粉煤灰在改良盐碱地土壤中的机理研究

张志众，李云凯，孙秀君

（唐山学院 环境与化学工程系，河北 唐山063000）

粉煤灰是燃煤火力发电厂在生产过程中排放出的大量固体废渣［1］。粉煤灰对环境的危害主要体现在重金属和放射性物质污染、空气污染、水污染、土壤污染、人体健康危害以及地质灾害等多个方面。一直以来我国对粉煤灰的处置方法多以传统消极的堆放保存为主，这种堆贮的治理方法已经给社会带来了巨大的环境问题。盐碱土是对盐土和碱土的统称。土壤中的含盐量在0.1%～0.2%以上，或土壤胶体吸附一定数量的交换性钠，碱化度数值在15%～20%以上，且有害于作物正常生长的土壤属盐碱土类型，或称盐渍土［2］。唐山地区具有丰富的粉煤灰资源和代表性的盐碱土壤，针对盐碱土问题，如果通过添加适量的粉煤灰，改进运行方式和优化操作条件，可以实现粉煤灰对盐碱土的改良。

1 研究内容及方法

1.1 研究内容

通过园林开垦地试验的方法，采用掩模层配比法，研究不同配比的粉煤灰和原土混合后各地块盐碱土壤理化性状的差异性，主要内容是对加入不同混合配比的粉煤灰与原土混合后土壤的质地、有机质含量、全氮含量、速效磷含量、速效钾含量、酸碱性及水分等养分状况的研究。

1.2 研究方法

采用掩模层配比法。首先对地形进行整体改造，即在试验地周围挖阳沟，挖出的土壤按试验设计与粉煤灰、炉渣等混合堆土成基，加速土壤脱盐，使土壤达到植物生长发育的条件。在种植层以下设置25cm左右隔离带，上层用粉煤灰和试验地土壤以不同梯度进行配比，再进行不同配植方式的种植。

2 试验内容与方法

2.1 试验场地设计

试验设10个处理小区（A1－E2），每处理小区长10m，宽2m，分别平地铺设25cm厚炉渣，其上覆40～50cm混合土，混合土由挖沟起始土壤与粉煤灰按4∶1比例混成，栽种植物。

2.2 采样及检测指标

2.2.1 土壤样品的采集

土壤分析包括养分供应分析，一般在晚秋或早春采集土样［3］。在木苗返青前后，进行3次采样。采样面积的规格约为长1.5m，宽0.8m，深1.0m，采样深度为10cm 和30cm。在采样标注图上标出采样地点，以避免下次在相同处采集。

2.2.2 土壤测定指标

试验内容选取以下指标：土壤质地、容重、pH值、可溶盐含量、有机质含量、全氮含量、速效氮含量、速效磷含量、速效钾含量。取不同试验处理地块的土壤样本，测定其理化性质，分析添加粉煤灰后对盐碱土产生的影响。

2.2.3 土壤测定的试验方法和装置

pH值用蒸馏水（水土比5∶1）浸提，pH计测定；可溶性盐用电导率法测定，使用MU2020型电导率控制器；有机质用重铬酸钾容量法－稀释热法测定；全氮用半微量凯氏法测定；速效磷用0.5mo1／L的NaHCO3溶液浸提，钼锑抗比色法测定；速效钾用中性1mol／L乙酸铵20溶液浸提，火焰光度计测定；容重用环刀法测定；土壤质地采用吸管法测定。

3 结果与分析

3.1 粉煤灰对试验土壤的性质影响

3.1.1 试验土壤质地的变化

试验用粉煤灰是一种形状各异、大小不等的颗粒状物，颜色为深黑色，相当于细砂壤土。直径0.002～0.02mm的粉粒占65%以上，直径0.02～2mm的粉粒含量少于32.4%，直径小于0.002mm的粉粒更是低于1.1%。试验中掺入一定比例粉煤灰后的土壤质地具体数据详见表1。由表1可知，随着粉煤灰用量的增加，试验土壤中D1，D2大于0.002mm的粉粒含量由对照原土的30.57%和31.21%分别增加至44.52%和45.64%，平均为原来的1.41倍，粉粒含量随粉煤灰加入量明显增加，而粘粒和砂粒的含量则明显降低，由对照原土的27%和42%左右分别降至16%和38%左右，土壤类别也从重壤土变为中壤土，土壤质地明显得到一定的改善。

表1 不同处理方案对土壤质地的影响

3.1.2 容重与孔隙体积的变化

试验用粉煤灰比重为2.05g／cm3，自然沉积后，容重均值仅为0.70g／cm3左右，而毛管孔隙体积则平均高达81.65%。因此，随着粉煤灰施用量的增加，土壤容重减小，总孔隙体积、毛管孔隙体积增加，详见表2。分别对不同处理方案的各项土壤指标作图，如图1－3所示。

表2 不同处理方案对土壤容重及孔隙体积的影响

图1 不同处理方案对土壤容重的影响

图2 不同处理方案对土壤总孔隙体积的影响

图3 不同处理方案对土壤毛管孔隙体积的影响

从方案对比中可以看出，施用粉煤灰后土壤的容重降低了0.1～0.3g／cm3，毛管孔隙体积增加了8%～15%，由此增加了土壤的保水性能。由图表分析得到不同处理方案土壤的物理形状也各不相同。根据测定：试验地块D1，D2的毛管孔隙体积及总孔隙体积均为各种处理方案的最高值，总孔隙体积分别为63.40%和62.38%，毛管孔隙体积分别为57.96%和58.02%，且土壤容重最小分别为1.14g／cm3和1.10g／cm3，说明该土壤物理性状最好，透气透水性能良好，土层疏松柔软，保水保肥能力较强。试验地块A2的物理性状最差，总孔隙体积52.94%，毛管孔隙体积50.06%，为所有试验地块中的最低值，容重最重只达到1.24g／cm3，此数据说明该处理方案的土壤质地固相较多，气相偏少，所以毛管持水量也相应最少，土层相对紧密度大，透气透水性能最差，同时保水保肥能力也最差，不利于植物生长。其他试验地块的各项指标介于两者之间，按指标优良性能排列顺序为粉煤灰﹥D1D2﹥C1C2﹥B1B2﹥A1A2﹥对照土壤。

3.1.3 土壤化学性质测定分析

本试验中土壤化学性质测定结果详见表3。

表3 不同处理方案的土壤化学性质测定结果

（1）土壤pH值的变化。粉煤灰还可以改善土壤的pH值［4］。各处理方案试验地块土壤pH均值详见表3中pH值一项。分两组采样，不同处理方案对土壤pH值的影响如图4所示。本试验中选用的粉煤灰来自电厂贮灰场，因经过了较长时间的存放，风化作用后粉煤灰的pH值迅速降低，经过测试，pH值范围为8.63～8.72，比土壤略高。因此，与试验地块的原土进行不同比例混合后对土壤pH值造成的影响并不明显。

图4 不同处理方案对土壤pH值的影响

（2）可溶性盐的变化。各处理方案试验地块土壤可溶性盐的含量均值详见表3中可溶盐一项。分两组采样，不同处理方案对土壤可溶盐的影响如图5所示。由图表可知，试验用粉煤灰含盐量平均为0.19%左右，随着粉煤灰施用量的增加，土壤含盐量减小，粉煤灰使用量最大的D1，D2地块，可溶盐含量降至0.42%，0.41%，降幅最大；粉煤灰施用量最小的A1，A2地块，可溶盐含量分别为0.51%和0.52%，降幅最小。各种处理方案综合分析，土壤可溶盐含量降低幅度可达0.08%～0.18%，植物所受的盐迫危害进一步减小。试验前已对试验土地进行了混合堆土成基的地形改造，在淋洒灌溉过程中促进了土地盐分的排盐速度，使得盐碱地土壤的含盐量迅速降低。

图5 不同处理方案对土壤可溶盐的影响

（3）有机质含量的变化。各处理方案试验地块土壤有机质含量均值详见表3中有机质一项。分两组采样，不同处理方案对土壤有机质的影响如图6所示。试验用粉煤灰有机质含量较试验对照地块本底值更低，仅为0.13%左右；试验对照地块有机质含量在0.5%左右，属于相对贫瘠的土壤。随着粉煤灰施用量的增加，土壤含有机质有所减小，降低幅度可达0.12%～0.17%，植物所需要的养分减少，粉煤灰加入量过大，会造成植物营养成分不足。此问题可通过投加有机物质得到改善，例如添加牲畜粪便或水库淤泥等物质。

图6 不同处理方案对土壤有机质的影响

（4）土壤全氮的变化。各处理方案试验地块土壤全氮含量均值详见表3中全氮一项。分两组采样，不同处理方案对土壤全氮的影响如图7所示。试验用粉煤灰全氮含量很低，平均值为0.12g／kg。因此，随着粉煤灰施用量的增加，土壤全氮含量减小，植物所需要的养分进一步减小，影响植物的生长。这与有机质含量降低规律一致，通过耕作施肥可改善这一不利影响。

图7 不同处理方案对土壤全氮的影响

（5）速效氮含量的变化。各处理方案试验地块土壤速效氮含量均值详见表3中速效氮一项。分两组采样，不同处理方案对土壤速效氮的影响如图8所示。由图表分析可知，试验用粉煤灰速效氮含量为12.8mg／kg左右，低于土壤的速效氮含量。随着粉煤灰施用量的增加，土壤速效氮含量减小，其中施灰量最大的试验地块D1，D2降幅最高，分别达9.77mg／kg和10.14mg／kg，这与全氮的分布规律相似，严重影响植物生长。

图8 不同处理方案对土壤速效氮的影响

（6）速效磷含量的变化。各处理方案试验地块土壤速效磷含量均值详见表3中速效磷一项。分两组采样，不同处理方案对土壤速效磷的影响如图9所示。土壤中全磷含量较低，速效磷的含量通常会略显不足。但即便全磷含量较高的土壤也不一定保证含有足够的速效磷供应作物生长，因为土壤中的磷大部分是以磷酸钙盐这种难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。因此要测定土壤中速效磷的含量才能客观地说明土壤磷肥力的供应情况。

图9 不同处理方案对土壤速效磷的影响

（7）速效钾含量的变化。各处理方案试验地块土壤速效钾含量均值详见表3中速效钾一项。分两组采样，不同处理方案对土壤速效钾的影响如图10所示。从图中可以看出，随着粉煤灰施用量的增加，土壤中速效钾的含量也对应增加，增幅为43～144mg／kg。

图10 不同处理方案对土壤速效钾的影响

3.2 试验土壤对木苗生长监测结果与分析

木苗在试验土壤上移植18个月后，对试验木苗进行了抽样监测，结果按照树种不同分别列表，详见表4。

表4 不同处理方案对植物生长的影响

3.2.1 木苗生长状况分析

由表4可以明显看出，按照土灰的比例，分别施加4∶1，3∶1和5∶2的粉煤灰后，木苗的胸径、冠幅和木苗高度均比对照提高。施加3∶2的粉煤灰时，由于植物根部有固氮作用，对改良后的土壤养分需求不苛刻，生长没有受到很大的影响，但为了保证土壤的养分，粉煤灰含量最好控制在30%以下，因为超过30%，除固氮能力极强的植物外，其他木苗生长可能会受到明显影响。

3.2.2 木苗生理指标测定结果与分析

通过试验测得树种的电导率、脯氨酸、丙二醛和可溶性糖含量均有不同程度的下降，说明粉煤灰改良土壤后，土壤的含水量增加，速效磷、速效钾含量增加，植物所受的干旱胁迫作用有所减少，抗逆性增强。

根据植物的生长状况和各项生理指标数据分析，受试树种在不同处理方案的试验地块上均可种植成活，其中，以土灰的比例为3∶1施加粉煤灰后的测定结果最为理想，这与木苗的生长检测结果基本吻合。

4 结论与建议

在盐碱土中加入一定比例的粉煤灰，可以降低盐碱土中粘粒含量，改善土质，减少堆积密度，降低土壤容重，增加土壤的孔隙体积，并提高土壤含水量和土地存水量；采用掩模层配比模式可增加盐碱土壤排盐速度，减少土壤中的碱性物质的含量，调节土壤的pH值，增加土壤有效磷、有效钾的含量，同时增加土壤中硅、铜、锌、钼、锰、硼等营养元素含量，有利于提高土壤保肥能力，增强植物抗逆性。

粉煤灰的物理性质有利于增加土壤的通气性、透水性、温度、蓄水能力，有利于改善土壤水分状况，而pH值对土壤酸碱性影响有限。粉煤灰的有效氮含量处于较低水平，满足不了作物的生长需要，因此在施灰的同时应添加有机肥料补充速效氮。

土壤与粉煤灰的配比为3∶1时，通过木苗生长状况可知土壤的改良效果最为明显。粉煤灰的物理性质与沙壤土相似，可改良粘土的结构性；粉煤灰的主要化学成分也与土壤相类似，施灰量不超过土壤质量10%的比例时，不会造成土壤污染和作物毒害，且经过淋溶的粉煤灰的pH值、盐度及潜在毒性均低于干灰。

［1］ 王福元，吴正严.粉煤灰利用手册［M］.北京：中国电力出版社，2004：14－15.

［2］ 王遵亲.中国盐碱土［M］.北京：科学出版社，1993：5.

［3］ 北京林业大学.土壤理化分析实验指导书［M］.北京：北京林业大学出版社，2002：28－36.

［4］ 孙建卫，刘海增，闵凡飞.粉煤灰综合利用现状［J］.洁净煤技术，2011，17（1）：101－103.