粉煤灰在土壤中作用的研究进展

关红飞，张 雷

（陕西省土地工程建设集团，西安710075）

粉煤灰在土壤中作用的研究进展

关红飞，张 雷

（陕西省土地工程建设集团，西安710075）

在我国贮存闲置着大量粉煤灰，是一种可利用的资源。文章介绍了粉煤灰的理化性质，综述了粉煤灰在土壤改良中的作用，如改善土壤物理性质，增加土壤营养成分，影响土壤生物活性，治理盐碱地以及修复治理重金属污染。粉煤灰也可用于土地整治工程，改变土壤结构，增加土壤的生产力，是高质量完成土地工程的有力保障。但是，粉煤灰的大量使用，仍要重视其性质的检测及预处理。

粉煤灰 土壤改良 土地整治

我国热电厂每年发电产生的粉煤灰达上亿吨，多数堆积贮存，破坏着整个生态圈的大气、水体、土壤等，严重威胁着区域环境，对人类和环境造成危害[1]。因此粉煤灰的处理和利用问题已引起人们的关注。目前，粉煤灰大多用于工业中如建筑工程，生产砖、水泥等，或者用于土壤改良[2]。随着对粉煤灰土壤理化性质的研究，其在土壤改良和环境污染治理方面开始应用[3]，例如废水处理、废气净化和重金属治理等污染治理方面都可以利用粉煤灰有效的进行处理[4]。粉煤灰在绿色经济的发展理念下得到有效地利用。

1 粉煤灰的基本性质

粉煤灰是一种灰白色粉状物料，由不同粒径和形状的颗粒混合而成的，其不同比例的颗粒组成理化性质决定着其理化性质。粉煤灰颗粒形状规则不一，容重较低，密度为2.1～2.4 g/cm3，粒级在10～1 000 um区间约占85%以上，渗透速度比土壤快。粉煤灰呈多孔性表面粗糙的蜂窝状组织，孔隙度较大，大比表面积，一般在2 500～5 000 cm2/g，使其比土壤具有更好的透水、透气性，因此粉煤灰吸附活性很强。粉煤灰的主要化学成分是常见的金属氧化物如Si、Al、Fe、Ca、C等，此外还有少量的Mg、 Na、K、S等以及砷、铜、锌等微量元素。粉煤灰中硅、铝、铁、钙含量最多[5]；Na，P，K和S占0. 5%～3. 5 %，此外也有部分微量元素如B、Cu、Mn等[6-7]。粉煤灰中存在着植物生长所需的多数营养元素。

2 粉煤灰在土壤修复改良中的应用

2.1 粉煤灰改变土壤理化性质

在土壤改良中粉煤灰可以改善土壤结构，调节不同土壤类型的质地，改变土壤容重和孔隙度[8]。粉煤灰粒径都在微米级别，与砂壤土相似，施加适量的粉煤灰可以改变黏土、砂土的质地，达到适合作物生长的质地条件[9]。赵亮等在沙土中添加不同比例的粉煤灰，检测出砂粒含量降低11%～18%，而且土体中粉粒所占比例也显著提高，有效的降低了沙土的砂粒含量，沙土的物理组成可以改变为沙壤土[10]。同时，粉煤灰的添加改变了土壤结构，研究中随着施用粉煤灰比例增加，土壤的容重逐渐增大，孔隙度逐步减小，较小粒径的灰粒渗入到孔隙大的颗粒中，从而使形成单位体积内容重增加，土粒增多。粉煤灰改良的方法明显改善了沙质土的质地特性，土壤中有效含水量增加，土壤中水分利用效率得到提高。目前多数研究表明，土壤中施入粉煤灰后土壤物理结构发生改变，例如容量降低、地温升高、孔隙度增加、膨胀率缩小等，土壤中微生物活性增强，有利于土壤中养分转化，保墒保湿，协调水、肥、气、热等循环趋向，为作物生长创造良好的土壤生态环境[11-12]。荒漠化地区土壤以沙粒为主，渗透性强，漏水漏肥，非常不利于农业生产，利用粉煤灰对沙化地改良可以克服这些弊端，提高农业生产力[13]。

2.2 粉煤灰提供营养成分

粉煤灰是复杂的富含多种矿物的混合物料，其中含有植物所需的大量营养元素及有机物和粘土矿物[14]，具有较高活性，其微观形态常见有为蛋壳状球形、椭球形，内部存在大量的孔隙，有利于保持土壤湿度和改善土壤结构。粉煤灰是一种高活性，由多种颗粒机械混合而成。通常情况下，颜色越深，粉煤灰颗粒就越细，含碳量也就越高。从钙质角度判断，高钙粉煤灰颜色偏黄，低钙粉煤灰颜色偏灰[15]。粉煤灰成分中中含有较多的有机质，从而在量上增加了土壤有机质含量，使得土壤结构得到改善，增加了土壤中N，P，K的含量，增强土壤的综合肥力。牟俊山等利用粉煤灰进行改良土壤，通过大田种植玉米的试验研究得出，灰分低含有有害元素少量的粉煤灰，可以补充土壤微量元素，增加土壤营养成分，并且达到农作物增产的效果[16]。粉煤灰同时影响农作物的氮化作用和硝化作用，粉煤灰掺入耕作层植物中氮含量增加[17]。

2.3 粉煤灰影响土壤生物活性

利用粉煤灰吸附改良土壤过程中，土壤的理化性质在一定程度上发生改变，可以促进土壤中微生物的繁殖生长。粉煤灰的成分比较复杂，微量的毒性物质会对土壤化学性质的改变，可能会影响土壤中菌落的生长和酶的活性[18～19]。在粉煤灰对白浆土微生物影响的研究试验中表明，土壤中微生物的活性可以显著提高，粉煤灰利于促进白浆土中有机成分的腐殖化过程，青霉菌含量提高，并且土壤中生物抗性有效增强，使有益微生物发挥更多的优势，土壤肥力增加。Goural等[20]研究成果表明，土壤中粉煤灰在一定的用量范围时，土壤腐殖质中的磷酸酶、芳基硫酸酶活性增强，暂时性地抑制土壤中细菌、真菌和放线菌活性，而脱氢酶活性则不受影响。生物肥料与粉煤灰混合使用可以有效的改善土壤环境，此过程中是添加一定比例的碱性粉煤灰后对土壤中的微生物活性和呼吸作用没有出现明显的抑制[21]，此外随着使用量的增加会逐渐影响微生物的活性。土壤中微生物是其重要的生命体，是保持土壤有机活性的重要物体，粉煤灰可以有效地调节微生物的活性。

2.4 粉煤灰对盐碱地的改良

在粉煤灰可以调节盐碱土的pH值降低，改变土壤孔隙。随着土壤培养时间的延长，土壤pH值有变小的趋势[22-23]。黄河等[24]通过盆栽试验得出粉煤灰可有效地促进土壤中Na+的淋洗，降低HCO3-含量，同时增加Ca2+，Mg2+，SO42-，K+含量。石膏、粉煤灰和油脂素三者混合施用时效果最好，粉煤灰呈碱性，和酸性磷石膏改良剂配合，可调整酸碱性，因而选择粉煤灰作为改良矿物。随着培养时间的延长，土壤中Na+，HCO3-有越来越少的趋势，而其他几种盐离子趋势不明显。粉煤灰对土壤中Cl-的改良效果不显著。

2.5 重金属吸附

物质的性质与其存在的化学状态有着必要的联系，重金属的化学存在状态也同样决定着其性质。在空气、水、土壤中的重金属对人类的身体健康影响明显。在水、气、土三大环保领域中，采用化学修复手段，利用特定的化学试剂改变重金属的存在状态，改变其活性从而抑制重金属的迁移[25]。在土壤污染治理方面过程中，粉煤灰用作改变重金属状态的化学试剂，在以土壤胶体和腐殖质载体下粉煤灰有效发挥其对重金属的吸附和沉淀作用，降低重金属的活性，整体形成玻璃态进行固化重金属、防止重金属迁移至生命圈。过程中也会发生重金属电位的变化以改变重金属的状态[26-27]。

污染土壤的修复治理过程中，粉煤灰如石灰、沸石、碳酸钙等作为改良剂将重金属吸附。在粉煤灰合成铝硅酸盐后，可以大幅度的提升离子交换容量和比表面积两种特性，从而增强对重金属的离子交换和吸附能力，有效减少从土壤中的迁移到植被里的重金属[28]。金漫彤等[29]在土壤聚合物中添加一定比例的粉煤灰，考虑综合浸出毒性和抗压强度等因素，固化Zn2+、Cu2+和Pb2+的理想固化量在2%～0.8%内，对Pb2+固化效果较好[30-31]。但是也有部分学者认为粉煤灰自身当中含有重金属，而且有一部分重金属含量完全高于土壤本底值，因此在利用中要非常谨慎，注意其安全使用量。粉煤灰可以与其他聚合物共同改良土壤。赵智等[32]选择聚丙烯酰胺（PAM）与粉煤灰共同吸附土壤中的重金属离子，试验出两者可以有效地固定重金属离子，减少重金属离子从土壤向植物中的迁移量，植物体内富集量减少。

3 粉煤灰在土地整治中的应用

随着城市化的快速推进，浪费土地资源和破坏生态环境的问题更加严重。在耕地面积锐减，人地矛盾日益突出的形势下，进行土地整治，解决粮食安全，将未利用地进行改良变为农用地已是必然趋势。在全国相继有许多土地整治项目正在开展，在土地整治过程中是一个土体有机重构的过程[33]，是进行土壤的重构和改良，也是土壤中有机生命体的生长。粉煤灰在土壤中是一种良好的改良剂，可以改变土壤质地，也可以进行盐碱地和污染土地的治理[34-36]。因此粉煤灰在土地整治过程中可以有效地利用。例如进行矿山复垦的过程中，充分利用当地大量的粉煤灰资源进行矿区废弃地的整治或者荒地的开垦[37-38]，调节土壤质地，增加土壤保水性能，增加土壤的有机质、N、P、K等元素含量，提高土壤营养成分，从而进行农作物的种植，提高产量[39-40]。我国大片的盐碱地、沙化地区、矿区正是充分利用粉煤灰进行土地整治的改良剂[41]。

4 问题与展望

在我国绿色经济发展理念下，粉煤灰是产业发展的一种可利用资源。经过对粉煤灰理化性质及应用的研究，其在土壤改良和土地整治工程中的价值是重要。施用粉煤灰对土壤进行改良和修复，既能改善土壤结构，增加微量元素和营养成分，又能提高农作物的产量。粉煤灰是盐碱地治理和重金属修复的改良剂，是进行土地整治工程的重要资源。但是由于煤质的不同，各地粉煤灰在微量元素含量上各有不同，自身含有重金属、放射性物质，粉煤灰在利用前必须进行检测。在土壤改良中需要优化粉煤灰的施用量和添加比例，从而有效地提高土壤质量，避免土壤二次污染和环境的破坏。因此，继续加强粉煤灰特性及应用的研究和试验，提高粉煤灰的预处理和改性的手段，增加在中试阶段粉煤灰和其他土壤改良剂共同作用的研究，是将粉煤灰广泛利用的必要措施。随着粉煤灰的研究，其在土壤改良和土地整治工程中会有更大的价值。

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