2015, Vol. 32文章信息
- 梁龙, 张强, 王斌, 黄高鉴
- LIANG Long, ZHANG Qiang, WANG Bin, HUANG Gao-jian
- 火电厂烟气脱硫石膏对重度苏打盐化土饱和导水率的影响
- Effect of Power Plant Flue Gas Desulfurization Gypsum on Saturated Hydraulic Conductivity of Heavy Soda-Saline Soil Using Lysismeter
- 农业资源与环境学报, 2015, 32(2): 169-174
- Journal of Agricultural Resources and Environment, 2014, 31(6): 513-520
- http://dx.doi.org/10.13254/j.jare.2014.0307
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文章历史
- 收稿日期：2014-11-03
2. 山西省农业科学院农业环境与资源研究所, 山西 太原 030006
2. Institute of Agricultural Environment and Resources, Shanxi Academy of Agricultural Sciences, Taiyuan 030006, China
脱硫石膏又称烟气脱硫石膏、硫石膏或FGD石膏，是火电厂对含硫燃料（主要是煤）燃烧后产生的烟气进行脱硫净化处理而得到的工业副产石膏。它的主要成分是二水硫酸钙，由烟气中的SO2和CaCO3或CaO发生反应而得到[1]。利用脱硫石膏改良重度苏打盐化土是内陆盐碱地改良重要措施之一。其原理是利用脱硫石膏溶解后的钙离子代换土壤中的代换性钠离子，降低土壤的碱化度，改良土壤理化性质，达到改良的目的[2, 3]。
土壤饱和导水率是土壤重要的物理性质之一，主要受土壤容重、质地、组成、盐分含量以及水分特征的影响[4, 5, 6, 7]。对于苏打盐化土而言，饱和导水率低是影响其土壤结构和耕性的主要原因之一，提高饱和导水率是有效淋洗苏打盐化土盐分的基本前提[8, 9, 10, 11]。因此，研究脱硫石膏对盐渍土饱和导水率的影响对探索水盐运移规律，确定盐渍土改良方案具有重要的实际意义。
大同盆地是我国盐渍土集中分布区域之一，土体中富含NaHCO3和Na2CO3，属于典型苏打型盐渍土[12]。由于含有大量苏打，土壤的结构性很差，通透性很低[13]。长期以来，我国科研工作者在该区进行了大量的利用脱硫石膏改良盐渍土的研究工作，积累了大量的数据资料。但这些研究多以土壤化学性质为主要研究对象，而对脱硫石膏对土壤饱和导水率特征的影响的相关研究相对较少。本研究选择重度苏打盐化土剖面进行原状土饱和导水率测定，探求脱硫石膏在不同的施用量下随着时间的推移对土壤饱和导水率的影响，以及脱硫石膏施用量与重度苏打盐化土饱和导水率的相关关系，旨在为大同盆地苏打盐化土改良提供理论支持和借鉴。 1 材料与方法 1.1 试验装置
供试土样取自大同市天镇山西农科院环境与资源研究所盐碱地改良示范基地。采样点选在盐斑上（俗称光板地）。用内径为25 cm，高为50 cm的PVC管取原状土，取样深度为40 cm。如图 1所示。
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| 图 1 土柱示意图 Figure 1 Soil-column diagram |
土壤的基本理化性状见表 1。
实验材料：脱硫石膏来源于大同二电厂，其主要成分为CaSO4·2H2O，pH值为8.31，全钙占30.74 %，水分含量4.7 %，有机质1.24 %，全氮0.04 %，全磷0.13 %，全钾0.05 %。 1.3 试验方案
试验共设4个处理：（1）对照（不施脱硫石膏），（2）脱硫石膏15 t·hm-2，（3）脱硫石膏30 t·hm-2，（4）脱硫石膏60 t·hm-2，设6次重复。施用脱硫石膏时为了尽量不破坏原状土壤，使脱硫石膏仅与土柱内0~5 cm深的土壤充分混合。将施过脱硫石膏的土柱埋入土中，上方搭1个遮雨大棚。用蒸馏水浇灌，使土壤始终保持湿润状态。每隔1个月取1次土，用环刀分层取样，0~10、10~20、20~40 cm共3层，每层取3次重复，共取3次土样。
土壤基本理化性质测定：土壤全氮、有机质、有效磷、速效钾和土壤水溶性盐分、阳离子交换量、交换性钠采用常规方法测定[14]；土壤容重采用环刀法；土壤pH值采用酸度计测定（土水比为1∶2.5），EC采用电导仪测定（土水比为1∶5）。 1.4 饱和导水率测定方法
饱和导水率的测定：环刀法——在室外用环刀取原状土样，带回室内浸入水中24 h。浸水时要保持水面与环刀上口平齐，勿使水淹到环刀上口的土面。在预定时间将环刀取出，除去盖子，在上面套1个空环刀，接口处先用胶布封好，再用熔蜡粘合，严防从接口处漏水。然后将接合的环刀放到漏斗上，漏斗下面用100 mL烧杯承接。向上面的空环刀中加水，水面比环刀口低1 mm，水层厚5 cm。加水后，自漏斗下面滴下第一滴水时用秒表计时，每隔10 min或20 min更换漏斗下面的烧杯用10 mL量筒计量渗出水量。每更换1次烧杯，要将上面环刀水面加至原来高度，并用温度计记录水温。直到单位时间内渗出水量相等时为止。
饱和导水率：采用达西定律计算，即：
式中：Kt—饱和导水率（cm·h-1）；Q—渗透量（mL）；S—渗透横截面积（cm2）；t—渗透时间（min）；L—土层厚度（cm）；H—水层厚度（cm）。为了消除温度的影响，将测定的饱和导水率换算成10 ℃下的饱和导水率，具体换算方法采用哈赞公式进行： 式中：Kt—某一水温下的饱和导水率（cm·h-1）；K10—10 ℃时的饱和导水率（cm·h-1）；T—水的温度（℃）。 1.5 数据分析
实验所得数据采用Excel 2007进行统计分析。显著性检验、方差分析、回归分析采用Minitab 16进行。土壤理化性质参数指标进行相关性或回归分析时，均使用各参数指标的平均值。 2 结果与分析 2.1 土壤饱和导水率
饱和导水率（本文研究结果的土壤饱和导水率均是10 ℃时的土壤饱和导水率）随土壤剖面的变化曲线如图 2所示。从图 2中可以看出，重度苏打盐化土饱和导水率随土壤剖面深度增加呈“S”型曲线变化：表层土壤的饱和导水率最高，随着剖面深度的增加，饱和导水率先降低、再增加、然后再降低。
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| 图 2 饱和导水率随剖面变化 Figure 2 Saturated hydraulic conductivity distribution in profiles of saline-sodic soil |
脱硫石膏不同的施用量随着时间的推移对重度苏打盐化土表层土0~10 cm饱和导水率的影响如图 3所示。
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| 图 3 0~10 cm饱和导水率随时间变化 Figure 3 Saturated hydraulic conductivity changing with time in 0~10 cm soil |
结果表明，在0~10 cm的表层中，施用脱硫石膏15、30、60 t·hm-2的3个处理都大幅度提高了土壤的饱和导水率，分别提高了46.5、50.0倍和50.1倍。这说明脱硫石膏对重度苏打盐化土的物理性质有明显的改善作用。施入脱硫石膏30、60、90 d后，土壤的饱和导水率由高到低依次为60 t·hm-2>30 t·hm-2>15 t·hm-2，不施脱硫石膏的处理（CK）饱和导水率呈下降的趋势。这说明用蒸馏水浇灌会降低重度苏打盐化土饱和导水率。由图 3可以看出，除CK外，3条折线的斜率在逐渐增大。这说明脱硫石膏对重度苏打盐化土饱和导水率的提高幅度随时间的延长而增大。
脱硫石膏不同的施用量随着时间的推移对重度苏打盐化土10~20 cm土层饱和导水率的影响如图 4所示。
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| 图 4 10~20 cm饱和导水率随时间变化 Figure 4 Saturated hydraulic conductivity changing with time in 10~20 cm soil |
结果表明，在10~20 cm土层中，施用脱硫石膏的3个处理的饱和导水率都呈现升高的趋势。脱硫石膏施用量由低到高饱和导水率分别增加了1.6、5.5倍和3.0倍。施入脱硫石膏30、60、90 d后，土壤的饱和导水率由高到低依次为30 t·hm-2>60 t·hm-2>15 t·hm-2，不施脱硫石膏的处理（CK）饱和导水率仍然呈下降趋势。这说明脱硫石膏对10~20 cm土层的饱和导水率也起到了提高的作用，但提高的幅度没有0~10 cm土层大。
脱硫石膏不同的施用量随着时间的推移对重度苏打盐化土20~40 cm土层饱和导水率的影响如图 5所示。
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| 图 5 20~40 cm饱和导水率随时间变化 Figure 5 Saturated hydraulic conductivity changing with time in 20~40 cm soil |
结果表明，在20~40 cm底层中，施用脱硫石膏的3个处理饱和导水率表现为先升高后下降的趋势，并在90 d的时候出现下降，但整体表现为上升趋势。施入脱硫石膏30、60、90 d后，土壤的饱和导水率由高到低依次为60 t·hm-2>30 t·hm-2>15 t·hm-2，这说明脱硫石膏对20~40 cm的底层土壤的饱和导水率也有一定的提高作用。不施脱硫石膏的处理（CK）饱和导水率仍然呈下降趋势。
脱硫石膏对重度苏打盐化土饱和导水率影响的统计分析结果见表 2。
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从表 2中可以看出，在0~10 cm土层中，在施入脱硫石膏30 d的时候，施用量为15 t·hm-2和30 t·hm-2的饱和导水率差异不显著；在施入脱硫石膏90 d的时候，施用量为30 t·hm-2和60 t·hm-2的饱和导水率差异不显著。在10~20 cm土层中，在施入脱硫石膏30 d的时候，施用量为0（CK）和15 t·hm-2的饱和导水率差异不显著。在20~40 cm土层中，在施入脱硫石膏30 d的时候，施用量为0（CK）、15 t·hm-2和30 t·hm-2的饱和导水率差异不显著；在施入脱硫石膏60 d的时候，施用量为15 t·hm-2和30 t·hm-2和60 t·hm-2的饱和导水率差异不显著，施用量为0（CK）和15 t·hm-2的饱和导水率差异不显著；在施入脱硫石膏90 d的时候，施用量为30 t·hm-2和60 t·hm-2的饱和导水率差异不显著，施用量为30 t·hm-2和15 t·hm-2的饱和导水率差异不显著。这说明脱硫石膏对表层土壤的饱和导水率提高速率以及效率最高，随着土层深度的增加速率以及幅度逐渐降低；当施用量超过30 t·hm-2时，饱和导水率之间差异不显著，所以脱硫石膏的经济用量应当为30 t·hm-2。
重度苏打盐化土饱和导水率与脱硫石膏施用量之间的关系如表 3所示。
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从表 3中可以看出，重度苏打盐化土饱和导水率与脱硫石膏施用量只有在表层0~10 cm与底层20~40 cm土层中刚施入30 d时呈显著正相关关系（P<0.05）。回归分析表明，二者可进行一次函数关系拟合。0~10 cm土层30 d土壤饱和导水率（y1）与脱硫石膏施用量（x）的回归方程为：
20~40 cm土层30 d土壤饱和导水率（y2）与脱硫石膏施用量（x）的回归方程为：
3 讨论
脱硫石膏在施入0~10 cm表层土壤中，浇水后，脱硫石膏发生溶解，溶解在水中的Ca+与土体中的交换性钠发生代换作用，使交换性钠变为水溶性钠，并以Na2SO4的形式随水向下淋溶，最终排出土体，从而降低了土壤中Na+的浓度，而过量Na+的存在会引发粘粒高度分散[15, 16, 17]，从而堵塞土壤孔隙[15]，导致土壤导水性降低[18, 19]。另一方面，粘粒的凝絮作用与土壤溶液的电导率有关，具有较高电导率的土壤溶液能促进粘粒的凝絮作用，增强土壤团聚体的稳定性，从而提高土壤的饱和导水率[20, 21]，而脱硫石膏溶解之后会提高土壤溶液的电导率。因此，脱硫石膏可以有效地提高苏打盐化土的饱和导水率，这与Oster等[22]和Armstrong等[23]的研究结果相一致。
由于供试土壤的饱和导水率本身就很低，在0.01~0.1 cm·h-1之间，因此会影响脱硫石膏向下的淋溶。在0~10 cm的表层土壤中，脱硫石膏与土壤的接触时间越长，被交换到土壤溶液中的Na+越充分，土壤胶体上可交换性钠越少。因此，重度苏打盐化土饱和导水率的提高幅度随脱硫石膏与土壤接触时间的延长而增大，这与王晓颖[24]的研究结果相一致。对于10~20 cm的土层，由于没有与脱硫石膏接触，而是通过溶解在水中的未与表层土壤发生交换作用的脱硫石膏随水向下淋溶而获得Ca2+，从而与土壤胶体表面的Na+发生交换。因此，该土层的饱和导水率除了受到本身土壤胶体表面的Na+数量的影响外，还受表层土壤胶体表面的Na+数量和饱和导水率的影响。另外，表层土壤中由于交换作用产生的大量水溶性Na+也会随水一起向下淋溶，使10~20 cm土层土壤溶液中的Na+浓度增加，从而减弱Ca2+与土壤胶体表面Na+的交换作用[13]。所以，10~20 cm土层土壤饱和导水率的变化是相对复杂的，不具有表层土壤饱和导水率的变化规律，并且其饱和导水率的提高速率以及效率低于表层（0~10 cm）土壤。对于20~40 cm土层土壤饱和导水率，要受到本身土壤、表层土壤以及10~20 cm土层土壤的影响，其饱和导水率的提高速率以及效率最低。这与赵锦慧[25]的研究结果相一致。
土壤胶体表面Na+的数量在一定体积的土体中是有限的，当脱硫石膏中的Ca2+与土壤胶体表面Na+的交换作用达到某一平衡之后，再增加脱硫石膏的用量，此平衡不会发生太大变化[13]。因此，土壤饱和导水率不会随着脱硫石膏施用量的增加而无限增加，当增加到某一值时速率会变慢甚至不再增加，此时脱硫石膏的用量即为经济用量。所以土壤饱和导水率与脱硫石膏施用量无显著正相关关系。至于在0~10 cm和20~40 cm土层30 d时呈显著正相关关系，那是因为脱硫石膏与土壤胶体的交换作用要达到某一平衡需要一定的时间，在此时间会呈现出一次函数显著正相关关系。
对于不施脱硫石膏只用蒸馏水浇灌的处理（CK），土壤饱和导水率随时间的推移逐渐降低，这是由于用蒸馏水浇灌会降低土壤溶液浓度，而土壤饱和导水率随着土壤溶液浓度的降低而减小[26]。对于在20~40 cm土层中土壤饱和导水率在第90 d时出现回落，是由于供试土壤在40 cm处有一层大约2 cm厚的粘化层，几乎不透水（饱和导水率<0.01 cm·h-1），使土壤排水不畅，大量代换出的Na+在底层不能够及时排出土体而越积越多，导致土壤饱和导水率降低[15, 16, 17, 18, 19]。
本实验结论通过大棚土柱模拟实验得出的。在田间实际条件下脱硫石膏对重度苏打盐化土饱和导水率的影响需要长期观测与研究。 4 结论
在本实验条件下，脱硫石膏对重度苏打盐化土饱和导水率无论在0~10 cm的表层中还是在10~20 cm土层以及20~40 cm底层中都有显著的提高作用；表层土壤的饱和导水率提高幅度、速率以及效率最大，随着土层深度的增加饱和导水率提高的幅度、速率以及效率逐渐减小；土壤饱和导水率不会随脱硫石膏施用量的增加而一直增大，脱硫石膏的经济用量应当为30 t·hm-2，这对大同盆地重度苏打盐化土改良有重要意义。根据该地区盐碱土的实际情况，通过施用脱硫石膏以及合理的栽培与耕作措施，配合合理的灌溉，可以有效地提高土壤的饱和导水率，实现盐碱土改良目标。
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