粉煤灰對土壤性質改善及肥力提升的作用研究進展①

季慧慧，黃明麗，何 鍵，楊凡昌，徐榮臣，張鳳魁，顏冬云*

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粉煤灰對土壤性質改善及肥力提升的作用研究進展①

季慧慧1，黃明麗1，何 鍵1，楊凡昌1，徐榮臣2，張鳳魁2，顏冬云1*

(1青島大學環境科學與工程學院，山東青島 266071；2 魯化好陽光生態肥業有限公司，山東滕州 277527)

我國粉煤灰生產量巨大，農業生產中合理利用粉煤灰是提高粉煤灰綜合利用水平的重要途徑之一。本文綜述了近年來粉煤灰在土壤結構改良、促進作物生長發育以及粉煤灰衍生肥對農業生產的作用等方面的研究進展。最后，對粉煤灰農業化資源利用風險進行了分析，并根據當前粉煤灰研究中存在的主要問題，指出了今后粉煤灰農用研究的重點。

粉煤灰；改良；土壤；作物

粉煤灰是燃煤企業在生產過程中排放出的固體廢渣。隨著我國能源工業穩步發展和電力工業的迅速發展，粉煤灰排放總量逐年增加。我國粉煤灰排放量從2000年約1.5億t到2013年約5.32億t，平均年遞增18.2%，根據灰色預測模型估計，到2020年中國粉煤灰排放量將達到9億t[1-2]。粉煤灰的不恰當處理不僅占用了大面積土地，還對環境造成污染[3-4]。

粉煤灰粒細質輕、多孔松散、比表面積大、活性基團較多且吸附能力較強[5]，能夠促進土壤顆粒的團聚作用，粉煤灰的理化性質決定了粉煤灰可以用作土壤改良劑及肥料填充劑，為農作物生長發育創造良好的條件，提高農作物的品質。

1 粉煤灰的理化性質

粉煤灰顆粒大致分為珠狀、渣狀、鈍角、碎眉、粘聚顆粒5種[6]。粉煤灰的化學成分主要是：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等[7](表1)，密度大多在2.1 ~ 2.6 g/ml，體積質量(容重)主要在1.0 ~ 1.8 g/ml。粉煤灰體積質量、比重均小于土壤，孔隙度大于土壤，粉煤灰的特性決定了它在農業應用方面潛力巨大。粉煤灰的組成和性質隨燃煤組成、燃燒條件和處理方法等因素的不同而不同[9]。

表1 粉煤灰的主要化學組成[8]

粉煤灰中含有一定量的鐵，膜狀鐵的膠結作用及鐵在腐殖質和黏土礦物晶格間的橋梁作用是土壤團聚化的重要機制[10]。它可使大于5 mm的水穩定性團聚體減少，使5 ~ 1 mm及0.5 ~ 0.25 mm的團聚體增加，進而改善土壤結構及通氣透水性[11]。

2 粉煤灰的農田施用效應

2.1 粉煤灰對土壤結構及理化性質的影響

由于粉煤灰形成過程中產生大量的孔洞和網格玻璃質[12]，同時粉煤灰沙粒含量達87% 以上，粉煤灰加入土壤后會增加土壤砂性，增加土壤視密度、比重及飽和導水率，提高土壤通氣性，降低土壤體積質量，增加土壤的孔隙率，縮小膨脹率，增加土壤微生物活性，增加土壤抗侵蝕能力，對水、肥、氣、熱有很好的保存和傳導作用[13-17]。鄭海金等[18]通過盆栽試驗發現，粉煤灰施加到土壤后，土壤黏粒含量顯著降低，且適量施入粉煤灰后土壤中的重金屬含量均低于“土壤環境質量標準值”一級標準。吳家華等[19]指出，粉煤灰可顯著提高白漿土微生物活性，增加芽孢菌含量，提高青霉菌活性，從而增強土壤生物的抗性，同時粉煤灰可以提高固氮微生物活性，使有益微生物占優勢，改善土壤生態環境，為作物生長創造有利的環境。Sarangi等[20]在對水稻的研究中發現，加入粉煤灰后土壤中轉化酶、脫氫酶蛋白酶活性明顯增加。Gourab等[21]研究表明，粉煤灰用量在5、10 t/hm2時，土壤中磷酸酶、芳基硫酸酯酶活性增強，而脫氫酶活性不受影響。Garampalli等[22]用3種不同劑量的粉煤灰改良土壤，發現作物根部生物量有顯著的增強。此外，在土壤中施入粉煤灰能夠降低土壤導水率，提高田間持水量[23-26]。李廣慧等[27]用粉煤灰改良栗鈣土的研究表明，粉煤灰、栗鈣土的飽和導水率分別為1.15×10–4、3.84×10–5cm/s，把粉煤灰加入到土壤中可以起到提高土壤含水量和減少地表徑流的作用。農業部提出，針對砂姜黑土“旱、澇、僵、瘦”等問題，可采用摻粉煤灰等措施改善土壤性狀，提高土壤保水保肥能力[28]。魏俊嶺等[29]研究表明，在砂姜黑土中施入粉煤灰可提高土壤有機質含量，增加土壤孔隙度，提高土壤水分穩滲速率，為土壤水分入滲性能提升提供理論依據。趙亮等[30]通過大量的土柱積水入滲試驗發現，在沙質土壤中施加粉煤灰可以有效地減小土壤入滲能力，增強沙土持水性，粉煤灰土壤改良層中含水率較沙土有明顯提高，有效水分滯留時間顯著增加。

2.2 粉煤灰對作物生長發育的影響

粉煤灰中含有農作物生長所需的鈣、鎂、鋅、錳、硼等營養元素[5, 31]，可以提高種子發芽率[32]，提高農作物對養分的吸收率，增加對病蟲害的抗性[33]，對植株特別是幼苗有保護作用，可防止小麥銹病及果樹黃葉病等[34]，進而提高作物產量[24, 35]。研究表明[36-37]，粉煤灰可以代替肥料為土壤提供微量元素，在土壤中施入粉煤灰能促進作物對銅、鋅、錳等微量元素的吸收，促進作物增長，提高作物產量。鄭學博等[38]在沿淮砂姜黑土上施用粉煤灰種植小麥和玉米，分別較常規施肥增產1.6% 和14.4%。吳家華等[19]試驗證實，黏質土壤上施用適量粉煤灰對小麥、玉米、水稻等作物都有顯著的增產效果。Yunusaa等[25]在溫室大棚施用粉煤灰，發現粉煤灰可以加快油菜早期生長發育，提高油菜籽產量。Mittra等[39]認為粉煤灰與有機廢棄物形成的完整植物養分供應系統，可安全有效地提高酸性土壤作物產量以及植物對養分的吸收。Pathan等[40]證實，植物的有效含水量隨著粉煤灰的加入而逐漸增加。Garg等[13]發現，施用粉煤灰的土壤與未施入粉煤灰土壤相比，小麥葉片面積明顯增大，根長密度以及小麥產量增加。Mohan[41]通過研究發現，在土壤中施加20% 的粉煤灰后，麻風樹葉綠素含量增加，進而提高光合速率。Khan等[42]在施入粉煤灰的土壤種植番茄，結果表明添加粉煤灰后番茄植株葉子生長旺盛，產量顯著增加。劉山林[43]在排土場農業復墾中，施用粉煤灰改良土壤并進行田間試驗結果表明，施加粉煤灰后谷子的株高增長，且粉煤灰施加量越大，每穗顆粒數越多，畝產量越高。粉煤灰、農家肥、化肥同時施入土壤中，其改善土壤肥力和農作物生長狀況效果更為明顯。

3 粉煤灰衍生肥的農業生產效應

3.1 粉煤灰復合肥的肥效

由于粉煤灰是礦物質燃燒的直接產物，富含礦質元素，可替代部分肥料的添加劑，能得到一種很好的復合肥，增產效果好，價格便宜。目前在發達國家已得到廣泛的應用[40, 44-45]，例如，美國利用粉煤灰制作硫肥、硼肥，日本將粉煤灰作硅酸質肥料，澳大利亞利用粉煤灰制作鎂肥[11]。粉煤灰本身含有多種植物可利用的營養成分，其中SiO2含量很高，利用粉煤灰生產硅肥可以為水稻、花生、玉米等喜硅作物生長提供所必需的物質。張鳳剛和陳靜[46]利用燃煤電廠排放的粉煤灰制成增效硅肥，在水稻生長的不同時期施用，可彌補單一硅肥營養不足和一般化肥無硅的缺點，對提高水稻產量有明顯效果。將粉煤灰作為硅肥施入土壤，可以有效提高土壤供硅能力，尤其在稻田，不僅能改善稻田硅素肥力情況，還能促進水稻對硅養分的吸收，從而提高水稻產量，改善水稻品質[47]。電力中央研究所開發了添加粉煤灰(10%)的蔬菜栽培化肥，試驗證明，施用粉煤灰化肥后圓白菜和蘿卜的產量增加10% ~ 15%，土豆和山藥的產量增加7% ~ 8%，蔬菜類保鮮期和塊莖類甜度也有所增加[33]。

粉煤灰具有較強的吸附作用，利用其吸附性，可直接將氮、磷、鉀等肥料和粉煤灰按所需比例進行混合、造粒、干燥，配制成粉煤灰復混肥[48]。王海輝等[49]施用粉煤灰多元復混肥種植水稻，結果表明粉煤灰多元復混肥能增加土壤養分，為水稻提供所需的多種營養元素，促進水稻生長發育，提高水稻產量及經濟效益。孫克剛等[50]證實，用混料法生產的粉煤灰復混肥使氮磷鉀利用率提高，流失率減小。全卓仁[51]利用粉煤灰多元素復混肥在大田小區試種水稻，發現粉煤灰多元素復混肥對作物植株性狀的生長優勢明顯優于常規施肥法，比常規施肥法增產19.1%。趙青等[52]研究表明，粉煤灰多元復混肥可以提高土壤有效養分含量，有利于花生的生長發育，提高產量。杜慧玲等[53]在供試土壤上種植小麥，結果表明粉煤灰配合施用硝酸磷肥和氯肥，顯著增加了各種微生物的數量，提高了土壤中酶的活性。邱現奎等[54]以粉煤灰為包膜材料對普通肥料進行包膜后進行農田施用，發現施用粉煤灰包膜緩釋肥可以降低大白菜功能葉的HCO– 3-N含量，一定程度降低有機酸含量，提高了收獲期大白菜球葉中可溶性糖和維生素C的含量。

3.2 粉煤灰磁化肥的肥效

土壤中大多數細菌具有趨磁性，磁場可以改變某些細菌酶的結構和活性[55]。粉煤灰含有一定量的易磁化物質，粉煤灰磁化率為(308 ~ 385)×10–8m3/kg[56]，這些磁質經磁化后成為磁化肥，將使粉煤灰肥效增強，減少施肥量[57]，有效地改善、調節土壤和農作物的磁環境，促進土壤中各種養分的形成和農作物的吸收，提高作物產量[58-59]。研究表明，施用粉煤灰磁化肥可以改善土壤團粒結構，提供作物需要的微量元素。由于磁化粉煤灰具有剩磁衰減時間，因此對當季作物和后續作物都能起到增產作用[60]。張玉昌等[61]施用粉煤灰磁化肥與等養分非磁化肥相比，作物增產5% ~ 35%，氮利用率提高5%，磷利用率提高2.7%。孫克剛等[62]通過對雜交油菜施用粉煤灰磁化復混肥的試驗研究，初步證明了粉煤灰磁化復混肥較同等氮、磷、鉀的復混肥、未磁化粉煤灰復合肥以及當地群眾習慣施肥，具有顯著增產效果。孫聯合等[63]在砂姜黑土區施用粉煤灰磁化肥種植小麥的增產效應試驗中發現，施用粉煤灰磁化肥可以促進小麥生長發育，增加有效分蘗，提高成穗數，增加穗粒數，提高千粒重。

4 粉煤灰農業資源化利用的風險

多數關于粉煤灰中重金屬污染問題的研究認為，適量施用粉煤灰不會造成土壤重金屬污染，粉煤灰對重金屬有鈍化作用[64-65]。粉煤灰中含有對重金屬具有專性吸附作用的鋁(Al)、硅(Si)、鐵(Fe)、錳(Mn)等氧化物，可以增加土壤對重金屬的專性吸附[66]。王顯茂[67]通過蔬菜試驗發現，施用0 ~ 12% 范圍內的粉煤灰，不產生植株毒害癥狀。朱學紅等[68]測定粉煤灰中重金屬元素在作物中的富集情況，結果表明每平方米土地施用60 kg粉煤灰，作物器官中重金屬含量遠遠低于國家糧食衛生標準規定值。孫子武等[69]在砂姜黑土中每畝施用40 t粉煤灰對小麥玉米進行輪作，發現小麥、玉米等作物體內的鉛(Pb)、鎘(Cd)、鉻(Cr)、砷(As)、汞(Hg)等有毒元素與對照田相比差異不明顯，土壤中這5種元素的含量與粉煤灰施用量的相關性不顯著，沒有出現富集或異常，且均低于土壤環境質量標準。吳家華等[70]對施入粉煤灰后的石灰性黏質土壤及糧食中的鎘、鉻、鉛、砷、汞的含量進行初步評價，認為每公頃土地施用不超過60萬kg的粉煤灰不會造成土壤、糧食污染。李念等[71]運用粉煤灰化學改良工程手段對潼關縣某村莊散戶冶煉黃金導致的重金屬污染農田進行原位修復，結果表明經粉煤灰改良后，土壤鉛、汞和鎘有效態質量分數平均值分別降低31.83%、28.57%、24.36%，表明粉煤灰對重金屬鉛、汞和鎘有一定的鈍化作用。由此可知，粉煤灰可減弱重金屬的遷移能力。Kumar等[72]研究表明，施入4% 的粉煤灰可以使水稻產量增高，并且不會給對土壤及作物帶來金屬污染。Houben等[73]進行的露天盆栽試驗結果也表明，土壤中施加一定量的粉煤灰后，白羽扇豆含鎘、鉛的含量分別約為未施加粉煤灰土壤的81% 和61.5%，并認為這是由于粉煤灰的施入抑制了離子態重金屬的活性，進而減弱了其生物有效性。

5 展望

盡管粉煤灰在農業方面的研究已經取得很大進展，但仍然存在一些問題需要深入探討。前期研究結果主要建立在短期、控制變量單一或切入點比較單純的基礎上，粉煤灰長期施用是否會對土壤、環境及人類健康產生危害等后效研究不足，并缺乏對典型土壤的理化性質、微量元素的含量及變化規律的系統研究。

粉煤灰的綜合利用，已成為我國經濟建設中一項重要技術經濟政策，是解決我國化石能源污染及資源缺乏的重要輔助手段。但任何事物均有兩面性，如何充分提高粉煤灰在農業上的使用優勢，降低其潛在毒性，是當前亟需解決的關鍵問題。

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Effects of Flyash on Promoting Soil Properties and Fertility: A Review

JI Huihui1, HUANG Mingli1, HE Jian1, YANG Fanchang1, XU Rongchen2, ZHANG Fengkui2, YAN Dongyun1*

(1College of Environmental Science and Technology, Qingdao University, Qingdao, Shandong 266071, China; 2 Luhua Well Sunshine Ecotypic Fertilizer Co., Ltd., Tengzhou, Shandong 277527, China)

The emission of flyash is in large quantity in China, how to use it reasonably in agricultural activities is significant to improve the comprehensive utilization of flyash. This paper reviewed the effects of flyash on improving soil structure and promoting crop growth and the effects of flyash-derived fertilizer on agricultural production, analyzed the risks in agricultural resource utilization of fly-ash, and pointed out the focuses of the future study on the utilization of flyash in agriculture.

Flyash; Ameliorate; Soil; Crop

10.13758/j.cnki.tr.2017.04.004

S143；X131；S156

A

國家自然科學基金項目(31400371；51279075)和產學研橫向課題(40401160009)資助。

(yandongyun666@hotmail.com)

季慧慧(1992—)，女，山東青島人，碩士研究生，研究方向為環境化學。E-mail：jihuihui1992@163.com