基于石膏尾矿的盐碱地复合调理剂应用及经济性评估

田 鹏，李洪静

1.湖南宏业石膏矿业有限公司，湖南常德 415300；2.兴安盟隆华农业科技有限公司，内蒙古兴安盟 137400

全球约有3亿hm2的土地受到盐碱化影响，其中中国约占1/3，尤其是在干旱和半干旱地区普遍存在，影响农作物生长，严重制约着粮食生产和农业可持续发展。因此，高效开发利用盐碱地，对保障国家粮食安全和置换经济发展用地，具有积极而重要的意义。

1 石膏尾矿的资源化再利用

脱硫石膏、磷石膏、钛石膏等工业副产石膏是工业废弃物，被广泛地应用于盐碱地改良，但工业副产石膏含有一定的重金属元素，一方面可能被农作物吸收并影响其正常生长，另一方面可能进入地下水，成为二次污染的隐患，从而威胁土地安全和粮食安全[1]。虽然部分研究指出，施用工业副产石膏后土壤和农产品的重金属含量低于有关国家标准中的限量[2-4]。但由于脱硫工艺、煤炭和石灰石来源等不同，造成不同工业副产石膏中的重金属元素、放射性核素含量差异较大，选用不当或者长期大量使用，存在对环境和人类健康造成负面影响的风险[5-9]。

石膏尾矿是指石膏矿山开采中产生的废弃物，其本质是低品位天然石膏，并含有泥岩等围岩。石膏尾矿的矿物组成除二水石膏外，主要为无水石膏、伊利石、绿泥石、方解石、石英等矿物组成，主要化学成分为氧化钙、三氧化硫，其次为二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁，同时还含有一定量的钾、钠、镁和其他中微量元素，可以有效补充盐碱土壤中缺乏的矿物质元素，提高土壤肥力。将石膏尾矿应用于盐碱地改良，还能提高土壤硫酸盐还原菌、甲烷氧化菌的丰度及其活性，并抑制土壤产甲烷菌的活性，从而显著降低稻田温室气体排放，有效缓解全球气候变暖[10]。

富勒烯是一种新型碳纳米材料，可以诱导作物体内水通道蛋白的表达，从而促进根的生长和对水分的吸收，还可吸附土壤溶液中的养分离子，从而促进营养离子进入根系细胞，加快作物对营养离子的吸收，并能提高光合作用强度等。同时，富勒烯还可以降低土壤氧化还原电位和根际土壤酶活性，抑制养分元素的淋失作用，显著提高土壤中氮、磷和钾元素的有效性，从而促进植物对石膏尾矿中养分的转化和吸收[11-15]。

因此，探究以石膏尾矿、富勒烯等为核心原材料的新型石膏基盐碱地复合调理剂，石膏在土壤中分解为钙离子和硫酸根离子，前者有利于改善土壤结构，后者则能够与钠离子结合形成不溶性盐，有效减少土壤盐分累积，从而使土壤pH值和碱化度显著降低[16-18]。富勒烯则具有丰富的表面活性基团，能够吸附土壤中的钠离子，防止其与植株根系产生反应，并能改善水稻根系周围微环境，提高根系活力，促进水稻根系对营养元素的吸收，对改善土壤结构、提高作物抗逆性具有重要作用。因此，富勒烯与石膏的复合应用，可以达到良好的改良效果，并为盐碱地治理提供新思路和技术支持。

2 石膏基盐碱地复合调理剂的实验室研究

2.1 原材料的预处理

2.1.1 石膏尾矿的预处理 首先，筛分来自湖南宏业石膏矿业有限公司的石膏尾矿，筛选出粒径为1～3 mm的颗粒，去除杂质和大块状的石膏尾矿。其次，将筛选出的石膏尾矿颗粒进行烘干，将其放入烘箱中，在120 °C下烘干24 h。最后，将烘干后的石膏尾矿颗粒进行研磨，得到粒径均匀的石膏尾矿粉末。

2.1.2 农作物秸秆的预处理 收集兴安盟当地普遍存在的玉米秸秆和水稻秸秆。先进行清洗、切碎和风干处理，使其含水率控制在10%以下，然后进行堆肥，堆肥过程中温度控制在50～60 ℃之间，在不断翻堆的过程中，使秸秆充分分解后，通过筛网筛分，去除杂质和大块物料。

2.1.3 牛羊粪的预处理 收集兴安盟当地普遍存在的牛羊粪。先进行堆肥处理，堆肥期为2～3个月，达到腐熟要求，使粪便充分发酵后，通过筛网筛分，去除杂质和大块物料。

2.2 石膏基盐碱地复合调理剂的配制

2.2.1 称量 将石膏尾矿粉末、富勒烯、农作物秸秆、牛羊粪、磷酸二铵和麦饭石粉按照如下比例进行称量。

石膏尾矿粉末：20%～30%，富勒烯：10%～20%，农作物秸秆：15%～25%，牛羊粪：10%～20%，磷酸二铵：2%～5%，麦饭石粉：15%～20%。

2.2.2 配置水溶液 将富勒烯粉末加入去离子水中搅拌均匀，制备成富勒烯水溶液。

2.2.3 混合 将石膏尾矿粉末、农作物秸秆、牛羊粪、磷酸二铵和麦饭石粉混合均匀，形成混合物。

2.2.4 复配 将富勒烯水溶液加入混合物中，搅拌均匀。

2.2.5 干燥 晾干或烘干后即可使用。

3 石膏基盐碱地复合调理剂的应用

3.1 试验设计

应用试验于2021—2022年在内蒙古自治区兴安盟科右中旗进行，该地区盐碱地以苏打型为主，试验地块平均pH值为8.6，不适宜水稻生长。

采用大区对比法，设置2个处理，每个处理重复3次，每个处理面积为667 m2。处理1按100 kg/667 m2的用量施用石膏基盐碱地复合调理剂、1 000 kg/667 m2的用量施用腐熟农家肥，然后旋耕混匀，旋耕深度不低于15 cm；处理2（CK）不施用盐碱地复合调理剂，按1 000 kg/667 m2的用量施用腐熟农家肥，然后旋耕混匀，旋耕深度不低于15 cm；种植的水稻品种为兴安盟袁隆平院士工作站选育的耐盐碱杂交稻新组合TL7，水稻于4月21日播种，9月16日收获。

种植期间，各处理的其他肥料品种、施用方法、施用量按常规施肥，均按50 kg/667 m2的用量施用水稻专用底肥、10 kg/667 m2的用量施用水稻专用掺混肥。

3.2 石膏基盐碱地复合调理剂对盐碱地土壤理化性质的影响

从试验情况来看，使用石膏基盐碱地复合调理剂后，盐碱地土壤pH值、全盐含量、土壤容重显著下降，处理1与CK组的差异十分明显，说明石膏基盐碱地复合调理剂对盐碱地的改良效果好，能够有效降低土壤的含盐量，同时土壤结构得到了改善，提高了土壤的透水性和保水能力，十分有利于农作物生长；有机质和氮、磷、钾含量方面都呈现下降的趋势，处理1下降的趋势更明显，这可能是由于施用石膏基盐碱地复合调理剂后产量显著提高，导致土壤养分的消耗更多（表1）。

表1 石膏基盐碱地复合调理剂对盐碱地土壤理化性质的影响情况表

3.3 石膏基盐碱地复合调理剂对水稻农艺性状及产量的影响

从试验情况来看，在盐碱地施用石膏基盐碱地复合调理剂后，水稻产量明显得到提高。具体而言，处理1水稻的各项农艺性状指标都显著高于CK组，并且增产率高达118.7%。这表明施用石膏基盐碱地复合调理剂可以改善水稻生长状况，提高水稻产量，具有很好的应用前景（表2）。

表2 石膏基盐碱地复合调理剂对水稻农艺性状及产量的影响情况表试验对比

表3 石膏基盐碱地复合调理剂经济性评估表试验对比

4 经济性评估

从试验情况来看，在盐碱地施用石膏基盐碱地复合调理剂后，水稻产量、产值、净收益、投产比都比对照组高。其中，处理组的水稻产量为539.2 kg/667 m2，对照组为246.6 kg/667 m2，产量增加了118.7%，而石膏基盐碱地复合调理剂成本增加却只有38.1%；从净收益来看，处理组的净收益为704.46 元/667 m2，对照组的净收益为90.07元/667 m2，相差达到7.5倍，虽然石膏基盐碱地复合调理剂使用会增加一定的成本，但石膏基盐碱地复合调理剂能够显著改善盐碱地理化性质，进而提高水稻的产量和经济效益，具有显著的正向影响，处理1的产投比高达1.8也验证了这一点，说明投资回报率更高。

综合来看，石膏基盐碱地复合调理剂的应用，对盐碱地种植水稻的产值和经济效益的影响十分显著，可以帮助农民获得更高的收益，对于提高盐碱地高效开发利用具有重要意义。

5 结论

5.1 石膏基盐碱地复合调理剂的效果与优点

石膏基盐碱地复合调理剂对水稻种植的效果和优点主要有以下4点。

（1）明显提高产量。经过多次试验和数据分析，施用石膏基盐碱地复合调理剂可以增加水稻的有效穗数、穗粒数、千粒重，提高结实率，平均增产率达到118.7%，这是由于石膏基盐碱地复合调理剂中的各种成分可以协同作用，改善盐碱土壤的理化性质，提高土壤肥力，从而促进水稻生长发育。还可以补充中微量元素，从而提高水稻的品质，增加水稻的商业价值。

（2）降低化肥使用量。石膏基盐碱地复合调理剂中包含有机肥料和微量元素，可以增加土壤肥力，减少对化肥的依赖，从而降低化肥使用量和成本。通过提高产量和品质，减少化肥使用量和成本，石膏基盐碱地复合调理剂的应用可以显著增加农民的收益，提高土地利用效率，促进农业可持续发展。

（3）促进石膏尾矿的综合利用。石膏尾矿通常含有农作物生长所必需的中微量元素，用于制造石膏基盐碱地复合调理剂，不仅修复盐碱地恶劣的生态环境、保障国家粮食安全，还吸收了大量尾矿尾矿，实现了“以废治废”，提高了矿产资源利用率。

（4）应用场景广泛。石膏基盐碱地复合调理剂适用于盐碱地改良、农田土壤肥力增强、作物生长促进等领域。其中，改良盐碱地是主要应用领域。同时，石膏基盐碱地复合调理剂不仅适用于水稻的种植，还适用于其他作物的种植，如小麦、玉米、大豆等粮食作物和果蔬等经济作物。

综上所述，石膏基盐碱地复合调理剂的应用可以靶向降低土壤碱害，提高盐碱地土壤肥力，从而显著提高水稻产量和品质，减少化肥使用量和成本，提高经济效益，对于加强石膏尾矿的资源化再利用、探索改良盐碱土壤的有效途径具有重要的意义，具有广阔的应用前景和市场潜力。

5.2 未来研究方向和展望

基于石膏尾矿的盐碱地复合调理剂成功应用为开发和利用盐碱地提供了新思路和新方法，未来将探索不同盐碱地类型、不同作物的适用性；同时，虽然通过试验验证了石膏基盐碱地复合调理剂的实际效果，但在深入了解石膏基盐碱地复合调理剂的作用机理和作用方式上还需要进一步地研究和探索；还需要指出的是，石膏基盐碱地复合调理剂改良效果的维持性取决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。此次试验的结果表明石膏基盐碱地复合调理剂应用可以提高盐碱地种植水稻的产量和经济效益，但该石膏基盐碱地复合调理剂的成本相对较高，需要进一步降低成本，提高投产比。