硅鈣鉀鎂肥的研發(fā)生產(chǎn)及在果樹上的應(yīng)用

馬存金，陳劍秋，李明麗，王偉，高文勝*

(1.金正大生態(tài)工程集團(tuán)股份有限公司/養(yǎng)分資源高效開發(fā)與綜合利用國家重點實驗室，山東臨沂 276700；2.山東省果茶技術(shù)推廣站；3.菏澤金正大生態(tài)工程有限公司)

中國是世界磷肥生產(chǎn)第一大國，中國磷礦資源儲量雖大，但富礦少，中低品位礦多，生產(chǎn)磷酸副產(chǎn)品磷石膏的堆存量和消化難度大，制約著中國乃至世界磷肥行業(yè)發(fā)展[1]；同時，中國水溶性鉀資源僅占世界總儲量的1.6%，而難溶性鉀資源約1000億t，鉀肥資源相對短缺，亟需開發(fā)利用[2]，亟需新的工藝技術(shù)解決磷石膏無序堆放和缺鉀難題，并實現(xiàn)磷鉀資源綜合利用。

目前中國16個省區(qū)約216萬km2酸性土壤，約占全國耕地面積的21%，而部分地區(qū)果園酸化嚴(yán)重，且呈現(xiàn)日益加劇態(tài)勢，威脅果實品質(zhì)的提高和果業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，亟需研發(fā)新型土壤調(diào)理劑[3]。

硅鈣鉀鎂肥是磷石膏、鉀長石等在高溫下煅燒而形成的堿性土壤調(diào)理劑，不僅能調(diào)酸改土，還能補(bǔ)充多種大、中、微量元素，可有效克服石灰等易造成土壤板結(jié)的不足，在多種作物上應(yīng)用效果較好[4]，且對土壤環(huán)境影響小，實現(xiàn)了磷鉀資源的綜合利用，是一種新型的環(huán)保型土壤調(diào)理劑。介紹了硅鈣鉀鎂肥的研發(fā)與生產(chǎn)背景、意義及現(xiàn)狀，簡述了硅鈣鉀鎂肥在果樹上的應(yīng)用，并展望了硅鈣鉀鎂肥的發(fā)展前景，以期為磷鉀資源的高效開發(fā)利用和硅鈣鉀鎂肥等新型土壤調(diào)理劑的進(jìn)一步研究和應(yīng)用提供依據(jù)。

1 硅鈣鉀鎂肥的研發(fā)與生產(chǎn)

1.1 背景及意義

磷礦石是生產(chǎn)磷肥和磷化工產(chǎn)品的重要原料，中國磷礦資源約占世界磷礦資源的30%，已查明磷礦資源儲量約176億t，磷礦資源儲量雖大，但富礦少，中低品位礦多，大多分布在云、貴、川、鄂4省。利用低品位磷礦制取磷酸生產(chǎn)過程排出的磷石膏，屬于固體廢棄物，通常每生產(chǎn)磷酸(以100%P2O5計)1t產(chǎn)生副產(chǎn)物磷石膏4.5～5.0t[5]。中國磷石膏消化不足40%，堆存量已超過3億t，且每年新產(chǎn)生量約5000萬t，大量磷石膏的堆存除占用大面積土地外，還可能帶來粉塵、地下水和土壤污染等環(huán)境問題，成為制約中國乃至世界磷肥行業(yè)發(fā)展的一大瓶頸[6]。

中國可溶性鉀礦資源嚴(yán)重缺乏，僅占世界總量的1.6%，年進(jìn)口量高達(dá)400萬t；但不溶性鉀礦資源卻異常豐富[7]，其儲量約1000億t。不溶性含鉀巖石多以鉀長石及其他硅酸鹽巖石形式存在，鉀提取和活化方法主要有壓熱法、高溫?fù)]發(fā)法、直接法、離子交換法、低溫酸解法、微生物法和焙燒法等[8]。在眾多提鉀方法中，焙燒法具有較大的研究和應(yīng)用前景，此法利用廉價的石膏和石灰石等資源，且工藝條件簡單，無腐蝕性，得到的鉀鹽為可溶性鉀鹽，并且可將鉀長石中的硅元素轉(zhuǎn)化為有效態(tài)硅肥，實現(xiàn)資源再利用[9]。因此，綜合開發(fā)利用中國豐富的不溶性鉀長石資源，生產(chǎn)國內(nèi)短缺的鉀肥和硅肥，具有現(xiàn)實意義。

1.2 硅鈣鉀鎂肥研發(fā)與生產(chǎn)現(xiàn)狀

目前，中國對磷鉀資源的利用主要集中在制備水泥、石膏、陶瓷等建材方面[10]，而將其制備肥料及土壤調(diào)理劑的研究相對較少。林維佳等[11]通過混合焙燒的方法活化低品位磷礦，制備出一種含有磷、硅、鈣、 鎂、硫養(yǎng)分的酸性土壤調(diào)理劑，既可補(bǔ)充多種養(yǎng)分，又可改良酸性土壤，其中磷礦中磷轉(zhuǎn)化率為90.4%。華南理工大學(xué)石林等[12]利用鈣基工業(yè)固體廢棄物與富鉀硅酸鹽礦物復(fù)合生產(chǎn)的硅鈣鉀土壤調(diào)理劑，產(chǎn)品中富含有效態(tài)的硅、鈣、鉀、鐵、鋅等大中微量元素，pH值呈堿性，且重金屬含量達(dá)標(biāo)。

中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所[13]以富鉀巖石為原料，在高壓反應(yīng)釜中通過水熱化學(xué)反應(yīng)工藝，將其活化、細(xì)化、膨化而轉(zhuǎn)化成類似于天然風(fēng)化土壤的新型鉀硅鈣微孔礦物肥料，具有細(xì)化程度高、疏松膨化性好和長效緩釋的特點，施入土壤中能緩慢釋放硅、鈣、鉀等多種營養(yǎng)元素，使改良中國南方酸性土壤，提升土壤綜合肥力，提高作物品質(zhì)和食品安全、發(fā)展生態(tài)友好型可持續(xù)農(nóng)業(yè)成為可能。

貴州大學(xué)資源化工研究所[14]歷經(jīng)幾十年的鉆研，對不溶性含鉀硅酸鹽巖石的開發(fā)利用取得重大突破，通過“粉磨制塊隧道窯燒結(jié)工藝”法生產(chǎn)硅鈣鉀肥，解決了中國鉀肥和優(yōu)質(zhì)硅肥短缺的問題；該工藝技術(shù)先將鉀長石和石灰石進(jìn)行破碎，配料混勻后再經(jīng)粉磨、加水壓制成塊，然后在隧道窯中高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)塊料經(jīng)破碎粉磨后得硅鈣鉀肥產(chǎn)品；整個生產(chǎn)過程無任何廢渣、廢水產(chǎn)生，燃燒窯的氣體經(jīng)處理后無任何公害。

市場已有硅鈣鉀肥生產(chǎn)工藝存在的主要問題是由于成球在立窯中高溫煅燒，容易造成燒結(jié)溫度不均勻，鉀的平均轉(zhuǎn)化率不高，且燒結(jié)物在爐內(nèi)易發(fā)生結(jié)大塊、粘爐壁和漏生料等現(xiàn)象[15]，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。金正大生態(tài)工程集團(tuán)股份有限公司通過自主研發(fā)[16]，將傳統(tǒng)濕法生產(chǎn)磷酸的副產(chǎn)品磷石膏經(jīng)煅燒制備出粉狀半水石膏，再與經(jīng)過粉磨處理的鉀長石及焦碳按比例進(jìn)行均勻混配，然后送入旋風(fēng)預(yù)熱器中與窯尾尾氣進(jìn)行換熱升溫，預(yù)熱后的物料進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯中完成分解、燒成，后經(jīng)破碎、粉磨后與磷尾礦按比例混配成硅鈣鉀鎂肥產(chǎn)品。相較于傳統(tǒng)硅鈣鉀肥生產(chǎn)工藝，此項技術(shù)以中和促解為核心，采用窯尾尾氣預(yù)熱及粉體混合燒成的方式，解決了上述反應(yīng)不均勻等問題，具有巨大的生產(chǎn)和開發(fā)利用價值。

金正大生態(tài)工程集團(tuán)股份有限公司以磷石膏、磷尾礦、鉀長石等為原料制備適用于酸性土壤的硅鈣鉀鎂肥，變廢為寶，并通過開發(fā)應(yīng)用及產(chǎn)品大田推廣，構(gòu)建了磷石膏綜合利用修復(fù)酸性土壤障礙的技術(shù)體系[17]；該技術(shù)成果通過中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會組織的專家鑒定，核心技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先，起草制定了硅鈣鉀鎂肥國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 36207-2018)和磷石膏國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 23456-2018)，建成了國內(nèi)首套年產(chǎn)60萬t硅鈣鉀鎂肥聯(lián)產(chǎn)硫酸的生產(chǎn)裝置并穩(wěn)定運(yùn)行；該產(chǎn)品得到了多個省份農(nóng)科院和農(nóng)業(yè)主管部門領(lǐng)導(dǎo)和專家的認(rèn)可，在貴州、江西、湖南、廣東等全國主要酸性土壤區(qū)域，在柑桔、香蕉、蔬菜和水稻等作物上累計推廣硅鈣鉀鎂肥37.87萬hm2(568萬畝)，實現(xiàn)農(nóng)田新增產(chǎn)值1.99億元，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益及社會效益[6]。

2 硅鈣鉀鎂肥在果樹上的應(yīng)用

近十幾年，由于有機(jī)肥投入不足和以氮肥為主的速效肥盲目和大量施用，造成部分地區(qū)果園酸化嚴(yán)重，且呈現(xiàn)日益加劇的態(tài)勢[18]。土壤酸化會明顯影響土壤微生物活動、有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化、營養(yǎng)元素有效性和土壤保肥能力等，影響果園土壤生產(chǎn)力和果樹生長發(fā)育，影響果實品質(zhì)的提高和產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[19]。改良土壤的方法很多，施用效果也不一致，雖然礦物型土壤調(diào)理劑的研發(fā)受到國內(nèi)外學(xué)者的青睞，但其研究多集中在石灰石、磷礦粉等傳統(tǒng)土壤調(diào)理劑[20]。施用石灰和天然磷礦粉雖有調(diào)理土壤的作用，但大量或長期施用不僅會引起土壤板結(jié)，還會引起土壤養(yǎng)分失衡，導(dǎo)致作物減產(chǎn)，甚至對環(huán)境造成一些不良影響[21]。硅鈣鉀鎂肥是磷石膏、鉀長石等在高溫下煅燒而形成的新型土壤調(diào)理劑，它不僅可以調(diào)節(jié)土壤酸堿度、改善土壤理化性狀，還能改善植株農(nóng)藝性狀，提高果實產(chǎn)量和品質(zhì)。

2.1 對果園土壤理化性狀的影響

硅鈣鉀鎂肥在改良土壤結(jié)構(gòu)及理化性狀、提高土壤pH和養(yǎng)分含量等方面作用明顯。秦旭等[22]研究表明，施用硅鈣鉀鎂肥后梨園土壤pH值提高0.66個單位，陽離子交換量，有效態(tài)氮、磷、鉀，交換性鈣、鎂含量也明顯提升；高文勝[23]等在甜櫻桃上施用硅鈣鉀鎂肥可提高果園土壤pH值0.73個單位，有效緩解土壤pH值的下降，每666.7m2硅鈣鉀鎂肥用量75kg較為適宜。酸性土壤施用硅鈣鉀鎂肥可明顯提高蜜柚果園的土壤pH值，且硅鈣鉀鎂肥用量越高，土壤pH值提高越明顯[24]。

2.2 對果樹生長及產(chǎn)量的影響

硅鈣鉀鎂肥在改良酸化土壤的同時，還能促進(jìn)作物生長發(fā)育，改善植株農(nóng)藝性狀，提高果實產(chǎn)量。桃樹施用硅鈣鉀鎂肥促進(jìn)了桃樹枝條的發(fā)育，提高了桃產(chǎn)量，每666.7m2硅鈣鉀鎂肥用量75kg時產(chǎn)量最高，增產(chǎn)達(dá)24.98%[25]；硅鈣鉀鎂肥能顯著增加香蕉葉片葉綠素含量和生物量，提高香蕉產(chǎn)量5.64%，以粉狀硅鈣鉀鎂肥品種效果較好[26]；紅棗施用硅鈣鉀鎂肥后葉片長、寬及葉面積明顯提高，果實產(chǎn)量比對照增加21.8%[27]。

2.3 對果實品質(zhì)的影響

研究表明，硅鈣鉀鎂肥在提高作物產(chǎn)量的同時，果實品質(zhì)也得到明顯改善。施用硅鈣鉀鎂肥能明顯提高葡萄的單果重、可溶性糖含量，其中最高處理分別提高 52.7%和14.5%，硅鈣鉀鎂肥用量以每666.7m2用量100kg為適宜[28]。施用硅鈣鉀鎂后蘋果果實Vc和可溶性糖含量分別提高21.9%和19%，且果形端正，大小均勻，果實著色率提高34.2%，優(yōu)果率提高25.6%，裂果、縮果、苦痘、畸形果明顯減少，果實品質(zhì)明顯改善[29]。栗方亮等[24]研究表明，施用硅鈣鉀鎂肥不僅能增加蜜柚果實可溶性糖、維生素C等物質(zhì)含量，還能降低果實酸度，提高果實糖酸比，其效果優(yōu)于石灰和鈣鎂磷肥等肥料。

2.4 施用技術(shù)

硅鈣鉀鎂肥呈堿性，在土壤中易被土壤溶液中的酸及作物根系分泌的酸逐漸分解被作物吸收利用。硅鈣鉀鎂肥中營養(yǎng)元素是枸溶性的(枸溶性肥料一般難溶于水,但可溶于2%檸檬酸)，作基肥比作追肥好，深施比淺施好，肥料應(yīng)施到根系分布最多的土層，盡量不作根外施肥[30]。秦旭等[31]連續(xù)5年以穴施、樹盤撒施并深翻、沿行條施、放射狀溝施 4 種方式增施硅鈣鉀鎂肥試驗表明，每666.7m2施用75kg硅鈣鉀鎂肥能提高桃品質(zhì)、改善土壤理化性狀，綜合效果以均勻撒施并深翻的效果為好；在櫻桃[32]上研究顯示，硅鈣鉀鎂肥土壤調(diào)理劑可在秋季或春季施用時，每666.7m2施用75kg，樹盤撒施并深翻20cm，且最好連續(xù)施用，并根據(jù)土壤情況決定施用年限。金正大生態(tài)工程集團(tuán)股份有限公司通過在山東及南方七省3年定位試驗，建議果樹施用硅鈣鉀鎂肥時均勻撒到樹盤內(nèi)，耕翻20cm，并避免其與作物根系、酸性肥料直接接觸，每666.7m2用量75～100kg，但實際應(yīng)用中要根據(jù)土壤地力水平和pH值調(diào)整。

3 硅鈣鉀鎂肥土壤調(diào)理劑的發(fā)展前景

硅鈣鉀鎂肥合理施用可有效阻止土壤酸化進(jìn)程，調(diào)節(jié)土壤pH，提高和活化土壤養(yǎng)分，改善果樹生長發(fā)育，提高果實產(chǎn)量和品質(zhì)，對于提升酸化土壤生產(chǎn)力、提高磷鉀資源利用水平和促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。近年來貴州大學(xué)、中國科學(xué)院、華南理工大學(xué)及金正大生態(tài)工程集團(tuán)股份有限公司等研究機(jī)構(gòu)及企業(yè)不斷攻克技術(shù)難題，創(chuàng)新硅鈣鉀鎂肥生產(chǎn)工藝及裝備，實現(xiàn)了磷鉀資源的綜合開發(fā)和高效利用，且整個生產(chǎn)過程生態(tài)環(huán)保、清潔無污染。

雖然硅鈣鉀鎂肥使用效果優(yōu)良，適用范圍較廣，但在實際開發(fā)推廣應(yīng)用中，仍存在運(yùn)輸半徑小、企業(yè)自身力量薄弱等問題，需要加強(qiáng)政企對接，加大其推廣范圍和力度[6]。一方面，政府可以通過專項資金、銀行貸款、財政補(bǔ)貼等方式，并制定相關(guān)政策，鼓勵支持硅鈣鉀鎂肥等新型土壤調(diào)理劑產(chǎn)品進(jìn)入市場；另一方面，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和磷肥化工企業(yè)可以在原料選擇與處理、反應(yīng)機(jī)制和工藝技術(shù)優(yōu)化方面進(jìn)行深入研究[33]，指導(dǎo)和建設(shè)一批大規(guī)模高質(zhì)量的硅鈣鉀鎂肥等土壤調(diào)理劑工業(yè)化生產(chǎn)示范裝置，促進(jìn)硅鈣鉀鎂肥等土壤調(diào)理劑產(chǎn)品的大范圍推廣應(yīng)用，推進(jìn)磷鉀資源的綜合開發(fā)利用并產(chǎn)業(yè)化。