粉煤灰对土壤和作物生长的影响

1、粉煤灰对土壤和作物生长的影响汪海珍徐建民谢正苗俞劲炎摘要：粉煤灰施用量控制在60600 t/hm2，不会造成土壤、粮食的污染，且能改善土壤的物理、化学和生物学性质，有利于养分的转化。粉煤灰磁化后，1.57.5 t/hm2的施用量即可达到最佳的改土增产效果。本文在分析粉煤灰理化性质的基础上，讨论了粉煤灰对土壤和作物生长的影响，同时也提出了降低粉煤灰中有害物质对土壤和作物不利影响的农用技术。关键词：粉煤灰；土壤；作物中图分类号：X53；X705；S141.8 文献标识码：AEffects of Fly Ash on Soil and the Growth of CropWANG Hai-zhen，

2、XU Jian-ming，XIE Zheng-miao，YU Jinyan( Department of Soil Science and Agricultural Chemistry, Zhejiang University, Hangzhou 310029, China )Abstract:Fly ash does not cause soil and grain pollution when its application rate ranges from 60 to 600 t/hm2. Results show that fly ash may improve the physica

3、l, chemical and biological properties of soil, promote the transformation of nutrients in soil, and creat a better soil environment for crop growth. After fly ash is magnetized, the best effect on soil amelioration and crop yield can be achieved by applying 1.5 to 7.5 t/hm2 fly ash into soil. The ef

4、fects of fly ash on soil and crop growth are discussed based on its physical and chemical properties. The method of applying fly ash in agriculture and of reducing the adverse effects of the toxic substances in fly ash on soil and crop is proposed.Key words:fly ash; soil; crop粉煤灰是燃煤工厂排放的废弃物，也是一种有待开发

5、利用的潜在资源。据国内外报道，粉煤灰农用投资最省、成本最低，是开发利用的重要途径，但粉煤灰中有害物质对土壤和作物生长的不利影响，也引起了人们的极大关注。因此，如何将粉煤灰合理利用于农业上，是值得讨论的重要问题。1 粉煤灰的性质1.1 粉煤灰的物理性质粉煤灰是一种大小不等、形状不规则的粒状体，颗粒内有蜂窝状结构，其50%以上的直径是50100 m m，密度为1.82.4 g/cm3，体积质量（含孔隙）为0.550.88 g/cm31。粉煤灰的物理性质与砂壤土相似，因此根据质地改良原则，施加适量的粉煤灰对粘土、砂土等均可起到改良作用，以改良粘土的效果为好。1.2 粉煤灰的化学性质在粉煤灰的矿物组成

6、中，无定形的铁铝硅酸盐的质量分数为0.70.9，其主要化学成分与土壤相类似（表1）2。粉煤灰的pH为4.512.8；其pH值一般由母煤中硫的含量决定，高硫煤产生酸性灰，低硫煤产生碱性灰，通常以碱性灰为多。一般认为干灰的pH值、盐度及潜在毒性微量元素等皆高于老贮灰场中经过多年风雨侵蚀的湿灰。粉煤灰的化学组成使它可用来生产硅钙肥或配制复合肥料，也有不经加工直接作为肥料或改良剂施用的。由于此类肥料和改良剂的高pH值、高盐度和有毒元素的存在，在连续施用或一次大量施用时有可能产生土壤污染的问题。表1粉煤灰的主要化学成分成分质量分数/(g kg-1)成分质量分数/(mg kg-1)SiO2231624B2

7、7.057.8Al2O3165354Cu20.185.0Fe2O350200Mn75.079.5CaO8219Mo2.08.6MgO763Zn25.038.2K2O733SO30112 粉煤灰对土壤的影响2.1 粉煤灰对土壤物理性质的影响粉煤灰能改善粘土的结构性，而且用灰量越大，效果越好3。粉煤灰也能改善砂土的物理性质，提高它的持水性，加强抗旱能力。粉煤灰中含有一定量的铁，膜状氧化铁的胶结作用及铁在腐殖质和粘土矿物晶格间的桥梁作用是土壤团聚化的重要机制。另外，经磁化的粉煤灰中的铁磁性颗粒强烈地发生磁化，在其周围形成一个附加的局部磁场，使土壤颗粒发生“磁性活化”而逐步团聚化，使大于5 mm的水稳

8、性团聚体（实际为僵硬的大土块）减少，而51 mm和0.50.25 mm这两级微团聚体的总和有所增加，改善了土壤结构性和通气透水性3。不过，某些高硬凝性粉煤灰能硬化土壤颗粒，降低土壤透水性，这是对农田土壤物理性质的一种有害效应，在施用时应该引起注意。2.2 粉煤灰对土壤化学性质的影响粉煤灰农用的主要环境效应是改变土壤的化学性质，而对土壤化学性质最重要的影响是增加土壤pH值、盐度和潜在毒性微量元素的含量等。有机质含量高、阳离子交换量大、缓冲能力强的土壤的化学性质受粉煤灰的影响要小些4。很多粉煤灰是碱性的，其中钙、镁等碱性物质含量很高，因此可作为石灰代用品来降低酸性土壤的酸度。另外，磁化粉煤灰还可改

9、变土壤的氧化还原状态。其中磁性矿物的铁是最活跃的组分。磁铁矿在土壤中逐渐水解，先氧化成为磁赤铁矿，可释放出169.35 J/mol的热量而其磁化率降低；然后磁赤铁矿再转变为纤铁矿，又可释放出热量 44.75 J/mol，其磁化率进一步降低3。磁性矿物的加速水解，造成强烈的能量释放和磁化率降低，加快了有机物质的矿化和其氧化过程的进行，促进了农作物的呼吸、代谢过程，使土壤中氮、钾和磷等营养元素的有效性增加。2.3 粉煤灰对土壤微生物的影响无论是普通粉煤灰，还是磁化粉煤灰，实际上均是磁性粉煤灰，只是磁性强弱而已。根据磁生物学原理，磁场在一个很宽的范围内，从强磁场到弱磁场，均可对生物产生影响。人们已发

10、现趋磁性是多种细菌所共有，在这些细菌中具有单磁畴大小范围内的磁铁矿颗粒。一些酶中含有微量的顺磁性过渡金属原(离)子，由于磁场的作用，可改变这些酶的结构和活性等功能3。周鑫玉得出，粉煤灰水提取液对磷酸酶有激活作用5。俞劲炎等的试验结果表明，在红壤中以粉煤灰占土壤质量的2%的比例施用粉煤灰，能明显提高土壤呼吸作用，促进转化酶、磷酸酶等活性，增强微生物活性，有利于土壤中各种生化反应的进行，促进磷等养分的释放，加速土壤熟化；而对脲酶和过氧化物酶等有抑制作用3。Wong研究发现，无论砂土还是砂壤土，施灰后，开始时因为土壤持水力的提高，微生物的活性增强，土壤中有机质分解加快；随后由于土壤中碳、氮等含量降低

11、，微生物的活性受到抑制；但不管酸性粉煤灰还是碱性粉煤灰，随施灰量增多，土壤中pH值、电导率及有毒元素质量分数的提高，微生物的活性和数量减少，土壤呼吸作用减弱；经过一段时间，土壤微生物能适应毒性条件，呼吸作用逐渐增强5。3 粉煤灰对作物生长的影响粉煤灰，尤其是磁化粉煤灰的磁效应对作物品质和产量有促进作用。张林等报道施用磁混肥，可使过氧化物酶、多酚氧化酶活性降低，能抑制作物光呼吸作用，促进作物新陈代谢，有利于物质的积累，从而增加作物的产量；也使作物的硝酸还原酶活性提高，使有机质氮的矿化、硝化作用增大，促进蛋白质合成，提高作物品质。另外，粉煤灰中的镁养分可提高作物叶绿素质量分数7。粉煤灰对作物生长的

12、主要限制因素首先是碳、氮等营养物质的供应不足，粉煤灰的氮已在燃烧中挥发损失掉，而其磷的质量分数虽可能高于土壤磷的质量分数，但当施灰量超过土壤质量的10%时，灰中的铁、铝及钙会对土壤中磷的固定作用增强，使作物可利用磷减少8；此外，有的粉煤灰的pH值、盐度、硼及潜在毒性元素质量分数过高。粉煤灰虽然含有许多作物所必需的营养元素，但在高施灰量时，土壤pH值的升高，可降低土壤中铁、锌、铜、锰和磷等许多营养元素的有效性，导致作物缺乏这些营养元素。粉煤灰中可溶性盐的质量分数在1.633 g/kg之间；若施用可溶性盐质量分数高的粉煤灰，使土壤的含盐质量分数大于23 g/kg，则对作物生长就有不良影响。例如，由

13、于高盐度的影响，玉米的发芽率降低了15%20%，75%的发芽时间推迟23 d9。Petruzzelli的试验表明，虽然施灰后土壤pH值的升高能降低土壤中重金属的溶解度而减少小麦幼苗的吸收，但粉煤灰中镉、镍等重金属元素会累积于土壤中而产生危害10。很多研究者认为，在农田里能否成功地利用粉煤灰，主要是看硼的质量分数。土壤水溶性硼增至2.85 mg/kg，就对作物生长有不利的影响；若粉煤灰中热水溶性硼的质量分数超过20 mg/kg时，那么生长在施灰土壤上的作物，大多数呈现硼中毒症状，多数敏感作物的产量可能受到影响；但若粉煤灰经过淋溶或pH值调节后施入土壤，土壤和作物中的硼质量分数皆低于用原粉煤灰直接

14、施入的土壤和作物中的质量分数11。此外，粉煤灰中硒、钼、镍等微量元素虽然是作物所必需的营养元素，但当它们的质量分数过高时，也会对作物的生长或对食物链产生不利的影响。上述因素对微生物生存不利也限制了作物的生长。4 粉煤灰的农用技术因土施灰，种植适宜作物。适合施用粉煤灰的土壤主要是过酸过碱或过砂过粘的低产田。实验表明，用酸性灰改良钠质土、盐碱土，用碱性灰改良红壤等酸性土壤，都有良好的效果2。另外，粉煤灰经淋溶、磁化或调节pH值等处理后，粉煤灰的高pH值、高盐度及有毒元素的质量分数等皆可降低6。在施用粉煤灰的农田，第一季可先种植绿肥或饲用甜菜、萝卜、菠菜、小麦及黑麦等适宜作物，避免种植大麦、燕麦、豌

15、豆、莴苣和马铃薯等；第二季可种水稻、玉米等粮食作物。综合利用，提高施用效果。据有关试验测定，虽然施适量的粉煤灰可以改善土壤的质量，但只加粉煤灰而不施肥料，土壤的营养质量也得不到改善，产量不会提高；而在粉煤灰中加入一定量的氮、磷、钾等营养元素制成的各种复肥，皆促进了氮、磷、钾等营养元素的有效性，起到了更好地改良土壤的作用12。也有实验证明，在粉煤灰中掺入适量的锌、硒等营养元素，既可弥补作物缺乏的元素，也可生产出富含微量元素的优质农产品4。另外，粉煤灰与城市污泥或粪尿混合后，既可消除或显著降低病原体数量，又可降低重金属的浓度和活性，其中高质量分数的有机碳能提高土壤C/N比率，创造有利于微生物存在的

16、条件，减轻施灰的不利影响4, 6。确定适宜施灰量，减少环境污染。国外研究证明，以不超过土壤质量的10%的比例施灰，不会造成作物的毒害4, 6。国内一些试验研究结果表明13，在一些土壤上，根据不同质地，以60600 t/hm2施用粉煤灰，土壤及粮食作物中有害元素质量分数未达到污染程度，小麦、玉米、水稻等主要粮食作物都有显著的增产；以60 t/hm2施用时，土壤中的Hg、Cd、Pb、As、Cr的平均值与土壤本底值接近，这些元素在粮食中的质量分数未超过国内外规定的有关标准；青萝卜、土豆和白菜中的Hg、Cr(VI)、As、Pb、F及3, 4苯并芘的质量分数还不会对人体健康有影响；考虑到粉煤灰中有害物质

17、的安全控制及改土增产效果，把225450 t/hm2确定为主要作物的一般适宜施灰量，在此范围内，不同粮食作物与不同质地土壤的具体施灰量大小顺序为水稻玉米小麦；粘土壤土砂土。总而言之，粉煤灰在农业上的利用范围很广，我们应该对粉煤灰施用中的环境效应进行更深入的研究，加强环境生物监测，确保不造成二次污染。基金项目：国家自然科学基金项目（39670421）和浙江省自然科学基金项目（496027）作者简介：徐建民（1965），男，博士，教授，博士生导师作者单位：浙江大学土壤与农业化学系，杭州 310029参考文献1 王其于. 衢化热电厂粉煤灰处置现状与综合利用途径探索 J. 环境污染与防治，1998,

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19、鑫玉，李建秋，周易勇，等. 粉煤灰水提取液对土壤碱性磷酸酶的激活作用 A. 见: 黄巧云主编. 迈向21世纪的土壤与植物营养科学 C. 北京: 中国农业出版社，1997. 2152176 Wong M H, Wong J W C. Effects of fly ash on soil microbial activity J. Environmental Pollution, 1986, 40: 1271447 张林，石光森，刘志强. 磁性促进作物生长的机理初探 J. 农业环境保护，1996, 15(3): 1321338 Reilly S E, Sims J T. Phosphorus adsorption and desorption in a sandy soil amended with high rates of coal fly ash J. Communications in Soil Science and Plant Analys