中文版

脱硫石膏对植物和土壤的影响

来源:
发布时间: 2016-01-12
浏览次数: 0

脱硫石膏对植物和土壤的影响

 王静1, 2,肖国举1,许兴2

(1宁夏大学新技术应用研究开发中心,银川 750021;2宁夏大学农学院,银川 750021)

摘要:煤炭燃烧产生二氧化碳、氧化硫、氧化氮和各种副产物,包括粉煤灰,燃煤烟气,沉淀物等。脱硫石膏是以钙基物质作为吸收剂,将 SO2以硫酸钙的形式固定下来,最终生成的一种烟气脱硫副产物。脱硫石膏因其含有丰富的必需元素,尤其硼和硫元素含量丰富,影响着植物体的生长和土壤的物理化学性质,使得脱硫石膏在农业上的应用得到了广泛发展。笔者简要概述了脱硫石膏的性质,及其对环境的影响,尤其现阶段脱硫石膏在盐碱地改良中的应用。大量的田间试验表明脱硫石膏在农业生产中是有效而且安全的土壤改良剂,但是缺乏和过量施用脱硫石膏引起的生物学过程和相互作用还有待研究。

关键词:植物;脱硫石膏;盐碱土;改良

引言

随着快速的经济增长和资源需求增加,中国正在面临一系列的环境污染问题,特别是燃煤产生二氧化硫污染环境问题。由于受到经济的限制,大部分燃煤燃烧前不经过脱硫处理,严重污染了环境。现在公认的脱硫过程是烟气脱硫过程,是控制二氧化硫污染的主要方式,石灰石(石灰)-石膏湿法脱硫技术采用廉价的石灰石或石灰作为脱硫吸附剂,因其具有脱硫效率高、运行稳定,运行费用低等特点,得到了广泛的应用。脱硫石膏是石灰石(石灰)/石膏经湿法烟气脱硫的副产物,又称为燃煤烟气脱硫废弃物,是经过细分的湿态晶体,是高品位的二水硫酸钙(CaSO4·2H2O),具有产生量大、资源化程度低等特点,因此对其再利用也成为国内外的研究热点。从20世纪90年代后期许多国家都致力于脱硫石膏的再生资源化利用开发工作,并且在理论和实践上取得了较大的成果 [1]。尤其在建筑业的用途较为广泛,主要用于建筑材料和建材制品,另外在矿山填埋及公路路基回填材料等领域也有应用。由于人们对脱硫石膏性质及功能认识的不断深入,脱硫石膏在农业上的应用也得到了广泛的发展。各国学者的研究表明利用工业脱硫石膏改良盐碱地具有良好的经济效益和生态效益。

土壤盐渍化是世界旱地农业面临的四大生态环境问题(干旱缺水、水土流失、风蚀沙化和土壤盐渍化)之一,给农林业生产造成了严重影响。联合国粮农组织的资料表明,其总面积约达9. 5×108 hm2,占地球陆地面积的7.26% 。中国也是盐渍化土壤分布广泛的国家,其面积约为1.0×108 hm2,分布于辽、吉、黑、冀、鲁、豫、晋、新、陕、甘、宁、青、苏、浙、皖、闽、粤、内蒙古及西藏等19个省区。而且,近年来宁夏地区土地盐渍化程度日趋加重,其中仅银川地区中度和重度盐渍土达到4597.5 km2,占总面积的50%以上。为缓解耕地面积减少和人口增长的压力,合理改良和开发利用盐碱地,可持续利用和保护土壤资源,实现食物质量安全、生态安全和城乡人居环境安全,促进国家生态文明建设,都具有重大的现实意义和深远的历史意义。碱性土壤表面盐分积累造成土壤渗透性差,不利于植物的生长。二价阳离子的加入可以减少黏土分散,增加土壤的渗透系数。石膏或石灰中的Ca2+代换盐碱土中的Na+实现盐碱土的改良,石膏对植物无毒,适度的溶解性和易于搬运的特点,使得石膏成为最常见的盐碱地改良剂,因此,笔者从脱硫石膏的主要成分、特征、功能、中国盐碱地改良现状及脱硫石膏在盐碱地改良中的作用等方面,论述了脱硫石膏改良盐碱地的应用现状和发展趋势。

1 脱硫石膏的物理化学特性

脱硫石膏与普通石膏性质相似,由于杂质成分上的差异,导致两者在脱水特性、易磨性及煅烧后的熟石膏粉在力学性能、流变性能等宏观特征上的不同。从颜色上来看,脱硫废弃物-脱硫石膏为浅灰色。分析原因可能是与含有一定量的粉煤灰有关。原始物理状态的脱硫石膏呈单独的结晶颗粒存在,具有较高的含水量,一般在10% 左右甚至更高,因此流动性差;烟气脱硫石膏呈较细颗粒状,平均粒径约40~60μm,颗粒呈短柱状,径长比在 1. 5~2. 5之间。为了保证脱硫石膏化学成分的稳定性,提高烟气脱硫效果,在烟气脱硫过程中,技术上对用于烟气脱硫的石灰石(或石灰粉)中的氧化钙含量有较高的要求。脱硫石膏的主要成分是CaSO4,其中二水硫酸钙含量在90%以上,游离水在10%左右,还含有飞灰、碳酸钙、亚硫酸钙以及钠、钾、镁的硫酸盐或氯化物组成的可溶性盐。具体理化性质如表1所示。

表 1 脱硫石膏的理化性质

测定项目



数值

pH



7. 6

电导率(EC)/(dS/m)



2. 2

水分/%



5. 8

总钙含量/%



25

CaSO4/%



88

CaCO3/%



0

Ca(OH)2/%



9

其他/%



3

注: pH 的测定采用脱硫石膏与水比例 1:5。

2 脱硫石膏对土壤的作用

国内外学者开展了脱硫石膏对土壤的影响的广泛研究,脱硫石膏对土壤的影响在很大程度上取决于原始煤炭的特性和土壤调查结果。脱硫石膏溶解产生Ca2+离子置换土壤胶体上交换性 Na+离子,在水的作用下将被置换的钠盐从土壤中淋洗从而降低了pH 值、土壤碱化度并改善土壤理化性质,同时脱硫石膏可增强土壤的离子吸附能力,提高土壤持水性。很多研究结果表明,脱硫石膏微溶于水,故脱硫石膏中的 Ca2+浓度能在短时间内增加,从而缓解Al3+的毒害作用,同时由于脱硫石膏中含有一定量的未完全反应的CaCO3,可以中和土壤中H+,从而提高土壤的pH。脱硫石膏在生产过程中与飞灰混合后,会含有某些微量元素(如硼),对缺乏此类微量元素的土壤具有改良的作用。但是,脱硫石膏可能产生一些副作用,如重金属的溶出。由于重金属在土壤中的移动性很小,不易随水淋滤,不为微生物降解,通过食物链进入人体后,潜在危害性极大,其中加入脱硫石膏、磷石灰、沸石等的物理化学修复法,就是通过对重金属离子的吸附或(共)沉淀作用,改变重金属离子在土壤中的存在形态,从而降低其生物有效性和迁移性。不同重量比例脱硫石膏在不同盐碱土层中重金属含量分布不同,解吸效果不同。

王淑娟等的土柱淋滤试验结果表明加入脱硫石膏的盐碱土壤pH、电导率值及碱化度有明显降低,不同重金属Pb、Cd、Cr、As、Hg等在不同土层中迁移分布特性不同,Pb多分布在土壤顶层,Cr质量分数随深度分布比较均匀,As、Hg、Cd有向土壤深处迁移的趋势。童泽军等研究了烟气脱硫石膏对重金属的吸附,发现经震荡离心后能降低土壤中重金属的毒性和生物可利用性。脱硫石膏的生产过程中还有重金属元素的产生,通过对脱硫石膏中重金属元素含量的测定及相关试验,表明脱硫石膏自身中的重金属元素含量低于中国相关标准要求及试验田土壤背景值,施用脱硫石膏不会引起土壤重金属元素总量变化,脱硫石膏的掺杂降低了沉积物中Cd的释放量,有利于重金属污染沉积物中Cd的稳定固化,改良后碱化度下降。近年来的试验研究发现应用脱硫石膏以及其他一些固体废弃物(如城市污泥)可以作为改良土壤改良剂和植物生长介质。有机物质通过增加土壤中阳离子交换率和有机质含量来改良土壤,从而导致有毒元素的增加和土壤酶活力的增强。然而,有研究表明叶面喷施脱硫石膏可以促进植物的新陈代谢和光合作用,但是高浓度的脱硫石膏施用量会减少干物质和色素含量,究其原因是植物体过量的硼摄入和碱化度过高引起的。孔隙度是土壤颗粒之间的空隙,一般被土壤有效水分占据,因此,增加田间持水量会增加土壤孔隙度。电导率与pH 呈正相关,反映了土壤品质和物理性质。因此,认为土壤盐分和含水率对电导率的影响明显大于其他因素,借助于测量土壤电导率评价农作物的生长环境,是精细农业研究的方向。

3 脱硫石膏对植物体的作用

脱硫石膏通过影响土壤的理化性质,直接或间接的影响土壤微生物活动和植物的生长。大田和温室研究试验表明,脱硫石膏中的许多化学成分促进植物生长和改善土壤农艺特性。研究表明脱硫石膏作为土壤改良剂,在非盐渍化土壤上有良好的应用效果。也有研究表明脱硫石膏中含有金属元素,施用脱硫石膏可能会引起土壤中重金属污染。俄胜哲等全面分析和测定了酒钢集团脱硫石膏的养分,研究结果显示,脱硫石膏中大量元素含量较低,而中微量元素含较为丰富,其中钙、铁、锌、锰的平均含量分别达到了281560、8063、15388、1026mg/kg。脱硫石膏因其含有丰富的钙、硅、铁等元素,可参与植物体的各项生理活动。许佳莹等的研究表明,施用硅肥可以促进水根系活力,对水稻营养元素的吸收有明显影响;增强其抵抗病虫害的能力及抗旱和抗倒伏的能力;增加产量。随着人们对硫元素在作物种植中重要性认识的提高,白亚妮研究了硫磺改良盐碱化土壤的效果,结果表明硫磺在改良盐碱化土壤中具有良好的效果,特别是针对宁夏平罗地区的碱性土壤。

作物通过体内活性氧的累积,细胞膜脂过氧化,叶绿素分解加速等过程响应环境胁迫。而脱硫石膏中丰富的S、Ca、Si等矿质元素可以直接或间接提高植物的抗逆性。通过盐胁迫下钙对大麦渗透调节的研究发现,钙可直接或间接地促进大麦植株的渗透调节作用,调控大麦在盐胁迫下的正常生长发育;同样Ca2+处理可提高玉米种子的抗逆性;许洁的研究表明,硫营养在干旱胁迫条件下具有显著的增强作物抗旱性的能力,以及在重金属Zn胁迫时具有抵抗污染物伤害的能力。脱硫石膏改良盐碱地种植四翅滨藜,通过对叶片荧光特性的研究结果表明,施用脱硫石膏可以减弱土壤盐碱胁迫对四翅滨藜叶片光合电子传递活性的影响,增强植物抗逆性,提高光合作用效率,促进植物生长。

肥料中的营养直接参与植株的生长发育或调节植株新陈代谢,因而,植物产量和品质的形成,与环境中充分的功能养分供给密切相关。有研究表明脱硫石膏
    可以提高作物的产量和品质,肖国举等用脱硫石膏改良碱化土壤种植枸杞,有效提高了枸杞红果的体积、红果鲜重和产量。宁夏盐碱地施用脱硫废弃物的试验表明,不同施用量的脱硫废弃物改良盐碱地种植油葵,均可提高油葵的出苗率、生物量和产量,22.5 t/hm2的脱硫废弃物施用量可增加盐碱地种植苜蓿产量60%。同时施用脱硫废弃物可明显提高全盐含量0.4% 的滨海盐渍土上种植紫花苜蓿的生理机能,有效提高紫花苜蓿的生物量。究其原因,脱硫石膏中丰富的如Si、Fe等植物必需或有益的矿质元素,这是使作物增产和品质提高的一个重要原因。

4 脱硫石膏与盐碱地改良

当前,土壤盐碱化已经成为一个全球性的问题。据估计,全球的盐碱化土壤每年约以100~1500万hm2速度增长。中国盐渍土分布广泛且资源量多。据全国第二次土壤普查数据显示,盐渍土主要分布在中国的西北,华北,东北和沿海地区,其中盐渍土总面积占全国可利用土地面积的4.88%,耕地中盐渍化面积占全国耕地面积6.62% 。盐碱地农业高效利用对中国耕地农业生产能力的提升,耕地数量的增加,国家粮食安全的保障,具有重要意义。

盐碱土包括各种类型的盐土和碱土以及其他不同盐化程度和碱化程度的各类土壤。各种类型盐碱土一般所具有的共同特征就是含有许多的盐碱成分,并且导致土壤具有不良的物理及化学性质,进而不同程度的抑制或毒害大多数植物的生长。中国盐碱化土壤分布的地域相当广泛,从热带到寒温带、滨海到内陆、湿润地区到极端干旱的荒漠地区,均有大量盐碱土的分布。但大面积的盐碱化土壤都分布于北方的干旱、半干旱地区以及沿海地带。由于气候、人类活动、不当利用土地等多方面的原因,常迅速导致土壤退化和生产力水平降低。在耕地面积不断减少、人口数量持续增长的巨大压力下,合理开发和利用土壤资源,特别是干旱和半干旱地区土地资源的过程中,必须要重视土壤盐渍化问题,才能科学开发和利用盐碱地。

关于脱硫石膏改良盐碱地的研究已有大量的文献报道,端韫文在滨海盐土上施用脱硫石膏对高羊茅草种的出苗率与苗期生长量均有促进作用。李凤霞等研究了脱硫废弃物对土壤微生物多样性的影响,结果表明脱硫废弃物能够改善土壤理化性质和土壤微生物活性。任坤等通过室内土柱混合置换试验,提出经过不同浓度的CaSO4溶液淋溶的碱化土壤,土壤的pH、电导率和饱和水力传导度均得到了不同程度的降低[50]。这与王金满等、李焕珍等的研究结果一致。吕二福良提出碱化度不同,土壤的改良效率亦不同,随着碱化度的升高,脱硫废弃物的改良效率显著提高。很多研究都表明,脱硫石膏在改良盐碱地中起到重要的作用,因此,用脱硫石膏改良盐碱地具有极大的推广应用价值。

5 展望

利用燃煤电厂的脱硫石膏改良盐碱地对于废弃物资源化利用和发展循环经济具有重要意义。脱硫石膏因其产量大、资源化程度低等特点,在建筑行业有广泛的应用,同时由于其在成分上含有植物必需或有益的矿质元素,在植物营养中也具有重要的作用,脱硫石膏在农业上的应用也不断发展,提供植物生长所需的营养元素、提高作物抗逆性、提高作物产量和品质、修复重金属污染土壤等。研究脱硫石膏的资源化利用以及在农业生产中的应用,盐碱化土壤改良的理论基础、应用方法、采取措施和发展过程,对于合理的利用和开发土地资源起到积极的作用。在脱硫石膏对盐碱化土壤改良效果的评价中,土壤的理化性质指标变化,土壤酶活性及土壤微生物和微生物多样性,植物生长发育状况,作物品质的变化都能科学的预测出土壤质量的变化,也是评价盐碱地改良效果的重要生物指标,因此,今后应该加强这方面的研究。另外,现阶段的研究结果表明脱硫石膏对土壤和植物没有造成威胁,但是还应该注意其长期效应,并进行长期定位监测,加强研究的监测力度。

 

——来源:《农学学报》2015,5(11):44-48

Copyright ©2005 - 2016 中国无机盐工业协会
犀牛云提供企业云服务