钾矿资源现状与杂卤石的开发应用分析

谭慧婷，孙 伟，崔玉照，魏倩倩，李腾升，颜冬云

（青岛大学环境科学与工程学院，山东青岛266071）

钾在农业发展中长期占据重要地位，其根源在于钾能促进作物增产［1］、改善外观品质［2］、促进植株产生防御性生化物质，适当浓度的钾还会使细胞和组织减少病原体渗透［3］，对保障粮食安全具有举足轻重的作用。从资源储量来看，中国可溶性钾资源匮乏，仅能满足当前农业需求的50%左右。随着进口钾肥价格的攀升，寻求替代资源或拓展钾肥供应渠道，对保障中国钾肥供给安全具有重要的现实意义。杂卤石作为一种天然硫酸钾钙镁矿石，在农业上的应用逐渐被国内外学者所关注。杂卤石储量丰富，中国四川盆地杂卤石储量近百亿吨，国外仅英国的杂卤石探明量就有26.6亿t［4］。前期研究表明，杂卤石可作为传统钾肥的替代资源［5］。

1 世界钾盐资源储量及生产利用特征

全球钾盐资源十分丰富，以钾石盐和光卤石种类居多［6］，其是目前主要的钾盐开发利用类型。据美国地质调查局数据显示，近两年各国探明储量变化不大，加拿大、白俄罗斯和俄罗斯仍是钾盐储量世界前三的国家，2020年世界钾盐总储量为43亿t（以K2O 为计），比2019 年增长10.26%，其中加拿大为11 亿t、白俄罗斯为7.5 亿t、俄罗斯为6 亿t，其总储量占世界储量的56.98%。此外，美国、智利、中国、德国、以色列、约旦、巴西等11个国家也分布着钾矿资源。与2016年相比，巴西、西班牙储量上升，分别增长76.92%和240%，美国、智利、中国略有下降。2016—2020年世界钾盐储量变化情况参见表1。

表1 2016—2020年世界钾盐探明储量（以K2O计）Table 1 World proved reserves of potassium salt in 2016-2020（Based on K2O）

资源分布的不均匀导致钾盐生产地区相对集中。图1 为2020 年世界钾盐主产国产量分布情况。从图1可知，目前加拿大、俄罗斯和白俄罗斯仍为主要的产钾国家，其产量占世界总产量的67.21%，主要用于出口，钾盐的消费比重较小。近年来，中国已经发展成为第四大钾盐生产国，每年钾肥产量可达500 万t 左右，自给率达到52.5%［7］。格尔木藏格钾肥有限公司、青海盐湖工业股份有限公司和国投新疆罗布泊钾盐有限责任公司为中国主要钾盐生产企业，主要进行盐湖卤水开发［8］。青海盐湖工业股份有限公司为中国目前最大的钾盐生产基地，根据中国无机盐工业协会统计，其每年生产量达到500万t。随着产业技术的革新以及农业集约化程度的推进［9］，氮磷钾肥均衡施用将加大对钾肥的需求，自2007年后中国稳居全球消费量第一位，占总消费量的28%。近年来钾肥生产能力虽不断提升，但是仍无法完全满足国内的总体需求［10］，接近1/2 需要通过进口解决。王晓磊等［11］通过人均耕地面积与人均钾肥消耗量间的关系分析，认为中国、巴西、印度等农业大国将在钾盐消费中占据更高比重。随着全球农业的发展，钾肥价格下调空间较小［12］，长期依靠钾盐进口的国家将处于被动发展。钾肥价格多受国际政治、经济的影响［13］，市场波动较大，使得进口国家需要承担较大的风险［14］。

图1 2020年世界钾盐主产国产量分布情况Fig.1 Output distribution of main potash producers in the world in 2020

2 中国钾矿资源现状及发展中存在的问题

2.1 中国钾矿资源概况

中国长期以来被定义为“贫钾”国家［15］，由若干小陆块、微陆块、造山带拼合而成的地质构造背景造成了中国成盐、成钾的特殊性和复杂性［16］，使中国找钾难度加大。但是，随着近年来国家钾矿勘探力度的不断加大，对钾矿资源概况已有进一步了解。目前，中国的钾盐矿区主要包括新疆的罗布泊钾盐矿矿区（柴达木盆地东端）、青海的察尔汗钾盐矿矿区（柴达木盆地内）、西藏的扎布耶钾盐矿矿区（羌塘高原北部）、四川盆地钾盐矿矿区和云南的勐野井钾盐矿矿区（思茅盆地内）［17］。矿床类型主要为现代盐湖型、地下卤水型和沉积型3种，其中现代盐湖型钾矿探明储量为7.06亿t（以KCl计），占三者总量的97.74%［18］。新疆罗布泊通过深井勘探初步预测罗北地区深部藏有2.5亿t钾盐资源，此外在其凹地外围探测到约有数千万吨氯化钾的4 个中型钾矿［19］。另外，柴达木盆地西部阿尔金山前第四纪早期地层中发现新型砂砾含钾卤水层、塔里木盆地库车坳陷发现厚达百米的古近纪含钾盐矿层、四川盆地发现大规模三叠系杂卤石资源。仅柴达木西部初步预测氯化钾资源约为11 亿t［20］，可能成为察尔汗的后备资源区［21］。从钾矿分布及潜在储量来看，中国钾盐资源十分富足。

2.2 中国钾盐发展存在的问题

2.2.1 钾矿资源总量多，可利用量较少

中国钾矿总储量丰富，但是具有经济价值的可溶性钾盐短缺［22］。据统计暂时未被利用的钾矿资源占总量的81%［23］，主要为钾长石等难溶性固体钾盐。与世界钾矿资源特点不同［24］，中国难溶性钾盐多而可溶性钾盐少。2018 年中国探明可溶性钾储量为10.16 亿t，基础储量为5.11 亿t（均以KCl 计），集中分布于青海和新疆地区［25］。目前有关可溶性钾盐制钾工艺已较为成熟，主要有冷分解-正浮选、冷分解-热溶结晶、反浮选-冷结晶等技术［26-27］，而难溶性钾盐的经济和开发价值相对较低、生产技术不成熟导致中国固体钾盐开发企业相对较少。制钾工艺近年来才从工业性试验向工业化生产转化［28］，包括水热化学法、菌种发酵法和焙烧法等。此外，中国钾矿品味较低［29］，KCl 质量分数仅为2%~6%，外表矿高达96%，共生组分多如钠、镁、锂、硼等，现有技术严重影响钾矿的综合开发利用，进一步降低了中国的可利用资源水平。近年来，中国钾盐产能建设有过热趋势［30］，将加速中国可利用钾盐的消耗，呈现不可持续发展的模式。

2.2.2 国外找钾项目多处于建设阶段

为实现钾盐资源的可持续发展，中国逐渐形成自产、境外找钾、进口三路并走的局面［12］。自1988年开始境外投资找钾项目，到2018年已投资建设钾肥项目34个，分布于12个国家和地区。其中，老挝建设项目11个、加拿大8个、刚果和泰国3个。中国老挝开元钾肥项目产量已超过设计生产能力，产品K2O质量分数稳定控制在60%，近几年已供给中国数百万吨的钾肥，但是在克服开采困难和技术改进上付出的成本较大。除老挝两个项目已经实现实际生产外，多数项目仍在开发建设阶段。国外找钾项目由于建设周期长、投资规模大、政治因素不可控等问题导致建设成效低，短时间内难以获得钾盐资源回报［29］。

2.2.3 钾肥生产能耗大，环境问题突出

钾肥在生产过程中需要消耗大量的天然气、石油、煤炭等不可再生资源，属于高能耗产业。曹仑等［31］从中国能源消耗的角度分析，指出氨气合成氮肥是一项高能耗产业，但未对磷肥、钾肥进行研究分析。近年来随着中国钾肥生产能力的不断提升，伴随的环境问题也不容小觑。2013 年钾肥生产的能源消费估算量（折标准煤）高达126.41万t［32］。每生产1 t 氯化钾需要平均耗电180 kW·h 或耗煤20 kg［23］，并且伴有10 t氯化镁副产品析出。伴生矿物的回收与利用技术尚处于初级阶段，制钾后产生的老卤水就地排放使得当地环境面临严重的镁害，钾资源也遭到不可挽救的破坏。

2.2.4 钾盐种类受到限制

中国现有钾肥品种相对单一，惯用钾肥种类高度集中。表2为中国主要的钾肥产品及类型。由表2可知，目前中国主要的钾肥品种有6 种，包括氯化钾、硫酸钾、硝酸钾、硫酸钾镁肥、磷酸二氢钾及含钾矿物肥。氯化钾、硫酸钾镁肥为资源型产品，多由可溶性钾矿制备。硫酸钾、硝酸钾、磷酸二氢钾为加工型钾肥，多通过氯化钾等转化所得。目前市面上有硫酸钾镁肥、硅钾肥等产品出现，但是应用量有限，农民对氯化钾、硫酸钾肥依赖程度依然较高，其中氯化钾用量占钾肥总用量的90%以上、硫酸钾占总量的4%~5%。受中国钾盐资源的限制，中国的钾肥需要长期进口来满足需求。图2为2010—2019年中国肥料进口情况。从中国近10 a 肥料进口量情况来看，氯化钾占主导地位，并且进口量逐年攀升。2019年中国氯化钾进口量为908 万t，比上一年度增长21.72%；硫酸钾进口量为7 万t，近年来变化不大。长期施用氯化钾易造成土壤板结、加重次生盐渍化危害，同时也会使忌氯作物减产、品质降低［33］。硫酸钾通过硫化废气对氯化钾进行二次加工，成本较高，应用受限。因此，寻求硫酸盐替代型钾肥、拓宽中国钾肥供应渠道、推动中国生态型工农业发展具有重要的现实意义。

图2 2010—2019年中国肥料进口情况Fig.2 Fertilizer import in China from 2010 to 2019

表2 中国主要的钾肥产品及类型［34］Table 2 Main products and types of potash fertilizer in China［34］

3 杂卤石资源开发与利用现状

杂卤石最早被德国化学家STROMEYER 发现［35］，随后在德克萨斯州西部和新墨西哥州等多个地区发现大量杂卤石，由于当时认知水平的局限性，杂卤石被视为重要的找钾标志［36］，其难溶性、矿藏深等特点一直未被开发利用而是作为呆矿存在。近年来，随着钾矿资源的不断消耗、氯化钾价格的攀升、硫肥需求量增加以及英国与以色列高质量大吨位杂卤石的发现与开采［37］，杂卤石作为一种缓慢释放、富含钾钙镁硫矿质养分的肥料重新引起了人们的兴趣。针对杂卤石的研究主要集中于成因分析和浸溶提取，农业应用上的研究较少。J S H［38］最早提出杂卤石可作为钾肥矿物。中国学者袁见齐［39］提出在矿石品质高、开采条件好的基础上，杂卤石可经过粉碎等简单工艺处理直接作为复肥施用于农田。研究结果表明，杂卤石可使作物增产、改善品质，同时减缓土壤酸化、改善土壤养分状况，作为一种低成本的钾肥具有较好的应用前景。

3.1 国内外杂卤石概况

杂卤石是一种分布广泛的含钾复盐矿物，化学式为K2SO4·MgSO4·2CaSO4·2H2O，各物质理论含量（以质量分数计）：K2O，15.62%；CaO，18.60%；MgO，6.69%；SO3，53.11%［5］。几乎所有硫酸盐型钾盐矿床中均有杂卤石存在。杂卤石质地较纯净的呈乳白色或灰白色，含氧化铁的呈褐红或粉色，含尘埃状泥质物较多的呈青灰色［36］，与石盐、硬石膏等共生，因品质不同呈现不同的颜色，多呈长柱状、针状或放射状集合体［7］。中国杂卤石富集地带位于北纬25~50°［33］，据估计仅川东杂卤石资源折合K2O储量达百亿吨以上，但是矿藏较深、品位较低，四川农乐和烂泥湾杂卤石K2O 平均品位仅为6.44%和10.38%［40］，开采难度大、加工成本高，宜作为战略后备钾源。

德国蔡希斯坦盆地、英国约克郡、美国新墨西哥州等地均有大量杂卤石存在［39］。英国约克郡杂卤石资源分布广且矿质品位较高（14%K2O、6%MgO、17%CaO、19%S），初步探明储量为26 亿t。英美资源集团与以色列化工集团已全面开展开采前准备工作，建成后预计每年可提供上千万吨矿石原料或相关钾源肥料，显著增加世界钾资源供应量及与钾相关的肥料品种，这对今后相当长时间内仍需进口大量钾肥的中国来说是一个契机。

杂卤石经进一步加工生产可转化为多种钾肥产品，如硫酸钾、硫酸镁、复合肥等。黎春阁等［41］以CaO为浸提剂与杂卤石按1/4固液质量体积比（g/mL）混合，经过溶解、过滤、蒸发结晶、分离等多个过程，所得硫酸钾纯度高达94.3%。通过焙烧-热浸方法［42］，当焙烧温度不低于350 ℃，以90 ℃热水热浸焙烧后产物，钾回收率大于95%。黄宣镇［43］通过简单的工艺可将杂卤石提纯为w（K2O）＞20%的硫酸钾盐，达到钾盐国际商品的最低要求。此外，过磷酸钙可促进杂卤石中钾的溶解，在常温、pH为7.5、P2O5与K2O 的质量比 为2∶1 条件下，K+的浸出率为90.32%、P2O5的浸出率为56.45%，因此杂卤石和过磷酸钙可以制备复合肥［44］。另一方面，高品质杂卤石的钾钙镁硫矿物含量较高，纯度接近90%［45］，经过研磨或造粒可直接作为商业钾肥，成本低廉，避免了生产加工过程中的能源消耗和环境污染问题，同时可为作物补给多种矿物养分。

3.2 杂卤石资源特点

浸溶开采研究表明，杂卤石溶解度低，具有缓释性能，能较长周期供应作物养分。水浸试验发现，杂卤石（粒度≤75 μm）溶解缓慢［46］，在25 ℃水中钾平衡质量浓度达到19.13 mg/mL（约75 h后），并随着时间的延长其浓度增大，100 h后基本不变。有研究表明，杂卤石中钾在土壤中释放迅速。LEWIS 等［47］通过土柱淋溶试验发现，与氯化钾相比粉末态、颗粒态和碎石态杂卤石养分释放量均较大，其中颗粒态杂卤石释放量为86%，而KCl 的养分释放量为16%。赵丽娅［48］通过土培试验，发现杂卤石中的钾为速效钾，施入土壤1 a后杂卤石中钾的释放量达到100%，培育28 d 后释放量在68%~78%，与氯化钾、硫酸钾等释放速率差异不大，但是杂卤石中硫酸根不能完全释放，其中14%的硫为缓效态。有关杂卤石在水或土壤中的养分释放速率试验多在室内进行，自然过程包括植物吸收、蒸发或淋失及土壤类型所造成的影响尚没有公开数据。因此，探究杂卤石在自然条件下大田土壤中的溶解释放规律，对合理施肥提高其利用效率具有现实意义。

杂卤石作为硫酸钾钙镁矿物，是忌氯作物低成本替代肥料，与氯化钾相比对土壤环境更为友好。研究表明，施入杂卤石后能减缓土壤酸化和次生盐渍化，有效补充土壤养分，利于后茬作物生长。赵丽娅［48］考察了施肥前后土壤pH的变化，发现杂卤石、氯化钾、硫酸钾施入后土壤pH 均有所下降，但是杂卤石施入后土壤pH 降幅要低。刘畅［49］通过大田试验也得到类似结论：施入杂卤石后土壤pH比施入等量氯化钾提高4.76%，说明与传统钾肥相比施入杂卤石能够减缓土壤的酸化。ZHOU 等［50］通过3 a 田间试验，发现施入杂卤石后土壤交换性钙、镁和有效态硫含量均高于硫酸钾，而且由于钙、镁的添加，杂卤石显著降低了土壤的酸化，有利于茶树的可持续生长。

3.3 杂卤石在农业上的应用情况

杂卤石在农业上的应用受到广泛关注，在花生［51］、芝麻［52］、马铃薯［53］等粮食作物及经济作物上均进行了试验。结果表明，施用杂卤石能够有效促进果实的发育、延长生长周期、提高作物产量、增强抗寒抗旱能力、增加含糖量，经济效益高于传统氯化钾、硫酸钾等肥料。LILLYWHITE 等［54］也得到类似的结论。其在冬大麦和饲用玉米上进行了试验，重点考察了杂卤石中的钾和硫。结果发现，杂卤石与硫酸钾大致相似，作物产量略优于硫酸钾，且显著优于氯化钾。中国近几年对杂卤石农用的关注力度逐渐提高。黄宣镇等［55］进行了杂卤石盆栽、小区及大田试验。结果表明，施用杂卤石能有效促进小麦分蘖，比不施钾处理平均增加2.4 穗、千粒质量增加1.2 g，进而增加小麦产量。研究表明，施用杂卤石能有效减少叶片张合，水稻功能期得到延长。在施钾水平相近的情况下，施用杂卤石的晒烟比硫酸钾增产5.49%，经济效益更高。丁永祥［56］在苎麻中应用杂卤石，结果显示施用杂卤石可提高苎麻株高、茎粗，使其抗倒伏能力增强，并通过提高纤维支数来使品质得到改善。

杂卤石作为一种缓释性钾肥，在不同土壤中对作物的影响差异较大。陈际型［57］通过大麦盆栽试验考察了杂卤石在砖红壤和赤红壤上的施用效果，发现当施用量从0.8 g/株提高到2 g/株时，赤红壤中大麦产量开始下降而砖红壤大麦增产5.12%。吴茂前等［58］通过温室盆栽也得到同样的结论，其在更为贫瘠的紫色土中施用杂卤石，能够有效促进作物的养分吸收，进而达到增产效果。番茄大田试验［59］表明，在低钾量土壤中，施用杂卤石能够有效提高作物的产量，且叶片和果实中的钾含量明显高于其他钾肥处理。杂卤石在不同土壤上的应用研究多集中于中国南方典型土壤，在北方典型性土壤和作物上的应用试验开展的比较少。

施肥水平不同也会使杂卤石肥效存在较大差异。李晗灏等［60］发现，当杂卤石施用量为0.089 g/株时，花生荚果和秧杆质量增幅分别达到48.08%、49.08%，效果最好。王媛等［61］发现，随着杂卤石施用量提高，玉米产量和千粒质量均呈现先增加后降低的趋势，在杂卤石施用量分别为100、200 g/株时，产量、千粒质量分别达到最高水平。

施肥方式的不同也会给杂卤石施肥效果带来差异。PAVINATO等［45］3 a大田试验研究表明，杂卤石中钾含量水平较低，单独施用效果并不理想，这一结果在其他大田作物试验中亦得以证实［49，62］。杂卤石与其他速效钾肥混配施用效果要优于单独施用杂卤石或速效钾肥。王一柳等［62］通过40%杂卤石与60%硫酸钾配施处理提高了烟草的干物质质量，这比单施硫酸钾效果要好。本课题组通过控制钾肥总量不变，以60%杂卤石进行基础施肥，在花生开花下针期追施40%氯化钾，发现花生的产量、百仁质量及脂肪含量要优于单施杂卤石或氯化钾的基施处理，增产效果达到6.54%~20.16%，同时也促进了花生对钙、镁元素的吸收［49］。

4 结论与展望

中国钾盐资源相对丰富，但是由于开采技术、矿石品位等原因，可利用的钾盐相对短缺，因此仅靠国内资源供应无法满足内需，有效拓展钾源进口渠道及供应种类，对中国农业可持续发展及生态环境的改善具有重要意义。高品质杂卤石作为一种成本低廉的钾肥资源，近几年在外资企业（英美资源集团与以色列化工集团）的资助下中国才开始系统地开展大田肥效试验，由于是商业行为，更关注作物收获后的产量，研究对象多在南方土壤开展，北方近两年开始以冬小麦、玉米、花生等为试验对象，其生长周期较短（3~6个月），杂卤石作为基础肥料一次性施入，到收获期养分仍有盈余。因此，其是否更适合长生长周期的苹果、葡萄、梨等经济作物以及植树造林或园林绿化等观赏性景观植物还需要进一步分析探究。另外，杂卤石在不同作物、土壤类型、施肥水平、施肥方式与自然条件下土壤上的养分释放规律以及对土壤理化、生化性质的影响是未来需要关注的焦点。以上研究可为缓解中国钾肥短缺压力和推广应用杂卤石提供理论参考。