综述：探索粉煤灰在药用植物栽培中的应用

《Frontiers in Sustainability》：Exploration of the utilization of fly ash in medicinal plant cultivation

煤灰作为燃煤电厂主要固体废弃物，兼具重金属污染风险与农业改良潜力。研究指出其物理化学特性受煤种与燃烧条件影响显著，重金属含量与土壤pH变化直接影响植物生长和生态安全。适量应用（如≤25%掺量）可提升土壤结构、养分及药用植物产量，但过量（≥50%）会导致植物代谢紊乱和重金属累积。当前印度等发展中国家面临处理技术成本高、利用率不足（2022-2023年仅78%利用）的困境，需平衡环境安全与农业可持续性。

　　煤粉发电厂仍是许多发展中国家电力生产的主要来源，其运行过程中会产生大量飞灰（Fly Ash, FA）作为固态副产物。飞灰是一种超细颗粒物，含有重金属以及在某些情况下可能含有放射性元素，因此在处理和利用过程中面临诸多挑战。然而，飞灰中富含植物生长所需的多种营养元素，如钾、钙、镁以及一些微量元素，这使其在土壤改良方面具有潜在价值。通过合理利用，飞灰可以改善土壤结构、提升养分有效性，并促进生物活性，从而提高植物生长、叶绿素合成、酚类化合物含量以及农作物产量，甚至在药用植物的种植中也展现出积极作用。尽管如此，飞灰中潜在的有毒元素迁移风险仍然需要严格的环境风险评估和管理策略。本研究旨在探讨飞灰的双重作用，即其对环境的潜在危害以及在农业中的应用机会，强调在实现可持续农业利用的同时，必须确保环境安全。

飞灰作为煤粉燃烧的副产品，其主要成分包括非燃烧的矿物质，如二氧化硅、氧化铝和氧化铁，同时还包含少量未燃烧的碳。飞灰的物理和化学特性因煤种、燃烧条件以及排放控制技术的不同而有所差异。例如，飞灰的颗粒尺寸通常在粉砂范围内，其轻质结构和高比表面积使其在土壤中具有一定的吸附能力。然而，由于飞灰颗粒细小，即使在采用排放控制装置的情况下，仍然可能通过空气传播造成环境污染。此外，飞灰的堆放方式，如湿法堆放或干法堆放，对环境的影响也各不相同。湿法堆放需要大量水资源，且存在地下水污染和堆体溃决的风险，而干法堆放则更有利于减少对环境的破坏。

飞灰的化学成分通常包括硅酸盐、铝酸盐和铁酸盐，其含量受煤种和燃烧过程的显著影响。根据美国材料与试验协会（ASTM）的标准，飞灰可以分为F类和C类。F类飞灰通常来源于无烟煤或烟煤的燃烧，富含二氧化硅和氧化铝，而C类飞灰则来源于低阶煤的燃烧，含有较高的氧化钙。不同类型的飞灰在农业应用中表现出不同的特性。例如，C类飞灰因其较高的钙含量，具有自凝固特性，能够在接触水后形成水泥状物质，适用于土壤改良和建筑材料的生产。而F类飞灰则因其较强的火山灰反应性，通常需要外加激活剂（如石灰）才能发挥其在水泥制造中的作用。

飞灰的矿物组成对其物理和化学性质具有重要影响。飞灰中常见的矿物包括非晶态玻璃状硅铝酸盐以及多种结晶矿物，如莫来石（3Al?O?·2SiO?）、石英（SiO?）和铁氧化物（如赤铁矿和磁铁矿）。这些矿物的存在不仅决定了飞灰的物理特性，如密度和孔隙率，还影响其化学反应性和环境行为。例如，铁氧化物的含量会影响飞灰的pH值，从而改变土壤的化学环境。高硫煤燃烧产生的飞灰通常呈酸性，而低硫煤燃烧产生的飞灰则呈碱性。飞灰的碱性特性可以用于调节土壤酸碱度，使其更适宜植物生长，但同时也可能增加某些重金属的溶解度，进而影响其在土壤和植物中的迁移。

在农业应用方面，飞灰的土壤改良潜力得到了广泛研究。飞灰能够通过改变土壤pH值、增加碱性阳离子（如钙、镁、钾）的含量，以及提高土壤的阳离子交换容量（CEC），从而改善土壤的肥力和结构。例如，在酸性土壤中施用飞灰可以显著提高土壤的pH值，减少交换性酸度，并增强土壤的碱饱和度。这种作用有助于提高某些作物对营养元素的吸收能力，从而促进其生长和产量提升。此外，飞灰的细小颗粒能够填充土壤中的孔隙，降低土壤容重，提高水分保持能力，进而改善土壤的物理结构。在沙质或退化土壤中，这些特性尤为重要，因为它们可以显著提升土壤的持水能力和肥力。

然而，飞灰在农业中的应用也伴随着潜在的环境风险。飞灰中可能含有砷、铅、镉、铬等有毒重金属，这些元素在特定的环境条件下（如高pH值、高氧化还原电位）可能从飞灰中释放出来，进入土壤和地下水系统。进一步通过植物根系吸收并积累，最终可能通过食物链影响人类健康。因此，飞灰的农业利用需要谨慎评估其重金属迁移潜力，并采取相应的风险控制措施。例如，通过合理的施用比例、结合其他改良措施（如种植耐重金属植物或使用生物修复技术）来降低重金属对环境和人体的潜在危害。

在植物生长方面，飞灰的施用对不同植物种类的影响各不相同。一些植物（如十字花科、豆科和禾本科植物）对飞灰的耐受性较强，能够在其生长过程中吸收并积累部分重金属元素，同时维持较高的生物量和产量。例如，在对药用植物如 Brahmi（Bacopa monnieri）和 Ashwagandha（Withania somnifera）的研究中，发现适量的飞灰施用可以显著提高其叶绿素含量、酚类化合物含量以及植物的生长性能。然而，当飞灰施用比例过高时，可能会导致植物生长受到抑制，叶绿素含量下降，甚至出现氧化损伤。这表明飞灰的施用需要在一定范围内进行，以确保其对植物的正面影响大于潜在的负面效应。

此外，飞灰中的某些微量元素（如硼、铜、锰、锌和钼）可以作为植物生长的有益成分，提供额外的营养支持。然而，这些元素的溶解性和迁移性受到土壤pH值、氧化还原条件以及飞灰表面化学性质的影响。因此，飞灰的农业利用必须结合详细的化学分析和环境监测，以确保其不会对土壤和植物产生有害影响。例如，飞灰中的钙氧化物可以作为土壤改良剂，用于调节土壤酸碱度，但同时也可能影响其他元素的可利用性。因此，在飞灰施用过程中，需要综合考虑其对土壤化学性质的改变，以及这些改变对植物生长和营养吸收的影响。

为了减少飞灰对环境的负面影响，许多研究建议采用多种方法进行处理和利用。例如，通过稳定化和封装技术，将飞灰与其他材料结合，以降低其重金属的迁移能力。此外，飞灰可以作为建筑材料的一部分，如水泥、砖块、混凝土和道路材料，从而减少其对农业用地的占用。然而，这些方法的实施往往受到成本和技术水平的限制，特别是在发展中国家，飞灰的再利用率仍然较低。因此，提高飞灰的再利用率不仅是减少环境污染的重要手段，也是实现资源循环利用的关键环节。

在药用植物的种植中，飞灰的施用被认为是一种可行的土壤改良策略。例如，研究显示，在飞灰施用比例为25%的情况下，Bacopa monnieri（Brahmi）的生物量和精油产量显著提高，而叶绿素含量并未受到明显影响。类似地，Withania somnifera（Ashwagandha）在飞灰施用比例为10–15%时表现出最佳的生长表现，包括种子发芽率、植株高度、叶面积和总叶面积等指标。这些研究结果表明，飞灰的施用可以显著提高药用植物的产量和品质，但必须控制其施用比例，以避免对植物生长造成负面影响。

值得注意的是，飞灰的施用还可能影响土壤微生物群落的结构和功能。在飞灰含量较高的土壤中，微生物活性可能受到抑制，尤其是在pH值偏高或电导率过高的情况下。然而，随着土壤系统的平衡，微生物群落可能逐渐恢复，并在某些情况下表现出比未施用飞灰的土壤更高的活性。这表明飞灰的施用对土壤微生物的影响具有一定的动态变化，需要长期监测和评估。同时，飞灰中的某些重金属可能通过微生物活动被固定或转化，从而降低其对环境的潜在危害。

为了实现飞灰的可持续利用，未来的研究应重点关注其在不同土壤类型和作物种类中的适用性，并制定相应的施用指南。此外，还需要探索更高效的飞灰处理技术，如生物修复、化学稳定化和物理封装，以最大限度地减少其对环境和人体健康的潜在风险。通过这些措施，飞灰不仅可以作为有价值的土壤改良剂，还可以成为减少环境污染和提高农业生产力的重要资源。