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第31卷 第4期农 业 科 学 研 究2010年12月 Vol. 31 No. 4Journal of Agricultural SciencesDec. 2010 文章编号 1673 -07472010 04 -0084 -04 燃煤烟气脱硫物施用对苜蓿氮素代谢的 可能影响及研究进展 王学琴1, 许 兴1, 李凤霞2 1. 宁夏大学 农学院, 宁夏 银川 750021; 2. 宁夏农林科学院, 宁夏 银川 750004 摘 要 综述了燃煤烟气脱硫物概况及其在改良盐碱地方面已经取得的显著效果. 再此基础上从施用燃煤烟气脱 硫物对土壤理化性质、 提高土壤肥力、 土壤微生物 3 方面讨论了燃煤烟气脱硫物施用对苜蓿氮素代谢的可能影响 及研究进展, 并对今后的进一步研究提出了展望. 关键词 燃煤烟气脱硫物; 苜蓿; 氮素代谢 中图分类号 S551. 7 文献标志码 A 收稿日期 2010 -07 -15 作者简介 王学琴 1986 , 女, 宁夏中卫人, 硕士研究生, 主要从事作物生理与生态方面的研究. 通信作者 许兴, 教授, 博士生导师, 主要从事植物逆境生理生态与分子生物学, Email xuxingscience 126. com 宁夏位于黄河流域中上游, 属我国西北地区, 总 面积 51 795 km2, 盐碱地面积约占总面积的 40 , 尤以银川平原分布最广, 约占 80, 且盐碱土类型 多样 [ 1] . 长期以来宁夏盐碱土大面积形成有以下 2 个主要原因 宁夏地处中温带半干旱、 干旱区, 由 于全年少雨, 蒸发强烈, 土壤中的水分含量严重下 降, 引起地下水沿土壤毛细管上移, 土壤中的盐分随 着水分同时运动, 水分蒸发以后, 盐分则在土壤表层 积累, 当盐分离子达到一定高的浓度时, 就发生土壤 盐碱化. 为了提高农业产量, 很多灌溉方式和用水 量不适当, 如长期采用/ 大引大排0和大水漫灌的落 后灌溉方式, 使得地表水大量浪费, 地下水开采程度 低, 这样如同发生洪涝, 极易引发土壤盐碱化. 近年 来, 银川北部地区盐碱地已占总耕地面积的 49 以上 [ 2] . 长期以来, 宁夏引黄灌区对盐碱地的改良开 展了广泛而深入的研究, 对盐碱地的治理利用经历 了很长一段时间. 由刚开始农民意识到问题到农户 的单项农艺措施改良阶段, 从小范围改良到政府投 资大面积综合治理阶段. 虽然大都取得了一定成绩, 但仍存在一些难以克服的困难, 如工程费用昂贵、 治 标不治本、 养分随水分流失、 淡水资源缺乏等. 20 世纪 90 年代后期至今, 不少国家都在为燃 煤烟气脱硫物的再生资源化利用开发工作而努力, 在理论和实践上都取得了较大的成果 [ 3] . 宁夏宁东 燃煤电厂引入烟气脱硫技术以减少 SO2排放, 该技 术以钙基物质作为吸收剂, 最终生成一种燃煤烟气 脱硫物. 2005年, 宁夏大学与清华大学合作, 首次引 进了燃煤烟气脱硫物改良盐碱地的技术. 宁东燃煤 电厂是这项技术原材料的/ 供应商0. 宁东基地属大 矿区, 因此, 该技术所用原料丰富, 来源广泛, 能够就 地取材, 直接利用而且操作技术简单, 引进后可以大 幅度降低盐碱地改良成本, 成效显著, 安全可行. 技 术引进当年, 取得了显著的改良效果, 并在以后 4 年 里持续进行了示范观察及研究论证. 1 盐碱胁迫下苜蓿氮素代谢状况 苜蓿 Medicagoon sativa. L 在北方农业结构 调整、 旱农开发及植被建设等方面发挥着巨大的作 用. 但大多数苜蓿只能在中低度盐碱地上生长, 土壤 pH 值以 6 8 为好. 苜蓿苗期耐盐性较差, 成株可 忍受 0. 3的含盐量. 主要表现有种子发芽率低, 出 苗不齐, 出苗率无法保证, 种子结实率低等, 土壤盐 度稍高就不能正常生长等问题 [ 4] . 这在一定程度上 制约着苜蓿种植面积的扩大和推广. 目前, 研究认为盐碱胁迫下苜蓿氮素代谢有以 下 3 点变化. 硝酸还原酶 NRA 活性的降低. 硝 酸还原酶是苜蓿氮素代谢过程中的关键酶, 也是限 速酶, 其活性大小控制着氮素代谢的强弱, 对调节硝 态氮水平和蛋白质合成具有重要作用. 盐碱胁迫下, 苜蓿根系土壤 pH 值较高, 使得硝酸还原酶活性会 降低. 根瘤菌数量的减小. 盐碱胁迫下, 土壤微生 物区系发生了变化, 根瘤菌数量减少, 从而导致苜蓿 固氮能力的降低. 土壤酶活性的降低. 土壤酶参与 土壤中一切生物化学过程 腐殖质的合成与分解, 有 机化合物、 动植物和微生物残体的水解与转化, 以及 土壤中有机、 无机化合物的各种氧化还原反应等. 这 些过程与土壤中各营养元素的释放与贮存, 以及土 壤的结构和物理状况都是密切相关的. 即它们参与 了土壤的发生和发育以及土壤肥力的形成和演化的 全过程, 进而影响到苜蓿氮素代谢. 2 燃煤烟气脱硫物概况 2. 1 燃煤烟气脱硫物的来源 随着人们对烟气中 SO2以及素有/ 空中死神0 之称的酸雨严重污染环境及破坏生态的认识, 湿式 烟气脱硫技术也在不断地推广、 改进和提高, 由此而 产生大量的脱硫副产物. 中国是以煤为主要能源的 大国, 而且我国电力工业近年来也迅速发展起来, 粉 煤灰和燃煤废气的排放已成为日益严重的生态污 染, 对生态环境构成巨大的威胁. 近年来在这方面引 入了烟气脱硫技术以减少 SO2排放, 这样 SO2就以 硫酸钙形式被固定下来, 生成了一种烟气脱硫 FGD 副产物, 主要含有 CaSO4 2H2O, 又称燃煤 脱硫石膏或烟气脱硫废弃物[ 5–6]. 据统计, 目前全世 界燃煤烟气脱硫物的年排放量约1. 5 亿t, 我国燃煤 烟气脱硫物的年排放量也超过 100 万 t, 并有逐年增 长的势头[ 7- 8]. 因此, 大量的固体废弃物堆置不仅会 造成 2 次污染, 还会占用大量的土地, 同时造成 Ca、 S 等元素的资源浪费 [ 8] . 2. 2 燃煤烟气脱硫物的组成和性质 燃煤烟气脱硫物是工业发电的燃煤脱硫过程产 生的一种固体废弃物. 其外观类似水泥, 颜色为灰白 色, 比质量为 2. 0 左右, 容质量小于 1, 孔隙率约 15 [ 9] . 经过洗涤和滤水处理的脱硫物含 10 20 的游离水, 纯度为 90 95 , 含碱量低, 有害 杂质少 [ 10] . 其主要成分为 CaSO4 2H2O, 并含有丰 富的 S, Ca, Si 等, 这些物质是植物必需或有益的矿 质营养. 钙是排在 N, P, K, S 之后的第 5 种营养元 素, 它可以增强作物对病虫害的抵抗能力, 使作物茎 叶粗壮、 籽粒饱满, 增施钙肥可以显著提高作物的产 量与品质. 2. 3 燃煤烟气脱硫物改良碱性土壤的原理 燃煤烟气脱硫物主要成分是 CaSO4 2H2O, 陈 欢等研究结果表明, 燃煤烟气脱硫物可以溶解在土 壤中, 二价阳离子的增加有利于 Ca2置换 Na. 土 层中掺入燃煤烟气脱硫物后, 因 Ca 2 比 Na - 对土壤 中胶体粒的吸附能力强, 原已吸附的 Na-会和土壤 溶液中的 Ca2发生离子交换[ 11- 12]. 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. 水分子渗入微粒之间时 会使微粒团膨胀, 然后在干燥过程中使土层龟裂. 此 过程反复进行后, 土壤就形成团粒结构, 进而改善土 壤结构, 增加总孔隙度, 降低硬度, 透气透水性变 好, 改良了土壤理化性质. 同时 Na-被置换下来后 形成的 Na2SO4可随水移动排除出土壤, 进而降低 碱化土壤的 pH 值. 燃煤烟气脱硫物改良碱化土壤 过程中主要发生的化学反应有 2Na CaSO4 2H2O yCa2 Na2SO4 2H2O, 1 Mg 2 CaSO4 2H2O yCa2 MgSO4 2H2O, 2 Na2CO3 CaSO4 2H2O yCaCO3 Na2SO4 2H2O, 3 2NaHCO3 2CaSO4 2H2O y Ca HCO32 Na2SO4 2H2O. 4 100多年来利用石膏改良碱化土壤的研究都是 在这些理论指导下工作的. 以上化学方程式构成了 燃煤烟气脱硫物改良碱土的理论基础以及定量计算 施用燃煤烟气脱硫物的科学依据. 3 燃煤烟气脱硫物提高苜蓿氮素代谢 能力的可能机理及进展 3. 1 改善土壤理化性质 土壤盐碱胁迫增加了 pH 值, 降低了磷、 铁的营 养元素的利用率. 这些都直接对根的生理活动产生 一定的影响, 此时, 根维持正常生理活动就会利用分 泌物来抵抗胁迫, / 利用燃煤烟气脱硫物改良盐碱地 及造林技术引进0技术由日本东京大学发明, 旨在利 用电厂燃煤烟气脱硫物和新型改良剂, 利用化学反 应改善土壤性质, 补充有机物质, 改良盐碱地. 起初, 日本东京大学曾经与沈阳农业大学合作, Chun 等[ 13]于 1996- 1997 年在我国东北沈阳市的康平县 进行田间试验, 研究燃煤烟气脱硫物对碱化土壤的 改良效果, 结果表明 加入 0. 5 1. 0 的燃煤烟 气脱硫物能显著提高玉米的产量, 单独施用燃煤烟 气脱硫物比混合化肥施用的效果好[ 14]. 其原因可能 是土壤肥力比较高 有机质7. 917 g/ kg , 不需要再 施用化肥. 据报道, 在一定范围内不同施用量的燃煤烟气 85 第 4 期 王学琴等 燃煤烟气脱硫物施用对苜蓿氮素代谢的可能影响及研究进展 脱硫物, 均可降低土壤的代换性钠、 碱化度 ESP 、 钠吸附比 SAR 和 pH 值[ 15], 提高作物的出苗率, 增加产量. 以燃煤烟气脱硫物和糠醛渣配合施用改 良效果最为明显, 但过量施用燃煤烟气脱硫物也会 抑制作物的出苗和生长. 原因是燃煤烟气脱硫物的 主要成分 CaSO4 2H2O 中的 Ca及其他离子过多 会出现细胞脱水、 作物烧苗等现象. 施入量的最佳值 因土壤背景值、 种植作物种类等的不同而不同. 3. 2 提高土壤肥力 钙质丰富的土壤适宜苜蓿的生长, 燃煤烟气脱 硫副产物含丰富的 Ca、 S、 Si 等植物必需或有益的矿 质营养[ 8]. Ca 不仅是植物必需的矿质营养元素之 一, 而且对于维持细胞壁、 细胞膜及膜结合蛋白的稳 定性, 调节无机离子运输都具有重要作用. 土壤溶液 中 Ca 较低或水平不足严重阻碍根系的生长[ 16- 18]. 燃煤烟气脱硫物可为作物提供 Ca 源, 提高土壤保 水性, 降低 土 壤板 结, 提 高 作物 的 生 长 能力. Eduardo F‚ vero Caires [ 19] 研究 CaSO4 2H2O 应用 不仅增加免耕系统小麦的产量, 也增加了小麦叶片 中 Ca 和 S 的含量. 对许多作物而言硫肥也很需要. 由于大气中硫沉积有所下降, 大部分氮, 磷化肥不再 含有大量的 SO2. 硫素不仅能构成某种特定形态与 结构的蛋白质, 含硫氨基酸是细胞内某些化合物的 重要介质. 硫还能提高叶绿体内铁的活性, 增加叶绿 素含量. 硫可影响小麦的籽粒硬度, 增加油料作物的 含油量. 在某些国家, 硫已成为农业生产中作物产量 的限制因素, 如盂加拉国, 硫是仅次于氮的第二限制 因素. 作物缺硫已遍及印度的多种作物. 在澳大利亚 的新南威尔士州, 因土壤缺硫竟导致某些油菜产量 损失高达 80 , 含油量减少 20 , 为此, 农业生产 中硫的研究已愈来愈受到植物营养学家的广泛关 注 [ 20] . 据报道, 燃煤烟气脱硫物中的硫可以长期存 在土壤中被植物直接吸收利用. 硫与根瘤菌和自生 固氮菌的固氮作用有关, 并可增加植物的抗寒、 抗旱 性, 提高水分利用率. 徐胜光 [ 8] 在酸性土壤也得出同 样的结论, 即适宜的燃煤烟气脱硫物可强烈刺激花 生根瘤生长繁殖, 使根瘤数量和质量成倍增长. 根瘤 的数量与氮素代谢水平息息相关, 因此施用燃煤烟 气脱硫物会影响到氮素代谢水平. 3. 3 对土壤微生物的影响 3. 3. 1 宁夏银川平原地区微生物区系状况 在土 壤中, 微生物不仅种类繁多, 而且生物化学过程十分 复杂, 对土壤演化过程和性质变化有深刻的影响, 特 别是在氮、 磷、 硫等植物养分元素的转化与循环过程 中发挥重要作用. 土壤中体积小于 5 103Lm3的生 物统称为土壤微生物, 主要包括真菌、 细菌、 放线菌 及原生动物等. 宁夏银川平原地区盐碱土中真菌、 细 菌和放线菌数量的水平分布为 盐化灌育土和龟裂 碱土中细菌最多, 放线菌次之, 真菌最少; 盐土中细 菌最多, 真菌次之, 放线菌最少, 真菌、 细菌和放线菌 在各类型盐渍土间的数量分布趋势为 盐化灌育土 最多, 盐土次之, 龟裂碱土最小, 但龟裂碱土的放线 菌平均数大于盐土. 3. 3. 2 土壤微生物与氮素代谢 研究发现, 与施用 化肥或有机肥一样, 燃煤烟气脱硫物施用也会改变 土壤微环境. 如根瘤菌含量大大增加, 有助于豆科植 物形成根瘤, 增加固氮量和提高作物产量, 明显提高 了土壤酶活性、 微生物碳、 氮含量. 从饲用角度看, 苜 蓿高品质主要表现在其粗蛋白含量上. 根据固氮能 力的状态, 可将固氮微生物分为 共生固氮微生物和 自生固氮微生物 2 类. 共生固氮微生物以根瘤菌为 代表. 根瘤菌是与豆科等植物互利共生的一类细菌. 能够将大气中的氮还原为氨供给豆科植物, 同时又 从豆科植物体中获取有机物. 苜蓿所摄取的氮素养 分至少 2/ 3 以上来源于根瘤从空气中固定的氮[ 21]. 苜蓿开花之前根瘤菌数量最多, 固氮能力最强. 4 结论与小结 盐碱地改良是一个复杂的治理过程, 是燃煤烟 气脱硫物施用量、 改良剂用量、 农艺措施等的综合结 果. 5 年来, 宁夏利用燃煤烟气脱硫物改良盐碱地效 果显著. 改良后的土壤肥力特性在不断恢复, 土壤微 生物区系也在发生着很大的变化. 肥力特性好的土 壤有利于土壤微生物的繁殖. 进而影响到苜蓿的氮 素代谢. 因此, 燃煤烟气脱硫物治理盐碱地, 不仅避 免了副产物贮存过程中的 2 次污染, 同时也解决了 SO2污染的问题, 还实现了燃煤烟气脱硫物的农业 资源化利用, 为盐渍土治理技术开辟了的新途径. 参考文献 [1] 盛敏. 宁夏盐渍土微生物生态及放线菌资源研究[D]. 杨凌 西北农林科技大学, 2004 20 -25. 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Ningxia Academy of Agricultural and Forestry Sciences, Yinchuan 750004, China AbstractThe general situation of gas desulfurization by coa- l burning and its remarkable results achieved on the improvement of saline -alkali soil were reviewed. The effect and progress of gas desulfurization by coa- l burning on nitrogen metabolism of alfalfa from soil properties, increase of soil fertility and soil microbes by application of gas desulfurization of coa- l burning were discussed. The researches in future were forecasted. Key words gas desulfurization by coa- l burning; alfalfa; nitrogen metabolism 责任编辑、 校对 郑国琴 87 第 4 期 王学琴等 燃煤烟气脱硫物施用对苜蓿氮素代谢的可能影响及研究进展