生长的2个关键因素是代换性Na+和pH值[8]。阳离子代换性能通常是评价土壤保水保肥能力的重要指标，尤其对碱化土壤来说，则是更为重要的土壤改良指标，碱化土壤的许多不良性质与其含有大量的代换性Na+密切相关[14]。施加脱硫石膏后苏打盐化土Na+和pH值显著降低；同时，脱硫石膏提高了淋洗的速度，较对照不添加脱硫石膏的处理土壤导水性有所提高，有利于Na+的淋洗，降低了土壤碱性，土壤结构得到了优化和改良。

不同用量的脱硫石膏对土壤盐离子的淋洗效果影响不同。对于Na+来说，土层0～20 cm土壤施加脱硫石膏后，Na+的含量分别由原土的1.92 g/kg下降到0.01～0.14 g/kg，处理33 g/kg用量下降幅度最为显著。这是因为脱硫副产物改良碱化土壤的原理，就是利用脱硫石膏中含有的Ca2+对土壤胶体吸附的Na+进行置换，并通过淋洗将其排出土体，以达到治碱改土的目的[2]。在试验范围内，随着脱硫石膏用量的增大，Na+淋洗效果越好。与对照相比，施加脱硫石膏也显著降低了土层20～60 cm土壤Na+的含量，但是施加脱硫石膏的各处理差异不显著，这是因为脱硫石膏与表层（0～20 cm）土壤混合，土层越深，淋洗效果越差，脱硫石膏用量不同造成淋洗效果差异并不显著。

对于Ca2+和来说，土层0～20 cm土壤施加脱硫石膏后Ca2+和含量显著高于对照，这是因为淋洗条件下，表层施用脱硫石膏大量溶解。随着脱硫石膏用量的增加，Ca2+和含量先升高后降低，其中，处理11～22 g/kg用量下Ca2+和含量较大，这与脱硫石膏用量越大，土壤Ca2+和越多不符。其原因可能是由于淋洗过程中，脱硫石膏会随淋洗液排出造成渗漏损失[11]。淋洗初期石膏溶解量大，转换量大，淋洗效果和脱硫石膏用量间呈正相关，虽然也有石膏渗漏但不起决定性作用[16]。淋洗后期，土壤通透性改变，间接加速土壤盐分的淋洗速率和渗漏量，溶解量和转换量低于脱硫石膏渗漏量，脱硫石膏用量越大淋洗流失量也比较大[12]，所以，33 g/kg用量下Ca2+和含量反而较少。

土壤盐离子在土壤各层次有不同的累积规律。随着土层的加深，施加脱硫石膏土壤Na+和向下累积，原因是脱硫石膏增加了土壤溶液Ca2+含量，土壤胶体对Ca2+具有较高的吸附选择性，Ca2+置换出吸附在土壤胶体表面的Na+，使土壤Na+较对照更易于淋洗，在水作用下向下迁移，土层0～20 cm土壤中Na+含量最低[13]。pH值降低后，土壤中CaCO3加速水解，进而提高的淋洗，0～40 cm土层含量最低[13]。施加脱硫石膏后，表层0～20 cm土壤脱硫石膏与土壤混合大量溶解，显著增大了Ca2+和含量，土壤Ca2+和与土层间呈显著负相关（P＜0.05，r＝-0.732，r＝-0.811）。对照土壤在淋洗作用下Na+，和向下迁移，由于淋洗过程中没有收集到淋洗液，盐离子没有排出土体，在土壤底层累积。对照土壤Ca2+变化较为特别，与土壤层次间呈显著负相关，并没有在土壤底层累积。这是由于土壤胶体对Ca2+具有较高的吸附选择性，Ca2+移动性差[13]，在土壤深层含量很低[15]。

3.2 施用脱硫石膏对土壤pH值的影响

淋洗后，不同处理的pH值都得到了降低，并且施加脱硫石膏的处理要明显低于对照，表层（0～20 cm）土壤pH值低于底层（20～40，40～60 cm）土壤，表层淋洗效果较好，因此，脱硫石膏显著改善了土壤的理化性质。表层0～20 cm土壤pH值随着脱硫石膏用量的增加呈先降低后升高的趋势，说明苏打盐化土壤的改良效果与脱硫石膏用量并不呈正相关关系，必须选择适宜的脱硫副产物用量。22 g/kg脱硫石膏用量下，土壤各个层次pH值降幅最显著，改良效果最好。

4 结论

土柱淋洗条件下，表施脱硫石膏后，土层0～20 cm土壤可溶性盐分离子发生了明显变化，施用脱硫石膏的处理土壤Na+和含量显著低于对照，和Ca2+含量较对照显著升高。脱硫石膏改善了土壤的理化性质，增加了土壤的导水能力，游离的和置换出的Na+在水作用下向下迁移，呈现出Na+和在土壤底层累积。施用脱硫石膏能够显著降低土壤的pH值，表层0～20 cm土壤改良效果最好。苏打盐化土壤的改良效果与脱硫石膏用量并不呈正相关关系。在试验范围内，22 g/kg脱硫石膏用量的改良淋洗效果较好，土壤pH值和Na+含量由原来的10.3和1.92 g/kg下降到7.66和0.04 g/kg。

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Effect of Desulfurization Gypsum on Leaching of Major Ions in Different Heavy Soda Saline Soil Layers

CUI Yuan1，ZHANG Qiang2，WANG Bin2，HUANG Gao-jian2，LI Li-jun2
（1.College of Biological Engineering，Shanxi University，Taiyuan 030006，China；2.Institute of Agricultural Environment&Resources，Shanxi Academy of Agricultural Sciences，Taiyuan 030031，China）

To clarify the effectiveness of different dosage of flue gas desulfurization gypsum for improvement effect on heavy soda saline soil and provide scientific basis for the soda-saline soil in Datong,a soil-column leaching experiment was done to study the varying pattern of salt ionsof different soil layers（0-20,20-40,40-60 cm）in leachate under different dose of desulfurization gypsum（0,5.5,11,22,33 g/kg）applying into tested soil.The results showed that soil pH significantly decreased,soil infiltration velocity was improved and elution efficiency of Na+had being deeply promoted by applying the desulfurization gypsum.The Na+content,content and soil pH had a pretty significant drop at topsoil layers（0-20 cm）and the effect of improvement at topsoil layers（0-20 cm）was the best.The direction of Na+andmigration was down,which led to Na+andaccumulate at the base of the soil layers（40-60 cm）.Theincreased significantly at topsoil layers（0-20 cm）by desulfurised gypsum application（P＜0.05）.Soil pH and soil layer had significant positively correlation（P＜0.05,r=0.855）.The effect of improvement and the amount of desulfurization gypsum were not positively correlated.The optimum application rate of desulfurised gypsum was 22 g/kg.

gesulfurization gypsum;soda saline soil;salt ions（improvement effect

S156.4＋4

A

1002-2481（2016）01-0048-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.01.14

2015-10-13

国家星火重大专项（2012GA630001）；山西省回国留学人员科研资助项目（2014-097）；山西省农业科学院重点项目（YZD1415）

崔媛（1989-），女，山西长治人，在读硕士，研究方向：土壤修复。李丽君为通信作者。