粉煤灰与有机肥配施对风沙土理化性质及黑麦草生长的影响

田 超，刘恒青，李东利，刘少泉，万佳淼，刘 智，孙 权

（宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021）

宁夏回族自治区东部处于农牧交错带，自古以来，该地区长期受到屯兵耕垦、过度放牧等人为因素以及干旱少雨、洪积母质等自然因素的叠加影响，土地沙漠化现象十分严重［1-2］，长久制约着当地经济、社会的发展。宁夏东部广袤的荒漠化区域下蕴藏着丰富的煤炭资源，位于宁东地区的宁东能源化工基地（宁东基地）是我国规划建设的14个亿t级大型煤炭基地之一，也是国务院批准的国家重点开发区，通过建设千万千瓦级煤电基地，宁东基地成为我国重要的“西电东送”火电基地［3-4］，同时也是国家能源“金三角”的重要一级。煤电产业在推动宁夏经济、社会发展中起着重要作用［5］，但燃煤电厂产生的粉煤灰综合利用率却一直很低［4］。大量堆弃的粉煤灰不仅占用宝贵的国土资源，更会借助雨水、大风等媒介迁移至周边环境中，从而引发水体、土壤污染等一系列环境问题［6-7］，对人民生活、生态环境危害极大。因此，探寻新的粉煤灰利用途径，科学合理地消纳更多粉煤灰十分必要。

宁东基地周边广泛分布的风沙土质地较粗、结构不良、持水性差，有机质及营养元素含量低［8-9］，并且当地自然降水稀少，难以为植被恢复提供良好的土壤环境。而燃煤过程中产生的粉煤灰粒径小、比表面积大、持水能力强［10］，在改良风沙土方面有巨大的应用潜力。如若能合理利用，一方面可消纳大量粉煤灰，缓解其堆弃带来的一系列问题，另一方面也有助于植被恢复，可改善沙漠生态环境。赵亮等［11-12］研究表明，砂土施用粉煤灰后渗透性减弱，持水能力明显增强。赵智等［13］研究表明，粉煤灰可使砂土容重降低，总孔隙度增加，田间持水量提高10%～29%。Pathan等［14］研究发现，施用粉煤灰后砂土持水能力增强3倍，导水率降低105～248倍。通常情况下，粉煤灰中有机质及大量营养元素含量很低［15-16］，为达到理想的改良效果，其通常会与有机肥等物质配施。粉煤灰与有机肥配施可平衡土壤肥力，从植物营养的角度考虑，有利于植物生长［17］。雷娜等［18］研究发现，配施粉煤灰与有机肥后，土壤贮水量增加，有机质、有效磷、速效钾含量分别增加195.92%、182.63%、48.09%，土壤肥力显著提升。

目前，我国粉煤灰的应用研究大多集中于建筑、材料领域，有关粉煤灰改良土壤的研究相对较少，而关于改良风沙土的研究则更为少见。鉴于此，本研究将粉煤灰与有机肥配施于风沙土，充分发挥粉煤灰颗粒细腻、持水性强及有机肥高营养的优势，聚焦粉煤灰与有机肥配施对风沙土理化性质及植物生长的影响，探寻粉煤灰在风沙土改良方面的应用途径，从而缓解粉煤灰堆弃带来的环境问题，以期为宁东基地煤电产业的绿色健康发展及沙漠生态环境的改善提供科学的方法和依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试风沙土取自银川市月牙湖乡海陶南村（38°60′N，106°57′E）十组沙地（0～30 cm），土壤质地为砂土，经自然风干去除杂物后备用，机械组成（参考美国农部制粒级标准）见表1，基本理化性质见表2。

表1 供试土壤机械组成 （%）

表2 供试土壤基本理化性质

供试粉煤灰取自神华宁煤鸳鸯湖发电有限公司贮灰场，颗粒组成参考美国农部制粒级标准（粘粒6.62%，粉粒78.02%，砂粒15.36%），容重0.82 g·cm-3，比表面积1632 cm2·g-1，化学组成见表3。

表3 供试粉煤灰化学组成 （%）

供试有机肥取自宁夏善途生物科技有限公司，为好氧发酵后的牛粪有机肥，全氮、全磷、全钾含量分别为1.22%、1.36%、2.02%，有机质含量为36.67%。供试植物为多年生黑麦草，草种购自宁夏富海种业，千粒重2.184 g。

1.2 试验设计及方法

1.2.1 试验设计

试验采用完全随机设计，每个处理重复3次。粉煤灰设置0、60、120、240 t·hm-24种施用水平。有机肥为本试验中提升肥力的主要物质，而风沙土有机质及营养元素含量极低，参照常规施用量可能达不到预期改良效果，因此，有机肥仅设置高施用量30 与0 t·hm-2两种施用水平。将粉煤灰4种施用水平与有机肥两种施用水平组合，即得各试验处理，详见表4。

表4 试验处理

1.2.2 试验方法

试验于银川市平吉堡生态庄园智能温室内进行，试验周期为2020年9月6日～11月20日，采用盆栽试验方法，试验用盆为上径33 cm、下径19.5 cm、高24.5 cm的圆形塑料盆。首先结合供试土壤容重及盆口面积计算得出每盆装供试土壤15 kg，即可模拟田间自然耕作层（0～15 cm），然后按面积比（盆口面积/1 hm2）计算得出各处理粉煤灰及有机肥用量，最后将二者与供试土壤均匀混合后装盆。装盆结束后每盆均匀撒播100粒黑麦草种子，疏松土壤使草种完全被土壤覆盖。播种结束后首次浇水需适量浇多，为种子萌发提供充足水分，并促进土壤稳定，之后每隔7 d使用洒壶浇水1次，每次每盆浇水300 mL。待黑麦草出苗后，选取长势均匀一致的黑麦草植株定苗至70株·盆-1。2020年11月20日收获黑麦草，同时采集土壤样品带回实验室测定相关指标。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 土壤物理性质测定

容重采用环刀法测定；孔隙度（%）=（1-容重/2.65）×100；自然含水量采用烘干法测定；田间持水量采用维尔科克斯法测定；饱和含水量参照《土壤物理性质测定法》［19］测定。

1.3.2 土壤化学性质测定

pH值使用pH计（水土比2.5∶1）测定；电导率使用电导率仪（水土比5∶1）测定；有机质采用重铬酸钾容量法-外加热法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；有效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3溶液浸提-钼锑抗比色法测定；速效钾采用NH4OAc浸提-火焰光度法测定；重金属元素总量使用电感耦合等离子体光谱仪、质谱仪测定，砷元素总量采用原子荧光法测定。

1.3.3 土壤重金属污染及潜在生态风险评价方法

参照罗成科等［20］使用的评价方法及分级标准，采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法评价土壤重金属污染情况，采用潜在生态风险指数法对土壤重金属污染进行潜在生态风险评价，计算公式如下：

单因子污染指数：Pi=Ci/Bi式中，Pi为土壤中重金属i的环境质量指数；Ci为土壤中重金属i的测定含量；Bi为重金属元素i的参比值，根据《土壤环境质量-农用地土壤污染风险管控标准》（GB 15618-2018）的规定，某重金属元素i的总量小于该标准规定的风险筛选值即可认为土壤未受到该重金属污染，因此，本文选取该标准规定的风险筛选值（pH＞7.5）作为参比值。式中，PN为土壤综合污染指数；Piave为土壤中各重金属的环境质量指数平均值；Pimax为土壤中单项重金属的最大环境质量指数。

式中，RI为综合潜在生态风险指数；为某重金属的毒性响应系数，依次为：Cd（30）＞As（10）＞Pb（5）＞Cr（2）；等同于单因子污染指数公式“Ci/Bi”。

1.3.4 黑麦草生长指标测定

株高于播种后15、20、30、60 d测定，共计4次，使用直尺测量；地上部鲜重于黑麦草收获后使用电子天平称量；分蘖数于播种后30 d测定，每个处理随机选取10株黑麦草分别数出分蘖数，取平均值。

1.4 统计分析

试验数据使用Excel 2010整理；使用SPSS 24.0进行方差分析、多重比较（P＜0.05，n=5）及主成分分析；使用GraphPad Prism 8.0与Origin 2018作图。

2 结果与分析

2.1 粉煤灰与有机肥配施对土壤物理性质的影响

2.1.1 粉煤灰与有机肥配施对土壤容重及总孔隙度的影响

注：图中字母标记的多重比较结果为同一图例之间相互比较，字母不同表示处理在0.05水平上差异显著。下同。

如图1所示，单施有机肥或与粉煤灰配施后，土壤容重较低，总孔隙度增加，各处理中以F120O、F240O的变化较为显著，二者容重较CK分别降低3.38%、8.78%，总孔隙度较CK分别增加4.26%、11.10%，而F0O及F60O处理的容重及总孔隙度无显著变化，与CK差异未达显著水平。比较各处理发现，配施粉煤灰后容重及总孔隙度变化更为显著，且随粉煤灰用量的增加，土壤容重逐渐降低，总孔隙度逐渐增加。

图1 各处理土壤容重及总孔隙度

2.1.2 粉煤灰与有机肥配施对土壤持水性的影响

持水性差是风沙土的主要特征之一，也是其不适于植物生长的主要限制因子。如图2所示，粉煤灰与有机肥配施可显著增强土壤持水性，与CK相比，配施后土壤自然含水量提高54.75%～76.67%，田间持水量提高28.69%～85.24%，饱和含水量提高8.57%～26.08%，而单施有机肥对3个水分常数的影响并不显著。与单施有机肥相比，配施处理自然含水量提高28.18%～46.24%，田间持水量提高15.56%～66.34%，饱和含水量提高6.80%～23.98%，且3个水分常数均随粉煤灰用量的增加而提高。这表明本研究在增强风沙土持水性方面，粉煤灰相比有机肥发挥主要作用。

图2 各处理土壤持水性

2.2 粉煤灰与有机肥配施对土壤化学性质的影响

2.2.1 粉煤灰与有机肥配施对土壤肥力的影响

由表5可知，处理F0O～F240O均可使土壤pH值增大，但增幅较小，各处理土壤pH值变化均未超过0.3个单位；单施有机肥使土壤电导率提高66.20%，配施粉煤灰后电导率进一步提高，较单施有机肥提高4.38%～24.06%；土壤有机质及各速效养分含量在单施有机肥后显著提高，而配施粉煤灰后有机质及各速效养分含量均降低，但降幅较小，配施处理的有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量较CK分别提高147.02%～244.37%、165.57%～300.88%、133.92%～165.84%、132.71%～175.68%，与CK差异均达显著水平。有机质是土壤中的养分库，速效养分是植物能直接吸收利用的养分，二者对植物生长至关重要，本研究中有机肥为提升肥力的主要物质，对瘠薄的风沙土来讲，有机质及速效养分绝大部分来源于有机肥的矿化分解，比较各处理，发现配施粉煤灰后土壤速效养分及有机质含量均降低，且除有效磷外，其他速效养分及有机质含量均随粉煤灰用量的增加先提高后降低，这表明粉煤灰的用量需适中，否则会影响有机肥的矿化分解，从而影响土壤肥力。

表5 各处理土壤肥力状况

2.2.2 粉煤灰与有机肥配施的生态安全评价

粉煤灰在施用后可能导致土壤重金属污染是人们一直关注的焦点问题。由表6可知，各处理土壤的镉、铬、铅、砷元素总量与CK相比均有所增加，粉煤灰与有机肥配施，随粉煤灰用量的增加，4种重金属元素总量逐渐增加。但各处理的镉、铬、铅、砷元素总量均未超出《土壤环境质量-农用地土壤污染风险管控标准》GB 15618-2018中规定的风险筛选值，遵照GB 15618-2018的规定，本研究中配施粉煤灰不会造成土壤重金属污染。

表6 各处理土壤重金属元素总量 （mg·kg-1）

通过单因子污染指数法及内梅罗综合污染指数法对各处理土壤进行重金属污染评价。由表7可知，各处理的土壤综合污染指数（Pn）均小于0.7，依据土壤重金属污染分级标准，各处理土壤的污染等级均为Clean（safety），即安全，表现为无污染状态。此外，本研究还通过潜在生态风险指数法对各处理土壤进行了潜在生态风险评价，由表7可得，各处理土壤的综合潜在生态风险指数（RI）均小于150，依据重金属潜在生态风险分级标准，各处理土壤的潜在生态风险等级均为Slight risk，即轻微风险。综合表6、表7可知，本研究中配施粉煤灰不会造成土壤重金属污染，且重金属生态风险低。

表7 土壤重金属污染评价及土壤重金属潜在生态风险评价

2.3 粉煤灰与有机肥配施对黑麦草生长的影响

株高是反映黑麦草生长状况最直观的指标，如图3所示，各处理不同时期黑麦草株高较CK均有所增加，播种后60 d黑麦草生长稳定，可较好地反映其生长状况。单施有机肥后，60 d时黑麦草株高较CK增加32.23%，配施粉煤灰后，株高较单施有机肥增加12.30%～32.81%，较CK增加48.41%～75.52%，增幅较为明显。

图3 各处理不同时期黑麦草株高

如图4所示，单施有机肥后，黑麦草地上部鲜重有所增加，配施粉煤灰后地上鲜重进一步增加，较单施有机肥增加3.49%～39.96%，较CK增加100.50%～171.14%；黑麦草分蘖数在单施有机肥后增加77.78%，配施粉煤灰后分蘖数较单施有机肥增加10.42%～18.75%，较CK增加96.30%～111.11%。综合分析株高、地上部鲜重、分蘖数发现，单施有机肥可促进黑麦草生长，配施粉煤灰后黑麦草长势更佳，但黑麦草长势并未随粉煤灰用量的增加而逐渐优良，而是与粉煤灰用量呈二次抛物线关系，各处理中黑麦草最佳长势出现在F120O处理，这表明粉煤灰用量需适中，用量过大反而会抑制黑麦草的生长。

图4 各处理黑麦草地上部鲜重及分蘖数

2.4 综合评价各处理的主成分分析

通常情况下，通过单一指标很难确定各处理的优劣性，要得出科学准确的结论需要结合多个指标进行综合评价。主成分分析是一种运用降维思想对多个对象进行综合评价的统计学方法，可在损失信息很少的前提下对多个对象进行综合评价。在对本研究各处理进行综合评价时，从风沙土物理性质、化学性质及黑麦草生长3个方面，选取14个单一指标进行主成分分析，共提取了2个特征值大于1的主成分（即PC），PC1、PC2贡献率分别为64.90%、27.45%，累积贡献率达92.35%，分析效果理想。通过计算，得出各处理在2个主成分上的得分（图5）。最后结合得分情况及贡献率进行加权计算，得出各处理综合得分。

图5 各处理在主成分1、2上的得分情况

结果表明，处理CK～F240O综合得分依次为-3.62、0.83、0.72、1.31、0.77，排名由高至低依次为F120O、F0O、F240O、F60O、CK，处理F120O为各处理中的最优处理。此结果说明：（1）与单施有机肥相比，配施粉煤灰120 t·hm-2+有机肥30 t·hm-2对风沙土理化性质有较好的改良作用，使风沙土更有利于植物生长；（2）粉煤灰与有机肥配施，粉煤灰用量需适中，本研究中综合得分最高的处理为F120O处理，而F120O处理的粉煤灰用量介于F60O和F240O处理之间。

3 讨论

3.1 粉煤灰与有机肥配施对土壤物理性质的影响

风沙土机械组成以砂粒为主，质地分类属砂土，其内部大孔隙居多，漏水漏肥严重，难以吸持足够水肥用于植物生长［8］。粉煤灰对砂土物理性质有显著影响，施用后能有效降低土壤容重及大孔隙所占的比例［13］，可有效改善砂土水分物理性质，增强其持水性［21-24］。风沙土物理性质不良原因众多，缺乏有机质为另一主要原因，也是较为根本的原因。有机质是土壤中重要的胶结剂，可促进砂土团粒结构的形成，从而改良砂土结构松散的特性［25-26］。单施有机肥或粉煤灰虽能达到一定改良效果，但存有一定弊端［17］。粉煤灰虽可增强砂土的持水性，但对土壤内部良好结构的形成及肥力提升的影响甚微，有机肥可提高砂土有机质含量，促进团粒结构的形成［25，27］，也可提高肥力，但与粉煤灰相比，并不能有效增强砂土持水性。因此，配施两种及多种改良物质，实现优劣互补一直是土壤改良的核心理念之一。

本研究表明，风沙土在配施粉煤灰与有机肥后，容重降低，总孔隙度增加，持水性增强。分析其原因可能为：（1）粉煤灰容重本就小于风沙土，加之有机肥本身可降低土壤容重［27］，故在二者联合作用下，风沙土容重降低，总孔隙度随之增加；（2）配施粉煤灰后，因其粒径较小，可填充至风沙土内部大孔隙中，有效阻止了水分自大孔隙渗漏，改善了风沙土的渗透性能［12-13］，且本研究中供试有机肥为牛粪有机肥，牛粪本身为一种多孔物质，具有一定蓄存水分的能力［27］，因此在粉煤灰与有机肥的联合作用下，风沙土持水性增强；（3）粉煤灰具有发达的孔隙结构，比表面积大［16］，本身可吸存一定水分［28］，因而有助于增强风沙土的持水性；（4）粉煤灰与有机肥配施后，有机肥逐渐分解，产生一系列可以胶结土壤颗粒的物质［25，27，29］，而粉煤灰又给风沙土中带入大量粉粒及少量粘粒，因此，在二者联合的作用下，风沙土内部结构及孔隙状况得以改善，持水性自然增强。

3.2 粉煤灰与牛粪配施对土壤化学性质的影响

土质瘠薄，肥力低下是风沙土又一主要特征，施用有机肥是培肥风沙土最常用、最有效的手段之一［8，30］。通常情况下，粉煤灰中大量营养元素氮、磷、钾及有机质含量很低［15-16］，因此，在粉煤灰改良风沙土物理性质的同时，需配施有机肥等物质以提高土壤肥力。有机肥中含有大量植物生长所需的氮、磷、钾营养元素及有机质，施入土壤后逐渐分解，可改善土壤肥力，促进植物生长发育［31-32］。雷娜等［18］研究表明，配施粉煤灰与有机肥后，土壤有机质及速效养分含量显著提高。许继飞等［33］研究表明，粉煤灰、硅钙渣等煤基固废与牛粪混合发酵后可制成地质肥料，施入砂土后土壤有机质及有效磷、速效钾含量显著提高，且未造成土壤重金属污染。本研究表明：（1）粉煤灰与有机肥配施使土壤pH值提高，这是由于粉煤灰本就为碱性物质［34］，土壤pH值提高，可降低重金属元素的迁移性，有利于粉煤灰的安全施用；（2）各处理均可显著提高土壤电导率，表明土壤中可交换离子浓度增大，有利于植物生长［33］；（3）各处理均可提高土壤肥力，单施有机肥或与粉煤灰配施后土壤有机质及碱解氮、有效磷、速效钾含量均显著提高。这主要是由于有机肥施用后逐渐矿化分解，为风沙土提供了大量氮、磷、钾养分及有机质［35］。本研究还发现，各配施粉煤灰处理的有机质及速效养分含量均小于单施有机肥处理，分析其原因可能为：（1）土壤速效养分来源于有机肥的矿化分解，而有机肥矿化分解与土壤中水、气平衡关系紧密［26］，配施粉煤灰，一方面土壤变紧实，另一方面土壤吸持水分过多［11-12］，这两方面都会使土壤通气性变差，从而影响了有机肥的矿化分解，导致速效养分含量降低；（2）有机肥矿化分解依靠土壤微生物完成，而粉煤灰作为一种外源物质与土壤相比，其本身不适于土壤微生物的生存，且能给土壤带入少量重金属元素，对土壤微生物生存有一定影响［36-37］，因而配施粉煤灰后，有机肥矿化分解受到一定影响，各养分含量自然降低。

粉煤灰中残留有少量重金属元素，本研究表明，施用粉煤灰不会造成土壤重金属污染，且潜在生态风险低。粉煤灰中重金属元素的释放受到土壤pH值、土壤含水量等众多因素的叠加影响，过程较为复杂［15，34，38］。因此，需进一步研究以明确粉煤灰中重金属元素的释放规律，以保安全施用。

3.3 粉煤灰与有机肥配施对黑麦草生长的影响

改良风沙土理化性质的目的为使其适合植物生长，从而进一步改善沙漠生态环境，但理化性质的改良程度反映在植物生长状况上。本研究表明，单施有机肥后黑麦草长势明显改善，配施粉煤灰后黑麦草长势更佳，表现为株高增高、地上部鲜重增加、分蘖数增多。分析其原因可能为：（1）单施有机肥虽能提高土壤肥力，但对土壤持水性影响并不显著，矿质养分在土壤中的迁移吸收需要以水为媒介，缺水不利于植物吸收养分，配施粉煤灰后，风沙土持水性增强，更多水分得以留存，植物可吸收更多养分，故长势更佳［39-40］；（2）配施粉煤灰后，与有机肥联合作用，一方面改良了风沙土水分物理性质，增强了持水性［11，13］，另一方面提高了风沙土肥力，两方面结合可提高土壤水肥供应能力，为黑麦草生长创造了良好的土壤环境，因此长势更佳。由此可见，粉煤灰与有机肥并不是单独发挥作用，而是相互影响、联合作用，最终使风沙土理化性质得以改良，从而促进黑麦草的生长。

4 结论

（1）配施粉煤灰、有机肥后，风沙土容重降低，总孔隙度增加，持水性增强。配施粉煤灰是持水性增强的主要原因，风沙土自然含水量、田间持水量、饱和含水量随粉煤灰用量的增加而增大。

（2）配施粉煤灰、有机肥后，风沙土pH值、电导率提高，有机质及各速效养分含量增加，肥力提升。配施处理的土壤肥力较单施有机肥有所降低，随粉煤灰用量的增加，有机质及各速效养分含量先增加后减少。配施粉煤灰会给土壤带入一定的重金属污染物，但含量远低于GB 15618-2018中规定的风险筛选值，未造成土壤污染。土壤重金属污染等级为安全，潜在生态风险低。

（3）单施有机肥后黑麦草生长状况有所改善，配施粉煤灰后黑麦草长势更佳，与单施有机肥相比，株高、地上部鲜重、分蘖数均增加。综合评价各处理后，配施粉煤灰120 t·hm-2+有机肥30 t·hm-2的风沙土理化性质良好，黑麦草长势优良，为研究区域最优风沙土改良模式。