粉煤灰在土壤改良及修復(fù)中的應(yīng)用與展望

趙 吉， 康振中， 韓勤勤， 楊志杰， 李靜泉， 許繼飛

(1.內(nèi)蒙古大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010021； 2.大唐國際高鋁煤炭研發(fā)中心，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000)

粉煤灰在土壤改良及修復(fù)中的應(yīng)用與展望

趙 吉1， 康振中1， 韓勤勤1， 楊志杰2， 李靜泉1， 許繼飛1

(1.內(nèi)蒙古大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010021； 2.大唐國際高鋁煤炭研發(fā)中心，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000)

粉煤灰作為燃煤電廠排出的大量固體廢物，其處理和利用問題在全球范圍內(nèi)引起了人們的廣泛關(guān)注。粉煤灰作為一種資源在世界范圍內(nèi)已成為共識，國內(nèi)外已有大量的研究表明粉煤灰在土壤改良修復(fù)方面具有巨大的應(yīng)用潛力。分析粉煤灰的組成結(jié)構(gòu)與理化特性；闡述粉煤灰改良和修復(fù)土壤的機(jī)理及其對不同類型土壤改良及修復(fù)的應(yīng)用，包括對礦區(qū)土壤、鹽堿化土壤、沙化土壤、耕地土壤等的改良及修復(fù)技術(shù)；最后分析并總結(jié)了粉煤灰目前在土壤改良及修復(fù)過程中存在的主要問題，提出粉煤灰在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域利用的新模式。

粉煤灰；土壤修復(fù)；土壤改良；綜合利用；人工土壤

粉煤灰是煤粉燃燒后自鍋爐中排放出來的粉狀殘?jiān)?，是一種松散的固體集合物，是燃煤電廠排出的主要固體廢物。自20世紀(jì)20年代大規(guī)模燃煤發(fā)電以來，已生成了數(shù)億噸的粉煤灰及其相關(guān)副產(chǎn)物[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國粉煤灰的排放量在1995年為1.25億t，2000年為1.53億t，2010年達(dá)到了2.0億t[2]。粉煤灰是我國當(dāng)前排量較大的工業(yè)固體廢棄物之一，隨著電力工業(yè)的發(fā)展，燃煤電廠的粉煤灰排放量在逐年增加，粉煤灰的堆棄占用土地面積也在逐年增加。大量的粉煤灰若不加處理，就會產(chǎn)生揚(yáng)塵，對大氣、水體和土壤等周圍環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，而且其中的有毒化學(xué)物質(zhì)還會對人體和生物造成危害，嚴(yán)重危及我國的國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)及生態(tài)環(huán)境。因此，粉煤灰的處理和利用問題引起了人們的廣泛關(guān)注。

粉煤灰被認(rèn)為是世界上第五大原料資源，2007年美國農(nóng)業(yè)保持及調(diào)整管理局的數(shù)據(jù)顯示，2005年美國粉煤灰的利用率為40.97%；而2002年印度約有25.00%的粉煤灰被用于水泥生產(chǎn)、建設(shè)道路和磚制造；我國2000年粉煤灰的利用率已達(dá)到60.00%[3-4]。我國從20世紀(jì)50年代開展粉煤灰綜合利用研究以來，已從被動堆放、簡單處理發(fā)展到在建材、建工、市政、交通、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用，并逐步擴(kuò)展到輕工、化工、冶金、煤炭等新的領(lǐng)域。由于對技術(shù)、資金和粉煤灰質(zhì)量的要求較高，粉煤灰在很多行業(yè)中的利用都很有限，在有些行業(yè)中的利用還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。但粉煤灰在土壤改良及修復(fù)方面的應(yīng)用，具有成本低、容量大、需求平穩(wěn)、對粉煤灰的質(zhì)量要求不高等特點(diǎn)。因此，粉煤灰在土壤改良及修復(fù)方面的利用是其綜合利用的重要組成部分，有巨大的利用潛力。

粉煤灰在土壤改良及修復(fù)上的利用，最初是應(yīng)用于農(nóng)業(yè)土壤。其酸堿性和含有的必需營養(yǎng)元素，改善了土壤的酸堿度，豐富了土壤的營養(yǎng)養(yǎng)分，促進(jìn)了植物的生長[5]。施入土壤后能改善土壤物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)，增強(qiáng)土壤微生物活性，有利于土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，增強(qiáng)保濕保墑效果，使水、肥、氣、熱趨向協(xié)調(diào)，為植物的生長創(chuàng)造良好的土壤生態(tài)環(huán)境[6-8]。同時(shí)提高了粉煤灰的利用率和經(jīng)濟(jì)環(huán)保效益。近幾年，隨著科學(xué)研究的進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了粉煤灰對多種類型土壤的改良及修復(fù)，同時(shí)更有效的農(nóng)業(yè)綜合應(yīng)用也在研究探索中。本文總結(jié)了粉煤灰對不同類型土壤的改良及修復(fù)，包括對礦區(qū)土壤、鹽堿化土壤、沙化土壤、耕地土壤等，說明了粉煤灰對不同類型土壤改良及修復(fù)的機(jī)理及特點(diǎn)，闡述了粉煤灰在土壤改良及修復(fù)方面存在的問題及解決策略，指出了粉煤灰在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的方向和思路。

1 粉煤灰特性

1.1 粉煤灰的分類及組成結(jié)構(gòu)

粉煤灰是煤粉燃燒后自鍋爐中排放出來的粉狀殘?jiān)?，由于不同地區(qū)或同一地區(qū)不同煤層煤的灰量有所不同，煤的燃燒程度和方式等發(fā)生變化時(shí)，其具體組成成分也會有所變化。為了鑒別、規(guī)范地描述以及合理地利用粉煤灰，將粉煤灰根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了分類。(1)根據(jù)粉煤灰中CaO含量的不同將粉煤灰分為C類(CaO含量大于10%，如亞煙煤和褐煤燃燒后的產(chǎn)物)和F類(CaO含量低于10%，如煙煤燃燒后的產(chǎn)物)。(2)根據(jù)pH值不同，可以把粉煤灰分為酸性粉煤灰和堿性粉煤灰。近年來，也有學(xué)者根據(jù)其他標(biāo)準(zhǔn)對粉煤灰進(jìn)行了分類，Dewey等根據(jù)Si、Fe、Ca和Mg的氧化物含量，以及粉煤灰中活潑的水溶性物質(zhì)和非晶相來進(jìn)行分類[9]；Vassilev等提出了一種基于起源、礦物相、化學(xué)成分和其他特性及動態(tài)的新方法，這些分類方法可以為粉煤灰的潛在利用方向及其所引起的環(huán)境問題提供最有價(jià)值的信息，確保粉煤灰更加合理地使用[10]。

粉煤灰的組成一般分為有機(jī)組分和無機(jī)組分，無機(jī)組分主要有玻璃微珠、磁鐵微珠和不定形顆粒等；有機(jī)組分主要為未燃盡的炭粒。粉煤灰中硅含量最高，其次是鋁，以復(fù)雜的復(fù)鹽形式存在，酸溶性較差。鐵含量相對較低，以氧化物形式存在，酸溶性好。主要化學(xué)氧化物包括氧化硅(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)、氧化亞鐵(FeO)、氧化鐵(Fe2O3)、氧化鈣(CaO)、氧化鈦(TiO2)、氧化鎂(MgO)、氧化鉀(K2O)、氧化鈉(Na2O)、三氧化硫(SO3)、二氧化錳(MnO2)等，此外還有五氧化二磷(P2O5)等。其中氧化硅、氧化鈦來自黏土、巖頁；氧化鐵主要來自黃鐵礦；氧化鎂和氧化鈣來自與其相應(yīng)的碳酸鹽和硫酸鹽。此外，還含有少量的砷、銅和鋅等微量金屬元素[11]。粉煤灰的結(jié)構(gòu)是在煤粉燃燒和排出過程中形成的，是晶體、玻璃體及少量未燃炭組成的一個復(fù)合結(jié)構(gòu)的混合體。混合體中這三者的比例隨著煤燃燒所選用的技術(shù)及操作手法不同而不同。其中結(jié)晶體包括石英、莫來石、磁鐵礦等；玻璃體包括光滑的球體形玻璃體粒子、形狀不規(guī)則孔隙少的小顆粒、疏松多孔且形狀不規(guī)則的玻璃體球等；未燃炭多呈疏松多孔形式。

1.2 粉煤灰的理化特性

粉煤灰是多種大小不等及形狀各異的顆粒機(jī)械混合而成的細(xì)分散相，顏色由灰白色至黑色。粉煤灰是平均直徑小于10 μm的微粒，具有容重低、比表面積大和質(zhì)地輕薄的特點(diǎn)[12]。因此，粉煤灰具有很好的透水、透氣性能和很高的吸附活性，滲透速度較土壤更快。在粉煤灰的形成過程中，由于表面張力作用，粉煤灰大部分顆粒為空心微珠；微珠表面凹凸不平，微孔較小，極不均勻；還有一部分因在溶融狀態(tài)下互相碰撞而連接，形成粗糙表面，棱角較多的蜂窩狀粒子[13]。這種高溫狀態(tài)下熔融體與氣體共同作用形成蜂窩狀微觀形態(tài)，是粉煤灰容重低、孔隙度大及比表面積大的原因?；瘜W(xué)特性上，粉煤灰的pH值，變化范圍在4.5～12.0之間，很大程度上取決于燃燒煤中的硫含量，這是因?yàn)橛糜谌紵旱念愋陀绊懛勖夯抑械牧蚝縖14]。干排灰的pH值可達(dá)11.0以上，但大多數(shù)濕排灰pH值為7.7～8.7。貯灰場中經(jīng)過長期風(fēng)雨侵蝕的濕灰pH值、鹽度及潛在毒性微量元素等皆低于干灰。因此，進(jìn)行土壤改良時(shí)，應(yīng)采用貯灰場中長期儲存過的濕灰，以減輕粉煤灰可能帶來的毒副作用。通常粉煤灰的鹽度較高，可溶性鹽含量一般在0.16%～3.30%之間，而且具有比土壤更高的電導(dǎo)率。另外，粉煤灰粒徑分布范圍廣、比表面積大、具有多孔結(jié)構(gòu)，有較好的物理吸附性能，其分子結(jié)構(gòu)中存在大量硅、鋁的活性點(diǎn)，能與吸附物質(zhì)通過化學(xué)鏈或離子結(jié)合而產(chǎn)生化學(xué)吸附作用[15]。

2 粉煤灰改良及修復(fù)土壤的機(jī)理

粉煤灰改良及修復(fù)土壤主要利用自身特殊的理化性質(zhì)改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力，同時(shí)對土壤環(huán)境起到修復(fù)凈化作用；與其他固體廢棄物(如污泥、牲畜糞便等)配施修復(fù)和改良土壤時(shí)，能兼顧改良后土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)的全面優(yōu)化，使土壤營養(yǎng)供應(yīng)比例均衡。但改良或修復(fù)不同類型的土壤時(shí)，粉煤灰的改良機(jī)理也會有所不同。

2.1 粉煤灰對土壤物理特性改良

粉煤灰對土壤物理性質(zhì)的改良主要是改變孔隙率、降低容重、改善土體結(jié)構(gòu)和提高土層內(nèi)表面的溫度等。粉煤灰的施入能使黏土的物理性質(zhì)得到改善，土壤變得疏松多孔，提高土壤的透氣性，從而促進(jìn)作物生長、提高產(chǎn)量[8]。沙質(zhì)土壤中施用粉煤灰，其細(xì)小顆粒能填到沙質(zhì)土壤的大孔隙中以改變孔隙的分布狀況，有效地減小土壤入滲能力、增強(qiáng)沙土持水性，避免了水土流失、提高了沙質(zhì)土壤的抗旱能力[16]。粉煤灰中可溶性鈣的含量高且粒度分布適當(dāng)，尤其是在 2～200 μm 范圍內(nèi)的粒徑百分比較高[17]，這些特性也可能有助于改善土壤的結(jié)構(gòu)特性。由于粉煤灰顏色偏灰黑色、吸熱性能好，有助于提高土層內(nèi)溫度。吳家華等研究表明，施用粉煤灰對5 cm和10 cm土層溫度影響較大，前者的溫度能提高 0.5～1.1 ℃不等；后者能提高0.5 ℃左右[18]。另外，粉煤灰自身存在離子交換作用和硬凝反應(yīng)，施入土壤后，還能降低土壤的脹縮效應(yīng)、提高土壤的強(qiáng)度，從而減小土壤的膨脹率，有利于防止土壤流失。

2.2 粉煤灰對土壤化學(xué)特性的改良

粉煤灰對土壤化學(xué)性質(zhì)的改良主要是改變土壤的pH值、鹽度和增加微量元素等。粉煤灰施入后，土壤pH值的變化程度取決于土壤初始pH值、粉煤灰的pH值、土壤的緩沖能力以及粉煤灰的中和能力。酸性粉煤灰中的三氧化物水解時(shí)會形成不溶于水的氫氧化物和可水解的酸，能降低堿性土壤的pH值，可用于改良堿性壤土。堿性粉煤灰中含有的堿性氧化物與水發(fā)生反應(yīng)生成堿，快速釋放出Ca2+、Na+、Al3+和OH-，實(shí)現(xiàn)土壤pH值的升高[19]，可用于改良酸性土壤。粉煤灰對土壤鹽度和微量元素的含量等也有重要影響。雖然粉煤灰?guī)缀醪缓琋元素，有效K和P的含量也有限，但粉煤灰含有多種植物所需的營養(yǎng)成分和微量元素，如Si、Ca、Mg和B等元素，施用于土壤可以提高土壤的營養(yǎng)水平，促使植物常量和微量營養(yǎng)元素供應(yīng)均衡。但是直接從電廠收集的未風(fēng)化干灰，施用于土壤可能會導(dǎo)致土壤和地下水中的鹽度升高，因?yàn)樾迈r的粉煤灰中可溶性鹽的濃度較高，可能會限制其利用[20-21]。經(jīng)過自然侵蝕風(fēng)化的粉煤灰，可溶性鹽和其他微量元素的濃度隨之降低，可減少不利影響。

2.3 粉煤灰對土壤微生物活性和酶活性的影響

粉煤灰主要是通過影響土壤的理化性質(zhì)來間接影響土壤中微生物和酶的活性，其自身的理化性質(zhì)可能也會影響土壤中微生物的生長繁殖。如粉煤灰作為改良劑添加到砂姜黑土后，由于增加了土壤孔隙度和土壤通透性、提高了地溫，從而促進(jìn)了好氣性微生物的大量繁殖，使微生物數(shù)量隨粉煤灰施入量的增加而增加[22]。杜慧玲等的研究表明，施用粉煤灰150 t/hm2以上時(shí)，能顯著提高土壤中各種微生物的數(shù)量，對土壤酶活性也有顯著的促進(jìn)作用[23]。但過量的使用粉煤灰，由于其理化特性如pH值、鹽度、硼和其他微量元素的毒性，也會限制微生物及植物的生長繁殖[24-25]。

3 粉煤灰對不同類型土壤的改良及修復(fù)

目前，有大量關(guān)于粉煤灰在土壤改良及修復(fù)方面的應(yīng)用研究，由于其組成和理化特性，粉煤灰可以直接用作不同類型土壤的改良劑，也可以與其他固體廢棄物聯(lián)合使用，幫助修復(fù)土壤污染、治理土地退化及荒地的復(fù)墾。

3.1 對耕地土壤的改良及修復(fù)

粉煤灰施用于耕地，利于保濕保墑、增強(qiáng)土壤中微生物活性、促進(jìn)養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，促使水、肥、氣、熱的協(xié)調(diào)，可為作物生長創(chuàng)造良好的土壤環(huán)境。此外，粉煤灰也能為作物提供物質(zhì)基礎(chǔ)和能量來源、促進(jìn)作物的生長、減少病害的發(fā)生、實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增收[26]。

利用粉煤灰和農(nóng)家堆肥配施改善旱作稻田，影響了土壤中氮元素的轉(zhuǎn)化率和硝化率，從而改變了土壤中氮元素的有效性，可以有效地提高稻田糧食產(chǎn)量[27]。粉煤灰還可作為水稻的調(diào)酸營養(yǎng)壯秧劑，能使水稻苗莖增粗0.16 mm，根增長0.5 cm，使水稻苗地上和地下部分干質(zhì)量均增加，增質(zhì)量率分別為90.91%和19.67%[28]。利用粉煤灰作為土壤改良劑，4 cm 厚度的粉煤灰施肥區(qū)內(nèi)，谷子增產(chǎn)24%，馬鈴薯增產(chǎn)9%[29]。Sikka等研究表明稻田里施用2%～4%的粉煤灰能顯著增加水稻植株中N、S、Ca、Na和Fe的含量[30]。土壤耕作層(0～15 cm)中施入5%～20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的粉煤灰，可使狼尾草和小麥的籽粒及秸稈產(chǎn)量增加[31]。粉煤灰(40 t/hm2)與解磷菌混合施用于土壤，能提高豆類作物的產(chǎn)量，促進(jìn)豆粒對磷的吸收，且對土壤中的菌群未見有害影響[32]。

土壤中適量或少量施用粉煤灰可使作物增產(chǎn)、收益增加，然而，由于粉煤灰含有重金屬和毒性物質(zhì)等，大量或過量施用會對作物的生長產(chǎn)生副作用[33]。如由于粉煤灰中高鹽度的影響，致使玉米的發(fā)芽率降低了15%～20%，75%的玉米發(fā)芽時(shí)間推遲2～3 d[34]。所以在利用粉煤灰改良農(nóng)業(yè)土壤時(shí)，粉煤灰的施用量應(yīng)控制在60～600 t/hm2，且應(yīng)該混合當(dāng)?shù)剡m宜的固體廢棄物協(xié)同交互作用以達(dá)到更好的改良效果[35-36]，使其不會造成土壤、糧食的污染，并且能對土壤的理化性質(zhì)和微生物活性產(chǎn)生積極影響，利于養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和作物的增收。

3.2 對鹽堿化土壤的改良及修復(fù)

土壤鹽堿化和板結(jié)是干旱、半干旱和半濕潤氣候區(qū)土地退化的主要原因，并威脅著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和綠色農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。強(qiáng)堿性會使土壤養(yǎng)分的有效性降低，惡化土壤的物理及生物性質(zhì)，會直接抑制土壤微生物的活性，造成植物生理干旱，影響植物對養(yǎng)分的吸收，導(dǎo)致鹽堿化地區(qū)植物類型單調(diào)，綠化面積大量減少，生態(tài)系統(tǒng)功能降低，最終引起嚴(yán)重的生態(tài)問題。如何對鹽堿化地區(qū)的土壤進(jìn)行治理，已成為國家關(guān)注的重要問題之一。

3.3 對礦區(qū)土壤的改良及修復(fù)

礦區(qū)土壤一般含有大量的尾礦、廢渣等重金屬含量很高的廢棄物，缺少植物所需的氮、磷、鉀和有機(jī)物等營養(yǎng)元素，而且在礦業(yè)開采過程中破壞了土體結(jié)構(gòu)，使植物難以附著生長，導(dǎo)致了礦區(qū)及周邊的生態(tài)環(huán)境被破壞。

在礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)的過程中，首要問題是土壤基質(zhì)改良和結(jié)構(gòu)重塑。因?yàn)槿绻麩o法提供適宜的土壤環(huán)境，植被生態(tài)恢復(fù)就可能無法實(shí)現(xiàn)[40]。而粉煤灰特殊的理化性狀，以及其富含硅、磷、鉀等營養(yǎng)元素和礦物質(zhì)，使之不僅能改善土壤結(jié)構(gòu)，而且能補(bǔ)充土壤中缺乏的營養(yǎng)元素和礦物質(zhì)，提高土壤肥力[41]。Srivastava等以蘇丹草和燕麥作為指示作物，盆栽試驗(yàn)結(jié)果證明粉煤灰具有修復(fù)酸性煤礦廢棄地的能力[42]；馬彥卿等通過一系列的研究表明，在80%鋁礦床底板土中加入20%粉煤灰的處理是復(fù)墾地人工再造耕作層的最佳配比，同時(shí)通過1年和2年培肥后土壤肥力的檢測，顯示出粉煤灰作為復(fù)墾地人工再造耕層的改性材料，提高了土壤培肥效果，縮短了復(fù)墾周期，具有改良土壤的作用[43]。馬首臣等利用粉煤灰和菌渣配施改良礦井水污染的土壤，不僅改善了土壤中微生物和酶活性，而且顯著提高了小麥的成穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量、產(chǎn)量和收獲指數(shù)[44]。

大量研究表明，粉煤灰作為土壤改性材料改良礦區(qū)土壤是可行的。但是針對礦區(qū)土壤中重金屬污染問題，能否利用粉煤灰的物理吸附特性和化學(xué)吸附作用來解決還需進(jìn)一步探索研究。

3.4 對沙化土壤的改良及修復(fù)

沙化地區(qū)土壤的滲透性較強(qiáng)，持水能力較弱，大量的營養(yǎng)元素被淋濾，致使土壤肥力下降，生產(chǎn)力低下，不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和植被生長。同時(shí)，由于土壤風(fēng)蝕現(xiàn)象十分嚴(yán)重，造成地表結(jié)構(gòu)破壞，土壤表層有限的營養(yǎng)元素流失，導(dǎo)致了一系列生產(chǎn)、生活和生態(tài)環(huán)境問題[45-46]。利用粉煤灰改良沙化土壤，可以減小土壤的滲透率，增強(qiáng)土壤的持水能力，提高土壤養(yǎng)分，改善土壤的質(zhì)地、結(jié)構(gòu)特性以及微生物種群結(jié)構(gòu)。目前，已有很多利用粉煤灰與其他固體廢棄物配施改良沙化土壤的研究。Pathan等研究表明沙土中添加粉煤灰可使土壤持水能力增加3倍，而土壤導(dǎo)水率極大降低[47]?；魰跃妊芯苛朔勖夯液统鞘形勰嗯涫└牧蓟哪寥缹Τ炙阅艿挠绊懕砻?，施用粉煤灰和城市污泥后，土壤的飽和含水率提高約1倍，持水時(shí)間提高7 d左右[48]。黃崗等利用粉煤灰和城市污泥配施對毛烏素沙漠南緣的沙漠土進(jìn)行了土壤改良試驗(yàn)，結(jié)果表明粉煤灰和城市污泥配施顯著提高了土壤養(yǎng)分含量，大大改善了土壤的物理性質(zhì)，降低了沙漠土的容重和pH值，增加了孔隙度，明顯提高了保水保肥性，節(jié)約用水45%～48%[49]。李禎等對粉煤灰和城市污泥改良沙化土壤前后的微生物區(qū)系進(jìn)行了比較，研究發(fā)現(xiàn)，在一定時(shí)間內(nèi)改良后土壤中微生物數(shù)量較對照組增加幅度顯著，細(xì)菌、放線菌、真菌數(shù)量分別增加79.53%～589.76%、46.53%～270%、61.92%～143.59%，且微生物數(shù)量增加的幅度隨著時(shí)間的延長呈上升的趨勢[50]。上述研究證明了采取以“廢”治“退”的措施進(jìn)行沙化治理是可行的，這對沙漠地區(qū)的農(nóng)作物種植、生態(tài)環(huán)境恢復(fù)具有重要意義，也使固體廢棄物得以資源化利用。

3.5 對其他類型土壤的改良及修復(fù)

粉煤灰不僅在上述類型土壤改良修復(fù)中有廣泛的研究與應(yīng)用，在其他很多類型土壤的改良及修復(fù)中均有應(yīng)用。粉煤灰可以用于荒地(鈉質(zhì)土、酸性土壤等)的開墾[51-52]，在初始pH值約為5的酸性土壤中加入3%的C類粉煤灰，1周后可使其pH值升高到7，土壤中的可交換陽離子和營養(yǎng)元素也都得以提高，這些改變對該土壤中植物的生長均是有益的[53]。粉煤灰和家禽糞便配施有助于侵蝕土地的修復(fù)，且對土壤養(yǎng)分狀況和環(huán)境無不利影響[54]。粉煤灰和城市污泥配施改良石漠化土壤，可以提高土壤的持水性能，增加土壤的氮、磷養(yǎng)分，顯著增加羊茅的生物量，是治理石漠化促進(jìn)生態(tài)恢復(fù)的一種有效方法[55]。粉煤灰可以改良黏質(zhì)石灰性褐土，施用一定量的粉煤灰，可以明顯改善土壤的質(zhì)地、容重、孔隙度和土壤水分狀況，增強(qiáng)土壤微生物活性，提高土壤養(yǎng)分有效庫容[56]。

粉煤灰還可以作為受污染土壤的改良劑，對污染土壤的重金屬固化以及作物對重金屬的吸收都有積極的影響。金漫彤等在土壤聚合物中摻加30%的粉煤灰用以固化重金屬離子，使得Cu2+、Zn2+和Pb2+的理想固化量分別達(dá)到了2.0%、1.3%和1.4%，且固化體具有良好的后期穩(wěn)定性和抗酸性[57]。歐根能等通過盆栽試驗(yàn)表明，添加粉煤灰能明顯降低對重金屬的吸收，當(dāng)添加20 g/kg的粉煤灰時(shí)，小白菜對Cu2+、Zn2+、Pb2+和Cr2+的吸收量可分別降低57%、66%、53%和54%。粉煤灰還可以用于除去氟化物，因?yàn)榉勖夯抑械腁l2O3、Fe2O3和CaO均與氟吸附能力呈正相關(guān)關(guān)系，對氟化物有滯留作用，所以利用粉煤灰改良修復(fù)高氟區(qū)土壤是可行的[58]。

4 存在的問題

由于耕地土壤自身的質(zhì)地、試驗(yàn)研究開展較早以及田間試驗(yàn)易實(shí)施推廣，粉煤灰在耕地土壤的改良及修復(fù)上的應(yīng)用已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段，而且在土壤理化和微生物學(xué)特性改善及作物增產(chǎn)增收方面均取得了良好的效果。而粉煤灰在其他類型土壤的改良及修復(fù)上的應(yīng)用研究仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，雖然試驗(yàn)研究結(jié)果證明應(yīng)用粉煤灰改良及修復(fù)土壤是可行的，效果是理想的，但在推廣及實(shí)際應(yīng)用上仍存在一些問題和困難，還需要進(jìn)一步研究探索。

目前，粉煤灰在各類型土壤改良及修復(fù)中主要存在以下問題：(1)粉煤灰施用量的控制問題。應(yīng)該根據(jù)粉煤灰自身性質(zhì)、土壤類型及土壤的理化性質(zhì)，進(jìn)行系統(tǒng)細(xì)致的試驗(yàn)研究以確定粉煤灰的施用量，避免盲目行為，合理科學(xué)地應(yīng)用粉煤灰改良修復(fù)土壤；除此之外，還應(yīng)開展粉煤灰對土壤-地下水-作物系統(tǒng)的環(huán)境影響評價(jià)，考慮土壤的環(huán)境容量，確保不會出現(xiàn)二次污染問題。(2)粉煤灰中的重金屬對土壤的污染問題。施用粉煤灰有可能導(dǎo)致作物體內(nèi)富集重金屬或造成作物毒害，施用過多，還有可能造成地下水或土壤表層的重金屬污染。研究表明1次適量施用或適量施用粉煤灰后短期內(nèi)不會造成重金屬污染[59]。但是關(guān)于連續(xù)多次適量施用以及適量施用粉煤灰后在較長時(shí)間內(nèi)是否會造成土壤及地下水的重金屬污染，目前未有較為細(xì)致的研究。(3)粉煤灰與其他固體廢棄物聯(lián)合施用的配比問題。由于粉煤灰中幾乎不含氮元素和有機(jī)質(zhì)，單一施用粉煤灰改良沙化土壤無法均衡供應(yīng)土壤營養(yǎng)。粉煤灰與其他固體廢棄物聯(lián)合使用可彌補(bǔ)其單一施用的不足，但固體廢棄物的種類、配比及聯(lián)合使用方式均會影響改良效果。因此，應(yīng)通過積極研究選出適宜的固體廢棄物、合適的配比以及合理的聯(lián)合使用方式，以使改良效果達(dá)到最佳；同時(shí)應(yīng)注意這些固體廢棄物對環(huán)境的影響及污染風(fēng)險(xiǎn)問題。(4)目前粉煤灰對各類型土壤的改良及修復(fù)大多集中在實(shí)驗(yàn)室研究階段，應(yīng)該進(jìn)行實(shí)際規(guī)模的小試、中試以及進(jìn)一步推廣應(yīng)用到各種土壤的改良及修復(fù)中，理論研究和實(shí)際實(shí)施相結(jié)合才能更快更好地推動粉煤灰在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的有效合理應(yīng)用。

5 應(yīng)用展望

近年來，許多研究還在積極地尋找粉煤灰在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域利用的新途徑。筆者針對內(nèi)蒙古西部地區(qū)煤炭循環(huán)利用與沙化治理的重大需求，提出“煤基固廢-土壤修復(fù)-能源植物-沙化治理”的循環(huán)經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新思路，研發(fā)煤基固廢協(xié)同利用土壤建造技術(shù)，形成具有我國西部特色的煤基固廢與能源植物耦合綜合治理沙化與生態(tài)修復(fù)技術(shù)模式。這樣不僅可以解決粉煤灰等固體廢棄物的堆放污染環(huán)境與資源浪費(fèi)問題，還可以使區(qū)域沙漠化得到整體遏制，為粉煤灰的應(yīng)用研究提供了一個新的思路，實(shí)現(xiàn)粉煤灰的資源化綜合利用，提高經(jīng)濟(jì)環(huán)保效益，緩解土地資源危機(jī)。

[1]Ahmaruzzaman A. A review on the utilization of fly ash[J]. Progress in Energy and Combustion Science，2010，36(3)：327-363.

[2]蔣武燕，宋世杰. 粉煤灰在土壤修復(fù)與改良中的應(yīng)用[J]. 煤炭加工與綜合利用，2011(3)：57-61.

[3]Mukherjee A B，Zevenhoven R，Bhattacharya P，et al. Mercury flow via coal and coal utilization by-products：a global perspective[J]. Resources Conservation Recycle，2008，52(4)：571-591.

[4]Bhattacharjee U，Kandpal T C. Potential of fly utilization in India[J]. Energy，2002，27：151-166.

[5]Mittraa B N，Karmakarb S，Swain D K，et al. Fly ash-a potential source of soil amendment and a component of integrated plant nutrient supply system[J]. Fuel，2005，84(11)：1447-1451.

[6]劉可星，廖宗文. 粉煤灰的農(nóng)用開發(fā)及其意義[J]. 粉煤灰綜合利用，1997(1)：44-46.

[7]?；ㄅ?，李勝榮，申俊峰，等. 粉煤灰與若干有機(jī)固體廢棄物配施改良土壤的研究進(jìn)展[J]. 地球與環(huán)境，2006，34(2)：27-34.

[8]嚴(yán)彩霞，董健苗. 粉煤灰在農(nóng)業(yè)方面的利用[J]. 粉煤灰綜合利用，2001(5)：41-44.

[9]Dewey G R，Sutter L L，Sandell J F. Reactivity based approach for classifying fly ash[J]. American Power Conference，1996，6：1-4.

[10]Vassilev S V，Vassileva C G. A new approach for the classification of coal fly ashes based on their origin，composition，properties，and behavior[J]. Fuel，2007，86(10)，1490-1512.

[11]Matti S S，Mukhopadhyay T M，Gupta S K，et al. Evaluation of fly ash as a useful material in agriculture[J]. Journal of the Indian Society of Soil Science，1990，38(2)：342-344.

[12]Sudha J，Dinesh G. Fly ash as a soil ameliorant for improving crop production：a review[J]. Bioresource Technology，2006，97(9)：1136-1147.

[13]楊劍虹，車福才，王定勇，等. 粉煤灰的理化性質(zhì)與農(nóng)業(yè)化學(xué)行為的研究[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，1997，3(4)：341-348.

[14]Pandey V C，Singh N. Impact of fly ash incorporation in soil systems[J]. Agriculture，Ecosystems and Environment，2010，136(1)：16-27.

[15]王小英，韓 寶. 粉煤灰治理污染物的機(jī)理及應(yīng)用[J]. 中國資源綜合利用，2002(3)：19-22.

[16]趙 亮，唐澤軍，劉 芳. 粉煤灰改良沙質(zhì)土壤水分物理性質(zhì)的室內(nèi)試驗(yàn)[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29(9)：1951-1957.

[17]Yunusa I A M，Eamus D，Desilva D L，et al. Fly-ash：an exploitable resource for management of Australian agricultural soils[J]. Fuel，2006，85(16)：2337-2344.

[18]吳家華，劉寶山，董云中，等. 粉煤灰改土效應(yīng)的研究[J]. 土壤學(xué)報(bào)，1995，32(3)：334-340.

[19]Wong J W C，Wong M H. Effects of fly-ash on yields and elemental composition of two vegetables，BrassicaparachinensisandB.Chinensis[J]. Agricultural Ecosystem Environment，1990，30(3-4)：251-264.

[20]Haynes R J. Reclamation and revegetation of fly ash disposal sites-challenges and research needs[J]. Journal of Environment Management，2009，90(1)：43-53.

[21]Malik A，Thaplial A. Eco-friendly fly ash utilization：potential for land application[J]. Critical Reviews in Environmental Science and Technology，2009，39(4)：333-366.

[22]馬新明，王小純，丁 軍，等. 粉煤灰改良砂姜黑土對麥田生態(tài)因子及重金屬殘留的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2001，12(4)：610-614.

[23]杜慧玲，李戀卿，潘根興，等. 粉煤灰結(jié)合施肥對土壤微生物和酶活性的效應(yīng)[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2001，10(1)：20-22.

[24]Carlson C L，Adriano D C. Environmental impacts of coal combustion residues[J]. Journal of Environmental Quality，1993，22(2)：227-247.

[25]Klubek B，Carison C L，Oliver J，et al. Characterization of microbial abundance and activity from three coal ash basins[J]. Soil Biology and Biochemistry，1992，24(11)：1119-1125.

[26]王兆鋒，馮永軍，張蕾娜. 粉煤灰農(nóng)業(yè)利用對作物影響的研究進(jìn)展[J]. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003，34 (1)：152-156.

[27]Singh J S，Pandey V C，Singh D P. Coal fly ash and farmyard manure amendments in dry-land paddy agriculture field：effect on N-dynamics and paddy productivity[J]. Applied Soil Ecology，2011，47(2)：133-140.

[28]孫克剛，孫克振. 粉煤灰磁化復(fù)合肥中有害元素在菜類作物中的富集情況[J]. 河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2000(3)：33-34.

[29]秦梅枝，曹江營，張樹禮，等. 利用粉煤灰種植農(nóng)作物的試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，1996，15(4)：170-172.

[30]Sikka R，Kansal B D. Effect of fly-ash application on yield and nutrient composition of rice，wheat and on pH and available nutrient status of soils[J]. Bioresource Technology，1995，51(2)：199-203.

[31]Grewal K S，Yadav P S，Mehta S C，et al. Direct and residual effect of fly ash application to soil on crop yields and soil properties[J]. Crop Research，2001，21(1)：60-65.

[32]Gaind S，Gaur A C. Impact of fly ash and phosphate solubilising bacteria on soybean productivity[J]. Bioresource Technology，2002，85(3)：313-315.

[33]Pandey V C，Abhilash P C，Upadhyay R N，et al. Application of fly ash on the growth performance and translocation of toxic heavy metals withinCajanuscajanL.：implication for safe utilization of fly ash for agricultural production[J]. Journal of Hazardous Materials，2009，166(1)：255-259.

[34]Ghodrati M，Sims J T，Vasilas B L. Evaluation of fly ash as a soil amendment for the Atlantic Coastal Plain：Ⅰ. Soil hydraulic properties and elemental leaching[J]. Water，Air，and Soil Pollution，1995，81(3/4)：349-361.

[35]汪海珍，徐建民，謝正苗，等. 粉煤灰對土壤和作物生長的影響[J]. 土壤與環(huán)境，1999，8(4)：305-308.

[36]Ram L C，Masto R E. Fly ash for soil amelioration：a review on the influence of ash blending with inorganic and organic amendments[J]. Earth-Science Reviews，2014，128：52-74.

[37]楊海儒，宮偉光. 不同土壤改良劑對松嫩平原鹽堿土理化性質(zhì)的影響[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36(20)：8715-8716.

[38]趙 旭，彭培好，李景吉. 鹽堿地土壤改良試驗(yàn)研究——以粉煤灰和煤矸石改良鹽堿土為例[J]. 河南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，39(4)：70-74.

[39]Angin I，Sahin U，Tunc T. Laboratory experiment concerning the use of fly ash as a reclamation material in saline-sodic soils[J]. Earth and Environmental Sciences，2011，6(2)：109-114.

[40]Ram L C，Srivastava N K，Tripathi R C，et al. Management of mine spoil for crop productivity with lignite fly ash and biological amendments[J]. Journal of Environmental Management，2006，79(2)：173-187.

[41]楊 丹，馬云東. 用粉煤灰對煤礦排土場土壤改良可行性研究[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，25(增刊1)：324-326.

[42]Srivastava A，Chhonkar P K. Amelioration of coal mine spoils through fly ash application as liming material[J]. Journal of Scientific and Industrial Research，2000，59：309-313.

[43]馬彥卿，李小平，馮 杰，等. 粉煤灰在礦山復(fù)墾中用于土壤改良的試驗(yàn)研究[J]. 礦冶，2000，9(3)：15-19.

[44]馬守臣，呂 鵬，邵 云，等. 粉煤灰和菌渣配施對礦井水污染土壤微生物學(xué)特性和小麥生長的影響[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2012，27(1)：207-211.

[45]Zhu Z M，Yang C，Cao M M，et al. Analysis on the soil factor and physiological response of the plants in the process of sandy desertification on grassland[J]. Acta Ecological Sinica，2007，27(1)：48-57.

[46]Zhao H L，Zhao X Y，Zhou R L，et al. Desertification processes due to heavy grazing in sandy rangeland，Inner Mongolia[J]. Journal of Arid Environments，2005，62(2)：309-319.

[47]Pathan S M，Aylmore L A G，Colmer T D. Properties of several fly ash materials in relation to use as soil amendments[J]. Journal of Environmental Quality，2003，32(2)：687-693.

[48]霍曉君，李 禎，李勝榮，等. 粉煤灰和城市污泥配施改良荒漠土壤的持水性影響研究[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境，2005，19(6)：168-172.

[49]黃 崗，遲祖望，楊曉梅. 固體廢棄物配施改良沙漠土的可行性研究——以陜西省榆林市為例[J]. 礦物巖石地球化學(xué)通報(bào)，2008，27(1)：63-68.

[50]李 禎，毛新國，申俊峰，等. 城市污泥和粉煤灰配施影響沙化土壤微生物區(qū)系的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 地球與環(huán)境，2006，34(3)：38-43.

[51]Kumar D，Singh B. The use of coal fly ash in sodic soil reclamation[J]. Land Degradation & Development，2003，14(3)：285-299.

[52]Pandey V C，Abhilash P C，Singh N. The Indian perspective of utilizing fly ash in phytoremediation，phytomanagement and biomass production[J]. Journal of Environmental Management，2009，90(10)：2943-2958.

[53]Moon D H，Chang Y Y，Ok Y S，et al. Amelioration of acidic soil using various renewable waste resources[J]. Environmental Science and Pollution Research，2014，21(1)：774-780.

[54]Punshon T，Adriano D C，Weber J T. Restoration of drastically eroded land using coal fly ash and poultry biosolid[J]. Science of the total environment，2002，296(1)：209-225.

[55]諶金吾，孫一銘，張顯強(qiáng)，等. 污泥和粉煤灰的循環(huán)利用及其對石漠化土壤質(zhì)量的改善[J]. 中國巖溶，2012，31(3)：259-264，295.

[56]李戀卿，潘根興，杜慧玲，等. 粉煤灰改良黏質(zhì)石灰性褐土的效應(yīng)研究[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2001，20(3)：172-174.

[57]金漫彤，張 瓊，樓敏曉，等. 粉煤灰用于土壤聚合物固化重金屬離子的研究[J]. 硅酸鹽通報(bào)，2007，26(3)：467-471.

[58]歐根能，寧 平，楊月紅，等. 污泥、粉煤灰和石灰改良土壤對小白菜的影響[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32(8)：84-88.

[59]邢世和，趙振宇，周碧青. 粉煤灰濾泥混合物對土壤性質(zhì)、蘿卜產(chǎn)量與品質(zhì)的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2001，12(1)：121-125.

10.15889/j.issn.1002-1302.2017.02.001

2015-11-12

內(nèi)蒙古應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)資金項(xiàng)目(編號：20130428)；大唐國際高鋁煤炭研發(fā)中心委托項(xiàng)目(編號：201301018)。

趙 吉(1962—)，男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，博士，教授，主要從事環(huán)境生物技術(shù)與廢物資源化的研究。E-mail：ndzj@imu.edu.cn。

許繼飛，博士，副教授，主要從事廢物微生物資源化方面的研究。E-mail：Jifeixu@126.com。

S156

A

1002-1302(2017)02-0001-05

趙 吉，康振中，韓勤勤，等. 粉煤灰在土壤改良及修復(fù)中的應(yīng)用與展望[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45(2)：1-6.