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粉煤灰農業利用的研究進展

2011-12-31 00:00:00徐金芳楊洋常智慧尹淑霞
湖北農業科學 2011年23期

摘要:粉煤灰是火力發電廠的主要產物,世界范圍內產量豐富,各國利用率參差不齊。主要從農業利用的角度綜述了粉煤灰對改善土壤理化性質的作用以及對植物生長特性和產量的影響,分析了限制粉煤灰利用以及利用過程中出現的問題,對粉煤灰的利用和將來的研究提出了建議和展望。

關鍵詞:粉煤灰;基質理化性質;農業利用

中圖分類號:X705 文獻標識碼:A 文章編號:0439-8114(2011)23-4771-04

Research Progress in the Utilization of Fly Ash in Agriculture

XU Jin-fang1,2,YANG Yang1,CHANG Zhi-hui1,YIN Shu-xia1

(1.Turf institute of Beijing Forestry University, Beijing 100083, China; 2.Beijing Honghua Golf Course, Beijing 100020, China)

Abstract: Millions of tons of fly ash were produced in the world as the coal combustion by-products of power station. The utilization of fly ash was different in each country. The role of fly ash in soil amendment, and the influence of fly ash on plant growth and yield were reviewed. Problems limiting the use of fly ash were analyzed; and prospects of fly ash utilization were put forward.

Key words: fly ash; physicochemical properties of substrate; agricultural utilization

煤是當今世界范圍內應用最廣泛的重要能源物質,而且人類對煤的依賴還會持續下去。如今,美國有接近52%的發電廠依靠煤的燃燒來提供能源,1997年煤的燃燒副產物超過了1 000萬t,預計到2020年還會增長36%。煤的燃燒副產物主要包括粉煤灰、底灰和爐渣3種,其中粉煤灰含量最高,也是最難處理的部分。

1 粉煤灰的生產及利用現狀

世界各國對煤的燃燒副產物利用率不同,其中德國的利用率高達85%,丹麥達73%,英國和法國達60%,波蘭達50%,美國達32%,中國達25%,印度達15%[1]。我國也是粉煤灰產量大國,1992年粉煤灰產量約1 000萬t,1995年約1 400萬t,2000年為1 800萬t;總的利用率也是逐年上升,從1990年的22%上升到1997年的30%,2000年到達60%[2]。國內外對粉煤灰的利用領域也基本相同,都是主要用于建筑工程、道路建設以及農業土壤改良[3]。粉煤灰是一種晶體和非晶體的混合物,被稱為硅鋁鐵合金礦物質,含有大量的Al、Ca、Fe、K、Na和Si[4,5],隨著粉煤灰的粒徑變小,As、Cd、Cu、Mo、Pb、S、Se、Tl、Zn的含量逐漸增加[6,7]。由于不同粉煤灰的組成成分不同,導致其性質差異很大[8]。不同國家粉煤灰的產量和利用率參差不齊,而且利用范圍小,僅限于建筑和公路建設等幾個方面,加之粉煤灰高額的處理費用,急需開展更多的相關研究,開辟新的利用途徑,以提高粉煤灰的利用率。

2 粉煤灰對土壤改良的作用

2.1 改善土壤的理化性質

粉煤灰一般由很細的顆粒組成,平均粒徑小于10μm,具有低容重、高比表面積和質輕等特點[6]。粉煤灰的密度大多在2.1~2.6 g/mL[9]。容重主要在1.0~1.8 g/mL,粉煤灰獨特的理化性質能夠改變土壤的結構、容重、保水能力和顆粒組成等物理性質,特別是在0~15 cm土層的效果較好[10-12]。

研究表明,當加入粉煤灰的比例超過25%,土壤的保水能力會隨之增加[10]。Pathan等[13]證明,植物的有效含水量隨著粉煤灰的加入而逐漸增加。Adriano等[14]證明,粉煤灰的加入能降低土壤的容重。Chang等[10]認為,加入少量的粉煤灰會增加土壤的滲透率,但是隨著粉煤灰加入量的增大,土壤的滲透率會顯著下降。粉煤灰的比表面積影響著土壤中的養分離子和土壤溶液之間的存在狀態,陽離子交換量和營養吸收量都與比表面積有著重要的關系[15]。

粉煤灰的化學性質是決定其利用價值的重要指標,主要包括pH、電導率(EC)、化學元素的組成和含量等,這些指標在土壤改良中起著重要作用。粉煤灰pH的變化范圍為4.5~12.0,主要取決于煤中硫的含量以及燃燒對粉煤灰中硫含量的影響[12]。Adriano等[16]的研究結果表明,隨著粉煤灰的加入,0~30 cm深度土壤的pH不斷升高。

pH還影響著土壤中某些元素的含量和存在方式,Kukier等[17]研究證明,高pH會降低苜蓿(Medicago sativa)中Zn的含量,從而導致產量下降,速效B會隨著土壤pH的下降而增加[18]。Phung等[19]的研究證明,微量元素的溶解性隨著pH的下降而增加,酸性土壤中加入堿性粉煤灰可以降低Fe、Mn、Ni和Pb的溶解性。

EC能反映土壤的緩沖能力,也代表了土壤的鹽分狀態,Tanji[20]認為過高的EC會阻礙大部分草本植物的生長,經過風干處理的粉煤灰EC都要比未經過處理的低,原因是未經過處理的粉煤灰中含有較高的可溶性鹽,混入土壤中會造成鹽堿化,使EC升高,阻礙植物生長。

化學元素組成是粉煤灰最重要的性質之一,它對改善土壤養分狀況起到了重要的作用,大部分粉煤灰主要由Si、Al、Fe、Ca、Mg、Na、K組成,其中Si和Al是主要成分,不同粉煤灰之間元素的種類和含量有所不同,在某些細顆粒的粉煤灰中富含As、B、Mo、S、Se、Ag、Be、Cd、Cr、Ni、Pb、Ba、Hg、Co等元素[5,21]。

2.2 改善土壤的營養狀況

粉煤灰中含有植物生長必需的大量營養元素和豐富的微量元素,如Na、K、Ca、P、S、Mg、Mn、Mo、Se、Zn等,能很好地改善土壤營養狀況。試驗證明,粉煤灰中含有豐富的營養元素和微量元素,其中高含量的速效K、Ca、Mg、B、Na為植物根系提供了豐富的營養,但是較高的B含量會導致植物中毒[16]。

堿性粉煤灰可以中和土壤的酸性來提高土壤中鈣離子和鎂離子的有效含量,阻止鋁離子和錳離子以及其他金屬離子的毒害作用,從而實現作物增產[22]。Adriano等[16]研究表明,在0~15 cm土層中,速效Al、Be、Ca、Mo隨著粉煤灰的增加而增加;土壤中速效Mg的含量也隨粉煤灰的增加而增加,但在植物中卻逐漸減少;土壤中速效Mn隨著粉煤灰的增加而減少,并且與植物中的含量變化趨勢相同;速效K、Cu、Fe、Cd、Cr、Ni和Al也隨著粉煤灰的增加而增加,但在植物中并沒有變化。

Ahmed等[23]的研究表明,土壤中加入1%~2%的粉煤灰可以改善土壤中S的不足,將含硫0.4%(質量分數,下同)的粉煤灰和石膏(CaSO4·2H2O)經換算后加入同等量的硫,結果兩個處理的植物產量和植物中S含量均有相同程度的提高,說明粉煤灰和石膏中的S有效性相同。Doran等[24]證明粉煤灰中Mo的有效性與Na2MoO4·2H2O基本相同。

3 粉煤灰對植物生長特性和產量的影響

3.1 對植物營養元素吸收的影響

粉煤灰之所以能應用于農業生產,就是因為其含有大量植物所需的元素,如K、Ca、Mg、S、P等。Furr等[25]證明,高粱(Sorghum bicolor)、粟米(Echinochloa crusgalli)、胡蘿卜(Daucas carota)、洋蔥(Allium cepa)、大豆(Phaseolusvulgaris)、馬鈴薯(Solanum tuberosum)和番茄(Lycopersicon esculentum)均能在微酸性粉煤灰改良的土壤中生長,而且植物中有較高含量的As、B、Mg、Se[26]。

溫室試驗表明,土壤中加入2%~4%的粉煤灰可顯著提高水稻(Oryza sativa)中的N、S、Na、Ca、Fe的含量[27]。植物對元素的吸收受多種因素的影響,如基質的理化性質、降雨以及植物類別等,研究證明植物對K、Ca、Mg的吸收取決于這些元素在根系周圍的土壤溶液中以及在植物內部的相互作用,粉煤灰處理的土壤中,Ca和Mg的存在會抑制植物對K的吸收[28]。

Yunusa等[29]的研究表明,粉煤灰的加入增加了加拿大油菜(Brasica napus)對P的吸收,有助于幼苗健壯生長和增加種子產量。粉煤灰的加入對種子中Mo的吸收也有促進作用,但元素的積累主要集中在葉片中。

3.2 對植物生理作用和產量的影響

粉煤灰中富含植物所需的大量營養元素,對促進植物生長、增加產量起著非常重要的作用。許多研究證明,粉煤灰的加入可以通過改變土壤理化性質來增加多種植物的產量,如大麥(Hordeum vulgare)、狗牙根(Cynodon dactylon)、白三葉(Trifolium repens)[30-32]、玫瑰草(Cymbopogon martini)、香茅(Cymbopogon nardus)[33,34];、茄子(Solanum melongena)、番茄(Lycopexsicon esculentum)向日葵(Helianthus sp.)、落花生(Arachis hypogaea)、日本薄荷(Mentha arvensis)和香根草(Vetiver zizanoides)等[35-37]。

對大麥的研究中,加入粉煤灰的量達到6.3%會推遲大麥的出苗時間,但是在小于25%的范圍內不會減少出苗數量,加入粉煤灰的量達6.3%和12.5%能增加作物的株高和產量,大于6.3%則會出現B中毒現象[28]。Pathan等[38]證明,加入粉煤灰后的土壤可使草坪草地下生物量成倍增長。Kuchanwar等[39]研究表明,土壤中加入粉煤灰對花生有一定的增產效果。

大量研究中用來反映粉煤灰增產效果的主要為干物質重量、根系長度等生物量層面的指標,Yunusa等[40]提出了利用光合色素含量、光合速率等植物生理指標來說明粉煤灰對促進植物生長的作用,理論基礎為光合色素是對重金屬最敏感的色素,Cu、Mn、Pb和Zn能取代葉綠素分子中的Mg[41,42]。

Mishra等[43]研究證明,加入15 t/hm2風干堿性粉煤灰不會顯著影響玉米葉片中葉綠素a和類胡蘿卜素的含量,但是葉綠素b的含量會隨著粉煤灰的增加而增加。Yunusa等[29]對加拿大油菜的研究表明,加入25 t/hm2粉煤灰能提高CO2同化率以及開花之前的生長量,增加21%的種子產量,但是當加入量超過25 t/hm2時,光和色素的含量就開始下降,如果再增加粉煤灰量時,將對CO2同化率、光合色素含量、植物的生長以及產量均產生抑制作用。

4 結論

粉煤灰作為煤燃燒的主要產物,在全球范圍內產量大,資源豐富,各國利用率差別很大,增加粉煤灰的利用率能帶來極大的經濟效益。粉煤灰特有的理化性質能有效地改良土壤,改善退化土壤的結構以及營養狀況,粉煤灰富含的大量元素能為植物提供充足的養分,加入適當比例的粉煤灰能提高植物的產量。但是在粉煤灰的利用過程中還存在許多問題,使用量過大會大大提高土壤的pH,使土壤含鹽量過高,造成植物中毒,抑制植物生長,重金屬含量超標等等,所以對粉煤灰的研究還需要繼續深入,以降低粉煤灰處理時的高額費用,降低粉煤灰中不利于土壤改良和植物生長的物質,從而提高粉煤灰的利用效率。

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