脱硫石膏改良盐碱土技术发展历程与展望
赵永敢1,2,3, 王淑娟1,2,3, 李彦1,2,3, 刘嘉2,4, 禚玉群1,2,3    
1. 清华大学 能源与动力工程系, 北京 100084;
2. 北京市盐碱及荒漠化地区生态修复与固碳工程技术研究中心, 北京 100084;
3. 清华大学 山西清洁能源研究院, 太原 030032;
4. 华清农业开发有限公司, 北京 100084
摘要:利用脱硫石膏改良盐碱土, 既开辟了脱硫石膏资源化利用的新途径, 又为盐碱土改良提供了新方法。该文回顾了利用脱硫石膏改良盐碱土技术的起源及20多年发展历程, 系统总结了脱硫石膏改良盐碱土基础理论、关键技术、短期和长期效应、环境安全性及产业化应用实践, 针对目前国内外相关研究存在的问题和大面积应用过程中面临的难题, 展望了该项技术研究。为了更好地利用脱硫石膏对我国大面积盐碱土进行高效安全治理, 建议降低单位土地面积脱硫石膏施用量、增加长期定位试验点位和制定脱硫石膏农业应用的国家标准。
关键词盐碱土    烟气脱硫石膏    农业应用    环境安全    
Prospects of using flue gas desulfurization gypsum to ameliorate saline-alkaline soils
ZHAO Yonggan1,2,3, WANG Shujuan1,2,3, LI Yan1,2,3, LIU Jia2,4, ZHUO Yuqun1,2,3    
1. Department of Energy and Power Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;
2. Beijing Engineering Research Center for Ecological Restoration and Carbon Fixation of Saline-alkaline and Desert Land, Beijing 100084, China;
3. Shanxi Research Institute for Clean Energy, Tsinghua University, Taiyuan 030032, China;
4. Tsinghua Agriculture Co., Ltd., Beijing 100084, China
Abstract: The application of flue gas desulfurization (FGD) gypsum to ameliorate saline-alkaline soils not only provides a new use for FGD gypsum, but also provides a new method for improving saline-alkaline soils. This paper reviews the development of this technology for ameliorating saline-alkaline soils over the past 20 years including the basic theory, key technologies, short and long-term effects, environmental safety and industrialized applications of treating saline-alkaline soils with FGD gypsum. This paper also presents the future research needs to address current problems for large-scale applications. Efficient and safe treatments of large saline-alkaline soil areas using FGD gypsum should reduce the application rate of FGD gypsum per unit land area, increase long-term positioning of test points and formulate national standards for agricultural application of FGD gypsum.
Key words: saline-alkaline soil    flue gas desulfurization gypsum    agricultural utilization    environmental safety    

盐碱土分布区生态系统脆弱、环境承载力低,素有“地球之癣”之称,严重制约当地的国民经济和社会发展[1-2]。改良盐碱土是实现“绿水青山”,做大“金山银山”的有力措施之一。然而,盐碱土类型多样、成因复杂,时空变化较大,亟需研发快速、经济、长效的生态治理技术。基于天然石膏改良盐碱土原理,前人提出利用燃煤电厂烟气脱硫石膏改良盐碱土[2-4],并在其降低土壤盐碱危害、改善土壤结构和提高作物产量等方面取得了长足进展[4-8]。这不仅开辟了脱硫石膏资源化利用的新途径,而且为盐碱土改良提供了新技术,集中体现了生态修复、环境保护和循环经济的国家战略,是一项兼顾生态、经济、社会效应的多赢成果。

目前,利用脱硫石膏改良盐碱土技术已经得到广泛应用,其关键技术已充分融入盐碱土改良工程项目,并已成功落地我国盐碱土典型分布区。本文回顾了利用脱硫石膏改良盐碱土技术的起源和20多年发展历程,系统总结了脱硫石膏改良盐碱土的基础理论、关键技术、短期和长期效应、环境安全性及其产业化应用实践,展望了脱硫石膏改良盐碱土技术研究的前景,可为我国大面积盐碱土的高效安全治理提供理论依据和技术支撑。

1 脱硫石膏改良盐碱土技术起源

脱硫石膏是燃煤电厂采用石灰石-石膏湿法脱硫工艺对烟气进行脱硫后产生的副产物,其主要成分与天然石膏基本相同,但其纯度更高、粒径更细、颗粒均匀度更好[4]。发达国家在20世纪80年代末就产生大量脱硫石膏,同时对其资源化利用进行了广泛研究。初期以工业用途为主[9],后有学者将脱硫石膏用来修复矿区土壤和改良酸性土壤,发现其可提高土壤pH值,降低Al和Mn毒害,增加作物产量[10-11]。对此,美国在20世纪90年代建立了农业利用脱硫石膏研究网络[9],2008年由其环保局发文支持脱硫石膏的农业应用[12]。2016年,美国脱硫石膏的农用量已经占总用量的4.2%[13],美国农业部还将其列为最佳管理实践[9]

我国燃煤烟气脱硫技术研发起步较晚,但脱硫石膏产量增长较快。1999年第一台具有自主知识产权的脱硫设备在辽宁沈阳化肥总厂建立,2004年SO2排放限量标准出台后,我国脱硫石膏年产量急剧增加,2013年已经突破7 550万t[4],近两年虽有减少但也都保持在7 000万t以上[14]。然而,我国脱硫石膏的资源化利用水平一直落后于发达国家,目前综合利用率低于80%,且区域失衡严重,西部经济欠发达地区综合利用率更低。与国外相似,我国脱硫石膏的资源化利用途径以工业、建筑等行业为主。为了开辟新的资源化利用途径,清华大学徐旭常院士和东京大学定方正毅教授等于1995年提出利用脱硫石膏改良盐碱土[4, 5, 9],并通过盆栽试验和小区试验对我国东北地区苏打盐碱土进行了改良[6-8],取得了良好的改土、促生和增产效果(见图 1图 2)。自此开始,国内外众多学者开始关注并展开利用脱硫石膏改良盐碱土的科学研究。

图 1 脱硫石膏改良盐碱土盆栽试验[14]

图 2 脱硫石膏改良盐碱土小区试验[14]

2 脱硫石膏改良盐碱土理论与技术 2.1 基础理论

脱硫石膏的主要成分与天然石膏相似,均为石膏(CaSO4·2H2O)。在利用天然石膏改良盐碱土技术原理研究过程中,前人相继提出了3个化学反应方程式[9]

${\rm{N}}{{\rm{a}}_{\rm{2}}}{\rm{C}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}}{\rm{ + CaS}}{{\rm{O}}_{\rm{4}}} \to {\rm{CaC}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}} \downarrow {\rm{ + N}}{{\rm{a}}_{\rm{2}}}{\rm{S}}{{\rm{O}}_{\rm{4}}}, $ (1)
$\begin{array}{c} {\rm{2NaHC}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}}{\rm{ + CaS}}{{\rm{O}}_{\rm{4}}} \to {\rm{CaC}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}} \downarrow {\rm{ + }}\\ {\rm{N}}{{\rm{a}}_{\rm{2}}}{\rm{S}}{{\rm{O}}_{\rm{4}}}{\rm{ + C}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}} \uparrow {\rm{ + }}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}}, \end{array} $ (2)
${\rm{2Ex - N}}{{\rm{a}}^{\rm{ + }}}{\rm{ + CaS}}{{\rm{O}}_{\rm{4}}} \to {\rm{Ex - C}}{{\rm{a}}^{{\rm{2 + }}}}{\rm{ + N}}{{\rm{a}}_{\rm{2}}}{\rm{S}}{{\rm{O}}_{\rm{4}}}. $ (3)

式中,Ex- 表示土壤交换性离子,下同。

在此基础上,利用脱硫石膏改良盐碱土过程中还存在4个反应方程式:

${\rm{MgC}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}}{\rm{ + CaS}}{{\rm{O}}_{\rm{4}}} \to {\rm{CaC}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}} \downarrow {\rm{ + MgS}}{{\rm{O}}_{\rm{4}}}, $ (4)
$\begin{array}{c} {\rm{Mg}}{\left( {{\rm{HC}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}}} \right)_{\rm{2}}}{\rm{ + CaS}}{{\rm{O}}_{\rm{4}}} \to {\rm{CaC}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}} \downarrow {\rm{ + }}\\ {\rm{MgS}}{{\rm{O}}_{\rm{4}}}{\rm{ + C}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}} \uparrow {\rm{ + }}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}} \end{array} $ (5)
${\rm{Ex - M}}{{\rm{g}}^{{\rm{2 + }}}}{\rm{ + CaS}}{{\rm{O}}_{\rm{4}}} \to {\rm{Ex - C}}{{\rm{a}}^{{\rm{2 + }}}}{\rm{ + MgS}}{{\rm{O}}_{\rm{4}}}, $ (6)
${\rm{2Ex - }}{{\rm{K}}^{\rm{ + }}}{\rm{ + CaS}}{{\rm{O}}_{\rm{4}}} \to {\rm{Ex - C}}{{\rm{a}}^{{\rm{2 + }}}}{\rm{ + }}{{\rm{K}}_{\rm{2}}}{\rm{S}}{{\rm{O}}_{\rm{4}}}{\rm{.}} $ (7)

因此,脱硫石膏改良盐碱土技术原理主要包括“盐类转化”和“离子置换”两种类型化学反应。其中,盐类转化是将土壤中对植物毒害性较大的碳酸盐和重碳酸盐转化为毒害性相对较小的硫酸盐;离子置换是将土壤交换性离子(Na+、K+和Mg2+)转化为水溶性离子,再通过灌排措施将盐分离子从土壤表层淋洗至底层或排除土体,从而实现土壤降碱和脱盐。

脱硫石膏改良盐碱土是盐类转化和离子置换协同作用的结果,但盐类转化反应速度要快于离子置换,因而优先进行。在盐类转化反应阶段,脱硫石膏溶解的Ca2+将与土壤中的CO32-和HCO3-发生化学反应,生成新的反应产物。当反应产物在土壤中累积过多时会引发同离子效应,减少脱硫石膏的溶解量,还会增大土壤中Na+/Ca2+比值。在离子置换反应阶段,当Ca2+置换出来的Na+、K+和Mg2+大量积聚在土壤中时,会阻滞反应方程式(1)—(7)的正常进行,甚至会发生逆反应。因此,脱硫石膏改良盐碱土过程中还会存在以下反应方程式:

${\rm{x - C}}{{\rm{a}}^{{\rm{2 + }}}}{\rm{ + N}}{{\rm{a}}_{\rm{2}}}{\rm{S}}{{\rm{O}}_{\rm{4}}} \to {\rm{2Ex - N}}{{\rm{a}}^{\rm{ + }}}{\rm{ + CaS}}{{\rm{O}}_{\rm{4}}} \downarrow {\rm{, }} $ (8)
${\rm{Ex - C}}{{\rm{a}}^{{\rm{2 + }}}}{\rm{ + 2NaCl}} \to {\rm{2Ex - N}}{{\rm{a}}^{\rm{ + }}}{\rm{ + CaC}}{{\rm{l}}_{\rm{2}}}{\rm{.}} $ (9)

通常,施用脱硫石膏改良盐碱土后会存在一定浓度的反应产物Na2SO4,这会降低CaCl2的稳定性,进而降低其改良效果,反应方程式如下:

${\rm{N}}{{\rm{a}}_{\rm{2}}}{\rm{S}}{{\rm{O}}_{\rm{4}}}{\rm{ + CaC}}{{\rm{l}}_{\rm{2}}} \to {\rm{2NaCl + CaS}}{{\rm{O}}_{\rm{4}}}{\rm{.}} $ (10)

脱硫石膏施入盐碱土后,在水分的溶解作用下其形态会由固相变成液相,进而起到改良盐碱土的作用。一般情况下,土壤中会存在两种平衡[14]:一是固相石膏与液相石膏的平衡,当土壤中没有反应物可以与液相石膏发生作用时,固相石膏与液相石膏将达到平衡,此时即便施入更多的固相石膏,也不会对此平衡产生较大的影响;二是液相石膏与反应物的平衡,当反应物消耗殆尽或产物浓度达到抑制化学反应正常进行时,液相石膏与反应物也会达到平衡。然而,这两种平衡在土壤中动态存在,一旦条件改变就会打破原有平衡关系,同时建立新的平衡关系。其中,液相石膏兼顾两种平衡关系,其去向问题直接关系到脱硫石膏改良盐碱土的效果。通常,液相石膏的去向主要有两个方面[14]:一是有效的转化,即发生正向的化学反应,实现改良表层与深层土壤的目的;二是无效的渗漏损失,即未经化学反应就被迁移出目标土层甚至被淋洗出土体。因此,提高液相石膏转化率、降低渗漏率,有助于实现脱硫石膏快速及长效治理盐碱土的目标。

2.2 关键技术

在实际应用过程中,适宜的施用量、施用时期和施用方法是脱硫石膏改良盐碱土的关键。基于脱硫石膏改良盐碱土的基础理论,陈昌和等[2-3]提出了施用量计算方法,公式如下:

$W = 0.5{C_1} + {C_2} + {\rm{ }}{C_3} + {C_4} + 0.5{C_5}. $ (11)

式中,W为脱硫石膏施用量(mmol),C2C3分别表示Ex-Na+和Ex-Mg2+在土壤中间交换Na+和Mg2+含量(mmol/kg),C3C4C5分别表示Mg(HCO3)2、Na2CO3和NaHCO3在土壤中的含量(mmol/kg)。

然而,公式(11)需要检测的土壤指标偏多,且计算过程繁杂,导致其在应用过程中实用性欠佳。对此,通过大量的数据分析和多年多地区的应用实践,李彦等[15]提出了更为简便的脱硫石膏施用量计算方法,公式如下:

$W = (0.087\;28 \times {\rm{ESP}} + 0.441{\rm{ }}2) \times H \times D/\left( {\eta \times 10} \right). $ (12)

式中,W为脱硫石膏施用量(kg/m2),ESP为土壤碱化度(%),H为土壤改良深度(m),D为土壤容重(kg/m3),η为脱硫石膏中CaSO4·2H2O的含量(%)。土壤pH值与碱化度之间往往会存在一定的相关性,且pH值的测定方法较为便捷。因此,在野外条件下或大面积改良盐碱土时,可先根据不同地区土壤pH值与碱化度的关系式计算出碱化度,再用公式(12)计算脱硫石膏施用量。

通常,改良盐碱土壤时仅以表层(0~20 cm)土壤作为目标土层,并按此计算及施用脱硫石膏。然而,土壤盐碱化不只发生在表层土壤,其他土层土壤的盐碱化问题也不能忽略。在利用脱硫石膏改良盐碱土时,深施(25 cm)要比浅施(10 cm)的改土增产效果更加明显[16]。在灌水资源欠缺和土壤含水量相对较低条件下,需要提前施用脱硫石膏,或适当增加施用量才能达到预期改良效果[17]。因此,在我国北方盐碱地区,一般在秋季施用脱硫石膏,然后进行灌水压盐,次年春季再进行种植。盐碱程度相对较高的地块,春季种植前还需进行灌水洗盐,或结合滴灌、喷灌等节水灌溉技术。

目前,脱硫石膏的施用方式以地表撒施为主,但往往会因为缺乏专用机械装备而导致撒施不均匀,从而降低了盐碱土改良效果。在旱作条件下,作物普遍采用带状种植方式。对此,可将脱硫石膏集中施用在作物根系周围,集约化改良根际土壤。Zhang等[18]研究发现,条施脱硫石膏可显著提高其施用周围土壤水溶性和交换性Ca2+含量,降低土壤pH值和碱化度,且改土深度比传统地表撒施方式提高1倍以上。

3 脱硫石膏改良盐碱土作用效果 3.1 短期效应

前人通过大量的试验研究了脱硫石膏对不同地区、不同类型盐碱土的改良效果,充分肯定了其快速降低土壤碱害的作用[19]。在土壤严重碱化的条件下,脱硫石膏施用当年即可显著降低土壤pH值、碱化度和钠吸附比,提高作物产量[20-21]。在土壤盐化和碱化双重胁迫的条件下,施用脱硫石膏也可显著降低土壤碱化指标含量[22-23]。然而,关于脱硫石膏降低土壤盐害的研究结果差异较大。多数研究结果表明[24-25],脱硫石膏可通过2个途径降低土壤盐害:一是将土壤中对植物毒害较大的碳酸盐、重碳酸盐转化为毒害较小的硫酸盐,二是通过改善土壤结构促进土壤脱盐。也有研究结果表明,脱硫石膏施用后会增加土壤盐分总量[23, 26],在旱地土壤中尤为明显。对比研究发现,灌排条件不同是导致脱硫石膏施用后土壤脱盐效果差异的主要原因。在灌排良好条件下,这些盐分可随水淋溶至深层土壤中或排出土体;但在灌排条件欠佳的地方,盐分可能累积在浅层土壤中,逐渐向表层土壤聚集。对此,只要有效地调控土壤水盐运移,就可增强脱硫石膏的脱盐效果。

脱硫石膏对土壤结构的影响也备受学者关注,并认为Ca2+在置换Na+和促进其洗脱的同时也能够在黏粒与有机质之间起到阳离子桥键作用,促进单粒胶结形成微团聚体[27]。施用脱硫石膏可增强矿质土粒的团聚作用,提高土壤机械稳定性和水稳性团聚体数量[27],且作用效果随施用量增加而增大[28-29]。此外,施用脱硫石膏可促进表层土壤新孔隙形成,增加土壤渗透性[28-30]。然而,也有报道称脱硫石膏施用当年对土壤团聚体无明显改善[31]或仅能改善表层土壤[25, 32],施用量过大还会降低土壤饱和导水率[28-29],并推测可能是由于石膏颗粒及置换出来的盐分离子淀积在土壤中,从而阻碍土壤脱盐,甚至加剧土壤盐碱障碍,但缺乏直接证据。

3.2 长期效应

目前,关于脱硫石膏改良盐碱土的研究大多停留在室内模拟或小区试验层面,关注点也多数集中在短期效应,而长期效应研究结果鲜见报道。其力格尔等[33]在内蒙古土默川平原研究发现,脱硫石膏施用5年后0~20 cm土层碱化度和全盐量保持稳定而pH值略有回升,20~40 cm土层全盐量和pH值保持稳定而碱化度呈现回升趋势,但这些指标明显低于对照,仍能保持一定的改土效果。陈虹等[34]在新疆玛纳斯河流域研究发现,脱硫石膏施用当年土壤pH值、电导率较对照有所降低,但可增加有机质含量;第3年仍能保持显著的改土效果,第5年土壤pH值和电导率略有回升,但明显低于对照。Luo等[35]研究发现,施用脱硫石膏8年后可显著降低表层土壤pH值和电导率,增加微团聚体的有机碳含量和微生物活性,从而提高了团聚体稳定性。

笔者在内蒙古托克托县伍什家乡的长期定位试验结果显示,脱硫石膏施用后第1年对不同碱化程度土壤的改良及促生、增产效果均显著高于对照;第2年和第3年继续发挥了显著的作用效果,且对重度碱化区的作用效果比轻度和中度碱化区更加明显[4, 8, 36];第17年,脱硫石膏处理仍保持明显的改土、培肥和增产效果,且其作用效果向深层(>20 cm)土壤迁移[13, 37]。在宁夏平罗县西大滩镇的长期定位试验结果显示,脱硫石膏施用后第1年向日葵出苗率达到57%,籽粒产量高达1 059 kg/hm2,而对照处理绝产;第3年,土壤盐碱指标含量与周边农田无明显差异;第12年,脱硫石膏处理的表层土壤pH值和碱化度分别比对照降低0.7个单位和13个百分点,作物产量也达到了当地中高产水平。在吉林省大安市四棵树乡的长期定位试验结果显示,脱硫石膏施用7年后表层土壤pH值、碱化度和钠吸附比显著低于基础值,盐碱土改良深度达到40 cm;前4年为快速降碱脱盐阶段,第5年开始为效果维持阶段[38]

4 脱硫石膏改良盐碱土环境安全性 4.1 重金属限量要求

施用脱硫石膏改良盐碱土是否会带来环境安全风险,一直是社会各界高度关注的问题。目前,我国尚无脱硫石膏重金属的限量标准,通常人们将《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》[39]作为判断脱硫石膏是否可以用于改良盐碱土的标准。笔者对我国北方地区37家燃煤电厂的98份样品的检测结果显示(见表 1),脱硫石膏中Cd、Hg、As、Pb和Cr含量平均值低于土壤污染风险筛选值和管控值。然而,脱硫石膏中Cd、Hg、As含量最高值已经超过风险筛选值,但远低于风险管控值。鉴于脱硫石膏与磷石膏的主成分相同,因而可参照《磷石膏土壤调理剂》[40]行业标准,98份脱硫石膏样品中5项重金属含量都低于限量要求。此外,脱硫石膏中F、Cl和Na含量过高也会对植物造成潜在危害,尤其是在盐碱土中。对比文[41]提出的限量参考值,98份脱硫石膏样品中F、Cl和Na含量平均值低于参考值,但Cl和Na含量最高值超过参考值。

表 1 我国北方地区37家燃煤电厂98份脱硫石膏样品中重金属和有害元素含量
指标和标准 重金属含量/(mg·kg-1) 有害元素/%
Cd Hg As Pb Cr F Cl Na
最高值 0.70 4.20 29.95 31.50 29.24 0.20 0.72 0.25
最低值 ND ND 0.01 ND 0.01 0.05 < 0.01 < 0.01
平均值 0.13 0.75 4.63 7.12 7.25 0.11 0.11 0.06
变异系数/% 122.35 127.58 117.74 105.43 109.37 38.06 133.40 112.16
GB 15618—2018风险筛选值(pH>7.5,其他)[39] 0.6 3.4 25 170 250
GB 15618—2018风险管制值(pH>7.5)[39] 4.0 6.0 100 1 000 1 300
HG/T 4219—2011[40] 10 5 50 200 500 0.3
限量参考值[41] 0.8 0.2 0.2
注:“ND”表示未检出,“—”表示无内容,下同。

脱硫石膏中重金属含量受燃煤种类、脱硫工艺及脱硫剂来源等因素影响较大,在施用之前必须对其重金属含量进行检测。有研究者提出,只要严格把控脱硫石膏质量,并进行科学施用,土壤环境安全风险就可得到有效控制[11, 42]。为了控制存在潜在安全风险的脱硫石膏进入土壤,中国农业科学院、清华大学等多家单位基于大量的样品检测与数据分析结果,在广泛征求行业专家和用户的意见后,共同起草了《土壤调理剂及使用规程—烟气脱硫石膏原料》农业行业标准(报批稿),提出了脱硫石膏作为土壤调理剂的指标要求和限量要求(见表 2)。

表 2 脱硫石膏土壤调理剂的指标和限量要求
指标要求 限量要求
W(CaO)/% ≥30.0 C(Cd)/(mg·kg-1) ≤2
W(S)/% 14.0~20.0 C(Hg)/(mg·kg-1) ≤2
pH(1∶250倍稀释) 5.5~8.0 C(As)/(mg·kg-1) ≤5
W(H2O)/% ≤5.0 C(Pb)/(mg·kg-1) ≤25
W(F)/% ≤0.2 C(Cr)/(mg·kg-1) ≤25
W(Na)/% ≤0.2

4.2 土壤环境质量安全

土壤环境质量安全是决定脱硫石膏能否广泛用于改良盐碱土的关键,土壤重金属含量一直是研究者关注的重点。Wang等[36]研究发现,脱硫石膏施用当年土壤Cd、Hg、As、Pb和Cr含量与对照处理无明显差异,且低于土壤环境质量标准。但有研究者提出,土壤重金属含量可能会随脱硫石膏施用量和施用年限的增加而累积[41]。然而,李彦等[5]在宁夏平原开展的连续5年定位监测结果显示,土壤重金属含量一直低于土壤环境质量标准,尽管As和Cd含量在施用当年略高于土壤本底值,但随着改良年限的增加逐渐恢复到本底值。通过在内蒙古河套平原开展的连续4年定位监测结果显示(表 3),大面积(600 hm2)施用脱硫石膏改良盐碱土并未出现土壤重金属累积现象[43]。在内蒙古土默川平原施用脱硫石膏17年后,土壤重金属含量与对照处理也无显著差异[13]

表 3 脱硫石膏施用后土壤重金属含量变化[43]
重金属含量/ (mg·kg-1) 含量(n=20) 采样时间(年/月) GB 15618—2018风险筛选值[39] (pH>7.5,其他)
2013/04 2013/11 2014/04 2014/10 2015/04 2015/10 2016/05 2016/10
Cd 最高值 0.30 0.52 0.53 0.11 0.25 ND ND 0.33 0.6
最低值 0.18 0.30 0.27 ND ND ND ND 0.12
平均值 0.21 0.44 0.38 0.03 0.11 ND ND 0.17
变异系数/% 16.39 14.04 21.63 76.26 89.62 ND ND 38.91
Hg 最高值 0.05 0.04 0.04 0.04 0.04 0.03 0.04 0.04 3.4
最低值 0.01 0.02 0.02 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01
平均值 0.03 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02
变异系数/% 46.85 30.69 35.42 42.79 46.29 35.93 51.83 41.92
As 最高值 19.98 6.00 16.09 17.87 15.20 15.39 14.68 15.74 25
最低值 1.14 3.78 5.04 14.31 9.33 12.70 12.00 11.87
平均值 10.05 4.55 10.43 16.13 12.99 13.82 13.13 14.58
变异系数/% 72.37 18.07 47.56 7.37 16.75 7.63 6.71 8.24
Pb 最高值 26.40 20.92 7.70 57.41 16.95 16.79 13.59 16.79 170
最低值 9.73 13.02 5.58 13.65 11.98 13.78 11.12 13.75
平均值 16.93 16.13 6.60 28.80 14.08 14.71 12.19 14.71
变异系数/% 45.14 16.52 11.06 53.81 10.34 6.85 6.85 6.85
Cr 最高值 69.84 69.11 107.61 69.60 40.78 46.66 83.24 43.60 250
最低值 45.05 15.98 28.55 45.52 29.25 35.08 32.37 27.28
平均值 55.57 32.06 59.62 57.65 35.85 40.20 51.42 34.90
变异系数/% 13.57 58.61 45.20 14.61 11.30 11.25 33.99 15.03

通常,利用脱硫石膏改良盐碱土一次性施入,若施用当年未增加土壤重金属含量,此后也将低于限量标准。然而,也有研究者提出不同的观点。Wang等[19]通过文献调研后提出,施用脱硫石膏后土壤Hg和Ni含量有所增加。Fu等[44]研究发现,土壤Hg含量随脱硫石膏施用量的增加而增大。目前,关于脱硫石膏改良盐碱土后是否会存在土壤环境质量安全风险的争议还比较大,需通过更多区域、更大面积地开展长期定位试验来进行验证。

4.3 农产品质量安全

检测脱硫石膏改良盐碱土后种植产出的农产品重金属含量是评价其生态安全性最为直接的依据,也是最后一道防线。Wang等[36]研究表明,脱硫石膏改良盐碱土当年紫花苜蓿和玉米籽粒中Cd、Hg、As、Pb和Cr含量与对照无明显差异,且均低于国家相关标准的限量要求。通过对不同盐碱地区施用脱硫石膏后产出的糙米、瓜子仁、玉米籽粒、甜菜块茎和甜高粱籽粒等重金属含量进行检测,也得到了相同的结果(见表 4)。胡翔宇等[45]研究发现,施用脱硫石膏后水稻根、茎叶和籽粒中Cd、Pb、Zn、Cu含量低于对照,可用于改良稻田土壤。Sakai等[6]研究表明,脱硫石膏施用后对玉米籽粒中重金属含量没有影响。

表 4 施用脱硫石膏后不同种类农产品重金属含量
试验地点 农产品种类 处理 重金属含量/(mg·kg-1)
Pb Cd As Hg Cr
宁夏石嘴山市平罗县前进农场 糙米 对照 0.18 < 0.01 0.19 0.01 0.08
脱硫石膏 0.18 < 0.01 0.20 0.01 0.32
宁夏石嘴山市平罗县前进农场 瓜子仁 对照 0.17 0.02 0.12 0.01 0.26
脱硫石膏 0.15 0.02 0.08 < 0.01 0.16
内蒙古呼和浩特市土默特左旗 玉米籽粒 对照 ND < 0.01 < 0.01 < 0.01 0.88
脱硫石膏 ND < 0.01 ND < 0.01 0.59
食品安全国家标准(GB 2762—2017)[50] 0.2 0.2 0.5 0.02 1.0
宁夏石嘴山市平罗县西大滩镇 甜菜块茎 对照 0.25 0.02 0.10 0.03 1.03
脱硫石膏 0.06 0.02 0.18 0.03 1.06
宁夏石嘴山市平罗县西大滩镇 甜高粱籽粒 对照 0.36 < 0.01 0.11 0.03 1.05
脱硫石膏 0.14 < 0.01 0.12 0.08 0.36
饲料卫生标准(GB 13078—2017)[51] 8 1 10 0.1 20

然而,也有研究者发现,施用脱硫石膏会增加紫花苜蓿茎和叶片中的Hg和Pb的含量[46]、黑麦草叶片中Pb、As和Cr含量[47],但均低于相关标准限量要求。Wang和Yang[48]通过文献调研指出,脱硫石膏施用后马铃薯、大豆、萝卜等8种农产品中12项有害元素含量无明显变化,甚至呈现不同程度的降低。Sloan等[49]研究发现,紫花苜蓿中B和Mo含量随脱硫石膏施用量的增加而增大,并提出脱硫石膏是一种易得的B源物质。因此,在利用脱硫石膏改良盐碱土时,既需要控制脱硫石膏施用量,还需要加强对农产品质量安全的检测。

5 脱硫石膏改良盐碱土技术产业化应用实践

自1995年起,本文团队致力于利用脱硫石膏改良盐碱土的试验示范工作。近20多年来,试验地点遍布我国内陆和滨海的10余个省(市、区),试验示范面积不断扩大(见图 3)。并在吉林省大安市、内蒙古准格尔旗、河北省张北县和新疆阿拉尔市建立了4个万亩级试验示范基地,示范效果显著,带动作用明显。利用脱硫石膏改良盐碱土后,已成功种植玉米、水稻、高粱、燕麦、糜子、向日葵、甜菜等粮经作物,草木犀、紫花苜蓿、健宝、羊草、柳枝稷等饲草饲料作物,枸杞、葡萄、沙棘等果树,以及杨树、白榆和新疆杨等苗木,实现了盐碱土快速改良和高效利用。

图 3 脱硫石膏改良盐碱土壤技术试验示范地点

2010年,清华大学将利用脱硫石膏改良盐碱土技术列为百年科研成果之一,并牵头发起成立了成果转化公司,以学校作为研发平台,以企业为产业化主体,“产-学-研-政”紧密结合,全力推进该项技术的成果转化。2016年,国务院印发的《土壤污染防治行动计划》明确提出“在新疆生产建设兵团等地开展利用燃煤电厂脱硫石膏改良盐碱地试点”,为该项技术的产业化提供重要支撑。如今,本文团队利用脱硫石膏改良盐碱土面积累计超过136万亩,经济、社会和生态效益显著[52]。成功实施了20余项大面积盐碱土改良项目(表 5),广泛分布在我国东北、西北、华北和黄河上游等盐碱土主要分布区。项目实施当年,土壤盐碱程度即可从中重度降低至轻中度,作物产量达到当地中产以上水平,且土壤质量和作物产量随改良年限的增加而稳步提升[38, 43, 53]

表 5 脱硫石膏改良盐碱土技术产业化应用案例
区域 地点 面积/hm2 采样时期 土壤指标
pH值 碱化度/% 全盐量/(g·kg-1)
东北地区 吉林省白城市大安市叉干镇 1 131 改良前 9.5±0.6 27.0±15.6 1.6±1.2
改良后 7.5±0.8 9.5±8.7 1.0±0.5
吉林省白城市大安市联合乡 200 改良前 9.8±0.2 68.2±12.8 2.9±0.6
改良后 8.1±0.1 33.1±7.1 2.6±1.1
吉林省白城市大安市四棵树乡 1 780 改良前 9.8±0.7 71.1±7.6 4.2±2.0
改良后 8.3±0.8 24.4±7.1 2.2±1.7
吉林省白城市大安市大岗子镇 289.7 改良前 8.7±0.4 16.8±13.4 1.7±1.4
改良后 7.9±0.3 13.4±2.2 0.8±0.2
吉林省白城市洮南市向阳街道 253.3 改良前 9.4±0.9 50.6±21.6 3.2±1.7
改良后 8.3±0.8 32.9±14.1 2.2±1.1
吉林省松原市扶余市长春岭镇、三井子镇 209.9 改良前 8.8±0.7 50.1±8.0 3.1±0.6
改良后 7.9±0.1 18.2±5.8 2.4±1.2
华北地区 河北省张家口市张北县馒头营乡、二台镇 571.6 改良前 9.2±0.5 36.1±8.7 7.3±2.2
改良后 7.5±0.6 13.9±4.5 2.2±1.6
河北省张家口市尚义县大营盘乡 207.9 改良前 9.1±0.4 32.2±12.6 3.1±1.2
改良后 8.1±0.2 4.2±2.1 1.1±0.3
黄河上游地区 内蒙古鄂尔多斯市准格尔旗十二连城乡 600 改良前 9.2±0.4 28.7±9.1 6.1±4.6
改良后 8.2±0.7 8.4±4.6 2.4±1.7
西北地区 新疆生产建设兵团第一师阿拉尔市 1 085.9 改良前 8.1±0.5 11.8±8.3 12.2±5.6
改良后 7.9±0.3 2.3±1.8 3.8±2.7

6 结论与展望

经过20多年的工作积累,利用脱硫石膏改良盐碱土技术的研究和应用均取得了长足进展。在基础理论研究方面,综合考虑了土壤中多价态离子对脱硫石膏改良盐碱土的作用及效果,逐步完善了主要化学反应方程,初步厘清了不同形态石膏与土壤反应物的动态平衡关系。基于技术原理,提出了脱硫石膏适宜施用量、施用时期和施用方式等关键技术,探索了其他施用方式对改土效果的影响。从短期效应来看,脱硫石膏快速降低土壤盐害的作用效果毋庸置疑,但其对土壤的脱盐效果争议还比较大,需要结合土地利用类型和灌排措施综合分析。遗憾的是,目前关于脱硫石膏改良盐碱土的长期效应研究相对较少,现有的报道也存在一定的差异。

脱硫石膏在提高盐碱土质量和生产力方面发挥了重要的作用,并在典型盐碱土分布区得到了广泛的应用。然而,关于脱硫石膏在农业领域应用的环境安全性一直是社会各界高度关注的问题,也是当前争议的焦点。我国燃煤电厂数量庞大,产出的脱硫石膏中重金属等有害元素含量参差不齐,严格把控原料质量是准许其用于改良盐碱土的前提。现有的研究报道中,脱硫石膏施用后土壤和农产品重金属含量变化差异的根源既要追溯原料质量,也要综合对比土壤环境背景值、土地利用类型和作物种类,防范土壤环境安全风险。展望脱硫石膏改良盐碱土技术研究,建议重点开展以下工作。

1) 降低单位土地面积脱硫石膏施用量。优化脱硫石膏施用方式、施用时期、施用深度等关键技术,研发钙基型复合高效土壤改良剂产品,研制与技术和产品相配套的专用机械装备,实现脱硫石膏改良盐碱土技术轻简化、成本节约化和效益最大化。

2) 增加脱硫石膏改良盐碱土长期定位试验点位。在我国盐碱土典型分布地区建立若干长期定位试验基地,持续监测土壤盐碱指标、有机质、养分和微生物群落等参数时空分布,分析土壤质量与作物产量的关系;监测脱硫石膏原料及其施用后土壤、地下水和植物体重金属含量变化,建立可查询和共享的数据库。

3) 制定脱硫石膏农业应用的国家标准。整合产-学-研-政-企-用等各方优势资源,广泛征求社会各界意见,多部门协同推进脱硫石膏农田准入的指标限量要求的国家标准,进一步引导和规范脱硫石膏改良盐碱土技术的应用。

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