李丹瓊，周 來，*，張谷春，朱雪強，章 梅，陳子鈴

(1.中國礦業(yè)大學 環(huán)境與測繪學院，江蘇 徐州 221006；2.江蘇地質礦產(chǎn)設計研究院，江蘇 徐州 221006)

0 引言

生物質灰(Biomass ash)是生物質原料經(jīng)燃燒等處理后剩余的物質[1]。受多種燃燒工藝決定，目前國內(nèi)對于生物質灰的制取還沒有統(tǒng)一對應的標準[2-3]。當代資源匱乏，環(huán)境問題日益嚴重，生物質灰具有低廉綠色、二次污染小的特點，相比于其他材料更有利于實現(xiàn)廢棄物資源化、無害化。目前，生物質灰在土壤中的應用主要可以作為土壤改良劑、肥料等。生物質種類廣泛，不同生物質燃燒所得生物質灰的特性有所差別。因不同來源和特定燃燒工藝形成的生物質灰具有特殊的理化性質，并表現(xiàn)一定的修復功能性，故可以應用到土壤改良與修復中。本文在總結12種生物質灰的理化特性的基礎上，對生物質灰在土壤改良與修復中的應用研究進行了述評，為拓展生物質灰在環(huán)境修復中應用提供基礎信息。

1 常見生物質灰組成與理化特性

1.1 來源與組成

因生物質燃料種類繁多，其形成的生物質灰呈現(xiàn)特性多樣。從表1可以看出，各種生物質灰主要由SiO2、CaO、K2O、P2O5、NaO2等氧化物組成，不同的生物質灰中各種氧化物的含量存在較大差別[4-6]。隨著灰化溫度的升高，灰分含量直線下降，特別是在較高溫度下(例如1 000 ℃)，K2O、Na2O、Cl的相對含量也有所下降，這表明灰分的重量損失可能是因為氯化物形式的K和Na的揮發(fā)[7-8]。灰化溫度為450～815 ℃時，MgO、CaO、Fe2O3、Al2O3和非金屬元素S、P和Si的氧化物的含量由于灰分含量降低而呈現(xiàn)增加的趨勢，表明由此類元素組成的化合物較穩(wěn)定或不易揮發(fā)，即堿含量越高，灰分含量的變化越大。例如，由于非揮發(fā)性SiO2是主要的灰分含量，稻殼的灰分含量隨溫度的變化較小，而含K含量較高的玉米秸稈灰分從11.1%降至6.7%。

表1 常見生物質灰在不同灰化溫度下的灰分化學組成[4-6] %

續(xù)表

1.2 生物質灰理化特性

1.2.1 生物質灰物理特性

不同的生物質灰微觀形貌可以表現(xiàn)出塊狀(如酒糟灰)、溝壑狀(如木屑灰)、團狀(如谷殼灰)、條狀(如稻秸灰)等不規(guī)則粒子的形狀[9-10]。有學者通過對815 ℃和600 ℃的秸稈灰渣進行對比，發(fā)現(xiàn)815 ℃的稻草灰和樹葉灰結合的更為緊密，同時815 ℃的木屑灰比600 ℃的木屑灰結晶顆粒大[11]，表明即使同一種生物質在不同溫度下的生物質灰其結晶顆粒大小也會呈現(xiàn)差異性。灰粒形態(tài)粗細不一、疏密不均的多樣性，反映出各無機元素在生物質中存在形式的不同與復雜性。

1.2.2 生物質灰化學特性

生物灰一般呈堿性，由于不同的生物質灰組成差異，其熔點也有較大差別[12-14]。如表2所示，由于不同種類生物質灰和同一類生物質灰在不同溫度下化學組成差別較大，因此灰熔點變化范圍也較大[4,11,15]。同時，生物質灰的軟化溫度都相當?shù)?，通常? 000 ℃左右就開始融化，這主要是由于其中含有高濃度Si、K、Na可能會形成低熔點化合物，很容易在鍋爐內(nèi)沉積結渣，而在實際燃燒過程中，生物質的實際結渣程度遠低于實際軟化溫度。有學者對四種常見的生物質灰進行了研究，發(fā)現(xiàn)在氣化過程中甘蔗渣和松木屑的積灰、結渣傾向嚴重，花生殼次之，谷殼相對輕微[16]。生物質灰在升溫過程中的質量變化規(guī)律表現(xiàn)出不同灰化溫度下的生物質灰的燒結和結渣程度不同[17]。有學者研究五種生物質灰渣特性，結果表明甘蔗渣和高硅含量稻殼適合于陶瓷制品，甘蔗渣中的未燃碳具有被分離并用于活性炭或其他應用的潛力，腰果殼灰中鉀、磷含量高，適宜土壤改良[18]。

表2 不同溫度下生物質灰的灰熔點[4,11,15] ℃

2 生物質灰對土壤理化特性的改良機理

2.1 生物質灰對土壤物理性質改良

生物質灰對土壤物理性質改良的機理主要在于生物質灰質輕細小、疏松多孔的物理特性，施用后對土壤的團粒結構以及透氣保濕性有一定的影響。研究表明，在土壤中添加生物質灰可能影響到土壤結構、土壤水分等物理性質，主要表現(xiàn)為：(1)生物質灰通常呈很細的粉末狀，在施用后可能改變土壤毛管土壤空隙和非毛管空隙的比例，從而促進土壤團粒結構形成，協(xié)調土壤水分和空氣，提高耕層土壤接納和儲存水分的能力[19-20]；(2)配施生物質灰能夠增加大團聚體的數(shù)量，同時能增加了土壤SOM、AK和pH值的含量，明顯提高土壤團聚體結構的穩(wěn)定性，以抵抗強烈降雨和灌溉干擾的外部驅動力，防控土壤物理結構的退化[21，23]。生物質灰對不同土壤在物理性質方面的改良效果詳見表3。

表3 不同生物質灰對不同土壤物理性質改良

2.2 生物質灰對土壤化學性質改良

生物質灰對土壤化學性質改良的機理主要在于生物質灰呈堿性的化學特性，施用于酸化嚴重的土壤中，可有效改善土壤的pH，提高土壤溶液離子含量，例如水稻灰呈強堿性，施入土壤后，提高了退化黃壤pH，改善了土壤酸化情況，而且隨著水稻灰施用量的增加效果越明顯[23-26]。同時，生物質灰中的一些無機物質顆粒遇水之后膨脹，可以某種程度上增加土壤的蓄水能力，且隨著灰施用量增加，使土壤溶液導電性增加，進一步提高土壤溶液離子含量。一些學者也考慮了土壤單一施用生物質灰影響土壤原生化學性質與理化結構，考慮了與其他改性材料進行復配，混合施用實驗。梁勝男[25]等通過施加不同比的灰渣量在土壤中，使其pH提高，并且隨著灰渣的施加量越多，越可以有效增加土壤的pH值。Quirantes[26]等通過研究三種不同類型的生物質灰施加于微酸性土壤中，結果表明生物質灰的應用顯著提高了土壤的酸堿度和土壤溶液離子含量。Shi[27]等研究表明施用生物質灰混合骨粉、堿渣比單獨施用生物質灰、骨粉和堿渣能更好地改善土壤酸度，降低酸性土壤中的有毒鋁，改善土壤P、Ca和Mg營養(yǎng)水平。生物質灰對不同土壤化學性質的改良效果詳見表4。

表4 不同生物質灰對不同土壤化學性質改良

3 生物質灰土壤改良劑開發(fā)與應用

3.1 生物質灰土壤改良劑的優(yōu)勢比較

相比石灰、鈣鎂磷肥、泥碳、堆肥、粉煤灰、膨潤土等改良材料，生物質灰具有特定的優(yōu)勢。在重金屬污染的土壤中，石灰、鈣鎂磷肥等均可以抑制重金屬毒性。然而，石灰、鈣鎂磷肥中存在一些潛在的其他金屬離子(如Fe2+、Mn2+等)會對作物存在毒害風險[28-29]。泥碳、堆肥等具有有機肥的特性，初始施用階段，可以增加對重金屬的吸附和固定，降低其有效性，但有可能隨著有機物質的礦化分解，導致被吸附的重金屬離子重新釋放，增加植物的吸收[30-31]。粉煤灰可以用作不同類型土壤的改良劑，起到土壤改良與修復的作用，但是粉煤灰施用量的控制問題及重金屬對土壤的污染問題亟待解決[32]。膨潤土作為土壤改良劑可以針對不同的土壤狀況達到不同的改良效果，但是具體的改良機理還不是很完善[33]。生物質灰中含有的多種營養(yǎng)元素，可以作為土壤改良劑來改善土壤性質，從而提高作物產(chǎn)量。實踐研究均表明生物質灰可以作為土壤改良劑來修復土壤[34-44]。綜上，相比其他土壤改良劑，生物質灰低廉易得、二次污染小，因此生物質灰將作為土壤改良劑開發(fā)并廣泛應用。

3.2 生物質在土壤改良與修復應用

不同類別的土壤施用生物質灰后均能達到土壤改良與修復的作用。在酸性土壤中，Arshad[45]等研究結果表明木屑灰可以改善酸性土壤的理化性質，增加作物產(chǎn)量。在污染嚴重的砂壤土中，Pukalchik[46]等研究了木材生物炭、木灰和腐殖物質單獨或在混合物中對土壤進行改良，研究結果表明木灰和木灰+腐殖質可以降低土壤中移動鎘和鋅的濃度，修復重度污染的砂壤土。在北方土壤的應用中，宋樂[47]等通過對生物質電廠灰改性制成重金屬鈍化劑，不但對北方土壤中的Cd有明顯的鈍化效果，而且使農(nóng)作物增產(chǎn)明顯。在重金屬污染土壤中，段麗娟[48]等研究兩種修復劑的土壤修復效果，結果表明電廠生物質灰對重金屬的固定作用要優(yōu)于膨潤土。

添加生物質灰可以促進植物的生長以及產(chǎn)量的增加。羅云霞[49]等的研究表明，生物質燃灰可以促進煙株的生長發(fā)育。李晶[50]等的盆栽試驗表明生物質灰渣含有的養(yǎng)分可以替代部分化肥，并且與氮肥配施時有利于小白菜的生長，改善小白菜的品質。陳龍等[51]通過土培和盆栽試驗，研究結果也表明了生物質灰渣在土壤改良方面有一定的成果，并且按照灰渣與化肥的合理配施，可以促進土壤-植物系統(tǒng)中營養(yǎng)元素的轉化遷移，同時促進油菜苗期的生長。Peltoniemi[52]等將木灰作為肥料使用，施加于北方排泥泥炭地土壤中，從而促進植物的生長植物產(chǎn)量提高。以上研究均表明添加生物質灰可以促進植物的生長進而使產(chǎn)量增加。

4 結論與建議

生物質已經(jīng)成為越來越受歡迎的一種能源，然而對生物灰的研究相對滯后。因此，對于生物質灰的研究需要得到更多的支持與關注。本文通過對生物質灰的來源及理化特性的分析，得出以下結論，希望可以為更多的研究者提供思路。

(1)生物質灰受生物質原料來源多樣和燃燒熔點不同，所形成的生物質灰化學組成和結構呈現(xiàn)多樣性。生物質灰組分差異較大，K、Na、Cl等元素的氧化物隨溫度增加易揮發(fā)，其他元素的氧化物含量比例相對增加。生物質灰在微觀尺度觀察發(fā)現(xiàn)其形態(tài)各異、粗細不一、疏密不均等。生物質灰總體表現(xiàn)非均質的特性。

(2)施加生物質灰可改善土壤物理結構、增強團聚體穩(wěn)定性，可改善酸性土壤性質、提高溶液離子含量、鈍化土壤重金屬，且對植物生長有促進作用，目前已成為開發(fā)熱點的土壤改良與修復劑。

(3)由于生物質灰的種類繁多，目前仍需加強土壤復合污染下單種或多種生物質灰聯(lián)合作用的機理和效果，拓展其應用范圍，同時應對生物質灰施加于土壤的長期效果及風險進一步研究評估，為其工業(yè)化生產(chǎn)及市場化應用提供理論依據(jù)。