化学及生物物质改良松嫩平原苏打盐碱地技术探讨

华利民,张海楼,刘子琪,陈 玥,隋世江,陈丛斌

(辽宁省农业科学院植物营养与环境资源研究所,辽宁 沈阳 110161)

我国东北苏打盐碱地主要集中在以吉林白城为中心的松嫩平原,是世界上面积最大的苏打盐碱地区,目前有342万hm2[1]。苏打盐碱土的盐碱主要成分是重碳酸钠、碳酸钠[2～4],因重碳酸钠具有强烈的土壤胶体吸附性,碳酸钠也有较强的土壤胶体吸附性,通过水洗的技术措施很难去除,在各类盐碱土中属于最难治理的类型,因此,我国的苏打盐碱治理比滨海盐碱治理进度缓慢,在治理过程中,很多盐碱地投资开发者由于没有认识到苏打盐碱地开发的艰巨性而准备不足,致使开发夭折。为了加速推进苏打盐碱地的开发进度,本文从化学改良的技术角度给苏打盐碱地改造的研究者和开发者提供部分理论和实践参考。

1 苏打盐碱地应用化学及生物物质改良的技术优势

改良苏打盐碱地,技术方法较多,其中化学及生物物质改良苏打盐碱地相对于其他改良技术方法,有一定的技术优势。

1.1 改良效果迅速且稳定

经过化学及生物物质改良的苏打盐碱地能够迅速反映出改良的技术效果。尤其是通过离子置换被解析的钠离子很快会通过排水或淋洗下渗而被移除土层,不会发生重新聚集,下层土壤中的钠离子由于改良物质的存在,其较少或不发生返碱现象,并且随着作物种植年限的增加其改良效果会逐步稳定且向良性发展。

1.2 用量少易于操作

改良的目的就是使用较少的物质达到理想的改良效果,化学及生物物质改良相对于压砂改良技术,物质使用少,多数改良物质使用量一般为0.2～5 t/667m2,压砂使用量一般为66.7～133.3 t/667m2。由于改良所需物质少,因而易于田间操作所需费用较少。

1.3 材料价格低、易于收集

由于我国经济的快速发展,工业门类齐全,为治理苏打盐碱地提供了种类丰富而且廉价的工业产品及副产品,脱硫石膏一般价格为60～80元/t,工业废硫酸150～350元/t,硫酸亚铁100～250元/t,还有很多,如此低廉的价格为治理苏打盐碱地提供了市场途径。

2 化学及生物物质改良的技术途径

在苏打盐碱地中添加不同的化学物质,并通过以下机理途径起到改良作用。第一类,添加硫酸钙、硫酸铁、硫酸铝类物质。主要作用为解析土壤胶体吸附的钠离子[5],可以使钠离子进入自由水中,进而通过淋洗或排水将钠离子移出盐碱土中,减轻高浓度钠离子对作物生长的危害。第二类,添加有机肥、作物秸秆等物质。主要作用为分散吸附土壤中钠离子,进而减少土壤自由水中的钠离子浓度,以减轻钠离子对作物危害。第三类,添加硫酸、盐酸类物质。主要作用表现为解析土壤胶体吸附的钠离子,同时经过化学反应改变钠盐种类两方面,此类物质进入土壤中以后,可以活化土壤中的铝铁钙等元素,使其成为活化的离子进而被土壤胶体吸附,解析土壤胶体吸附的钠离子,同时酸类物质的氢离子可与重碳酸钠的碳酸氢根离子或碳酸钠的碳酸根离子结合,生成二氧化碳和水,使重碳酸钠和碳酸钠变成硫酸钠,同时此类物质也可以中和土壤中的氢氧化钠形成水和氯化钠或硫酸钠,而氯化钠、硫酸钠对作物生长的危害性低于氢氧化钠、碳酸钠、重碳酸钠,因而减轻对作物生长的危害。第四类,添加糠醛渣等物质,因其含有有机物质和硫酸,因而具有第二类和第三类的作用。通过以上作用解除或抑制钠离子对作物生长的危害,进而起到改良苏打盐碱的作用。

3 化学及生物改良物质的种类

化学及生物物质改良是目前生产上最快捷的改良苏打盐碱方法, 用于化学改良的原料有很多。

目前,可使用的改良剂包括低分子改良剂、工业废渣、有机物料、高分子聚合物等。低分子改良剂有氯化钙、石膏、磷石膏、烟气脱硫石膏、硫酸、盐酸、乙酸、柠檬酸、绿矾、氯化亚铁、硫酸铁、硫酸铝、硫磺、硫铁矿、天然沸石、硅藻土、膨润土等。工业废渣包括糠醛渣、粉煤灰、柠檬酸渣、尾矿粉、菇渣、食品加工业的有机废液等。有机物料有腐植酸、鸡粪、酒糟、沼液、沼渣、猪粪、牛粪、马粪、羊粪、植物秸秆等。 高分子聚合物有聚丙烯酰胺、乳化沥青、醋酸乙烯—马来酸或丙烯酸甲酯的共聚物、聚丙烯酸的盐类、聚合硫酸铁等[6]。

目前,生产上使用较多的改良剂是烟气脱硫石膏、工业废硫酸,这两种化学原料相较于其他原料价格低廉使用效果较好。

4 几种常用化学及生物物质的改良机理及效果

4.1 脱硫石膏

脱硫石膏又称排烟脱硫石膏、硫石膏或FGD石膏,主要成分和天然石膏一样,为二水硫酸钙CaSO4·2H2O,含量≥93%。脱硫石膏是燃煤或油的工业企业在治理烟气中的二氧化硫后而得到的工业副产品石膏。脱硫石膏是目前治理苏打盐碱地应用最广泛的化学土壤改良剂,其改良原理是钙离子置换土壤胶体吸附的钠离子,促进钠离子进入自由水中,进而随灌溉水排出或淋洗下渗。脱硫石膏价格低,目前主流价格为60～100元/t,材料易得,可以就地或就近取材,目前在苏打盐碱地所处地区附近有多家电厂生产脱硫石膏,运输费用低,因此,施用石膏治理苏打盐碱地费用低。基于石膏溶解度较低和钙离子置换钠离子能力中等,脱硫石膏对轻度盐碱地的治理效果显著,对治理中重度盐碱地的效果较差,因此在中重度盐碱地中使用脱硫石膏应搭配使用一些高效能的改良剂。

4.2 工业废硫酸

工业废硫酸主要来源于有色金属、钛白粉、钢铁及金属酸洗、石化、氯碱、染料及中间体、有机化工等行业的副产品。工业废硫酸是近几年广泛应用于苏打盐碱治理的化学改良剂,其改良原理是解析土壤胶体吸附钠离子进入自由水中,以及与碳酸钠、碳酸氢钠发生化学反应降低钠盐危害的能力。

工业废硫酸价格低,目前主流价格为150～400元/t,在苏打盐碱地所处地区范围内易购买,因运输距离相对较远及硫酸具有强腐蚀性,故运输成本相对较高,但由于工业废硫酸用于治理苏打盐碱地的总成本不算过高,因此,目前被广泛接受。工业废硫酸具有突出的优点,在使用过程中改良轻、中、重度苏打盐碱地效果非常显著。其缺点是硫酸具有强腐蚀性,使用不方便,为操作方便,在使用硫酸改良盐碱地前,应通过固体载体吸附或对硫酸进行改性后使用。

4.3 硫酸亚铁

硫酸亚铁主要来源于钛白粉等行业的副产品,近几年有少量应用于苏打盐碱地治理,其改良原理是解析土壤胶体吸附的钠离子进入自由水中。硫酸亚铁价格低,一般为100～400元/t,但主要产于山东等地区,距离松嫩平原苏打盐碱地区1 000～2 000 km,运输费用高于产品成本,且单位面积使用量大,因此,总成本较高。硫酸亚铁单独使用效果略好于石膏,建议搭配使用能提高治理效果。

4.4 有机肥

主要来源于畜禽生产行业的副产品,也有少量为作物秸秆发酵物,其改良原理是分散吸附土壤胶体吸附的钠离子和土壤自由水中的钠离子,进而降低土壤自由水中的钠离子浓度,减轻对作物生长的危害。有机肥价格低廉且分布广泛,一般为0～70元/t,但由于使用量大,10 t/667m2左右,运费及撒施费用较高,因此,总成本较高,建议与石膏等进行搭配使用,可以提高效果降低费用。

4.5 糠醛渣

糠醛渣是生物质类物质如玉米芯、玉米秆、稻壳、棉籽壳以及农副产品加工下脚料中的聚戊糖成分水解生产糠醛(呋喃甲醛)产生的生物质类废弃物。其主要通过其含有的硫酸和有机物发挥作用的。糠醛渣在治理盐碱过程中使用量较大,如不是就地取材,其总成本过高。建议与硫酸亚铁等物质搭配使用。

4.6 硫酸铝和硫酸铁

此两种改良物质主要来源于工业合成生产的产品。硫酸铝与硫酸铁治理苏打盐碱地的效果非常优异。主要作用表现为三价铝离子或铁离子高效解析土壤胶体吸附的钠离子,可使钠离子进入自由水中,进而通过淋洗或排水将钠离子移出盐碱土中,减轻高浓度钠离子对作物生长的危害。硫酸铝和硫酸铁价格高都在1 000元/t以上,且运输距离远运输费用高,因此,使用此两种物质的成本过高,阻碍了在盐碱改良方面的广泛应用。

4.7 其他改良物质

对改良苏打盐碱有效果的物质很多,目前没有得到广泛应用主要基于以下原因,一是费效比高,二是没有得到深入而具体的研究,因此,在化学改良苏打盐碱方面仍有广阔的空间有待发掘。

5 应用化学及生物物质改良应注意的问题

5.1 选择费效比好的改良剂

目前,我国农业是弱质产业收益较低,尤其是种植大田作物其收益更低,再加上我国近几年逐步取消粮食保护价格,种植大田作物其收益更低,因此,要求在苏打盐碱地改造过程中,资金不能投入太多,否则,开发者因长期无法收回投资而影响盐碱地改造的持续性。

5.2 注意选择无毒无害的改良剂

农产品的生产必须以健康安全为前提,因此,要求添加的化学改良物质具有以下特点,一是不含有超标的重金属等有毒有害物质,二是添加的改良剂不能引起土壤产生有毒有害物质,三是改良后排出物不污染周边生态环境。

5.3 要重视改良费用

以目前改良苏打盐碱地的技术水平与能力来看,改良苏打盐碱地费用较高,但在生产上往往被开发者忽视,致使开发资金链断裂,项目夭折。因此,开发者在改良盐碱地之前,一定要做好评估和预算。