高硫煤矸石不同细度与用量对苏打盐化土化学性状的影响

王琼，张强，王斌，黄高鉴

（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）

高硫煤矸石不同细度与用量对苏打盐化土化学性状的影响

王琼1，张强2，王斌2，黄高鉴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）

根据山西省大同盆地苏打盐化土的特征，选取高硫煤矸石为研究对象，通过室内培养试验，重点研究了高硫煤矸石不同细度和不同用量对苏打盐化土的pH值、电导率（EC）、代换性钠离子含量和碱化度（ESP）等化学性状的影响。结果表明，施用高硫煤矸石后，苏打盐化土的pH值、代换性钠离子含量、碱化度（ESP）均有所降低，较对照分别降低了15.73%，28.57%，25.04%；而且随着高硫煤矸石用量的增加，各项指标的变化幅度增大，其中，以细度为0.21 mm、用量为9.6 t/hm2的高硫煤矸石对苏打盐化土的改良效果最为显著；施用高硫煤矸石会导致大量外源离子的输入，使苏打盐化土EC值与对照相比均有所升高，但通过调整土壤中盐离子的结构，使产生毒害作用的钠离子含量减少，对苏打盐化土起到良好的改良作用。

大同盆地；高硫煤矸石；苏打盐化土；改良；土壤化学性状

土壤盐渍化和次生盐渍化是制约世界农业可持续发展的重要因素。我国的盐渍土总面积约为9 913.3万hm2，分布面积大，类型多，是我国重要的后备耕地资源[1-2]。山西省共有盐渍土30.26万hm2，主要分布在大同、忻定、晋中、运城四大盆地，其中，以大同盆地面积最大，而且主要以苏打盐化土为主，土壤结构性差、肥力低，改良难度大[3-5]。近年来，脱硫石膏、风化煤等化学改良剂在苏打盐化土上的应用越来越广，效果显著[6-8]。

高硫煤矸石是指煤矿在生产和清选过程中产生的含硫量高于2%的矸石，堆放过程中易于自燃，对环境破坏性极大。目前，我国高硫煤矸石主要用来发电、生产建筑材料等，利用率不高[9]。高硫煤矸石一般含有大量的碳质页岩，其中，有机质含量占15%～25%，并含有丰富的植物生长所必需的B，Zn，Cu，Co，Mo，Mn等微量元素，高出土壤含量的2～10倍，具有较大的吸收容量，是改良土壤的理想材料。目前，利用各种废弃物改良盐碱地已开展了大量研究[10-11]，但有关高硫煤矸石改良苏打盐化土的研究鲜见报道。

本研究以高硫煤矸石为试验材料，以大同盆地苏打盐化土为研究对象，采用室内培养试验探讨了不同用量高硫煤矸石对苏打盐化土的改良效果，旨在为大同盆地苏打盐化土的改良提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试土壤为2014年5月采自朔州市怀仁县毛皂镇盐碱地改良基地的未经改良的苏打盐化土壤。该区属北温带大陆性季风气候，具有夏季高温多雨、冬季寒冷干燥的特点。年均温为7.3℃；年均降水量为400 mm左右，主要集中在7，8，9月；年日照时数为2 800 h。供试土壤为中度苏打盐化土，质地为沙壤土。采集0～20 cm的土层，经阴干，过2 mm筛后备用。供试土壤的理化性质列于表1。供试高硫煤矸石取自山西灵石，含硫量为2.01%，pH值6.38，EC为2.36 mS/cm。为研究高硫煤矸石不同细度的影响，利用粉碎机将供试煤矸石粉碎为2个细度，分别为0.21，0.075 mm。

表1 供试土壤的理化性质

1.2 试验设计

试验处理按照高硫煤矸石2个细度和2个用量完全组合设置，共9个处理，具体处理列于表2。将每个处理的200 g供试土和高硫煤矸石物料充分混匀后装入直径为150 mm的培养皿中，加入相应质量的石英砂，使培养皿中土壤的质量保持相等，置于恒温25℃的人工气候箱中培养。加入去离子水保持土壤含水量为最大田间持水量的80%。分别在第0，0.5，1，2，3，4，5，10，20，30天进行取样。

表2 试验处理方案

1.3 测定项目及方法

pH值采用酸度计测定；EC值采用电导率仪测定；可交换性Na+百分比ESP计算是按Richards（1954年）提出的方程进行计算。

阳离子交换量和代换性钠的测定采用火焰光度计法[12]；土壤pH值降低量为未经改良的土壤基础pH值减去施用高硫煤矸石后土壤基础pH值。

1.4 数据统计

试验数据采用Minitab及Origin 9.0进行分析作图；显著性水平设定为α＝0.05。

2 结果与分析

2.1 高硫煤矸石对苏打盐化土pH值的影响

pH值的变化是评价盐渍土改良效果的重要指标之一，对土壤化学反应有较大影响。土壤的酸碱程度由pH值反映，土壤的酸碱程度对土壤中化学元素的有效性、存在形态、迁移转化等有直接影响[12-14]。苏打盐化土的pH值高会导致作物生长困难，pH值的有效降低是苏打盐化土改良的首要任务[15]。

由图1、表3可知，高硫煤矸石的细度和施用量对苏打盐化土的pH值有显著的影响，但其影响程度的大小有差异，培养周期结束，施加0.21 mm煤矸石的4个处理中，苏打盐化土pH值分别降低了6.54%，11.73%，13.83%，15.73%；施加0.075 mm煤矸石的4个处理中，苏打盐化土的pH值分别降低了4.38%，8.37%，11.07%，14.87%。说明在相同用量的情况下，细度大的高硫煤矸石对苏打盐化土的改良效果较好。随着高硫煤矸石用量的增加，细度的作用反而在降低。

从图1可以看出，与CK相比，不同细度及用量的高硫煤矸石施用后pH值相对降低率和降低量均有不同程度的增加，高硫煤矸石施用量越大，土壤的pH值降低量就越大，高硫煤矸石的用量与土壤的pH值呈显著负相关（y1＝-0.380x1＋10.350，r1＝0.856；y2＝-0.369x2＋10.551，r2＝0.971；P＜0.05），pH值降低量由小到大均为CK＜A＜B＜C＜D。随着培养时间的增加，各处理之间的差异不显著；20 d时，B1，C1，D1之间差异不显著，与A1之间差异显著，20 d时，D1的pH值最低，为8.66；B2，C2之间没有显著性差异，与A2，D2之间均有显著性差异，20 d时，D2的pH值最低，为8.73。说明相同处理随着培养时间的延长，苏打盐化土的pH值下降幅度差异不大，培养时间对土壤pH值变化影响不大。

表3 各因素对苏打盐化土pH值影响的统计检验

2.2 高硫煤矸石对苏打盐化土电导率（EC）的影响

土壤浸出液的电导率（EC）是反映土壤盐含量的重要指标。由图2、表4可知，高硫煤矸石的2种细度对苏打盐化土EC的影响有显著差异，且影响程度的大小有差异。培养20 d时，施加0.21 mm高硫煤矸石的苏打盐化土的EC值分别增加到0.63，0.75，0.85，1.00 mS/cm，施加0.075 mm高硫煤矸石的苏打盐化土的EC值分别增加到0.58，0.65，0.74，0.89 mS/cm。由图2可知，整个培养阶段，苏打盐化土的EC值逐渐增大，前期EC值随着培养时间增加而缓慢增加；中期变化平稳，略有下降的趋势；后期缓慢上升。与对照相比，施用高硫煤矸石后，苏打盐化土的EC值均有所升高，苏打盐化土的EC值与高硫煤矸石用量呈显著正相关（P＜0.05，y1＝0.127x1＋0.401，r1＝0.978；y2＝0.104x2＋0.395，r2＝0.887），苏打盐化土的EC值随煤矸石用量增大而增大，EC值从小到大顺序为CK＜A＜B＜C＜D。培养20 d时，EC值均呈上升趋势，B1，C1之间差异不显著；A1，CK之间差异不显著，但均与D1间差异显著，A1电导率最低为0.63 mS/cm；A2，B2，C2与CK间差异不显著，与D2间差异显著，A2的EC值最低，为0.58 mS/cm。

表4 各因素对苏打盐化土EC影响的统计检验

2.3 高硫煤矸石对代换性Na+变化的影响

阳离子代换性能通常可作为评价土壤保水保肥能力的指标，大量的代换性钠（ES）可导致苏打盐化土产生许多不良性质，进而使土壤的性质不断恶化[16-17]。含Na+的胶体具有分散性强的特点，易堵塞在土壤颗粒之间，使得土壤形成致密不透水的板结土层。

由表5可知，与CK相比，2种细度的高硫煤矸石均能够显著降低土壤中的代换性Na+含量，再次说明高硫煤矸石的Ca2+能与Na+发生离子代换。方差分析结果表明，同一时间段内，苏打盐化土中代换性Na+与高硫煤矸石用量呈显著负相关（P＜0.05，y1＝-0.243x1＋3.808，r1＝-0.741，y2＝-0.202x2＋3.957，r2＝-0.945）。供试土壤加入高硫煤矸石后，其代换性钠都呈现减小的趋势，其中，处理A，B，C之间没有显著性差异，但与处理D间具有显著性差异，说明只有达到D处理的用量时才能显著降低土壤溶液中的钠离子含量。施用高量高硫煤矸石尽管会导致土壤溶液中的盐分含量提高，但交换性钠离子含量降低，土壤盐分组成发生变化，钠离子的毒害作用降低，土壤性状得到改善，同时还提供了植物生长必需的Ca和S，可以在一定程度上提高作物的抗逆性。

表5 不同含量的高硫煤矸石处理后苏打盐化土的代换性Na+的含量cmol/kg

2.4 高硫煤矸石对苏打盐化土碱化度（ESP）的影响

土壤碱化度（ESP）是用Na+的饱和度来表示，通常是指被土壤胶体上吸附的交换性Na+占阳离子交换量的百分率。当ESP达到一定值时，对土壤的理化性质会造成一系列的影响，使得土壤呈极强的碱性反应。碱化度可作为盐碱土分类、利用、改良的重要指标，一般把碱化度＞15%、pH值＞8.5作为引起土壤结构恶化和影响作物生长的关键值[18]。

由图3、表6可知，高硫煤矸石的2种细度对苏打盐化土ESP的影响有显著差异，且影响程度的大小存在差异。施加0.21 mm高硫煤矸石的苏打盐化土的ESP值分别降低到37.57%，35.06%，25.04%，22.19%施加0.075 mm高硫煤矸石的苏打盐化土的ESP值分别降低到40.87%，29.64%，26.81%，22.40%，表明颗粒大的高硫煤矸石对降低ESP效果比较明显。随着培养时间的延长，各处理的ESP值有一定的变化，培养前期，土壤的ESP值随时间的增加逐渐降低，在第5天达到最低值，随后趋于稳定，呈略微下降趋势，表明前5 d是土壤交换反应的活跃期。与对照相比，施加高硫煤矸石的处理，苏打盐化土的ESP值显著降低，方差分析结果表明，同一时间段内，苏打盐化土的ESP值与高硫煤矸石用量呈显著负相关（P＜0.05，r1＝-0.814，r2＝-0.901），ESP值大小顺序均为：CK＞A＞B＞C＞D。高硫煤矸石含量越大，苏打盐化土的ESP值降低越大，随着培养时间的增加，不同高硫煤矸石用量对苏打盐化土ESP值的影响差异不显著。培养20 d时，ESP值均呈下降趋势，A1，B1与C1间差异不显著，与D1间差异显著，D1的ESP值最低，为22.19%；A2，B2，C2，D2间差异不显著，D2的ESP值最低，为22.40%。

表6 各因素对苏打盐化土ESP影响的统计检验

3 结论与讨论

对于所研究的苏打盐化土，添加高硫煤矸石的各个处理土壤pH值均显著降低。苏打盐化土的pH值随高硫煤矸石用量的增加而呈规律性变化，二者间呈显著负相关；但并没有随培养时间的增加而呈现规律性的变化。0.21 mm的高硫煤矸石用量为9.6 t/hm2时，对降低苏打盐化土的pH值效果最好。高硫煤矸石中含有大量的黄铁矿以及在有机硫的氧化作用下，其酸性功能团释放出氢离子，使土壤碱性降低，从而促进苏打盐化土的pH值降低[18]。本研究将高硫煤矸石作为改良材料，能够显著降低土壤pH值，与孙海容等[18]、施龙青等[19]的研究一致。

从本研究的结果分析可得出，施用高硫煤矸石会导致大量的外源离子的输入，使得苏打盐化土的EC值显著高于空白对照，0.075 mm的高硫煤矸石对苏打盐化土EC的影响较大。电导率（EC）表示土壤水溶性离子的溶出状况，表征物质传递电流的能力，同时，也可在一定程度上反映盐离子的含量[20]。通过方差分析可以看出，高硫煤矸石的加入使得苏打盐化土中离子含量增加，导致土壤EC值增加。高硫煤矸石含量越高，土壤EC值增加越大，这与孙在金等[20]的研究一致。

代换性钠离子和pH值是影响碱化土壤作物生长的2个关键因素[17]。本研究结果表明，施用高硫煤矸石后苏打盐化土的代换性Na+和pH值显著降低，细度为0.21 mm的高硫煤矸石对降低代换性Na+的效果更好，高硫煤矸石用量越大，代换性Na+下降幅度越显著。这是由于高硫煤矸石中含有的高价离子如Ca2+对土壤胶体吸附的Na+进行置换，减少了Na+的含量，从而达到了治碱改土的目的[21]。这与崔媛等[22-23]的研究结果一致。

本研究结果表明，施用高硫煤矸石后苏打盐化土的ESP显著降低，细度为0.21 mm的高硫煤矸石对苏打盐化土的改良效果更好，高硫煤矸石用量越大，土壤ESP下降幅度越大，当高硫煤矸石用量为9.6 t/hm2时，对苏打盐化土的改良效果最好。这是由于高硫煤矸石中含有的Ca2+，Mg2+通过交换作用代换出一部分交换性Na+，促使土壤中交换性Na+减少，与何杰等[8]的研究结果基本一致。

综合分析可知，0.21 mm的高硫煤矸石用量为9.6 t/hm2时，对苏打盐化土的改良效果最好，尽管会使土壤的EC值增加，使土壤的含盐量增加，但通过调整土壤中盐离子结构，在土壤中可产生毒害作用的钠离子含量逐渐减少，从而改善苏打盐化土。

［1］黄遵亲.中国盐渍土[M].北京：科学出版社，1993.

［2］张立新，韩文玉，顾同欣.冻融过程对景电灌区草窝滩盆地土壤水盐动态的影响[J].冰川冻土，2003，6（3）：297-303.

［3］李彬，王志春，孙志高,等.中国盐碱地资源与可持续利用研究[J].干旱地区农业研究，2005，23（2）：154-158.

［4］张克强，白成云，马洪斌，等.大同盆地金沙滩盐碱地综合治理技术开发研究[J].农业工程学报，2005，21（2）：136-141.

［5］黄昌勇.土壤学[M].北京：中国农业出版社，2010：276-286.

［6］梁龙，张强，王斌，等.火电厂烟气脱硫石膏对重度苏打盐化土饱和导水率的影响[J].农业资源与环境学报，2015，32（2）：169-174.

［7］崔媛，张强，王斌，等.脱硫石膏对重度苏打盐化土中主要离子淋洗的影响[J].水土保持学报，2016，30（1）：310-314.

［8］何杰，张强，冯悦晨，等.风化煤对苏打盐化土的改良效果[J].中国农学通报，2015，31（24）：199-203.

［9］张顺利，王泽南，贾懿曼，等.煤矸石的资源化利用[J].煤矿环保，2011（5）：97-100.

［10］Chun S，Nishyama M，Matsumoto S.Sodic soils relarimed with by-product from flue gas desolfurization：Corn production and soil quality[J].Environmental Pollution，2001，114（3）：433-459.

［11］郑普山，冯悦晨，郝保平，等.盐碱地改良剂对紫花苜蓿生长的影响[J].山西农业科学，2012，40（5）：466-469.

［12］鲍士旦.土壤农化分析[M].北京：中国农业出版社，2000：152-177，237-239.

［13］魏孝荣，郝明德，邵明安.黄土高原旱地长期种植作物对土壤微量元素形态和有效性的影响[J].生态学报，2005，25（12）：3196-3202.

［14］Xie Z C，Ma C H，Hu D J，et al.Studies on the content and distribution of micronutrients in soils of Hubei province[J].Acta Pedologica Sinica，1990，27：411-419.

［15］李晓娜，张强，陈明昌，等.不同改良剂对苏打碱土磷有效性影响的研究[J].水土保持学报，2005，19（1）：71-74.

［16］王金满，杨培岭，任树梅，等.烟气脱硫副产物改良碱性土壤过程中化学指标变化规律的研究[J].土壤学报，2005，42（1）：98-105.

［17］李焕珍，徐玉佩，杨伟奇，等.脱硫石膏改良强度苏打盐渍土效果的研究[J].生态学杂志，1999，18（1）：25-29.

［18］孙海容，赵爱东.利用高硫煤矸石改良土壤的探讨[J].煤炭加工与综合利用，1999（3）：13-15.

［19］施龙青，韩进.滕南煤田煤矸石可用作肥料[J].煤，1998，7（6）：26-27.

［20］孙在金，黄占斌，陆兆华.不同环境材料对黄河三角洲滨海盐碱化土壤的改良效应[J].水土保持学报，2013，27（4）：186-190.

［21］袁洁，俄胜哲，姚嘉斌，等.脱硫石膏改良盐碱土技术的机理及研究进展[J].甘肃农业科学，2014（9）：42-44.

［22］崔媛，张强，王斌，等.施加脱硫石膏对苏打盐化土不同层次主要离子的影响[J].山西农业科学，2016，44（1）：48-52.

［23］潘洁，肖辉，王立艳，等.咸水冰融化与土壤入渗过程不同盐分离子迁移规律研究[J].华北农学报，2012，27（1）：210-214.

Effect of Applying Rates and Fineness of High-sulfur Coal Gangue on Chemical Properties of Soda-saline Soil

WANGQiong1，ZHANGQiang2，WANGBin2，HUANGGaojian2
（1.College ofBiological Engineering，Shanxi University，Taiyuan 030006，China；2.Institute ofAgricultural Environment&Resources，Shanxi AcademyofAgricultural Sciences，Taiyuan 030031，China）

Soda-saline soil is one of the most widely distribution soil types in Datong Basin of Shanxi province.Chemistry amendments is a common method of improving soda-saline soil.There is a large number of high-sulfur coal gangue resources in Shanxi province,which has lowutilization rate and caused serious environmental pollution.Based on the characters ofsoda-saline soil in Datong Basin,high-sulfur coal gangue was selected,using cultivating indoor,leaching experiment of soil improvement was operated,the chemical properties of the soda-saline soil were analyzed.The results showed that by using high-sulfur coal gangue,the pH,the content of Na+,ESP of the soda-saline soil were significantly lower than that of CK.There were regular changes with the increase of the application amount ofhigh-sulfur coal gangue.It was found that there was the most significant improvement effect when the fineness was 0.21 mm and the application amount was 9.6 t/hm2of the high-sulfur coal gangue.Soil pH,Na+content and ESP decreased than CK by 15.73%,28.57%,25.04%,respectively.Applyinghigh-sulfur coal gangue would lead toa large number offoreign ions input which made soil EC increased,respectively.But by adjusting the saltions in soil structure,the toxic effects of Na+content were reduced,which led to an improvement effect on soda-saline soil.

DatongBasin;high-sulfur coal gangue;soda-saline soil;reclamation;chemical properties ofsoil

S153

A

1002-2481（2016）09-1320-06

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.09.22

2016-04-21

科技部国际合作项目（2015DFA90990）；山西省农业综合开发技术推广项目（晋财农发[2015]7号）；山西省科技援疆项目（2014072003）

王琼（1990-），女，山西洪洞人，在读硕士，研究方向：盐渍土改良。张强为通信作者。