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随着人口的增长、耕地大面积的减少、淡水资源匮乏的情况下,盐碱土作为我国潜在耕地的后备资源,存在巨大的开发潜力。而宁夏引黄灌区600多万亩土地中盐渍化面积达到了三分之一,严重影响和制约了宁夏农业的可持续发展。因此大面积改良利用盐碱地对于宁夏乃至我国农村经济持续健康发展、粮食安全、国土整治、生态环境保护等具有重要意义。
利用燃煤烟气脱硫废弃物(以下简称脱硫废弃物)改良盐碱地是过去十年间提出的一个新的改良方法,它的理论基础是利用石膏改良盐碱地的理论,已有上百年的历史。脱硫废弃物是燃煤电厂烟气脱硫后的副产物,主要成分是CaSO4·2H2O,为改良盐碱土壤提供了新的廉价的石膏来源,同时也为燃煤电厂找到脱硫副产物的出路,这是一项除弊兴利的环保循环经济项目。而宁夏也是国家“十五”计划纲要确定的发展大型坑口电厂的省区之一,但因此也带来年产300多万吨的脱硫废弃物。这些脱硫废弃物若能大面积用于盐碱地改良,将会对宁夏工农业循环经济的发展做出巨大贡献。
目前,国内外学者已在利用脱硫废弃物改良盐碱地方面取得了一些研究成果,这些研究成果或从土壤理化性质方面或从植物生长发育方面证实了脱硫废弃物对盐碱地改良的可行性。本研究选择在宁夏银北地区特有的龟裂碱上(俗称白僵土)和典型的盐化土壤,从脱硫废弃物施用后土壤和植物体内无机离子的变化入手,通过分析土壤理化性质和植物生长发育指标的变化,运用植物生理生态学理论进一步解释了脱硫废弃物施用对盐碱土壤的改良机理。
本文选取两种不同类型盐碱地,采用大田和盆栽相结合的方法,根据不同土壤本底条件设置了三组各5个不同脱硫废弃物施用量水平,选择两种植物(油葵和甜高粱),连续两年(2008-2009)在其苗期、现蕾期(拔节期)、成熟期,从土壤理化性质(土壤容重、pH值、全盐含量、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、CO32-、HCO3-、SO42-、CT-、P等无机离子浓度)和植物生长指标(出苗率、根系长度和体积、株高、产量)及生理生化指标(K+、Na+、Ca2+、Mg2+、S、P等无机离子含量、光合特性、细胞膜透性、渗透调节物质、抗氧化保护酶活性)入手,深入探讨了脱硫废弃物施用后对土壤及植物的影响,最后通过对土壤及植物各指标的数理统计,分析了在脱硫废弃物施用基础上的各措施对土壤和植物的影响效应。通过以上研究,对脱硫废弃物施用对盐碱土壤和植物的影响有了较为全面的认识,相关结果和结论丰富了利用脱硫废弃物改良盐碱地的基础理论。本研究主要结论归纳如下:
1、脱硫废弃物施用后并结合灌水洗盐,可有效降低盐碱土壤中的Na+浓度,被交换的Na+可用淋洗的方式排出土体,Na+的专性离子效应可大大消除。同时,脱硫废弃物施用后,盐碱土壤中Ca2+、Mg2+、S、P等浓度均呈显著上升,而K+浓度下降。
2、脱硫废弃物施用后可有效改善盐碱土的理化性状,改良后的土壤pH值、全盐含量、碱化度和容重均显著下降,土壤非毛管孔隙度显著上升,结果使土壤渗透性增强,改善了水分或气体在土壤中的运移。
3、通过相关性分析可知,土壤中Na+浓度与土壤容重、pH值呈显著正相关,而与土壤非毛管孔隙度呈显著负相关。因而土壤中Na+的减少是使土壤理化状况好转的主要原因。
4、施用脱硫废弃物后,显著提高了植物的抗逆性和生理生化机能,消除或减轻了因盐碱而引起的渗透胁迫。植物细胞膜透性、渗透调节物质的含量以及SOD的活性均降低(趋于正常),植物光合性能大幅提高,进而促进了植物的生长发育,植物的出苗率、根系长度和体积、株高、产量均大幅提高。
5、施用脱硫废弃物后,植物矿质营养亏缺状况得到改善,减轻或消除了因盐碱而引起的离子毒害。植物对Na+的吸收显著减少,增加了对K+、Ca2+、Mg2+、S和P等矿质元素的吸收。尤其是从对土壤理化性质和植物生长发育指标间的相关性分析中可看出,土壤P元素浓度与植物出苗率、光合性能、产量以及根系中K+、Ca2+的含量等指标均呈显著正相关,而与细胞膜透性呈显著负相关。因此研究认为,在脱硫废弃物施用后,土壤中的P元素起着重要作用。
6、通过以上结论可看出,脱硫废弃物对改良盐碱地具有多重性。脱硫废弃物施用后,不但改善了土壤理化性质,而且均衡了植物对矿质元素的吸收以及提高了植物的抗逆性,因此植物的生长发育得到显著促进。且此方法的改良效果是显著的,方法是切实可行的。
7、综合对比土壤理化性质和植物生理生化各指标的年际变化规律发现,多个指标均是在改良第一年的变化幅度大于第二年的。因此,本研究认为脱硫废弃物施用后的第一年是改良的关键年。
8、脱硫废弃物施用后,土壤(碱化土壤和盐化土壤)和植物(油葵和甜高粱)籽实中Hg、As、Pb、Cr和Cd等5种重金属元素含量均为超标(GB15618-1995、GB13078-2001和粮食卫生标准),这表明脱硫废弃物用于改良盐碱地是安全可靠的。
9、运用层次分析法和主成分分析法对不同改良因素对土壤和植物的影响效应分析可知,脱硫废弃物施用因素在碱化土壤上对土壤和植物的影响效应较大;灌水量因素在盐化土壤上对土壤和植物的影响效应较大。此外,在盐碱地上种植水稻对土壤和植物的影响较大,而种植油葵和枸杞则具有较好的经济收益。