粉煤灰在改良鹽堿地土壤中的機理研究

張志眾，李云凱，孫秀君

（唐山學院 環境與化學工程系，河北 唐山063000）

粉煤灰是燃煤火力發電廠在生產過程中排放出的大量固體廢渣［1］。粉煤灰對環境的危害主要體現在重金屬和放射性物質污染、空氣污染、水污染、土壤污染、人體健康危害以及地質災害等多個方面。一直以來我國對粉煤灰的處置方法多以傳統消極的堆放保存為主，這種堆貯的治理方法已經給社會帶來了巨大的環境問題。鹽堿土是對鹽土和堿土的統稱。土壤中的含鹽量在0.1%～0.2%以上，或土壤膠體吸附一定數量的交換性鈉，堿化度數值在15%～20%以上，且有害于作物正常生長的土壤屬鹽堿土類型，或稱鹽漬土［2］。唐山地區具有豐富的粉煤灰資源和代表性的鹽堿土壤，針對鹽堿土問題，如果通過添加適量的粉煤灰，改進運行方式和優化操作條件，可以實現粉煤灰對鹽堿土的改良。

1 研究內容及方法

1.1 研究內容

通過園林開墾地試驗的方法，采用掩模層配比法，研究不同配比的粉煤灰和原土混合后各地塊鹽堿土壤理化性狀的差異性，主要內容是對加入不同混合配比的粉煤灰與原土混合后土壤的質地、有機質含量、全氮含量、速效磷含量、速效鉀含量、酸堿性及水分等養分狀況的研究。

1.2 研究方法

采用掩模層配比法。首先對地形進行整體改造，即在試驗地周圍挖陽溝，挖出的土壤按試驗設計與粉煤灰、爐渣等混合堆土成基，加速土壤脫鹽，使土壤達到植物生長發育的條件。在種植層以下設置25cm左右隔離帶，上層用粉煤灰和試驗地土壤以不同梯度進行配比，再進行不同配植方式的種植。

2 試驗內容與方法

2.1 試驗場地設計

試驗設10個處理小區（A1－E2），每處理小區長10m，寬2m，分別平地鋪設25cm厚爐渣，其上覆40～50cm混合土，混合土由挖溝起始土壤與粉煤灰按4∶1比例混成，栽種植物。

2.2 采樣及檢測指標

2.2.1 土壤樣品的采集

土壤分析包括養分供應分析，一般在晚秋或早春采集土樣［3］。在木苗返青前后，進行3次采樣。采樣面積的規格約為長1.5m，寬0.8m，深1.0m，采樣深度為10cm 和30cm。在采樣標注圖上標出采樣地點，以避免下次在相同處采集。

2.2.2 土壤測定指標

試驗內容選取以下指標：土壤質地、容重、pH值、可溶鹽含量、有機質含量、全氮含量、速效氮含量、速效磷含量、速效鉀含量。取不同試驗處理地塊的土壤樣本，測定其理化性質，分析添加粉煤灰后對鹽堿土產生的影響。

2.2.3 土壤測定的試驗方法和裝置

pH值用蒸餾水（水土比5∶1）浸提，pH計測定；可溶性鹽用電導率法測定，使用MU2020型電導率控制器；有機質用重鉻酸鉀容量法－稀釋熱法測定；全氮用半微量凱氏法測定；速效磷用0.5mo1／L的NaHCO3溶液浸提，鉬銻抗比色法測定；速效鉀用中性1mol／L乙酸銨20溶液浸提，火焰光度計測定；容重用環刀法測定；土壤質地采用吸管法測定。

3 結果與分析

3.1 粉煤灰對試驗土壤的性質影響

3.1.1 試驗土壤質地的變化

試驗用粉煤灰是一種形狀各異、大小不等的顆粒狀物，顏色為深黑色，相當于細砂壤土。直徑0.002～0.02mm的粉粒占65%以上，直徑0.02～2mm的粉粒含量少于32.4%，直徑小于0.002mm的粉粒更是低于1.1%。試驗中摻入一定比例粉煤灰后的土壤質地具體數據詳見表1。由表1可知，隨著粉煤灰用量的增加，試驗土壤中D1，D2大于0.002mm的粉粒含量由對照原土的30.57%和31.21%分別增加至44.52%和45.64%，平均為原來的1.41倍，粉粒含量隨粉煤灰加入量明顯增加，而粘粒和砂粒的含量則明顯降低，由對照原土的27%和42%左右分別降至16%和38%左右，土壤類別也從重壤土變為中壤土，土壤質地明顯得到一定的改善。

表1 不同處理方案對土壤質地的影響

3.1.2 容重與孔隙體積的變化

試驗用粉煤灰比重為2.05g／cm3，自然沉積后，容重均值僅為0.70g／cm3左右，而毛管孔隙體積則平均高達81.65%。因此，隨著粉煤灰施用量的增加，土壤容重減小，總孔隙體積、毛管孔隙體積增加，詳見表2。分別對不同處理方案的各項土壤指標作圖，如圖1－3所示。

表2 不同處理方案對土壤容重及孔隙體積的影響

圖1 不同處理方案對土壤容重的影響

圖2 不同處理方案對土壤總孔隙體積的影響

圖3 不同處理方案對土壤毛管孔隙體積的影響

從方案對比中可以看出，施用粉煤灰后土壤的容重降低了0.1～0.3g／cm3，毛管孔隙體積增加了8%～15%，由此增加了土壤的保水性能。由圖表分析得到不同處理方案土壤的物理形狀也各不相同。根據測定：試驗地塊D1，D2的毛管孔隙體積及總孔隙體積均為各種處理方案的最高值，總孔隙體積分別為63.40%和62.38%，毛管孔隙體積分別為57.96%和58.02%，且土壤容重最小分別為1.14g／cm3和1.10g／cm3，說明該土壤物理性狀最好，透氣透水性能良好，土層疏松柔軟，保水保肥能力較強。試驗地塊A2的物理性狀最差，總孔隙體積52.94%，毛管孔隙體積50.06%，為所有試驗地塊中的最低值，容重最重只達到1.24g／cm3，此數據說明該處理方案的土壤質地固相較多，氣相偏少，所以毛管持水量也相應最少，土層相對緊密度大，透氣透水性能最差，同時保水保肥能力也最差，不利于植物生長。其他試驗地塊的各項指標介于兩者之間，按指標優良性能排列順序為粉煤灰﹥D1D2﹥C1C2﹥B1B2﹥A1A2﹥對照土壤。

3.1.3 土壤化學性質測定分析

本試驗中土壤化學性質測定結果詳見表3。

表3 不同處理方案的土壤化學性質測定結果

（1）土壤pH值的變化。粉煤灰還可以改善土壤的pH值［4］。各處理方案試驗地塊土壤pH均值詳見表3中pH值一項。分兩組采樣，不同處理方案對土壤pH值的影響如圖4所示。本試驗中選用的粉煤灰來自電廠貯灰場，因經過了較長時間的存放，風化作用后粉煤灰的pH值迅速降低，經過測試，pH值范圍為8.63～8.72，比土壤略高。因此，與試驗地塊的原土進行不同比例混合后對土壤pH值造成的影響并不明顯。

圖4 不同處理方案對土壤pH值的影響

（2）可溶性鹽的變化。各處理方案試驗地塊土壤可溶性鹽的含量均值詳見表3中可溶鹽一項。分兩組采樣，不同處理方案對土壤可溶鹽的影響如圖5所示。由圖表可知，試驗用粉煤灰含鹽量平均為0.19%左右，隨著粉煤灰施用量的增加，土壤含鹽量減小，粉煤灰使用量最大的D1，D2地塊，可溶鹽含量降至0.42%，0.41%，降幅最大；粉煤灰施用量最小的A1，A2地塊，可溶鹽含量分別為0.51%和0.52%，降幅最小。各種處理方案綜合分析，土壤可溶鹽含量降低幅度可達0.08%～0.18%，植物所受的鹽迫危害進一步減小。試驗前已對試驗土地進行了混合堆土成基的地形改造，在淋灑灌溉過程中促進了土地鹽分的排鹽速度，使得鹽堿地土壤的含鹽量迅速降低。

圖5 不同處理方案對土壤可溶鹽的影響

（3）有機質含量的變化。各處理方案試驗地塊土壤有機質含量均值詳見表3中有機質一項。分兩組采樣，不同處理方案對土壤有機質的影響如圖6所示。試驗用粉煤灰有機質含量較試驗對照地塊本底值更低，僅為0.13%左右；試驗對照地塊有機質含量在0.5%左右，屬于相對貧瘠的土壤。隨著粉煤灰施用量的增加，土壤含有機質有所減小，降低幅度可達0.12%～0.17%，植物所需要的養分減少，粉煤灰加入量過大，會造成植物營養成分不足。此問題可通過投加有機物質得到改善，例如添加牲畜糞便或水庫淤泥等物質。

圖6 不同處理方案對土壤有機質的影響

（4）土壤全氮的變化。各處理方案試驗地塊土壤全氮含量均值詳見表3中全氮一項。分兩組采樣，不同處理方案對土壤全氮的影響如圖7所示。試驗用粉煤灰全氮含量很低，平均值為0.12g／kg。因此，隨著粉煤灰施用量的增加，土壤全氮含量減小，植物所需要的養分進一步減小，影響植物的生長。這與有機質含量降低規律一致，通過耕作施肥可改善這一不利影響。

圖7 不同處理方案對土壤全氮的影響

（5）速效氮含量的變化。各處理方案試驗地塊土壤速效氮含量均值詳見表3中速效氮一項。分兩組采樣，不同處理方案對土壤速效氮的影響如圖8所示。由圖表分析可知，試驗用粉煤灰速效氮含量為12.8mg／kg左右，低于土壤的速效氮含量。隨著粉煤灰施用量的增加，土壤速效氮含量減小，其中施灰量最大的試驗地塊D1，D2降幅最高，分別達9.77mg／kg和10.14mg／kg，這與全氮的分布規律相似，嚴重影響植物生長。

圖8 不同處理方案對土壤速效氮的影響

（6）速效磷含量的變化。各處理方案試驗地塊土壤速效磷含量均值詳見表3中速效磷一項。分兩組采樣，不同處理方案對土壤速效磷的影響如圖9所示。土壤中全磷含量較低，速效磷的含量通常會略顯不足。但即便全磷含量較高的土壤也不一定保證含有足夠的速效磷供應作物生長，因為土壤中的磷大部分是以磷酸鈣鹽這種難溶性化合物形式存在的，能被作物吸收利用的速效磷含量有限。因此要測定土壤中速效磷的含量才能客觀地說明土壤磷肥力的供應情況。

圖9 不同處理方案對土壤速效磷的影響

（7）速效鉀含量的變化。各處理方案試驗地塊土壤速效鉀含量均值詳見表3中速效鉀一項。分兩組采樣，不同處理方案對土壤速效鉀的影響如圖10所示。從圖中可以看出，隨著粉煤灰施用量的增加，土壤中速效鉀的含量也對應增加，增幅為43～144mg／kg。

圖10 不同處理方案對土壤速效鉀的影響

3.2 試驗土壤對木苗生長監測結果與分析

木苗在試驗土壤上移植18個月后，對試驗木苗進行了抽樣監測，結果按照樹種不同分別列表，詳見表4。

表4 不同處理方案對植物生長的影響

3.2.1 木苗生長狀況分析

由表4可以明顯看出，按照土灰的比例，分別施加4∶1，3∶1和5∶2的粉煤灰后，木苗的胸徑、冠幅和木苗高度均比對照提高。施加3∶2的粉煤灰時，由于植物根部有固氮作用，對改良后的土壤養分需求不苛刻，生長沒有受到很大的影響，但為了保證土壤的養分，粉煤灰含量最好控制在30%以下，因為超過30%，除固氮能力極強的植物外，其他木苗生長可能會受到明顯影響。

3.2.2 木苗生理指標測定結果與分析

通過試驗測得樹種的電導率、脯氨酸、丙二醛和可溶性糖含量均有不同程度的下降，說明粉煤灰改良土壤后，土壤的含水量增加，速效磷、速效鉀含量增加，植物所受的干旱脅迫作用有所減少，抗逆性增強。

根據植物的生長狀況和各項生理指標數據分析，受試樹種在不同處理方案的試驗地塊上均可種植成活，其中，以土灰的比例為3∶1施加粉煤灰后的測定結果最為理想，這與木苗的生長檢測結果基本吻合。

4 結論與建議

在鹽堿土中加入一定比例的粉煤灰，可以降低鹽堿土中粘粒含量，改善土質，減少堆積密度，降低土壤容重，增加土壤的孔隙體積，并提高土壤含水量和土地存水量；采用掩模層配比模式可增加鹽堿土壤排鹽速度，減少土壤中的堿性物質的含量，調節土壤的pH值，增加土壤有效磷、有效鉀的含量，同時增加土壤中硅、銅、鋅、鉬、錳、硼等營養元素含量，有利于提高土壤保肥能力，增強植物抗逆性。

粉煤灰的物理性質有利于增加土壤的通氣性、透水性、溫度、蓄水能力，有利于改善土壤水分狀況，而pH值對土壤酸堿性影響有限。粉煤灰的有效氮含量處于較低水平，滿足不了作物的生長需要，因此在施灰的同時應添加有機肥料補充速效氮。

土壤與粉煤灰的配比為3∶1時，通過木苗生長狀況可知土壤的改良效果最為明顯。粉煤灰的物理性質與沙壤土相似，可改良粘土的結構性；粉煤灰的主要化學成分也與土壤相類似，施灰量不超過土壤質量10%的比例時，不會造成土壤污染和作物毒害，且經過淋溶的粉煤灰的pH值、鹽度及潛在毒性均低于干灰。

［1］ 王福元，吳正嚴.粉煤灰利用手冊［M］.北京：中國電力出版社，2004：14－15.

［2］ 王遵親.中國鹽堿土［M］.北京：科學出版社，1993：5.

［3］ 北京林業大學.土壤理化分析實驗指導書［M］.北京：北京林業大學出版社，2002：28－36.

［4］ 孫建衛，劉海增，閔凡飛.粉煤灰綜合利用現狀［J］.潔凈煤技術，2011，17（1）：101－103.