我国钾长石土壤调理剂的发展现状与问题分析

孙蓟锋，王 旭，侯晓娜，刘红芳，保万魁

(中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081)

1 我国的钾矿资源开发利用情况

钾矿资源通常分为可溶性钾矿和非水溶性钾矿资源两种。我国的钾矿资源比较匮乏，尤其是可溶性钾盐资源更为有限。2013年，我国探明的可溶性钾盐资源储量约为10.05亿t,主要分布于青海柴达木盆地和新疆罗布泊地区，少量分布于云南、山东、四川、甘肃等地[1]。从世界范围来看，我国的可溶性钾盐资源仅占世界总储量的2.2%[2]，钾盐资源属于我国非常紧缺的非金属矿产资源之一[3]，2016年已被列入国家战略性矿产目录[4]。据中国钾盐(肥)行业协会的统计数据，2015年我国的资源性钾肥产量9 520 kt(以KCl计)，进口钾肥总量9 400 kt(以KCl计)，表观消费量为16 700 kt(以KCl计)，钾肥自给率约为57.0%。近年来，在钾盐资源储量有限的情况下，以青海盐湖工业股份有限公司等为代表的国内企业通过关键设备和技术的创新升级，不断提高可溶性钾矿资源的开采利用效率，极大提升了我国钾肥行业的竞争力，使我国的钾肥自给率从过去不足20%逐步提高到了约60%[5]。然而，即便如此，我国的钾肥行业总体安全形势仍然不容乐观，尤其是在国际钾矿资源垄断程度不断提高的今天，如何保证我国农业用钾的战略需要仍是当前面临的主要问题。

与可溶性钾矿资源不同，非水溶性钾矿资源无论在世界范围还是在我国储量都非常丰富。20世纪初期，美国、英国、加拿大等国掀起了利用非水溶性钾矿生产制备可溶性钾肥的热潮，但随着美洲许多大型可溶性钾矿陆续被发现，相关研究逐渐减少并处于停滞状态[6-7]。在我国，非水溶性钾矿资源分布广泛，资源储量丰富。其中，钾长石就是含钾量较高、分布最广、储量最大的非水溶性钾矿。钾长石(KAlSi3O8)是一种富含钾、硅、钙等矿质元素的架状结构硅酸盐，是3种同质多象变体——透长石、正长石和微斜长石的总称[8]。其储量大于1 000亿t，按K2O计量(折纯)应大于100亿t[9]，主要分布于我国的安徽、内蒙古、四川、新疆、山西等地。20世纪50年代以来，我国即开始对非水溶性钾矿资源进行研究利用，实现了一定程度的规模化、工业化生产。然而，早期的开采利用主要是利用钾长石提取制备可溶性钾肥，这在一定程度上对我国农业用钾起到了有益的补充，但并未真正摸索出一条非水溶性钾矿资源高效利用的途径。因此，在稳定开发可溶性钾矿资源外，加快开发非水溶性钾矿资源就具有了非常重要的战略意义[10]。

2 我国的钾长石土壤调理剂发展情况

2000年以来，我国农田土壤在经历长期高强度开发使用后，很多地区土壤中、微量元素的“缺素”状况日益凸显。因此，基于钾长石富含钾、硅、钙等多种中、微量元素的特点，以其为主要原料开发制备出如钾硅钙肥[11]等矿质肥料产品，在行业内逐渐发展起来。据中国钾盐(肥)行业协会对“钾硅钙肥”的统计数据，2015年我国钾硅钙肥生产企业有9家，产能为560 kt/年(实物量)，较2014年增长了19.15%，产量为69.6 kt，较2014年增长了45.0%[1]。而近些年来，随着我国很多农田土壤出现严重的酸化、盐渍化、重金属污染等问题，以钾长石为主要原料生产制备的矿物源土壤调理剂，因其兼具较好的土壤改良效果，同时又可补充土壤中不断流失的矿质元素，得到了较快发展。据农业部网站公告信息[12]，我国首个钾长石土壤调理剂产品于2008年获得农业部登记许可，而2010年之后登记产品数量逐渐增多。截至2017年7月，登记有效的钾长石土壤调理剂产品数量总计32个，详见表1。总之，根据不同渠道的信息均显示，我国的非水溶性钾矿资源开发行业规模虽不大，但已呈现出较好的发展前景和较快的发展势头。

表1 钾长石土壤调理剂历年登记产品数量

3 钾长石土壤调理剂的主要原料、生产工艺和技术指标

以下对目前我国市场上登记有效的全部32个钾长石土壤调理剂产品的主要原料、生产工艺和技术指标等方面信息[12]进行统计分析。

3.1 主要原料

从表2数据可以看出，目前我国市场上的钾长石土壤调理剂产品所用主要原料包括钾长石、白云石、石灰石、生石灰、麦饭石、沸石、磷矿石、贝壳粉、处理碱渣、石膏、轻烧镁、碳酸钙12种。除钾长石外，选择白云石、石灰石作为原料的产品数量最多，其比例分别达到了59%和56%；部分产品选择生石灰、麦饭石和沸石作为原料；个别产品采用了磷矿粉、贝壳粉、处理碱渣和石膏等作为原料。

表2 钾长石土壤调理剂所用主要原料

从表3数据可以看出，我国企业主要采用“钾长石+白云石+石灰石”、“钾长石+白云石”、“钾长石+石灰石”、“钾长石+生石灰”4种不同矿石原料进行配伍生产制备土壤调理剂，其所占比例达到了70%以上。因此，目前我国企业主要采用的技术方案显而易见，产品主要原料及其配伍形式相对清晰和明确，不过，这也反映出了市场上该类产品存在一定的同质化问题。

表3 钾长石土壤调理剂原料配伍情况统计

3.2 生产工艺

钾长石的化学性质极稳定，除氢氟酸外，常压常温下几乎不被酸、碱所分解[8,13]。其中，所含的钾、钙、硅等养分不能直接为植物吸收利用，即使在大自然的长期作用下，也只有极少部分会缓慢风化[14]。因此，必须采取一定工艺进行处理，将其中非水溶性成分转化为可溶性或枸溶性成分，方可作为肥料或土壤调理剂使用。

钾长石提钾或活化工艺很多[15-21]，大致包括高温煅烧法、水热化学反应法、氢氟酸分解法和微生物分解法等，而高温煅烧法和水热化学反应法是目前生产制备钾长石土壤调理剂的主要工艺。(1)高温煅烧法：将钾长石与白云石、石灰石或生石灰等配料在一定温度(1 300～1 500 ℃)下进行焙烧而成。煅烧法是比较常用的解钾方法之一[22]，目前我国有较多企业采用这种工艺。(2)水热化学反应法：在相对较低的温度条件下，通过水热化学反应将钾长石中的钾、硅和铝转变为可溶性成分。刘善科等[23]在温度190 ℃、反应时间为13.6 h和水固比3∶1条件下，取得钾溶出率70%以上的结果。相对于高温煅烧法，此工艺降低了生产成本和能耗，简化了工艺流程，目前我国已有企业采用此法进行工业化生产。(3)氢氟酸分解法[24]：采用氢氟酸或浓硫酸+氟化钠等与钾长石反应获得可溶性钾。该工艺的反应体系具有强腐蚀性，且产生四氟化硅等气体污染物排放，属较少采用的工艺。(4)微生物分解法[25]：采用胶质芽孢杆菌(B.mucilaginosas)等解钾细菌转化钾长石中的钾元素，使其转化为植物可吸收利用态。该工艺技术流程短、实施过程绿色环保，但存在硅酸盐细菌的菌种培养周期较长，繁殖能力和生命力对环境要求高，释钾能力低等缺点[26]，尚有很多未解决的问题。

3.3 技术指标

钾长石理论上含K2O 16.9%、SiO264.7%、Al2O318.4%。天然钾长石矿则一般含K2O 9%～14%、SiO250%～65%、Al2O312%～18%，密度2.56～2.58 g/cm3，莫氏硬度6.0～6.5，熔点1 200～1 400 ℃[27-28]。对目前我国登记有效的钾长石土壤调理剂产品主要技术指标进行统计分析(表4)，可以总结出以下几点：(1)绝大多数产品的氧化钾(K2O)含量达到4.0%以上，所占比例达到了84%。(2)产品中氧化钙(CaO)含量主要集中在20.0%≤CaO<30.0%和CaO≥30.0%的范围内，所占比例分别达到了53%和34%，并且其中83%的产品氧化钾(K2O)含量达到4.0%或以上。(3)产品中氧化镁(MgO)含量主要集中在4.0%≤MgO<10.0%范围内，所占比例达到了69%，而25%的产品无氧化镁含量指标，并且其中83%的产品氧化钾(K2O)含量达到4.0%或以上。(4)产品中二氧化硅(SiO2)含量主要集中在20.0%≤SiO2≤30.0%和10.0%≤SiO2<20.0%范围内，所占比例分别达到了69%和28%，并且其中84%的产品氧化钾(K2O)含量达到4.0%或以上。

此外，根据已经发布实施的农业行业标准《土壤调理剂 通用要求》(NY/T 3034-2016)[29]、《土壤调理剂 磷、钾含量的测定》(NY/T 2273-2012)[30]和《土壤调理剂 钙、镁、硅含量的测定》(NY/T 2272-2012)[31]中相关规定，钾长石土壤调理剂中钾、钙、镁、硅应分别以氧化钾(K2O)、氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)和二氧化硅(SiO2)计，且上述项目的检测均采用0.5 mol/L盐酸浸提后测定。

表4 钾长石土壤调理剂主要指标含量范围及其产品数量

除氧化钾、氧化钙、氧化镁、二氧化硅指标外，钾长石土壤调理剂产品技术指标还明确规定了pH值范围，以利于指导农户进行产品选择和施用。从表5可以看出，该类产品pH值指标均属碱性范围，且很多产品碱性还比较强，最高2个产品的pH值范围达到了11.0～13.0。

表5 钾长石土壤调理剂pH值范围及其产品数量

4 钾长石土壤调理剂的农用效果研究

以钾长石为主要原料生产制备的钾长石土壤调理剂，亦或称钾硅钙肥、钾硅钙镁肥等，其本质上均是一种富含钾、钙、镁、硅等元素，以及很多其它中、微量元素的缓溶性、碱性矿质产品。从近年来的研究和应用结果来看，施用该类产品不但可以补充农田土壤流失的矿质元素，减少其它化学肥料的施用，而且还可以起到调节土壤酸碱性[32]、提高土壤胶体性能和离子交换能力、改善土壤结构和微生态环境的作用。其兼具肥料养分供应和土壤改良作用，显示出了较好的经济效益和环境效益。

(1)关于土壤改良效果研究。蒙园园等[33]利用钾长石、白云石和石灰石等合理配伍后，经高温焙烧而制得弱碱性土壤调理剂，施入0.5～2 g/kg土壤调理剂培养60 d后，土壤pH值由4.98提高到5.04～5.42，交换性铝下降37.40%～68.90%，吸附态羟基铝含量稍有增加，但毒害性铝和活性铝总量分别降低了5.37%～9.50%和4.33%～12.08%，并且提高了土壤中交换性钙、镁、钾和有效硅的含量。石林等[34]采用天然矿物钾长石与脱硫灰等物料，经混合、焙烧等一系列工艺步骤，生产制备出一种富含钾、钙、硅等营养成分为主的弱碱性(pH值9.41～9.80)重金属钝化剂。该钝化剂在广东韶关地区的重金属污染土壤上施用后，重金属Pb的钝化效果达42%～50%，Cd的钝化效果达7%～46%。钾长石土壤调理剂具有重金属污染土壤修复功能[35-39]，主要在于其具有疏松多孔的外观特征，有较高的离子交换能力和吸附性能，其可变电荷表面对重金属离子具有吸附、解吸、沉淀等作用。此外，通过调整土壤酸碱性，也对降低土壤中重金属的生物有效性和可迁移性发挥了重要作用。

(2)关于肥料增产效果研究。刘建明等[40]采用“半湿固态加压蒸养工艺”将硅酸盐岩石中的钾、磷、钙、镁、硅、铁、硼等矿质元素整体活化为能被植物吸收的有效养分，生产制备钾长石土壤调理剂。其在福建泉州市永春县开展的芦柑试验，经2007～2008年连续两年施用后，柑橘增产率达6.0%～17.5%；而在2015年四川省眉山市的柑橘试验中，施用该土壤调理剂3个月后原本出现的柑橘黄叶病，改善效果十分显著，新生树叶转绿，坐果正常。郭碧花等[41]采用含钾硅酸盐岩石与石灰石煅烧生产制备的富钾、硅多元复合物，在酸性土壤上施用后具有显著的增产效应。其盆栽试验结果显示，处理与对照相比水稻籽粒产量增加28.3%。此外，水稻对硅、钾、钙、镁等营养元素的吸收量明显提高，增加了植株体内各养分元素的含量水平。王建康等[42]验证了大田试验条件下施用硅、钙、钾、镁肥的作用效果。其试验结果显示施用后显著提高了果蔗产量6.6%～17.4%；蔗糖含量、茎长、节长、茎粗等随处理用量增加呈增加趋势。此外，蔗田土壤pH值提高了0.09～0.80。赵风兰等[43]通过田间小区试验和室内分析，研究了硅、钾、钙、镁肥在黑龙江垦区寒地水稻上的施用效果。其结果表明，施用硅、钾、钙、镁肥使水稻抽穗期和成熟期比对照提前1～2 d，能明显提高水稻抗病、抗寒和抗倒伏能力。雷锋文等[44]在900 ℃下添加活化剂对钾长石进行煅烧处理，并通过盆栽试验和田间试验证明，施用活化钾肥的玉米产量略高于施用氯化钾处理，说明活化钾肥效果不亚于氯化钾。鄢海印等[45]通过摇瓶培养和盆栽试验，对化学、生物及化学-生物联合不同方法活化钾长石的效果进行了比较，其结果显示采用化学、生物方法处理钾长石后，在玉米上的肥效可以达到硫酸钾水平。此外，甄卫军等[46]研究发现，利用钾长石、工业级碳酸钠等原料，经煅烧、溶解、过滤等步骤制备的浸出液，可以促进小麦幼苗细胞分裂和生长，尤其对幼苗期根系生长促进作用显著。

从上述结果来看，施用钾长石土壤调理剂对柑橘、甘蔗、水稻、玉米等诸多作物都产生了较好的增产增效作用，尤其是对于酸化土壤和重金属污染土壤还可起到一定改良作用。钾长石土壤调理剂与尿素、磷酸铵或复合肥料等大量元素肥料按比例混合后作为底肥施用，可一定程度减少或替代其中钾肥和中、微量元素肥料的投入。通常情况下，推荐钾长石土壤调理剂大田作物用量为300～1 200 kg/hm2，推荐经济作物用量为1 200～2 250 kg/hm2，但需因地制宜，视具体情况优化方案，以取得最佳的施肥或改土效果。目前，该类产品在我国的华南、华东和西北等很多地区的苹果、柑橘、枣等经济作物，以及水稻、玉米和小麦等大田作物上有了更广泛的推广和使用。

5 问题与讨论

5.1 行业发展需要国家政策支持与引导

加快开发我国非水溶性钾矿资源的意义重大，然而，近些年的行业发展却显得不尽如人意。虽然尚无权威机构的统计数据，但粗略估算我国采用非水溶性钾矿生产制备矿物源土壤调理剂的产能规模尚不足百万吨，总体上处于规模小、散乱和略显无序的发展状态。2016年以来，随着我国陆续取消化肥行业在燃气、电价、运输、税收和信贷等方面的诸多优惠政策，化肥行业正步入化解过剩产能和转型升级的艰难阶段。因此，非水溶性钾矿资源的开发必将面临同样的不利情况，行业的进一步发展面临着严峻的考验。然而，以钾长石为主要原料生产制备矿物源土壤调理剂，目前已逐渐形成了一种较好的资源开发利用模式。钾长石土壤调理剂的合理使用不但可以提供丰富的矿质元素，保障农作物产量和品质，同时还可以改善农田土壤质量，起到减肥增效和土壤改良的双重效果。2010年之后，正是由于我国土壤改良市场巨大的需求拉动，以钾长石、石灰石等生产制备矿物源土壤调理剂的发展速度才越来越快。因此，现阶段希望政府主管部门能够出台一些差异化优惠政策，扶持处于发展初级阶段的土壤调理剂产业，引导我国非水溶性钾矿资源的开发利用，也将对促进我国化肥行业转型升级不无裨益。

5.2 行业发展需要企业加强产品和技术创新

我国对于开发利用非水溶性钾矿资源一直在不断探索，从早期单一提取制备可溶性钾肥，到逐步研发生产缓溶性矿质肥料产品，再到综合利用非水溶性钾矿资源生产制备矿物源土壤调理剂，已然找到一条较好的资源开发利用模式。然而，虽有不错的发展空间并呈现较好的发展势头，但是业内企业却普遍感觉市场艰难。究其原因，一方面土壤调理剂在我国现阶段农业生产中的推广和使用，仍需要一个循序渐进的被认知和被接受的过程；另一方面从本文对钾长石土壤调理剂的主要原料、生产工艺和技术指标等分析来看，市场上该类产品数量虽不算很多，但呈现出产品技术单一、同质化的问题[47]，而这则必将随着市场竞争的愈加激烈更加凸显出来。应该看到，行业发展的空间是巨大的，现阶段真正缺少的不是市场空间，而是能够切实解决问题、有实效的好产品。2015年，我国的土壤修复市场规模已经超过400亿元，2020年更将达到1 500亿元[48]。土壤改良在我国正方兴未艾，优质的土壤调理剂产品一定具有广阔的发展空间和潜在的巨大经济价值。因此，企业唯有着眼于我国农业生产的实际需求，准确定位产品研发方向，不断加强产品和技术创新，开发出有竞争力的产品或技术，才能赢得广阔的市场。

5.3 行业发展需要完善技术标准体系

2012年，由国家化肥质量监督检验中心(北京)牵头制定的《土壤调理剂 磷、钾含量的测定》(NY/T 2273-2012)[30]和《土壤调理剂 钙、镁、硅含量的测定》(NY/T 2272-2012)[31]标准颁布实施。这两项标准适用于钾长石土壤调理剂中主要养分含量的测定，其颁布实施对于该类产品的质量控制和评判起到了重要作用。2016年，由中国农业科学院农业资源与农业区划研究所牵头制定的《土壤调理剂 通用要求》(NY/T 3034-2016)[29]标准颁布实施。该标准则填补了长期以来我国土壤调理剂行业产品类标准的空白，建立了土壤调理剂的分类及命名、原料、指标和限量等方面的基本规则。然而，相对于产品和市场的快速发展，配套的技术标准体系建设仍然显得滞后，除需要建立更多必要成分的检测标准外，对于土壤调理剂产品而言，功能性指标或效果的检测和评价亟待建立，因此，标准化工作仍将任重道远。

6 展望

非水溶性钾矿资源的开发利用有助于弥补我国钾肥供应不足，从保障我国农业用肥安全角度而言更具有战略意义。面对未来我国土壤改良巨大的市场空间，以钾长石为主要原料生产制备土壤调理剂，在非水溶性钾矿资源综合利用方面已然迈出了重要一步。未来，如果国家能够出台差异化政策支持，鼓励和引导企业进行产品和技术创新，瞄准我国农业生产的现实需求，相信非水溶性钾矿资源开发必将迎来越来越广阔的发展空间。