田荣荣，张文超，李 烨，徐立珍，孙振涛，李 彦，赵呈刚，赵永敢，王淑娟
(1.清华大学能源与动力工程系，北京 100084；
2.北京市盐碱及荒漠化地区生态修复与固碳工程技术研究中心，北京 100084；
3.清华大学山西清洁能源研究院，太原 030032；
4.华清农业开发有限公司，北京 100084；
5.清华大学图书馆，北京100084)
我国是能源生产大国，煤炭消费约占全球总消费量的一半[1]，燃煤发电是电力生产的主要组成部分[2-3].随着经济的快速发展，我国对煤炭和电力的需求量与日俱增，但燃煤产生大量的污染物(SO2，NOx等)对生态环境造成了极大危害[4].基于我国对污染物的高度重视，从2004 年开始普遍对燃煤装置加装烟气脱硫设备.脱硫石膏作为燃煤电厂采用石灰石-石膏湿法脱硫工艺的主要副产物[5]，生产量也随之快速增长.据统计，2014～2018 年间我国脱硫石膏年产量 超过7 000 万t，当前年产量更是突破8 000 万t 大 关[2-8]，大量累积的脱硫石膏亟待合理处置.传统的脱硫石膏堆积、填埋方式不但占用大量土地，而且还会增加环保压力[9-10].因此，脱硫石膏如何资源化利用一直是困扰电力行业绿色发展的难题.
国内外资源化利用脱硫石膏的途径以工业、建筑等行业为主，为了开辟新途径，清华大学从1995 年开始提出并致力于利用脱硫石膏改良盐碱地，试验示范与推广应用范围涵盖了我国盐碱地典型分布的10余个省(市、区)，并与多家单位合作完善了基础理论、创建了技术体系、确定了生态安全性[9,11-12].历经20 多年的科学研究和应用实践，利用脱硫石膏改良盐碱地技术已经得到社会各界的高度关注和广泛认可[13-14].将脱硫石膏用于改良素有“地球之癣”之称的盐碱地，在生态修复边际土地的同时还可实现工业副产物的资源化利用[9,15]，对保障我国粮食安全和生态安全都具有重要意义.尽管如此，脱硫石膏在农业行业的应用还饱受争议.部分学者认为脱硫石膏是工业副产物，其夹杂的重金属元素会污染土壤、水资源、作物等，进而威胁环境可持续发展[8].但也有学者指出，脱硫石膏的重金属含量相对较低，甚至低于土壤背景值，并认为只要在施用之前严格把控原料来源就不会带来环境问题.令人欣慰的是，农业行业标准《土壤调理剂及使用规程 烟气脱硫石膏原 料》(NY/T 3936—2021)[16]自2022 年5 月1 日开始实施，内蒙古、宁夏、新疆、山西等盐碱地典型分布区的省(市、区)相关行政主管部门也相继制定了脱硫石膏改良盐碱地技术标准，为该项技术的大面积推广应用提供了科学的指导.
1.1 技术起源
我国烟气脱硫技术始于20 世纪初，相比于国外发达国家起步较晚，但烟气脱硫副产物—脱硫石膏的产量与日激增[17].基于对我国煤电行业发展趋势的正确预判，结合大宗煤基固废资源化利用的战略方针，清华大学热能工程专家徐旭常院士汲取了农业行业利用天然石膏改良盐碱地的理论知识，于1995 年前瞻性地提出了利用脱硫石膏改良盐碱地技术，并与东京大学、内蒙古农业大学、宁夏大学、中国科学院等国内外科研团队合作，开展了大量的试验研究与应用示范[7,18-20]，开创了脱硫石膏改良盐碱地的先河.
脱硫石膏改良盐碱地技术发展历程可分为基础理论探索、关键技术研发与示范、产业化应用3 个阶段.在第1 阶段取得了显著成效后，该项技术得到了社会各界的高度关注，越来越多的学者加入到了研究队伍.从“十一五”至“十四五”期间，国家科技支撑计划、国家重点研发计划及省(市、区)科技项目都部署了关于脱硫石膏改良盐碱地的科研课题，有力地推动了该项技术的深化发展、应用推广及研究队伍建设.目前，我国在利用脱硫石膏改良盐碱地的关键技术研发和应用等方面整体达到了国际先进水平[19].2016 年，国务院印发的《土壤污染防治行动计划》明确提出“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”[20]，有效地推动了脱硫石膏改良盐碱地技术的产业化应用落地.
1.2 发展现状
根据Web of Science(WOS)核心合集数据和中国知网CNKI 数据检索1991 年至2021 年间脱硫石膏改良盐碱地相关文献，与主题相关的英文文献79篇，总被引频次1 032 次；
中文文献267 篇，总被引频次4 479 次，见图1(a).从文献发表情况来看，利用脱硫石膏改良盐碱地的相关研究工作始于20 世纪90 年代末期.在国际上，以美国农业部和俄亥俄州立大学为代表的脱硫石膏改良盐碱地研究成果发表相对较早，但2008 年之后发文数量锐减.在国内，利用脱硫石膏改良盐碱地的研究成果发文数量从2007 年开始逐年增加，被引频次也波动上升.这主要是由于我国自2005 年才开始大量产生脱硫石膏[7]，国家和地方政府对脱硫石膏改良盐碱地的关键技术研发和应用推广提供了政策和资金支持，众多学者取得了丰硕的研究成果，并建立了不同团队之间资源优势互补 的合作网络(见图1(b)和1(c))，为该技术的产学研融合发展提供了有力支撑，国际影响力也随之逐渐 增大.
图1 脱硫石膏改良盐碱地相关研究近30年发文情况以及国际和国内研究机构合作网络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
国内利用脱硫石膏改良盐碱地的相关研究的中文发表机构主要有宁夏大学、内蒙古农业大学和中国农业大学等，英文发表机构主要有清华大学、中国农业大学、中国农业科学院等.其中，清华大学连续参与了“十一五”国家科技支撑计划课题“黄河河套地区盐碱地改良及脱硫废弃物资源化利用关键技术研究与示范”、“十二五”国家科技支撑计划课题“河套地区盐碱地耐盐植物高效利用与生态修复模式研究与示范”、“十三五”国家重点研发计划课题“河套平原盐碱地复合型生态治理制剂产品研发”和“苏打盐碱地土壤调理剂产品研发及应用”，“十四五”国家重点研发计划课题“河套平原盐碱土壤淡化肥沃耕层构建关键技术及产品研发”等国家科研课 题[10,18]和若干项省部级科技计划课题，在脱硫石膏改良盐碱地适宜施用量、施用方法、施用时期等关键技术[21-22]和钙基型复合土壤改良剂产品的研发方 面[23]取得了长足的进步，尤其是解析了脱硫石膏对盐碱旱地、水田改良的短期与长期效应差异和调控 机制[12,24-25].
2.1 技术原理
脱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].脱硫石膏施入表层土壤后，在降雨或灌水作用下CaSO4由固相转变为液相，并与土壤发生离子置换和盐类转化反应(图2).CaSO4溶解出来的 Ca2+率先与土壤 CO32-和HCO3-发生盐类转化反应生成CaCO3沉淀，再与土壤交换性Na+、K+和Mg2+发生离子置换反应，在两种反应的协同交替互促共进作用下，土壤pH 值和碱化度呈显著降低趋势[26-27]，并将土壤中对植物生长毒害性较大的碳酸盐转化为毒害性相对较小的硫酸盐.
图2 脱硫石膏改良盐碱地机理示意Fig.2 Mechanism diagram of saline-alkali land amelioration by flue gas desulfurization gypsum
盐碱土壤胶体吸附的Na+具有亲水性，分散在土 壤颗粒细缝间，形成透水性差的土层，从而降低了土壤团聚体的稳定性[22,28-30].施用脱硫石膏后，吸附Ca2+的土壤胶体具有疏水性，胶体微粒能够互相靠近，利于形成微团聚体，进而减少土壤胶体在土壤中的分散[28-30].多项研究表明，施用脱硫石膏后土壤容重降低，孔隙度、大团聚体含量及导水系数增大，加速了土壤脱盐[31-34].
随着脱硫石膏与土壤化学反应的进行，生成的反应产物(Na2SO4、K2SO4、MgSO4等)浓度逐渐增大，如果在表层土壤中大量集聚，会与液相CaSO4发生同离子效应，促使化学反应逆向进行，从而降低固相CaSO4的溶解量[35].因此，脱硫石膏改良盐碱地过程中需要及时排出反应产物，才能保障改良效果的持 久性[21].
通常，脱硫石膏与土壤的反应产物通过水平迁移和垂直迁移两种途径进行脱除.水平迁移即盐分离子随水排出土壤，这些被排泄出去的盐分离子大多来自表层土壤.垂直迁移即盐分离子随水向底层土壤迁移，但在地下水位较浅、地表蒸发量较大时，土壤盐分离子会随着毛细作用再次向表层土壤迁移，造成盐分表聚，此时灌溉洗盐成了必不可少的步骤.已有研究表明，在旱田淋洗不充分的条件下，施用脱硫石膏后表层土壤盐分含量明显增大[36]，而在充分淋洗条件下表层土壤盐分含量则显著降低.因此，合理灌溉是促进脱硫石膏改良表层土壤的重要辅助措施.
随着水分的垂直运动，液相CaSO4随之向底层土壤迁移，该过程也会发生离子置换和盐类转化反应，进而改良底层土壤，且改良土层深度随着脱硫石膏施用年限的增加而增大[22].在脱硫石膏过量施用情况下，未与土壤盐分离子发生反应的CaSO4会残留在土壤中某一土层，或被淋溶至地下水中造成渗漏损失.肖国举等[37]研究表明，CaSO4含量为80%的脱硫石膏在轻、中、重度盐碱地改良中的损失率达到23%左右.因此，在计算脱硫石膏施用量时，应该将损失率(渗漏量、残留量)纳入考虑范围.
2.2 施用量
19 世纪末，美国学者赫尔加德利用天然石膏改良“黑碱”，并提出了3 个主要的化学反应方程[37].在此基础上，学者们深入探究了施用脱硫石膏改良盐碱地的技术机理.为了量化脱硫石膏施用量，学者们基于土壤交换性盐基离子含量、阳离子交换量、碱化度、总碱度、容重、土层厚度、石膏含量及其有效利用率等指标情况，提出了多种计算脱硫石膏改良盐碱地的适宜施用量的方法，见表1.其中：W 与W"为脱硫石膏的施用量，单位分别为kg/hm2和mmol/kg；
CEC为阳离子交换量，cmol/kg；
ESP 为碱化度，%；
ZEP 为总碱度，cmol/kg；
H 为土壤碱化层深度，cm；
D 为土壤容重，g/cm3；
和分别为土壤交换性Na+和Mg2+含量，mmol/kg；
Mg(HCO3)2、Na2CO3和NaHCO3分别表示其在土壤中的含量，mmol/kg；
R 为石膏的有效利用率，%；
η 为CaSO4·2H2O 中石膏含量，%.
表1 脱硫石膏改良盐碱地施用量计算公式Tab.1 Calculation formula for application rate of flue gas desulfurization gypsum in ameliorating saline-alkali land
尽管学者们提出的脱硫石膏施用量计算公式有差异，但大多都会面临土壤盐碱指标检测耗时长、成本高等问题，尤其是检测土壤碱化度和交换性离子.为快速判断脱硫石膏施用量，可利用盐碱指标间的密切关系简化计算过程.基于大量样品检测结果，王淑娟等[7]发现土壤pH 值与碱化度之间存在一定的相关性，见图3.在野外条件下，用便携式pH 计或pH 试纸就能快速检测土壤pH 值.因此，可以根据不同地区土壤pH 值与碱化度的关系式计算土壤碱化度，再用上述公式计算脱硫石膏施用量.然而，土壤pH 值与碱化度的关系受土壤质地、盐碱类型等多因素影响，需要在大量数据分析的基础上探索和完善二者的关系，进而提高脱硫石膏施用量计算的精准度.
图3 不同盐碱地区土壤pH值与碱化度的关系Fig.3 Relationships between soil pH value and exchangeable sodium percentagein different salinealkali soils
2.3 施用方式
目前，脱硫石膏施用方式大多为地表撒施，然后用旋耕机将其与表层土壤混合均匀.有研究表明，脱硫石膏撒施后进行犁翻与旋耕结合的改良效果明显优于单独旋耕或犁翻[45].脱硫石膏施入土壤后进行合理灌溉，其降碱脱盐效果立竿见影，施用当年即可收获可观的粮食产量[46].但地表撒施往往导致脱硫石膏用量大，在灌溉洗盐过程中也容易导致有效成分的损失[47].因此，有学者提出了脱硫石膏条施和穴施等集约化施用方式，且取得了明显的改良和增产效 果[47-48].与传统地表撒施相比，集约化施用脱硫石膏具有长期高效、低消耗、易操作等优点，目前已经在内蒙古河套灌区向日葵种植中得到了推广应用.
脱硫石膏是一种钙基型无机改良剂，可以靶向消减土壤碱害.然而，盐碱地基础肥力普遍较低，在土壤改良的同时还需提升肥力.虽然脱硫石膏富含Ca、S 等作物生长所需的营养元素，但其在提升土壤肥力方面的作用效果甚微[23,49-50].因此，将脱硫石膏与其他材料配合施用可有效解决其单施培肥功效的不足，从而促进土壤生态系统的良性循环[51-55].
目前，学者们开展了大量的以脱硫石膏为主要原料的复合改良剂研发工作，辅料主要包括腐殖酸、糠醛渣、生物炭、黄腐酸和秸秆等有机物料.有研究表明，脱硫石膏与腐殖酸、黄腐酸钾等有机质材料混合施用能够增加脱硫石膏溶解度，提高土壤改良效 果[56-57].闫洪等[58]研究发现，在河套灌区将4.5 t/hm2脱硫石膏与0.9 t/hm2腐殖酸配合施用可显著降低土壤全盐量和pH 值，实现向日葵促生增产.唐雪等[59]研究表明，在滨海地区将9 t/hm2脱硫石膏与5 t/hm2稻壳、1.2 t/hm2黄腐酸钾配合施用可显著降低土壤盐碱危害，增加土壤养分含量.王鼎等[60]研发了以脱硫石膏与腐殖酸、保水剂复配的复合改良剂，施用后可显著降低土壤pH 值、水溶性Na+、和含量，增加土壤有机质含量，提高向日葵出苗率.
3.1 工程化应用现状
在盐碱地科学治理方面，我国已形成了较大规模的研究队伍[61]，从物理、化学、生物、水利等改良措施方面开展了多项研究.以此为基础，盐碱地改良工程项目在全国大部分地区已逐渐展开.通过地方政府采招网调研显示，近年来盐碱地改良工程项目招标逐年增加，采招内容主要包括改良剂产品采购、工程技术服务以及社会资本项目.其中，脱硫石膏作为内陆盐碱地区地方政府主要采购的改良剂产品之一，其在盐碱地改良工程项目中应用的面积及范围也在逐步扩大.随着2022 年中央1 号文件中关于“支持将符合条件的盐碱地等后备资源适度有序开发为耕地”、“分类改造盐碱地”等信息发布，盐碱地改良工程势必会再上一个新台阶，脱硫石膏改良盐碱地的应用规模预期也会进一步扩大.
近年来，我国各级政府都加大了盐碱地治理工作，大面积的盐碱地改良与利用工程项目如火如荼.内蒙古巴彦淖尔市位于黄河“几字湾”最北端，盐碱地改良与高效利用一直备受重视.脱硫石膏作为当地主推的484 万亩盐碱地“五位一体”综合治理技术之一，在五原县开展先行先试，取得了显著效果后向临河区、达拉特旗、土默特右旗、科尔沁左翼中旗等周边旗县辐射推广[62].吉林省大安市地处松嫩平原腹地，近年来实施了多个国家重大土地开发整理项目，引进了10 余家拥有土壤改良技术的企业和科研院所，研发了包括脱硫石膏改良盐碱地、种稻治碱等多项实用技术，助力当地新增耕地面积70.3 万亩，极大地提升了粮食产能[63].新疆生产建设兵团于2015 年开展了脱硫石膏改良盐碱地示范2 万亩，实现了435 亿元的农业增加值[64].宁夏银北地区实施了包括施用脱硫石膏、种植耐盐碱作物等盐碱地改良技术，改良面积累计80 万亩，因地制宜推广大豆、苜蓿等豆科作物及绿肥的种植和还田[65]，取得显著效果.河北省张北县于2014 年引进了脱硫石膏改良盐碱地项目，结合配套的种植技术，将2 600 亩盐碱地变农田，改良后的土壤pH 值接近正常耕地水平，作物产量更是达到了正常耕地的90%[66]，并在尚义县、康保县等周边地区进行了大面积应用推广.
3.2 工程化项目实践
清华大学长期致力于利用脱硫石膏改良盐碱地技术研发与产业化发展，相关研究成果已被学校列为百年科研成果之一，并先后成立了清华大学盐碱地区生态修复与固碳研究中心和北京市盐碱及荒漠化地区生态修复与固碳工程技术研究中心两个技术研发平台.为了加快脱硫石膏改良盐碱地技术成果转化，清华大学于2010 年发起成立了成果转化公司(华清农业开发有限公司)，形成以企业为产业化主体、中心为工程化技术支持平台的“政-产-学-研-用”紧密结合的技术研发与工程化应用互馈促进机制[20].至今，项目团队已经在我国东北、西北、华北及黄河中上游地区建立了4 个万亩以上的试验示范基地，并承担了盐碱地改良技术服务工程项目24 项，见图4，应用面积累计超过136 万亩，改良效果显著、引领作用明显.
图4 清华大学研究团队利用脱硫石膏改良盐碱地示范基地分布Fig.4 Distribution of demonstration base for ameliorating saline-alkali land with flue gas desulfurization gypsum by the research team from Tsinghua university
以项目团队在我国华北地区(11 694 亩)和东北地区(67 754 亩)成功实施的脱硫石膏改良盐碱地工程项目为例.华北地区利用脱硫石膏改良后，土壤pH 值、电导率和碱化度分别降低了1 个单位、29.2%和85.4%，见图5(a).东北地区利用脱硫石膏改良后，土壤pH 值和碱化度分别降低1.1 个单位和56.8%，电导率有所增加但无显著差异，见图5(b).图6 是项目团队于2018 年在吉林省扶余市长春岭 镇实施完成的工程项目，总面积177.1 hm2.利用脱 硫石膏改良后，土壤pH 值、电导率和碱化度等盐 碱指标整体呈现降低趋势.历经6 个月的时间，项目区从盐碱荒地变成了可种植大豆、水稻等常规作物的良田.
图5 华北和东北示范区利用脱硫石膏改良前和改良后土壤盐碱指标变化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
图6 吉林省扶余市长春岭镇项目区利用脱硫石膏改良前和改良后土壤盐碱指标分布Fig.6 Distribution of soil salinity and alkalinity before and after amelioration with flue gas desulfurization in the project area of Changchunling Town，Fuyu City，Jilin Province
在工程项目实施过程中，脱硫石膏作为主要改良剂产品，可从周边燃煤电厂免费拉运或低价采购而得.为了提高脱硫石膏资源化利用率，一些燃煤电厂甚至还会支付部分运输费用，显著降低了采购成本.目前，脱硫石膏可机械化施用，并可快速降低土壤盐碱危害，实现集中连片的盐碱地春改、春种和秋收，科学种植3 年后即可达到当地中高产水平.此外，由于脱硫石膏溶解度相对较低，一次施用长期有效.Zhao 等[12]研究发现，在旱地中施用脱硫石膏17年后，其改良效果仍旧持续且呈现向深层土壤迁移的趋势.Zhang 等[47]研究发现，一次性施用脱硫石膏改良苏打盐碱水田4 年后作用效果基本稳定，且改良土层深度达到40 cm.赵永敢等[20]对利用脱硫石膏改良后的土壤及种植产出的农产品重金属含量进行检测 分析，均低于国家相关标准限量要求.因此，利用脱硫石膏改良盐碱地兼备速效和长效作用，实现以废治废、工农业协同发展的目的，是一项真正的蓝天绿地工程.
基于大量的工程项目实践，项目团队创建了利用脱硫石膏改良盐碱地工程技术体系，见图7.一是提出了测土配方改良技术，利用现代化信息技术，结合大量土壤样品的野外快速检测和室内精准检测结果，绘制项目区土壤盐碱分布图，并据此计算和绘制脱硫石膏施用量分布图，实现盐碱地的精准改良.二是制定了分区分类改良方案，针对项目区土壤盐碱类型、盐碱程度、土壤质地和利用方式等，以脱硫石膏改良盐碱地技术为核心，辅以水利、物理和生物改良等措施，优化工艺流程，制定工程实施要点，实现盐碱地的综合治理.三是建立了项目验收标准，工程项目实施过程中既要确定脱硫石膏的施用量是否达标，还要保证配套措施质量，对此制定了项目验收指标、检测方法和质量标准，为盐碱地改良行业的发展提供了重要依据.
图7 脱硫石膏改良盐碱地工程技术体系[16]Fig.7 Technical system for the project of saline-alkali land amelioration by using flue gas desulfurization gypsum
脱硫石膏是燃煤电厂烟气脱硫工艺过程中产生的主要固体副产物，其资源化利用的重要性及紧迫性持续提升.作为一种低廉、高效的钙基型土壤改良剂，脱硫石膏改良盐碱地的潜力不断被挖掘，改良机理逐渐清晰明朗而成为共识，改良效果及其安全性也得到广泛认可.近年来粮食安全问题日益突出，为保障我国耕地资源，盐碱地的综合高效利用逐渐引起重视.在此背景下，推动脱硫石膏改良盐碱地的工程化应用至关重要.以清华大学和华清农业开发有限公司组建的项目团队已实现脱硫石膏改良盐碱地技术成果转化，并在全国范围进行示范和推广工作，取得了卓越的成效，实现了“政-产-学-研-用”高度融合 发展.
大面积的盐碱地改良工程项目的推进突显了改良方法、机械设备、施工和管理之间的矛盾，项目团队基于多年的工程项目经验提出了针对性建议：
(1) 脱硫石膏单施需要加大施用量以确保改良效果持久性，而施用量的加大可能加剧土壤盐分胁迫，也会造成资源浪费.针对这一问题，可采用集约化施用脱硫石膏方式实现盐碱地精准改良，辅以研发相关农机设施，在减少石膏用量、增强改良时效性的同时简化脱硫石膏施用工艺，节约人力资源.此外，可根据不同地区盐碱地特征，结合脱硫石膏改良优势，开发复合型改良剂，以达到土壤降碱、脱盐、培肥的相互促进.
(2) 水分直接参与脱硫石膏改良盐碱地过程，不合理的灌排措施会使以Na+为主的土壤盐分聚集而增加土壤盐分胁迫，甚至抑制脱硫石膏的改良效果.因此，配套合理的灌排措施和灌溉制度是保障脱硫石膏改良盐碱地效果的关键所在.
(3) 脱硫石膏一次性施入土壤后，其改土增产效果普遍当年见效，而改良效果的维持性在很大程度上依赖于土地利用方式和种植管理模式.改良后的土地若长期撂荒，则会有潜在土壤返盐返碱风险.因此，利用脱硫石膏改良盐碱地后需持续种植作物、加强田间管理及监测改良效果，以降低土壤盐碱反复的风险，进而延长改良作用年限.
致 谢
感谢清华大学盐碱地区生态修复与固碳研究中心同事在样品检测、数据整理等方面给予帮助，感谢华清农业开发有限公司全体人员在工程化项目实施过程中数据采集、问题剖析等方面给予帮助.
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