受電石渣污染土壤的適宜改良劑研究①

程衛國

(1.沈陽環境科學研究院 遼寧沈陽 110167；2.遼寧省城市生態重點實驗室 遼寧沈陽 110167)

1 引言

截至2018年末，我國聚氯乙烯的總產能已經達到2404萬噸，總產量約1874萬t。目前制備氯乙烯單體的方法主要有電石乙炔法和石油乙烯氧氯化法兩種，我國聚氯乙烯產能約80%依賴于電石法裝置[1]，采用該工藝生產聚氯乙烯過程中產生大量電石渣，我國電石渣存量已達到數千萬噸[2]。電石渣屬于高濕度、高堿性的固體廢渣，在進行回收利用時主要是將其作為低附加值的水泥原料[3]，但回收率很低（約10%）。我國東北地區某聚氯乙烯生產企業將生產過程中產生的電石渣堆放在租用的荒地上，堆放時間為15年，雖然后來企業對電石渣進行了清理，但長期堆放對土壤造成了影響，導致土壤pH值明顯升高（＞11），各農藝指標較周邊土壤有所下降。

目前針對鹽堿地土壤改良劑的研究很多，也形成了很多不同類型的改良劑產品[4]，其中包括天然改良劑[5]、人工改良劑[6-7]和生物改良劑[8]等，但這些已有研究主要是針對天然鹽堿地土壤（pH值在8.0～9.0之間），對于受堿性固體廢物影響的高pH值低營養型土壤的適用性較差[9-11]。本研究針對受電石渣污染土壤，為使其恢復利用功能，開發了一種適宜于pH值明顯高于一般天然鹽堿地土壤的酸性營養型改良劑。

2 材料和方法

2.1 供試土壤

試驗土壤在某聚氯乙烯生產企業的電石渣堆放場地采集，采樣土壤為電石渣清理后的表層土壤（0～0.5m）。本次共在3個不同區域內分別采集了3組土壤樣品，并將其混為1組混合土壤樣品，兩組供試土壤pH值和各項農藝指標如表1所示。

從原土和受污染土壤的檢測結果來看，污染土壤的pH值升高明顯，鈣含量大大提升，有機質、有效磷和速效鉀等營養成分下降明顯，陽離子交換量低于10cmol(+)/kg，難以滿足作物正常生長需要。

2.2 試驗材料

根據本次試驗的受試土壤理化性質，試驗目的是降低受試土壤pH值，恢復受污染土壤營養水平。因此在選擇改良劑時主要考慮三個方面因素：（1）改良劑要呈現酸性（pH值小于5.0），但不能存在其他有害成分；（2）改良劑各項營養指標明顯高于當地黑土；（3）改良劑要具有一定的黏性，利于對營養成分和水分的保持。

表1 試驗土壤的基本理化性質

表2 試驗設計方案

表3 樣品測試結果

基于以上原則，單一材料很難滿足各項改良劑理化性質，本次試驗采用多種改良劑混合后的酸性營養型綜合改良劑作為試驗材料，此次選擇的材料包括：木醋液、草甸土、雞糞土和小顆粒膨潤土。

2.3 試驗設計

試驗前對土壤樣品進行了簡單的過篩處理，按照不同改良劑的添加比例，共設計了6組試驗，同時設計1組空白組試驗。

每組試驗準備好200g待試土壤，然后根據比例調制好6組改良劑，并將改良劑與待試土壤充分混合并攪拌均勻，加水養護10d，在養護期間保持土壤含水率在60%以上。養護結束后，對6組樣品的相關指標進行檢測，包括pH、有機質、電導率、陽離子交換量、有效磷和速效鉀等。

在確定各改良劑的添加比例時，主要考慮了待試土壤和各改良劑的理化性質，結合土壤改良成本，分析在成本可控的基礎上，能夠達到土壤改良效果的最大改良劑添加比例，并在此基礎上調整不同改良劑的添加量，以期達到效果/成本最大化。

3 結果與討論

3.1 樣品測試結果

對空白組和6個試驗組養護10d之后的樣品進行了檢測，檢測指標包括pH、有機質、電導率、陽離子交換量（CEC）、有效磷和速效鉀，檢測結果如表3所示。

3.2 測試結果討論

3.2.1 改良劑對pH和電導率的影響

（1）土壤pH。

從樣品測試結果可以看出，施加改良劑后，各試驗組土壤pH值均有明顯降低，說明本次選用的改良劑，尤其是其中含有的木醋液成分對降低土壤pH值有明顯作用。隨著木醋液的添加比例增加，土壤pH值整體上逐漸降低，其中S5試驗組改良效果最明顯，土壤pH從原來的11.65降低到8.03，降幅達到30%以上；S6試驗組的木醋液添加量為4%，但土壤pH降幅并沒有S5試驗組大，主要是由于S5試驗組的草甸土和雞糞土添加比較高于S6試驗組，而這兩種改良劑也呈現酸性，對土壤pH的改良也具有一定效果。

（2）土壤電導率。

在試驗組中，土壤電導率相比對照組下降十分明顯，說明本次選用的改良劑對于土壤鹽分的抑制作用明顯，除改良劑起到的作用外，對土壤的養護過程也起到了關鍵作用，S0對照組在經過養護后的電導率下降也十分明顯（從6244·cm-1下降到4878·cm-1）；相對來說，草甸土和雞糞土添加含量高，土壤電導率下降更為明顯。

3.2.2 改良劑對營養指標的影響

（1）土壤有機質。

土壤有機質(SOM)是表征土壤肥力和質量的重要指標，是植物營養的主要來源之一，也是陸地生態系統中碳循環的重要源與匯。較高的SOM含量能夠促進植物的生長發育，明顯改善土壤質量，并促進微生物和其他土壤生物的活動，促使土壤中各種營養元素的分解，并大大提高土壤的保肥性。本次通過在受污染土壤中添加改良劑，使原土壤有機質含量大大提升，其中S5組試驗的有機質含量提升近5倍，其次為S4組試驗。從各不同改良劑原料添加情況來看，對土壤有機質提升起主要作用的為雞糞土和草甸土，兩種物質的添加量越高，有機質提升越明顯。

（2）土壤有效磷含量。

磷是影響作物生長和農產品質量的重要指標之一，土壤中磷含量保持在較高水平是農作物高產優質的重要基礎。土壤中磷素的豐缺狀況，表征了土壤肥力水平的高低，而土壤有效磷是作物在生長過程中從土壤中獲得磷養分資源的最重要途徑。在本次所選取的受電石渣污染土壤中，磷元素虧缺嚴重，有效磷含量約11.78mg/kg，處于較低水平，會影響作物生長，但磷素的累積則可能會影響到其他元素的的生物有效性，造成營養元素供應失衡，甚至引起土壤肥力退化。因此，需要通過在受污染土壤中添加改良劑使得土壤有效磷控制在合理范圍內，同時結合日常耕作過程中磷肥的施加，保證作物正常生長需要。本次所選用的改良劑對土壤有效磷含量增加有一定的促進作用，添加改良劑的試驗組土壤有效磷含量均提升至20mg/kg以上，起主要作用的成分仍然是雞糞土和草甸土。

（3）土壤速效鉀。

鉀元素是參與植物生物化學過程并貫穿整個生命周期不可或缺的營養元素，對作物健康乃至農業穩產具有重要意義。很大程度上，土壤中原始速效鉀含量是由基巖和母質決定的，人為因素也同樣會影響速效鉀的分布和土壤中鉀元素的供輸平衡，例如施用鉀肥等。本次所選取的受電石渣污染土壤在長期電石渣的淋濾作用下，土壤中鉀元素含量流失明顯，速效鉀含量低于80mg/kg，在添加改良劑之后，速效鉀含量明顯提升，在162-256mg/kg之間，依據全國二次土壤普查土壤肥力分級標準判斷其土壤肥力處于中上等水平，基本能夠滿足當地玉米作物的生長需要。

3.2.3 改良劑對CEC的影響

土壤陽離子交換量(CEC)是土壤膠體和土壤肥料的重要特征之一，是土壤物理、化學性質的綜合體現，它直接反映土壤保蓄、供應和緩沖陽離子養分的能力。土壤中CEC處于較低水平時，土壤保持養分的能力大大降低，對于作物生長也會有很大影響。本次所選取的受電石渣污染土壤在養護完成后的CEC含量僅為5.05 cmol(+)/kg，已經不能滿足作物生長需要。影響CEC值變化的因素包括土壤pH值、土壤黏粒含量和有機質含量等，本次對受污染土壤的改良包括降低pH值（加入木醋液），提高土壤黏粒含量（加入膨潤土）和提升有機質含量（加入雞糞土和草甸土）等。試驗組土壤CEC值均明顯提升，且都達到了10 cmol(+)/kg以上，其中S5試驗組提升至15.79 cmol(+)/kg，達到中上等水平，能夠滿足作物生長需要。

4 結論

（1）我國電石渣存量已達到數千萬噸，很多企業的電石渣被直接露天堆放，導致堆放地土壤受到污染，主要表現為pH值升高和營養流失。

（2）目前針對天然鹽堿地土壤（pH值在8.0～9.0之間）的改良劑研究很多，但對于受堿性固體廢物影響的高pH值低營養型土壤的適用性較差。本研究針對受電石渣污染，堿性明顯增強（pH值大于11.0），營養嚴重流失的土壤，開發了一種由幾種物質按照不同比例混合而成的酸性營養型改良劑。

（3）通過試驗組和對照組的試驗研究，改良劑的添加可明顯降低土壤pH值和電導率，提升有機質、有效磷和速效鉀含量，并使土壤CEC值明顯提高。

（4）以S5組試驗（木醋液3%、草甸土和雞糞土4%、膨潤土2%）的效果最為明顯，pH值由11.65降至8.03，電導率由4878·cm-1降到了174.7·cm-1，有機質含量從4.51g/kg提升至21.1g/kg，有效磷含量由11.75mg/kg提升到25.82mg/kg，速效鉀含量從79.11mg/kg提高到256.1mg/kg，CEC值從5.05cmol(+)/kg提升到15.79cmol(+)/kg，各項土壤指標均可以滿足當地玉米作物的正常生長需要。