王瓊，張強(qiáng)，王斌，黃高鑒

（1.山西大學(xué)生物工程學(xué)院，山西太原030006；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西太原030031）

高硫煤矸石不同細(xì)度與用量對蘇打鹽化土化學(xué)性狀的影響

王瓊1，張強(qiáng)2，王斌2，黃高鑒2

（1.山西大學(xué)生物工程學(xué)院，山西太原030006；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西太原030031）

根據(jù)山西省大同盆地蘇打鹽化土的特征，選取高硫煤矸石為研究對象，通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，重點(diǎn)研究了高硫煤矸石不同細(xì)度和不同用量對蘇打鹽化土的pH值、電導(dǎo)率（EC）、代換性鈉離子含量和堿化度（ESP）等化學(xué)性狀的影響。結(jié)果表明，施用高硫煤矸石后，蘇打鹽化土的pH值、代換性鈉離子含量、堿化度（ESP）均有所降低，較對照分別降低了15.73%，28.57%，25.04%；而且隨著高硫煤矸石用量的增加，各項(xiàng)指標(biāo)的變化幅度增大，其中，以細(xì)度為0.21 mm、用量為9.6 t/hm2的高硫煤矸石對蘇打鹽化土的改良效果最為顯著；施用高硫煤矸石會(huì)導(dǎo)致大量外源離子的輸入，使蘇打鹽化土EC值與對照相比均有所升高，但通過調(diào)整土壤中鹽離子的結(jié)構(gòu)，使產(chǎn)生毒害作用的鈉離子含量減少，對蘇打鹽化土起到良好的改良作用。

大同盆地；高硫煤矸石；蘇打鹽化土；改良；土壤化學(xué)性狀

土壤鹽漬化和次生鹽漬化是制約世界農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。我國的鹽漬土總面積約為9 913.3萬hm2，分布面積大，類型多，是我國重要的后備耕地資源[1-2]。山西省共有鹽漬土30.26萬hm2，主要分布在大同、忻定、晉中、運(yùn)城四大盆地，其中，以大同盆地面積最大，而且主要以蘇打鹽化土為主，土壤結(jié)構(gòu)性差、肥力低，改良難度大[3-5]。近年來，脫硫石膏、風(fēng)化煤等化學(xué)改良劑在蘇打鹽化土上的應(yīng)用越來越廣，效果顯著[6-8]。

高硫煤矸石是指煤礦在生產(chǎn)和清選過程中產(chǎn)生的含硫量高于2%的矸石，堆放過程中易于自燃，對環(huán)境破壞性極大。目前，我國高硫煤矸石主要用來發(fā)電、生產(chǎn)建筑材料等，利用率不高[9]。高硫煤矸石一般含有大量的碳質(zhì)頁巖，其中，有機(jī)質(zhì)含量占15%～25%，并含有豐富的植物生長所必需的B，Zn，Cu，Co，Mo，Mn等微量元素，高出土壤含量的2～10倍，具有較大的吸收容量，是改良土壤的理想材料。目前，利用各種廢棄物改良鹽堿地已開展了大量研究[10-11]，但有關(guān)高硫煤矸石改良蘇打鹽化土的研究鮮見報(bào)道。

本研究以高硫煤矸石為試驗(yàn)材料，以大同盆地蘇打鹽化土為研究對象，采用室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)探討了不同用量高硫煤矸石對蘇打鹽化土的改良效果，旨在為大同盆地蘇打鹽化土的改良提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤為2014年5月采自朔州市懷仁縣毛皂鎮(zhèn)鹽堿地改良基地的未經(jīng)改良的蘇打鹽化土壤。該區(qū)屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，具有夏季高溫多雨、冬季寒冷干燥的特點(diǎn)。年均溫為7.3℃；年均降水量為400 mm左右，主要集中在7，8，9月；年日照時(shí)數(shù)為2 800 h。供試土壤為中度蘇打鹽化土，質(zhì)地為沙壤土。采集0～20 cm的土層，經(jīng)陰干，過2 mm篩后備用。供試土壤的理化性質(zhì)列于表1。供試高硫煤矸石取自山西靈石，含硫量為2.01%，pH值6.38，EC為2.36 mS/cm。為研究高硫煤矸石不同細(xì)度的影響，利用粉碎機(jī)將供試煤矸石粉碎為2個(gè)細(xì)度，分別為0.21，0.075 mm。

表1 供試土壤的理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)處理按照高硫煤矸石2個(gè)細(xì)度和2個(gè)用量完全組合設(shè)置，共9個(gè)處理，具體處理列于表2。將每個(gè)處理的200 g供試土和高硫煤矸石物料充分混勻后裝入直徑為150 mm的培養(yǎng)皿中，加入相應(yīng)質(zhì)量的石英砂，使培養(yǎng)皿中土壤的質(zhì)量保持相等，置于恒溫25℃的人工氣候箱中培養(yǎng)。加入去離子水保持土壤含水量為最大田間持水量的80%。分別在第0，0.5，1，2，3，4，5，10，20，30天進(jìn)行取樣。

表2 試驗(yàn)處理方案

1.3 測定項(xiàng)目及方法

pH值采用酸度計(jì)測定；EC值采用電導(dǎo)率儀測定；可交換性Na+百分比ESP計(jì)算是按Richards（1954年）提出的方程進(jìn)行計(jì)算。

陽離子交換量和代換性鈉的測定采用火焰光度計(jì)法[12]；土壤pH值降低量為未經(jīng)改良的土壤基礎(chǔ)pH值減去施用高硫煤矸石后土壤基礎(chǔ)pH值。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Minitab及Origin 9.0進(jìn)行分析作圖；顯著性水平設(shè)定為α＝0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 高硫煤矸石對蘇打鹽化土pH值的影響

pH值的變化是評價(jià)鹽漬土改良效果的重要指標(biāo)之一，對土壤化學(xué)反應(yīng)有較大影響。土壤的酸堿程度由pH值反映，土壤的酸堿程度對土壤中化學(xué)元素的有效性、存在形態(tài)、遷移轉(zhuǎn)化等有直接影響[12-14]。蘇打鹽化土的pH值高會(huì)導(dǎo)致作物生長困難，pH值的有效降低是蘇打鹽化土改良的首要任務(wù)[15]。

由圖1、表3可知，高硫煤矸石的細(xì)度和施用量對蘇打鹽化土的pH值有顯著的影響，但其影響程度的大小有差異，培養(yǎng)周期結(jié)束，施加0.21 mm煤矸石的4個(gè)處理中，蘇打鹽化土pH值分別降低了6.54%，11.73%，13.83%，15.73%；施加0.075 mm煤矸石的4個(gè)處理中，蘇打鹽化土的pH值分別降低了4.38%，8.37%，11.07%，14.87%。說明在相同用量的情況下，細(xì)度大的高硫煤矸石對蘇打鹽化土的改良效果較好。隨著高硫煤矸石用量的增加，細(xì)度的作用反而在降低。

從圖1可以看出，與CK相比，不同細(xì)度及用量的高硫煤矸石施用后pH值相對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，高硫煤矸石的用量與土壤的pH值呈顯著負(fù)相關(guān)（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為CK＜A＜B＜C＜D。隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，各處理之間的差異不顯著；20 d時(shí)，B1，C1，D1之間差異不顯著，與A1之間差異顯著，20 d時(shí)，D1的pH值最低，為8.66；B2，C2之間沒有顯著性差異，與A2，D2之間均有顯著性差異，20 d時(shí)，D2的pH值最低，為8.73。說明相同處理隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長，蘇打鹽化土的pH值下降幅度差異不大，培養(yǎng)時(shí)間對土壤pH值變化影響不大。

表3 各因素對蘇打鹽化土pH值影響的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)

2.2 高硫煤矸石對蘇打鹽化土電導(dǎo)率（EC）的影響

土壤浸出液的電導(dǎo)率（EC）是反映土壤鹽含量的重要指標(biāo)。由圖2、表4可知，高硫煤矸石的2種細(xì)度對蘇打鹽化土EC的影響有顯著差異，且影響程度的大小有差異。培養(yǎng)20 d時(shí)，施加0.21 mm高硫煤矸石的蘇打鹽化土的EC值分別增加到0.63，0.75，0.85，1.00 mS/cm，施加0.075 mm高硫煤矸石的蘇打鹽化土的EC值分別增加到0.58，0.65，0.74，0.89 mS/cm。由圖2可知，整個(gè)培養(yǎng)階段，蘇打鹽化土的EC值逐漸增大，前期EC值隨著培養(yǎng)時(shí)間增加而緩慢增加；中期變化平穩(wěn)，略有下降的趨勢；后期緩慢上升。與對照相比，施用高硫煤矸石后，蘇打鹽化土的EC值均有所升高，蘇打鹽化土的EC值與高硫煤矸石用量呈顯著正相關(guān)（P＜0.05，y1＝0.127x1＋0.401，r1＝0.978；y2＝0.104x2＋0.395，r2＝0.887），蘇打鹽化土的EC值隨煤矸石用量增大而增大，EC值從小到大順序?yàn)镃K＜A＜B＜C＜D。培養(yǎng)20 d時(shí)，EC值均呈上升趨勢，B1，C1之間差異不顯著；A1，CK之間差異不顯著，但均與D1間差異顯著，A1電導(dǎo)率最低為0.63 mS/cm；A2，B2，C2與CK間差異不顯著，與D2間差異顯著，A2的EC值最低，為0.58 mS/cm。

表4 各因素對蘇打鹽化土EC影響的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)

2.3 高硫煤矸石對代換性Na+變化的影響

陽離子代換性能通?？勺鳛樵u價(jià)土壤保水保肥能力的指標(biāo)，大量的代換性鈉（ES）可導(dǎo)致蘇打鹽化土產(chǎn)生許多不良性質(zhì)，進(jìn)而使土壤的性質(zhì)不斷惡化[16-17]。含Na+的膠體具有分散性強(qiáng)的特點(diǎn)，易堵塞在土壤顆粒之間，使得土壤形成致密不透水的板結(jié)土層。

由表5可知，與CK相比，2種細(xì)度的高硫煤矸石均能夠顯著降低土壤中的代換性Na+含量，再次說明高硫煤矸石的Ca2+能與Na+發(fā)生離子代換。方差分析結(jié)果表明，同一時(shí)間段內(nèi)，蘇打鹽化土中代換性Na+與高硫煤矸石用量呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05，y1＝-0.243x1＋3.808，r1＝-0.741，y2＝-0.202x2＋3.957，r2＝-0.945）。供試土壤加入高硫煤矸石后，其代換性鈉都呈現(xiàn)減小的趨勢，其中，處理A，B，C之間沒有顯著性差異，但與處理D間具有顯著性差異，說明只有達(dá)到D處理的用量時(shí)才能顯著降低土壤溶液中的鈉離子含量。施用高量高硫煤矸石盡管會(huì)導(dǎo)致土壤溶液中的鹽分含量提高，但交換性鈉離子含量降低，土壤鹽分組成發(fā)生變化，鈉離子的毒害作用降低，土壤性狀得到改善，同時(shí)還提供了植物生長必需的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處理后蘇打鹽化土的代換性Na+的含量cmol/kg

2.4 高硫煤矸石對蘇打鹽化土堿化度（ESP）的影響

土壤堿化度（ESP）是用Na+的飽和度來表示，通常是指被土壤膠體上吸附的交換性Na+占陽離子交換量的百分率。當(dāng)ESP達(dá)到一定值時(shí)，對土壤的理化性質(zhì)會(huì)造成一系列的影響，使得土壤呈極強(qiáng)的堿性反應(yīng)。堿化度可作為鹽堿土分類、利用、改良的重要指標(biāo)，一般把堿化度＞15%、pH值＞8.5作為引起土壤結(jié)構(gòu)惡化和影響作物生長的關(guān)鍵值[18]。

由圖3、表6可知，高硫煤矸石的2種細(xì)度對蘇打鹽化土ESP的影響有顯著差異，且影響程度的大小存在差異。施加0.21 mm高硫煤矸石的蘇打鹽化土的ESP值分別降低到37.57%，35.06%，25.04%，22.19%施加0.075 mm高硫煤矸石的蘇打鹽化土的ESP值分別降低到40.87%，29.64%，26.81%，22.40%，表明顆粒大的高硫煤矸石對降低ESP效果比較明顯。隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長，各處理的ESP值有一定的變化，培養(yǎng)前期，土壤的ESP值隨時(shí)間的增加逐漸降低，在第5天達(dá)到最低值，隨后趨于穩(wěn)定，呈略微下降趨勢，表明前5 d是土壤交換反應(yīng)的活躍期。與對照相比，施加高硫煤矸石的處理，蘇打鹽化土的ESP值顯著降低，方差分析結(jié)果表明，同一時(shí)間段內(nèi)，蘇打鹽化土的ESP值與高硫煤矸石用量呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05，r1＝-0.814，r2＝-0.901），ESP值大小順序均為：CK＞A＞B＞C＞D。高硫煤矸石含量越大，蘇打鹽化土的ESP值降低越大，隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，不同高硫煤矸石用量對蘇打鹽化土ESP值的影響差異不顯著。培養(yǎng)20 d時(shí)，ESP值均呈下降趨勢，A1，B1與C1間差異不顯著，與D1間差異顯著，D1的ESP值最低，為22.19%；A2，B2，C2，D2間差異不顯著，D2的ESP值最低，為22.40%。

表6 各因素對蘇打鹽化土ESP影響的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)

3 結(jié)論與討論

對于所研究的蘇打鹽化土，添加高硫煤矸石的各個(gè)處理土壤pH值均顯著降低。蘇打鹽化土的pH值隨高硫煤矸石用量的增加而呈規(guī)律性變化，二者間呈顯著負(fù)相關(guān)；但并沒有隨培養(yǎng)時(shí)間的增加而呈現(xiàn)規(guī)律性的變化。0.21 mm的高硫煤矸石用量為9.6 t/hm2時(shí)，對降低蘇打鹽化土的pH值效果最好。高硫煤矸石中含有大量的黃鐵礦以及在有機(jī)硫的氧化作用下，其酸性功能團(tuán)釋放出氫離子，使土壤堿性降低，從而促進(jìn)蘇打鹽化土的pH值降低[18]。本研究將高硫煤矸石作為改良材料，能夠顯著降低土壤pH值，與孫海容等[18]、施龍青等[19]的研究一致。

從本研究的結(jié)果分析可得出，施用高硫煤矸石會(huì)導(dǎo)致大量的外源離子的輸入，使得蘇打鹽化土的EC值顯著高于空白對照，0.075 mm的高硫煤矸石對蘇打鹽化土EC的影響較大。電導(dǎo)率（EC）表示土壤水溶性離子的溶出狀況，表征物質(zhì)傳遞電流的能力，同時(shí)，也可在一定程度上反映鹽離子的含量[20]。通過方差分析可以看出，高硫煤矸石的加入使得蘇打鹽化土中離子含量增加，導(dǎo)致土壤EC值增加。高硫煤矸石含量越高，土壤EC值增加越大，這與孫在金等[20]的研究一致。

代換性鈉離子和pH值是影響堿化土壤作物生長的2個(gè)關(guān)鍵因素[17]。本研究結(jié)果表明，施用高硫煤矸石后蘇打鹽化土的代換性Na+和pH值顯著降低，細(xì)度為0.21 mm的高硫煤矸石對降低代換性Na+的效果更好，高硫煤矸石用量越大，代換性Na+下降幅度越顯著。這是由于高硫煤矸石中含有的高價(jià)離子如Ca2+對土壤膠體吸附的Na+進(jìn)行置換，減少了Na+的含量，從而達(dá)到了治堿改土的目的[21]。這與崔媛等[22-23]的研究結(jié)果一致。

本研究結(jié)果表明，施用高硫煤矸石后蘇打鹽化土的ESP顯著降低，細(xì)度為0.21 mm的高硫煤矸石對蘇打鹽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，當(dāng)高硫煤矸石用量為9.6 t/hm2時(shí)，對蘇打鹽化土的改良效果最好。這是由于高硫煤矸石中含有的Ca2+，Mg2+通過交換作用代換出一部分交換性Na+，促使土壤中交換性Na+減少，與何杰等[8]的研究結(jié)果基本一致。

綜合分析可知，0.21 mm的高硫煤矸石用量為9.6 t/hm2時(shí)，對蘇打鹽化土的改良效果最好，盡管會(huì)使土壤的EC值增加，使土壤的含鹽量增加，但通過調(diào)整土壤中鹽離子結(jié)構(gòu)，在土壤中可產(chǎn)生毒害作用的鈉離子含量逐漸減少，從而改善蘇打鹽化土。

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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

科技部國際合作項(xiàng)目（2015DFA90990）；山西省農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)技術(shù)推廣項(xiàng)目（晉財(cái)農(nóng)發(fā)[2015]7號(hào)）；山西省科技援疆項(xiàng)目（2014072003）

王瓊（1990-），女，山西洪洞人，在讀碩士，研究方向：鹽漬土改良。張強(qiáng)為通信作者。