磷石膏对土壤的性能影响研究综述*

龙 谨，杨凤龙，吴钦雪，吴隆锦，刘 荣，余晓清

(贵州大学化学与化工学院，贵州 贵阳 550025)

磷石膏是湿法硫酸制备磷酸过程中伴生的副产物，磷石膏与磷酸的产量比约为5:1左右。由于副产量高且产物杂质多难以直接利用造成了巨量的磷石膏堆存，一方面占用大量土地，并对土壤、地下水、地表水，甚至大气等环境造成污染，另一方面磷石膏中富含硫、钙、磷、硅等有用资源，被当做固废闲置造成了资源的浪费。[1]同时，环保压力和资源浪费又给磷化工企业增加了负担。因此，迫切需要加快磷石膏综合利用技术的开发。随着我国“以渣定产”政策的实施，推进磷化工企业转型升级，向绿色产业发展，磷石膏综合利用技术得到了较快发展，已经在建材、化工和农业等行业得到应用。如在建材行业方面，建材原料主要包括磷建筑石膏和α高强磷石膏，建材产品主要有水泥缓凝剂、水泥、磷石膏砌块、磷石膏板、磷石膏砂浆等[2]；化工行业的产品主要有硫酸、硫脲、硫酸铵、硫酸钙、硫酸钾等；在农业方面有土壤调理剂、土壤改良剂、硫、钙、硅肥等。虽然磷石膏综合利用覆盖面逐年增广，但是根据统计数据(2018年我国磷石膏的产量约为78.0 Mt，利用量约为31 Mt，利用率仅为39.7%)，我国磷石膏的利用率仍然较低，且其综合利用仍主要集中在建材和化工行业。

我国是传统农业大国，农业在我国国民经济中占有重要的地位。近年来，习近平主席提出推动“乡村振兴”。土壤作为乡村振兴的基础，是实现农业可持续发展的关键。但由于我国农村人口比重大, 农业资源相对匮乏, 土壤肥力差别很大。且随着工业的发展，酸雨沉降、工业污染、重金属污染[3]、农药的大量使用等，造成我国土壤酸化、土壤板结、土壤毒化、土传病害、土壤营养元素比例失调、土壤盐渍化等一系列问题[4]。针对我国土壤现状，结合磷石膏中富含钙、硫、磷、钾、硅等土壤所需营养元素，同时具有优化土壤物化性质，改良土壤的功能[5]。大力开发磷石膏在农业方面的应用技术对推动乡村生态振兴具有重要的意义。

1 磷石膏的性质

湿法磷酸副产的磷石膏为灰色或白色的粉状颗粒物，主要成分是CaSO4·2H2O，富含钙和硫两种土壤营养元素，其杂质种类较多，有游离磷酸、P2O5、磷酸盐，酸性不溶物、氟化物、碱金属盐、有机物及SiO2等[6]。其中的磷、硅、钾、锰等也是土壤所需的营养物质，可以促进农作物生长，提高作物产量和抗病旱能力等[7]。

磷石膏的以上特性，为其在农业中开辟了更广阔的的应用空间。

2 磷石膏在土壤中的研究现状

2.1 磷石膏对盐碱土的改良研究

我国盐碱地分布面积大，范围广，现有盐碱地约14.8 亿亩，盐碱地面积排名世界第三[10]。土壤盐渍化主要是在干旱、半干旱地区由于土壤底层或地下水的盐分随毛细管水上升到地表，水分受热蒸发，使盐分浓缩并积累在表层土壤中。此外，由于不合理的耕作灌溉，造成地下水位上升，也会造成土壤盐渍化。土壤盐碱化的扩散导致了区域生态环境急剧恶化，因此，急切需要对盐碱地进行治理。

不少学者利用磷石膏呈酸性的特点来改良盐碱土。陈丽娜等[11]通过实验研究发现磷石膏能提高苏打盐碱土的含水量和总孔隙度，降低土壤容重。同时还能降低pH值和电导率，从而改善土壤盐碱化状况。王伟等[12]研究发现，盐碱地种植芸豆单施磷石膏可以大幅提高土壤的有效磷、全磷和交换性钙，降低土壤的pH值。磷石膏与有机肥混施后还能提高土壤碱解氮、速效钾、有机质、全氮等，充分发挥了磷石膏和有机肥对盐碱土的改良优势。实验结果表明，磷石膏和有机肥混施使英国红(芸豆)显著增产到 91.86%。滨海盐碱地属氯化物盐渍土，含游离Na+较多。孙昌禹等[13]研究磷石膏对滨海盐碱土的改良机理认为，磷石膏中的Ca2+与土壤中的Na+发生置换反应，生成Ca(HCO3)2、Ca3(PO4)2、Na2SO4，既降低了土壤碱性，又降低了土壤容重，使其渗水性能提升，加强了洗盐效果。同时酸性磷石膏的加入在一定程度上降低了土壤pH值。舒晓晓等[14]通过实验还发现，添加少量磷石膏对盐碱土的保水效果最好，磷石膏和有机肥混施时，有机肥施用量增大会影响保水效果。

综上可知，磷石膏对盐碱土的作用一方面体现在改良土壤物理性质，如降低土壤容重和电导率、提高孔隙度等，另一方面体现在改变土壤的化学性质，如降低pH值、提高有效磷和交换性钙等。

2.2 磷石膏对酸性土壤的调理研究

酸性土壤分为砖红壤、赤红壤、红热带、亚壤、黄壤和等。我国的酸性土壤主要是红壤和黄壤，分布在长江以南的热带地区。土壤酸化形成原因一是人类活动强度增加，加剧酸雨形成降雨；二是土壤风化使氢离子富集；三是土壤中动植物呼吸作用产生有机酸和CO2[15]。土壤酸化会造成养分流失、土壤生物活性降低、作物减产、重金属活化增加潜在风险等。

磷石膏用于酸性土壤改良，首先是利用其“自动加石灰效应”[23]，即磷石膏与酸性土壤中的含铝物质，反应生成氢氧化钙，提高了土壤的pH值。其次是将磷石膏的优点与其他改良物质的优点结合起来，激发出更好的改良效果。

2.3 磷石膏的肥料化研究

植物在生长过程中，需要从土壤中吸收的营养元素有氮、磷、钾、硫、钙、镁、氯、硼、锰、铜、锌、铁、钼等。

磷石膏中富含的钙是植物必需的营养元素，具有极其重要的生理功能。钙主要分布在植物细胞壁、细胞膜、细胞核、细胞质以及液泡中，主要存在形式分别是结合钙和游离态钙。钙元素能稳定细胞膜，增加植物抗逆能力，防治植物早衰，提高作物品质。蔡良[24]调查发现在含活性铝土壤中施加磷石膏，玉米产量大大提高，钙素营养能消除活性铝对玉米的负面作用，提高玉米吸水和抗旱能力。佟琦等[25]将磷石膏与其他矿物复配制备硅钙硫肥料，对比施用发现该肥料钙含量增加，能有效提高肥效，同时能改善土壤理化性质。金成昌等[26]在碳酸氢铵或尿素中添加磷石膏制成长效化肥，经成分分析发现其可溶性钙含量大大高于土壤，可用于缺钙土壤，能提高作物产量。黄宾[27]研究发现磷石膏对花生促生增产作用主要是磷石膏富含花生所需钙、磷元素。Surendra Singh[28]研究了对比了石膏、磷石膏和黄铁矿等几种硫肥在印度东部土壤的适用性，发现磷石膏、石膏的土壤施用优于黄铁矿，能有效补充作物所需硫元素，提高产量和品质。龙文恒等[29]在大型磷铵装置中添加含硫物质磷石膏等，生产出了含硫磷铵，开发了化肥品种。董芸等[30]将磷石膏与尿素复配造粒制备缓释肥，缓释性能较好， N利用率高，同时提供了植物所需硫元素。

3 磷石膏在土壤中应用存在的问题

磷石膏虽然能改良土壤或制成肥料补充土壤营养元素，但仍存在一些问题。首先，虽然有研究表明，磷石膏可以抑制重金属的浸出，降低土壤重金属污染[31]。但是针对磷石膏堆场的大量研究表明，磷石膏中所含重金属对周边土壤、地下水等环境造成污染问题仍然比较严重[32-35]。在应用于改良土壤和制造肥料时须消除此负面影响。其次，磷石膏中含有铀-238、镭-226、钍-232、钾-40等放射性核素，不同产地放射性核素种类及含量不同。将磷石膏应用于土壤改良或制造肥料须对原料的放射性水平进行调查、分析。可参照施用地土壤背景值或GB6566-2010《建筑材料放射性核素限量》进行应用评价[36]。

4 结 语

湿法硫酸制备磷酸工艺产生大量磷石膏堆存，一方面对环境造成危害，另一方面浪费了有用资源。在“倡导生命共同体、践行绿色发展观”和“乡村振兴战略”的大背景下，我国磷石膏的综合利用得到了长足的发展，除了在建材、化工等行业不断创新，在农业应用方面也不断拓展。目前，磷石膏在农业应用研究主要集中在土壤调理剂、土壤改良剂和肥料化研究。笔者认为应在现有科研成果的基础上，结合我国地域土壤特点和磷石膏产地特点，细化产品种类，研发针对性强的土壤改良剂和高效专用肥。此外还需加强特定微生物、植物等对磷石膏改性方面的基础研究。为磷石膏综合利用夯实理论基础，为“乡村振兴”推波助澜。