粉煤灰场复垦地肥力状况及对土壤理化性质的影响

摘要：选择安徽省淮南市上窑镇粉煤灰处置场覆土复垦地为研究区域，测定覆土厚度和土壤剖面各层的容重、pH、含水量、有机质等理化性质，土壤总氮、有效磷、速效钾等养分含量，以及冬小麦抽穗期的生物量，研究粉煤灰处置场复垦土壤理化性质及其与土壤养分的相关性，不同覆土厚度复垦地冬小麦生长的差异性。结果表明，粉煤灰场复垦地土壤总氮含量约0.90 g/kg，有效磷和速效钾含量分别为12～76 mg/kg、114～135 mg/kg，土壤肥力与作物生长状况和自然农业土壤相比差异不显著；除复垦土壤厚度、容重、含水量对有效磷含量影响显著外，其余土壤养分与土壤理化性质和表土厚度的相关性不强。

关键词：复垦土壤；养分；理化性质；表土厚度；粉煤灰场

中图分类号：TD88 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）06-1273-04

粉煤灰作为燃煤电厂排放的主要固体废弃物之一，其排放量将在较长时期内保持逐年增长的趋势[1，2]。同时，由于粉煤灰具有特殊的物理化学性质，在农业上较多地作为改良剂来改善极端条件土壤的理化性质，提升土壤肥力，保证作物产量[3-5]，同时粉煤灰用于生产水泥和混凝土等建筑工程材料的比例也不断得到提高。尽管如此，粉煤灰的综合利用率近年来仍然不足60%[1]，尚有大量粉煤灰堆积在粉煤灰处置场中，不仅压占土地，而且形成的扬尘也会给周围大气和土壤环境带来污染[6]。

由于历史原因，用粉煤灰作为基质充填重构煤矿塌陷区，或者直接在粉煤灰处置场覆土复垦用于农业种植的工程实践在我国很多矿区大量存在[7，8]。已有研究表明好的复垦模式加上合理的培肥措施，粉煤灰复垦地的农作物产量能够得到保证[9]。目前，对于复垦土壤的研究主要集中于理化性质和养分的时空变异特征[7，9-11]，而较少地关注不同覆土厚度的肥力状况差异及与土壤理化性质的关系。因此，对其进行研究，可为粉煤灰处置场复垦地田间管理提供理论指导和技术支持。

1 研究区概况

研究地点位于安徽省淮南市上窑镇（图1），地处安徽省中北部的淮河南岸，属亚热带季风气候，年均气温16.9 ℃，年均日照时间2 181 h，年均降雨量915 mm，年均水面蒸发量790.1 mm。降雨主要集中在夏季，梅雨期较短，约为20 d。试验小区为上窑粉煤灰处置场，是淮南洛河电厂和田家庵电厂粉煤灰的原集中处置地，占地共约3.1 km2。

上窑粉煤灰处置场早些年已经覆土复垦用作建筑用地和农业种植。农作物主要以大豆和小麦轮作为主，粉煤灰层的厚度为5 m以上。由于机械施工及原农田地形的影响，试验地块的覆土厚度不均匀，较厚处为1 m以上，较薄处仅25 cm左右。研究期间试验小区的种植作物为冬小麦。

2 材料与方法

2.1 采样点设置

通过钻孔探测，试验区的表土厚度为25～105 cm，且表现出一定的区域空间特征，即可将覆土复垦地划分为若干个独立的不同表土厚度采样点。因此，确定采样点前人为地将表土分为4个厚度，即0～40 cm（A）、40～55 cm（B）、55～70 cm（C）、70～100 cm（D），然后根据划分厚度在试验点中进行钻孔筛选，筛选出表土各个厚度的采样点，每个小区面积为100 cm×100 cm。同时每一表土厚度选择3个重复采样点，共12个采样点，分别编号为A1、A2、A3，B1、B2、B3，C1、C2、C3和D1、D2、D3（图1）。

2.2 采样方法

每个采样点均进行3种类型的土壤样品采集。首先开挖土壤剖面，用铝盒和100 cm3环刀采集表层土（0～7 cm）、中层土（表层土与粉煤灰层之间）和底层粉煤灰（粉煤灰层10～20 cm深处）样品，用作含水量和容重分析。然后应用上述剖面采样法分别采集不同深度土壤混合样于聚乙烯袋中，带回实验室用作pH和有机质的分析。再次，采集每个采样点耕作层的土壤混合样于聚乙烯袋中，带回实验室用作全氮、速效钾和有效磷的测试。同时应用收获法采集小麦根上部植株样品，以测定小麦的生物量。采样时间为2011年5月。

2.3 测定方法

样品的含水量与容重以105 ℃烘干24 h后称重计算获得。pH的测定采用酸度计法，有机质含量采用重铬酸钾氧化法测得。土壤全氮含量的测定采用凯氏定氮仪法，速效钾含量测定采用火焰分光光度计法，应用离子色谱仪测定有效磷的含量。小麦生物量以80 ℃烘干24 h后称重计算获得。

3 结果与分析

3.1 土壤理化性质空间特征

粉煤灰场覆土复垦地土壤因充填基质和表土的性质迥异，土壤剖面结构层状明显（表1）。由于耕作活动，表层土的容重较小，且因表层腐殖质累积，有机质含量较高，均大于20 g/kg。相对来说，中层土的容重、含水量和pH均高于表层土，有机质含量则明显低于表层土，而粉煤灰层的有机质含量仍然很低，可能是由于试验区覆土复垦的时间虽然较长，但作物根系未能深入粉煤灰层，有机质含量增加缓慢，并且粉煤灰层依然表现出低容重、高含水量和高pH的理化特征。

从不同覆土厚度的采样小区分析结果来看，表土厚度对土壤理化性质的影响不明显。当表土厚度较薄时（

3.2 土壤理化性质与肥力状况的相关分析

用各采样点中层土混合样的分析数据为基础，分别以土壤的容重、含水量、pH和有机质含量为自变量，养分含量（全氮、有效磷、速效钾）为因变量，进行土壤理化性质与养分的相关分析，研究复垦地土壤肥力状况与理化性质的关系。

由分析结果可知，土壤中有效磷的含量与容重、含水量的相关系数分别为0.593、-0.593，呈显著相关（r0.05=0.553），复垦土壤的容重越大，有效磷含量越高；含水量越大，有效磷含量越低。pH和有机质含量与土壤有效磷含量的相关不显著，且全氮、速效钾与土壤理化性质的相关亦不显著。这一现象说明两个问题：一是研究分析的样本数偏少，可能影响复垦土壤肥力状况与理化性质的相关性；二是粉煤灰层的特殊理化性质未能有效影响表土理化性质和肥力状况，氮、磷、钾含量的空间分布特征不明显。

3.3 覆土厚度对土壤肥力状况的影响

粉煤灰场复垦地土壤全氮含量为0.90 g/kg左右，有效磷含量为12～76 mg/kg，速效钾含量为114～135 mg/kg，小麦生物量为0.45～0.85 kg/m2。采样前，试验区内小麦种植无追肥等田间管理行为，试验数据与自然农业土壤相比无显著差异。

对比4个水平的覆土厚度，粉煤灰场复垦地土壤全氮和速效钾含量无显著差异。覆土厚度为A、B水平（即

4 结论

1）试验区的粉煤灰场复垦地土壤全氮含量约0.90 g/kg，有效磷和速效钾含量分别为12～76 mg/kg、114～135 mg/kg；小麦抽穗期的生物量为0.45～0.85 kg/m2。与自然农业土壤相比，土壤肥力和作物生长状况无显著差异。

2）粉煤灰复垦地表层土容重较小，有机质含量较高，而粉煤灰层依然表现出低容重、高含水量和高pH的理化性质。粉煤灰层对上覆土壤理化性质空间特征的影响不明显。不同表土厚度土壤理化性质无显著差异。

3）粉煤灰场复垦土壤中，除有效磷含量与容重、含水量呈显著相关外，其余土壤养分与理化性质的相关性不强。复垦地覆土厚度对土壤全氮和速效钾的含量影响不显著，但对有效磷的含量影响较大，当覆土较薄时（0～40 cm）时，土壤有效磷含量显著高于覆土较厚的土壤。

致谢：德国奥斯纳布吕克应用技术大学土壤学课题组E. Weiss和B. Marx等在试验与数据处理工作上给予了帮助，在此表示感谢。

参考文献：

[1] CAO D Z， SELIC E， JAN HERBELL D. Utilization of fly ash from coal-fired power plants in China[J]. Journal of Zhejiang University -Science A，2008，9（5）：681-687.

[2] 陈孝杨，严家平，ANLAUF R.粉煤灰和砂壤土混合后水力学特征参数的试验研究[J].煤炭工程，2012（9）：101-103.

[3] PANDEY V C， SINGH N. Impact of fly ash incorporation in soil systems[J]. Agriculture， Ecosystems and Environment，2010， 136：16-27.

[4] 徐金芳，杨 洋，常智慧，等.粉煤灰农业利用的研究进展[J].湖北农业科学，2011，50（23）：4771-4774.

[5] 刘 莉，杨 尽，苏小丽.粉煤灰在土壤改良中的机理研究[J].安徽农业科学，2010，38（31）：17512-17513，17525.

[6] 崔龙鹏，刘培陶，白建峰，等.淮南粉煤灰处置场周围土壤中若干金属污染调查[J]. 土壤通报，2008，39（3）：660-664.

[7] 胡振琪，戚家忠，司继涛.粉煤灰充填复垦土壤理化性状研究[J]. 煤炭学报，2002，27（6）：639-643.

[8] 王煜琴，李新举，胡振琪，等.煤矿区复垦土壤压实时空变异特性[J].农业工程学报，2009，25（5）：223-227.

[9] 丁青坡，王秋兵，魏忠义，等.抚顺矿区不同复垦年限土壤的养分及有机碳特性研究[J].土壤通报，2007，38（2）：262-267.

[10] 张乃明，武雪萍，谷晓滨，等.矿区复垦土壤养分变化趋势研究[J].土壤通报，2003，34（1）：58-60.

[11] 于君宝，王金达，刘景双，等.矿山复垦土壤营养元素时空变化研究[J].土壤学报，2002，39（5）：750-753.