田榮榮，張文超，李 燁，徐立珍，孫振濤，李 彥，趙呈剛，趙永敢，王淑娟

(1.清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系，北京 100084；2.北京市鹽堿及荒漠化地區(qū)生態(tài)修復(fù)與固碳工程技術(shù)研究中心，北京 100084；3.清華大學(xué)山西清潔能源研究院，太原 030032；4.華清農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司，北京 100084；5.清華大學(xué)圖書館，北京100084)

我國是能源生產(chǎn)大國，煤炭消費(fèi)約占全球總消費(fèi)量的一半[1]，燃煤發(fā)電是電力生產(chǎn)的主要組成部分[2-3].隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國對煤炭和電力的需求量與日俱增，但燃煤產(chǎn)生大量的污染物(SO2，NOx等)對生態(tài)環(huán)境造成了極大危害[4].基于我國對污染物的高度重視，從2004 年開始普遍對燃煤裝置加裝煙氣脫硫設(shè)備.脫硫石膏作為燃煤電廠采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝的主要副產(chǎn)物[5]，生產(chǎn)量也隨之快速增長.據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014～2018 年間我國脫硫石膏年產(chǎn)量 超過7 000 萬t，當(dāng)前年產(chǎn)量更是突破8 000 萬t 大 關(guān)[2-8]，大量累積的脫硫石膏亟待合理處置.傳統(tǒng)的脫硫石膏堆積、填埋方式不但占用大量土地，而且還會(huì)增加環(huán)保壓力[9-10].因此，脫硫石膏如何資源化利用一直是困擾電力行業(yè)綠色發(fā)展的難題.

國內(nèi)外資源化利用脫硫石膏的途徑以工業(yè)、建筑等行業(yè)為主，為了開辟新途徑，清華大學(xué)從1995 年開始提出并致力于利用脫硫石膏改良鹽堿地，試驗(yàn)示范與推廣應(yīng)用范圍涵蓋了我國鹽堿地典型分布的10余個(gè)省(市、區(qū))，并與多家單位合作完善了基礎(chǔ)理論、創(chuàng)建了技術(shù)體系、確定了生態(tài)安全性[9,11-12].歷經(jīng)20 多年的科學(xué)研究和應(yīng)用實(shí)踐，利用脫硫石膏改良鹽堿地技術(shù)已經(jīng)得到社會(huì)各界的高度關(guān)注和廣泛認(rèn)可[13-14].將脫硫石膏用于改良素有“地球之癬”之稱的鹽堿地，在生態(tài)修復(fù)邊際土地的同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)工業(yè)副產(chǎn)物的資源化利用[9,15]，對保障我國糧食安全和生態(tài)安全都具有重要意義.盡管如此，脫硫石膏在農(nóng)業(yè)行業(yè)的應(yīng)用還飽受爭議.部分學(xué)者認(rèn)為脫硫石膏是工業(yè)副產(chǎn)物，其夾雜的重金屬元素會(huì)污染土壤、水資源、作物等，進(jìn)而威脅環(huán)境可持續(xù)發(fā)展[8].但也有學(xué)者指出，脫硫石膏的重金屬含量相對較低，甚至低于土壤背景值，并認(rèn)為只要在施用之前嚴(yán)格把控原料來源就不會(huì)帶來環(huán)境問題.令人欣慰的是，農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《土壤調(diào)理劑及使用規(guī)程 煙氣脫硫石膏原 料》(NY/T 3936—2021)[16]自2022 年5 月1 日開始實(shí)施，內(nèi)蒙古、寧夏、新疆、山西等鹽堿地典型分布區(qū)的省(市、區(qū))相關(guān)行政主管部門也相繼制定了脫硫石膏改良鹽堿地技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為該項(xiàng)技術(shù)的大面積推廣應(yīng)用提供了科學(xué)的指導(dǎo).

1 脫硫石膏改良鹽堿地技術(shù)起源與發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 技術(shù)起源

我國煙氣脫硫技術(shù)始于20 世紀(jì)初，相比于國外發(fā)達(dá)國家起步較晚，但煙氣脫硫副產(chǎn)物—脫硫石膏的產(chǎn)量與日激增[17].基于對我國煤電行業(yè)發(fā)展趨勢的正確預(yù)判，結(jié)合大宗煤基固廢資源化利用的戰(zhàn)略方針，清華大學(xué)熱能工程專家徐旭常院士汲取了農(nóng)業(yè)行業(yè)利用天然石膏改良鹽堿地的理論知識，于1995 年前瞻性地提出了利用脫硫石膏改良鹽堿地技術(shù)，并與東京大學(xué)、內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)、寧夏大學(xué)、中國科學(xué)院等國內(nèi)外科研團(tuán)隊(duì)合作，開展了大量的試驗(yàn)研究與應(yīng)用示范[7,18-20]，開創(chuàng)了脫硫石膏改良鹽堿地的先河.

脫硫石膏改良鹽堿地技術(shù)發(fā)展歷程可分為基礎(chǔ)理論探索、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與示范、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用3 個(gè)階段.在第1 階段取得了顯著成效后，該項(xiàng)技術(shù)得到了社會(huì)各界的高度關(guān)注，越來越多的學(xué)者加入到了研究隊(duì)伍.從“十一五”至“十四五”期間，國家科技支撐計(jì)劃、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃及省(市、區(qū))科技項(xiàng)目都部署了關(guān)于脫硫石膏改良鹽堿地的科研課題，有力地推動(dòng)了該項(xiàng)技術(shù)的深化發(fā)展、應(yīng)用推廣及研究隊(duì)伍建設(shè).目前，我國在利用脫硫石膏改良鹽堿地的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用等方面整體達(dá)到了國際先進(jìn)水平[19].2016 年，國務(wù)院印發(fā)的《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》明確提出“在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)等地開展利用燃煤電廠脫硫石膏改良鹽堿地試點(diǎn)”[20]，有效地推動(dòng)了脫硫石膏改良鹽堿地技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用落地.

1.2 發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)Web of Science(WOS)核心合集數(shù)據(jù)和中國知網(wǎng)CNKI 數(shù)據(jù)檢索1991 年至2021 年間脫硫石膏改良鹽堿地相關(guān)文獻(xiàn)，與主題相關(guān)的英文文獻(xiàn)79篇，總被引頻次1 032 次；中文文獻(xiàn)267 篇，總被引頻次4 479 次，見圖1(a).從文獻(xiàn)發(fā)表情況來看，利用脫硫石膏改良鹽堿地的相關(guān)研究工作始于20 世紀(jì)90 年代末期.在國際上，以美國農(nóng)業(yè)部和俄亥俄州立大學(xué)為代表的脫硫石膏改良鹽堿地研究成果發(fā)表相對較早，但2008 年之后發(fā)文數(shù)量銳減.在國內(nèi)，利用脫硫石膏改良鹽堿地的研究成果發(fā)文數(shù)量從2007 年開始逐年增加，被引頻次也波動(dòng)上升.這主要是由于我國自2005 年才開始大量產(chǎn)生脫硫石膏[7]，國家和地方政府對脫硫石膏改良鹽堿地的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用推廣提供了政策和資金支持，眾多學(xué)者取得了豐碩的研究成果，并建立了不同團(tuán)隊(duì)之間資源優(yōu)勢互補(bǔ) 的合作網(wǎng)絡(luò)(見圖1(b)和1(c))，為該技術(shù)的產(chǎn)學(xué)研融合發(fā)展提供了有力支撐，國際影響力也隨之逐漸 增大.

圖1 脫硫石膏改良鹽堿地相關(guān)研究近30年發(fā)文情況以及國際和國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Publication and citation trend in saline-alkali land amelioration by flue gas desulfurization gypsum in the last 30 years and cooperation network of foreign and domestic research institutions

國內(nèi)利用脫硫石膏改良鹽堿地的相關(guān)研究的中文發(fā)表機(jī)構(gòu)主要有寧夏大學(xué)、內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)等，英文發(fā)表機(jī)構(gòu)主要有清華大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院等.其中，清華大學(xué)連續(xù)參與了“十一五”國家科技支撐計(jì)劃課題“黃河河套地區(qū)鹽堿地改良及脫硫廢棄物資源化利用關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”、“十二五”國家科技支撐計(jì)劃課題“河套地區(qū)鹽堿地耐鹽植物高效利用與生態(tài)修復(fù)模式研究與示范”、“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題“河套平原鹽堿地復(fù)合型生態(tài)治理制劑產(chǎn)品研發(fā)”和“蘇打鹽堿地土壤調(diào)理劑產(chǎn)品研發(fā)及應(yīng)用”，“十四五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題“河套平原鹽堿土壤淡化肥沃耕層構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)品研發(fā)”等國家科研課 題[10,18]和若干項(xiàng)省部級科技計(jì)劃課題，在脫硫石膏改良鹽堿地適宜施用量、施用方法、施用時(shí)期等關(guān)鍵技術(shù)[21-22]和鈣基型復(fù)合土壤改良劑產(chǎn)品的研發(fā)方 面[23]取得了長足的進(jìn)步，尤其是解析了脫硫石膏對鹽堿旱地、水田改良的短期與長期效應(yīng)差異和調(diào)控 機(jī)制[12,24-25].

2 脫硫石膏改良鹽堿地技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 技術(shù)原理

脫硫石膏的主要成分是CaSO4·2H2O，其有效成分含量大多在80%以上[10,18].脫硫石膏施入表層土壤后，在降雨或灌水作用下CaSO4由固相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合?，并與土壤發(fā)生離子置換和鹽類轉(zhuǎn)化反應(yīng)(圖2).CaSO4溶解出來的 Ca2+率先與土壤 CO32-和HCO3-發(fā)生鹽類轉(zhuǎn)化反應(yīng)生成CaCO3沉淀，再與土壤交換性Na+、K+和Mg2+發(fā)生離子置換反應(yīng)，在兩種反應(yīng)的協(xié)同交替互促共進(jìn)作用下，土壤pH 值和堿化度呈顯著降低趨勢[26-27]，并將土壤中對植物生長毒害性較大的碳酸鹽轉(zhuǎn)化為毒害性相對較小的硫酸鹽.

圖2 脫硫石膏改良鹽堿地機(jī)理示意Fig.2 Mechanism diagram of saline-alkali land amelioration by flue gas desulfurization gypsum

鹽堿土壤膠體吸附的Na+具有親水性，分散在土 壤顆粒細(xì)縫間，形成透水性差的土層，從而降低了土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[22,28-30].施用脫硫石膏后，吸附Ca2+的土壤膠體具有疏水性，膠體微粒能夠互相靠近，利于形成微團(tuán)聚體，進(jìn)而減少土壤膠體在土壤中的分散[28-30].多項(xiàng)研究表明，施用脫硫石膏后土壤容重降低，孔隙度、大團(tuán)聚體含量及導(dǎo)水系數(shù)增大，加速了土壤脫鹽[31-34].

隨著脫硫石膏與土壤化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，生成的反應(yīng)產(chǎn)物(Na2SO4、K2SO4、MgSO4等)濃度逐漸增大，如果在表層土壤中大量集聚，會(huì)與液相CaSO4發(fā)生同離子效應(yīng)，促使化學(xué)反應(yīng)逆向進(jìn)行，從而降低固相CaSO4的溶解量[35].因此，脫硫石膏改良鹽堿地過程中需要及時(shí)排出反應(yīng)產(chǎn)物，才能保障改良效果的持 久性[21].

通常，脫硫石膏與土壤的反應(yīng)產(chǎn)物通過水平遷移和垂直遷移兩種途徑進(jìn)行脫除.水平遷移即鹽分離子隨水排出土壤，這些被排泄出去的鹽分離子大多來自表層土壤.垂直遷移即鹽分離子隨水向底層土壤遷移，但在地下水位較淺、地表蒸發(fā)量較大時(shí)，土壤鹽分離子會(huì)隨著毛細(xì)作用再次向表層土壤遷移，造成鹽分表聚，此時(shí)灌溉洗鹽成了必不可少的步驟.已有研究表明，在旱田淋洗不充分的條件下，施用脫硫石膏后表層土壤鹽分含量明顯增大[36]，而在充分淋洗條件下表層土壤鹽分含量則顯著降低.因此，合理灌溉是促進(jìn)脫硫石膏改良表層土壤的重要輔助措施.

隨著水分的垂直運(yùn)動(dòng)，液相CaSO4隨之向底層土壤遷移，該過程也會(huì)發(fā)生離子置換和鹽類轉(zhuǎn)化反應(yīng)，進(jìn)而改良底層土壤，且改良土層深度隨著脫硫石膏施用年限的增加而增大[22].在脫硫石膏過量施用情況下，未與土壤鹽分離子發(fā)生反應(yīng)的CaSO4會(huì)殘留在土壤中某一土層，或被淋溶至地下水中造成滲漏損失.肖國舉等[37]研究表明，CaSO4含量為80%的脫硫石膏在輕、中、重度鹽堿地改良中的損失率達(dá)到23%左右.因此，在計(jì)算脫硫石膏施用量時(shí)，應(yīng)該將損失率(滲漏量、殘留量)納入考慮范圍.

2.2 施用量

19 世紀(jì)末，美國學(xué)者赫爾加德利用天然石膏改良“黑堿”，并提出了3 個(gè)主要的化學(xué)反應(yīng)方程[37].在此基礎(chǔ)上，學(xué)者們深入探究了施用脫硫石膏改良鹽堿地的技術(shù)機(jī)理.為了量化脫硫石膏施用量，學(xué)者們基于土壤交換性鹽基離子含量、陽離子交換量、堿化度、總堿度、容重、土層厚度、石膏含量及其有效利用率等指標(biāo)情況，提出了多種計(jì)算脫硫石膏改良鹽堿地的適宜施用量的方法，見表1.其中：W 與W'為脫硫石膏的施用量，單位分別為kg/hm2和mmol/kg；CEC為陽離子交換量，cmol/kg；ESP 為堿化度，%；ZEP 為總堿度，cmol/kg；H 為土壤堿化層深度，cm；D 為土壤容重，g/cm3；和分別為土壤交換性Na+和Mg2+含量，mmol/kg；Mg(HCO3)2、Na2CO3和NaHCO3分別表示其在土壤中的含量，mmol/kg；R 為石膏的有效利用率，%；η 為CaSO4·2H2O 中石膏含量，%.

表1 脫硫石膏改良鹽堿地施用量計(jì)算公式Tab.1 Calculation formula for application rate of flue gas desulfurization gypsum in ameliorating saline-alkali land

盡管學(xué)者們提出的脫硫石膏施用量計(jì)算公式有差異，但大多都會(huì)面臨土壤鹽堿指標(biāo)檢測耗時(shí)長、成本高等問題，尤其是檢測土壤堿化度和交換性離子.為快速判斷脫硫石膏施用量，可利用鹽堿指標(biāo)間的密切關(guān)系簡化計(jì)算過程.基于大量樣品檢測結(jié)果，王淑娟等[7]發(fā)現(xiàn)土壤pH 值與堿化度之間存在一定的相關(guān)性，見圖3.在野外條件下，用便攜式pH 計(jì)或pH 試紙就能快速檢測土壤pH 值.因此，可以根據(jù)不同地區(qū)土壤pH 值與堿化度的關(guān)系式計(jì)算土壤堿化度，再用上述公式計(jì)算脫硫石膏施用量.然而，土壤pH 值與堿化度的關(guān)系受土壤質(zhì)地、鹽堿類型等多因素影響，需要在大量數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上探索和完善二者的關(guān)系，進(jìn)而提高脫硫石膏施用量計(jì)算的精準(zhǔn)度.

圖3 不同鹽堿地區(qū)土壤pH值與堿化度的關(guān)系Fig.3 Relationships between soil pH value and exchangeable sodium percentagein different salinealkali soils

2.3 施用方式

目前，脫硫石膏施用方式大多為地表撒施，然后用旋耕機(jī)將其與表層土壤混合均勻.有研究表明，脫硫石膏撒施后進(jìn)行犁翻與旋耕結(jié)合的改良效果明顯優(yōu)于單獨(dú)旋耕或犁翻[45].脫硫石膏施入土壤后進(jìn)行合理灌溉，其降堿脫鹽效果立竿見影，施用當(dāng)年即可收獲可觀的糧食產(chǎn)量[46].但地表撒施往往導(dǎo)致脫硫石膏用量大，在灌溉洗鹽過程中也容易導(dǎo)致有效成分的損失[47].因此，有學(xué)者提出了脫硫石膏條施和穴施等集約化施用方式，且取得了明顯的改良和增產(chǎn)效 果[47-48].與傳統(tǒng)地表撒施相比，集約化施用脫硫石膏具有長期高效、低消耗、易操作等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)向日葵種植中得到了推廣應(yīng)用.

脫硫石膏是一種鈣基型無機(jī)改良劑，可以靶向消減土壤堿害.然而，鹽堿地基礎(chǔ)肥力普遍較低，在土壤改良的同時(shí)還需提升肥力.雖然脫硫石膏富含Ca、S 等作物生長所需的營養(yǎng)元素，但其在提升土壤肥力方面的作用效果甚微[23,49-50].因此，將脫硫石膏與其他材料配合施用可有效解決其單施培肥功效的不足，從而促進(jìn)土壤生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)[51-55].

目前，學(xué)者們開展了大量的以脫硫石膏為主要原料的復(fù)合改良劑研發(fā)工作，輔料主要包括腐殖酸、糠醛渣、生物炭、黃腐酸和秸稈等有機(jī)物料.有研究表明，脫硫石膏與腐殖酸、黃腐酸鉀等有機(jī)質(zhì)材料混合施用能夠增加脫硫石膏溶解度，提高土壤改良效 果[56-57].閆洪等[58]研究發(fā)現(xiàn)，在河套灌區(qū)將4.5 t/hm2脫硫石膏與0.9 t/hm2腐殖酸配合施用可顯著降低土壤全鹽量和pH 值，實(shí)現(xiàn)向日葵促生增產(chǎn).唐雪等[59]研究表明，在濱海地區(qū)將9 t/hm2脫硫石膏與5 t/hm2稻殼、1.2 t/hm2黃腐酸鉀配合施用可顯著降低土壤鹽堿危害，增加土壤養(yǎng)分含量.王鼎等[60]研發(fā)了以脫硫石膏與腐殖酸、保水劑復(fù)配的復(fù)合改良劑，施用后可顯著降低土壤pH 值、水溶性Na+、和含量，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，提高向日葵出苗率.

3 脫硫石膏改良鹽堿地工程化應(yīng)用進(jìn)展

3.1 工程化應(yīng)用現(xiàn)狀

在鹽堿地科學(xué)治理方面，我國已形成了較大規(guī)模的研究隊(duì)伍[61]，從物理、化學(xué)、生物、水利等改良措施方面開展了多項(xiàng)研究.以此為基礎(chǔ)，鹽堿地改良工程項(xiàng)目在全國大部分地區(qū)已逐漸展開.通過地方政府采招網(wǎng)調(diào)研顯示，近年來鹽堿地改良工程項(xiàng)目招標(biāo)逐年增加，采招內(nèi)容主要包括改良劑產(chǎn)品采購、工程技術(shù)服務(wù)以及社會(huì)資本項(xiàng)目.其中，脫硫石膏作為內(nèi)陸鹽堿地區(qū)地方政府主要采購的改良劑產(chǎn)品之一，其在鹽堿地改良工程項(xiàng)目中應(yīng)用的面積及范圍也在逐步擴(kuò)大.隨著2022 年中央1 號文件中關(guān)于“支持將符合條件的鹽堿地等后備資源適度有序開發(fā)為耕地”、“分類改造鹽堿地”等信息發(fā)布，鹽堿地改良工程勢必會(huì)再上一個(gè)新臺階，脫硫石膏改良鹽堿地的應(yīng)用規(guī)模預(yù)期也會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大.

近年來，我國各級政府都加大了鹽堿地治理工作，大面積的鹽堿地改良與利用工程項(xiàng)目如火如荼.內(nèi)蒙古巴彥淖爾市位于黃河“幾字灣”最北端，鹽堿地改良與高效利用一直備受重視.脫硫石膏作為當(dāng)?shù)刂魍频?84 萬畝鹽堿地“五位一體”綜合治理技術(shù)之一，在五原縣開展先行先試，取得了顯著效果后向臨河區(qū)、達(dá)拉特旗、土默特右旗、科爾沁左翼中旗等周邊旗縣輻射推廣[62].吉林省大安市地處松嫩平原腹地，近年來實(shí)施了多個(gè)國家重大土地開發(fā)整理項(xiàng)目，引進(jìn)了10 余家擁有土壤改良技術(shù)的企業(yè)和科研院所，研發(fā)了包括脫硫石膏改良鹽堿地、種稻治堿等多項(xiàng)實(shí)用技術(shù)，助力當(dāng)?shù)匦略龈孛娣e70.3 萬畝，極大地提升了糧食產(chǎn)能[63].新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)于2015 年開展了脫硫石膏改良鹽堿地示范2 萬畝，實(shí)現(xiàn)了435 億元的農(nóng)業(yè)增加值[64].寧夏銀北地區(qū)實(shí)施了包括施用脫硫石膏、種植耐鹽堿作物等鹽堿地改良技術(shù)，改良面積累計(jì)80 萬畝，因地制宜推廣大豆、苜蓿等豆科作物及綠肥的種植和還田[65]，取得顯著效果.河北省張北縣于2014 年引進(jìn)了脫硫石膏改良鹽堿地項(xiàng)目，結(jié)合配套的種植技術(shù)，將2 600 畝鹽堿地變農(nóng)田，改良后的土壤pH 值接近正常耕地水平，作物產(chǎn)量更是達(dá)到了正常耕地的90%[66]，并在尚義縣、康保縣等周邊地區(qū)進(jìn)行了大面積應(yīng)用推廣.

3.2 工程化項(xiàng)目實(shí)踐

清華大學(xué)長期致力于利用脫硫石膏改良鹽堿地技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，相關(guān)研究成果已被學(xué)校列為百年科研成果之一，并先后成立了清華大學(xué)鹽堿地區(qū)生態(tài)修復(fù)與固碳研究中心和北京市鹽堿及荒漠化地區(qū)生態(tài)修復(fù)與固碳工程技術(shù)研究中心兩個(gè)技術(shù)研發(fā)平臺.為了加快脫硫石膏改良鹽堿地技術(shù)成果轉(zhuǎn)化，清華大學(xué)于2010 年發(fā)起成立了成果轉(zhuǎn)化公司(華清農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司)，形成以企業(yè)為產(chǎn)業(yè)化主體、中心為工程化技術(shù)支持平臺的“政-產(chǎn)-學(xué)-研-用”緊密結(jié)合的技術(shù)研發(fā)與工程化應(yīng)用互饋促進(jìn)機(jī)制[20].至今，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在我國東北、西北、華北及黃河中上游地區(qū)建立了4 個(gè)萬畝以上的試驗(yàn)示范基地，并承擔(dān)了鹽堿地改良技術(shù)服務(wù)工程項(xiàng)目24 項(xiàng)，見圖4，應(yīng)用面積累計(jì)超過136 萬畝，改良效果顯著、引領(lǐng)作用明顯.

圖4 清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)利用脫硫石膏改良鹽堿地示范基地分布Fig.4 Distribution of demonstration base for ameliorating saline-alkali land with flue gas desulfurization gypsum by the research team from Tsinghua university

以項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在我國華北地區(qū)(11 694 畝)和東北地區(qū)(67 754 畝)成功實(shí)施的脫硫石膏改良鹽堿地工程項(xiàng)目為例.華北地區(qū)利用脫硫石膏改良后，土壤pH 值、電導(dǎo)率和堿化度分別降低了1 個(gè)單位、29.2%和85.4%，見圖5(a).東北地區(qū)利用脫硫石膏改良后，土壤pH 值和堿化度分別降低1.1 個(gè)單位和56.8%，電導(dǎo)率有所增加但無顯著差異，見圖5(b).圖6 是項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)于2018 年在吉林省扶余市長春嶺 鎮(zhèn)實(shí)施完成的工程項(xiàng)目，總面積177.1 hm2.利用脫 硫石膏改良后，土壤pH 值、電導(dǎo)率和堿化度等鹽 堿指標(biāo)整體呈現(xiàn)降低趨勢.歷經(jīng)6 個(gè)月的時(shí)間，項(xiàng)目區(qū)從鹽堿荒地變成了可種植大豆、水稻等常規(guī)作物的良田.

圖5 華北和東北示范區(qū)利用脫硫石膏改良前和改良后土壤鹽堿指標(biāo)變化Fig.5 Variations of soil salinity and alkalinity in the demonstration areas in North China and Northeast China before and after flue gas desulfurization gypsum application

圖6 吉林省扶余市長春嶺鎮(zhèn)項(xiàng)目區(qū)利用脫硫石膏改良前和改良后土壤鹽堿指標(biāo)分布Fig.6 Distribution of soil salinity and alkalinity before and after amelioration with flue gas desulfurization in the project area of Changchunling Town，F(xiàn)uyu City，Jilin Province

在工程項(xiàng)目實(shí)施過程中，脫硫石膏作為主要改良劑產(chǎn)品，可從周邊燃煤電廠免費(fèi)拉運(yùn)或低價(jià)采購而得.為了提高脫硫石膏資源化利用率，一些燃煤電廠甚至還會(huì)支付部分運(yùn)輸費(fèi)用，顯著降低了采購成本.目前，脫硫石膏可機(jī)械化施用，并可快速降低土壤鹽堿危害，實(shí)現(xiàn)集中連片的鹽堿地春改、春種和秋收，科學(xué)種植3 年后即可達(dá)到當(dāng)?shù)刂懈弋a(chǎn)水平.此外，由于脫硫石膏溶解度相對較低，一次施用長期有效.Zhao 等[12]研究發(fā)現(xiàn)，在旱地中施用脫硫石膏17年后，其改良效果仍舊持續(xù)且呈現(xiàn)向深層土壤遷移的趨勢.Zhang 等[47]研究發(fā)現(xiàn)，一次性施用脫硫石膏改良蘇打鹽堿水田4 年后作用效果基本穩(wěn)定，且改良土層深度達(dá)到40 cm.趙永敢等[20]對利用脫硫石膏改良后的土壤及種植產(chǎn)出的農(nóng)產(chǎn)品重金屬含量進(jìn)行檢測 分析，均低于國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限量要求.因此，利用脫硫石膏改良鹽堿地兼?zhèn)渌傩Ш烷L效作用，實(shí)現(xiàn)以廢治廢、工農(nóng)業(yè)協(xié)同發(fā)展的目的，是一項(xiàng)真正的藍(lán)天綠地工程.

基于大量的工程項(xiàng)目實(shí)踐，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了利用脫硫石膏改良鹽堿地工程技術(shù)體系，見圖7.一是提出了測土配方改良技術(shù)，利用現(xiàn)代化信息技術(shù)，結(jié)合大量土壤樣品的野外快速檢測和室內(nèi)精準(zhǔn)檢測結(jié)果，繪制項(xiàng)目區(qū)土壤鹽堿分布圖，并據(jù)此計(jì)算和繪制脫硫石膏施用量分布圖，實(shí)現(xiàn)鹽堿地的精準(zhǔn)改良.二是制定了分區(qū)分類改良方案，針對項(xiàng)目區(qū)土壤鹽堿類型、鹽堿程度、土壤質(zhì)地和利用方式等，以脫硫石膏改良鹽堿地技術(shù)為核心，輔以水利、物理和生物改良等措施，優(yōu)化工藝流程，制定工程實(shí)施要點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)鹽堿地的綜合治理.三是建立了項(xiàng)目驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，工程項(xiàng)目實(shí)施過程中既要確定脫硫石膏的施用量是否達(dá)標(biāo)，還要保證配套措施質(zhì)量，對此制定了項(xiàng)目驗(yàn)收指標(biāo)、檢測方法和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，為鹽堿地改良行業(yè)的發(fā)展提供了重要依據(jù).

圖7 脫硫石膏改良鹽堿地工程技術(shù)體系[16]Fig.7 Technical system for the project of saline-alkali land amelioration by using flue gas desulfurization gypsum

4 結(jié)論與建議

脫硫石膏是燃煤電廠煙氣脫硫工藝過程中產(chǎn)生的主要固體副產(chǎn)物，其資源化利用的重要性及緊迫性持續(xù)提升.作為一種低廉、高效的鈣基型土壤改良劑，脫硫石膏改良鹽堿地的潛力不斷被挖掘，改良機(jī)理逐漸清晰明朗而成為共識，改良效果及其安全性也得到廣泛認(rèn)可.近年來糧食安全問題日益突出，為保障我國耕地資源，鹽堿地的綜合高效利用逐漸引起重視.在此背景下，推動(dòng)脫硫石膏改良鹽堿地的工程化應(yīng)用至關(guān)重要.以清華大學(xué)和華清農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司組建的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)已實(shí)現(xiàn)脫硫石膏改良鹽堿地技術(shù)成果轉(zhuǎn)化，并在全國范圍進(jìn)行示范和推廣工作，取得了卓越的成效，實(shí)現(xiàn)了“政-產(chǎn)-學(xué)-研-用”高度融合 發(fā)展.

大面積的鹽堿地改良工程項(xiàng)目的推進(jìn)突顯了改良方法、機(jī)械設(shè)備、施工和管理之間的矛盾，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)基于多年的工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)提出了針對性建議：

(1) 脫硫石膏單施需要加大施用量以確保改良效果持久性，而施用量的加大可能加劇土壤鹽分脅迫，也會(huì)造成資源浪費(fèi).針對這一問題，可采用集約化施用脫硫石膏方式實(shí)現(xiàn)鹽堿地精準(zhǔn)改良，輔以研發(fā)相關(guān)農(nóng)機(jī)設(shè)施，在減少石膏用量、增強(qiáng)改良時(shí)效性的同時(shí)簡化脫硫石膏施用工藝，節(jié)約人力資源.此外，可根據(jù)不同地區(qū)鹽堿地特征，結(jié)合脫硫石膏改良優(yōu)勢，開發(fā)復(fù)合型改良劑，以達(dá)到土壤降堿、脫鹽、培肥的相互促進(jìn).

(2) 水分直接參與脫硫石膏改良鹽堿地過程，不合理的灌排措施會(huì)使以Na+為主的土壤鹽分聚集而增加土壤鹽分脅迫，甚至抑制脫硫石膏的改良效果.因此，配套合理的灌排措施和灌溉制度是保障脫硫石膏改良鹽堿地效果的關(guān)鍵所在.

(3) 脫硫石膏一次性施入土壤后，其改土增產(chǎn)效果普遍當(dāng)年見效，而改良效果的維持性在很大程度上依賴于土地利用方式和種植管理模式.改良后的土地若長期撂荒，則會(huì)有潛在土壤返鹽返堿風(fēng)險(xiǎn).因此，利用脫硫石膏改良鹽堿地后需持續(xù)種植作物、加強(qiáng)田間管理及監(jiān)測改良效果，以降低土壤鹽堿反復(fù)的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而延長改良作用年限.

致 謝

感謝清華大學(xué)鹽堿地區(qū)生態(tài)修復(fù)與固碳研究中心同事在樣品檢測、數(shù)據(jù)整理等方面給予幫助，感謝華清農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司全體人員在工程化項(xiàng)目實(shí)施過程中數(shù)據(jù)采集、問題剖析等方面給予幫助.