脱硫石膏在我国土壤改良方面应用的研究现状分析及展望

张敬沙 ,  周建强 ,  方海兰

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (S1) : 6 -11.

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现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (S1) : 6-11. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.S1.002
专论与评述

脱硫石膏在我国土壤改良方面应用的研究现状分析及展望

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Analysis and prospect on application of desulfurization gypsum in soil improvement in China

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摘要

借助CiteSpace可视化分析软件及中国知网(CNKI)数据库自带的统计分析功能,以“脱硫石膏+土壤”为主题词,在CNKI数据库中对2003—2023年间脱硫石膏在土壤改良方面应用的研究文献进行了科学统计分析,并对后续相关工作提出展望。旨在了解随时间的变化,脱硫石膏在土壤改良方面的研究和应用状况,以便为促进脱硫废弃物的资源化利用、推进土壤质量提升并实现技术创新提供有力支撑。

Abstract

With the help of CiteSpace visual analysis software and the statistical analysis function of China National Knowledge Infrastructure (CNKI) database,a scientific statistical analysis is performed on the research literature in the aspect of using desulfurization gypsum in soil improvement from 2003 to 2023 in CNKI database by using ‘desulfurization gypsum+soil’ as the subject word.The prospect for follow-up related works is proposed.The purpose is to understand the research and application of desulfurization gypsum in soil improvement over time,so as to provide strong support for promoting the re-utilization of desulfurization wastes,promoting soil quality improvement and achieving technological innovation.

Graphical abstract

关键词

脱硫石膏 / 文献计量 / CiteSpace可视化 / 盐碱土壤 / 土壤改良

Key words

desulfurization gypsum / bibliometrics / CiteSpace visualization / saline-alkali soil / soil improvement

Author summay

张敬沙(1992-),女,硕士,工程师,研究方向为土壤改良与整治、有机废弃物资源化处置等,

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张敬沙,周建强,方海兰. 脱硫石膏在我国土壤改良方面应用的研究现状分析及展望[J]. , 2025, 45(S1): 6-11 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.S1.002

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随着经济的不断发展和城镇化进程的不断加快,受气候和人为干扰等因素的影响,我国土壤环境质量不断发生退化,如土层变薄、土壤发生酸化、盐碱化、沙化以及土壤板结紧实等。其中,尤以土壤盐碱化较为普遍,治理难度也较大。盐碱土中聚集有大量的Ca2+、Mg2+、K+、Na+、Cl- C O 3 2 - H C O 3 -等盐基离子,这些离子在土壤的水平或垂直方向重新分配,使盐分在土壤表层逐渐积聚,导致土壤发生板结、透气透水性差、土壤生物活性低、肥力降低等,严重影响植物的正常生长[1],不仅造成土地资源的浪费和生态环境的脆弱,还对经济产生直接或间接的损害。据我国第三次全国国土调查结果显示,我国盐碱地达1.15亿亩,尤其中西部干旱半干旱地区,其盐碱地面积占全国总盐碱地面积90%以上,严重制约了当地的农业发展和生态文明建设[2]。因而,开展盐碱地整治技术的研究和应用有着重要的现实意义。
我国是以煤炭为主要能源的国家,而煤炭消耗主要集中在电力行业。为减轻对环境的压力,燃煤发电厂引进燃气脱硫技术,为此每年都会产生大量的脱硫废弃物。据报道,2020年我国约产生脱硫石膏11 732.55万t,其中,电厂的脱硫石膏产生量约为8 564.76万t,占总量的73%[3]。这些巨量的脱硫废弃物若处理不当则会产生严重的环境污染和土地资源的浪费[4],因而关于如何实现脱硫废弃物的妥善处理和合理利用一直受到社会各界的广泛关注。其中,脱硫石膏是烟气脱硫后产生的一种副产物,其主要成分为CaSO4·2H2O,含有丰富的Ca、S、Si、Mg等植物生长所必需的矿物质元素。同时,其中的Ca2+可以置换出土壤胶体吸附的交换性Na+,在淋洗的作用下,Na+随水分离开作物根区,可有效降低土壤pH和交换性钠百分率(ESP),改善土壤结构和土壤盐害状况,进而促进盐碱土壤改良和作物增产[5]。因此,若能将脱硫石膏应用于土壤改良方面,不仅可实现脱硫石膏的资源化利用,还可大大地改善土壤的性能,实现环境、经济和社会“三重”效益的增收。为此,我国相关政府部门、研究机构和企事业单位等各界各单位人士就此展开了大量的研究和应用实践。本研究在此基础上,采用资料检索、可视化分析等研究手段,对我国近20年内在脱硫石膏土地利用方面的研究成果和应用案例进行收集和整理分析,以了解我国在脱硫石膏土地利用方面的研究成果发表状况、关注热点随时间的变化趋势、形成的主要结论和观点等,并对未来脱硫石膏在土壤改良方面的应用研究做出展望,以期为脱硫石膏在土壤改良方面的应用提供更丰富的数据支撑。

1 研究方法与数据

1.1 研究方法

为了解脱硫石膏的研究现状及发展趋势,本研究采用CiteSpace对脱硫石膏在土壤方面的研究和应用状况进行了科学知识图谱分析。科学知识图谱是一种以知识域(knowledge domain)为对象,显示科学知识的发展进程与结构关系的图像[6]。CiteSpace是一款可对文献进行视觉化描述和趋势展示的可视化分析软件,是在基于科学计量学、数据和信息可视化背景下逐步发展起来的,可通过对特定领域文献(集合)进行计量,以探寻出学科领域演化的关键路径及其知识拐点,并通过一系列可视化图谱的绘制来形成对学科演化潜在动力机制的分析和学科发展前沿的探寻,可用于分析研究领域的研究特征以及主题演变路径,寻求其研究热点和研究趋势[6-7]

1.2 数据来源及处理

本研究所用数据来源于中国知网(CNKI)。在CNKI数据库中,以“脱硫石膏+土壤”为主题词对2003年1月1日—2023年12月10日期间的文献进行精准检索。共检索到650篇,人为剔除公告、通知、报刊、政策等不相关文献后,共收集有效文献603篇,并以Refworks形式导出,之后导入CiteSpace软件中使用相应模块进行相应处理,通过控制运行节点类型的选择,生成相应的知识图谱。

2 结果与分析

2.1 发文状况

为了解脱硫石膏在土壤应用方面的发文状况,本研究利用CNKI数据库自带的文献分析功能,对2003年至2023年间相关文献发表数量进行了统计,结果如图1所示。由图可知,自2003年以来,发文量虽偶有波动,但整体呈上升趋势。其中,2012年、2014年为快速增长期,2014—2018年虽增长缓慢但一直保持着持续增长状态,也正是在此期间,国务院于2016年5月31号正式印发了《土壤污染防治行动计划》。该计划明确提出“推动盐碱地土壤改良,自2017年起,在新疆生产建设兵团等地开展利用燃煤电厂脱硫石膏改良盐碱地试点。”正式推进脱硫石膏在农业领域上的示范应用工作[8]。在政策的支持和引领下,脱硫石膏在土壤应用领域逐渐成为研究热点。2018年以后,虽发文量略有降低,但依旧高于10年前,脱硫石膏的研究势头依然保持在较高的水平。

2.2 研究机构

为进一步了解国内研究脱硫石膏的机构及其之间的协作关系,在CiteSpace中,将运行节点(Node Types)改为“机构(institution)”,生成图2所示研究机构之间协作关系网络图谱。该共现网络共有251个节点,178条相关链路,网络密度为0.005 7。说明在脱硫石膏应用于土壤的研究领域,各研究机构之间的合作联系相对较少。此外,从图2不难看出,研究机构之间的协作与地域分布有着较大关系。例如,有着密切合作关系的宁夏大学、西北土地退化与生态恢复国家重点实验室培育基地、西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室等机构均位于西北地区;同属于西南地区的重庆市农业资源与环境研究重点实验室、农业部西南耕地保育重点实验室与西南大学之间也存在密切联系;而不同行政区域之间合作甚少。由此可见,地域差异对各研究机构之间在脱硫石膏应用于土壤领域开展协作关系有着一定影响,这可能是由于我国地域辽阔,各区域土壤质量状况差异较大,且各地区燃煤发电厂数量分布不均,对脱硫石膏消纳处置的需求不一,导致各区域研究机构之间存在合作壁垒。
对排名前10的研究机构发文数量进行进一步统计(见表1)。结果显示,宁夏大学农学院发文量最多,共发文41篇,占比6.80%;其次是中国科学院大学,发文29篇,占比4.81%。且排名前10的机构均集中在西北、西南以及华北地区,这些地区均是我国盐碱地分布的主要区域。尤其西北地区,据第三次全国国土调查结果显示,新疆、青海、宁夏、内蒙古等地的盐碱地面积占全国盐碱地面积的96.1%[2]。以西北地区的宁夏自治区为例,宁夏的引黄灌区面积共有40余万公顷耕地。其中,重度、中度和轻度盐碱地面积分别占总耕地面积的4.5%、7.8%和21.3%,严重影响了宁夏的农业生产[9],盐碱地的改造治理迫在眉睫,因而也成为了当地研究学者们竞相角逐的研究领域。而利用脱硫石膏改良盐碱地示范应用工作也始于西北地区的新疆,这可能也是导致相关研究发文多集中于西北地区的主要原因。在华东地区,如上海地处沿海地区,土地也遭受盐碱侵害,但对脱硫石膏的应用却并未进行广泛推广。一方面可能是由于脱硫石膏的安全性问题。脱硫石膏中除了结晶的硫酸钙外,其杂质较为复杂,尤其是重金属含量,不同工艺和产地,其重金属含量差异较大[10],施入土壤可能会导致土壤出现重金属累积问题;另一方面,上海燃煤发电厂相对较少,脱硫石膏的产生量不稳定,使得上海在脱硫石膏土地利用方面一直未能得到深入的研究和广泛的推广应用。

2.3 研究热点及主要内容观点

研究与某领域相关联热点话题的关键通常是进行关键词频率分析,而研究领域的关键词共现与强度分析往往可以帮助识别该领域的研究热点[11]。为了解国内在脱硫石膏土地利用方面的热点,本研究将CiteSpace运行节点类型改为“关键词(Keyword)”执行,形成如图3所示的关键词共现图谱。在关键词共现图谱中,关键词频次越高则其表现的圆圈节点越大,对其他关键词连接程度越高[12]。由图3可知,国内脱硫石膏在土壤中的应用研究关注点主要是脱硫石膏(294)、土壤改良(62)、盐碱地(62)、盐碱土(43)、改良剂(34)等。由此可见,脱硫石膏在土壤中应用的研究还是集中在改良土壤的盐碱方面。
以5年为1个周期,统计排名前10的关键词,结果如表2所示。在2003—2023年这近20年间,无论前10年还是后10年,将脱硫石膏用于盐碱土壤的改良始终保持着较高的研究势头。但随着时间的变化,研究侧重点略有变化。

2.3.1 研究起步阶段

2003—2007年这5年属于研究的起步阶段,关键词集中在脱硫石膏的综合资源化利用以及脱硫石膏作为土壤改良剂改良碱化土壤方面,具体聚焦在脱硫石膏的综合处理和资源化措施研究、脱硫石膏对土壤交换性钠、碱化度(ESP)、钠吸附比(SAR)、pH、全盐量、土壤渗透性和土壤硬度等物理化学指标等的影响及植物的响应等方面[13-16]。研究结果主要集中在以下几个方面:①脱硫石膏对土壤理化性质有显著的影响:施用脱硫石膏后,土壤表层的交换性钠、ESP、SAR和pH均有显著降低;土壤硬度明显降低;渗透性随脱硫石膏用量的增加有明显的提高,当脱硫石膏添加量达到2 t/亩时,土壤渗透性可达到8倍;水溶性盐分离子有显著增加[13-14]。②脱硫石膏的施用应适量:脱硫石膏添加量并非越多越好,适量的脱硫石膏具有降低土壤碱化度、pH和全盐量的效果,但过量的脱硫石膏则具有增加土壤盐分的风险[13,15,17]。③脱硫石膏施用需搭配灌溉/淋洗措施:灌溉/淋洗在脱硫石膏改良盐碱过程中起着重要作用,改良效果与淋洗次数呈正相关性,而水量的确定原则是既要保证能足够溶解改良剂,又要把进入土壤溶液的交换性钠和各种钠盐淋洗到地下水或土体下层,同时不引起地下水位明显抬高[14-15]。④植物的响应:脱硫石膏在改良碱化土壤的同时,会增加土壤的盐分含量,虽会增加植物苗的出苗率,但过量施加也会抑制植物的出苗和生长[15]

2.3.2 研究成果急剧攀升阶段

2008—2017年这10年期间,研究工作持续开展,研究成果数量逐步攀升,关键词依然集中在脱硫石膏对土壤盐碱性和理化性质的改善效果研究方面,除了继续探索不同盐碱化程度或最佳脱硫石膏施用量之外,开始探索脱硫石膏施用时期、施用深度及与其他改良措施或调理剂的联合施用对土壤的综合改良效果,同时也开始关注脱硫石膏在土壤应用方面的安全性问题。形成的主要观点有以下几个方面:
(1)脱硫石膏的最佳施用量:从脱硫石膏对盐碱地理化性状的改良效果、作物生长发育和产量及投入成本综合考虑,针对中轻度盐碱化土壤,脱硫石膏的最佳添加量为2 t/亩(30 t/hm2)。过量则会引起盐分累积,导致作物产量下降[18-20]
(2)脱硫石膏的施用时期和施用深度:脱硫石膏施用时期和施用深度不同对改良土壤碱性和促进作物生长发育的效果也不同。随着脱硫石膏施用深度(混合层)的加深,脱硫石膏与土壤接触越充分,其改良土壤盐碱性的效果越好,一般在施用深度为30~60 cm时效果最好,因而在秋季采取深施脱硫石膏并结合冬灌措施对改良土壤碱化度、促进作物发育及提高作物产量有着更显著的作用效果[21-25]
(3)脱硫石膏的安全性:脱硫石膏施用后土壤中部分重金属含量有超过本底值的现象,但随时间推移,土壤中砷、汞、铅、铬、镉等重金属元素含量依然低于国家土壤环境质量筛选值标准(GB 15618、GB 36600);作物稻谷中的重金属含量也均符合我国《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB 2762—2012);不仅如此,脱硫石膏还能不同程度地降低土壤对重金属的吸附性,降低重金属的生物可利用性和毒性[26-29]
(4)组合强化措施:脱硫石膏与有机物料组合配施,再结合淋洗措施,不仅可以改善土壤结构,提高土壤肥力,还可进一步促进脱硫石膏对土壤阳离子的交换及对酸碱度的调节,尤其与腐殖酸、糠醛渣、草炭等偏酸性有机物的配合施用[30-34];在利用脱硫石膏改良盐碱地时,采取起垄泡田灌溉措施效果更好,泡田时间也非越长越好,需在泡田24 h以后立即排出剩余的水[35]

2.3.3 研究持续创新阶段

2018—2023年期间,在前期的研究成果基础上,除了持续探索脱硫石膏对不同类型盐碱土的综合改良效应外,开始研究脱硫石膏对土壤水热条件的影响及其在与有机物料混掺情况下对土壤养分的固持效应等,形成的较为典型的观点有:①脱硫石膏因含有高价离子,可增强土壤的离子吸附能力,改善土壤团粒结构,提高土壤的持水性,因而在一定程度上具有提高土壤含水率的作用;同时,因其本身为浅灰色,加入土壤后可使土壤吸热能力增强,从而提高土壤温度[36];②脱硫石膏可有效促进土壤对无机磷的固持,且与有机物料混掺施用的情况下,更有助于提高土壤的氮磷养分含量[37-38]
随着国家“双碳”政策的提出,近些年相关研究开始逐渐转向探索脱硫石膏对土壤固碳效应及温室气体排放等碳循环方向的影响和作用机理,如屈忠义等研究表明脱硫石膏有增加土壤有机碳含量和有机碳密度的效果[36];多项研究表明,脱硫石膏有抑制温室气体(CH4、CO2)排放的效果[39-41];脱硫石膏中丰富的Ca2+还可能会和土壤中的CO2发生反应,将碳固定在土壤中[42];当与生物炭、有机肥等有机基质混施时,在一定添加比例条件下还会表现出碳中和效应,但在实际农业土地利用时,应采取合理的施用量[43-45]

3 研究展望

脱硫石膏无疑是一种被放错地方的资源,虽属于工业废弃物,但却有着很高的土地利用价值。若能对脱硫石膏充分地开发利用,不仅有助于促进我国实现固体废弃物资源化利用,还对改善土壤质量、提高我国土地利用效率有着重要的现实意义。为此,现针对脱硫石膏土地利用方面的研究和应用提出以下几点展望:

3.1 加强脱硫石膏来源和质量安全把控

脱硫石膏是燃煤发电过程中烟气脱硫得到的一种工业副产物,其中CaSO4·2H2O的含量在93%以上。但由于各个燃煤电厂的脱硫装置和工艺不同,所采用的脱硫方法、参数设定等也不完全一致,使得所产生的脱硫石膏成分也有所不同。有些脱硫石膏中含有F-、Cl-等杂质离子和Pb、Zn、Hg等重金属[44],长期大量应用于土壤时,可能带来土壤发生盐害或重金属污染和生物累积等副作用,这也是当下限制其大面积推广应用的主要因素。因此,在开展土地利用前,应加强对脱硫石膏的质量安全把控研究,尤其是对其重金属含量的控制,确保其在土地利用过程中不会产生二次污染和对人体健康造成潜在威胁,也为政府相关部门在就脱硫石膏土地利用制定相应的政策指南时提供足够的数据和技术支撑。

3.2 加强对脱硫石膏土地利用的政策/资金支持

政府的政策引导和资金支持通常是实现废弃物资源化利用的重要保障。脱硫石膏作为一种废弃物进行再循环利用,其安全性和生态效益始终是废弃物产生、消纳单位、部门和广大用户最为关心的问题,也是制约其广泛推广应用的两大要素。相关政府部门应在充分调研脱硫石膏土地利用相关研究结果和工程实践案例的基础上,结合当地的脱硫石膏产生情况及土壤类型及质量状况,针对脱硫石膏的安全应用提出有针对性的相关政策。条件允许的情况下,政府提供一定资金支持,以促进社会各界、群众资源化利用脱硫石膏的积极性,并为高质量、低成本提高土壤质量提供更多实施途径。

3.3 加强脱硫石膏土地利用标准规范的研制

经过这20多年的研究和应用实践,脱硫石膏的经济、环保和社会效益,尤其在改良盐碱化土壤方面的作用效果已得到大众认可,并且在典型盐碱地分布区实现了广泛的推广应用[46]。然而,由于脱硫石膏成分的差异和土壤类型、盐碱化程度及土地利用情况等不同,目前脱硫石膏在改良土壤盐碱性方面的应用技术较为粗放,仍缺乏科学化、规范化、合理化的应用技术标准来保证其安全和最大化利用。虽然,2022年中国技术经济学会发布并实施了一项团体标准T/CSTE 0056—2022《脱硫石膏改良盐碱土壤技术规程》,标准对脱硫石膏的施用技术要求、适用土壤和作物、施用时间和施用方法、检测方法等作了较为详细的规定,填补了行业空白。但我国地域辽阔,土壤状况差异明显,要实现脱硫石膏的最大化应用,仅仅这1项标准是不够的,还需各地区针对当地具体土壤质量状况,因地制宜研制出有针对性的、适宜当地应用的标准规范或技术指南,以实现更加精准化、多样化的应用。

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