陳小華，錢曉雍，李小平，張 輝，胡雙慶，賀 坤，李 靜

?

脫硫石膏對土壤磷流失的阻控效應及機制試驗

陳小華1，錢曉雍1，李小平2，張 輝1，胡雙慶1，賀 坤2，李 靜3

（1. 上海市環(huán)境科學研究院，上海 200233；2. 華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室，上海 200062； 3. 東華大學環(huán)境科學與工程學院，上海 201620）

研究脫硫石膏（flue-gas desulfurization gypsum，F(xiàn)GDG）對土壤磷流失的阻控效果，既有利于開拓FGDG資源化利用新途徑，又有助于豐富農(nóng)業(yè)面源磷流失控制工程技術。借助土柱淋溶試驗和人工邊坡降雨侵蝕模擬試驗，針對上海某火電廠的FGDG，系統(tǒng)研究不同質(zhì)量配比（0、1%、2.5%和5%）的FGDG對農(nóng)田土壤的固磷效果及機理。結(jié)果表明：1）FGDG的Ca2+將溶解態(tài)P轉(zhuǎn)化成難溶態(tài)P，并將土壤無機磷中的Ca2-P、Al-P轉(zhuǎn)化成Ca8-P和Ca10-P，有效控制溶解態(tài)磷（total dissolved phosphorus，TDP）直接流失，與對照組相比，施加FGDG對淋洗土柱TDP流失的阻控率達到92.8%～94.8%，而添加FGDG的各處理間無顯著差異（>0.05）；2）添加FGDG后，土壤的滲透性能和抗侵蝕能力極顯著提高（<0.05），1%～5%的FGDG可使土柱滲透性能提升近10倍，添加FGDG的各處理組間無顯著差異（>0.05），1%FGDG對坡面徑流量的最大削減率為37.5%，對土壤侵蝕（泥沙流失）的最大削減率為59.5%，有利于控制泥沙結(jié)合態(tài)磷的流失；3）各FGDG處理對土柱中總磷（total phosphorus，TP）流失的阻控率為23.6%～79.5%，且隨著配比增加而上升，與對照組相比，1%FGDG對人工邊坡土壤TP流失的阻控率為61.5%。土壤流失的TDP量占流失TP的比例只有0.6%～6.1%，反映出改善土壤滲透性能、削減地表徑流沖刷是FGDG控制P流失的主要機制，而Ca與P之間的沉淀反應屬于從屬機制。

土壤；磷；徑流；脫硫石膏；土壤滲透性能；磷流失；阻控

0 引 言

中國地表水體的富營養(yǎng)化問題日益嚴重，而磷是引起水體富營養(yǎng)化的最重要因子之一[1-2]。隨著點源污染得到有效控制，磷從土壤向水體和沉積物遷移是水體富營養(yǎng)化的重要過程[3-4]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)施加的磷絕大部分積累于土壤中，通過地表徑流、土壤侵蝕、淋溶等途徑逐漸向水體遷移[5-6]，因此控制土壤中的磷流失一直是農(nóng)業(yè)面源污染治理和富營養(yǎng)化控制的重要措施，農(nóng)業(yè)生態(tài)學家和湖泊學家在不斷探索新的土壤控磷方法[7-10]。

工業(yè)生產(chǎn)中脫硫產(chǎn)生的固體廢棄物-脫硫石膏（flue gas desulfurization gypsum，F(xiàn)GDG），其主要成分為CaSO4·2H2O，并富含大量微量和常量營養(yǎng)元素。隨著煙氣脫硫石膏產(chǎn)品品質(zhì)的提高，生態(tài)安全性達到農(nóng)用要求且不增加土壤重金屬含量[11]，被逐漸使用到農(nóng)業(yè)領域。美國2012年1年就產(chǎn)生2300萬t的FGDG，且還在逐年上升[12]，每年大約有47%得到有效利用，其中5%～10%的FGDG被應用于農(nóng)業(yè)土壤改良[13-14]，農(nóng)用途徑主要是鹽堿土改良和作為肥料施用。目前，中國每年排放近億噸FGDG，越來越多FGDG作為土壤改良劑使用，近年在新疆[15]、上海[16-17]等地開展了FGDG改良鹽堿土的試驗研究及工程示范，有些研究重點關注FGDG對土壤養(yǎng)分及農(nóng)作物生長的影響[18-20]。

隨著農(nóng)業(yè)面源引起的水體富營養(yǎng)化問題日益突出，F(xiàn)GDG作為農(nóng)業(yè)面源的控磷方法開始受到廣泛關注，在畜禽糞便的P流失控制[21-22]、吸附土壤中過量磷肥[23-24]、土壤侵蝕控制[25]等方面做了嘗試性研究。現(xiàn)有的相關研究重點關注FGDG的固P效果，而在固P機理方面缺乏系統(tǒng)研究。因此，本研究選用上海某火電廠的FGDG，借助土柱淋洗試驗和斜坡降雨侵蝕模擬試驗，從物理和化學角度探討不同質(zhì)量配比FGDG 固磷的效果及機理，以期豐富中國農(nóng)業(yè)面源磷流失控制的理論及工程技術，為富營養(yǎng)化控制做出貢獻。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤取自上海市崇明東灘（121°57￠20″E，31°31￠25″N），屬砂質(zhì)粉土（粒徑≥0.075 mm的顆粒含量超過總質(zhì)量的50%，且粒徑≤0.005 mm的顆粒含量低于總質(zhì)量的10%），容重1.2 g/cm3，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為2.1%，偏弱堿性（pH值=8.5），全磷（total phosphorus，TP）質(zhì)量分數(shù)為605 mg/kg。脫硫石膏來自上海某燃煤電廠，呈淺棕色粉末狀，粒徑0.04 mm左右，pH值7.98，主要成分CaSO4·2H2O占總質(zhì)量的94%，CaCO3占3.4%，CaSO3·1/2H2O占0.75%，其他成分占1.85%，TP質(zhì)量分數(shù)為9.5 mg/kg（遠低于土壤TP含量）。試驗前，土壤樣品充分風干、磨碎，并過孔徑2 mm標準篩。石膏粉末樣品在85 ℃下烘干30 min，去除游離水，便于與土壤充分混勻。

1.2 試驗裝置與方法

本研究涉及2種試驗裝置：土柱淋洗裝置和人工邊坡徑流試驗裝置。土柱淋洗裝置采用壁厚2 mm、內(nèi)徑34 mm的有機玻璃管制作，高度45 cm，管下端離管底3 cm高處焊接5 mm厚的過濾板（其上鋪置多層玻璃纖維網(wǎng)），過濾板下部為1個高3 cm的淋洗液儲存區(qū)，最后出水通過橡膠管流入收液瓶，供測試分析（圖1）。參照FGDG改良土壤的常用適宜配比（FGDG添加量過高會增加土壤中的全鹽量，影響植物生長）[16-17,25-26]，設置了4種質(zhì)量配比（FGDG占總質(zhì)量的0，1%，2.5%及5%），將預先完全混勻后的土壤樣和FGDG裝入對應的土柱裝置中，填充高度30 cm，單個土柱用土約320 g。每種質(zhì)量配比處理組分別作3個重復。在土柱上端連續(xù)注入去離子水，以模擬自然降雨，持續(xù)收集淋溶液，測定液體的體積、溶解態(tài)磷（total dissolved phosphorus，TDP），并每天記錄收集淋溶液的時間，待淋溶液中TDP濃度趨于穩(wěn)定后試驗結(jié)束。

注：FGDG，脫硫石膏；下同。

依據(jù)室內(nèi)土柱淋溶試驗測定結(jié)果，選取石膏用量最少且效果接近最佳的1種質(zhì)量配比開展人工斜坡坡徑流試驗，裝置采用8 mm厚有機玻璃板制作，坡角接近15°，邊坡長度80 cm，寬度15 cm，邊坡裝置四邊有擋板，邊坡尾端安裝坡面徑流收集槽，并通過硅膠管接入收液瓶。按照2種配比方式（不添加FGDG和添加1%FGDG）將預處理好的土壤樣品和FGDG均勻混合后，裝入邊坡裝置，鋪置厚度約15 cm，單個裝置用土約22 kg，形成仿自然的土坡。邊坡上方布置簡易的人工降雨器，對坡面進行均勻“降雨”，模擬降雨量以五年一遇的暴雨強度（58 mm/h），每3～5 d模擬1次降雨，每次收集坡面徑流，測定收集液的體積、含沙量以及TDP濃度，直到最后2次收集液的TDP含量穩(wěn)定后結(jié)束試驗。每次試驗從裝置末端收集坡面徑流，測定徑流的總體積、固體懸浮物（suspended solid，SS）含量以及總磷含量。所有試驗結(jié)束后，對各處理進行土壤混合取樣，測定土壤全磷含量。

1.3 測試指標與方法

土柱的淋洗液和邊坡徑流水樣（懸浮物含量很高）首先要離心（10 000 r/min）2 min，取上清液采用鉬酸銨分光光度法[27]測定溶解態(tài)磷。土柱淋洗后土壤無機磷采用“石灰性土壤無機磷測定方法”[28]：連續(xù)使用NaHCO3、NH4AC、NH4F、NaOH-Na2CO3、檸檬酸鈉、H2SO4提取土壤中無機磷各組分：Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P、閉蓄態(tài)P（O-P）和Ca10-P。土柱淋洗試驗前、后和邊坡模擬降雨試驗前、后，均對土壤取混合樣，采用HClO4-H2SO4消解方法和鉬酸銨分光光度法[29]測定全磷含量。人工邊坡的徑流收集液中固體懸浮物采用重量法[30]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

土柱滲透性能按平均每小時收集的淋溶液體積表示（mL/h）；坡面產(chǎn)流系數(shù)為邊坡裝置末端收集的坡面徑流量與模擬降雨量的比值（＜1）；坡面泥沙流失量為徑流中的固體懸浮物含量與收集徑流體積的乘積；坡面TDP流失量為徑流中的TDP濃度與收集徑流體積的乘積。

采用Origin Pro 8.5軟件進行數(shù)據(jù)處理和作圖，采用SPSS 17.0 軟件進行統(tǒng)計分析，基于Duncan法檢驗各處理間的顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同F(xiàn)GDG處理土柱的滲透性能及固磷效果

2.1.1 土柱滲透性能比較

在土柱淋洗過程中，比較摻入不同質(zhì)量配比FGDG的土柱滲透性能，未添加FGDG的對照組平均出水速率最低僅為1.58 mL/h，而添加1%至5% FGDG的土柱平均出水速率為14.4～15.2 mL/h，為對照組的近10倍（圖2），說明FGDG的施入能顯著改善土壤的滲透能力，但FGDG各處理間無顯著差異（>0.05），說明添加1%的FGDG就能使土柱的滲透能力接近最大。而添加5% FGDG的出水速率反而略低于1%和2.5%處理，這是因為摻入過量的FGDG粉末不能進一步提升土壤滲透性能，粉末可能反而會對土壤局部孔隙造成一定的堵塞。

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著（P<0.05）；下同。

2.1.2 淋溶液中總磷累積量及淋洗后土壤P變化

不同處理組淋溶液中的TDP累積量可反映不同配比的FGDG與土壤P的相互結(jié)合程度。淋溶液中TDP含量越少，則石膏對土壤磷流失的阻控效果越好。與對照組相比，施加FGDG的土柱淋溶液中TDP累積量極顯著降低（=0.001）（表1），F(xiàn)GDG對土壤的TDP流失阻控率高達92.8%～94.8%。添加FGDG土柱的P排出量隨著FGDG配比增加而緩慢下降，質(zhì)量配比從1%提高至5%，淋溶液TDP累積量從85.7下降至62.2g，降低幅度為27.1%，說明FGDG添加量為1%時，土壤P的淋溶流失即接近最高，隨著FGDG添加量進一步加大，控P的邊際效益逐步減小。

表1 不同F(xiàn)GDG質(zhì)量配比土柱淋出液中溶解態(tài)磷累積量與淋洗后土壤總磷含量

注：TDP，溶解態(tài)磷；TP，總磷；下同。

Note: TDP, total dissolved phosphorus; TP, total phosphorus. The same below.

測定各處理組淋洗前、后的土壤TP含量，隨FGDG質(zhì)量配比從0增加至5%，淋洗后土壤TP質(zhì)量分數(shù)由544.1上升至562.8 mg/kg（表1）。依據(jù)淋洗前、后土壤TP濃度差值及土壤質(zhì)量（320 g），計算出配比0、1%、2.5%及5%土柱的磷流失總量分別為19.5、14.9、12.6和4.0 mg。與對照組相比，1%、2.5%及5%FGDG對P流失的阻控率分別為23.6%、35.4%和79.5%。

各處理組淋溶液中的TDP累積量占流失的TP總量比例只有0.6%～6.1%，說明流失的P主要是泥沙顆粒結(jié)合態(tài)P，而不是溶解態(tài)P。

2.1.3 淋洗后土壤無機磷組分的變化

分析FGDG與各種無機磷形態(tài)的相互作用對探討脫硫石膏固P機理與效果具有重要意義。對各處理土柱完成淋洗后的土壤無機磷進行分析，可知無機磷組分以Ca10-P、O-P和Fe-P為主，占總量的85%，而Ca2-P、Ca8-P和Al-P的比例相對較少。隨著FGDG配比增加，Ca2-P和Al-P含量顯著下降（<0.05），Ca8-P含量相應上升，F(xiàn)e-P、O-P和Ca10-P的含量在處理間均沒有顯著差異（>0.05）（圖3）。說明添加FGDG（鈣鹽）會將溶解態(tài)Ca2-P和Al-P轉(zhuǎn)化成微溶或難溶的Ca8-P和Ca10-P，減少P的淋溶流失，但這種轉(zhuǎn)化量占土壤全磷含量的比例很低，在統(tǒng)計上未能體現(xiàn)出Ca10-P含量的變化。

圖3 不同F(xiàn)GDG質(zhì)量配比土壤無機磷各組分含量

2.2 人工斜坡的土壤抗侵蝕性能及固磷效果

2.2.1 坡面產(chǎn)流及泥沙流失控制

依據(jù)室內(nèi)土柱淋洗試驗中1%配比組的石膏用量最少且土壤滲透性能改善接近最佳的結(jié)果，開展0和1%FGDG配比組的邊坡降雨模擬試驗。在實施的5次模擬降雨試驗中，除第5次模擬降雨外，1%FGDG邊坡的坡面徑流產(chǎn)流系數(shù)均顯著低于對照組（<0.05）（圖4a），說明脫硫石膏顯著提升了土壤的滲透性能。與對照組相比，計算得出1%FGDG對坡面徑流的削減率為6.0%～37.5%，降低坡面徑流沖刷強度。隨著模擬次序的推移，坡面產(chǎn)流系數(shù)都是先升后降，這是由于試驗初期整個土體的含水率持續(xù)增加，產(chǎn)流系數(shù)就相應上升，而在最后2次試驗中土體在干濕交替的情況下出現(xiàn)裂縫，坡面產(chǎn)流系數(shù)出現(xiàn)下降。

圖4 5次模擬降雨人工邊坡坡面產(chǎn)流系數(shù)與泥沙流失量

1%FGDG邊坡的泥沙流失量除第1次模擬降雨外，均顯著低于對照組（<0.05）（圖4b），說明FGDG在削減坡面徑流的基礎上可有效控制土壤侵蝕。與對照組相比，計算得出1%FGDG對土壤侵蝕的有效控制率為7.5%～59.5%。隨著模擬次序的推移，對照和1%FGDG的泥沙流失量均呈逐漸下降趨勢，這與多次模擬降雨后土壤團粒結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定有關。

2.2.2 坡面徑流總磷排出量及試驗后土壤全磷含量

分析坡面徑流P流失情況，前3次模擬試驗中對照組徑流出水的TDP濃度超出1%FGDG處理組17.8%～47.0%，最后2次試驗兩者坡面徑流TDP濃度基本持平（圖5a）。前3次試驗的TDP流失量也是最高的，1%FGDG處理組5次試驗累積TDP流失量平均為286.7g，而對照組TDP流失累積量平均為527.0g（圖5b），添加1%FGDG對土壤TDP流失的有效控制率可達到45.6%。

圖5 5次模擬降雨人工邊坡坡面徑流中TDP濃度與流失量

測定降雨前和結(jié)束后的土壤TP含量，對照組和1%FGDG處理組降雨結(jié)束后土壤TP含量平均值分別為586.8和592.6 mg/kg，均低于降雨前的TP濃度，但對照組降雨前、后的TP差值明顯高于1%FGDG配比的試驗組（圖6），說明FGDG將更多的P固定在邊坡土壤中。依據(jù)降雨前、后土壤TP含量差值及土壤質(zhì)量（22 kg），計算出對照組、1%FGDG邊坡的磷流失總量分別為364.0和140.1 mg。與對照組相比，1%FGDG對邊坡土壤TP流失的阻控率為61.5%，高于對TDP流失的有效控制率45.6%。

對照邊坡和添加1%FGDG邊坡TDP流失總量分別只占各自TP流失總量的比例小于0.2%，說明邊坡流失的P絕大部分是泥沙顆粒結(jié)合態(tài)，但這個比值遠低于土柱淋洗試驗中的TDP流失量與TP流失量的比值。

3 討 論

土壤中的P向地表水體遷移是推動湖庫富營養(yǎng)化的重要因素。FGDG主要成分是CaSO4·2H2O，摻入土壤后會增加土中的Ca2+，Ca2+通過將土壤中部分溶解度更高、活性更強的P形態(tài)轉(zhuǎn)化為溶解度更低、更穩(wěn)定的P形態(tài)，限制了P的遷移，實現(xiàn)土壤固P效應[23,31-32]。本研究與其他相關研究[33-34]均表明Ca2+對土壤中溶解態(tài)磷酸鹽（TDP）進行吸收與沉淀，首先生成二鈣磷化合物（Ca2-P），隨著時間推移，土壤中的Ca2-P會轉(zhuǎn)變?yōu)镃a8-P和Ca10-P。本次土柱淋洗試驗中添加FGDG對土壤TDP流失阻控率高達92.8%～94.8%，斜坡試驗中1%FGDG對土壤TDP流失的有效阻控率為45.6%。Stout等[35]研究發(fā)現(xiàn)1%質(zhì)量配比的FGDG可使農(nóng)田土壤中的TDP濃度下降大約50%。Murphy等[36]研究發(fā)現(xiàn)加入FGDG的土壤可減少14%～56%的TDP向水體中遷移。Torbert等[37]通過添加FGDG使土壤中TDP的流失量最大可削減61%。不同研究得到的FGDG對TDP的實際控制率存在差異，這與土壤TDP含量、FGDG添加量、過水水量、水力停留時間（反應時間）密切相關[22]。隨著FGDG施加量增加，其溶解液中所溶出的Ca2+量越多，可結(jié)合更多的TDP，但具體需要施用多少量的FGDG，還取決于土壤中TDP的含量[37]。本研究表明1%配比FGDG對TDP削減量接近最大（表1），說明1%配比FGDG溶出的Ca2+量就足以滿足固定試驗土壤中絕大部分TDP的需要。本次土柱試驗的水力停留時間長于斜坡降雨模擬試驗，前者有利于FGDG的Ca2+與TDP之間沉淀反應更加充分，對土壤TDP流失的阻控率高于后者（92.8%～94.8% vs. 45.6%）。由于Ca2+對土壤中TDP的固定效應，添加FGDG后的土壤中有效磷一般會有所降低[18]，但新生成的Ca8-P可作為潛在磷源，成為Ca2-P的有效補充，因此土壤有效磷的降低和無機磷組分磷酸鈣鹽的增加在一定范圍內(nèi)并不影響植物對P素的吸收[20]，添加適量FGDG可提高農(nóng)作物的出苗率、果實千粒質(zhì)量、產(chǎn)量等[26,38]。在農(nóng)田面源污染控制中，應根據(jù)土壤中的TP、TDP實際含量來決定FGDG的施用量，既滿足農(nóng)作物生長對有效磷的基本需要，又最大限度控制P的流失。

土壤中的P從形態(tài)上分為溶解態(tài)P和顆粒態(tài)P，溶解態(tài)P的流失是由降雨滲透淋溶作用引起，顆粒態(tài)P是因降雨沖刷或地表徑流搬運產(chǎn)生，后者往往是土壤P的主要流失形態(tài)[39]，但溶解態(tài)P對水體中的藻類生物量爆發(fā)起到更加直接的作用。本研究結(jié)果顯示TDP流失累積量占TP流失總量的比例很低，邊坡試驗的TDP/TP比值和土柱淋洗試驗的TDP/TP比值分別為0.15%和0.6%～6.1%，說明流失的P主要是泥沙顆粒結(jié)合態(tài)P。因此，F(xiàn)GDG固P的機理除了Ca與P的沉淀反應，還能有效控制泥沙結(jié)合態(tài)P流失。

土柱淋洗試驗和人工斜坡試驗都證明施入FGDG能明顯改善土壤滲透性能，這主要是因為帶負電荷的土壤膠體遇上FGDG溶出的帶正電荷的Ca2+，可發(fā)生膠體的凝聚，改善土壤的團粒結(jié)構(gòu)，提升導水能力[40]。其中，土柱試驗顯示添加FGDG的土柱滲透性能達到對照組的近10倍。施用FGDG可重新分配土壤入滲流與徑流的數(shù)量關系，隨著入滲流增加，人工斜坡地表徑流產(chǎn)生量和泥沙流失量相應得到削減，徑流對表土沖刷效應會增加泥沙結(jié)合態(tài)P的流失。流失TDP與流失TP的比值很低說明削減地表徑流沖刷才是FGDG控制磷流失的最重要機制，而Ca與P的沉淀反應屬于輔助機制。

4 結(jié) 論

采用土柱淋溶試驗和人工邊坡降雨侵蝕模擬試驗，針對上海某火電廠的脫硫石膏（FGDG），系統(tǒng)研究不同質(zhì)量配比（0、1%、2.5%和5%）的FGDG對農(nóng)田土壤的固P效果及機理。得到如下結(jié)論：

1）FGDG的Ca2+通過將土壤中活性強的P形態(tài)（Ca2-P、Al-P）轉(zhuǎn)化為性質(zhì)更穩(wěn)定的P形態(tài)（Ca8-P、Ca10-P），有效控制土壤中溶解態(tài)P的直接流失。與對照組相比，施加FGDG對土柱溶解態(tài)P流失的阻控率達到92.8%～94.8%，各處理組間無顯著差異（>0.05）。

2）FGDG顯著提高土壤的滲透性能和抗侵蝕能力，添加了FGDG的土柱滲透性能提升近10倍。 FGDG對人工邊坡徑流量的最大削減率達到37.5%，對坡面泥沙流失的最大削減率為59.5%，有效控制了土壤侵蝕所引起的P流失。

3）淋洗土柱和人工邊坡所流失的溶解態(tài)P量占流失總P量的比例很低，流失的P主要是泥沙顆粒結(jié)合態(tài)P。提升土壤滲透性能和削減地表徑流沖刷作用是FGDG控制土壤P流失的主要機制，而Ca與溶解態(tài)P之間的沉淀反應屬于從屬機制。

[1] Schindler D W. The dilemma of controlling cultural eutrophication of lakes[J]. Proceedings of the Royal Society B Biological Sciences, 2012, 279(1746): 4322－4333.

[2] 司友斌，王慎強，陳懷滿. 農(nóng)田氮、磷的流失與水體富營養(yǎng)化[J]. 土壤，2000，32(4)：188－193.

Si Youbin, Wang Shenqiang, Chen huaiman. Water eutrophication and losses of nitrogen and phosphates in farmland[J]. Soils, 2000, 32(4): 188－193.

[3] 陳英旭. 氮磷在農(nóng)田土壤中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及其對水環(huán)境質(zhì)量的影響[M]. 北京：科學出版社，2012：1－10.

[4] 區(qū)惠平，周柳強，黃美福，等. 不同施磷量下稻田土壤磷素平衡及其潛在環(huán)境風險評估[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學報，2016，22(1)：40－47. Ou Huiping, Zhou Liuqiang, Huang Meifu, et al. Phosphorus balance in paddy soils and its environmental effect under different phosphorus application rates[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2016, 22(1): 40－47.(in Chinese with English abstract)

[5] 盛海君，夏小燕，楊麗琴，等. 施磷對土壤速效磷含量及徑流磷組成的影響[J]. 生態(tài)學報，2004，24(12)：2837－2840. Sheng Haijun, Xia Xiaoyan, Yang Liqin, et al. Effects of phosphorus application on soil available P and different P form in runoff[J]. Acta Ecologica Sinica, 2004, 24(12): 2837－2840. (in Chinese with English abstract)

[6] 錢曉雍，沈根祥，黃麗華，等. 崇明東灘旱作農(nóng)田土壤磷素流失及其影響因素[J]. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學報，2010，26(4)：334－338. Qian Xiaoyong，Shen Genxiang，Huang Lihua，et al. Loss of soil phosphorus from rain-fed cropland and its affecting factors in Dongtan of Chongming[J]. Journal of Ecology and Rural Environment, 2010, 26(4): 334－338. (in Chinese with English abstract)

[7] 王道涵，梁成華. 農(nóng)業(yè)磷素流失途徑及控制方法研究進展[J]. 土壤與環(huán)境，2002，11(2)：183－188.Wang Daohan, Liang Chenghua. Transportation of agriculture phosphorus and control to reduce the phosphorus loss to water: A review[J]. Soil and Environmental Sciences, 2002, 11(2): 183－188. (in Chinese with English abstract)

[8] 吳電明，夏立忠，俞元春，等. 坡耕地氮磷流失及其控制技術研究進展[J].土壤，2009，41(6)：857－861.Wu Dianming, Xia Lizhong, Yu Yuanchun, et al. Reviews on mechanisms of nitrogen, phosphorus losses from sloping farmland and control techniques[J]. Soils, 2009, 41(6): 857－861. (in Chinese with English abstract)

[9] 李學平，鄒美玲. 農(nóng)田土壤磷素流失研究進展[J]. 中國農(nóng)學通報，2010，26(11)：173－177.Li Xueping, Zou Meiling. Advance of farmland soil phosphorus running off[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2010, 26(11): 173－177.(in Chinese with English abstract)

[10] 姬紅利，顏蓉，李運東，等. 施用土壤改良劑對磷素流失的影響研究[J]. 土壤，2011，43(2)：203－209. Ji Hongli, Yan Rong, Li Yundong, et al. Effects of soil ameliorants on phosphorus loss[J]. Soils, 2011, 43(2): 203－209. (in Chinese with English abstract)

[11] 李彥，張峰舉，王淑娟，等.脫硫石膏改良堿化土壤對土壤重金屬環(huán)境的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科技導報，2010，12(6)：86－89.Li Yan, Zhang Fengju, Wang Shujuan, et al. Environmental impact on alkali soil amelioration using FGD gypsum[J]. Journal of Agricultural Science and Technology, 2010, 12(6): 86－89.(in Chinese with English abstract)

[12] USGS. Minerals commodity summaries[EB/OL]. 2013-01-22 [2013-08-22]. http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/ gypsum/mcs-2013-gypsu.pdf.

[13] American Coal Ash Association. Coal combustion products production and use statistics[EB/OL]. 2013-6-15[2013-07-05].http://acaa.affiniscape.com/displaycommon.cfm?an=1&subarticlenbr=3.

[14] Watts D B, Dick W A. Sustainable uses of FGD gypsum in agricultural systems: Introduction[J]. Journal of Environmental Quality, 2014, 43(1): 246－252.

[15] 李彥，衣懷峰，趙博，等. 燃煤煙氣脫硫石膏在新疆鹽堿土壤改良中的應用研究[J]. 生態(tài)環(huán)境學報，2010，19(7)：1682－1685. Li Yan, Yi Huaifeng, Zhao Bo, et al. Study on improving Xinjiang sodic soils amelioration with desulfurized gypsum[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2010, 19(7): 1682－1685. (in Chinese with English abstract)

[16] 程鏡潤，陳小華，劉振鴻，等. 脫硫石膏改良濱海鹽堿土的脫鹽過程與效果實驗研究[J]. 中國環(huán)境科學，2014，6(6)：1505－1513. Cheng Jingrun, Chen Xiaohua, Liu Zhenhong, et al. The experimental study on the process and effect to the FGD-gypsum as an improvement in coastal saline-alkali soil[J]. China Environmental Science, 2014, 6(6): 1505－1513. (in Chinese with English abstract)

[17] Li X P, Mao Y M, Liu X C. Flue gas desulfurization gypsum application for enhancing the desalination of reclaimed tidal lands[J]. Ecological Engineering, 2015, 82(9): 566－570.

[18] 李曉娜，張強，陳明昌，等. 不同改良劑對土壤有效磷的影響[J]. 水土保持學報，2005，1(19)：72－74.Li Xiaona, Zhang Qiang, Chen Mingchang, et al. Study on effect of using three soil conditioners to phosphorus validity of soda-alkali soil[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2005, 1(19): 72－74. (in Chinese with English abstract)

[19] 鄒璐，范秀華，孫兆軍，等. 鹽堿地施用脫硫石膏對土壤養(yǎng)分及油葵光合特性的影響[J]. 應用與環(huán)境生物學報，2012，18(4)：575－581. Zou Lu, Fan Xiuhua, Sun Zhaojun, et al. Effects of desulfurized gypsum addition on saline-alkali soil nutrients and photosynthetic characteristics of cultivated oil-sunflower[J]. Chinese Journal of Applied and Environmental Biology, 2012, 18(4): 575－581. (in Chinese with English abstract)

[20] 張峰舉，許興，肖國舉. 脫硫石膏改良對堿化土壤磷素營養(yǎng)的影響[J]. 西北農(nóng)業(yè)學報，2013，22(5)：151－156. Zhang Fengju, Xu Xing, Xiao Guoju. Influence of flue gas desulfurization gypsum on the availability of phosphorus in sodic soil[J]. Acta Agriculture Boreali-Occidentalis Sinica, 2013, 22(5): 151－156. (in Chinese with English abstract)

[21] Mishra A, Cabrera M L, Rema J A. Phosphorus fractions in poultry litter as affected by flue-gas desulphurization gypsum and litter stacking[J]. Soil Use and Management, 2012, 28(1): 27－34.

[22] Endale D M, Schomberg H, Fisher D S, et al. Flue gas desulfurization gypsum: Implication for runoff and nutrient losses associated with broiler litter use on pastures on Ultisols[J]. J Environ Qual, 2014, 43(1): 281－289.

[23] Lee C H, Lee Y B, Lee H, et al. Reducing phosphorus release from paddy soils by a fly ash-gypsum mixture[J]. Bioresource Technology, 2007, 98(10): 1980－1984.

[24] Kordlagharia M P, Rowellb D L. The role of gypsum in the reactions of phosphate with soils[J]. Geoderma, 2006, 132(1/2): 105－115.

[25] Schomberg H H, Fisher D S, Endale D M, et al. Evaluation of FGD-gypsum to improve forage production and reduce phosphorus losses from Piedmont soils[EB/OL]. 2011-01- 20[2011-05-09]. http://www.flyash.info/2011/148-Schomberg- 2011. pdf.

[26] 邢秀芹，張為華，于靜娟. 脫硫石膏的施用量對鹽堿地葵花生長的影響[J]. 鞍山師范學院學報，2013，15(2)：58－61. Xing Xiuqin, Zhang Weihua, Yu Jingjuan. Effects on growth of sunflower (L.) by application rates of desulfurized gypsum in amelioration of saline-alkali soil[J]. Journal of Anshan Normal University, 2013, 15(2): 58－61. (in Chinese with English abstract)

[27] 水質(zhì)總磷的測定鉬酸銨分光光度法：GB 11893-1989[S]. 北京：中國標準出版社，1989.

[28] 顧益初，蔣柏藩. 石灰性土壤無機磷分級的測定方法[J]. 土壤，1990，22(2)：101－102.

[29] 土壤全磷測定法：NY/T 88-1988[S]. 北京：中國標準出版社，1988.

[30] 水質(zhì)懸浮物的測定重量法：GB11901-1989[S]. 北京：中國標準出版社，1989.

[31] Kordlaghari M P, Rowell D L. The role of gypsum in the reactions of phosphate with soils[J]. Geoderma, 2006, 132(1): 105－115.

[32] Misra S M, Tiwari K N, Sai Prasad S V. Reclamation of alkali soils: Influence of amendments and leaching on transformation and availability of phosphorus[J]. Communications in Soil Science and Plant Analysis, 38(7): 1007－1028.

[33] 金亮，周健民，王火焰，等. 石灰性土壤肥際磷酸-鈣的轉(zhuǎn)化及肥料磷的遷移[J]. 土壤，2009，41(1)：72－78.Jin Liang, Zhou Jianmin, Wang Huoyan, et al. Transformation and translocation of fertilizer-P with monocalcium phosphate monohydrate application in fertisphere of calcareous soil[J]. Soils, 2009, 41(1): 72－78. (in Chinese with English abstract)

[34] Lindsay W L, Vlek P L G, Chien S H. Phosphate minerals[C]// Dixon J B, Weed S B. Minerals in soil environment (2nd ed.). Soil Science Society of America, Madison, WI, USA, 1989: 1089－1130.

[35] Stout W L, Sharpley A N, Gburek W J, et al. Reducing phosphorus export from croplands with FBC fly ash and FGD gypsum[J]. Fuel, 1999, 78(2): 175－178.

[36] Murphy P N, Stevens R J. Lime and gypsum as source measures to decrease phosphorus loss from soils to water[J]. Water Air and Soil Pollution, 2010, 212(1): 101－111.

[37] Torbert H A, Watts D B. Impact of flue gas desulfurization gypsum application on water quality in a Coastal Plain soil[J]. J Environ Qual, 2014, 43(1): 273－280.

[38] 陳永偉，馬琨，胡景田，等. 脫硫廢棄物改良鹽堿地對水稻生長發(fā)育及土壤的影響[J]. 寧夏大學學報：自然科學版，2011，32(3)：288－292.Chen Yongwei, Ma Kun, Hu Jingtian, et al. Effect of desulphurization waste on rice growing development and soil[J]. Journal of Ningxia University: Natural Science Edition, 2011, 32(3): 288－292. (in Chinese with English abstract)

[39] Sharpley A N, Smith S J, Jones O R, et al. The transport of bioavailable phosphorus in agricultural runoff[J]. Journal of Environmental Quality, 1992, 21(1): 30－35.

[40] Chen L, Dick W A. Gypsum as an agricultural amendment: Generaluse guidelines[EB/OL]. 2012-12-24[2013-01-04]. http://ohioline.osu.edu/b945/index.html

Inhibiting effects and mechanism experiment of flue-gas desulfurization gypsum on soil phosphorus loss

Chen Xiaohua1, Qian Xiaoyong1, Li Xiaoping2, Zhang Hui1, Hu Shuangqing1, He Kun2, Li Jing3

(1.200233,; 2.200062,; 3.201620,)

Increased phosphorus (P) losses from land to waterbody via runoff and drainage are one of the important factors causing eutrophication of surface waterbody. Flue gas desulfurization gypsum (FGDG) is a synthetic by-product generated from the flue gas desulfurization process in coal power plants. Due to the high Ca2+content of FGDG it can potentially be used to immobilize P in soils. To study the effects of FGDG on soil P losses, not only to open up a new way of FGDG resource utilization, but also to enrich engineering technologies for controlling agricultural non-point source P load. In this study, soil column leaching experiment and artificial soil slope & rainfall simulation experiment were conducted to examine the impact of FGDG which came from one of Shanghai coal-fired power plant, on the leaching and runoff P losses from coastal plains soil of Chongming East Headland, Shanghai. Four mass rates of FGDG (0, 1%, 2.5% and 5%) were applied to soil column and two mass rates of FGDG (0 and 1%) applied to artificial soil slope.The results indicated that: 1) Ca2+dissolved from FGDG transformed water-soluble P to insoluble P in soil, and turned Ca2-P, Al-P into Ca8-P and Ca10-P which were more inclined to fix in soil. Compared with the control group, the reduction rate of total dissolved phosphorus (TDP) loss of the soil columns applied with FGDG reached 92.8%-94.8%and there was no significant difference among three FGDG treatments (>0.05). 2) FGDG significantly improved soil permeability and anti-erosion ability (<0.05), 1%-5% FGDG made the saturated permeability of soil columns increase nearly 10 times, there was no significant difference among three FGDG treatments (>0.05). Compared with the non-FGDG slopes, 1% FGDG addition achieved the maximum runoff reduction rate of 37.5%, the maximum reduction rate of sediment loss of 59.5%. It was indicated that much adsorbed P on suspended sediment was prevented from migrating along with surface runoff. 3) The reduction rate of TP loss of soil columns with FGDG addition was 23.6%-79.5% and ascended as the adding amount of FGDG increased. Up to 61.5% more TP was held in slope soil with 1% FGDG addition than the non-FGDG treatment. The ratio of TDP loss accounted for TP loss was only 0.6%-6.1%, reflecting enhancement of soil permeability and reduction of surface runoff and sediment loss were the primary mechanisms of FGDG to control P loss from soil, and the deposition reaction of calcium and phosphoric acid belonged to subordinate P-fixing mechanism. When the mass ratio of FGDG was more than 1%, the effect of FGDG on reducing the loss of soil P was not significant (>0.05), which indicated that the effect of FGDG on soil P loss was also influenced by Ca2+dissolution efficiency of FGDG, the TDP content and soil particle physical characteristics and other factors together. On the whole, using FGDG to control phosphorous losses from soil can achieve both resource utilization of desulfurization solid waste and reduction of water eutrophication risk due to P transportation.

soils; phosphorus; runoff; flue-gas desulfurization gypsum; soil permeability; phosphorus loss; inhibiting

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.020

S156.4

A

1002-6819(2017)-03-0148-07

2016-08-10

2016-12-03

環(huán)保公益性行業(yè)科研專項項目（NO.201109023-2）。

陳小華，博士，高工，主要研究方向為水土環(huán)境污染治理及生態(tài)修復工程技術研究。上海上海市環(huán)境科學研究院，200233。 Email：shoutfar@aliyun.com

陳小華，錢曉雍，李小平，張 輝，胡雙慶，賀 坤，李 靜.脫硫石膏對土壤磷流失的阻控效應及機制試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2017，33(3)：148－154. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.020 http://www.tcsae.org

Chen Xiaohua, Qian Xiaoyong, Li Xiaoping, Zhang Hui, Hu Shuangqing, He Kun, Li Jing.Inhibiting effects and mechanism experiment of flue-gas desulfurization gypsum on soil phosphorus loss[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(3): 148－154. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.020 http://www.tcsae.org