施用脫硫廢棄物對寧夏鹽堿土壤重金屬含量的影響

羅成科　張峰舉　肖國舉

摘要：為了順利推進利用脫硫廢棄物改良河套地區(qū)鹽堿地技術的示范推廣，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準和土壤環(huán)境質量二級標準；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)境質量二級標準（GB15618—1995《土壤環(huán)境質量標準》）；連續(xù)改良4年的堿化土壤跟蹤監(jiān)測結果也證實，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業(yè)資源化利用是安全的。

關鍵詞：脫硫廢棄物；鹽堿地；土壤改良

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

收稿日期：2014-11-10

基金項目：寧夏高等學校科學技術研究項目（編號：NGY2014015）；寧夏大學自然科學基金（編號：ZR1322）；寧夏重點研發(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。土壤鹽漬化問題嚴重制約著該地區(qū)農業(yè)綜合生產能力的提高、綠洲生態(tài)系統(tǒng)的建設和農業(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營養(yǎng)，因而在土壤改良上具有廣泛的應用前景[1]。目前，已在我國的黑龍江省[2]、遼寧省[3]、內蒙自治區(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面影響，該問題一直以來備受人們關注。因此，本試驗對示范區(qū)土壤重金屬離子含量進行了測試分析，以期為脫硫廢棄物改良鹽堿地的農業(yè)資源化利用提供科學依據(jù)，以便更好地從大尺度上確保土壤質量安全。

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)平羅前進農場西大灘，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行鹽堿地改良。

1.2試驗材料

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

1.3試驗設計

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)試驗設計的要求，播前結合整地將脫硫廢棄物一次性均勻施于地表，機械耕翻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《土壤質量鉛、鎘的測定石墨爐原子吸收分光光度法》）。

2結果與分析

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《農用粉煤灰中污染物控制標準》，而且低于GB 15618—1995《土壤環(huán)境質量標準》（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低于國家土壤環(huán)境質量二級標準（GB 15618—1995《土壤環(huán)境質量標準》），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）。總的來說，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)境質量二級標準（GB 15618—1995《土壤環(huán)境質量標準》）。

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，進行了連續(xù)4年跟蹤監(jiān)測，由圖5、圖6結果可知，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元素含量基本恢復到對照水平，Pb、Cd含量略高于對照或與對照相當；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年的跟蹤結果表明，土壤中5種重金屬含量遠遠低于國家土壤環(huán)境質量二級標準（GB 15618—1995《土壤環(huán)境質量標準》）（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，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。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生社會效應的同時，最大化帶來生態(tài)效應和環(huán)境效應，真正實現(xiàn)脫硫廢棄物的工農業(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。已有文獻報道，僅選用某一種類型土壤進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，也有改良次生鹽漬化土壤種植油葵的田間試驗[16]，也有改良酸性土壤種植紫花苜蓿的田間試驗[17]和種植豆科作物的盆栽試驗[18]，這些研究結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，結果表明脫硫石膏中重金屬含量低于GB 8173—1987《農用粉煤灰中污染物控制標準》和GB15618—1995《土壤環(huán)境質量標準》，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。總之，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（數(shù)據(jù)未發(fā)表）。重金屬元素隨添加的脫硫廢棄物而進入了土體，并發(fā)生了遷移和重新分布，檢測結果表明土壤中重金屬含量并未超過國家相關標準，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[19]。為了從根本上解釋土壤環(huán)境和作物安全問題，還需進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)定固定重金屬機理等相關研究。

參考文獻：

[1]Clark R B，Ritchey K D，Baligar V C. Benefits and constraints for use of FGD products on agricultural land[J]. Fuel，2001，80（6）：821-828.

[2]任晶，蔡德利，張有利. 燃煤煙氣脫硫廢棄物對大慶市鹽堿土的改良效果[J]. 黑龍江八一農墾大學學報，2010，22（1）：17-20.

[3]李煥珍，徐玉佩，楊偉奇，等. 脫硫石膏改良強度蘇打鹽漬土效果的研究[J]. 生態(tài)學雜志，1999，18（1）：26-30.

[4]陳歡，王淑娟，陳昌和，等. 煙氣脫硫廢棄物在堿化土壤改良中的應用及效果[J]. 干旱地區(qū)農業(yè)研究，2005，23（4）：38-42.

[5]羅成科，肖國舉，張峰舉，等. 脫硫石膏改良中度蘇打鹽漬土施用量的研究[J]. 生態(tài)與農村環(huán)境學報，2009，25（3）：44-48.

[6]李彥，衣懷峰，趙博，等. 燃煤煙氣脫硫石膏在新疆鹽堿土壤改良中的應用研究[J]. 生態(tài)環(huán)境學報，2010，19（7）：1682-1685.

[7]李曉娜，張強，陳明昌，等. 不同改良劑對蘇打堿土磷有效性影響的研究[J]. 水土保持學報，2005，19（1）：71-74.

[8]邵玉翠，任順榮，廉曉娟，等. 鹽漬化土壤施用有機物-脫硫石膏改良劑效果的研究[J]. 水土保持學報，2009，23（5）：175-178，183.

[9]李淑儀，藍佩玲，徐勝光，等. 燃煤煙氣脫硫副產物在酸性土壤上施用的效果[J]. 生態(tài)環(huán)境，2003，12（3）：263-268.

[10]王英，段鵬選，張曄.煙氣脫硫石膏的基本性能研究[J]. 中國水泥，2009（1）：60-63.

[11]王吉智，寧夏農業(yè)勘查設計院.寧夏土壤[M]. 銀川：寧夏人民出版社，1990.

[12]肖國舉，羅成科，張峰舉，等. 燃煤電廠脫硫石膏改良堿化土壤的施用量[J]. 環(huán)境科學研究，2010，23（6）：762-767.

[13]李躍進，烏力更，蘆永興，等. 燃煤煙氣脫硫副產物改良堿化土壤田間試驗研究[J]. 華北農學報，2004，19（z1）：10-15.

[14]Wang S J，Chen C H，Xu X C，et al. Amelioration of alkali soil using flue gas desulfurization byproducts：productivity and environmental quality[J]. Environmental Pollution，2008，151（1）：200-204.

[15]李茜，孫兆軍，魏耀峰，等. 施用脫硫廢棄物對枸杞生長及重金屬含量的影響[J]. 中國農學通報，2010，26（11）：355-357.

[16]張峰舉，肖國舉，羅成科，等. 脫硫石膏對次生堿化鹽土的改良效果[J]. 河南農業(yè)科學，2010（2）：49-53.

[17]Chen L，Dick W A，Nelson S. Flue gas desulfurization by-products additions to acid soil：alfalfa productivity and environmental quality[J]. Environmental Pollution，2001，114（2）：161-168.

[18]徐勝光，藍佩玲，廖新榮，等. 燃煤煙氣脫硫副產物的重金屬環(huán)境行為[J]. 生態(tài)環(huán)境，2005，14（1）：38-42.

[19]童澤軍，李取生，周永勝. 煙氣脫硫石膏對灘涂圍墾土壤重金屬解吸及殘留形態(tài)的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學報，2009，18（6）：2172-2176.張彩慶，臧鵬飛. 基于系統(tǒng)動力學的沼氣發(fā)電工程資源供需優(yōu)化模型研究[J]. 江蘇農業(yè)科學，2015，43（11：478-482.