燃煤煙氣脫硫石膏在新疆鹽堿土壤改良中的應用研究

李彥，衣懷峰，趙博，王淑娟，禚玉群，陳昌和，徐旭常

1.清華大學熱能工程系，熱科學與動力工程教育部重點實驗室，北京 100084；2.中國石油新疆油田公司質(zhì)量管理與節(jié)能處，新疆 克拉瑪依 834000

目前，我國電力以煤電為主, 根據(jù)中電聯(lián)2009年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，到2009年底，我國火電發(fā)電量近3萬億千瓦時，燃煤機組占火電機組的比例約為90%，燃煤機組中安裝脫硫設備的機組約為90%，目前脫硫機組的脫硫效率都大于90%，根據(jù)上述數(shù)據(jù)估算，我國全年約產(chǎn)生脫硫石膏2000萬t。大量的脫硫石膏不僅要占用大量土地，如果處置不當，還會對環(huán)境造成二次污染。另一方面，據(jù)第二次全國土壤普查資料統(tǒng)計（1996年）：分布于我國北方干旱和半干旱地區(qū)的鹽堿土面積約為3500萬hm2，其中堿土面積870萬hm2。由于氣候等多方面的原因，這一數(shù)字還在不斷增加。這些土壤不僅不能使作物很好地生長，有的還對作物有毒害作用，更有甚者，有的堿化土地寸草不生，長年荒蕪，極大地影響了我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境。

利用燃煤煙氣脫硫石膏改良堿化土壤是從 20世紀90年代后期才開始的。從1995年開始，清華大學與其它單位合作，在國際上率先利用脫硫石膏對我國大面積基本不長任何作物的堿化土壤進行改良。在內(nèi)蒙土默川平原、寧夏銀川、吉林白城、內(nèi)蒙興安盟等地，將燃煤煙氣脫硫石膏用于堿化土壤改良，效果顯著，但是能否將此項技術用于新疆地區(qū)的鹽堿地改良還有待試驗研究。新疆西北部地區(qū)分布著大片的鹽堿地，如果能將燃煤煙氣脫硫石膏成功地用于新疆地區(qū)的鹽堿地改良，提高鹽堿地上種植樹木的成活率，則對國家三北造林建設和二氧化碳溫室氣體減排有著重大意義。2009年在新疆克拉瑪依市新疆油田公司減排造林項目區(qū)，利用燃煤煙氣脫硫石膏進行了鹽堿地改良，在改良后的土地上種植了新疆楊（Populus bolleanaLauche）、白榆（Ulmus pumilaL.）、沙棘（Hippohgae rhamnoidesL），當年樹木平均成活率為 71%，比對照區(qū)樹木的成活率高41%，改良效果顯著。

1 試驗區(qū)概況和研究方案

1.1 試驗區(qū)概況

新疆克拉瑪依市新疆油田公司減排造林項目區(qū)位于準噶爾盆地西北緣，加依爾山南麓，克拉瑪依市區(qū)西北郊，緯 45°36′30″—45°37′57″，東經(jīng)84°50′01″—84°52′30″，處山前沖積戈壁，海拔280～300 m。具有典型的大陸性氣候特征，夏季炎熱，最高氣溫達44 ℃，冬季寒冷，最低溫度達-35.9℃，年平均溫為8 ℃。干燥少雨，年均降水量為101.7 mm，年潛在蒸發(fā)量為45.2 mm。風沙危害嚴重，年均大風日數(shù)為76 d（≥8級風），其中9上風的日數(shù)為14 d，主風向西北。土壤為灰棕色荒漠土，無明顯層次，沙質(zhì)基質(zhì)（粉砂，細砂至粗砂），間有礫石和碎石，直徑在0.5～1.5 cm間，含量為5%～30%，多者可達50%以上[1]。

2009年在新疆克拉瑪依油田公司供水公司減排造林項目區(qū)，國家三北四期造林項目三標段選定了3.7 hm2不同程度堿化土壤作為改良示范地。首先對土壤進行了采樣，將采集的土壤樣本送到中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所進行了分析測試。測試方法如下：土壤樣品自然風干后過2 mm篩子。pH值(水土比2.5∶1)用電位測定法（PB-10酸度計）測定；水溶性全鹽(水土比 5∶1)用電導法（DDSJ-308A電導率儀）測定；交換態(tài)K+與交換態(tài)Na+用浸提－火焰光度法（410火焰光度計）測定,交換態(tài)Ca2+、交換態(tài)Mg2+采用浸提－原子吸收分光光度法（AA-6200原子吸收分光光度計）測定。得到了土壤的pH值、全鹽量、交換態(tài)鉀、交換態(tài)鈉、交換態(tài)鈣、交換態(tài)鎂等參數(shù)。根據(jù)交換性陽離子和交換性鈉的含量計算出了土壤的堿化度，土壤的水溶性鹽分分析如表1所示。

從表1可以看出，這塊示范地的土壤pH值在7.35～8.15之間變化，堿化程度分布不均，有的地方重度堿化（堿化度>30%），有的地方輕度堿化（10%～20%）。從全鹽量參數(shù)來看，全鹽量>0.5 g·kg-1就是鹽地，這塊示范地有的地方全鹽量達到 2.88 g·kg-1，屬于重度鹽化，其他地方的全鹽量也都>0.069 g·kg-1。根據(jù)與鹽堿土的分類指標對比，確定該塊土壤為鹽堿土(ESP>15，pH值>7.35)[2]。

1.2 改良原理

眾所周知，利用石膏改良鹽堿土壤是一種方便有效的方法，其原理是石膏溶解產(chǎn)生Ca2+能夠代換土壤膠體上的Na+，從而降低土壤的堿化度、pH值以及增加土壤透水性。土壤膠體粒(由粘土與腐殖質(zhì)形成)，長期與鹽堿土中的 Na2CO3、NaHCO3、NaC1等接觸,成為含Na膠體粒子。含Na膠體粒子在土壤中水化度較大,有較好的分散性,能散布在土壤顆粒之間的細縫中，形成致密、不透水的含Na板結土層。不易透水的含Na板結土層中摻入CaSO4后,因 Ca2+比 Na+對土壤中膠體粒的吸附能力大得多,原已吸附的Na+會被Ca2+置換，所以土壤溶液中的Ca2+會和土壤膠體上附著的Na+離子交換。含Ca2+膠體微粒的外層不吸附水分子，膠體微粒自己能互相靠近而聚團形成微粒團。水分子滲入微粒之間時會使微粒團膨脹，然后在干燥過程中使土層龜裂。這過程反復進行后，土壤就形成團粒結構，從而使得土壤疏松增加，增加透水性，有利于農(nóng)作物生長和吸收水分、養(yǎng)分[3]。

脫硫石膏主要成分與天然石膏相同,為二水硫酸鈣晶體 CaSO4·2H2O，呈粉末狀。當石灰石純度較高時, 脫硫石膏純度一般在90%～95%之間，含水率一般為 10%～15%[4]。脫硫石膏富含 S、Ca、Si等植物必需或有益的礦質(zhì)營養(yǎng)，能夠用于改良鹽堿土壤[5,6]。本試驗采用甘肅張掖電廠的脫硫石膏進行改良。由于不同電廠燃用的煤種不同，作為脫硫劑的石灰石來源不同，脫硫石膏中的各種成分含量也略有不同[7]。為了準確地了解脫硫石膏中的各種成分，將來自張掖電廠的脫硫石膏送到了國家建筑材料測試中心進行了成分分析測試，測量結果如表 2所示。

試驗處理中的脫硫石膏施用量根據(jù)文獻[8]決定，通過十幾年在內(nèi)蒙、寧夏、吉林等地的脫硫石膏改良堿化土壤的應用實踐，總結出脫硫石膏施用量可以用下式進行估算：

式中，w為脫硫石膏的施用量（kg·m-2）；ESP為堿化度（%）；H為土壤改良深度（m）；D為土壤容重（kg·m-3）；η為脫硫石膏中石膏的質(zhì)量分數(shù)（%）。

1.3 試驗設計

2009年4月，在選定的改良示范地進行平整土地，按照行距2 m，株距2 m的距離挖樹穴，樹穴的尺寸為0.6 m×0.6 m×0.6 m，把土挖出后，將脫硫石膏按照上式計算的施用量與挖出的土拌均勻。在坑底先放入0.2 m厚的拌好的混合土墊底，然后放入樹苗，樹苗周圍再回填拌好的混合土。改良示范區(qū)共種植新疆楊9339株，白榆4600株，沙棘3500株。同時針對不同的堿化程度的區(qū)域，設置了不同的對照區(qū)，分別種植了新疆楊和白榆。

表1 土壤水溶性鹽分分析Table 1 analysis of water-solubility salinity of alkali soil

表2 脫硫石膏的成分分析Tanle 2 analysis of component of FGD gypsum

2 結果與分析

2.1 脫硫石膏對土壤理化性質(zhì)的影響

2009年10月，在原來的土壤采樣點又對土壤進行了采樣，將采集的土壤樣品送到北京市園林科學研究所進行土壤理化參數(shù)測量。土壤理化參數(shù)的測試結果如圖1所示。從圖中可以看出改良后土壤的堿化度(ESP)有很大下降，pH值和全鹽量也有所下降。在堿化土壤中，ESP和pH是限制作物生長的兩個關鍵因素。不同深度的ESP都顯著降低，而且改良后表層的土壤(0～20 cm)中ESP下降更快，較深層的土壤(30～50 cm)中的ESP也有所下降，但是沒有表層土壤中ESP下降明顯，這一結論與文獻[9]的研究結論吻合。

圖1 脫硫石膏改良后土壤理化參數(shù)的變化Fig.1 The changes in soil physico-chemical properties after FGD gypsum amelioration

2.2 脫硫石膏環(huán)境安全性評價

脫硫副產(chǎn)物富含 Ca、S、Mg、B、Si等植物所需的營養(yǎng)元素，其理化性狀已有較詳細的描述[10-12]，此外脫硫石膏中含有少量的 As、Hg、Pb、Cr、Cd等重金屬元素,其來源于煤炭燃燒的飛灰吸附的重金屬[13-14]。為了清楚地了解脫硫石膏改良土壤后對土壤環(huán)境安全性的影響，2009年10月，在原來的土壤采樣點又對土壤進行了采樣，將采集的土壤樣品送到國家建筑材料測試中心進行了重金屬元素的測量，測量結果如表3所示。由表3可看出，脫硫石膏中的重金屬Hg、Pb、Cr、Cd含量均比土壤背景值低，施入脫硫石膏后對土壤中的 Hg、Pb、Cr、Cd元素含量基本沒有影響，都低于國家土壤環(huán)境標準（三級）。脫硫石膏中重金屬As含量略高于土壤背景值，因為施用量只有土壤容重的0.5%，所以改良后土壤中的 As含量仍低于國家土壤環(huán)境標準（三級），這一結論與前人研究的結果[13]吻合，也進一步證明燃煤脫硫石膏改良鹽堿地對土壤環(huán)境是安全的。

表3 脫硫石膏對土壤中重金屬的影響Table 3 Influnce of FGD gypsum on heavy metal element in soil

2.3 脫硫石膏對樹木成活率的影響

由于施用脫硫石膏后降低了土壤的堿化度、全鹽量和 pH 值,使土壤理化性質(zhì)發(fā)生明顯的改變,改善了作物根系的生長環(huán)境。2009年秋季統(tǒng)計，土壤改良后種植的新疆楊的成活率為80%，白榆和沙棘的成活率為60%，平均成活率為71%。而沒有改良的對照地種植的新疆楊的成活率為34%，白榆的成活率為25%，平均成活率為30%。所以利用脫硫石膏改良堿化土壤，第一年樹木的成活率比對照地樹木的成活率高41%。

3 結論

研究結果表明，施用脫硫石膏能夠顯著降低土壤中的ESP和全鹽量, 而且改良后表層的土壤(0～20 cm)中ESP和全鹽量下降更快，較深層的土壤(30～50 cm)中的ESP也有所下降，但是沒有表層土壤中ESP下降明顯。由于土壤堿化度和全鹽量下降，從而改善土壤結構和滲透性，提高了樹木的成活率，改良后樹木的平均成活率為71%，而對照地樹木的成活率只有30%，改良后樹木的成活率比對照地樹木的成活率高41%。脫硫石膏中的重金屬Hg、Pb、Cr、Cd、As含量均比土壤背景值低，施入脫硫石膏后對土壤中的Hg、Pb、Cr、Cd、As元素含量基本沒有影響，都低于國標最高容許值。

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