不同固废及其处理产物对黄骅港盐碱土的改良效果

姚晶晶，冯象千，肖 贺，郑 豫，张成梁*

(1.轻工业环境保护研究所，北京市科学技术研究院城市生态环境研究中心，北京 100095； 2.中电建路桥集团有限公司，北京 100044；3. 中国农业大学农学院生物质工程中心，北京 100193)

土壤盐碱化通过改变土壤理化性质影响植物的生长发育，造成世界范围内突出的生态环境问题[1]。我国的盐碱土面积占全国土地总面积的4.88%，蕴藏着巨大的改造和开发潜力[2-3]。常用的盐碱地改良主要包括水利工程、物理、化学和生物等相结合的综合改良措施，成本普遍较高，或存在技术要求高、效果不理想等缺点[4-5]。炉渣[6]、生物炭[7-9]、木醋液[10]、煤矸石[11-12]等可以用来进行土壤修复，但用于盐碱地改良的研究较少。我国煤矸石年排放量达6亿t以上[13]，其资源化利用率仅为30%[14]；农林废弃物年产量约14亿t[15]，热裂解生产热解气、生物炭、热解油、醋液等逐渐成为其利用的主流方向[16-19]。2017年全国生活垃圾清运量约21 547.97万t，仅北京地区焚烧产生的炉渣就高达85.68万t[20-21]。将煤矸石、炉渣、生物炭和木醋液应用于盐碱地改良不仅能够促进固废消纳，还对缓解日趋紧张的土地资源具有重要意义。

河北沧州渤海新区是京津冀城市群重要产业的支撑基地，但土壤盐碱化严重，城市生态绿化举步维艰。现有的生态修复设计方案为“盲管排盐+砾石隔层+客土+绿化种植”，购买客土不仅耗资巨大，还对土源地造成损害。为此，本研究在“盲管排盐+砾石隔层”能够有效降低地下水对上层种植土盐分影响的基础上，以促进固废消纳和土地资源保护及降低工程造价为目的，采用本地盐碱土进行盆栽试验，探究炉渣+煤矸石、生物炭与木醋液对土壤理化性质及盐地碱蓬生长的影响，为该地区的盐碱地改良提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于河北省沧州渤海新区黄骅港(117°52′30″E，38°19′30″N)，属暖温带半湿润季风气候，四季分明，阳光充足。多年平均气温12.5 ℃，多年平均降雨量627 mm，主要集中在6—8月。属泥质海岸，地势低洼，平均高程约2 m，地下水埋深一般为0.5～2.0 m，土壤盐碱化严重。2018年12月采集盐碱土运至北京市昌平区轻工业环境保护研究所生态修复试验基地，并测定土壤的基本理化性质[22]，具体如下：pH为9.48±0.01，可溶性盐总量(3.40±0.02)g/kg, 有机质含量(3.76±0.25) g/kg，速效磷含量(5.52±0.02) mg/kg, 速效钾含量(121.20±1.10) mg/kg,全氮含量(0.65±0.01) g/kg, 速效氮含量(27.66±1.67) mg/kg, 交换性钠交换量(7.95±0.09) cmol/kg, 阳离子交换量(13.62±0.34) cmol/kg, 碱化度(58.43±1.69)%。

1.2 试验设计

1.2.1 试验处理

2019年4—9月在轻工业环境保护研究所生态修复试验基地进行盐碱土改良试验和盆栽试验，试验盆规格为20 cm×25 cm×20 cm(底部内径×顶部内径×高)。土样风干后碾碎过2 mm筛混合均匀，每盆装入盐碱土7 kg，填土容重为1.35 g/cm3，设置10种处理，每种处理5个重复(表1)。所选用的炉渣(pH为9.62，含有机质含量为18.55 g/kg，速效氮含量为22.56 mg/kg，速效磷含量为108.03 mg/kg，速效钾含量为2 257.35 mg/kg)取自北京生活垃圾焚烧产物，煤矸石(pH为6.58，有机质含量158.66 g/kg，速效氮含量204.33 mg/kg，速效磷含量154.74 mg/kg，速效钾含量227.91 mg/kg)来源于宁夏灵武羊场湾煤矿，木醋液(pH为2.62，密度为1.02 g/cm3，有机酸质量分数15.52%)和生物炭(pH为9.13，有机质含量900.39 g/kg，速效氮含量为161.16 mg/kg，速效磷含量为392.30 mg/kg，速效钾含量为796.33 mg/kg)则来源于农林废弃物热裂解产物。

表1 试验处理方式

1.2.2 土壤改良试验

2019年4月9日填装完毕后，向每盆均匀喷洒500 mL水，其中炉渣、煤矸石和生物炭粉碎过2 mm筛后与土样同时填装入盆，木醋液则与水混合后均匀喷洒在表面。此后每周补施同样剂量的改良剂，持续1个月，其中CK施同样剂量的水。每次施用改良剂前，均将盆中的土全部倒出，重新混匀，并采集土样测定土壤pH与可溶性盐总量，然后再重新装盆。

1.2.3 盐地碱蓬种植试验

2019年5月7日，向各处理盆中均匀喷洒500 mL水，将50粒盐地碱蓬种子均匀撒播在每个盆中，并覆土1 cm左右。此后每天同一时间记录种子的发芽数，连续观察14 d。计算碱蓬种子的发芽势、发芽率和发芽指数。同时，每周补水500 mL，至9月底生长季结束后收获整盆植株，测定其生物量(干质量)及每种处理的pH、可溶性盐含量、交换性钠、阳离子交换量、碱化度、有机质、速效氮、速效磷和速效钾含量，探究不同处理的改良效果。

1.3 指标计算与数据处理

盐地碱蓬萌发情况用发芽势(Ge)、发芽率(Gr)和发芽指数(GI)[23]表示，碱化度(ESP)采用文献[24]的方法进行计算，公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：G4为第4天的发芽种子数；G为试验种子总数；Gt为t日内发芽数；Dt为t日内发芽天数。交换性钠与阳离子交换量的单位均为cmol/kg。

采用SPSS 18.0软件和Excel 2013进行数据分析与作图。文中数据为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 各处理对土壤盐碱性状的影响

2.1.1 土壤pH

土壤pH与土壤中的多项化学反应密切相关[25]。各处理均能降低原始土壤的pH，但效果存在差异(图1)。木醋液处理的pH均小于CK，且与施用浓度和施用次数呈反比。试验结束后，V300、V100和V50处理的土壤pH较CK分别下降了3.48%、10.26%和11.71%。炉渣+煤矸石和生物炭处理的土壤pH总体上大于CK，虽然在第7天时显著下降，但随着施用量的增加又增大，且与施用次数关系不明显，可见酸性物质对降低土壤pH起到了立竿见影的效果。植物收获后，各处理土壤pH较盆栽试验前均存在一定程度的下降，但是下降幅度差异不大。

图1 不同处理的土壤pHFig.1 Soil pH under different treatments

2.1.2 土壤可溶性盐总量

盐分含量的变化可以直接衡量盐碱土的改良效果，本研究中各处理均可降低原始土壤的可溶性盐总量，但是不同处理之间存在差异(图2)。各处理的土壤可溶性盐总量随着施用次数的增加而减小，但是与施用量(浓度)呈正比。试验进行第7天时，CK的可溶性盐总量最高，但是随着试验的进行，其可溶性盐总量变为最低，可见炉渣+煤矸石、生物炭和木醋液均含有盐分离子。试验结束后，各处理土壤的可溶性盐总量大小顺序为：S100>V50>S50>C100>S10>C50>V100>C10>V300>CK，分别是CK的1.54、1.49、1.42、1.19、1.10、1.10、1.08、1.04和1.01倍，与pH的变化趋势相似。植物收获后各处理的可溶性盐总量较盆栽试验前均存在一定程度的下降。

图2 不同处理的土壤可溶性盐总量Fig.2 Total soluble salt under different treatments

2.1.3 土壤交换性钠、阳离子交换量和碱化度

各处理总体上均可以在降低原始土壤交换性钠离子含量的同时增加阳离子交换量，从而降低碱化度(图3)。炉渣+煤矸石处理下土壤交换性钠随着施用量的增加逐渐减小，木醋液处理相反，生物炭则先增大后减小。其中，S10显著高于CK，S50和S100与CK差异不显著；C10、C100、V300和V100则显著小于CK(P<0.05)，较CK分别下降了8.36%、17.29%、40.35%和13.54%，可见炉渣+煤矸石对土壤交换性钠的降低作用最差，木醋液土壤中的V300最优。虽然所有处理的土壤阳离子交换量均高于CK，但是只有生物炭处理对其提升作用最显著(P<0.05)，其他处理与CK无显著差异，且均与施用量(浓度)无明显关系。各处理对土壤交换性钠和阳离子交换量的不同作用导致碱化度的变化趋势发生变化。炉渣+煤矸石处理的土壤碱化度随着施用量的增加而减小，对碱化度的降低作用最差，只有S100显著低于CK；木醋液处理相反，且V300和V100均显著低于CK，其中V300在所有处理中具有最小碱化度，较CK下降了44.29%；生物炭处理对土壤碱化度的影响则呈先增大后减小的趋势，其中C10和C100均显著低于CK(P<0.05)。

同一指标不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。下同。Different lowercase letters for the same index indicate significant differences at the 0.05 level. The same below.图3 不同处理对土壤交换性钠、阳离子交换量和 碱化度的影响Fig.3 Effects of different treatments on soil exchangeable sodium, cation exchange capacity and alkalinity

2.2 各处理对土壤养分含量的影响

2.2.1 土壤有机质

土壤有机质不仅含有植物生长所需的营养元素和微生物赖以生存的能源，还能改善土壤结构并调节土壤的水、气、热等条件[1]。在本研究中，各处理均可以提高土壤的有机质含量，具体表现为炉渣+煤矸石>木醋液>生物炭>CK(P<0.05)，且前两者有机质含量随着施用量(或浓度)的增高先增加后减小，而生物炭处理的土壤有机质含量与施用量呈正比。除了C10，其他处理的土壤有机质含量均显著大于CK，其中S10、S50和S100的土壤有机质含量分别是CK的4.22、4.75和4.35倍，而C100和 V100分别是CK的1.60和2.75倍(图4)。

图4 不同处理对土壤养分含量的影响Fig.4 Effects of different treatments on soil nutrients

2.2.2 土壤速效养分含量

植物生长与土壤速效氮、速效磷、速效钾等速效养分息息相关[1]。本研究中各处理均可增加土壤的速效养分含量，但是对不同养分的影响程度不同(图4)。速效氮含量总体上表现为炉渣+煤矸石>木醋液>生物炭>CK，其中S50、S100和V100处理效果显著高于CK(P<0.05)，分别是CK的1.25、1.45和1.31倍，但三者之间差异不显著。速效磷含量总体上表现为生物炭>炉渣+煤矸石>木醋液>CK，而且随着炉渣+煤矸石和生物炭施用量的增加而显著增加；对于木醋液，随着施用浓度的增加土壤速效磷含量呈现先降低后增加的趋势(P<0.05)。速效钾含量随着生物炭施用量和木醋液施用浓度的增加逐渐增加，随着炉渣+煤矸石施用量的增加先减小后增加。C100处理的土壤速效磷和速效钾含量均具有最大值，分别为10.12 mg/kg和120.59 mg/kg，分别是CK的1.99和1.18倍。

2.3 各处理对盐地碱蓬农艺性状的影响

盐地碱蓬的农艺性状受影响程度总体上表现为炉渣+煤矸石>生物炭>木醋液>CK(表2)。对于炉渣+煤矸石，各处理植物发芽势、发芽率、发芽指数和生物量均随着其施用量的增加先增加后减小，且基本上均显著大于CK(P<0.05)；其中S50处理的以上指标在各处理中具有最大值，分别是CK的1.97、1.45、1.58和2.09倍。对于生物炭，植物发芽势随着施用量的增加先减小后增大，生物量相反，发芽率和发芽指数则呈现逐渐增大的趋势，且发芽率受生物炭施用量影响最显著(P<0.05)。对于木醋液，植物发芽势随着施用浓度的增加而增大，发芽指数和生物量相反，发芽率则先减小后增大；其中V300处理的发芽势虽然小于V100和V50，但该处理的发芽率、发芽指数和生物量显著高于后两者。

表2 不同处理下盐地碱蓬的农艺性状

3 讨 论

土壤盐碱化不仅会产生渗透胁迫和离子毒害，还会固化土壤中的营养元素，严重影响植物的生长[26-27]。盐碱地改良不仅要降低土壤pH和盐分离子[3, 28]，改善土壤养分状况[5,29-30]，还应该因地制宜地选择耐盐植物种[31]。盐地碱蓬是我国北方最普遍、分布最广的盐生植物[32]，适合作为黄骅港泥质海岸植被修复的草本植物。

3.1 土壤盐碱性状对固废及其处理产物的响应

木醋液能够有效降低盐碱土的pH，与张亚兰等[33]的研究结果相符，可能原因是木醋液的主要有机成分为有机酸。虽然较高的pH导致土壤营养元素固化，影响植物生长[27]，但是在本研究中木醋液显著降低土壤pH的同时盐地碱蓬生长情况却不如其他处理，说明单纯降低pH并不能有效促进黄骅港地区碱蓬的生长，与张晓东等[34]滨海盐碱地研究结果相同，这可能与炉渣、煤矸石和生物炭不仅含有植物生长的营养元素，还可以改善土壤的孔隙状况有关[6, 10]。

研究发现木醋液进入土壤后能够促进碳酸盐溶解[35]，本研究中各处理的可溶性盐总量虽然低于原始土样，但是均高于对照组，且与施用量(浓度)呈正比，并随着施用次数的增加而减小，可能是因为一方面炉渣、煤矸石、生物炭和木醋液自身离子含量高于对照组(浇水)，另一方面三者在一定程度上影响了土壤中盐分或养分离子的溶解性。

钠离子是盐碱土主要的盐害离子，阳离子交换量与土壤保肥能力和缓冲能力呈一定的正相关关系[1,25,31]，各处理均可以在降低交换性钠的同时增加阳离子交换量，从而降低碱化度。炉渣和煤矸石含有钾、钠、钙、镁、锌、硅等离子[12,20]，且以无机状态存在，与生物炭和木醋液等有机物相比，可以同时快速增加钠离子和阳离子交换量。生物炭可以改善土壤的阳离子交换量，从而提高土壤的保肥能力，其改善程度受电导率、pH及其在土壤中的氧化程度等多种因素影响[16,36]。因此，在本研究中，炉渣+煤矸石处理下土壤的交换性钠含量最高，生物炭则表现为较高的阳离子交换量，进而影响碱化度，使炉渣+煤矸石处理的土壤碱化度整体上处在较高的水平；但是受改良剂施用量(浓度)及其在土壤中氧化程度等因素的影响，各处理交换性钠、阳离子交换量和碱化度呈现较复杂的变化特征。

3.2 土壤养分状况对固废及其处理产物的响应

研究表明，炉渣[6]、煤矸石[12]、木醋液[30, 32]和生物炭[8]均可以提高土壤中有机质含量。在本研究中，炉渣+煤矸石的有机质含量远低于生物炭，但是改良后各处理土壤有机质含量表现为炉渣+煤矸石>木醋液>生物炭>CK(P<0.05)，可能是微生物活动和盐地碱蓬枯落物共同作用的结果。

植物的生长不仅受土壤盐碱度的影响，还是多种养分综合作用的结果。王纯等[6]发现铁炉渣可以显著增加土壤的速效氮和速效磷含量；而煤矸石则可以显著提高土壤的有效氮、有效磷和有效钾含量[12]，因此炉渣+煤矸石对三者均有显著的增加作用。周红娟等[37]发现木醋液可以在一定程度上提高土壤的有效磷、铵态氮和硝态氮含量，勾芒芒等[8]则发现生物炭可以同时增加土壤的速效氮、速效磷和速效钾含量，与本研究的结果相符。在本研究中，原始土样仅速效氮含量大于炉渣，改良剂的添加一方面直接给盐地碱蓬提供速效养分，还可以促进养分的转化，从而出现复杂的养分变化情况(图4)。V300虽然具有最低的土壤pH、可溶性盐总量、交换性钠离子和碱化度，但是土壤养分状况和碱蓬的农艺性状整体处于较低水平，可能是因为V300的养分供应能力较弱。S50的速效养分虽然不及S100，但是有机质含量最高，结合最好的农艺性状，可知有机质的增加对盐地碱蓬种子的萌发与生长具有较强的促进作用。

总之，炉渣+煤矸石、木醋液以及生物炭对黄骅港盐碱地的改良试验证明，各处理均能降低原始土壤的pH、可溶性盐总量和碱化度，同时提高土壤养分含量，且不同处理之间存在差异。木醋液虽然对pH、可溶性盐总量和碱化度的降低效果最显著，但对土壤养分与盐地碱蓬生长的改善效果较弱；而炉渣+煤矸石的降盐效果虽然最弱，其有机质含量显著高于其他处理(P<0.05)，盐地碱蓬生长状况也最优，其最佳施用量为50 g/盆(S50)；生物炭对土壤改良和盐地碱蓬生长的作用居中。因此，施加炉渣和煤矸石更有利于改善研究区土壤养分状况，进而促进盐地碱蓬生长，研究结果可为渤海湾黄骅港盐碱地改良提供一定的技术参考。