不同固廢及其處理產(chǎn)物對黃驊港鹽堿土的改良效果

姚晶晶，馮象千，肖 賀，鄭 豫，張成梁*

(1.輕工業(yè)環(huán)境保護研究所，北京市科學(xué)技術(shù)研究院城市生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100095； 2.中電建路橋集團有限公司，北京 100044；3. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院生物質(zhì)工程中心，北京 100193)

土壤鹽堿化通過改變土壤理化性質(zhì)影響植物的生長發(fā)育，造成世界范圍內(nèi)突出的生態(tài)環(huán)境問題[1]。我國的鹽堿土面積占全國土地總面積的4.88%，蘊藏著巨大的改造和開發(fā)潛力[2-3]。常用的鹽堿地改良主要包括水利工程、物理、化學(xué)和生物等相結(jié)合的綜合改良措施，成本普遍較高，或存在技術(shù)要求高、效果不理想等缺點[4-5]。爐渣[6]、生物炭[7-9]、木醋液[10]、煤矸石[11-12]等可以用來進行土壤修復(fù)，但用于鹽堿地改良的研究較少。我國煤矸石年排放量達6億t以上[13]，其資源化利用率僅為30%[14]；農(nóng)林廢棄物年產(chǎn)量約14億t[15]，熱裂解生產(chǎn)熱解氣、生物炭、熱解油、醋液等逐漸成為其利用的主流方向[16-19]。2017年全國生活垃圾清運量約21 547.97萬t，僅北京地區(qū)焚燒產(chǎn)生的爐渣就高達85.68萬t[20-21]。將煤矸石、爐渣、生物炭和木醋液應(yīng)用于鹽堿地改良不僅能夠促進固廢消納，還對緩解日趨緊張的土地資源具有重要意義。

河北滄州渤海新區(qū)是京津冀城市群重要產(chǎn)業(yè)的支撐基地，但土壤鹽堿化嚴(yán)重，城市生態(tài)綠化舉步維艱?，F(xiàn)有的生態(tài)修復(fù)設(shè)計方案為“盲管排鹽+礫石隔層+客土+綠化種植”，購買客土不僅耗資巨大，還對土源地造成損害。為此，本研究在“盲管排鹽+礫石隔層”能夠有效降低地下水對上層種植土鹽分影響的基礎(chǔ)上，以促進固廢消納和土地資源保護及降低工程造價為目的，采用本地鹽堿土進行盆栽試驗，探究爐渣+煤矸石、生物炭與木醋液對土壤理化性質(zhì)及鹽地堿蓬生長的影響，為該地區(qū)的鹽堿地改良提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于河北省滄州渤海新區(qū)黃驊港(117°52′30″E，38°19′30″N)，屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，四季分明，陽光充足。多年平均氣溫12.5 ℃，多年平均降雨量627 mm，主要集中在6—8月。屬泥質(zhì)海岸，地勢低洼，平均高程約2 m，地下水埋深一般為0.5～2.0 m，土壤鹽堿化嚴(yán)重。2018年12月采集鹽堿土運至北京市昌平區(qū)輕工業(yè)環(huán)境保護研究所生態(tài)修復(fù)試驗基地，并測定土壤的基本理化性質(zhì)[22]，具體如下：pH為9.48±0.01，可溶性鹽總量(3.40±0.02)g/kg, 有機質(zhì)含量(3.76±0.25) g/kg，速效磷含量(5.52±0.02) mg/kg, 速效鉀含量(121.20±1.10) mg/kg,全氮含量(0.65±0.01) g/kg, 速效氮含量(27.66±1.67) mg/kg, 交換性鈉交換量(7.95±0.09) cmol/kg, 陽離子交換量(13.62±0.34) cmol/kg, 堿化度(58.43±1.69)%。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 試驗處理

2019年4—9月在輕工業(yè)環(huán)境保護研究所生態(tài)修復(fù)試驗基地進行鹽堿土改良試驗和盆栽試驗，試驗盆規(guī)格為20 cm×25 cm×20 cm(底部內(nèi)徑×頂部內(nèi)徑×高)。土樣風(fēng)干后碾碎過2 mm篩混合均勻，每盆裝入鹽堿土7 kg，填土容重為1.35 g/cm3，設(shè)置10種處理，每種處理5個重復(fù)(表1)。所選用的爐渣(pH為9.62，含有機質(zhì)含量為18.55 g/kg，速效氮含量為22.56 mg/kg，速效磷含量為108.03 mg/kg，速效鉀含量為2 257.35 mg/kg)取自北京生活垃圾焚燒產(chǎn)物，煤矸石(pH為6.58，有機質(zhì)含量158.66 g/kg，速效氮含量204.33 mg/kg，速效磷含量154.74 mg/kg，速效鉀含量227.91 mg/kg)來源于寧夏靈武羊場灣煤礦，木醋液(pH為2.62，密度為1.02 g/cm3，有機酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)15.52%)和生物炭(pH為9.13，有機質(zhì)含量900.39 g/kg，速效氮含量為161.16 mg/kg，速效磷含量為392.30 mg/kg，速效鉀含量為796.33 mg/kg)則來源于農(nóng)林廢棄物熱裂解產(chǎn)物。

表1 試驗處理方式

1.2.2 土壤改良試驗

2019年4月9日填裝完畢后，向每盆均勻噴灑500 mL水，其中爐渣、煤矸石和生物炭粉碎過2 mm篩后與土樣同時填裝入盆，木醋液則與水混合后均勻噴灑在表面。此后每周補施同樣劑量的改良劑，持續(xù)1個月，其中CK施同樣劑量的水。每次施用改良劑前，均將盆中的土全部倒出，重新混勻，并采集土樣測定土壤pH與可溶性鹽總量，然后再重新裝盆。

1.2.3 鹽地堿蓬種植試驗

2019年5月7日，向各處理盆中均勻噴灑500 mL水，將50粒鹽地堿蓬種子均勻撒播在每個盆中，并覆土1 cm左右。此后每天同一時間記錄種子的發(fā)芽數(shù)，連續(xù)觀察14 d。計算堿蓬種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)。同時，每周補水500 mL，至9月底生長季結(jié)束后收獲整盆植株，測定其生物量(干質(zhì)量)及每種處理的pH、可溶性鹽含量、交換性鈉、陽離子交換量、堿化度、有機質(zhì)、速效氮、速效磷和速效鉀含量，探究不同處理的改良效果。

1.3 指標(biāo)計算與數(shù)據(jù)處理

鹽地堿蓬萌發(fā)情況用發(fā)芽勢(Ge)、發(fā)芽率(Gr)和發(fā)芽指數(shù)(GI)[23]表示，堿化度(ESP)采用文獻[24]的方法進行計算，公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：G4為第4天的發(fā)芽種子數(shù)；G為試驗種子總數(shù)；Gt為t日內(nèi)發(fā)芽數(shù)；Dt為t日內(nèi)發(fā)芽天數(shù)。交換性鈉與陽離子交換量的單位均為cmol/kg。

采用SPSS 18.0軟件和Excel 2013進行數(shù)據(jù)分析與作圖。文中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 各處理對土壤鹽堿性狀的影響

2.1.1 土壤pH

土壤pH與土壤中的多項化學(xué)反應(yīng)密切相關(guān)[25]。各處理均能降低原始土壤的pH，但效果存在差異(圖1)。木醋液處理的pH均小于CK，且與施用濃度和施用次數(shù)呈反比。試驗結(jié)束后，V300、V100和V50處理的土壤pH較CK分別下降了3.48%、10.26%和11.71%。爐渣+煤矸石和生物炭處理的土壤pH總體上大于CK，雖然在第7天時顯著下降，但隨著施用量的增加又增大，且與施用次數(shù)關(guān)系不明顯，可見酸性物質(zhì)對降低土壤pH起到了立竿見影的效果。植物收獲后，各處理土壤pH較盆栽試驗前均存在一定程度的下降，但是下降幅度差異不大。

圖1 不同處理的土壤pHFig.1 Soil pH under different treatments

2.1.2 土壤可溶性鹽總量

鹽分含量的變化可以直接衡量鹽堿土的改良效果，本研究中各處理均可降低原始土壤的可溶性鹽總量，但是不同處理之間存在差異(圖2)。各處理的土壤可溶性鹽總量隨著施用次數(shù)的增加而減小，但是與施用量(濃度)呈正比。試驗進行第7天時，CK的可溶性鹽總量最高，但是隨著試驗的進行，其可溶性鹽總量變?yōu)樽畹?，可見爐渣+煤矸石、生物炭和木醋液均含有鹽分離子。試驗結(jié)束后，各處理土壤的可溶性鹽總量大小順序為：S100>V50>S50>C100>S10>C50>V100>C10>V300>CK，分別是CK的1.54、1.49、1.42、1.19、1.10、1.10、1.08、1.04和1.01倍，與pH的變化趨勢相似。植物收獲后各處理的可溶性鹽總量較盆栽試驗前均存在一定程度的下降。

圖2 不同處理的土壤可溶性鹽總量Fig.2 Total soluble salt under different treatments

2.1.3 土壤交換性鈉、陽離子交換量和堿化度

各處理總體上均可以在降低原始土壤交換性鈉離子含量的同時增加陽離子交換量，從而降低堿化度(圖3)。爐渣+煤矸石處理下土壤交換性鈉隨著施用量的增加逐漸減小，木醋液處理相反，生物炭則先增大后減小。其中，S10顯著高于CK，S50和S100與CK差異不顯著；C10、C100、V300和V100則顯著小于CK(P<0.05)，較CK分別下降了8.36%、17.29%、40.35%和13.54%，可見爐渣+煤矸石對土壤交換性鈉的降低作用最差，木醋液土壤中的V300最優(yōu)。雖然所有處理的土壤陽離子交換量均高于CK，但是只有生物炭處理對其提升作用最顯著(P<0.05)，其他處理與CK無顯著差異，且均與施用量(濃度)無明顯關(guān)系。各處理對土壤交換性鈉和陽離子交換量的不同作用導(dǎo)致堿化度的變化趨勢發(fā)生變化。爐渣+煤矸石處理的土壤堿化度隨著施用量的增加而減小，對堿化度的降低作用最差，只有S100顯著低于CK；木醋液處理相反，且V300和V100均顯著低于CK，其中V300在所有處理中具有最小堿化度，較CK下降了44.29%；生物炭處理對土壤堿化度的影響則呈先增大后減小的趨勢，其中C10和C100均顯著低于CK(P<0.05)。

同一指標(biāo)不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著。下同。Different lowercase letters for the same index indicate significant differences at the 0.05 level. The same below.圖3 不同處理對土壤交換性鈉、陽離子交換量和 堿化度的影響Fig.3 Effects of different treatments on soil exchangeable sodium, cation exchange capacity and alkalinity

2.2 各處理對土壤養(yǎng)分含量的影響

2.2.1 土壤有機質(zhì)

土壤有機質(zhì)不僅含有植物生長所需的營養(yǎng)元素和微生物賴以生存的能源，還能改善土壤結(jié)構(gòu)并調(diào)節(jié)土壤的水、氣、熱等條件[1]。在本研究中，各處理均可以提高土壤的有機質(zhì)含量，具體表現(xiàn)為爐渣+煤矸石>木醋液>生物炭>CK(P<0.05)，且前兩者有機質(zhì)含量隨著施用量(或濃度)的增高先增加后減小，而生物炭處理的土壤有機質(zhì)含量與施用量呈正比。除了C10，其他處理的土壤有機質(zhì)含量均顯著大于CK，其中S10、S50和S100的土壤有機質(zhì)含量分別是CK的4.22、4.75和4.35倍，而C100和 V100分別是CK的1.60和2.75倍(圖4)。

圖4 不同處理對土壤養(yǎng)分含量的影響Fig.4 Effects of different treatments on soil nutrients

2.2.2 土壤速效養(yǎng)分含量

植物生長與土壤速效氮、速效磷、速效鉀等速效養(yǎng)分息息相關(guān)[1]。本研究中各處理均可增加土壤的速效養(yǎng)分含量，但是對不同養(yǎng)分的影響程度不同(圖4)。速效氮含量總體上表現(xiàn)為爐渣+煤矸石>木醋液>生物炭>CK，其中S50、S100和V100處理效果顯著高于CK(P<0.05)，分別是CK的1.25、1.45和1.31倍，但三者之間差異不顯著。速效磷含量總體上表現(xiàn)為生物炭>爐渣+煤矸石>木醋液>CK，而且隨著爐渣+煤矸石和生物炭施用量的增加而顯著增加；對于木醋液，隨著施用濃度的增加土壤速效磷含量呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(P<0.05)。速效鉀含量隨著生物炭施用量和木醋液施用濃度的增加逐漸增加，隨著爐渣+煤矸石施用量的增加先減小后增加。C100處理的土壤速效磷和速效鉀含量均具有最大值，分別為10.12 mg/kg和120.59 mg/kg，分別是CK的1.99和1.18倍。

2.3 各處理對鹽地堿蓬農(nóng)藝性狀的影響

鹽地堿蓬的農(nóng)藝性狀受影響程度總體上表現(xiàn)為爐渣+煤矸石>生物炭>木醋液>CK(表2)。對于爐渣+煤矸石，各處理植物發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和生物量均隨著其施用量的增加先增加后減小，且基本上均顯著大于CK(P<0.05)；其中S50處理的以上指標(biāo)在各處理中具有最大值，分別是CK的1.97、1.45、1.58和2.09倍。對于生物炭，植物發(fā)芽勢隨著施用量的增加先減小后增大，生物量相反，發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)則呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，且發(fā)芽率受生物炭施用量影響最顯著(P<0.05)。對于木醋液，植物發(fā)芽勢隨著施用濃度的增加而增大，發(fā)芽指數(shù)和生物量相反，發(fā)芽率則先減小后增大；其中V300處理的發(fā)芽勢雖然小于V100和V50，但該處理的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和生物量顯著高于后兩者。

表2 不同處理下鹽地堿蓬的農(nóng)藝性狀

3 討 論

土壤鹽堿化不僅會產(chǎn)生滲透脅迫和離子毒害，還會固化土壤中的營養(yǎng)元素，嚴(yán)重影響植物的生長[26-27]。鹽堿地改良不僅要降低土壤pH和鹽分離子[3, 28]，改善土壤養(yǎng)分狀況[5,29-30]，還應(yīng)該因地制宜地選擇耐鹽植物種[31]。鹽地堿蓬是我國北方最普遍、分布最廣的鹽生植物[32]，適合作為黃驊港泥質(zhì)海岸植被修復(fù)的草本植物。

3.1 土壤鹽堿性狀對固廢及其處理產(chǎn)物的響應(yīng)

木醋液能夠有效降低鹽堿土的pH，與張亞蘭等[33]的研究結(jié)果相符，可能原因是木醋液的主要有機成分為有機酸。雖然較高的pH導(dǎo)致土壤營養(yǎng)元素固化，影響植物生長[27]，但是在本研究中木醋液顯著降低土壤pH的同時鹽地堿蓬生長情況卻不如其他處理，說明單純降低pH并不能有效促進黃驊港地區(qū)堿蓬的生長，與張曉東等[34]濱海鹽堿地研究結(jié)果相同，這可能與爐渣、煤矸石和生物炭不僅含有植物生長的營養(yǎng)元素，還可以改善土壤的孔隙狀況有關(guān)[6, 10]。

研究發(fā)現(xiàn)木醋液進入土壤后能夠促進碳酸鹽溶解[35]，本研究中各處理的可溶性鹽總量雖然低于原始土樣，但是均高于對照組，且與施用量(濃度)呈正比，并隨著施用次數(shù)的增加而減小，可能是因為一方面爐渣、煤矸石、生物炭和木醋液自身離子含量高于對照組(澆水)，另一方面三者在一定程度上影響了土壤中鹽分或養(yǎng)分離子的溶解性。

鈉離子是鹽堿土主要的鹽害離子，陽離子交換量與土壤保肥能力和緩沖能力呈一定的正相關(guān)關(guān)系[1,25,31]，各處理均可以在降低交換性鈉的同時增加陽離子交換量，從而降低堿化度。爐渣和煤矸石含有鉀、鈉、鈣、鎂、鋅、硅等離子[12,20]，且以無機狀態(tài)存在，與生物炭和木醋液等有機物相比，可以同時快速增加鈉離子和陽離子交換量。生物炭可以改善土壤的陽離子交換量，從而提高土壤的保肥能力，其改善程度受電導(dǎo)率、pH及其在土壤中的氧化程度等多種因素影響[16,36]。因此，在本研究中，爐渣+煤矸石處理下土壤的交換性鈉含量最高，生物炭則表現(xiàn)為較高的陽離子交換量，進而影響堿化度，使?fàn)t渣+煤矸石處理的土壤堿化度整體上處在較高的水平；但是受改良劑施用量(濃度)及其在土壤中氧化程度等因素的影響，各處理交換性鈉、陽離子交換量和堿化度呈現(xiàn)較復(fù)雜的變化特征。

3.2 土壤養(yǎng)分狀況對固廢及其處理產(chǎn)物的響應(yīng)

研究表明，爐渣[6]、煤矸石[12]、木醋液[30, 32]和生物炭[8]均可以提高土壤中有機質(zhì)含量。在本研究中，爐渣+煤矸石的有機質(zhì)含量遠低于生物炭，但是改良后各處理土壤有機質(zhì)含量表現(xiàn)為爐渣+煤矸石>木醋液>生物炭>CK(P<0.05)，可能是微生物活動和鹽地堿蓬枯落物共同作用的結(jié)果。

植物的生長不僅受土壤鹽堿度的影響，還是多種養(yǎng)分綜合作用的結(jié)果。王純等[6]發(fā)現(xiàn)鐵爐渣可以顯著增加土壤的速效氮和速效磷含量；而煤矸石則可以顯著提高土壤的有效氮、有效磷和有效鉀含量[12]，因此爐渣+煤矸石對三者均有顯著的增加作用。周紅娟等[37]發(fā)現(xiàn)木醋液可以在一定程度上提高土壤的有效磷、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量，勾芒芒等[8]則發(fā)現(xiàn)生物炭可以同時增加土壤的速效氮、速效磷和速效鉀含量，與本研究的結(jié)果相符。在本研究中，原始土樣僅速效氮含量大于爐渣，改良劑的添加一方面直接給鹽地堿蓬提供速效養(yǎng)分，還可以促進養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化，從而出現(xiàn)復(fù)雜的養(yǎng)分變化情況(圖4)。V300雖然具有最低的土壤pH、可溶性鹽總量、交換性鈉離子和堿化度，但是土壤養(yǎng)分狀況和堿蓬的農(nóng)藝性狀整體處于較低水平，可能是因為V300的養(yǎng)分供應(yīng)能力較弱。S50的速效養(yǎng)分雖然不及S100，但是有機質(zhì)含量最高，結(jié)合最好的農(nóng)藝性狀，可知有機質(zhì)的增加對鹽地堿蓬種子的萌發(fā)與生長具有較強的促進作用。

總之，爐渣+煤矸石、木醋液以及生物炭對黃驊港鹽堿地的改良試驗證明，各處理均能降低原始土壤的pH、可溶性鹽總量和堿化度，同時提高土壤養(yǎng)分含量，且不同處理之間存在差異。木醋液雖然對pH、可溶性鹽總量和堿化度的降低效果最顯著，但對土壤養(yǎng)分與鹽地堿蓬生長的改善效果較弱；而爐渣+煤矸石的降鹽效果雖然最弱，其有機質(zhì)含量顯著高于其他處理(P<0.05)，鹽地堿蓬生長狀況也最優(yōu)，其最佳施用量為50 g/盆(S50)；生物炭對土壤改良和鹽地堿蓬生長的作用居中。因此，施加爐渣和煤矸石更有利于改善研究區(qū)土壤養(yǎng)分狀況，進而促進鹽地堿蓬生長，研究結(jié)果可為渤海灣黃驊港鹽堿地改良提供一定的技術(shù)參考。