河套灌区盐碱地改良特色产业研究

第1章盐碱地改良特色产业产品研发基本原理 研发基本原理土壤盐碱化是世界性难题，盐碱危害造成大量土壤资源难以被利用，农业综合生产能力下降，在很多地方严重影响农业生产。随着人口、粮食、资源、环境等压力不断增大，寻找有效的耕地后备资源并加以整治、利用，是保持耕地动态平衡的主要途径。盐碱地是没有被化肥、农药污染过的土壤，且重金属含量较低。只要采取适合的措施进行改良，盐碱地可以作为我国耕地的后备资源，是发展农业产业的新突破口。开发利用盐碱地、发展盐碱地改良特色产业及产品是解决当下问题的重要途径。应打造以盐碱地为特色的全国农业创新高地，积极探索以盐适种、生态优先、用养结合、提质增效的盐碱地综合利用特色道路；立足盐碱地特色优质资源，聚焦耐盐碱特色物种，构建盐碱地特色产业体系；研究盐碱地耐盐植物高效利用与生态修复模式，采取脱硫石膏施用与微生物综合改良技术对盐碱地进行生态修复；发展水稻、枸杞等盐碱地特色农业产业，开发多糖枸杞、弱碱性生态大米等盐碱地特色农产品（图1-1）。 图1-1盐碱地稻鱼生态产业示范 石膏改良盐碱地的研究与实践由来已久，适量施用脱硫石膏可以显著降低土壤含盐量，但过量脱硫石膏带入土壤的盐分不能及时被淋洗，反而会导致土壤含盐量增加。因此，科学制定脱硫石膏的用量与施用频率对于减少脱硫石膏改良的二次污染风险至关重要。脱硫石膏中含有大量的微量和常量营养元素，可以改善土壤的肥力状况，同时可以有效降低土壤碱化度、pH，改善土壤状况。微生物肥料能提高、活化土壤养分供给，产生促进植物生长的活性物质，增强植物抗逆性功能；可以增加盐碱土壤速效养分和有机质等含量，提高土壤脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶等活性，使土壤总盐含量降低。但是我国微生物改良盐碱地起步较晚，目前仅处于初始阶段。在盐渍化地块种植耐盐、泌盐作物，可加大蒸腾作用，降低地下水位，防止土壤返盐减缓地下水位抬升引起的土地次生盐渍化现象。植物修复是利用植物物种提取、稳定或分解土壤中的有害化合物，这是一种经济有效的技术。盐生植物的修复可以减少土地治理的成本，同时减少对土壤和相关生态系统的干扰。澳大利亚和美国的一些研究者，极力主张采取植物修复措施治理盐碱地，即通过筛选耐盐作物品种、提高作物耐盐能力来修复盐渍化土地。盐碱地还可以通过种植一些耐盐碱的经济植物，如油菜、枸杞、芦苇等来提高农民的收入，降低土地盐渍化带来的损失。植物修复具有经济效益和生态效益高、节能节水、长期改良、应用面积大等优点。弱碱大米是由弱碱土地里种植、生长、收获的弱碱水稻加工而来的，而只有在适宜的弱碱土地，才能种植弱碱水稻，生产弱碱大米。研究发现，枸杞多糖参与调节神经内分泌-免疫系统和应激反应。枸杞根系发达，抗寒、抗旱、耐盐碱能力强，是西北地区防风固沙、盐碱地改良开发的先锋品种。综前所述，明确脱硫石膏改良盐碱地提升产品品质基本原理、弱碱性土壤种植作物提升产品品质基本原理、盐碱化土壤种植特色植物提高多糖基本原理、盐碱地微生物治理改善土壤环境质量基本原理，可为大力发展盐碱地产业提供理论支持。 1.1脱硫石膏改良盐碱地提升产品品质基本原理 全球盐碱土壤面积约为9.6亿hm2，我国约有1.0亿hm2，占耕地面积的6.62%，主要分布于西北、东北、华北及沿海地区，且盐碱化土壤面积每年仍在呈不断增加之势。社会发展土地资源稀缺、填海工程数量增加，盐碱地改良成为全球性难题。盐碱土包括盐土和碱土两大类型。盐土以NaCl为主，其可溶性盐类物质含量超过2g/kg，对植物生长发育产生严重影响；碱土以Na2CO3为主，其阳离子代换量通常大于20%，土壤pH大于8，一般用碱化度来划分（Kang， 2001）。土壤盐碱化为易溶性盐分积累于土壤表层的过程或现象，也称为盐渍化。土壤盐碱化是多种因素共同作用的结果，包括成土母质、气候、地形地貌、人文活动、水文等多种因素。黄河河套地区有灌溉农田100万hm2，但1/3以上存在不同程度的土壤盐渍化问题（图1-2）。根据2006年调查显示，宁夏引黄灌区有耕地42.21万hm2，其中盐化土壤面积20.96万hm2，占耕地总面积的49.7%。土壤盐渍化已经严重影响和制约该地区的生态环境与农业的可持续发展。盐碱化土壤给社会的经济发展带来很大的阻力，改良和高效利用盐碱化土壤成为广大科技工作者长期研究的课题。 图1-2黄河河套平原 1.1.1脱硫石膏来源及成分 燃煤火力发电产生的烟气中含有大量的二氧化硫，故不能直接排放到空气中，因此烟气排放前首先要进行脱硫。其在烟气吸收塔内与氧气和石灰石吸收剂发生反应，以石膏产物的形式沉淀析出，成为工业固体废弃物。燃煤电厂脱硫石膏控制装置见图1-3。脱硫石膏价格低廉，化学成分与普通石膏相似，由于杂质成分上的差异，两者在脱水特性、易磨性，以及煅烧后的熟石膏粉在力学性能、流变性能等特征上有所不同。脱硫石膏为浅灰色，性质稳定，主要成分为二水硫酸钙（CaSO4 2H2O），含量在90%以上，含水量在10%左右，富含S、Ca、Si等元素，还包括碳酸钙、亚硫酸钙、氯离子、酸不溶物、氧化镁等杂质。脱硫石膏作为一种工业副产品，几乎全部应用于工业生产，尤其是作为建材行业中的水泥缓凝剂，用来制作各种石膏板，作为原材料生产碳酸钙晶体。除此之外，还能作为筑路路基及现浇墙体材料等。因为脱硫石膏特殊的物理和化学性质，经大量研究证明还可应用于农业生产及土壤改良。有关石膏改良碱土的研究在19世纪后期就已经出现，并取得显著成果，但受限于成本高、投资大，没有得到广泛施用。利用脱硫石膏改良碱土是在20世纪90年代后期才开始的。随着现代化进程的加快，人们也越来越注意到人与自然的和谐问题，对环境保护的认识也有了显著的提高。电气化进入发展新阶段，一些主流煤电产业考虑到成本问题使用不脱硫燃煤发电，严重污染了环境。燃煤脱硫所产生的二水硫酸钙（CaSO4 2H2O），具有产量大、利用率低等特点，因此对其再利用成为研究的热点。近年来，燃煤电厂引入烟气脱硫技术以减少SO2排放。现行的脱硫技术绝大多数以钙基物质作为吸收剂，*终生成一种脱硫副产物（脱硫石膏），见图1-4。 图1-3燃煤电厂脱硫石膏控制装备 图1-4燃煤电厂脱硫石膏产品 利用脱硫石膏改良盐碱地已经引起国内外的广泛关注。目前，脱硫石膏在工业及农业领域都实现了资源化。脱硫石膏在工业上的应用主要是作为建筑原材料，在农业上的应用则是作为化学改良剂，对酸性土壤和碱性土壤都能进行改良。利用脱硫石膏改良酸性土壤已取得显著效果，脱硫石膏改良碱土的效果也十分明显。利用脱硫石膏改良碱土是我国改良碱土的重要措施之一。脱硫石膏作为一种化学改良剂，能够有效改良碱土，并且不影响土壤中重金属的含量（王遵亲，1993）。另外，脱硫石膏中还含有大量的微量和常量营养元素，可以改善土壤的肥力状况（张国荣和王海岩，1985；张兆琴等，2012）。2000年以来，我国在黄河河套地区的内蒙古土默川平原、宁夏西大滩等地开展了利用脱硫石膏改良盐碱地施用技术的田间试验研究。研究发现脱硫石膏可以有效降低土壤碱化度、pH和可溶性Na+含量，提高作物的产量。 1.1.2脱硫石膏改良盐碱土基本原理 脱硫石膏改良盐碱土的原理是基于酸碱中和的基本理论，通过向土壤中施加化学改良物质，以此来降低土壤碱性和可溶性盐的含量。其基本原理是利用脱硫石膏中含有的Ca2+置换土壤胶体中吸附的Na+（来自土壤中的Na2CO3、NaHCO3），并通过淋洗将其排出土体，以达到改土治碱的目的。土壤胶体粒子长期与盐碱土中的Na2CO3、NaHCO3、NaCl等接触，成为含Na+胶体粒子，而含Na+胶体粒子在土壤中有较好的分散性，能散布在土壤颗粒之间的细缝中，形成致密、不透水的板结土层。不易透水的含Na+板结层掺石膏后，因Ca2+比Na+对土壤中胶体粒子的吸附能力强，原已吸附的Na+会与土壤溶液中的Ca2+发生离子交换，而含Ca2+胶体微粒的外层不吸附水分子，胶体微粒自己能互相靠近而聚团，土壤就不会板结，这些过程反复进行后，土壤就形成了稳定的团粒结构，从而有利于农作物根系生长、对土壤水分和养分的吸收。土壤中主要的碱性物质有交换性钠、碳酸钠和碳酸氢钠。石膏与其反应的化学方程式为这3个方程式也为石膏改良碱化土壤中的石膏用量问题提供了理论依据。改良碱土的碱性物质转换为无害盐类后，根据“盐随水走”的水盐运行规律，灌水使得土壤的无害盐类排出，碱土改良取得显著效果。盐碱土壤通透性差，在失水过程中易形成土层龟裂，不利于植物生长。传统的灌水很难去掉土壤中的Na+。盐碱地施用脱硫石膏，经土壤中水溶解后可形成Ca2+，而Ca2+能够替换土壤胶体上的Na+，不易吸附水分子，可使胶体微粒间形成微粒团。当水分子渗入微粒之间时微粒团膨胀，当失水时微粒团则龟裂。这一过程的反复则使土壤疏松，透水性增强，利于植物根系扩展，吸水吸肥能力增强，从而达到盐碱土改良的目的。 国内外学者广泛聚焦于脱硫石膏对土壤的影响，研究表明脱硫石膏可以用来改善土壤质量（Kim et al.，2017）。硫石膏施用于碱性土壤中，硫酸钙微溶于水中，溶解在土壤中的Ca2+会置换土壤中的Na+，从而降低土壤的pH，同时提高土壤的吸附能力，使土壤的保水性大大提高。脱硫石膏施用在酸性土壤中，由于脱硫石膏中还混有少量的CaCO3，会与土壤中的H+反应，从而提高土壤的pH，会对酸化土壤起到一定的改良作用。同时，脱硫石膏在生产过程中会与含有某些微量元素（Fe、Zn、Mn）的飞灰相结合，从而对缺少这些元素的土壤起到一定的改良作用。重金属在土壤中移动性很小，不易随水淋滤，也不能被微生物降解，会大量累积在土壤中，也会随食物链进入生物体中，对生物体造成危害。脱硫石膏施用于重金属污染的土壤中，会吸附土壤中的重金属离子，减少植物所吸收的重金属。所以，可以在重金属污染的土壤中加入脱硫石膏，通过脱硫石膏对重金属离子的吸附或（共）沉淀作用，改变重金属离子的存在状态，降低其危害性。 由于脱硫石膏的主要成分是二水硫酸钙（CaSO4 2H2O），所以含有丰富的钙、硫元素。对于植物来说，钙可以稳定细胞壁，果胶酸钙组成细胞壁的胞间层；钙可以稳定细胞膜结构，保持细胞的稳定性；钙可以促进细胞伸长和细胞分裂；钙可以参与第二信使传递，能结合在钙调蛋白上，对植物体内许多种关键酶