粉煤灰制备“回归土壤”，是否可行？

引言

从成煤成矿理论可知，地质历史时期由于茂密植物持续生长并大量死亡堆积，经过成岩成矿地质作用而形成煤碳资源，煤炭用于火力发电时净化燃烧烟气而产生了副产品粉煤灰。那么，地质历史时期孕育茂密植物持续生长的土壤条件应该是富含丰富的植物所需营养元素，而且这些养分元素是种类多元全面、比例合理协调。假如这些种类全面、比例协调的植物养分在成煤过程中保持在煤质体系中，燃煤发电过程中没有丢失而滞留在粉煤灰当中，那么粉煤灰中应当蕴含了丰富的植物所需的多种养分元素，而且其比例平衡合理协调。这一过程的正确理解，暗示粉煤灰回归土壤具有合理性，完全可以用来肥沃土壤。

实际上，粉煤灰改善土壤生化系统的技术蕴含了物质循环的概念。即，目前远远超出环境容量的粉煤灰已然是急需消纳的主要固废之一，这些粉煤灰如果可以反哺并沃化土壤，变废为宝，实现资源二次利用，那么粉煤灰改善土壤生化系统的技术不仅是物质循环再利用，也体现了循环经济的理念。

更需强调的是，长期以来火力燃煤发电一直是人类能源结构中主要获取电能的途径之一，而且由于持续排放粉煤灰，已然成为影响环境质量的主要大宗固废之一[7]。我国存量粉煤灰已达8.6亿吨以上[8]。

可喜的是，加拿大西安大略大学以Fyfe教授为首的地质学科研团队率先于1990年即开始践行了粉煤灰回归土壤的理念，并历经8年的理论研究、温室盆栽实验和大田试验，于1998年开始成功地在印度实施了利用粉煤灰改良四种类型土壤（沙土、盐碱地、红土和黑土）的推广应用，累计4年完成了不同气候条件下约400公顷的植树种草规模化推广，该项目被第三方评估机构认定为集环境效益、经济效益和社会效益为一体的环境生态项目[6]。其成果总结为回归土壤。之后，先后有巴西、厄瓜多尔、哥伦比亚、葡萄牙等国开展了同样的大田试验，并在利用粉煤灰改良土壤实验和推广广过程中探索了14种农作物的重金属迁移积累效应，证明尚没有发现由于粉煤灰的加入而导致土壤存在重金属积累效应的证据。

在借鉴国外技术的基础上，中国地质大学（北京）地球科学与资源学院成因矿物学科研团队与加拿大西安大略大学Fyfe教授科研团队紧密合作，在理论研究和实验室盆栽实验基础上，先后在我国山东济南、辽宁盘锦、内蒙包头、宁夏银川和甘肃武威等地进行了大量植树种草大田实验，并取得良好效果。

总结认为采用粉煤灰配施一定量有机质可以取得如下明显的改良土壤效果：（1）植物根际土壤生态系统明显改善，植物根系显著增强，植物生长量显著提高；（2）土壤养分元素全面均衡增加，而且具有持续缓释特点，改良后土壤进入良性循环，其养分水平不会显著降低；（3）土壤结构明显改善，团粒和粘粒显著增加，孔隙率和透气性大大改善，对土质结构具有根本性改善；（4）改善后土壤具有较好的保水持水功能，对延缓干旱条件下土质涵养有限水分供给植物免遭干旱胁迫效果明显；（5）不会由于粉煤灰的加入而带来土壤重金属污染风险，改良后的土壤重金属含量水平符合国家[9]。

实践证明[10]，粉煤灰改善土壤生态系统具有科学合理性，而且具有充足的 结晶学 和矿物学理论依据，非常值得广泛开展科学实验和工程应用。特别是我国目前西北地区干旱气候条件下存在大量荒漠化土壤，表现为土质薄瘠、立地条件较差，植被条件明显不足，生态环境及其脆弱。此外，由于矿业活动导致了地表生态环境的破坏，诸多矿山及周边地区也存在类似土质薄瘠、植被较差、生态环境脆弱的现象，甚至区域性植物无法正常生长，土壤基本功能不良或失常，即养分贫瘠和质地不良，因而不能满足植被发育的基本要求，以至于形成土壤自身的不良循环，乃至成土物理化学过程变慢，地貌呈现出向石漠化或荒漠化演化的趋势。

因此，有必要利用粉煤灰这一存量较大的大宗固废，实现变废为宝改善土壤生态系统的工程应用。以下是在多年理论研究和科研实践的基础上总结的几点粉煤灰改善土壤生化系统的特点评述。

富含多种养分元素可有效沃化土壤

由于粉煤灰是经过高温燃烧的产物，因此土壤所需的有机质和碳、氮、硫等易挥发组分已经流失,但尚有数十种植物所需有用元素如磷、钾、硅、铁等仍然滞留于粉煤灰中，另外根据煤的产地和成煤环境的不同,粉煤灰中常常含有较高的硼、钼、铜、锌、锰及其它微量元素。如，多组分析结果表明,包头市三个电厂的粉煤灰中含有丰富磷、钾、硅、铝、铁、锰、镁、铝、硼、钙、硫、铜、锌、钠、氯、碳等二十多种土壤有益元素，特别是多年储集的粉煤灰中还有较高含量的有效磷和有效钾等土壤必须养分元素。

从火电厂粉煤灰捕集工艺可知，无论是湿法捕集还是电除尘工艺，均能说明粉煤灰是在急冷条件下的产物,所以绝大多数矿物相属于玻璃质结构。玻璃质结构的典型特征是不稳定，而且具有较高的比表面积和表面能，当然化学键分布也显著不均匀,特别是表面存在很多断键或自由键。通常情况下断键或自由键越多，结构缺陷也越多。这种复杂且不稳定的玻璃质结构遇有物理化学条件的变化非常容易解体，因而释放其中蕴含的元素离子。

不难想象,当遇有酸碱作用或微生物之生化作用下这种结构解体过程会加速完成。有研究结果表明[11],粉煤灰中小颗粒比大颗粒更富集微量元素。所以,在同样的物理化学和生物化学条件下,细粒级粉煤灰能够释放更多的元素。值得注意的是,粉煤灰特殊的成因过程导致其多呈典型孔状结构。这些颗粒内微孔隙易于吸纳水分，也为微生物提供了良好的繁殖场所,因而有利于微生物总量的增加。 反过来,微生物分泌的有机酸强化了微域生物化学作用，所以能够促进粉煤灰结构中的元素溶解或溶出[12]，增加土壤养分元素的有效性或植物可利用性。从前述粉煤灰乃至煤的成因看，粉煤灰中仍然滞留有丰富的土壤和植物所需多种养分元素，不仅含有土壤和植物必须的磷和钾，而且含有多种可供植物吸收的中量和微量养分元素[13]。

另外，由于粉煤灰的玻璃质结构特点、细粒多孔特性、吸纳水分和贮藏微生物等生物化学条件，粉煤灰添加到土壤中会有强烈的生物矿物交互作用促进粉煤灰中养分元素有效释放和持纳缓存，达到有效并长效被植物吸收利用。

此外,粉煤灰的多孔使得其具有较大的比表面积,一般在800～19500平方米厘米/克[14]，因而具有较强的吸附能力。较强大的吸附作用使得有效态养分元素被吸附驻藏在孔隙当中，也使得粉煤灰的养分元素具有“长效缓释”的特点。一些研究结果[12]注意到，粉煤灰添加到土壤当中实施种植实验后，植物的根须会深入到粉煤灰颗粒的孔洞中。这显然说明,粉煤灰颗粒的孔洞内有相对高含量的营养元素和水分。

深度改善土壤结构促进植物根系发育

由于粉煤灰是煤在高温沸腾状燃烧的产物，所以其中不能燃烧挥发的硅酸盐物质多呈熔融态“液滴”或半熔融态“珠滴”漂浮在燃烧仓或烟道内。因此，大多数粉煤灰颗粒呈多孔的圆形、椭圆形、不规则等轴粒状。特别从颗粒剖面看，内部结构也显示非常复杂蜂窝状多孔结构。显然是由于燃烧过程中熔融态或半熔融态物质在不断排气的同时由于极速冷却导致的结果。这样的结构形式显然是非常有利于吸纳并贮藏水份，当然也容易滋生和贮藏微生物菌落(多在0.0001～0.005mm)[15]，当然也有一些活性或有效养分元素积聚共生于有水的孔隙中。因而可以增加土壤的保肥保水性能。显然，长时间有水和微生物菌落存在的情况下，微生物必然会与硅酸盐玻璃质结构的粉煤灰产生“生物矿物交互作用”，也就是微生物强大的活性和持续的代谢能力，会促进粉煤灰结构解体，其中解体释放的元素离子会被微生物“吃掉”继而形成代谢产物。如前所述，粉煤灰中含有的诸多养分元素，实际上也同时是微生物喜好的“食物”或 代谢源 。粉煤灰中丰富的养分元素不断被微生物代谢或经历生物化学作用而表现出活性[16]，形成土壤中的可溶解活性组分，因此更容易被植物吸收利用。

由于粉煤灰的多孔结构可以吸纳和贮藏水分与微生物，并且存在强烈而持续的生物矿物交互作用（微生物的代谢作用或生物化学作用），如下图。因此粉煤灰被添加到土壤中时后，其孔隙就形成了微域水分养分库或微域水分养分源。因此，植物根系特别是新生的微细根须就会伸入孔隙内，类似为植物提供水源和养分的泵一样，源源不断吸取水分和养分，为植物的生命活动提供物质和能量。

总之，土壤中添加粉煤灰，相当于为土壤提供了许多不规则和多孔状固体颗粒,因此为土壤总孔隙度的增加作出了贡献。另外,多孔颗粒巨大的比表面积使得其有较强吸附能力，吸附作用对土壤的团聚化具有促进作用,因而也增加了土壤团粒和粘粒，变相增加了毛管孔隙数量。即，粉煤灰的多孔性对土壤增强保肥保水能力提供了物质支撑。 实际上，不仅是粉煤灰中玻璃质颗粒呈不规则多孔状,一些不定型碳也多呈海绵状多孔结构，而且它们细粒结构和表面存在的自由键或断键也为颗粒团聚化做出了贡献。

此外，优质的土壤中通常含有较多的层状黏土矿物,而且在水化学和生物化学的持续作用下,其晶体结构易遭到破坏，其层状结构变得松弛，甚至膨胀化、混层化或团聚化。

一般来说,层状矿物的层间域大小是不变的,但可膨胀层状矿物的层间域,在受到外来因素的影响时会发生变宽、变形的改造,同时单位层也会发生被扭曲、卷曲或毛边化的现象。这种结构的变化容易使黏土矿物颗粒结构变得更加复杂,并且形成更多的孔隙空间[17]。同时,由于这种复杂的多孔结构有利于颗粒间的吸附或聚合。聚合的结果会形成一些微团聚体,这些微团聚体同样具有丰富的孔隙空间。

从化学成分看，粉煤灰与黏土矿物具有相似性，但是二者相结构却截然不同:即粉煤灰以非晶质结构为主，而黏土矿物则以结晶质为主。按照结晶学理论，在一定条件下非晶质的粉煤灰可以向结晶质黏土矿物发生转化，其中水-生物化学条件下，特别是有微生物参与情况下可以加速这一转化。

以上所有研究结果均证明，粉煤灰的孔隙结构和生物化学条件下可转化为黏土矿物的特性，可以深度改善土壤结构促进植物根系发育。

粉煤灰可以显著改善土壤的持水能力

粉煤灰具有非常复杂的孔隙系统，孔隙率大多在60%～75%[14]，而且玻璃质结构表面大量的Si-O自由键或断键具有强烈的离子吸附性能,特别是其经与水作用后还可在颗粒表面形成大量羟基,表现出强烈的亲水性[20]，因而提高了粉煤灰的持水性能，并且可以阻止被吸纳的水分因蒸发而流失，似乎具备了土壤黏土矿物所特有的持水性能。

研究人员在包头地区平地和山坡地条件下砂砾石土质模拟自然环境进行的大田持水实验。原生砂砾石立地条件下补水后（自然降雨或人工浇水）土质中含水量很低，补水的第1～2天内，田间含水率不足15%，而且持续7天后降低到了12%以下，特别是坡地已经降低到了6%以下。

综合看来，无论是平地和山坡地条件，在砂砾石立地条件下饱和含水率仅仅是15.5%～21.4%的范围内。这说明砂砾石土质中补充的水分无法被保留在土质中，大多被下渗漏掉或被蒸发损失了。但是，粉煤灰则表现为补水后田间含水量出现明显不同的结果。可以看出，补水当日含水量可达90%以上，第2天仍然能够保留40%～60%的水分，虽然粉煤灰中含水量表现出较大波动性，但是仍然能够说明粉煤灰吸纳的水能分够被涵养在其中，不易下渗漏掉也不易被蒸发掉。

综合看来，添加粉煤灰后的砂砾石立地条件，其饱和含水率可达31.4%～79.7%。最主要的是，同样模拟条件下，持续7天后砂砾石含水率仅剩5.7%～11.9%，而添加粉煤灰后的砂砾石含水率可维持在15.0%～28.9%，坡地甚至能够达到38%以上。显然说明砂砾土中添加粉煤灰可以大大改善田间含水量。也由此说明，西北地区荒漠化土质尤其是砂砾质土完全可以通过添加粉煤灰的方式改善土质持水能力。砂砾土和粉煤灰按照体积比1∶1均匀混合后，采用同样条件下模拟结果显示，持续7天平地条件下含水量始终在18%以上，坡地条件下含水量始终在14%以上。这也说明，粉煤灰可以极大地延缓土让补水需求。

粉煤灰添加不会增加重金属污染风险

尽管粉煤灰具有如上所述的多种优点，但是按照环保要求仍然被列为大宗固废物名录。所以，将其当作二次资源充分利用其优点的同时，仍须讨论其有害杂质元素特别是重金属元素的含量以及赋存状态带来的潜在风险。特别是土壤中添加粉煤灰时更要合理科学地评估其带来二次污染的潜在风险。由于重金属元素种类不同，其在粉煤灰中的赋存状态也不同,它们的地球化学行为也有一定的差别,因而潜在的危害程度也有所不同。

从土壤环境质量的角度看，任何添加进入土壤的固废都应该严格遵守“土壤环境质量污染物风险控制标准”。此外，其用于改善土壤质量时施用量应严格遵照“农用粉煤灰中污染物控制标准”。如果采用粉煤灰改善土壤质量主要目的是要达到修复土壤，植树种草,加速恢复植被的目的，那么只要粉煤灰中有害元素含量不超标或者有害元素不具有生物活性，或者有害元素不具有生物有效性，或者不能被植物吸收,或者这些有害元素也不进入食物链导致对人体的危害。实际上，我国多地粉煤灰测试结果显示均符合[21]。另外，从战略性考虑,在生态及其脆弱的西北地区荒漠化土壤施加粉煤灰，用以恢复植被,抑制水土流失,阻止土壤进一步退化,断绝沙尘暴的物质根源是当务之急。

从河北石家庄地区石灰岩母质形成的土壤中采用添加粉煤灰与生活污水沉淀物混合物改良土壤种植玉米的结果看[22]，尽管由于添加粉煤灰与生活污水沉淀物种植实验中，实验组土壤中重金属含量高于对照组土壤，但是所有重金属元素的含量均远低于[23]。而且据国家土壤一级质量标准和二级质量标准p H值大于7.5的标准[23]，改良后的土壤均符合国家二级土壤质量标准。

结论

经过近20年的实验研究和大田试验结果表明，将粉煤灰配施一定量有机质添加到土壤中，能够综合改善土壤水-气-肥-热生化系统，具体表现出如下几个特点：

（1）粉煤灰含有丰富的磷、钾、硅、铝、铁、锰、镁、铝、硼、钙、硫、铜、锌、钠、氯、碳等二十多种土壤有益元素，特别具有较高含量的有效磷和有效钾等土壤必须养分元素。因此可以显著提高土壤多种植物所需养分元素的水平，有效沃化土壤。

（2）粉煤灰具有复杂的多孔结构，非常有利于储纳养分元素和水分，也为土壤微生物构建了良好的微生态域，是微生物繁殖和代谢活动的极佳场所。同时，这些孔结构还可以增加土壤透气性，因此粉煤灰的添加可以深度改善土壤结构并促进植物根系发育。

（3）粉煤灰颗粒所具有的微细孔隙以及粉煤灰颗粒彼此组合搭建的复杂孔隙结构，能够显著增加土壤的持水能力，可以有效防止土壤漏肥漏水和蒸发失水。

（4）我国多地粉煤灰测试结果均显示其有害元素含量远低于《农用粉煤灰中污染物控制标准》（GB8173-87.1998）控制标准，因此粉煤灰添加到土壤中不会增加土壤和地下水重金属污染风险。

因此，粉煤灰作为改善土壤生态系统的添加剂是有效消纳粉煤灰，变废为宝，恢复植被，修复生态的途径之一。