盐碱地在我国分布广泛，各类盐碱地总面积近百万平方公里^[1]。土壤盐碱化会抑制植物生长，降低光合速率，导致离子毒害、营养水分亏缺、代谢紊乱，甚至死亡^[2-3]。盐胁迫被认为是限制盐碱土地有效利用的重要因素。脱硫石膏是随烟气脱硫技术的使用而产生的脱硫副产物，含有植物所需要的矿物质元素硫(S)和钙(Ca)，其溶解后的钙离子与土壤中的碱性物质反应，能代换出土壤中的钠^[4-5]。柠檬酸渣是生产柠檬酸过程中排出的残渣^[6]，主要成分是CaSO₄，还含有锌(Zn)、锰(Mn)等微量元素。粉煤灰是随着我国能源工业的迅速发展，由燃煤热电厂排放的大量固体粉状残渣。近年来，关于含钙废弃物改良盐碱土研究多集中在单一含钙材料脱硫石膏改良盐碱土作用，而对其他含钙材料(粉煤灰、柠檬酸渣等)改良盐碱土以及不同材料间改良效果对比、植物的反馈响应等方面研究较少。另外，当前脱硫石膏、柠檬酸渣和粉煤灰大量产生和堆积，给国民经济和生态环境造成巨大压力，而其主要成分都含有CaSO₄或CaSO₃等，可用于盐碱地改良。鉴于此，笔者将含钙废弃物资源化利用与盐碱地改良相结合，通过条件控制法，分别将脱硫石膏、柠檬酸渣和粉煤灰施用于盐碱土盆栽的胡枝子(Lespedeza bicolor Turcz.)，跟踪并测定土壤理化性质、植株光合参数、生长量、叶绿素等指标，旨在研究不同含钙废弃物对盐碱土改良机制和植物的反馈响应，为含钙废弃物的循环再利用和盐碱土改良提供科学依据和参考。

试验用盐碱土采自黄骅市中捷友谊农场，采集深度0~40cm。试验土壤的水溶性阳离子主要为K⁺、Na⁺、Ca²⁺和Mg²⁺，阴离子主要为CO₃^2-、HCO₃^-、Cl^-和SO₄^2-，其中交换性阳离子主要为Na⁺、Ca²⁺和Mg²⁺。试验植物为胡枝子，试验用塑料盆高15.0cm，直径7.0cm。本研究所用含钙废弃物为脱硫石膏、柠檬酸渣和粉煤灰，具体成分见表 1。

表 1(Tab. 1)

表 1 试验用含钙废弃物成分 Tab. 1 Composition of calcium-containing waster in experiment   % 处理Treatment CaSO4·2H2O SiO2 Al2O3 MgO 水分Moisture content 其他Other 脱硫石膏Desulfurized gypsum 85.80 1.30 0.48 1.80 2.30 8.32 柠檬酸渣Citric acid slag 69.30 2.10 0.27 1.20 16.50 10.63 粉煤灰Fly ash 32.10 19.00 11.60 0.74 10.40 16.16

表 1 试验用含钙废弃物成分 Tab. 1 Composition of calcium-containing waster in experiment

该试验采取盆栽形式，试验地为北京林业大学科技温室，自然采光，温度控制15~20℃。将盐碱土壤分别与脱硫石膏、柠檬酸渣和粉煤灰混匀，用于胡枝子的栽植。每盆盐碱土质量均为1.0kg，脱硫石膏、柠檬酸渣和粉煤灰的用量按王金满等^[7-8]和王天平^[9]的推导公式计算确定，分别为13.5、36.1和16.7g，重复4次。用蒸馏水将胡枝子种子反复洗净，盆栽前24h置于恒温培养箱(温度控制25℃左右)待发芽。出芽后，每个花盆播种10粒，1周后疏苗，保留生长情况相近的5株。胡枝子生长期间土壤含水量保持在15%左右，施加氮肥1次，70d后收获。

土壤理化指标：K⁺、Na⁺、Ca²⁺和Mg²⁺质量摩尔浓度采用原子吸收法测定，CO₃^2-和HCO₃^-质量摩尔浓度采用双指示剂滴定法测定，Cl^-质量摩尔浓度采用硝酸银滴定法测定，SO₄^2-质量摩尔浓度采用EDTA间接络合滴定法测定, 交换性K⁺、Na⁺等的质量摩尔浓度采用醋酸铵浸提-火焰光度计法测定，交换性阳离子质量摩尔浓度采用乙酸钠法测定，pH值采用酸度计测定。

生长指标：将胡枝子地上与地下分界处做好标记，将全株取出，用清水冲洗根部。沿标记处剪断，然后将地上部分和地下部分分别置于85℃烘箱内烘干至恒质量，称其地上部分和地下部分的生物量。

光合生理指标：光和参数采用Li-6400便携式光合仪测定，测定时间为每天06:00、08:00、10:00、12:00、14:00、16:00、18:00时，叶片气孔限制值L_s=1-C_i/C_a，水分利用效率WUE=P_n/T_r。式中：C_i为胞间CO₂浓度，μmol/mol；C_a为大气CO₂浓度，μmol/mol；P_n为净光合速率，μmol/(m²·s)；T_r蒸腾速率，mmol/(m²·s)。叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素质量分数采用丙酮乙醇混合法，通过光度计比色测定，并计算获得。

选取长势相似的枝条上的3个叶片重复测定。数据分析采用IBM SPSS Statistics 24.0和Excel软件处理。

由表 2可知，从施用后盐碱土盐害离子的组成和质量摩尔浓度上看，3种含钙废弃物对盐碱土都有明显改良作用，改良后土壤Na⁺、CO₃^2-、HCO₃^-、交换性Na⁺等主要盐害离子质量摩尔浓度都减小了，而Ca²⁺、Mg²⁺、SO₄^2-和交换性阳离子质量摩尔浓度都增加了。处理组土壤Ca²⁺和Mg²⁺质量摩尔浓度增长，Na⁺质量摩尔浓度减小，说明盐碱土中Na⁺和碱性离子得到充分置换，其中脱硫石膏处理的Ca²⁺质量摩尔浓度是对照的5.9倍，Na⁺质量摩尔浓度减少63.55%。阳离子代换性能是盐碱土改良的重要指标^[10]，大量交换性Na⁺是导致盐碱土不良性状的重要原因。脱硫石膏、柠檬酸渣和粉煤灰处理土壤交换性Na⁺质量摩尔浓度的下降，主要是由于交换性Na⁺被交换性Ca²⁺和Mg²⁺取代，其中脱硫石膏处理减小84.32%，说明在此用量下，交换性Na⁺基本都被取代，改良效果显著。各处理土壤CO₃^2-、HCO₃^-等碱性离子质量摩尔浓度都大幅降低，其中CO₃^2-分别减小67.69%、47.69%和56.93%，HCO₃^-分别减少69.57%、43.48%和61.96%，主要是由于发生了化学反应，生成CaCO₃和Ca(HCO₃)₂等沉淀和难溶性物质，消耗盐碱土中的Na₂CO₃和NaHCO₃。从全盐量上看，各处理土壤盐碱程度普遍由中度盐碱向轻度盐碱转移，其中脱硫石膏处理全盐量减小到1.52g/kg，减少比例达到53.23%;因此，从土壤盐害离子组成和质量摩尔浓度的变化分析，脱硫石膏、柠檬酸渣和粉煤灰均有效改善了盐碱土壤的理化性状，土壤盐渍化程度得到明显减轻。

表 2(Tab. 2)

表 2 不同处理土壤理化性状 Tab. 2 Soil physico-chemical properties under different treatments 指标类型Indicator type 脱硫石膏处理 Desulfurized gypsum treatment 柠檬酸渣处理 Citric acid slag treatment 粉煤灰处理 Fly ash treatment 对照 Control (CK) 测定值 Result 增减比例 Percentage/% 测定值 Result 增减比例 Percentage/% 测定值 Result 增减比例 Percentage/% Ca2+/(cmol·kg-1) 0.55 587.50 0.43 437.50 0.18 125.00 0.08 Na+/(cmol·kg-1) 1.21 -63.55 1.45 -56.33 1.76 -46.99 3.32 Mg2+/(cmol·kg-1) 0.41 215.38 0.32 146.15 0.30 130.77 0.13 K+/(cmol·kg-1) 1.06 -5.36 1.18 5.36 0.95 -15.18 1.12 CO32-/(cmol·kg-1) 0.28 -56.92 0.21 -67.69 0.34 -47.69 0.65 HCO3-/(cmol·kg-1) 0.35 -61.96 0.28 -69.57 0.52 -43.48 0.92 SO42-/(cmol·kg-1) 1.14 500.00 0.92 384.21 0.73 284.21 0.19 Cl-/(cmol·kg-1) 1.01 -47.67 1.32 -31.61 1.42 -26.42 1.93 交换性Na+ Exchangeable Na+/(cmol·kg-1) 0.29 -84.32 0.56 -69.73 0.97 -47.57 1.85 交换性阳离子Exchangeable cation/(cmol·kg-1) 8.37 24.55 8.01 19.20 7.54 12.20 6.72 全盐质量分数Whole salt content/(g·kg-1) 1.52 -53.23 1.95 -40.00 2.62 -19.38 3.25 pH 7.46 -19.35 7.13 -22.92 8.31 -10.16 9.25 注：“-”为相对对照减小的数量比例。Notes:“-” is reduced quantity ratio related to control.

表 2 不同处理土壤理化性状 Tab. 2 Soil physico-chemical properties under different treatments

碱化度指土壤胶体所吸附交换性Na⁺数量占交换性阳离子的比例，用Na⁺的饱和度表示，是反映土壤是否碱化的重要指标^[10]。钠吸附比指在Na⁺、Mg²⁺和Ca²⁺等阳离子与土壤交换反应中，Na⁺浓度与Mg²⁺、Ca²⁺浓度均值的平方根之比。由图 1可知，相比对照，各处理土壤pH值均有下降，其中脱硫石膏处理降到7.46，而柠檬酸渣处理降到7.13，基本呈中性。柠檬酸渣除了所含CaSO₄与碱性物质发生化学反应消耗碱离子外，其本身溶于水后呈现弱酸性，也能中和部分碱性离子。从碱化度看，各处理土壤降碱程度都超过50%，其中粉煤灰处理下降53.30%，柠檬酸渣处理下降74.60%，脱硫石膏处理减少87.40%，说明在13.50g/kg的用量下，土壤交换性Na⁺基本都被交换完毕，脱硫石膏降低土壤碱化效果最显著。土壤中过高的Na⁺除了能直接影响植物正常生理机能，还会使土壤黏粒和团聚体分散，降低土壤对水和空气的渗透性^[11-12]。由图 1可知，原土壤钠吸附比为18.20，土壤碱化特征明显。经改良后，各处理钠吸附比均有降低，特别是脱硫石膏处理达到10.30，说明脱硫石膏、柠檬酸渣和粉煤灰含有的Ca²⁺和Mg²⁺对Na⁺的置换作用明显。

图 1(Fig. 1)

图 1 不同处理土壤pH值、碱化度和钠吸附比 Fig. 1 Variation of pH, exchange sodium percentage and sodium adsorption ratio under different treatments

光合作用在植物生长过程中起基础性作用^[13]，能将无机物转化成植物生长和发育所需的有机质和能量。光合作用易受外界环境变化影响，各参数值会随之产生波动^[14]。

1) 叶片净光合速率P_n的日过程。净光合速率是表征植物光合能力的最直接指标。由图 2(a)可知，各处理P_n变化曲线呈双峰型，上午10:00时和下午14:00时左右达到极值，各处理P_n明显都要高于对照。上午高峰时，柠檬酸渣、脱硫石膏和粉煤灰处理P_n分别比对照高12.52%、23.13%和29.54%，下午高峰时分别高21.12%、27.83%和20.22%。净光合速率的大小直观反映了植物的生长状况，脱硫石膏、柠檬酸渣和粉煤灰有效缓解了盐胁迫作用，维持了胡枝子正常生长。

图 2(Fig. 2)

图 2 不同处理胡枝子光合参数日变化 Fig. 2 Daily changes in photosynthesis parameters of Lespedeza bicolor Turcz. under different treatments

2) 叶片气孔导度G_s的日过程。气孔具有的保水特性有利于其适应盐胁迫。由图 2(b)可知，柠檬酸渣、脱硫石膏和粉煤灰处理G_s的日变化过程也呈双峰变化，但达到峰值的时间要早于P_n。在相同时间段内，柠檬酸渣、脱硫石膏和粉煤灰处理G_s值要明显高于对照，极值出现在12:00左右，分别比对照高22.41%、46.43%和17.34%，说明在盐胁迫下，柠檬酸渣、脱硫石膏和粉煤灰影响了气孔开放的数量和程度，使胡枝子G_s维持在较高水平。

3) 叶片胞间CO₂浓度C_i的日过程。由图 2(c)可知，柠檬酸渣、脱硫石膏和粉煤灰处理C_i在日变化过程中总体变化趋势一致，早上和傍晚都高，而10:00时和17:00时左右最低，这种双峰变化规律与P_n变化趋势恰相反。整个日变化过程中，对照组C_i要明显高于处理组，说明3种类含钙废弃物通过影响胡枝子G_s等的变化，增加了胞间CO₂的同化速率，减少了CO₂在细胞间积累。

4) 气孔限制值L_s的日过程。L_s能够反映植物叶片对大气CO₂利用效率的高低。由图 2(d)可知，总体上胡枝子L_s早晚低中午高，但不同处理L_s变化趋势也不同，各处理降低了同等条件下的L_s。因此，柠檬酸渣、脱硫石膏和粉煤灰通过影响胡枝子G_s，增加了进入气孔的CO₂量，因而提高了叶片对大气CO₂的利用效率。

5) 叶片蒸腾速率T_r的日过程。由图 2(e)可知，柠檬酸渣、脱硫石膏和粉煤灰处理T_r日变化都随时间先升高后降低，说明T_r与温度变化正相关。但对照组T_r日变化幅度要远小于相同条件下处理组，尤其正午12:00时的T_r值仅分别为处理组的57.21%、56.43%和42.80%，说明在盐胁迫下，柠檬酸渣、脱硫石膏和粉煤灰通过影响胡枝子的气孔调节能力，使T_r值维持在了较高水平。

6) 叶片瞬时水分利用效率WUE的日过程。WUE反映植物生产过程中的能量转化效率，是评价逆境下植物生长适宜度的综合指标之一，其影响因素复杂。由图 2(f)可知，WUE日变化总体趋势均为先升高后降低。08:00时左右叶片WUE达到一天中最大值，此时柠檬酸渣、脱硫石膏和粉煤灰处理WUE分别为12.65、13.73和14.47μmol/mmol，而对照组仅4.36μmol/mmol，且在不同时段，对照组WUE都最低。在盐胁迫下，柠檬酸渣、脱硫石膏和粉煤灰可能通过改变外部环境条件，影响了胡枝子的光合途径和气孔等，增强其抗逆性，使WUE维持在相对较高水平。

7) 叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素变化。叶绿素是参与光合作用的主要色素，在盐胁迫下，叶绿素质量分数的变化可以间接地反映植物对盐胁迫的响应^[15]。由图 3可知，处理组胡枝子叶绿素a质量分数都超过2.4mg/g，叶绿素b质量分数都超过1.1mg/g，总叶绿素质量分数都超过3.5mg/g，均显著高于对照。其中，粉煤灰处理叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素质量分数都最高。从叶绿素质量分数的变化规律上看，脱硫石膏、柠檬酸渣和粉煤灰通过改变外部环境条件，减轻盐胁迫作用，对胡枝子叶绿素的合成产生了影响，使其质量分数保持在相对较高水平。

图 3(Fig. 3)

图 3 不同处理胡枝子叶绿素变化 Fig. 3 Changes of chlorophyll under different treatments

生物量变化是植物对盐碱胁迫响应的综合反映。由表 3可知，不同处理胡枝子地上部分生物量和地下部分生物量均显著大于对照，脱硫石膏、粉煤灰和柠檬酸渣均不同程度减轻了土壤对胡枝子的盐胁迫作用，各处理间地上部分差异不明显，地下部分差异显著。粉煤灰处理地上部分生物量和地下部分生物量都最高，分别比对照高19.02%和47.34%，主要由于粉煤灰质地松散，除了含有CaSO₄能置换碱性离子外，还含有SiO₂、Al₂O₃及大量微量元素，而且能改善土壤板结等物理性状，对胡枝子生长发育的影响是多元的。因此，脱硫石膏、柠檬酸渣和粉煤灰对胡枝子生物量积累规律的影响，是增强胡枝子抗逆性的体现。

表 3(Tab. 3)

表 3 不同处理生物量 Tab. 3 Biomass under different treatments   g 处理 Treatment 地上部分 Aboveground biomass 地下部分 Belowground biomass 脱硫石膏Desulfurized gypsum 4.52±0.13a 2.31±0.03b 柠檬酸渣Citric acid slag 4.41±0.05a 2.64±0.04b 粉煤灰Fly ash 4.63±0.35a 3.05±0.06a 对照CK 3.89±0.29b 2.07±0.05c 注：不同字母表示P在0.05水平上相关性显著。Notes: Different letters indicate significant correlation at the 0.05 level.

表 3 不同处理生物量 Tab. 3 Biomass under different treatments

1) 脱硫石膏、柠檬酸渣和粉煤灰通过改变盐碱土壤的交换性离子质量摩尔浓度、碱性离子质量摩尔浓度及全盐量等，调节了盐碱土壤的酸碱度、碱化度和钠吸附比，有效改善了盐碱土壤的理化性状，这与已有研究结果^[16-19]基本一致。从对盐碱土壤的改良效果看，脱硫石膏的改良作用是最好的。

2) 脱硫石膏、柠檬酸渣和粉煤灰通过改变外环境的盐胁迫，维持了胡枝子正常的生长和发育等生理机能，处理组胡枝子的生长量、叶片光合特性和叶绿素质量分数等指标均优于对照组，这与穆永光^[20]和吴顺等^[21]的研究基本一致。粉煤灰成分相对复杂，还含有硅(Si)、硼(B)、锌(Zn)、镁(Mg)等微量元素，且质地松散，其抗盐胁迫效果是多种因素的耦合，从改善植物生长角度看，粉煤灰改良效果最好。

3) 本研究基于盆栽实验，实验条件较易控制。若将脱硫石膏、柠檬酸渣和粉煤灰用于大面积盐碱地改良，需配置相应的灌溉洗盐措施，通过淋洗将盐分排出土体，并完善排水渠道，利于带走滤液中的盐害离子，改良盐碱土。

4) 脱硫石膏、柠檬酸渣和粉煤灰改良盐碱土主要是利用其含有的CaSO₄等，发生系列物理化学反应和变化，后续可进行其他含钙废弃物改良盐碱土的研究，寻找含钙废弃物新的利用方式，但对含有重金属等的含钙废弃物先要开展有害成分的残留分析，避免对土壤和水资源造成新的污染。