脱硫石膏改良盐碱地研究进展

脱硫石膏改良盐碱地研究进展
沈婧丽;王彬;许兴
【摘要】This paper reviewed on the studies of improving saline-sodic soil technology using desulfurized gypsum in the past few years, with a view to clear it's effect by analyzing alleviating impact of constraint factors from soil physical and chemical properties, soil microbial activities, enzymic activities, in addition of salt tolerant plants growing. The results showed that significantly effects exists on soil salt content, ESP, soil porosity, AEC, TMA, soil enzyme activities and plant survival rate, root activity, photosynthetic, WUE,yield and quality. It’s applying amount was from 22 500 kg/hm2 to 37 500 kg/hm2,depending on ESP, soil depth and bulk density. The improving measurement should be combined with soil conditioner applying, manure, tillage, irrigation, and salt tolerant plants to increase it’s effect.%综述近年来利用脱硫石膏改良盐碱地的研究进展，从土壤
理化性质、微生物活性、土壤酶活性以及耐盐植物反应等方面，分析盐碱地障碍因子消减的改良效果。

脱硫石膏改良盐碱地在土壤全盐、碱化度、孔隙度、胶体离子代换量、微生物活性、土壤酶活性、植物成活率、根系活力、光合及水分利用效率、产量与品质等方面具有显著效果；适宜用量为22500~37500 kg/hm2，与土壤碱化度、改良土层深度、土壤容重等有关；使用时，应与土壤改良剂、有机肥、耕作措施、灌水、种植作物选择等化学、生物、农艺措施相结合，效果更好。

【期刊名称】《农业科学研究》
【年(卷),期】2016(037)001
【总页数】5页(P65-69)
【关键词】盐碱地;脱硫石膏;改良;研究进展
【作者】沈婧丽;王彬;许兴
【作者单位】宁夏大学农学院，宁夏银川 750021;宁夏大学农学院，宁夏银川750021;宁夏大学农学院，宁夏银川 750021
【正文语种】中文
【中图分类】S156.4
烟气脱硫技术有近百年历史[1].随着工业化迅速发展，煤电转化的需求量不断增加，脱硫石膏作为燃煤电厂烟气脱硫技术的副产品，产出量也在增加.随着人们对空气、环境保护意识的增强，烟气脱硫技术工艺改进及如何实现脱硫石膏等废弃物资源化利用的问题广受关注[2].近年来，国内外学者从建筑、建材、化工等工业利用方面
进行研究，另外也从盐碱土改良等农业利用方面进行研究.由于脱硫石膏成分主要
是CaSO4和CaSO3，理化性质与天然石膏相近，富含植物必需的矿质营养，且
脱硫石膏具有颗粒细小、成分稳定、纯度高等特点，受到了农业科研工作者的高度重视，进行了大量研究.
同时，社会发展对耕地的需求不断增加，改良盐碱地已成为耕地的潜在资源，已有耕地盐渍化、质量不高、数量短缺等制约着区域经济的发展[3].利用烟气脱硫废弃
物（脱硫石膏）改良盐碱地，不仅是一个科学命题，也是社会经济生产中非常关注的问题，如利用脱硫废弃物进行盐碱地改良效果如何，生产中的投入产出效益如何，技术应用是否有重金属超标等.本文拟从脱硫石膏改良盐碱地的物理化学性质、微
生物活性、土壤酶活性以及耐盐植物反应等方面，对前人的研究工作进行阐述，为盐碱地改良利用提供参考.
1.1 盐碱地的分布
世界约有1/4的土地受不同程度的盐渍化影响，盐碱土面积约9.55×108hm2[4].
盐碱土包括盐土和碱土两大类型.盐土以NaCl为主，其可溶性盐类物质超过2
g/kg，对植物生长发育产生严重影响；碱土以Na2CO3为主，其阳离子代换量通常大于20%，土壤pH值大于8，一般用碱化度来划分[5].我国盐碱土主要分布在东北松嫩平原、河套灌区、新疆灌区及沿海地区等，盐碱土面积接近1×108hm2，约占全球盐碱土面积的10%[6].其中，东北松嫩平原盐碱化土地面积约
370×104hm2[7]，新疆盐碱土面积847.6×104hm2[8].天津盐碱土面积有
42.21×104hm2，约占土地面积38.9%，其中含盐量大于0.2%的盐碱土面积有9.67×104hm2[9].内蒙古河套灌区土地面积有111.9×104hm2，现引黄灌溉面积有57.4×104hm2，其中轻度盐碱土面积约33.3×104hm2，中、重度盐碱化面积约10.7×104hm2[10].宁夏引黄灌区面积46.58×104hm2，其中中轻度盐碱土面
积8.54×104hm2，中度盐碱土面积5.7×104hm2，重度盐碱土面积
4.07×104hm2，另外盐碱荒地约有
5.57×104hm2[11].
1.2 改良原理
盐碱地改良通常采用灌水洗盐、深耕晒垡、改土、垄作、使用土壤调理剂、种植抗盐耐盐植物等措施进行改良，一般概括为水利、物理、化学及生物4类[12]，但在生产实践中，需要将4类方法综合运用.脱硫石膏改良盐碱地主要基于其化学改良
机理.在土壤中，粒径较小的黏土与腐殖质形成了土壤胶体，当土壤胶体与盐碱土
中的Na2CO3、NaHCO3、NaCl等接触，就形成了含Na离子的土壤胶体.含Na 离子的土壤胶体在土壤溶液中具有较好的分散性，能散布在土壤孔隙中，形成不透水的结土层.因此，盐碱土土壤通透性差，在失水过程中易形成土层龟裂，不利于
植物生长.传统的灌水很难去掉土壤中的Na离子.盐碱地施用脱硫石膏，经土壤中
水溶解后可形成Ca离子，而Ca离子能够替换土壤胶体上的Na离子，不易吸附
水分子，可使胶体微粒间形成微粒团.当水分子渗入微粒之间时会使微粒团膨胀，
当失水时微粒团则龟裂.这一过程的反复则使土壤疏松，透水性增强，利于植物根
系扩展，吸水吸肥能力增强，从而达到盐碱土改良的目的.
脱硫石膏成分主要为硫酸钙(CaSO4·2H2O)，含量为90%～95%，含水率一般为10%～15%[13]，富含S、Ca、Si等矿质元素，较天然石膏颗粒小、易溶于水，
是较好的盐碱土改良剂[14-15].脱硫石膏适宜施用量可用下列公式[16]进行估算：
w=（0.087 28×ESP+0.441 2）H×D/（η×10）.（1）式中，w为脱硫石膏的施
用量（kg/m2）；ESP为碱化度（%）；H为土壤改良深度（m）；D为土壤容重（kg/m3）；η为脱硫石膏中石膏的质量分数（%）.
2.1 物理化学性质
土壤pH值、碱化度、全盐等指标是土壤盐渍化常用的理化指标.施用脱硫石膏可
降低土壤中碳酸根、重碳酸根离子，Na+、K+含量也降低；而SO42-、Cl-含量
上升，钙、镁含量增加.土壤pH值、全盐含量和碱化度降低，土壤有机质含量增
加[17-18].据刘师敏等[19]试验：施用脱硫石膏处理较对照土壤的碱化度下降
23.05%，pH值下降3.19%，全盐含量下降28.32%，土壤盐分的下降可改善土
壤结构，提高土壤微生物活性，增加土壤有机质含量，油葵和甜菜出苗率提高，促进生长，增产效果显著.王静等[20]采用大田试验的方法，从土壤pH、全盐含量、碱化度和常见离子相对含量的变化等方面，研究了经脱硫废弃物改良后龟裂碱土种植沙枣的效果，得出：随着林木生长时间的延长，脱硫废弃物改良后的土壤pH、可溶性盐和碱化度均有不同程度降低，pH、可溶性盐和碱化度分别由初始的9.50、46 g/kg和5.3%下降到8.31、11.4 g/kg和3.1%；脱硫废弃物可降低土壤中的
交换性钠、交换性镁的相对含量，降低其对植物的毒害作用，使土壤化学性质得以改善，林木生长加快.王云贺等[21]对施用脱硫石膏后残余碳酸钠、土壤电导率进
行了测定，脱硫石膏施用量在29 170 kg/hm2的处理脱盐效果最好.
土壤孔隙度和土壤胶体离子代换量是土壤理化性质的重要指标.孙兆军等[22]在盐碱地种植枸杞，随脱硫石膏施用量的增加，土壤孔隙度从36%增加到47%，土壤全盐含量呈先降后升的趋势，说明施用脱硫石膏可增加土壤中Ca2+和SO42-的含量.由于土壤胶体表面的Na+、K+、Mg2+等阳离子被Ca2+置换，在灌水条件下向下淋洗或排出，至使土壤溶液中Na+、K+、Mg2+等离子含量减少，Ca2+和SO42-含量增加.
2.2 微生物活性
微生物活性是土壤理化性质改善的主要监测指标之一.李凤霞等[23]采用Biolog Eco-plate技术对宁夏平罗西大滩前进农场碱化土壤微生物群落进行分析，得出：随脱硫石膏施用量的增加，土壤pH值下降0.06～0.29个单位；土壤全盐质量比降低0.72～1.35 g/kg；土壤微生物活性及其微生物群落对碳源的利用水平提高；在碱化土壤环境下，微生物对碳水化合物、羧酸类、聚合物类、氨基酸类化合物的利用效率较高，而对胺类和酚类化合物的利用率较低；在适量施用脱硫石膏的条件下，土壤微生物活性提高，各类多样性得以改善；脱硫石膏施用量为2.5～7.5
g/kg（土）时，改善土壤微生物活性的效果最强.
2.3 土壤酶活性
土壤酶主要来源于动植物残体、根系及土壤微生物的分泌物，酶活性是土壤肥力评价、植物有效养分获取的主要指标.施用适量的脱硫石膏可改善土壤颗粒组成，降低土壤中碳酸根、碳酸氢根、氯、钾离子含量.随着脱硫石膏用量的增加，土壤全盐量增加，钙镁离子、土壤电导度增加；表层土壤容重下降，土壤三相比中气相率增加，固相率降低，孔隙度增加，土壤硬度降低；可活化根际土壤养分，使植物吸收养分的环境得到改善，土壤养分活性增强，植物吸收养分的能力提高，土壤微生物活性增强，土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶活性提高；作物生长环境得到改善，从而提高作物产量[24].
2.4 植物反应
自然界中，不同种类和品种植物的耐盐性有很大差异，大麦、小麦、大豆、水稻等农作物，是脱硫石膏改良盐碱地试验常用的材料.施用脱硫石膏能促进水稻幼苗的生长[25-26].水稻根长、株高和生物量明显增加；在生理指标监测方面，水稻叶片的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率高于对照处理，胞间二氧化碳浓度低于对照处理.水稻叶片叶绿素、脯氨酸、可溶性糖的含量也高于对照处理；水稻叶片和根系丙二醛含量、细胞质膜相对透性、超氧阴离子自由基产生速率和H2O2含量则表现出先减后增的趋势，超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶的活性则表现为先增后减的趋势.施用22 500 kg/hm2脱硫石膏时抗氧化保护酶的活性最高，活性氧的含量最低，膜脂过氧化作用最弱.
施用脱硫石膏能显著提高油葵的水分利用效率和根系活力[27].当脱硫石膏施用量为22.5 t/hm2时，油葵株高增加1.2%～20%、地上植株鲜质量增加12.7%～42.8%、地下根系鲜质量增加 9.5%～49.3%，根系伸长长度增加10.8%～
28.1%[28].油葵根、叶丙二醛含量和质膜相对透性降低，超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶活性提高[29].王彬等[30]连续3年施用脱硫石膏，土壤pH值、全盐含量、油葵叶片细胞膜透性、超氧化物歧化酶活性均呈逐年下降趋势，油葵的根系长度和体积呈逐年上升趋势.毛桂莲等[31]对油葵质膜和液泡膜Ca2+～ATPase活性进行研究，得出在碱胁迫下，Ca2+与焦锑酸钾结合成黑色颗粒团零星分布于叶绿体和液泡中.叶绿体超微结构受到不同程度的破坏.施入脱硫石膏，叶绿体结构完整，细胞中钙颗粒较多，质膜和液泡膜Ca2+-ATPase活性随脱硫石膏施用量的增加而增加，其中液泡膜Ca2+-ATPase活性高于质膜Ca2+-ATPase活性.
脱硫石膏可增加苜蓿叶绿素含量[32].随着施用量的增加，紫花苜蓿细胞膜透性不断改善.脱硫石膏还可提高枸杞幼苗成活率[33]，促进新生枝条生长，可提高枸杞
叶绿素含量和净光合速率，促进枸杞光合产物积累和果实总糖含量.对红柳、枸杞
和紫穗槐的生长量和成活率有明显的促进作用，而对文冠果和金银花的作用不显著[34].据孙兆军等[35]试验，应用脱硫石膏改良第3年，碱化土土壤全盐、碱化度、pH值分别降低46.43%、42.63%和17.20%，种植的沙枣树成活率提高104.64%；盐碱土土壤全盐、碱化度、pH值分别降低38.96%、25.71%和7.95%，种植的
沙枣树成活率提高91.36%.
2.5 重金属
种植枸杞施用脱硫石膏后对重金属含量进行监测[36]，结果表明土壤重金属含量符合二级土壤标准（土壤环境质量标准，GB15618—1995）；枸杞果和叶的重金属含量符合国家食品标准（食品中污染物限量，GB2762—2005）.
脱硫石膏的适宜施用量可用式（1）推算.在生产应用中，应注意与土壤改良剂的施用、增施有机肥、土壤耕作措施、灌水、种植作物选择等化学、生物、农艺等措施的结合，改良效果更显著.肖国举等[37]在宁夏西大滩碱化土上种植水稻，脱硫石
膏适宜施用量为28 000～31 000 kg/hm2.脱硫石膏与改良剂配合施用，效果更好[38]，施用脱硫石膏后土壤碱化度降低，配合施用11 250 kg/hm2的改良剂，土壤有机质和速效钾含量增加，水稻产量最高.脱硫石膏2.5 g/kg（土）+改良剂2.5 g/kg（土）对提高苜蓿的抗逆性效果最佳[39].脱硫石膏+改良剂（糠醛渣、风化煤、秸秆粉、有机肥）+灌水的集成应用[40]得出，脱硫石膏+改良剂施用量为（37 500 kg+7 500 kg）/hm2、灌水定额为1 500 m3/hm2时，碱化土壤的改良效果最佳.王永忠等[41]的脱硫石膏+糠醛渣+改良剂的试验表明，37 500
kg/hm2脱硫石膏+15 000 kg/hm2糖醛渣+750 kg/hm2改良剂效果最好.在宁
夏西大滩碱化土条件下种植枸杞，脱硫石膏施用量为24 000 kg/hm2，施入深度
为60 cm，有利于提高枸杞红果体积、红果鲜质量和产量[42].脱硫石膏+天然有机物混合改良剂对改善土壤结构、降低土壤容重、增加土壤孔隙度有明显效果[43]；
可使土壤中盐分离子组成比例发生变化，随着改良剂施用量增加，土壤碱化度、钾钠及氯离子含量降低.
利用脱硫石膏改良盐碱地，在土壤理化性质、微生物活性、酶活性以及耐盐植物反应等方面具有显著效果；但在技术应用上，还需与盐碱地改良的水利、物理、化学及生物4类方法相结合，以期利用最低的改良成本获得最佳的改良效果和经济效益.在研究中应注意以下问题.
1）加强脱硫石膏改良盐碱地的技术模式研究，如脱硫石膏+改良剂+灌水方式模式.脱硫石膏改良盐碱地是通过先交换后淋洗的原理进行改良，灌水可使土壤盐分离子离开土体，而过量使用脱硫石膏和改良剂，会使土壤中可溶性盐分含量增加，影响植物生长，因此灌水成为盐碱土改良的关键因子.研究脱硫石膏施用量与灌溉的互作效应对提升改良效果、降低改良成本有重要意义.
2）加强脱硫石膏中有益矿质元素利用研究.不同的矿质成分和烟气脱硫技术，生产出的脱硫石膏成分可能各有不同.脱硫石膏中含有的金属元素成分丰富，不仅需对有益矿质元素利用进行研究，还需对有害元素进行监测.目前关于脱硫废弃物中重金属（铁、镍、铜、锌、铅和镉）的研究还很少，也没有研究表明其对土壤和植物造成的破坏.盐碱地生态环境十分脆弱，恢复过程是很漫长的，应该加强脱硫废弃物的长效监测或定位监测.
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