煙氣脫硫石膏改良新疆鹽堿化土壤應用在棉花種植的優(yōu)勢分析與前景展望

江宜霖，李煜

（1新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團生態(tài)環(huán)境第一監(jiān)測站，新疆 烏魯木齊 830000；2新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團生態(tài)環(huán)境第二監(jiān)測站，新疆 阿拉爾 843300）

新疆是中國最大產(chǎn)棉區(qū)，2019年棉花種植面積為254.1×104hm2，隨著水資源的日益缺乏，滴灌種植技術(shù)的大面積長期應用，造成土地鹽堿化問題日益嚴重。煙氣脫硫石膏是燃煤熱電廠煙氣脫硫的副產(chǎn)物，有來源廣、價格低等優(yōu)勢，通過合理的資源化利用，可有效改良土壤鹽堿化問題。本文研究煙氣脫硫石膏改良土壤應用在新疆棉花種植的優(yōu)勢和存在的問題，展望煙氣脫硫石膏改良土壤應用在新疆棉花種植發(fā)展前景。

1 新疆鹽堿地基本情況

新疆地處中國西北，位于歐亞大陸腹地，“三山夾二盆”地形呈現(xiàn)出山脈與盆地相間排列，盆地被高山環(huán)繞的獨特自然地理環(huán)境，使新疆成為干旱和鹽堿的高發(fā)區(qū)。鹽堿地的根源是土壤中的鹽和堿，一般是指含鹽量在0.2%以上，或者土壤膠體吸附一定數(shù)量的交換性鈉，堿化度在20%以上，影響作物正常生長的土壤，也稱為鹽漬土。土壤鹽堿化會極大影響耕地的經(jīng)濟效益，經(jīng)濟效益降低還會引發(fā)諸多社會問題和生態(tài)環(huán)境問題[1]。新疆是中國最大的鹽堿土區(qū)，據(jù)2001年統(tǒng)計，新疆鹽堿土面積為2181.4×104hm2，占全國鹽堿土總面積（9913×104hm2）的22%；在新疆407.0×104hm2耕地中，有122.6×104hm2耕地受不同程度鹽漬化危害，占總耕地的30.1%，其中受到中度、重度鹽漬化威脅的低產(chǎn)田占總耕地的22%；全國1031.75×104hm2宜農(nóng)荒地中，受鹽堿影響面積達515.11×104hm2，占總宜農(nóng)荒地的一半[2]。在過去50年，新疆累計開墾鹽堿荒地340.0×1104hm2，而實際保留面積僅186.7×104hm2，近一半的新開墾鹽堿地因次生鹽堿化問題而棄耕。土地鹽堿化問題已成為新疆農(nóng)業(yè)發(fā)展的最大瓶頸之一，嚴重影響新疆社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

2 煙氣脫硫石膏改良鹽堿土壤應用在新疆棉花種植的優(yōu)勢

2.1 煙氣脫硫石膏是改良新疆鹽堿土壤經(jīng)濟效益較高的方式

2.1.1 目前新疆改良鹽堿土壤方式中存在的問題

新疆主要以水利工程改良鹽堿土壤，該方式存在三大問題：一是常年“重灌輕排”的觀念，導致大量排水設(shè)施荒廢棄用，沒有配套的排水設(shè)施無法有效排出鹽堿；二是排鹽水會造成灌區(qū)下游地下水高于臨界線，土地次生鹽漬化加重；三是新疆淡水資源已無法滿足現(xiàn)有的耕地使用，該方式已無法支持大面積應用，且停止洗鹽排堿后，這些土地又會發(fā)生鹽漬化問題。隨著滴灌的大規(guī)模應用，滴灌條件下水量較小，難以有效淋洗鹽分，鹽分無法深入向下轉(zhuǎn)移到非耕層，導致常年滴灌的土地累計的鹽分更多[3]，進一步加劇土地的鹽堿化問題，大面積種植棉花的土地已面臨新的威脅。

2.1.2 多種鹽堿土壤改良方式的經(jīng)濟效益分析

土壤鹽堿化改良措施一般分為：水利工程改良、生物改良、農(nóng)業(yè)改良和化學改良。水利工程改良和農(nóng)業(yè)改良已在新疆生產(chǎn)實踐中應用多年，化學改良和生物改良還未大范圍應用，是目前的主要研究方向。比較各種方式優(yōu)劣勢，農(nóng)業(yè)改良雖然成本較低，但改善土壤鹽漬化效果不明顯；生物改良雖能降低土壤含鹽量，但因其經(jīng)濟效益較低不宜廣泛推行；水利工程改良效果較好，但需要大量資金投入基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，棉花為一年一季的植物，一般選擇在春季和冬季灌溉洗鹽，因新疆的氣候特性，只能在春灌和冬灌期使用水庫的儲存水資源，對水庫庫容的要求很高，此外以前修建的排水渠因滴灌和防滲渠的建設(shè)荒廢較多，如要恢復又需大量的資金；化學改良見效快，可使用天然鹽類，方便大范圍推廣和技術(shù)應用。利用化學改良的方法研發(fā)出高經(jīng)濟效益的化學土壤改良劑，是目前水利工程改良和農(nóng)業(yè)改良的補充，是經(jīng)濟效益較高的選擇。陳義群等[4]研究闡述天然改良劑、合成改良劑、天然-合成共聚物改良劑、生物改良劑的應用效果和存在的問題，天然改良劑改良效果有限，加之持續(xù)期短及儲量限制等問題，人工合成的高分子化合物的高成本及潛在環(huán)境污染風險限制其廣泛應用。

新疆幅員遼闊，各類改良劑的運輸成本也需特別考慮，煙氣脫硫石膏和天然石膏的主要成分都是二水硫酸鈣晶體（CaSO4·2H2O），加之煙氣脫硫石膏是煙氣脫硫過程的副產(chǎn)品，具有產(chǎn)生量大且穩(wěn)定、粒度細、成分穩(wěn)定、有害雜質(zhì)含量少、主要成分含量高、價格低廉等特點，高品質(zhì)煙氣脫硫石膏的品質(zhì)和細度甚至優(yōu)于天然石膏，因此用煙氣脫硫石膏代替天然石膏是較好的選擇。此外，煙氣脫硫過程是采用“石灰-石灰石”回收燃煤或油的煙氣中二氧化硫的技術(shù)過程，一個30萬KW的燃煤電廠，按國家規(guī)定標準煤的含硫量為1%計算，每年可產(chǎn)出煙氣脫硫石膏近3萬噸，且新疆城市電力和供暖基本靠火電，只要有城市基本都有濕法脫硫工藝的電廠，煙氣脫硫石膏產(chǎn)量穩(wěn)定且分布廣。煙氣脫硫石膏改良鹽堿土壤對比其他改良方式只需簡單的加工處理就可應用，非常容易推廣。

2.2 煙氣脫硫石膏改良鹽堿化土壤特性應用于棉花種植的適用性

2.2.1 改良鹽堿化土壤機理

煙氣脫硫石膏改良鹽堿土壤是化學改良中的一種。鹽堿土壤中含有大量的Na+、K+等鹽基離子，Na+是強度很高的分散劑，會導致土壤團聚體穩(wěn)定性遭到破壞，使土壤粘粒和團聚體分散，土壤接壤結(jié)構(gòu)被破壞，易板結(jié)，透氣透水性變差，耕層土壤品質(zhì)下降，從而嚴重影響作物的生長。煙氣脫硫石膏的主要成分CaSO4·2H2O是中溶性鹽，施用煙氣脫硫石膏后土壤中Ca2+和SO42-含量會隨之增加，Ca2+因其在土壤膠體中較高的吸附選擇性，能與交換性Na+和K+進行反應，降低Na+和K+離子濃度，從而產(chǎn)生改良鹽堿土壤的效果[5]。此外，煙氣脫硫石膏中含有豐富的植物必需的礦物質(zhì)營養(yǎng)如S、Ca、Si等[6]，有利于作物生長。國內(nèi)外有大量利用煙氣脫硫石膏改良鹽堿土的理論研究，清華大學已在國內(nèi)多個地區(qū)利用其對大面積堿化土壤進行改良，均有良好效果，其中土壤重度堿化區(qū)改良效果較好，中度堿化區(qū)土壤也有所改良[7]。但煙氣脫硫石膏改良會使土壤含鹽量增加，需要進一步研究其對不同作物的影響。

2.2.2 不同鹽、堿度和各類離子濃度對棉花生長的影響

棉花是新疆最主要的經(jīng)濟作物，滴灌種植方式已在新疆推廣多年，土壤含鹽量因滴灌逐年增加，Na+占陽離子總量及土壤pH值逐年遞增[8]，土壤堿化問題日益嚴重。土壤含鹽量高時，植物器官和組織因大量的非營養(yǎng)離子（Na+、Mg+等陽離子和Cl-等陰離子）進入被破壞，難以有效吸收營養(yǎng)成分。高堿性鹽堿土中，土壤中難溶性磷酸鹽比例增加，磷的有效性降低。土壤中有機質(zhì)含量隨鹽堿程度降低，有機質(zhì)分解產(chǎn)物的減少進一步降低土壤中磷元素的有效性。此外高堿性還會導致鋅、錳等微量元素有效性降低[9]。劉秋辰等[10]研究發(fā)現(xiàn)，鹽濃度對耐鹽植物的生長影響有臨界值，適宜濃度的鹽脅迫會提高出苗率及加快生長；鹽濃度高于臨界值才會影響植物生長。謝德意等[11]研究表明在一定鹽脅迫下棉花種子發(fā)芽率增加，棉花愈傷組織的生長加快，棉籽萌發(fā)率低的原因主要是外界溶液滲透壓過高導致種子吸水不足，而非高濃度鹽脅迫下鹽離子的毒性。董元杰等[12]研究表明高濃度NaCl對棉花幼苗的鮮重、株高、根長和干重都有很大影響，而低濃度NaCl的影響并不大。辛承松等[13]研究表明棉花生長周期內(nèi)各種無機鹽的危害程度依次為：MgSO4＞Mg-Cl2＞Na2CO3＞Na2SO4＞NaCl＞NaHCO3；在單獨一種或多種混合的鹽漬環(huán)境中，對棉花生長的影響主要體現(xiàn)在陰離子濃度，各陰離子濃度的影響程度依次為：CO32-＞Cl-＞SO42-。

2.2.3 應用于棉花種植的適用性分析

煙氣脫硫石膏施入鹽堿耕地中，在5年內(nèi)可有效降低表層土壤pH值，電導率較未施用有所降低，有機質(zhì)含量較未施用升高[14]。劉娟等[15]研究表明滴灌條件下施入煙氣脫硫石膏，能置換土壤中的Na+，耕層土壤中Na+向深層土壤聚集，耕層土壤中Na+濃度明顯下降，耕層土壤改良效果明顯，能有效促進作物生長發(fā)育，且不會對土壤造成重金屬污染。煙氣脫硫石膏中的Ca2+可與CO32-反應生成不溶于水的碳酸鈣，也可置換出Na+，降低Na2CO3、NaCl、NaHCO3和NaSO4含量從而減輕Na+對棉花的危害。煙氣脫硫石膏雖然會提升土壤的含鹽量，但一定濃度的鹽脅迫對棉花生長是有利的，因此科學的施用量會對棉花生長產(chǎn)生促進作用。

2.3 煙氣脫硫石膏改良鹽堿化土壤施用方式應用于棉花種植的適用性分析

2.3.1 改良鹽堿化土壤的施用量和安全性

石婧等[16]研究表明煙氣脫硫石膏施用量在1～3t·667m-2均能降低土壤容重且增加土壤孔隙度，增加土壤中大團聚體的數(shù)量，降低土壤pH和土壤鹽基離子，其中2t·667m-2對小麥的增產(chǎn)效果較好，經(jīng)濟效益較高。姜同軒等[17]研究表明煙氣脫硫石膏施用量5t·667m-2的情況下土壤中重金屬含量也未超過相關(guān)標準的限量，改良未對土壤環(huán)境造成污染；改良后種植油菜，分析其根、莖、葉中的重金屬含量，均未超過相關(guān)標準的限量，且棉花不用于食物，也不用于畜禽養(yǎng)殖飼料，能保證充分的安全性。

2.3.2 棉花種植灌溉方式能充分發(fā)揮煙氣脫硫石膏改良鹽堿化土壤的效果

邢秀芹等[18]研究表明煙氣脫硫石膏在不同的灌溉方式下均能有效提高出苗率和產(chǎn)量，其中在大水量灌溉浸泡中效果更顯著。棉花種植普遍采用春、冬灌水的方式保熵，能充分發(fā)揮煙氣脫硫石膏改良鹽堿地的效果。

2.3.3 棉花種植耕作深度與煙氣脫硫石膏改良鹽堿化土壤高效施用深度重合

肖國舉等[19]研究表明秋季深施（25cm）煙氣脫硫石膏對降低土壤堿性、促進油葵生長發(fā)育和提高產(chǎn)量效果明顯，并建議秋季深施脫硫石膏并進行冬灌；劉東洋等[20]研究表明脫硫石膏混合0～40cm土層時更利于棉花增產(chǎn)，其中0～20cm土層施入30t·hm-2脫硫石膏和0～40cm土層施入30t·hm-2脫硫石膏較不施用脫硫石膏棉花分別增產(chǎn)29.60%和47.54%。新疆種植棉花需進行深翻作業(yè)，犁地深度一般為25cm以上，這與煙氣脫硫石膏改良鹽堿化土壤的高效施用深度重合。

3 存在問題

土地鹽堿化雖已成新疆棉花種植的重要影響因素，但目前煙氣脫硫石膏改良土壤在新疆棉花種植中并未廣泛推廣。探究原因可能為以下幾點：

3.1 市場需求不夠迫切

棉花本身為耐鹽堿植物，目前推廣的耐鹽堿品種還能適應當前的土壤鹽堿程度，加之科學種植方法的推廣，廣大棉花種植戶對改良土壤的需求不夠迫切。

3.2 缺少指導性規(guī)范與地方標準

雖然有大量煙氣脫硫石膏改良鹽堿土壤的理論研究，但在新疆還未廣泛應用到實際生產(chǎn)中。多數(shù)研究數(shù)據(jù)僅代表少數(shù)試驗田或?qū)嶒炇覂?nèi)情況，缺少針對新疆鹽堿地棉花種植的專項研究。也沒有針對不同鹽堿土壤情況下的不同作物形成一套完善的煙氣脫硫石膏施用時間、施用量、施用方式的指導性規(guī)范，無法科學推廣，導致其未得到大規(guī)模應用。

3.3 煙氣脫硫石膏的局限性

煙氣脫硫石膏屬于固體廢棄物，其品質(zhì)受煙氣除塵系統(tǒng)效率和石灰石質(zhì)量的影響較大，因其顆粒過細、含水率高，較易粘附在相關(guān)運輸與包裝設(shè)備上，在裝載、運輸?shù)倪^程應注意避免污染環(huán)境。

3.4 科技工作未形成良性循環(huán)

煙氣脫硫石膏大規(guī)模應用推廣中存在一個普遍難題，即科研成果難以轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實生產(chǎn)力。農(nóng)業(yè)技術(shù)的推廣離不開專業(yè)的技術(shù)推廣人員和分析人員，加之與廣大農(nóng)民的充分交流，為農(nóng)民做好服務，需要大量資金和時間。且少有企業(yè)能通過實踐經(jīng)驗將技術(shù)成果轉(zhuǎn)化提高為經(jīng)濟效益，導致科技工作未形成良性循環(huán)。

4 前景展望

土壤鹽堿化導致新疆糧食每年減產(chǎn)約7.2億公斤，約占全年糧食總產(chǎn)量的8.6%；使棉花減產(chǎn)652.5萬公斤，約占全年棉花總產(chǎn)量的9%，造成經(jīng)濟損失約35億元，占全年種植業(yè)總產(chǎn)值的8%左右。因此，煙氣脫硫石膏改良土壤關(guān)鍵技術(shù)的實施、推廣與輻射，對提升鹽堿耕地的生產(chǎn)力，開發(fā)鹽堿地資源，促進就業(yè)，脫貧解困，保障社會穩(wěn)定長治久安的國家戰(zhàn)略目標具有重要意義。

2016年5月，國務院印發(fā)《關(guān)于土壤污染防治行動計劃的通知》提出推動鹽堿地土壤改良，自2017年起在兵團等地開展利用燃煤電廠脫硫石膏改良鹽堿地試點。2020年7月1日起實施的《煙氣脫硫石膏》（GB/T 37785-2019）標準規(guī)定了煙氣脫硫石膏的分級和標記、技術(shù)要求、實驗方法、檢驗規(guī)則及包裝、標志運輸與貯存，有效規(guī)范脫硫石膏的品質(zhì)，從源頭上為煙氣脫硫石膏改良鹽堿技術(shù)的推廣奠定基礎(chǔ)。石河子大學兵團綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室已對脫硫石膏改良鹽堿地進行多年研究，于2015年在石河子片區(qū)啟動大田試驗，數(shù)據(jù)顯示，改良效果顯著，有效提升作物的出苗率和產(chǎn)量。

新疆鹽漬化耕地情況最嚴重的區(qū)域是南疆，鹽堿地是制約南疆農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展和民生改善的主要瓶頸，也是生態(tài)環(huán)境改善的難點和重點。鹽堿地分布與貧困有著強烈的重疊性，在“十四五”全面推進鄉(xiāng)村振興、加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的政策背景下，要充分發(fā)揮農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化對致富的輻射帶動作用。煙氣脫硫石膏改良新疆鹽堿化土壤應用在棉花種植上具有廣闊發(fā)展前景，利用各種新技術(shù)改良鹽堿土壤對南疆的農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展具有積極意義。