脱硫石膏不同施用量对新疆盐碱土壤改良效果及作物产量的影响

石婧; 黄超; 刘娟; 李小东; 张凤华

doi:10.12030/j.cjee.201711090

脱硫石膏不同施用量对新疆盐碱土壤改良效果及作物产量的影响

1.
石河子大学，新疆兵团绿洲生态农业重点实验室，石河子 832003
2.
新疆天富能源股份有限公司，石河子 832000
基金项目:
国家科技计划支撑项目（2014BAC14B03）

兵团科技攻关与成果转化项目（2016AD022）

Effects of different application amount of flue gas desulfurization gypsum on amelioration of saline-alkali soil and crop yield in Xinjiang, China

1.
Key Laboratory of Oasis Eco-Agriculture, Xinjiang Production and Construction Group, Shihezi University, Shihezi 832003, China
2.
Xinjiang Tianfu Energy Group Co.Ltd., Shihezi 832000, China
Fund Project:

摘要: 为了探究脱硫石膏改良盐碱土的最佳施用量，以新疆玛纳斯河流域石河子绿洲盐碱地为研究对象，研究脱硫石膏不同施用量对小麦产量以及土壤理化性质的影响，并对脱硫石膏改良盐碱土壤进行安全性评价。研究表明：脱硫石膏施用量2 t·(667 m2)-1（2 t）比施用量为1 t·(667 m2)-1（1 t）、3 t·(667?m2)-1（3 t）更有利于降低土壤容重、增加土壤孔隙度；对土壤pH和电导率降低能力表现为2 t > 3 t > 1 t；2 t处理土壤中Na+、K+、Mg2+含量均低于1 t和3 t处理；脱硫石膏量为2 t·(667 m2)-1对小麦产量增加效果最好，2 t处理较3 t和1 t处理产量分别增加9.48% 和 2.21%，综合评价脱硫石膏施用后对土壤改良效果及作物产量，以施用量2 t·(667 m2)-1作用效果显著。
- 盐碱土壤 /
- 烟气脱硫石膏 /
- 施用量 /
- 土壤理化性质 /
- 产量
Abstract: Soil salinization is considered as the most important abiotic stress limiting crop production and degrading soil properties. The objective of this study was to evaluate optimal application amount of flue gas desulfurization (FGD) gypsum on the amelioration of saline-alkali soil. A field experiment was conducted to investigate the influence of different application amounts of FGD gypsum on wheat yield and soil physic-chemical properties, and to evaluate the safety of FGD gypsum on ameliorated saline-alkali soil in Xinjiang,China. The results indicated that 2 t·(667 m2)-1(2 t) of FGD gypsum application amount is more conductive to declining soil bulk density and increasing soil porosity than 1 t·(667 m2)-1（1 t） and 3 t·(667 m2)-1（3 t）. Application amount of 2 t FGD gypsum had the strongest ability to reduce soil pH and electrical conductivity, followed by 3 t and 1 t.The concentrations of Na+, K+ and Mg2+ in 2 t treatment were lower than those in 1 t and 3 t treatments. Compared with 3 t and 1 t treatments, wheat yield in 2 t treatment significantly enhanced by 9.48% and 2.21%. Together, application amount of 2 t FGD gypsum is a fit-for-purpose method in ameliorating saline-alkali soil and increasing wheat yield.
- saline-alkali soil /
- flue gas desulfurization gypsum /
- application amount /
- soil properties /
- wheat yield

新疆是我国盐碱化土壤分布面积较广、土壤积盐较重的地区^[1]，占全国盐碱土地总面积的22.01%，在新疆407万hm²的耕地中，盐碱土面积占了30.12%^[2]。新疆作为我国重要的棉花、粮食和优质瓜果的生产基地之一，土壤盐渍化已对新疆耕地安全造成危险，如何改良盐碱土壤成为当务之急。

已有研究表明脱硫石膏有改良盐渍化土壤^[3]、改善土壤结构^[4-5]、促进作物生长^[6-7]等作用。脱硫石膏是燃煤烟气湿法脱硫的副产物，已广泛应用于盐碱地改良。脱硫石膏改良碱化土壤的原理,就是利用脱硫石膏中含有的Ca²⁺对土壤胶体吸附的Na⁺进行置换,并通过淋洗将其排出土体，以达到治碱改土的目的^[8-9]。国内外关于烟气脱硫石膏施用对盐碱土及作物生长和产量影响的相关研究主要集中在干旱半干旱地区^[10-11]。从1995年起，王金满等^[12]、李焕珍等^[13]利用电厂燃煤烟气脱硫石膏在几乎无植物存活的碱化地进行大面积改良实验，效果良好。李彦等^[14]在吉林、内蒙、宁夏等地通过十几年的应用实践，总结出了脱硫石膏施用量的估算公式，这为利用脱硫石膏改良盐碱土壤提供了实践参考。陈欢等^[15]在田间实验中采用的轻、中、重度碱化土壤的脱硫石膏施用量分别为20 910、30 615和59 330 kg·hm⁻²，许多研究^[12,16]表明施用适量的脱硫石膏能显著降低土壤碱化度、pH和全盐量；赵锦慧等^[17]在内蒙古土默川平原的碱化土壤实验中，发现施用脱硫石膏量与增产率不呈正相关关系，如果超过施用量，不会起到增产作用，还有可能增加土壤盐分含量。为了最大限度地降低土壤碱性成分，同时尽可能地控制土壤盐分的增加，达到比较理想的改良效果，本研究采用田间实验的方法，通过种植小麦（Triticum aestivum Linn.），研究脱硫石膏对土容重、孔隙度、团聚体、pH、电导率、盐基离子及对小麦产量的影响，从而确定脱硫石膏的最佳施用量，为大面积进行脱硫石膏改良苏打盐渍土工作提供一定的理论依据。

1 实验区概况

实验地位于新疆生产建设兵团第八师134团12连（44°42′25″N，85°26′48″E）。第八师134团属典型的温带大陆性气候，光热资源充足，降水稀少，蒸发强烈，冬季严寒，夏季酷热，风沙较多，灾害频繁。134团现有耕地面积约1.9万hm²，其中盐碱耕地约0.9万hm²，占耕地面积的47.4%，耕地土壤盐碱化程度较重。该实验地土壤属于灰漠土，土壤表层为黏质土壤，土壤碱化度和电导率较高，实验地土壤属于重度盐碱化土壤，土壤pH 9.13，电导率4.36 mS·cm⁻¹，碱化度34.9%，土壤容重1.58 g·cm⁻³。

2 材料与方法

2.1 实验设计

本研究于2015—2016年在盐碱地进行单因素完全随机实验，根据脱硫石膏施用量的不同，实验共设置4个处理：1）对照处理（不施脱硫石膏，CK），以及3个不同脱硫石膏施用量处理；2）1 t·(667 m²)⁻¹（1 t）；3）2 t·(667 m²)⁻¹（2 t）；4）3 t·(667 m²)⁻¹（3 t）。每个处理设置3次重复，每个小区面积为30 m²（5 m×6 m），共计12个小区，小区四周设置1 m宽的保护行，各小区完全随机排列。2015-09-28进行小麦播种，脱硫石膏于2015-04-23按实验设置量进行均匀撒施，再用圆盘耙进行耙地，耙地深度为0~20 cm，使脱硫石膏与土体混合均匀。在原实验小区研究脱硫石膏不同施用量施用2年后对土壤的改良效果，实验地种植小麦，各处理生育期与田间管理水平相同。

2.2 供试脱硫石膏组分检测

脱硫石膏主要成分与天然石膏相同，为二水硫酸钙晶体CaSO₄·2H₂O，呈粉末状。脱硫石膏富含S、Ca、Si等植物必需或有益的矿质营养，能够用于改良盐碱土壤。不同燃煤电厂煤种不同，作为脱硫剂的石灰石来源不同，脱硫石膏中各成分的质量分数存在差异，本研究所施用的脱硫石膏于2015-04-10取自石河子天富南热电厂，脱硫石膏样品为灰色半干状粉末，主要成分为CaSO₄·2H₂O，含Ca 22.66%，含水率37.46%~38.95%，pH为7.45，电导率为2.78 mS·cm⁻¹。

2.3 样品的采集与处理

小麦于2016-06-20进行测产，在各小区内随机选取3个1 m×1 m的样方，对样方内的小麦株数进行统计，在每个样方内随机选取30株麦穗带回实验室，自然风干一段时间后，用脱粒器打下麦穗上面的麦粒计算穗粒数，同时称量千粒重，测定小麦产量。土样采集于2016年7月，在小麦收获后进行采集，在各小区均挖掘60 cm深的土壤剖面，分别取0~10 cm、10~20 cm、20~40 cm、40~60 cm土层原状土带回实验室，各层采样量约为700 g。于室温下自然风干后沿自然裂隙掰成约1 cm的小土块，剔除石块和根系，一部分过8 mm筛用于团聚体筛分（粒级分为> 0.25 mm、0.25~0.053 mm和< 0.053 mm)，另一部分磨碎过1 mm筛测定相关指标。

2.4 样品测定指标与方法

土壤容重采用环刀法；含水率采用烘干法；土壤团聚体比例采用干筛法，分离出> 0.25 mm、0. 25~0.053 mm和> 0.053 mm共3级土壤团聚体，某级团聚体含量=（该级团聚体的重量÷各粒级土壤团聚体重之和）×100%；土壤提取液采用1:5土水比浸提，土壤pH用BPH252pH计测得；土壤电导率用DDSJ-308A型电导率仪测得；土壤K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺离子色谱仪测得；小麦产量计算如式(1)所示。

Y =EGW×10⁻⁶×85%

(1)

式中：Y为小麦产量，kg·(667 m²)⁻¹；E为每亩穗数；G为每穗粒数；W千粒重，g。

2.5 数据处理

利用Microsoft Excel软件对数据进行计算处理及绘图；用SPSS16.0软件对实验数据进行统计分析，采用单因素方差分析进行各数据组间的显著性检验。

3 结果与分析

3.1 土壤容重和孔隙度

由图1（a）可知，施用不同量脱硫石膏处理土壤容重整体上较CK均显著降低。在0~10 cm土层中，施用1 t·(667 m²)⁻¹脱硫石膏处理与CK处理之间无显著性差异，施用2 t·(667 m²)⁻¹和3 t·(667 m²)⁻¹处理显著低于CK与施用1 t·(667 m²)⁻¹脱硫石膏处理，分别较对照降低了11.96%和10.70%；10~20 cm土层中，施用脱硫石膏处理均显著低于CK，2 t与3 t处理之间差异不显著，但显著低于1 t处理；20~40 cm土层中，施用脱硫石膏处理均显著低于CK，1 t与3 t处理之间差异不显著，但显著低于2 t处理。

由图1（b）可知，施用不同量脱硫石膏处理土壤孔隙度整体上较CK均有显著地增加，在10~20 cm土层中，1 t处理与CK处理、2 t处理与3 t处理之间均无显著性差异，2 t和3 t处理显著高于CK与1 t处理，分别较CK分别增加了7.10%、6.35%；10~20 cm土层中，施用脱硫石膏处理较CK均显著增加，依次分别较CK增加了5.11%、11.41%和8.02%，2 t和3 t处理之间无显著性差异，但显著高于1 t处理；20~40 cm土层中，施用脱硫石膏处理均显著高于CK，1 t与3 t处理之间差异不显著，但显著高于2 t处理。

上述分析表明，不同施用量脱硫石膏处理对耕层土壤容重及孔隙度影响较为显著，且2 t·(667 m²)⁻¹和3 t·(667 m²)⁻¹处理时土壤容重降低较显著，土壤孔隙度显著增加。

图1 脱硫石膏不同施用量对土壤容重、孔隙度的影响
Fig. 1 Effects of different application amount of FGD gypsum on soil bulk density and porosity

3.2 土壤团聚体变化

由表1可知，不同施用量脱硫石膏处理及CK处理在10~20 cm、10~20 cm土层中均以大团聚体（> 0.25 mm团聚体）为主，在20~40 cm、40~60 cm土层中以0.25~0.053 mm粒径团聚体为主；随着土层深度的增加，整体上表现为> 0.25 mm团聚体的比例呈降低的趋势，土壤中小团聚体（0.25~0.053 mm）和微团聚体（< 0.053 mm）的比例有所增加。施用脱硫石膏后各处理在0~10 cm、10~20 cm土层中> 0.25 mm粒径团聚体的比例均有所增加，处理1 t、2 t、3 t分别较CK增加了0.85%、7.76%、8.69%和6.61%、6.69%、10.43%。脱硫石膏不同施用量对各粒径团聚体比例的影响不同，在0~10 cm土层中，2 t处理与3 t处理>0.25 mm粒径团聚体的比例之间无显著性差异，但显著高于1 t与CK处理，且1 t与CK之间差异不显著(P<0.05)；在10~20 cm土层中，> 0.25 mm团聚体的数量表现为不同脱硫石膏施用量处理较CK均有显著增加，1 t与2 t处理之间不显著，但显著低于3 t处理；在20~40 cm、40~60 cm土层中不同施用量处理之间> 0.25 mm团聚体的数量差异不显著。总体结果表明：施用脱硫石膏能够明显增加耕层土壤中大团聚体的比例；从各土层来看，脱硫石膏施用量为3 t·(667 m²)⁻¹时大团聚体比例高于2 t·(667 m²)⁻¹和1 t·(667 m²)⁻¹。

表1 土壤各粒径团聚体百分含量
Table 1 Proportion of each size soil aggregate

表1 土壤各粒径团聚体百分含量
**Table 1** Proportion of each size soil aggregate
土层深度/cm	处理组	团聚体粒径占总重的百分比/%
土层深度/cm	处理组	> 0.25 mm	0.25~0.053 mm	< 0.053 mm
0~10	CK	51.19±0.27b	36.57±1.13a	12.24±1.35a
	1 t	52.04±3.06b	39.46±1.61a	8.50±1.55b
	2 t	58.95±1.34a	34.45±0.81bc	6.60±0.76b
	3 t	59.88±1.51a	32.28±1.46c	7.84±0.18b
10~20	CK	48.33±1.44c	35.39±2.52ab	16.28±3.54a
	1 t	54.94±0.43b	33.62±0.25b	11.44±0.30a
	2 t	55.02±4.01b	36.08±4.69a	8.90±1.41b
	3 t	58.76±2.17a	35.04±2.32ab	11.20±0.19a
20~40	CK	35.64±1.56a	43.97±4.50b	20.40±5.63a
	1 t	37.22±2.82a	44.03±3.56b	18.75±1.49b
	2 t	38.74±0.44a	46.12±0.80a	15.14±0.43bc
	3 t	39.23±2.24a	42.55±2.87b	18.22±3.32b
40~60	CK	26.08±0.72a	56.59±5.05b	17.33±4.40a
	1 t	28.09±5.10a	53.41±1.03c	18.51±5.26a
	2 t	28.35±3.12a	53.58±3.64c	18.07±2.45a
	3 t	29.15±1.66a	58.38±2.58a	12.47±1.07b

3.3 土壤pH和电导率

图2（a）表明，盐碱土上施用不同量脱硫石膏处理均能显著降低土壤pH，在0~10 cm和10~20 cm土层中，随着脱硫石膏施用量的增加，土壤pH呈现先降低后增加的趋势（2 t<3 t<1 t），不同处理之间差异均显著，1 t、2 t和3 t处理土壤pH较CK均显著降低，脱硫石膏不同施用量对土壤pH的降低幅度总体表现为2 t>3 t>1 t，2 t处理土壤pH最低，显著低于其他处理，较CK降低了6.67%。由图2（b）可知，施用脱硫石膏处理土壤电导率均显著低于CK，随着脱硫石膏施用量的增加，土壤电导率呈现先降低后增加的趋势，在0~10 cm、10~20 cm和20~40 cm土层中，各处理之间差异均显著，2 t处理最低均显著低于其他处理；施用脱硫石膏后0~10 cm和10~20 cm土层土壤电导率与CK相比分别降低49.28% 、60.19%、84.27%和36.91%、39.18%、65.91%。脱硫石膏施用量为2 t·（667 m²）⁻¹对土壤pH和电导率降低效果优于施用1 t·（667 m²）⁻¹和3 t·（667 m²）⁻¹处理。

图2 脱硫石膏不同施用量对土壤pH、电导率的影响
Fig. 2 Effects of different application amount of FGD on soil pH and electric conductivity

3.4 土壤盐基离子

由图3（a）可知，脱硫石膏不同施用量会引起土壤盐基离子的变化，施用脱硫石膏后在0~10 cm、10~20 cm、20~40 cm土层土壤中Na⁺含量较CK均显著降低，0~10 cm和10~20 cm土层中，2 t、3 t处理之间差异不显著，但显著低于CK与1 t处理，1 t、2 t、3 t处理分别较CK降低了45.39%、62.19%、57.26%和51.26%、61.91%、66.16%，20~40 cm土层土壤中2 t处理与1 t处理之间无显著性差异，但显著低于3 t处理，各处理分别较CK降低了43.33%、47.63%和39.67%。脱硫石膏不同施用量施入土壤对Na⁺含量降低能力表现为2 t优于1 t和3 t处理。由图3（b）可知，在0~10 cm土层中，施入脱硫石膏能够降低土壤中K⁺含量，1 t和2 t处理之间无显著性差异，但显著低于3 t与CK处理；在10~20 cm土层中，各处理间K⁺含量差异均不显著(P >0.05)；20~40 cm土层中，1 t、3 t处理与CK之间差异均不显著，但显著低于2 t处理。由图3（c）可知，施加脱硫石膏后土壤中Ca²⁺的含量整体上较CK增加显著，在0~10 cm和20~40 cm土层中，各处理之间差异均显著，且随着脱硫石膏施用量的增加呈现出递增的趋势；10~20 cm土层中，1 t处理与CK之间差异不显著，2 t与3 t处理之间差异也不显著，但显著高于CK与1 t处理。由图3（d）可知，0~10 cm土层中，1 t、2 t处理土壤Mg²⁺含量之间差异不显著，但显著低于CK和3 t处理，3 t处理最高；在10~20 cm、20~40 cm和40~60 cm土层中，土壤Mg²⁺含量整体上表现为施用脱硫石膏处理显著低于CK，且随着脱硫石膏施入量增加呈现出递减的趋势。总体来看脱硫石膏施用量为2 t·(667 m²)⁻¹时对土壤盐基离子改良效果较明显。

图3 脱硫石膏不同施用量对土壤盐基离子的影响
Fig. 3 Effects of different application amount of FGD gypsum on soil ion

3.5 作物产量

由表2可知，施用脱硫石膏可显著增加小麦的产量，但对穗数、千粒重和穗粒数的影响不显著。施用脱硫石膏增大小麦千粒重，脱硫石膏施用量为2 t·(667 m²)⁻¹时千粒重最高，处理1 t较CK增加不显著，处理2 t、处理3 t分别较CK增加了15.72%和6.31%；施加脱硫石膏对小麦产量影响比较显著，随着脱硫石膏施用量的增加，小麦产量呈现先增加后下降的趋势，处理1 t、处理2 t和处理3 t小麦产量分别较CK增加了13.36%、16.71%和14.18%。整体上，脱硫石膏施用量为2 t·(667 m²)⁻¹对小麦的增产效果优于1 t和3 t。

表2 脱硫石膏不同施用量对小麦产量的影响
Table 2 Effects of different application amount of FGD gypsum on wheat yield

表2 脱硫石膏不同施用量对小麦产量的影响
**Table 2** Effects of different application amount of FGD gypsum on wheat yield
处理组	穗粒数	千粒重/g	穗数/(个·hm⁻²)	产量/(kg·hm⁻²)
CK	30±0a	38.67±0.73a	4 084 995±49 498a	3 995.24±176.01c
1 t	32±0a	38.53±1.25a	4 075 005±49 498a	4 259.10±150.23b
2 t	31±2a	44.75±4.52a	3 945 000±7 071b	4 662.81±125.45a
3 t	32±4a	41.11±2.06a	4 095 000±49 498a	4 561.77±239.20ab

4 讨论

本研究表明脱硫石膏在改良碱性土壤的过程中可显著降低土壤容重、pH和电导率，增加土壤孔隙度和土壤中大团聚体的数量，提高作物的产量。这是因为通过石膏溶解产生Ca²⁺能够代换土壤胶体上的Na⁺，带入土壤的Ca²⁺，降低了土壤胶体表面由于电荷相互排斥而产生的电位势，从而降低黏土的分散性和增加土壤的渗透性，促进土壤胶体由于相互吸附而凝聚，有利于土壤团粒结构形成，改善作物根系的生长环境，从而促进作物的生长发育^[18-19]；而置换出的Na⁺便溶于水并随水排出，使土壤达到洗盐的目的^[20]。同时Ca²⁺被置换后，剩下的SO₄²⁻是属于强酸根，还能起到中和碱的作用，也使得土壤pH降低，有效防止脱盐过程中土壤的碱化作用^[21]。

本研究在分析脱硫石膏最佳施用量过程中对比实验测得的各项指标，在实际生产中采用相同灌溉水平，当脱硫石膏从2 t·(667 m²)⁻¹增加至3 t·(667 m²)⁻¹时，虽能够降低土壤容重，但土壤中盐基离子含量上升，土壤电导率上升，脱硫石膏对盐碱土壤的改良效果并不与其施入量成正比^[22-23]。土壤pH和土壤碱化度是影响作物生长的关键指标，也是反应土壤碱化性质的重要指标。对土壤pH的影响，施用脱硫石膏改良碱化土壤可以有效降低土壤pH，但pH降低值并未与脱硫石膏施用量的增加呈显著正相关关系，施用脱硫石膏能使Ca²⁺、Na⁺迅速发生置换反应，代换出的Na⁺被淋洗到底层，降低土壤pH，这与罗成科等^[24]利用脱硫石膏改良中度苏打盐渍土施用量的研究结果相一致。本研究中Na⁺含量与脱硫石膏施用量并不为正相关关系，而是呈现一个先降低后增加的趋势，这是由于高施用量脱硫石膏能增加离子代换速率，增加改良效果^[16]，但是随着置换反应的进行，土壤体系中的Na₂SO₄不断增多，并开始抑制石膏的溶解^[25]，随着石膏施用量的进一步增加，脱钠的边际效益增加很小，脱硫石膏对盐碱土的脱钠率并不取决于掺入盐碱土中的石膏量，而是取决于土壤中原有的交换性钠总量^[26]。

本研究中土壤施加脱硫石膏后可提高小麦产量，这是由于土壤中增加的钙元素会促进作物的正常生长和发育^[27]，且随着施用量的增加，小麦产量呈现先增加后降低的趋势，过量的脱硫石膏(3 t·(667 m²)⁻¹)相对于2 t·(667 m²)⁻¹处理抑制了小麦生长，这可能是由于施用烟气脱硫石膏虽然能降低土壤碱化度（ESP），但过量施用会导致土壤盐分过量积累，以致土壤含盐浓度超过植物正常的耐受力而影响植物生长^[28]。脱硫石膏施用量为2 t·(667 m²)⁻¹，较3 t·(667 m²)⁻¹和1 t·(667 m²)⁻¹更有利于小麦增产和土壤理化性质改良效果，肖国举等^[29]通过对宁夏西大滩碱化土壤进行脱硫石膏改良碱化土壤种植水稻的施用量研究认为，脱硫石膏施用量为2.8~3.1 kg·m⁻²时（约为1.9~2.1 t·(667 m²)⁻¹）对重度碱化土壤的改良效果最好，最有利于水稻的生长发育；许清涛等^[30]通过盆栽种植玉米对脱硫石膏改良碱化土壤的施用量研究也表明，脱硫石膏施用量为30 t·hm⁻²时（约为2 t·(667 m²)⁻¹），对重度盐碱土的改良效果最好，最有利于玉米的出苗和生长发育。

5 结论

1)通过对土壤理化性质的变化情况分析可知，盐碱土壤施入脱硫石膏后能降低土壤容重且增加土壤孔隙度，增加土壤中大团聚体的数量，降低土壤pH和土壤盐基离子。

2)土壤中施加脱硫石膏可提高小麦产量，处理2 t、3 t对小麦的增产效果优于1 t，脱硫石膏施用量为2 t·(667 m²)⁻¹对小麦产量增加效果较好。

3)脱硫石膏施入土壤从脱硫石膏对盐碱地理化性状改良效果和投入成本综合考虑，脱硫石膏施用量为2 t·(667 m²)⁻¹较3 t·(667 m²)⁻¹和1 t·(667 m²)⁻¹更适宜运用到实际生产。

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