脫硫石膏改良鹽堿土技術(shù)的機理及研究進展

袁潔，俄勝哲，姚嘉斌，黃濤，車宗賢，王婷

（1.酒鋼集團吉瑞再生資源開發(fā)有限責任公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100；2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所，甘肅 蘭州 730070）

脫硫石膏改良鹽堿土技術(shù)的機理及研究進展

袁潔1，俄勝哲2，姚嘉斌1，黃濤2，車宗賢2，王婷2

（1.酒鋼集團吉瑞再生資源開發(fā)有限責任公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100；2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所，甘肅 蘭州 730070）

綜述了脫硫石膏的基本理化性狀，以及利用脫硫石膏改良鹽堿土的機理，并對利用脫硫石膏改良鹽堿土的效果、環(huán)境響應等進行了總結(jié)，對其應用前景進行了展望。

脫硫石膏；鹽堿地；改良技術(shù)；研究進展；重金屬

土壤鹽堿化是一個世界性難題，全世界鹽漬土面積約1.00×1011hm2。我國鹽漬土面積約3.46×107hm2，大部分分布在華北、西北和東北等干旱和半干旱地區(qū)，改良和高效利用鹽堿地是廣大科技工作者長期研究的課題［1～2］。國際上用石膏改造鹽堿化土壤已有100多年的歷史，但由于其投入成本過高至今還沒有得到推廣［3～4］。2000年以來，利用脫硫石膏改良鹽堿地在我國引起了廣泛關(guān)注，并在全國各地開展了廣泛深入的研究。但由于鹽堿程度、土壤類型和生態(tài)環(huán)境不同，研究結(jié)果有明顯差異。近年來，隨著我國環(huán)保政策的嚴格實施，燃煤電廠引入煙氣脫硫技術(shù)以減少SO2排放，由于現(xiàn)行的脫硫技術(shù)絕大多數(shù)以鈣基物質(zhì)（CaCO3或CaO）作為吸收劑，最終生成脫硫副產(chǎn)物-脫硫石膏，其主要成分是二水硫酸鈣，含有豐富的S、Ca等植物必需的礦質(zhì)營養(yǎng)。據(jù)統(tǒng)計，我國2010年脫硫石膏排放量達1 500萬t以上，且大量露天堆放，不僅占用土地、浪費資源，還對生態(tài)環(huán)境造成了潛在污染。因此，研究推廣利用脫硫石膏改良鹽堿地技術(shù)，對改善生態(tài)環(huán)境及實現(xiàn)廢物資源化利用具有重要意義。

1 脫硫石膏理化性狀

脫硫石膏是煙氣脫硫過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，是高分散度的濕態(tài)晶體，其主要成分和天然石膏一樣，都是二水硫酸鈣（CaSO4·2H2O），呈中性或略偏堿性，平均粒徑40～60 μm，呈灰、黃色，含二水硫酸鈣90%～95%、游離水10%～15%，還含有少量飛灰、有機碳、碳酸鈣、亞硫酸鈣以及微量的鈉、鉀、鎂的硫酸鹽或氯化物組成的可溶性鹽等雜質(zhì)［5］。與天然石膏相比較，脫硫石膏具有純度較高、顆粒粒徑細、含堿量低、有害雜質(zhì)少、成分穩(wěn)定、含水率較高、含水溶性鹽類較多等特點。在掃描電鏡下觀察，脫硫石膏顆粒外形完整，水化后晶體呈柱狀，結(jié)構(gòu)緊密，其水化硬化體的表觀密度較天然石膏硬化體大10%～20%，且顆粒一般不超過200目，粒徑分布范圍較小，品質(zhì)大多優(yōu)于天然石膏。

2 改良機理

脫硫石膏改良鹽堿土的原理是利用脫硫石膏中含有的Ca2+對土壤膠體中吸附的Na+（來自土壤中的Na2CO3、NaHCO3）進行置換，并通過淋洗將其排出土體，以達到改土治堿的目的［6～7］。由于土壤膠體粒子長期與鹽堿土中的Na2CO3、NaHCO3、NaCl等接觸，成為含Na+膠體粒子，而含Na+膠體粒子在土壤中有較好的分散性，能散布在土壤顆粒之間的細縫中，形成致密、不透水的板結(jié)土層［8］。不易透水的含Na+板結(jié)層摻石膏后，因Ca2+比Na+對土壤中膠體粒子的吸附能力強，原已吸附的Na+會和土壤溶液中的Ca2+發(fā)生離子交換，而含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，土壤就不會板結(jié)，這些過程反復進行后，土壤就形成團粒結(jié)構(gòu)，從而有利于農(nóng)作物根系生長，吸收土壤水分和養(yǎng)分［9］。

3 研究進展

3.1 應用效果

脫硫石膏改良鹽堿土的研究方法有盆栽試驗和大田試驗，主要技術(shù)涉及脫硫石膏的施用量、施用方式及施用時期等。許清濤以吉林省白城市洮北區(qū)高坪村0～20 cm耕作層堿化度63.5%的重度堿化土壤（pH 9.9，EC 1.734 mS/cm）為改良對象，采用盆栽試驗，以向日葵為指示作物進行了研究，表明施用脫硫石膏顯著增加了向日葵出苗率及單株重，土壤pH顯著降低，但EC值（水溶性離子含量）明顯增加，且與脫硫石膏量存在線性正相關(guān)關(guān)系，適宜的脫硫石膏施用量為22.5 t/hm2［10］。王立志等以2種土壤（pH 9.5、EC 0.25 mS/cm、全鹽量0.577 g/kg和pH 9.4、EC 2.17 mS/cm、全鹽量0.391 g/kg）為研究對象，發(fā)現(xiàn)施用脫硫石膏可明顯降低油葵收獲后0～20 cm土壤的pH，但明顯提高了土壤的EC值和全鹽量（尤其是Ca2+、Mg2+量），而代換性Na+含量顯著降低，脫硫石膏施用適宜量亦為22.5 t/hm2。在輕度鹽堿地（堿化度＜20%，全鹽量2.5～4.5 g/kg）和中度鹽堿地（堿化度20%～30%，全鹽量2.5～4.5 g/kg）以玉米為指示植物，在中度鹽堿地（堿化度20%～30%，全鹽量2.5～4.5 g/kg）及重度鹽堿地上（堿化度＞30%，全鹽量3.0～6.5 g/kg）以油葵為指示作物，進行了多點試驗，結(jié)果表明，脫硫石膏施用量與玉米和油葵產(chǎn)量都存在顯著正相關(guān)關(guān)系，中度鹽堿地適宜施用量為22.5 t/hm2，重度鹽堿地適宜施用量30.0 t/hm2，油葵耐鹽堿程度高于玉米［11］。羅成科等在寧夏石嘴山市堿化度9.88%、總堿度0.24 cmol/kg的土壤上，以油葵為指示作物研究得出，脫硫石膏施用量為11.25 t/hm2時對中度蘇打鹽漬土改良效果最佳，最有利于油葵的生長發(fā)育［12］。肖國舉等選擇具有典型代表性的寧夏西大灘堿化土壤，采用盆栽試驗和土柱模擬試驗，確定輕度堿化土壤脫硫石膏的理論施用量為12.53 t/hm2，中度堿化土壤施用量為17.30 t/hm2，重度堿化土壤施用量為23.40 t/hm2［13］。采用田間試驗對比犁翻施用脫硫石膏與旋耕施用脫硫石膏改良堿化土壤的效果，結(jié)果表明旋耕較犁翻對降低土壤堿化度、總堿度和pH，提高油葵出苗率和產(chǎn)量的效果較好，油葵出苗率提高9.4%，產(chǎn)量提高8.2%，且犁翻后再旋耕施用脫硫石膏效果更好，分別較犁翻施用脫硫石膏和旋耕施用脫硫石膏油葵出苗率提高13.6%和3.8%，產(chǎn)量提高16.2%和7.4%［14］。在寧夏賀蘭山東麓洪積扇邊緣，堿化度15%～60%、總堿度0.20～0.65 cmol/kg、pH 8.0～10.4、全鹽量2.5～6.5 g/kg的土壤上進行的研究表明，秋季施用脫硫石膏較春季施用的油葵的出苗率提高38.0%，產(chǎn)量提高39.0%，且深施（25 cm）較淺施（10 cm）的油葵出苗率提高6.3%，產(chǎn)量提高6.0%；秋季深施較秋季淺施、春季深施、春季淺施的油葵出苗率分別提高12.0%、25.6%、21.5%，產(chǎn)量分別提高14.4%、32.7%、29.9%［15］。

3.2 環(huán)境響應

脫硫石膏改良鹽堿土壤重金屬及農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全是公眾關(guān)注的焦點。李彥等選取我國北方距離堿化土壤較近的10個燃煤火力發(fā)電廠的脫硫石膏進行測定，結(jié)果表明不同電廠脫硫石膏的As、Hg、Pb、Cr、Cd等重金屬含量低于適用于耕地的國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標準（GB15618-1995）。在寧夏回族自治區(qū)具有典型代表性的西大灘，利用這些脫硫石膏改良堿化土壤種植油葵，經(jīng)連續(xù)5 a監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，土壤中As、Hg、Pb、Cr、Cd等重金屬含量無明顯變化［16］。徐勝光等在廣東酸性土壤上通過盆栽試驗，用8～10 g/kg土的脫硫石膏處理種植花生、蘿卜、甘蔗和水稻的土壤，結(jié)果表明植物可食部分重金屬均無超常累積，即使用脫硫石膏未導致農(nóng)產(chǎn)品重金屬含量富集超標；在表土層施脫硫石膏至40 g/kg，重金屬也不會通過降水淋溶滲透過1 m左右的土層而污染地下水源［17］。童澤軍等以灘涂圍墾農(nóng)田土壤為研究對象，研究脫硫石膏對土壤重金屬的解吸效果，結(jié)果表明脫硫石膏能有效降低土壤對重金屬的吸附量，其解吸效果由大到小依次為Cd、Cu、Ni、Zn、Pb、Cr［18］。

4 結(jié)語

國內(nèi)外利用石膏改良堿化土壤已有許多成功經(jīng)驗，但均因成本過高未能大面積推廣應用。近年來，火電快速發(fā)展，脫硫石膏大量產(chǎn)生使得利用其改良鹽堿地成為可能，而且利用脫硫石膏改良鹽堿地是其實現(xiàn)資源循環(huán)利用，變廢為寶的有效途徑之一。前期諸多研究表明，在不同土壤類型、生態(tài)區(qū)域利用脫硫石膏改良不同程度的鹽堿化土壤均效果明顯，而且不會產(chǎn)生土壤重金屬污染。利用脫硫石膏改良鹽堿地的主要原理是經(jīng)先交換后淋洗而使得土壤鹽分離子離開土體，但改良過程中會使土壤可溶性鹽分含量增加而影響出苗及植物生長發(fā)育，灌溉成為關(guān)系改良效果的關(guān)鍵因子，因此研究脫硫石膏施用量與灌溉互作效應對提升改良效果、降低改良成本有重要意義。前期研究多以露地栽培為主，但目前國內(nèi)多采用覆膜栽培，因此與當前栽培模式相結(jié)合的改良技術(shù)也顯得尤為迫切。脫硫石膏改良鹽堿地的持續(xù)效果，以及由此所帶來的土壤和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全方面的研究工作也應系統(tǒng)開展。

［1］李彬，王志春，孫志高.中國鹽堿地資源與可持續(xù)利用研究［J］.干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2005，23（2）：154-158.

［2］張永宏.鹽堿地種植耐鹽植物的脫鹽效果［J］.甘肅農(nóng)業(yè)科技，2005（3）：48-49.

［3］李煥珍，徐玉佩，楊偉奇，等.脫硫石膏改良強度蘇打鹽漬土效果的研究［J］.生態(tài)學雜志，1999，18（1）：25-29.

［4］王金滿，楊培嶺，任樹梅，等.煙氣脫硫副產(chǎn)物改良堿性土壤過程中化學指標變化規(guī)律的研究［J］.土壤學報，2005，42（1）：98-105.

［5］陳云嫩.煙氣脫硫石膏的資源化利用［J］.金屬礦山，2003，326（8）：51-53.

［6］趙錦慧，烏力更，車慧正，等.石膏改良堿化土壤中所發(fā)生的化學反應的初步研究［J］.土壤學報，2004，41（3）：484-488.

［7］王金滿，楊培嶺，白中科.CaSO4改良蘇打堿土的離子吸附交換過程分析與數(shù)值模擬［J］.水土保持學報，2008，22（1）：43-51.

［8］丁強.利用脫硫廢棄物改造濱海新區(qū)鹽堿土［J］.天津科技，2011（5）：50-51.

［9］王金滿，楊培嶺，張建國，等.脫硫石膏改良堿化土壤過程中的向日葵苗期鹽響應研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2005，21（9）：33-37。

［10］許清濤，李玉波，李曉東.脫硫石膏改良堿化土壤試驗研究［J］.中國農(nóng)機化，2011，238（6）：426-430.

［11］王立志，陳明昌，張強，等.脫硫石膏及改良鹽堿地效果研究［J］.中國農(nóng)學通報，2011，27（20）：241-245.

［12］羅成科，肖國舉，張峰舉，等.脫硫石膏改良中度蘇打鹽漬土施用量的研究［J］.生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學報，2009，25（3）：44-48.

［13］肖國舉，羅成科，張峰舉，等.燃煤電廠脫硫石膏改良堿化土壤的施用量［J］.環(huán)境科學研究，2010，23（6）：762-767.

［14］肖國舉，秦萍，羅成科，等.犁翻與旋耕施用脫硫石膏對改良堿化土壤的效果研究［J］.生態(tài)環(huán)境學報，2010，19（2）：433-43.

［15］肖國舉，羅成科，張峰舉，等.脫硫石膏施用時期和深度對改良堿化土壤效果的影響［J］.干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2009，27（6）：197-203.

［16］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.

［17］徐勝光，藍佩玲，廖新榮，等.燃煤煙氣脫硫副產(chǎn)物的重金屬環(huán)境行為［J］.生態(tài)環(huán)境，2005，14（1）：38-42.

［18］童澤軍，李取生，周永勝.煙氣脫硫石膏對灘涂圍墾土壤重金屬解吸及殘留形態(tài)的影響［J］.生態(tài)環(huán)境學報，2009，18（6）：2 172-2 176.

（本文責編：王建連）

The Mechanism and Research Progression of Using Desulfurized Gypsum to Ameliorate Saline-sodic Soil

YUAN Jie1，E Sheng-zhe2，YAO Jia-bin1，HUANG Tao2，CHE Zong-xian2，WANG Ting2
（1.Jirui Renewable Resources Development Co.，Ltd，JISCO Group，Jiayuguan Gansu 735100，China；2.Institute of Soil and Fertilizer and Save water Agricultural，Gansu Academy of Agricultural Sciences，Lanzhou Gansu 730070，China）

This paper reviewed desulfurized gypsum physiochemical properties and the mechanism of using desulfuration gypsum to ameliorate saline-sodic soil，summarized the improving effect and environment response and looked forward to the application prospect of desulfurized gypsum improve saline-sodic soil.

Desulfurized gypsum；Saline-sodic soil；Improving technology；Research progression；Heavy metal

X53

A

1001-1463（2014）09-0042-03

10.3969/j.issn.1001-1463.2014.09.016

2014-06-10

酒鋼集團吉瑞再生資源開發(fā)有限責任公司項目“酒鋼固廢農(nóng)業(yè)資源化利用技術(shù)研究”（企業(yè)項目）

袁潔（1980—），女，陜西西安人，工程師，主要從事冶金固廢循環(huán)利用等方面的研究工作。聯(lián)系電話：（0）18093747680。E-mail：yuanjie@jiugang.com

俄勝哲（1978—），男，甘肅慶陽人，博士，助理研究員，主要從事植物營養(yǎng)與土壤生態(tài)方面的科研工作。E-mail：eshengzhe@163.com