燃煤烟气脱硫石膏在新疆盐碱土壤改良中的应用研究

李彦，衣怀峰，赵博，王淑娟，禚玉群，陈昌和，徐旭常

1.清华大学热能工程系，热科学与动力工程教育部重点实验室，北京 100084；2.中国石油新疆油田公司质量管理与节能处，新疆 克拉玛依 834000

目前，我国电力以煤电为主, 根据中电联2009年的统计数据，到2009年底，我国火电发电量近3万亿千瓦时，燃煤机组占火电机组的比例约为90%，燃煤机组中安装脱硫设备的机组约为90%，目前脱硫机组的脱硫效率都大于90%，根据上述数据估算，我国全年约产生脱硫石膏2000万t。大量的脱硫石膏不仅要占用大量土地，如果处置不当，还会对环境造成二次污染。另一方面，据第二次全国土壤普查资料统计（1996年）：分布于我国北方干旱和半干旱地区的盐碱土面积约为3500万hm2，其中碱土面积870万hm2。由于气候等多方面的原因，这一数字还在不断增加。这些土壤不仅不能使作物很好地生长，有的还对作物有毒害作用，更有甚者，有的碱化土地寸草不生，长年荒芜，极大地影响了我国的农业生产和生态环境。

利用燃煤烟气脱硫石膏改良碱化土壤是从 20世纪90年代后期才开始的。从1995年开始，清华大学与其它单位合作，在国际上率先利用脱硫石膏对我国大面积基本不长任何作物的碱化土壤进行改良。在内蒙土默川平原、宁夏银川、吉林白城、内蒙兴安盟等地，将燃煤烟气脱硫石膏用于碱化土壤改良，效果显著，但是能否将此项技术用于新疆地区的盐碱地改良还有待试验研究。新疆西北部地区分布着大片的盐碱地，如果能将燃煤烟气脱硫石膏成功地用于新疆地区的盐碱地改良，提高盐碱地上种植树木的成活率，则对国家三北造林建设和二氧化碳温室气体减排有着重大意义。2009年在新疆克拉玛依市新疆油田公司减排造林项目区，利用燃煤烟气脱硫石膏进行了盐碱地改良，在改良后的土地上种植了新疆杨（Populus bolleanaLauche）、白榆（Ulmus pumilaL.）、沙棘（Hippohgae rhamnoidesL），当年树木平均成活率为 71%，比对照区树木的成活率高41%，改良效果显著。

1 试验区概况和研究方案

1.1 试验区概况

新疆克拉玛依市新疆油田公司减排造林项目区位于准噶尔盆地西北缘，加依尔山南麓，克拉玛依市区西北郊，纬 45°36′30″—45°37′57″，东经84°50′01″—84°52′30″，处山前冲积戈壁，海拔280～300 m。具有典型的大陆性气候特征，夏季炎热，最高气温达44 ℃，冬季寒冷，最低温度达-35.9℃，年平均温为8 ℃。干燥少雨，年均降水量为101.7 mm，年潜在蒸发量为45.2 mm。风沙危害严重，年均大风日数为76 d（≥8级风），其中9上风的日数为14 d，主风向西北。土壤为灰棕色荒漠土，无明显层次，沙质基质（粉砂，细砂至粗砂），间有砾石和碎石，直径在0.5～1.5 cm间，含量为5%～30%，多者可达50%以上[1]。

2009年在新疆克拉玛依油田公司供水公司减排造林项目区，国家三北四期造林项目三标段选定了3.7 hm2不同程度碱化土壤作为改良示范地。首先对土壤进行了采样，将采集的土壤样本送到中国科学院新疆生态与地理研究所进行了分析测试。测试方法如下：土壤样品自然风干后过2 mm筛子。pH值(水土比2.5∶1)用电位测定法（PB-10酸度计）测定；水溶性全盐(水土比 5∶1)用电导法（DDSJ-308A电导率仪）测定；交换态K+与交换态Na+用浸提－火焰光度法（410火焰光度计）测定,交换态Ca2+、交换态Mg2+采用浸提－原子吸收分光光度法（AA-6200原子吸收分光光度计）测定。得到了土壤的pH值、全盐量、交换态钾、交换态钠、交换态钙、交换态镁等参数。根据交换性阳离子和交换性钠的含量计算出了土壤的碱化度，土壤的水溶性盐分分析如表1所示。

从表1可以看出，这块示范地的土壤pH值在7.35～8.15之间变化，碱化程度分布不均，有的地方重度碱化（碱化度>30%），有的地方轻度碱化（10%～20%）。从全盐量参数来看，全盐量>0.5 g·kg-1就是盐地，这块示范地有的地方全盐量达到 2.88 g·kg-1，属于重度盐化，其他地方的全盐量也都>0.069 g·kg-1。根据与盐碱土的分类指标对比，确定该块土壤为盐碱土(ESP>15，pH值>7.35)[2]。

1.2 改良原理

众所周知，利用石膏改良盐碱土壤是一种方便有效的方法，其原理是石膏溶解产生Ca2+能够代换土壤胶体上的Na+，从而降低土壤的碱化度、pH值以及增加土壤透水性。土壤胶体粒(由粘土与腐殖质形成)，长期与盐碱土中的 Na2CO3、NaHCO3、NaC1等接触,成为含Na胶体粒子。含Na胶体粒子在土壤中水化度较大,有较好的分散性,能散布在土壤颗粒之间的细缝中，形成致密、不透水的含Na板结土层。不易透水的含Na板结土层中掺入CaSO4后,因 Ca2+比 Na+对土壤中胶体粒的吸附能力大得多,原已吸附的Na+会被Ca2+置换，所以土壤溶液中的Ca2+会和土壤胶体上附着的Na+离子交换。含Ca2+胶体微粒的外层不吸附水分子，胶体微粒自己能互相靠近而聚团形成微粒团。水分子渗入微粒之间时会使微粒团膨胀，然后在干燥过程中使土层龟裂。这过程反复进行后，土壤就形成团粒结构，从而使得土壤疏松增加，增加透水性，有利于农作物生长和吸收水分、养分[3]。

脱硫石膏主要成分与天然石膏相同,为二水硫酸钙晶体 CaSO4·2H2O，呈粉末状。当石灰石纯度较高时, 脱硫石膏纯度一般在90%～95%之间，含水率一般为 10%～15%[4]。脱硫石膏富含 S、Ca、Si等植物必需或有益的矿质营养，能够用于改良盐碱土壤[5,6]。本试验采用甘肃张掖电厂的脱硫石膏进行改良。由于不同电厂燃用的煤种不同，作为脱硫剂的石灰石来源不同，脱硫石膏中的各种成分含量也略有不同[7]。为了准确地了解脱硫石膏中的各种成分，将来自张掖电厂的脱硫石膏送到了国家建筑材料测试中心进行了成分分析测试，测量结果如表 2所示。

试验处理中的脱硫石膏施用量根据文献[8]决定，通过十几年在内蒙、宁夏、吉林等地的脱硫石膏改良碱化土壤的应用实践，总结出脱硫石膏施用量可以用下式进行估算：

式中，w为脱硫石膏的施用量（kg·m-2）；ESP为碱化度（%）；H为土壤改良深度（m）；D为土壤容重（kg·m-3）；η为脱硫石膏中石膏的质量分数（%）。

1.3 试验设计

2009年4月，在选定的改良示范地进行平整土地，按照行距2 m，株距2 m的距离挖树穴，树穴的尺寸为0.6 m×0.6 m×0.6 m，把土挖出后，将脱硫石膏按照上式计算的施用量与挖出的土拌均匀。在坑底先放入0.2 m厚的拌好的混合土垫底，然后放入树苗，树苗周围再回填拌好的混合土。改良示范区共种植新疆杨9339株，白榆4600株，沙棘3500株。同时针对不同的碱化程度的区域，设置了不同的对照区，分别种植了新疆杨和白榆。

表1 土壤水溶性盐分分析Table 1 analysis of water-solubility salinity of alkali soil

表2 脱硫石膏的成分分析Tanle 2 analysis of component of FGD gypsum

2 结果与分析

2.1 脱硫石膏对土壤理化性质的影响

2009年10月，在原来的土壤采样点又对土壤进行了采样，将采集的土壤样品送到北京市园林科学研究所进行土壤理化参数测量。土壤理化参数的测试结果如图1所示。从图中可以看出改良后土壤的碱化度(ESP)有很大下降，pH值和全盐量也有所下降。在碱化土壤中，ESP和pH是限制作物生长的两个关键因素。不同深度的ESP都显著降低，而且改良后表层的土壤(0～20 cm)中ESP下降更快，较深层的土壤(30～50 cm)中的ESP也有所下降，但是没有表层土壤中ESP下降明显，这一结论与文献[9]的研究结论吻合。

图1 脱硫石膏改良后土壤理化参数的变化Fig.1 The changes in soil physico-chemical properties after FGD gypsum amelioration

2.2 脱硫石膏环境安全性评价

脱硫副产物富含 Ca、S、Mg、B、Si等植物所需的营养元素，其理化性状已有较详细的描述[10-12]，此外脱硫石膏中含有少量的 As、Hg、Pb、Cr、Cd等重金属元素,其来源于煤炭燃烧的飞灰吸附的重金属[13-14]。为了清楚地了解脱硫石膏改良土壤后对土壤环境安全性的影响，2009年10月，在原来的土壤采样点又对土壤进行了采样，将采集的土壤样品送到国家建筑材料测试中心进行了重金属元素的测量，测量结果如表3所示。由表3可看出，脱硫石膏中的重金属Hg、Pb、Cr、Cd含量均比土壤背景值低，施入脱硫石膏后对土壤中的 Hg、Pb、Cr、Cd元素含量基本没有影响，都低于国家土壤环境标准（三级）。脱硫石膏中重金属As含量略高于土壤背景值，因为施用量只有土壤容重的0.5%，所以改良后土壤中的 As含量仍低于国家土壤环境标准（三级），这一结论与前人研究的结果[13]吻合，也进一步证明燃煤脱硫石膏改良盐碱地对土壤环境是安全的。

表3 脱硫石膏对土壤中重金属的影响Table 3 Influnce of FGD gypsum on heavy metal element in soil

2.3 脱硫石膏对树木成活率的影响

由于施用脱硫石膏后降低了土壤的碱化度、全盐量和 pH 值,使土壤理化性质发生明显的改变,改善了作物根系的生长环境。2009年秋季统计，土壤改良后种植的新疆杨的成活率为80%，白榆和沙棘的成活率为60%，平均成活率为71%。而没有改良的对照地种植的新疆杨的成活率为34%，白榆的成活率为25%，平均成活率为30%。所以利用脱硫石膏改良碱化土壤，第一年树木的成活率比对照地树木的成活率高41%。

3 结论

研究结果表明，施用脱硫石膏能够显著降低土壤中的ESP和全盐量, 而且改良后表层的土壤(0～20 cm)中ESP和全盐量下降更快，较深层的土壤(30～50 cm)中的ESP也有所下降，但是没有表层土壤中ESP下降明显。由于土壤碱化度和全盐量下降，从而改善土壤结构和渗透性，提高了树木的成活率，改良后树木的平均成活率为71%，而对照地树木的成活率只有30%，改良后树木的成活率比对照地树木的成活率高41%。脱硫石膏中的重金属Hg、Pb、Cr、Cd、As含量均比土壤背景值低，施入脱硫石膏后对土壤中的Hg、Pb、Cr、Cd、As元素含量基本没有影响，都低于国标最高容许值。

[1]郑路, 尹林克, 胡秀琴, 等: 准噶尔盆地城市新建防护绿地土壤养分和盐分的变化[J], 水土保持学报, 2008, 22(6): 48-51.ZHENG Lu, YIN Linke, HU Xiuqin, et al.: The changes on soil nutrients and salinity of protective greenbelt in city of Junggar Basin[J].Journal of Soil and Water Conservation, 2008, 22(6): 48-51.

[2]李法虎.土壤物理化学[M].北京: 化学工业出版社, 2006: 226-255.LI Fahu.Physical chemistry of soil[M].Beijing: Chemical Industry Press, 2006: 226-255.

[3]徐旭常, 陈昌和, 王淑娟.西部燃煤电站开发与生态环境[J].节能与环保, 2003, (5): 4-7.XU Xuchang, CHEN Changhe, WANG Shujuan.Development of coal-fired power plants and ecology and environment protection in the west part of China．Energy Conservation and Environmental Protection, 2003, (5): 4-7.

[4]王方群, 原永涛, 齐立强.脱硫石膏性能及其综合利用[J].粉煤灰综合利用, 2004, (1): 41-44.WANG Fangqun, YUAN Yongtao, Qi Liqiang.The properties of comprehensive utilization of desulphurization gypsum[J].Fly Ash Com-prehensive Utilization, 2004, (1): 41-44.

[5]李淑仪, 蓝佩玲, 徐胜光, 等.燃煤烟气脱硫副产物在酸性土壤的农业资源化利用[J].生态科学, 2003, 22(3): 222-226.LI Shuyi, LAN Peiling, XU Shengguang, et al.Agricultural resource use study of desulphurization by product of burn coal smoke with Acid Soils[J].Ecologic Science, 2003, 22(3): 222-226.

[6]陈欢, 王淑娟, 陈昌和, 等.烟气脱硫石膏在碱化土壤改良中的应用及效果[J].干旱地区农业研究, 2005, 23(4): 38-23.CHEN Huan, WANG Shujuan, CHEN Changhe, et al.The application and effect of desulphurized waste of flue gas in improving alkali soil[J].Agr icultural Research in the Arid Areas, 2005, 23(4): 38-23.

[7]王英, 段鹏选, 张晔.烟气脱硫石膏的基本性能研究[J].中国水泥,2009(1): 60-63.WANG Ying, DUAN Pengxuan, ZHANG Ye.Study for basic performance of desulphurization gypsum[J]CHINA CEMENT, 2009, (1):60-63.

[8]陈昌和, 徐旭常, 定方正毅, 等.燃煤烟气脱硫废弃物的用途及其改良碱性土壤的方法[P].ZL 200610011116.0 CHEN Changhe, XU Xuchang, SATAKATA Y.et al.Use of Flue Gas Desulphurization byproduct and method of alkali soils amelioration[P].ZL 200610011116.0

[9]王金满, 杨培岭, 张建国, 等.脱硫石膏改良碱化土壤过程中的向日葵苗期盐响应研究[J].农业工程学报, 2005, 21(9): 33-37.WANG Jinman, YANG Peiling, ZHANG Jianguo, et al.Salinity effect on sunflower at seedling stage during improving sodic soils reclaimed with by-product from flue gas desulphurization (BFGD)[J].Transactions of the CSAE, 2005, 21[9]: 33-37.

[10]徐胜光, 李淑仪, 蓝佩玲, 等.燃煤烟气脱硫副产物用于桉树的效果及机理[J].浙江林学院学报, 2004, 21(1): 15-21.XU Shengguang, LI Shuyi, LAN Peiling, et al.Mechanism and effect of desulphurization byproduct on eucalyptus [J].Journal of Zhejiang Forestry Collage, 2004, 21(1): 15-21.

[11]徐胜光, 李淑仪, 蓝佩玲, 等.燃煤烟气脱硫副产物对花生作物营养效应及其机理[J].生态环境, 2003, 12(4): 415-418.XU Shengguang, LI Shuyi, LAN Peiling, et al.Effect of applying desulphurization byproduct on peanut crop nutrition and the mechanism[J].Ecology and Environment, 2003, 12(4): 415-418.

[12]徐胜光, 李淑仪, 蓝佩玲, 等.燃煤烟气脱硫副产物对萝卜营养作用及其机理[J].生态科学, 2003, 22(3): 232-236.XU Shengguang, LI Shuyi, LAN Peiling, et al.Effect of desulphurization byproduct on radish crop nutrition and the mechanism[J].Ecologic Science, 2003, 22(3): 232-236.

[13]徐胜光, 蓝佩玲, 廖新荣, 等.燃煤烟气脱硫副产物的重金属环境行为[J].生态环境, 2005, 14(1): 38-42.XU Shengguang, LAN Peiling, LIAO Xinrong, et al.Study on the environmental behaviors of heavy metals in desulphurization byproduct[J].Ecology and Environment, 2005, 14(1): 38-42.

[14]YUJI Sakai, SATOSHI Matsumoto, MASAYOSHI Sadakata.Alkali:soil reclamation with flue gas desulfurization gypsum in China and assessment of metal content in corn grains[J].Soil & Sediment Contamination, 2004, 13: 65-80.