秸秆发电厂灰（渣）养分水溶性探讨及其在辣椒上的应用

Discussion on Water Solubility of Ash (Slag) Nutrients in Straw Power Plant and its Application in Hot Pepper

张浩 Hao ZHANG , 马健 Jian MA , 马克 Ke MA , 韩效钊 Xiaozhao HAN , 王汉 Han WANG , 刘斌 Bin LIU , 沈浩 Hao SHEN , 郑之银 Zhiyin ZHENG , 刘荣 Rong LIU

1 合肥工业大学化学与化工学院安徽合肥 230009 School of Chemistry and Chemical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China 2 安徽六国化工股份有限公司安徽铜陵 244000 Anhui Liuguo Chemical Co., Ltd., Tongling 244000, China 3 固镇县红彤彤农业合作社绿色家园农场安徽蚌埠 233000 Guzhen Hongtongtong Agricultural Cooperatives Green Home Farm, Bengbu 233000, China

Author notes:

Correspondence to: 韩效钊（1964—），男，教授，从事新型肥料研究；hxzhgd@sina.com

摘要：

分析了秸秆发电厂的灰(渣)组成、各养分水溶性以及酸性助剂对灰(渣)的pH和养分水溶性的影响，结果表明灰(渣)中的养分水溶性不高，酸性助剂与灰(渣)之比从1:50~1:10逐渐变化时，其pH在7.62~5.70的范围内，养分水溶性逐渐提高；当助剂与灰(渣)之比为1:30时，灰(渣)的水溶性K₂O占总K₂O的质量分数在50%以上。在辣椒上设计了减肥增效试验，结果表明复合肥施用量减少20%，用秸秆发电厂的灰(渣)或处理后的秸秆发电厂的灰(渣)补充钾素，辣椒增产10%以上，能够实现“化肥氮磷减施20%，农作物平均增产3%”的化学肥料减施增效目标。

关键词：

秸秆发电; 灰(渣); 减肥增效; 钾肥; 辣椒;

Abstract：

The composition of ash (slag) in straw power plant and the water solubility of nutrients were analyzed. The effcets of acid additives on the pH and water solubility of ash (slag) were also analyzed. The results showed that the water solubility of nutrients in ash (slag) is not high, when the ratio of acid additives to ash (slag) changes gradually from 1:50~1:10, the pH is in the range of 7.62~5.70, and the nutrient water solubility gradually increases. When the ratio of acid additives to ash (slag) is kept as 1:30, the water-soluble K₂O of ash (slag) accounts for more than 50% of the total K₂O. The experiment of fertilizer reducing and efficiency increasing was designed on the hot pepper. The results showed that the application amount of compound fertilizer was reduced by 20%, using the ash (slag) of straw power plant or the treated ash (slag) of straw power plant was supplemented with potassium, the yield of hot pepper was increased by more than 10%. The goal of reducing the fertilizer nitrogen and phosphorus by 20% and increasing the crop yield by 3% could be realized.

Keyword：

straw power generation; ash (slag); fertilizer reducing and efficiency increasing; potassium fertilizer; hot pepper;

据联合国粮农组织2015年统计年鉴，2014年世界平均施肥水平为139.4 kg/hm²(N:P₂O₅:K₂O＝1.00:0.39:0.24)，而我国的平均施肥水平高达643.9 kg/hm²(N:P₂O₅:K₂O＝1.00:0.37:0.16)，其中我国氮肥施用量甚至超出世界平均水平近5倍^[1-2]。2015年，农业部印发了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》，科技部启动了“化学肥料和农药减施增效综合技术研发”专项，我国化肥发展将是减氮磷、稳钾、补中微量元素。

秸秆发电厂灰(渣)是秸秆发电厂的固体废弃物，其富含硅、钾、钙、镁、铁、锌、磷等作物必需的多种营养元素，是一种优良的作物营养资源^[3-4]。笔者以科技部“化学肥料和农药减施增效综合技术研发”专项目标“化肥氮磷减施20%，农作物平均增产3%”为指导思想，开展秸秆发电厂灰(渣)活化还田试验探讨。

1 秸秆发电厂灰(渣)组成及养分水溶性分析

1.1 主要仪器

原子吸收光度计，WFX-130B，北京北分瑞利分析仪器公司；水浴恒温振荡器，SHY-2A，江苏金坛市金城国胜实验仪器厂；行星式球磨机，QM-3SP2，南京大学仪器厂；X射线荧光光谱仪，XRF-1800，日本岛津。

1.2 试验材料

试验用秸秆发电厂灰(渣)由安徽省蚌埠市某秸秆发电厂提供，包括采自除尘器的灰和锅炉炉底的渣2种形式，灰的pH为8.4，渣的pH为9.2，研磨过250 μm(60目)筛后干燥备用，经X射线荧光光谱定量分析，其化学组成见表 1。

表 1

秸秆灰(渣)化学组成 %

组分	秸秆灰	秸秆渣
w(SiO₂)	48.56	60.39
w(CaO)	16.05	12.28
w(K₂O)	11.02	8.91
w(MgO)	2.13	2.08
w(Fe₂O₃)	3.59	4.48
w(Cr)	0.013 0	0.018 5
w(Pb)	0.015 8
w(其他重金属)	未检出	未检出

1.3 养分水溶性分析

取20 g秸秆发电厂灰(渣)加入至120 mL蒸馏水中，在60 ℃下恒温搅拌1 h，趁热抽滤、洗涤，所得滤渣干燥后进行X射线荧光光谱定量分析，灰(渣)的水溶性养分质量分数W按式(1)计算，结果如表 2所示。

表 2

秸秆灰(渣)水溶性养分质量分数 %

组分	秸秆灰	秸秆渣
w(SiO₂)	3.32	4.33
w(CaO)	11.05	6.01
w(K₂O)	33.59	30.06
w(MgO)	4.13	4.52
w(Fe₂O₃)	7.49	9.25

图 1

$ W{\rm{ = }}\frac{{{m_1}{\eta _1} - {m_2}{\eta _2}}}{{{m_1}{\eta _1}}} \times 100\% $

式中：m₁—水浸前灰(渣)质量，g；

m₂—水浸后灰(渣)质量，g；

η₁—水浸前灰(渣)中各组分质量分数，%；

η₂—水浸后滤(渣)中各组分质量分数，%。

由表 2可知，秸秆发电厂灰(渣)中各水溶性养分含量不高，总K₂O质量分数虽然高达10%左右，但其中水溶性K₂O只占总K₂O质量的30%左右，需要采用助剂提高秸秆发电厂灰(渣)中K₂O的水溶性。

1.4 助剂对秸秆发电厂灰(渣)中钾水溶性的影响

秸秆发电厂灰(渣)呈碱性，采用酸性助剂可提高其养分的水溶性，为此分别筛选液体助剂1和固体助剂2开展试验。灰(渣)与助剂以不同配比混合球磨1 h，控制球磨机转速为400 r/min、球料比为16:1。取适量球磨后的灰(渣)用pH计测定其pH，测定方法与检测土壤pH的标准方法相同，结果如图 1所示。另取球磨后的灰(渣)20 g置于120 mL蒸馏水中，在60 ℃下恒温搅拌1 h，趁热抽滤、洗涤，采用原子吸收法测定滤液中K₂O的含量，计算水溶性K₂O占灰(渣)总K₂O的质量分数，结果如图 2所示。

图 1

助剂对灰(渣)pH的影响

图 2

助剂对灰(渣)水溶性K₂O质量分数的影响

助剂对灰(渣)pH及K₂O的水溶性影响效果明显。如图 1所示，当助剂与灰(渣)的配比从1:50~1:10逐渐变化时，灰(渣)的pH由7.62逐渐降至5.70，此范围对土壤酸碱度影响较小。如图 2所示，随着助剂添加量的增加，灰(渣)的K₂O溶出率增大，当助剂与灰(渣)配比小于1:30时，K₂O的溶出率变化较快；但助剂与灰(渣)配比大于1:30时，K₂O的溶出率变化缓慢。因此，在后续辣椒小区肥效试验中，助剂与灰(渣)的配比选择1:30。当助剂1与灰(渣)配比为1:30时，灰(渣)中水溶性K₂O质量分数分别为50.03%和53.26%；助剂2与灰(渣)配比为1:30时，水溶性K₂O质量分数分别为55.85%和57.62%。

2 辣椒小区试验

2.1 试验目的

用秸秆发电厂灰(渣)代替部分化肥，探讨氮磷减施20%时农作物产量的变化情况。

2.2 试验地概况与供试作物

2017年4月5日至9月8日，在安徽省蚌埠市固镇县任桥镇绿色家园农场辣椒地开展试验，供试辣椒品种为丽都红。试验地土壤类型为沙壤土，肥力均匀，供试土壤理化性状如表 3所示。

表 3

供试土壤理化性状

项目	pH	有效钾/ (mg·kg^-1)	交换性钙/ (g·kg^-1)	交换性镁/ (g·kg^-1)	有效锌/ (mg·kg^-1)	有效铜/ (mg·kg^-1)	有机质/ (g·kg^-1)
结果	5.80	78.84	2.48	1.49	7.33	1.46	11.01
等级	偏酸性	缺	丰富	丰富	丰富	较丰富	缺

2.3 试验方案

该农场辣椒常规施肥方式为：①基肥，三元复合肥(N-P₂O₅-K₂O＝15-15-15)600.00 kg/hm²，腐熟羊粪75 m³/hm²；②追肥，在结果期每次滴灌中微量元素水溶肥料(N-P₂O₅-K₂O＝15-5-25)75.00 kg/hm²，共计3次；③叶面追肥，开花前喷施2次质量分数为0.2%的硼砂溶液，结果中后期每隔7~10 d叶面喷施1次质量分数为0.3%的磷酸二氢钾水溶液。

进行小区试验时，基肥用量减少20%，其中减少的钾用灰(渣)中水溶性钾减量、等量或加量补充，追肥方案保持不变。试验共设9个处理，每个处理3次重复，每块试验田面积20 m²，随机排列，具体施肥方案如表 4所示。

表 4

辣椒小区试验施肥方案

处理	羊粪/ (m³·hm^-2)	复合肥/ (kg·hm^-2)	秸秆灰/ (kg·hm^-2)	秸秆渣/ (kg·hm^-2)	助剂1/ (kg·hm^-2)	助剂2/ (kg·hm^-2)	N-P₂O₅-K₂O/ (kg·hm^-2)
处理1	75	600.00					90.00-90.00-90.00
处理2	75	480.00	382.50				72.00-72.00-82.50
处理3	75	480.00	525.00				72.00-72.00-99.00
处理4	75	480.00	382.50		12.30		72.00-72.00-90.00
处理5	75	480.00	382.50			12.75	72.00-72.00-90.00
处理6	75	480.00		690.00			72.00-72.00-82.50
处理7	75	480.00		903.75			72.00-72.00-99.00
处理8	75	480.00		690.00	21.75		72.00-72.00-90.00
处理9	75	480.00		690.00		23.25	72.00-72.00-90.00

2.4 试验结果

2017年7月10日开始第1次采收，每块试验田分开采收，之后每隔10 d采收1次并立即称量辣椒质量，最后一次采收日期为2017年9月8日，共采收7次。试验数据采用Excel 2007和SAS 8.1软件进行处理和统计分析，采用DunCan软件进行差异显著性检验，分析不同处理间的显著性(p＜0.05)水平，试验结果如表 5所示。

表 5

辣椒产量及增产率

处理	产量/(kg·hm^-2)	增产率/%
处理1	14 790
处理2	15 795	6.80
处理3	16 320	10.34
处理4	16 395	10.85
处理5	16 425	11.05
处理6	16 350	10.55
处理7	16 890	14.20
处理8	16 980	14.81
处理9	17 025	15.11

由表 5可知，与对照组(处理1)相比，在减施氮磷20%的情况下，以秸秆发电厂灰(渣)补充钾素，各处理方案的辣椒产量均有不同程度的提升。对比处理1、处理2和处理6的试验结果，减施氮磷20%后，直接用灰或渣减量补充钾素，辣椒分别增产6.80%和10.55%；对比处理1、处理3和处理7的试验结果，直接用灰(渣)增量补充钾素，辣椒分别增产10.34%和14.20%；对比处理2、处理4、处理5和处理6、处理8、处理9的试验结果，在灰(渣)中添加助剂能进一步提高灰(渣)肥效，提高辣椒产量；渣的肥效优于灰，助剂2的效果优于助剂1。

3 结语

秸秆发电厂灰(渣)富含钾和多种中微量元素，通过还田对土壤养分具有很好的调理作用；秸秆发电厂灰(渣)中养分水溶性不高，可采用酸性助剂进行处理，以提高灰(渣)中钾等养分的水溶性。小区肥效试验表明，减少20%氮磷钾复合肥施用量，用秸秆发电厂灰(渣)或处理后的秸秆发电厂灰(渣)补充钾素，能够实现“化肥氮磷减施20%，农作物平均增产3%”的化学肥料减施增效目标。

秸秆是可再生的资源，秸秆发电厂灰(渣)来源丰富，秸秆发电厂灰(渣)还田是有发展前景的。今后应进一步研究秸秆发电厂灰(渣)各营养元素活化水平及其反应机理，深入研究不同秸秆灰(渣)中重金属分布及其含量，才能更科学地利用好秸秆发电厂灰(渣)。

ckwx 参考文献

Food and Agriculture Organization of the United Nations. FAO Statistical Pocketbook 2015. World food and agriculture[R]. Rome: Rome (Italy) FAO, 2016.

王艳语, 苗俊艳.世界及我国化肥施用水平分析[J].磷肥与复肥, 2016(4):22-23.

钟平, 邵文奇, 纪力, 等.江苏省秸秆发电厂草木灰的利用现状[J].江苏农业科学, 2012(5):360-361.

山东省农业科学院土壤肥料研究所.利用生物质能秸秆发电厂的秸秆灰生产磷钾复合肥的方法: 200610069650.7[P].2007-02-14.