羅成科　張峰舉　肖國舉

摘要：為了順利推進(jìn)利用脫硫廢棄物改良河套地區(qū)鹽堿地技術(shù)的示范推廣，跟蹤檢測了寧夏鹽堿土壤重金屬含量的變化。研究發(fā)現(xiàn)，供試脫硫廢棄物的汞（Hg）、砷（As）、鉻（Cr）、鉛（Pb）、鎘（Cd）含量均低于國家限量標(biāo)準(zhǔn)和土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)；施用脫硫廢棄物后，堿（化）、鹽化、次生鹽漬化3種類型的土壤中重金屬含量，以及種植不同作物的堿化土壤中重金屬含量均未超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)（GB15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》）；連續(xù)改良4年的堿化土壤跟蹤監(jiān)測結(jié)果也證實(shí)，脫硫廢棄物的施用沒有造成土壤環(huán)境的污染，說明脫硫廢棄物的農(nóng)業(yè)資源化利用是安全的。

關(guān)鍵詞：脫硫廢棄物；鹽堿地；土壤改良

中圖分類號： X53；S156.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2015）11-0475-03

收稿日期：2014-11-10

基金項(xiàng)目：寧夏高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（編號：NGY2014015）；寧夏大學(xué)自然科學(xué)基金（編號：ZR1322）；寧夏重點(diǎn)研發(fā)計劃（科技惠民）（編號：2015KJHM26）。

作者簡介：羅成科（1979—），男，寧夏海原人，博士，副研究員，主要從事鹽堿地改良與利用方面的研究。E-mail：chkluo2002@163.com。黃河河套地區(qū)（以下簡稱河套地區(qū)）有灌溉農(nóng)田超過100多萬hm2，但1/3以上存在不同程度的土壤鹽漬化問題，其中還有60萬hm2以上鹽堿荒地。土壤鹽漬化問題嚴(yán)重制約著該地區(qū)農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力的提高、綠洲生態(tài)系統(tǒng)的建設(shè)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。燃煤電廠排放的脫硫廢棄物主要含有CaSO4、CaSO3，并富含硫（S）、鈣（Ca）、硅（Si）等植物必需或有益的礦質(zhì)營養(yǎng)，因而在土壤改良上具有廣泛的應(yīng)用前景[1]。目前，已在我國的黑龍江省[2]、遼寧省[3]、內(nèi)蒙自治區(qū)[4]、寧夏回族自治區(qū)[5]、新疆維吾爾自治區(qū)[6]、山西省[7]、天津市[8]、廣東省[9]等地付諸實(shí)施，并取得了效果顯著。然而，與化肥不同，脫硫廢棄物是一種工業(yè)副產(chǎn)物，含有一定量的汞（Hg）、砷（As）、鉛（Cr）、鉻（Pb）、鎘（Cd）等重金屬離子[10]。施用脫硫廢棄物可能會對土壤和作物造成一定負(fù)面影響，該問題一直以來備受人們關(guān)注。因此，本試驗(yàn)對示范區(qū)土壤重金屬離子含量進(jìn)行了測試分析，以期為脫硫廢棄物改良鹽堿地的農(nóng)業(yè)資源化利用提供科學(xué)依據(jù)，以便更好地從大尺度上確保土壤質(zhì)量安全。

1材料與方法

1.1示范區(qū)概況

示范區(qū)包括堿化土壤示范區(qū)、鹽化土壤示范區(qū)和次生鹽漬化土壤示范區(qū)[11]。其中，堿化土壤示范區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)平羅前進(jìn)農(nóng)場西大灘，該基地地處河套平原西南部，地勢平緩低洼，土壤為堿（化）土壤，鹽分組成以碳酸鈉-重碳酸鈉為主，一般地下水深1.5 m左右，堿化度為15%～60%，總堿度為0.20～0.65 cmol/kg，pH值為8.0～10.4，全鹽含量為2.5～6.5 g/kg，土質(zhì)黏重、透水性差。鹽化土壤示范區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)石嘴山市惠農(nóng)區(qū)，該基地地處河套地區(qū)西北角（寧蒙交界地帶），土壤鹽分組成以氯化物硫酸鹽或硫酸鹽氯化物為主，全鹽含量6 g/kg左右，pH值9左右，堿化度9.8%～19.3%，總堿度0.24～0.63 cmol/kg，地下水深1.0～1.5 m，礦化度10～30 g/L。次生鹽漬化土壤示范區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)中部干旱帶紅寺堡開發(fā)區(qū)，由于不合理灌溉致使該地區(qū)土壤發(fā)生次生鹽漬化，土壤鹽分組成以硫酸鹽氯化物或氯化物硫酸鹽為主。3個示范區(qū)灌排條件較為完善，適宜利用燃煤脫硫廢棄物進(jìn)行鹽堿地改良。

1.2試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選擇油葵、甜高粱、甜菜、枸杞和玉米，脫硫廢棄物來自內(nèi)蒙古海渤灣發(fā)電廠（表1）。

1.3試驗(yàn)設(shè)計

大田示范脫硫廢棄物施用量參照肖國舉等推算出的施用量公式[12]，共設(shè)2個處理，即對照（CK）：0 kg/hm2；處理（T）：堿化土壤中脫硫廢棄物施用量為22.50×103 kg/hm2，鹽化土壤和次生鹽漬化土壤中均為6.0×103 kg/hm2。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計的要求，播前結(jié)合整地將脫硫廢棄物一次性均勻施于地表，機(jī)械耕翻20 cm，使其與土壤充分混勻。

1.4測定方法

測定脫硫廢棄物和改良后土壤中Hg、As、Cr、Pb、Cd重金屬元素含量，土樣取自0～20 cm耕作層。測定方法：Hg采用硝酸-鹽酸消解、As采用鹽酸-硫酸消解，原子熒光光度法測定（NY/T 1121.10—2006《土壤檢測第10部分：土壤總汞的測定》、NY/T 1121.11—2006《土壤檢測第11部分：土壤總砷的測定》）；Cr采用鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸消解，火焰原子吸收分光光度法測定（HJ491—2009《土壤總鉻的測定火焰原子吸收分光光度法》）；Pb和Cd采用鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸消解，石墨爐原子吸收分光光度法測定（GB/T 17141—1997《土壤質(zhì)量鉛、鎘的測定石墨爐原子吸收分光光度法》）。

2結(jié)果與分析

2.1脫硫廢棄物重金屬含量

脫硫廢棄物重金屬含量不僅明顯低于GB 8173—1987《農(nóng)用粉煤灰中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》，而且低于GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（表1），說明施用脫硫廢棄物是安全的。

2.2脫硫廢棄物對不同類型土壤重金屬含量的影響

測試分析結(jié)果表明，3種類型土壤（包括處理和對照）中5種重金屬元素含量變化遠(yuǎn)低于國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)（GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》），但處理組和對照組中重金屬元素的含量變化略有不同，具體表現(xiàn)為對于Hg和Cr來說，除在鹽化土壤中處理組比對照組略有增加外，另外2種類型土壤處理和對照相比變化不明顯；對于As來說，3種類型土壤中處理組和對照組相比無明顯變化；對于Pb來說，除在次生鹽漬化土壤中處理組比對照組有所增加外，其他2種類型土壤處理組和對照組相比變化不明顯；對于Cd來說，在堿化土壤和次生鹽漬化2種土壤中處理組比對照組都有所增加，而在鹽化土壤中這種變化表現(xiàn)不明顯（圖1、圖2）。

2.3脫硫廢棄物對種植不同植物的堿化土壤重金屬的影響

施用脫硫廢棄物后，種植不同植物堿化土壤中重金屬含量表現(xiàn)出不同的變化。對Hg、As、Pb、Cd含量來說，除種植甜高粱的處理高于對照外，在種植其余4種植物的處理中，元素含量與對照無明顯差異；Cr含量變化較為復(fù)雜，種植甜菜和油葵的處理高于對照，種植枸杞的處理低于對照，種植甜高粱和玉米的處理和對照之間變化不明顯（圖3、圖4）?？偟膩碚f，無論是處理組還是對照組，堿化土壤中5種重金屬含量變化范圍小，明顯低于國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)（GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》）。

2.4連續(xù)改良4年的堿化土壤重金屬含量跟蹤監(jiān)測

連續(xù)改良4年的堿化土壤是指第1年一次性施用脫硫廢棄物，之后3年不再施用脫硫廢棄物的土壤。針對同一示范地，進(jìn)行了連續(xù)4年跟蹤監(jiān)測，由圖5、圖6結(jié)果可知，土壤中5種重金屬含量的變化并不隨改良年限的增加呈有規(guī)律的升高或降低趨勢，總的變化趨勢是連續(xù)改良4年后的土壤重金屬含量略高于或接近改良前土壤重金屬含量。具體表現(xiàn)為改良1年后，除As相對于對照略有增加外，其余4種重金屬元素含量均有所降低；改良2年后，As含量降低到了對照水平，Pb含量繼續(xù)下降，Cr含量上升并接近對照水平，Hg含量有所回升但仍低于對照，Cd含量相對于改良1年增加了將近一倍，高于對照；改良3年后，As元素含量維持在改良2年的水平，Pb含量升高但仍低于對照，Cr含量略有下降，Hg含量的升高水平已大于對照，Cd含量降至低于對照水平；改良4年后，As、Cr、Hg元素含量基本恢復(fù)到對照水平，Pb、Cd含量略高于對照或與對照相當(dāng)；盡管施用脫硫廢棄物改良堿化土壤中造成了重金屬含量的不規(guī)律變化，但連續(xù)4年的跟蹤結(jié)果表明，土壤中5種重金屬含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)（GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》）（圖5、圖6）。

3討論

與石膏相比，脫硫廢棄物具有投資小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，近些年來已被許多研究者用來改良鹽堿地和酸性土壤，取得了見效快、改良效果顯著等社會效應(yīng)。但在施用脫硫廢棄物改良土壤的過程中，會將一些重金屬元素帶入土壤，可能會導(dǎo)致土壤環(huán)境和作物安全等問題。為使脫硫廢棄物的利用在產(chǎn)生社會效應(yīng)的同時，最大化帶來生態(tài)效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)，真正實(shí)現(xiàn)脫硫廢棄物的工農(nóng)業(yè)良性循環(huán)，分析評價其對土壤環(huán)境和作物安全的影響很重要。已有文獻(xiàn)報道，僅選用某一種類型土壤進(jìn)行脫硫廢棄物改良堿化土壤種植玉米[13]、紫花苜蓿[14]、枸杞[15]的田間試驗(yàn)，也有改良次生鹽漬化土壤種植油葵的田間試驗(yàn)[16]，也有改良酸性土壤種植紫花苜蓿的田間試驗(yàn)[17]和種植豆科作物的盆栽試驗(yàn)[18]，這些研究結(jié)果均表明脫硫廢棄物的施用沒有引起土壤重金屬污染。本試驗(yàn)系統(tǒng)地研究了施用脫硫廢棄物對不同類型土壤重金屬含量、對種植不同作物條件下土壤重金屬含量以及對不同年際土壤重金屬含量變化的影響，結(jié)果表明脫硫石膏中重金屬含量低于GB 8173—1987《農(nóng)用粉煤灰中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》和GB15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，施用脫硫廢棄物后處理組土壤中5種重金屬元素含量與對照組無明顯差異。連續(xù)4年的跟蹤監(jiān)測試驗(yàn)也說明，土壤中重金屬元素含量并不隨改良年限的增加而呈有規(guī)律的變化?？傊?，在堿化土壤中施用22.50×103 kg/hm2的脫硫廢棄物以及在鹽化土壤和次生鹽漬化土壤中施用6.0×103 kg/hm2的脫硫廢棄物沒有引起土壤重金屬元素含量變化，脫硫廢棄物在寧夏農(nóng)業(yè)上的資源化利用是安全的。

施用脫硫廢棄物沒有造成土壤環(huán)境的污染，也沒有引起作物中重金屬元素含量超標(biāo)（數(shù)據(jù)未發(fā)表）。重金屬元素隨添加的脫硫廢棄物而進(jìn)入了土體，并發(fā)生了遷移和重新分布，檢測結(jié)果表明土壤中重金屬含量并未超過國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其原因可能與脫硫廢棄物能降低土壤對重金屬的吸附有關(guān)[19]。為了從根本上解釋土壤環(huán)境和作物安全問題，還需進(jìn)一步開展施用脫硫石膏引起土壤重金屬的形態(tài)、分布、遷移及其穩(wěn)定固定重金屬機(jī)理等相關(guān)研究。

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