化學(xué)及生物物質(zhì)改良松嫩平原蘇打鹽堿地技術(shù)探討

華利民,張海樓,劉子琪,陳 玥,隋世江,陳叢斌

(遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營養(yǎng)與環(huán)境資源研究所,遼寧 沈陽 110161)

我國東北蘇打鹽堿地主要集中在以吉林白城為中心的松嫩平原,是世界上面積最大的蘇打鹽堿地區(qū),目前有342萬hm2[1]。蘇打鹽堿土的鹽堿主要成分是重碳酸鈉、碳酸鈉[2～4],因重碳酸鈉具有強烈的土壤膠體吸附性,碳酸鈉也有較強的土壤膠體吸附性,通過水洗的技術(shù)措施很難去除,在各類鹽堿土中屬于最難治理的類型,因此,我國的蘇打鹽堿治理比濱海鹽堿治理進度緩慢,在治理過程中,很多鹽堿地投資開發(fā)者由于沒有認識到蘇打鹽堿地開發(fā)的艱巨性而準備不足,致使開發(fā)夭折。為了加速推進蘇打鹽堿地的開發(fā)進度,本文從化學(xué)改良的技術(shù)角度給蘇打鹽堿地改造的研究者和開發(fā)者提供部分理論和實踐參考。

1 蘇打鹽堿地應(yīng)用化學(xué)及生物物質(zhì)改良的技術(shù)優(yōu)勢

改良蘇打鹽堿地,技術(shù)方法較多,其中化學(xué)及生物物質(zhì)改良蘇打鹽堿地相對于其他改良技術(shù)方法,有一定的技術(shù)優(yōu)勢。

1.1 改良效果迅速且穩(wěn)定

經(jīng)過化學(xué)及生物物質(zhì)改良的蘇打鹽堿地能夠迅速反映出改良的技術(shù)效果。尤其是通過離子置換被解析的鈉離子很快會通過排水或淋洗下滲而被移除土層,不會發(fā)生重新聚集,下層土壤中的鈉離子由于改良物質(zhì)的存在,其較少或不發(fā)生返堿現(xiàn)象,并且隨著作物種植年限的增加其改良效果會逐步穩(wěn)定且向良性發(fā)展。

1.2 用量少易于操作

改良的目的就是使用較少的物質(zhì)達到理想的改良效果,化學(xué)及生物物質(zhì)改良相對于壓砂改良技術(shù),物質(zhì)使用少,多數(shù)改良物質(zhì)使用量一般為0.2～5 t/667m2,壓砂使用量一般為66.7～133.3 t/667m2。由于改良所需物質(zhì)少,因而易于田間操作所需費用較少。

1.3 材料價格低、易于收集

由于我國經(jīng)濟的快速發(fā)展,工業(yè)門類齊全,為治理蘇打鹽堿地提供了種類豐富而且廉價的工業(yè)產(chǎn)品及副產(chǎn)品,脫硫石膏一般價格為60～80元/t,工業(yè)廢硫酸150～350元/t,硫酸亞鐵100～250元/t,還有很多,如此低廉的價格為治理蘇打鹽堿地提供了市場途徑。

2 化學(xué)及生物物質(zhì)改良的技術(shù)途徑

在蘇打鹽堿地中添加不同的化學(xué)物質(zhì),并通過以下機理途徑起到改良作用。第一類,添加硫酸鈣、硫酸鐵、硫酸鋁類物質(zhì)。主要作用為解析土壤膠體吸附的鈉離子[5],可以使鈉離子進入自由水中,進而通過淋洗或排水將鈉離子移出鹽堿土中,減輕高濃度鈉離子對作物生長的危害。第二類,添加有機肥、作物秸稈等物質(zhì)。主要作用為分散吸附土壤中鈉離子,進而減少土壤自由水中的鈉離子濃度,以減輕鈉離子對作物危害。第三類,添加硫酸、鹽酸類物質(zhì)。主要作用表現(xiàn)為解析土壤膠體吸附的鈉離子,同時經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)改變鈉鹽種類兩方面,此類物質(zhì)進入土壤中以后,可以活化土壤中的鋁鐵鈣等元素,使其成為活化的離子進而被土壤膠體吸附,解析土壤膠體吸附的鈉離子,同時酸類物質(zhì)的氫離子可與重碳酸鈉的碳酸氫根離子或碳酸鈉的碳酸根離子結(jié)合,生成二氧化碳和水,使重碳酸鈉和碳酸鈉變成硫酸鈉,同時此類物質(zhì)也可以中和土壤中的氫氧化鈉形成水和氯化鈉或硫酸鈉,而氯化鈉、硫酸鈉對作物生長的危害性低于氫氧化鈉、碳酸鈉、重碳酸鈉,因而減輕對作物生長的危害。第四類,添加糠醛渣等物質(zhì),因其含有有機物質(zhì)和硫酸,因而具有第二類和第三類的作用。通過以上作用解除或抑制鈉離子對作物生長的危害,進而起到改良蘇打鹽堿的作用。

3 化學(xué)及生物改良物質(zhì)的種類

化學(xué)及生物物質(zhì)改良是目前生產(chǎn)上最快捷的改良蘇打鹽堿方法, 用于化學(xué)改良的原料有很多。

目前,可使用的改良劑包括低分子改良劑、工業(yè)廢渣、有機物料、高分子聚合物等。低分子改良劑有氯化鈣、石膏、磷石膏、煙氣脫硫石膏、硫酸、鹽酸、乙酸、檸檬酸、綠礬、氯化亞鐵、硫酸鐵、硫酸鋁、硫磺、硫鐵礦、天然沸石、硅藻土、膨潤土等。工業(yè)廢渣包括糠醛渣、粉煤灰、檸檬酸渣、尾礦粉、菇渣、食品加工業(yè)的有機廢液等。有機物料有腐植酸、雞糞、酒糟、沼液、沼渣、豬糞、牛糞、馬糞、羊糞、植物秸稈等。 高分子聚合物有聚丙烯酰胺、乳化瀝青、醋酸乙烯—馬來酸或丙烯酸甲酯的共聚物、聚丙烯酸的鹽類、聚合硫酸鐵等[6]。

目前,生產(chǎn)上使用較多的改良劑是煙氣脫硫石膏、工業(yè)廢硫酸,這兩種化學(xué)原料相較于其他原料價格低廉使用效果較好。

4 幾種常用化學(xué)及生物物質(zhì)的改良機理及效果

4.1 脫硫石膏

脫硫石膏又稱排煙脫硫石膏、硫石膏或FGD石膏,主要成分和天然石膏一樣,為二水硫酸鈣CaSO4·2H2O,含量≥93%。脫硫石膏是燃煤或油的工業(yè)企業(yè)在治理煙氣中的二氧化硫后而得到的工業(yè)副產(chǎn)品石膏。脫硫石膏是目前治理蘇打鹽堿地應(yīng)用最廣泛的化學(xué)土壤改良劑,其改良原理是鈣離子置換土壤膠體吸附的鈉離子,促進鈉離子進入自由水中,進而隨灌溉水排出或淋洗下滲。脫硫石膏價格低,目前主流價格為60～100元/t,材料易得,可以就地或就近取材,目前在蘇打鹽堿地所處地區(qū)附近有多家電廠生產(chǎn)脫硫石膏,運輸費用低,因此,施用石膏治理蘇打鹽堿地費用低?；谑嗳芙舛容^低和鈣離子置換鈉離子能力中等,脫硫石膏對輕度鹽堿地的治理效果顯著,對治理中重度鹽堿地的效果較差,因此在中重度鹽堿地中使用脫硫石膏應(yīng)搭配使用一些高效能的改良劑。

4.2 工業(yè)廢硫酸

工業(yè)廢硫酸主要來源于有色金屬、鈦白粉、鋼鐵及金屬酸洗、石化、氯堿、染料及中間體、有機化工等行業(yè)的副產(chǎn)品。工業(yè)廢硫酸是近幾年廣泛應(yīng)用于蘇打鹽堿治理的化學(xué)改良劑,其改良原理是解析土壤膠體吸附鈉離子進入自由水中,以及與碳酸鈉、碳酸氫鈉發(fā)生化學(xué)反應(yīng)降低鈉鹽危害的能力。

工業(yè)廢硫酸價格低,目前主流價格為150～400元/t,在蘇打鹽堿地所處地區(qū)范圍內(nèi)易購買,因運輸距離相對較遠及硫酸具有強腐蝕性,故運輸成本相對較高,但由于工業(yè)廢硫酸用于治理蘇打鹽堿地的總成本不算過高,因此,目前被廣泛接受。工業(yè)廢硫酸具有突出的優(yōu)點,在使用過程中改良輕、中、重度蘇打鹽堿地效果非常顯著。其缺點是硫酸具有強腐蝕性,使用不方便,為操作方便,在使用硫酸改良鹽堿地前,應(yīng)通過固體載體吸附或?qū)α蛩徇M行改性后使用。

4.3 硫酸亞鐵

硫酸亞鐵主要來源于鈦白粉等行業(yè)的副產(chǎn)品,近幾年有少量應(yīng)用于蘇打鹽堿地治理,其改良原理是解析土壤膠體吸附的鈉離子進入自由水中。硫酸亞鐵價格低,一般為100～400元/t,但主要產(chǎn)于山東等地區(qū),距離松嫩平原蘇打鹽堿地區(qū)1 000～2 000 km,運輸費用高于產(chǎn)品成本,且單位面積使用量大,因此,總成本較高。硫酸亞鐵單獨使用效果略好于石膏,建議搭配使用能提高治理效果。

4.4 有機肥

主要來源于畜禽生產(chǎn)行業(yè)的副產(chǎn)品,也有少量為作物秸稈發(fā)酵物,其改良原理是分散吸附土壤膠體吸附的鈉離子和土壤自由水中的鈉離子,進而降低土壤自由水中的鈉離子濃度,減輕對作物生長的危害。有機肥價格低廉且分布廣泛,一般為0～70元/t,但由于使用量大,10 t/667m2左右,運費及撒施費用較高,因此,總成本較高,建議與石膏等進行搭配使用,可以提高效果降低費用。

4.5 糠醛渣

糠醛渣是生物質(zhì)類物質(zhì)如玉米芯、玉米稈、稻殼、棉籽殼以及農(nóng)副產(chǎn)品加工下腳料中的聚戊糖成分水解生產(chǎn)糠醛(呋喃甲醛)產(chǎn)生的生物質(zhì)類廢棄物。其主要通過其含有的硫酸和有機物發(fā)揮作用的?？啡┰谥卫睇}堿過程中使用量較大,如不是就地取材,其總成本過高。建議與硫酸亞鐵等物質(zhì)搭配使用。

4.6 硫酸鋁和硫酸鐵

此兩種改良物質(zhì)主要來源于工業(yè)合成生產(chǎn)的產(chǎn)品。硫酸鋁與硫酸鐵治理蘇打鹽堿地的效果非常優(yōu)異。主要作用表現(xiàn)為三價鋁離子或鐵離子高效解析土壤膠體吸附的鈉離子,可使鈉離子進入自由水中,進而通過淋洗或排水將鈉離子移出鹽堿土中,減輕高濃度鈉離子對作物生長的危害。硫酸鋁和硫酸鐵價格高都在1 000元/t以上,且運輸距離遠運輸費用高,因此,使用此兩種物質(zhì)的成本過高,阻礙了在鹽堿改良方面的廣泛應(yīng)用。

4.7 其他改良物質(zhì)

對改良蘇打鹽堿有效果的物質(zhì)很多,目前沒有得到廣泛應(yīng)用主要基于以下原因,一是費效比高,二是沒有得到深入而具體的研究,因此,在化學(xué)改良蘇打鹽堿方面仍有廣闊的空間有待發(fā)掘。

5 應(yīng)用化學(xué)及生物物質(zhì)改良應(yīng)注意的問題

5.1 選擇費效比好的改良劑

目前,我國農(nóng)業(yè)是弱質(zhì)產(chǎn)業(yè)收益較低,尤其是種植大田作物其收益更低,再加上我國近幾年逐步取消糧食保護價格,種植大田作物其收益更低,因此,要求在蘇打鹽堿地改造過程中,資金不能投入太多,否則,開發(fā)者因長期無法收回投資而影響鹽堿地改造的持續(xù)性。

5.2 注意選擇無毒無害的改良劑

農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)必須以健康安全為前提,因此,要求添加的化學(xué)改良物質(zhì)具有以下特點,一是不含有超標(biāo)的重金屬等有毒有害物質(zhì),二是添加的改良劑不能引起土壤產(chǎn)生有毒有害物質(zhì),三是改良后排出物不污染周邊生態(tài)環(huán)境。

5.3 要重視改良費用

以目前改良蘇打鹽堿地的技術(shù)水平與能力來看,改良蘇打鹽堿地費用較高,但在生產(chǎn)上往往被開發(fā)者忽視,致使開發(fā)資金鏈斷裂,項目夭折。因此,開發(fā)者在改良鹽堿地之前,一定要做好評估和預(yù)算。