粉煤灰在农业中的应用研究进展.pdf

粉煤灰在农业中的应用研究进展张 婷1石爱丽1任 杰2张莹莹1巴金磊1李新畅1李海燕1郑 然1（1承德市农林科学院，河北承德 067000；2承德市农村土地承包经营权流转管理服务中心，河北承德 067000）摘要粉煤灰是燃煤电厂产生的固体废弃物，年排放量巨大，其资源化利用主要集中在建材、环保、化工及农业等方面。粉煤灰中含有多种利于植物生长的元素，且基于其特殊的理化性质，可作为潜在的土壤改良剂应用于农业，对改良土壤酸碱性、提高土壤质量、促进植物生长等表现出积极的作用。本文综述了粉煤灰在农业方面的应用进展，并对其农业应用中存在的问题及未来的发展进行了分析和展望，以期为粉煤灰在农业领域的资源化利用提供参考。关键词粉煤灰；资源化利用；基质原料；土壤改良剂；配肥中图分类号X773文献标识码A文章编号 1007-5739（2023）20-0127-04DOI：10.3969/j.issn.1007-5739.2023.20.033开放科学（资源服务）标识码（OSID）：Research Progress on Application of Fly Ash in AgricultureZHANG Ting1SHI Aili1REN Jie2ZHANG Yingying1BA Jinlei1LI Xinchang1LI Haiyan1ZHENG Ran1(1Chengde Academy of Agriculture and Forestry Sciences,Chengde Hebei 067000;2Chengde Rural Land Contract Management Right Transfer Management Service Center,Chengde Hebei 067000)AbstractFly ash is a solid waste generated by coal-fired power plants,with huge annual emissions.Its resourceutilization mainly focuses on building materials,environmental protection,chemical industry and agriculture.Fly ashcontains a variety of elements that are beneficial for plant growth,and based on its specially physical and chemicalproperties,it can be used as a potential soil conditioner in agriculture,which plays a positive role in improving soilacidity and alkalinity,improving soil quality and promoting plant growth.This paper summarized the applicationprogress of fly ash,analyzed the problems in agriculture application and prospected the future development,so as toprovide references for the resource utilization of fly ash in agriculture.Keywordsfly ash;resource utilization;matrix raw material;soil conditioner;combined fertilization粉煤灰是煤粉燃烧后形成的灰渣，为一种松散的固体集合物，是我国工业固体废弃物的主要来源之一1。我国粉煤灰年排放量已超过 2 亿 t，其占用的土地面积也在逐年增加。大量的粉煤灰堆积不仅会造成周围环境的污染，且其中含有的有毒化学物质还会对人体和动植物产生危害。近年来，粉煤灰的综合利用率虽在逐年提高2，但以现有的技术和方法仍无法实现对粉煤灰的全量消纳，环境污染和资源浪费现象依然存在。目前，对粉煤灰的资源化利用主要集中在建材、环保、化工及农业方面，其中在农业方面的利用量相对较少，大部分用作土壤改良剂3。本文在阐述粉煤灰性质特点的基础上，对其在农业方面的应用进展进行了论述，并对其存在的问题及未来的发展进行分析和展望，以期为粉煤灰在农业上的资源化利用提供参考。1粉煤灰的性质特点粉煤灰是煤粉燃烧后生成的灰白色或灰黑色的粉状残渣，颗粒的形状大多为球形中空微珠，粒径大小不一且表面较为光滑4。其结构主要是在煤粉燃烧基金项目承德市科学技术研究与发展计划资助项目（202103B003）。第一作者张婷（1992），女，硕士，助理研究员，从事农业生物资源开发利用等研究工作。E-mail：收稿日期 2023-02-17现代农业科技2023 年第 20 期资源与环境科学127现代农业科技2023 年第 20 期资源与环境科学和排出过程中形成的，分为结晶相和无定形相两种。结晶相包括石英、磁铁矿、生石灰等5；无定形相包括未燃碳和玻璃体，其中未燃碳多呈疏松多孔形式，玻璃体包括光滑的球体形玻璃体粒子、疏松多孔且形状不规则的玻璃体球等，含量占 50%80%。粉煤灰具有容重低、比表面积大、质地轻等特点，这也使粉煤灰具有良好的孔隙度、蓄水能力和吸附性能，渗透速度也较土壤更快。粉煤灰的化学成分取决于原煤产地、燃煤条件和燃烧程度等6，其主要化学组成为 SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、CaO、MgO 等，还含有少量砷、铜、锌、锂、镍等微量元素7。大多数湿灰 pH 值在 7.78.7 之间，部分干灰的 pH 值也可达到 11.0 以上8。研究表明，粉煤灰中的有机质含量、全氮含量和全钾含量比较低，但有效磷和速效钾含量均能达到三级水平1。因此，粉煤灰作为土壤改良剂可以有效提高土壤中磷元素和钾元素的含量，同时其含有的铁、锰等有益微量元素对植物生长有良好的促进作用。但是，粉煤灰中也含有多种有害微量元素，如镉、铬、钼、镍、铅、锌、铜等，对环境存在一定的重金属污染风险1。2粉煤灰在农业中的应用粉煤灰本身的特殊性质使其在改善土壤结构、提高土壤肥力、促进作物生长等方面具有良好的作用，近年来粉煤灰在农业上的应用也逐渐增多。目前，粉煤灰应用于农业方面，主要是作为基质原料、土壤改良剂以及与肥料配施等。2.1粉煤灰作基质原料粉煤灰可以与土壤、草炭、菌渣等原材料混合配比制作栽培基质，应用在蔬菜、作物栽培以及园艺等方面，效果较为理想。赵凯丽等9将粉煤灰与蚯蚓粪、菇渣等废弃物混合制备生菜栽培基质，以代替部分草炭，结果表明，蚯蚓粪 粉煤灰 草炭=4 3 3 为粉煤灰代替草炭的最优体积比。高亚娟等10将粉煤灰、木薯渣、蚯蚓粪等材料按一定比例复配成新型基质，得到栽培大白菜的最佳粉煤灰基质配方为粉煤灰 蚯蚓粪 木薯渣 蛭石=50 10 30 10，增加了大白菜的株高、叶宽、叶长、伸展度和叶片数。张 强等11利用粉煤灰、菇渣、蛭石等工农业废弃物为原料制备栽培基质，进行黄瓜和娃娃菜育苗试验，综合分析获得黄瓜最佳育苗基质配方为粉煤灰 菇渣 蛭石=4 2 2（体积比），娃娃菜最佳育苗基质配方为粉煤灰菇渣蛭石=4 3 2（体积比）。王少先等12利用盆栽试验探究了在黏重土壤中添加粉煤灰对黄瓜苗期生长的影响，结果发现：当粉煤灰施用量为 10%时，对黄瓜苗期生长促进效果最佳；但粉煤灰施用量达 20%时，则产生抑制作用。粉煤灰与农业废弃物混合后作基质，不仅能促进作物的生长，提高品质和产量，还能够改善土壤生物活性和土壤理化性质。范 娜等13将醋糟和粉煤灰混合后进行高粱栽培，发现醋糟+粉煤灰处理较对照组更有利于提高苗期土壤生物活性，增加了土壤酶活性和微生物数量，提高了高粱产量；将其应用于盐渍土壤中，还能够改善盐渍土壤的理化性质和土壤深层环境14。马守臣等15将粉煤灰和菌渣配施，能够显著提高矿井水污染土壤中微生物数量和土壤肥力，且对小麦生长发育和产量形成有显著的促进作用。除此之外，在园艺植物栽培上，粉煤灰也产生了积极作用。李 珊等16将粉煤灰分别与黏土、沙土、秸秆按 3 1 比例混合作基质种植黑麦草，发现当粉煤灰与黏土按 3 1混合时，黑麦草长势最好，叶绿素含量和根系活力也比其他处理组高。王 凯等17在土壤中添加不同比例的粉煤灰作为培养基质，探究添加粉煤灰对草地早熟禾种子发芽和幼苗生长的影响，结果表明，土壤中添加粉煤灰有利于草地早熟禾种子的萌发，当粉煤灰添加量为 50%75%时，种子发芽快、发芽整齐、发芽率高，最佳培养基质配方为 50%全土+50%粉煤灰。郑海金等18进行草坪盆栽试验，结果表明，土壤中施加粉煤灰 300 g/kg 时，草坪生长和产量最佳，且增加了土壤中有效磷、全磷及部分金属元素含量。查文菊等19以粉煤灰完全替代草炭作为育苗基质，发现烤烟的出苗率、成苗率、壮苗率均与以草炭为基质主要材料的对照没有显著差异，并确定了 5%珍珠岩+95%粉煤灰是粉煤灰基质配方组合的最佳使用比例。范秋运等20采用盆栽培养法，研究添加粉煤灰对煤矸石基质性质及植物生长的影响，最终确定在煤矸石基质中添加 30%50%的粉煤灰作为植物生长基质效果较好。2.2粉煤灰作土壤改良剂土壤改良剂主要通过改良土壤的物理、化学及生物特性来提高土壤质量。粉煤灰偏碱性，且具有较好的蓄水能力，能够调节土壤酸碱度，提高土壤持水性。张志敏等21在酸性富硒土壤中添加粉煤灰，结果显示，添加粉煤灰可以明显改良土壤酸碱度，提高土壤中硒的生物有效性。赵 亮等22研究发现，在沙质土128壤中施加粉煤灰可以有效降低土壤入渗能力，增强沙质土壤的持水性。粉煤灰中含有的磷、钾等元素对提高土壤中磷和钾的含量起到促进作用。冯跃华等23研究表明，粉煤灰中的全磷含量和有效磷含量均显著高于土壤，施用适量粉煤灰能够提高土壤中的磷含量。除此之外，粉煤灰还可以改善土壤中微生物活性。Singh 等24研究表明，较低剂量的粉煤灰施入贫瘠的土壤中能够提高土壤中甲烷氧化菌的数量，提高贫瘠土壤上水稻的产量。但由于粉煤灰中还含有一定量的重金属等有害物质，在改良土壤的同时也可能对植物产生不同程度的危害。王擎运等25将粉煤灰添加至砂姜黑土中，增强了土壤的持水性能，在干旱胁迫下土壤水的下降速率明显提高；但粉煤灰的添加也造成小麦叶片相对含水率明显降低，且积累了大量的丙二醛、过氧化氢，使小麦生理受到不可逆伤害。Ahmad 等26采用随机区组盆栽试验探究了不同浓度粉煤灰对南瓜生长的影响，发现低浓度（10%30%）粉煤灰显著促进了南瓜生长，增加了南瓜叶绿素、蛋白质、碳水化合物等的含量，且经粉煤灰改良的土壤中南瓜花果数量、果实长度、鲜重、干重等指标均显著提高；但施用高浓度（40%、50%）粉煤灰，则表现出降低南瓜产量和品质的负面效果。因此，将粉煤灰用作土壤改良剂时，应充分考虑其潜在的负面影响，探究粉煤灰施用量的安全范围，在提高土壤质量的同时最大限度地降低对植物造成的危害。2.3粉煤灰与肥料配施粉煤灰中含有丰富的微量元素，但其中的氮元素、有机质及微生物的含量相对较低，单独施用粉煤灰可能会导致养分缺乏；而将粉煤灰与有机或无机肥料混合施用，在提高土壤质量的同时，也弥补了粉煤灰营养水平低的缺点。张 林等27将粉煤灰与有机肥配施，提高了苹果叶片中叶绿素含量和果皮花青苷含量。杜慧玲等28将粉煤灰与硝酸磷肥和绿肥配合施用，能够显著促进土壤微生物的生长，提高土壤中的酶活性，从而使黏重而肥力不良的石灰性褐土得到改良。田 超等29将粉煤灰与有机肥进行配施，通过主成分分析综合评价得出，粉煤灰与有机肥施配最优配方为粉煤灰 120 t/hm2+有机肥 30 t/hm2。粉煤灰除了可以直接用作肥料外，还可以用来制作多种肥料，比如粉煤灰硅肥、粉煤灰磁化肥、粉煤灰复合肥、粉煤灰磁化复合肥等。粉煤灰磁化后保留的剩磁有利于土壤微团粒结构的形成，并在一定范围内影响植物生长，使根系固定，促进植物生长30。孙联合等31将粉煤灰磁化肥施入砂姜黑土中，发现能够明显降低土壤容重、增加土壤孔隙度、提高土壤温度，且使芝麻增产效果显著。孙克刚等32对不同土壤类型、不同作物施用粉煤灰磁化肥，结果显示，施用粉煤灰磁化肥比施用等量氮、磷、钾化肥有增产效应，并且能够增加小麦、玉米和水稻的产量。Su 等33以乙基纤维素为溶剂黏合剂制作粉煤灰微生物肥料，盆栽试验表明，该肥料可以提高废弃矿山的土壤肥力。3粉煤灰农业应用中存在的问题及展望粉煤灰中除了含有少量植物所需的微量元素外，还含有对土壤和环境具有危害作用的重金属元素。研究表明，粉煤灰对重金属具有钝化作用，适量施用粉煤灰不会对土壤造成重金属污染34-35，但要将粉煤灰应用于农业生产仍需考虑其可能造成的负面影响。粉煤灰中养分含量较低，在施用时需考虑其肥效问题，如只添加粉煤灰可能对土壤质量提高效果不明显，可与有机或无机养分配施，以提高土壤改良效果，促进作物生长，但不宜与尿素、碳铵等碱性肥料配施36。目前有关粉煤灰应用于农业生产的研究大多数还集中在实验室研究阶段，应用到田间生产的比较少，今后还需要在实际生产中进行分区试验，以进一步推广应用到各类土壤改良中。近年来，研究者们都在积极寻找粉煤灰在农业方面应用的新途径，比如将粉煤灰与农业固体废弃物进行合理配比，用于制备栽培基质或土壤改良剂。这不仅可以解决粉煤灰等工业固体废弃物的资源浪费和环境污染问题，同时也为农业废弃物的资源化利用提供了新思路。参考文献1 武琳，郑永红，张治国，等.粉煤灰用作土壤改良剂的养分和污染风险评价J.环境科学与技术，2020，43（9）：219-227.2 颜枫.粉煤灰合成有序介孔硅铝材料及残渣吸附 CO2技术研究D.北京：清华大学，2018.3 张志华，雷旭阳，王明友.固体废弃物粉煤灰资源化利用技术J.辽宁化工，2020，49（9）：1142-1144.4 黄齐真，石林，何柳青.粉煤灰的农业高效资源化研究与应用J.非金属矿，2021，44（4）：12-14.5 赵春辉.粉煤灰的综合利用J.广东化工，2012，39（1）：78-79.6 赵吉，康振中，韩勤勤，等.粉煤灰在土壤改良及修复中的张 婷等：粉煤灰在农业中的应用研究进展129现代农业科技2023 年第 20 期资源与环境科学应用与展望J.江苏农业科学，2017，45（2）：1-6.7 黄根，王宾，徐宏祥，等.粉煤灰综合利用与提质技术研究进展J.矿产保护与利用，2019，39（4）：32-37.8 王小英，韩宝平.粉煤灰治理污染物的机理及应用J.中国资源综合利用，2002，20（3）：19-22.9 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