烟气脱硫石膏改良新疆盐碱化土壤应用在棉花种植的优势分析与前景展望

江宜霖，李煜

（1新疆生产建设兵团生态环境第一监测站，新疆 乌鲁木齐 830000；2新疆生产建设兵团生态环境第二监测站，新疆 阿拉尔 843300）

新疆是中国最大产棉区，2019年棉花种植面积为254.1×104hm2，随着水资源的日益缺乏，滴灌种植技术的大面积长期应用，造成土地盐碱化问题日益严重。烟气脱硫石膏是燃煤热电厂烟气脱硫的副产物，有来源广、价格低等优势，通过合理的资源化利用，可有效改良土壤盐碱化问题。本文研究烟气脱硫石膏改良土壤应用在新疆棉花种植的优势和存在的问题，展望烟气脱硫石膏改良土壤应用在新疆棉花种植发展前景。

1 新疆盐碱地基本情况

新疆地处中国西北，位于欧亚大陆腹地，“三山夹二盆”地形呈现出山脉与盆地相间排列，盆地被高山环绕的独特自然地理环境，使新疆成为干旱和盐碱的高发区。盐碱地的根源是土壤中的盐和碱，一般是指含盐量在0.2%以上，或者土壤胶体吸附一定数量的交换性钠，碱化度在20%以上，影响作物正常生长的土壤，也称为盐渍土。土壤盐碱化会极大影响耕地的经济效益，经济效益降低还会引发诸多社会问题和生态环境问题[1]。新疆是中国最大的盐碱土区，据2001年统计，新疆盐碱土面积为2181.4×104hm2，占全国盐碱土总面积（9913×104hm2）的22%；在新疆407.0×104hm2耕地中，有122.6×104hm2耕地受不同程度盐渍化危害，占总耕地的30.1%，其中受到中度、重度盐渍化威胁的低产田占总耕地的22%；全国1031.75×104hm2宜农荒地中，受盐碱影响面积达515.11×104hm2，占总宜农荒地的一半[2]。在过去50年，新疆累计开垦盐碱荒地340.0×1104hm2，而实际保留面积仅186.7×104hm2，近一半的新开垦盐碱地因次生盐碱化问题而弃耕。土地盐碱化问题已成为新疆农业发展的最大瓶颈之一，严重影响新疆社会经济的可持续发展。

2 烟气脱硫石膏改良盐碱土壤应用在新疆棉花种植的优势

2.1 烟气脱硫石膏是改良新疆盐碱土壤经济效益较高的方式

2.1.1 目前新疆改良盐碱土壤方式中存在的问题

新疆主要以水利工程改良盐碱土壤，该方式存在三大问题：一是常年“重灌轻排”的观念，导致大量排水设施荒废弃用，没有配套的排水设施无法有效排出盐碱；二是排盐水会造成灌区下游地下水高于临界线，土地次生盐渍化加重；三是新疆淡水资源已无法满足现有的耕地使用，该方式已无法支持大面积应用，且停止洗盐排碱后，这些土地又会发生盐渍化问题。随着滴灌的大规模应用，滴灌条件下水量较小，难以有效淋洗盐分，盐分无法深入向下转移到非耕层，导致常年滴灌的土地累计的盐分更多[3]，进一步加剧土地的盐碱化问题，大面积种植棉花的土地已面临新的威胁。

2.1.2 多种盐碱土壤改良方式的经济效益分析

土壤盐碱化改良措施一般分为：水利工程改良、生物改良、农业改良和化学改良。水利工程改良和农业改良已在新疆生产实践中应用多年，化学改良和生物改良还未大范围应用，是目前的主要研究方向。比较各种方式优劣势，农业改良虽然成本较低，但改善土壤盐渍化效果不明显；生物改良虽能降低土壤含盐量，但因其经济效益较低不宜广泛推行；水利工程改良效果较好，但需要大量资金投入基础设施建设，棉花为一年一季的植物，一般选择在春季和冬季灌溉洗盐，因新疆的气候特性，只能在春灌和冬灌期使用水库的储存水资源，对水库库容的要求很高，此外以前修建的排水渠因滴灌和防渗渠的建设荒废较多，如要恢复又需大量的资金；化学改良见效快，可使用天然盐类，方便大范围推广和技术应用。利用化学改良的方法研发出高经济效益的化学土壤改良剂，是目前水利工程改良和农业改良的补充，是经济效益较高的选择。陈义群等[4]研究阐述天然改良剂、合成改良剂、天然-合成共聚物改良剂、生物改良剂的应用效果和存在的问题，天然改良剂改良效果有限，加之持续期短及储量限制等问题，人工合成的高分子化合物的高成本及潜在环境污染风险限制其广泛应用。

新疆幅员辽阔，各类改良剂的运输成本也需特别考虑，烟气脱硫石膏和天然石膏的主要成分都是二水硫酸钙晶体（CaSO4·2H2O），加之烟气脱硫石膏是烟气脱硫过程的副产品，具有产生量大且稳定、粒度细、成分稳定、有害杂质含量少、主要成分含量高、价格低廉等特点，高品质烟气脱硫石膏的品质和细度甚至优于天然石膏，因此用烟气脱硫石膏代替天然石膏是较好的选择。此外，烟气脱硫过程是采用“石灰-石灰石”回收燃煤或油的烟气中二氧化硫的技术过程，一个30万KW的燃煤电厂，按国家规定标准煤的含硫量为1%计算，每年可产出烟气脱硫石膏近3万吨，且新疆城市电力和供暖基本靠火电，只要有城市基本都有湿法脱硫工艺的电厂，烟气脱硫石膏产量稳定且分布广。烟气脱硫石膏改良盐碱土壤对比其他改良方式只需简单的加工处理就可应用，非常容易推广。

2.2 烟气脱硫石膏改良盐碱化土壤特性应用于棉花种植的适用性

2.2.1 改良盐碱化土壤机理

烟气脱硫石膏改良盐碱土壤是化学改良中的一种。盐碱土壤中含有大量的Na+、K+等盐基离子，Na+是强度很高的分散剂，会导致土壤团聚体稳定性遭到破坏，使土壤粘粒和团聚体分散，土壤接壤结构被破坏，易板结，透气透水性变差，耕层土壤品质下降，从而严重影响作物的生长。烟气脱硫石膏的主要成分CaSO4·2H2O是中溶性盐，施用烟气脱硫石膏后土壤中Ca2+和SO42-含量会随之增加，Ca2+因其在土壤胶体中较高的吸附选择性，能与交换性Na+和K+进行反应，降低Na+和K+离子浓度，从而产生改良盐碱土壤的效果[5]。此外，烟气脱硫石膏中含有丰富的植物必需的矿物质营养如S、Ca、Si等[6]，有利于作物生长。国内外有大量利用烟气脱硫石膏改良盐碱土的理论研究，清华大学已在国内多个地区利用其对大面积碱化土壤进行改良，均有良好效果，其中土壤重度碱化区改良效果较好，中度碱化区土壤也有所改良[7]。但烟气脱硫石膏改良会使土壤含盐量增加，需要进一步研究其对不同作物的影响。

2.2.2 不同盐、碱度和各类离子浓度对棉花生长的影响

棉花是新疆最主要的经济作物，滴灌种植方式已在新疆推广多年，土壤含盐量因滴灌逐年增加，Na+占阳离子总量及土壤pH值逐年递增[8]，土壤碱化问题日益严重。土壤含盐量高时，植物器官和组织因大量的非营养离子（Na+、Mg+等阳离子和Cl-等阴离子）进入被破坏，难以有效吸收营养成分。高碱性盐碱土中，土壤中难溶性磷酸盐比例增加，磷的有效性降低。土壤中有机质含量随盐碱程度降低，有机质分解产物的减少进一步降低土壤中磷元素的有效性。此外高碱性还会导致锌、锰等微量元素有效性降低[9]。刘秋辰等[10]研究发现，盐浓度对耐盐植物的生长影响有临界值，适宜浓度的盐胁迫会提高出苗率及加快生长；盐浓度高于临界值才会影响植物生长。谢德意等[11]研究表明在一定盐胁迫下棉花种子发芽率增加，棉花愈伤组织的生长加快，棉籽萌发率低的原因主要是外界溶液渗透压过高导致种子吸水不足，而非高浓度盐胁迫下盐离子的毒性。董元杰等[12]研究表明高浓度NaCl对棉花幼苗的鲜重、株高、根长和干重都有很大影响，而低浓度NaCl的影响并不大。辛承松等[13]研究表明棉花生长周期内各种无机盐的危害程度依次为：MgSO4＞Mg-Cl2＞Na2CO3＞Na2SO4＞NaCl＞NaHCO3；在单独一种或多种混合的盐渍环境中，对棉花生长的影响主要体现在阴离子浓度，各阴离子浓度的影响程度依次为：CO32-＞Cl-＞SO42-。

2.2.3 应用于棉花种植的适用性分析

烟气脱硫石膏施入盐碱耕地中，在5年内可有效降低表层土壤pH值，电导率较未施用有所降低，有机质含量较未施用升高[14]。刘娟等[15]研究表明滴灌条件下施入烟气脱硫石膏，能置换土壤中的Na+，耕层土壤中Na+向深层土壤聚集，耕层土壤中Na+浓度明显下降，耕层土壤改良效果明显，能有效促进作物生长发育，且不会对土壤造成重金属污染。烟气脱硫石膏中的Ca2+可与CO32-反应生成不溶于水的碳酸钙，也可置换出Na+，降低Na2CO3、NaCl、NaHCO3和NaSO4含量从而减轻Na+对棉花的危害。烟气脱硫石膏虽然会提升土壤的含盐量，但一定浓度的盐胁迫对棉花生长是有利的，因此科学的施用量会对棉花生长产生促进作用。

2.3 烟气脱硫石膏改良盐碱化土壤施用方式应用于棉花种植的适用性分析

2.3.1 改良盐碱化土壤的施用量和安全性

石婧等[16]研究表明烟气脱硫石膏施用量在1～3t·667m-2均能降低土壤容重且增加土壤孔隙度，增加土壤中大团聚体的数量，降低土壤pH和土壤盐基离子，其中2t·667m-2对小麦的增产效果较好，经济效益较高。姜同轩等[17]研究表明烟气脱硫石膏施用量5t·667m-2的情况下土壤中重金属含量也未超过相关标准的限量，改良未对土壤环境造成污染；改良后种植油菜，分析其根、茎、叶中的重金属含量，均未超过相关标准的限量，且棉花不用于食物，也不用于畜禽养殖饲料，能保证充分的安全性。

2.3.2 棉花种植灌溉方式能充分发挥烟气脱硫石膏改良盐碱化土壤的效果

邢秀芹等[18]研究表明烟气脱硫石膏在不同的灌溉方式下均能有效提高出苗率和产量，其中在大水量灌溉浸泡中效果更显著。棉花种植普遍采用春、冬灌水的方式保熵，能充分发挥烟气脱硫石膏改良盐碱地的效果。

2.3.3 棉花种植耕作深度与烟气脱硫石膏改良盐碱化土壤高效施用深度重合

肖国举等[19]研究表明秋季深施（25cm）烟气脱硫石膏对降低土壤碱性、促进油葵生长发育和提高产量效果明显，并建议秋季深施脱硫石膏并进行冬灌；刘东洋等[20]研究表明脱硫石膏混合0～40cm土层时更利于棉花增产，其中0～20cm土层施入30t·hm-2脱硫石膏和0～40cm土层施入30t·hm-2脱硫石膏较不施用脱硫石膏棉花分别增产29.60%和47.54%。新疆种植棉花需进行深翻作业，犁地深度一般为25cm以上，这与烟气脱硫石膏改良盐碱化土壤的高效施用深度重合。

3 存在问题

土地盐碱化虽已成新疆棉花种植的重要影响因素，但目前烟气脱硫石膏改良土壤在新疆棉花种植中并未广泛推广。探究原因可能为以下几点：

3.1 市场需求不够迫切

棉花本身为耐盐碱植物，目前推广的耐盐碱品种还能适应当前的土壤盐碱程度，加之科学种植方法的推广，广大棉花种植户对改良土壤的需求不够迫切。

3.2 缺少指导性规范与地方标准

虽然有大量烟气脱硫石膏改良盐碱土壤的理论研究，但在新疆还未广泛应用到实际生产中。多数研究数据仅代表少数试验田或实验室内情况，缺少针对新疆盐碱地棉花种植的专项研究。也没有针对不同盐碱土壤情况下的不同作物形成一套完善的烟气脱硫石膏施用时间、施用量、施用方式的指导性规范，无法科学推广，导致其未得到大规模应用。

3.3 烟气脱硫石膏的局限性

烟气脱硫石膏属于固体废弃物，其品质受烟气除尘系统效率和石灰石质量的影响较大，因其颗粒过细、含水率高，较易粘附在相关运输与包装设备上，在装载、运输的过程应注意避免污染环境。

3.4 科技工作未形成良性循环

烟气脱硫石膏大规模应用推广中存在一个普遍难题，即科研成果难以转化为现实生产力。农业技术的推广离不开专业的技术推广人员和分析人员，加之与广大农民的充分交流，为农民做好服务，需要大量资金和时间。且少有企业能通过实践经验将技术成果转化提高为经济效益，导致科技工作未形成良性循环。

4 前景展望

土壤盐碱化导致新疆粮食每年减产约7.2亿公斤，约占全年粮食总产量的8.6%；使棉花减产652.5万公斤，约占全年棉花总产量的9%，造成经济损失约35亿元，占全年种植业总产值的8%左右。因此，烟气脱硫石膏改良土壤关键技术的实施、推广与辐射，对提升盐碱耕地的生产力，开发盐碱地资源，促进就业，脱贫解困，保障社会稳定长治久安的国家战略目标具有重要意义。

2016年5月，国务院印发《关于土壤污染防治行动计划的通知》提出推动盐碱地土壤改良，自2017年起在兵团等地开展利用燃煤电厂脱硫石膏改良盐碱地试点。2020年7月1日起实施的《烟气脱硫石膏》（GB/T 37785-2019）标准规定了烟气脱硫石膏的分级和标记、技术要求、实验方法、检验规则及包装、标志运输与贮存，有效规范脱硫石膏的品质，从源头上为烟气脱硫石膏改良盐碱技术的推广奠定基础。石河子大学兵团绿洲生态农业重点实验室已对脱硫石膏改良盐碱地进行多年研究，于2015年在石河子片区启动大田试验，数据显示，改良效果显著，有效提升作物的出苗率和产量。

新疆盐渍化耕地情况最严重的区域是南疆，盐碱地是制约南疆农村经济发展和民生改善的主要瓶颈，也是生态环境改善的难点和重点。盐碱地分布与贫困有着强烈的重叠性，在“十四五”全面推进乡村振兴、加快农业农村现代化的政策背景下，要充分发挥农业现代化对致富的辐射带动作用。烟气脱硫石膏改良新疆盐碱化土壤应用在棉花种植上具有广阔发展前景，利用各种新技术改良盐碱土壤对南疆的农业农村经济发展具有积极意义。