混合飞灰施用对泥炭土重金属淋失及玉米养分吸收的影响研究

《Heliyon》：Impact of fly ash application on leaching and concentration of heavy metals and nutrients uptake by maize (Zea mays) on peat soil

本研究针对印尼热电厂产生的大量飞灰(FA)资源化利用需求，探讨了70%煤与30%生物质木屑混燃产生的混合飞灰(MFA)对泥炭土种植玉米(Zea mays)过程中重金属淋失及养分吸收的影响。通过温室盆栽实验发现，140 g/盆MFA处理淋滤液中Pb(0.3 mg/kg)、Cd(0.01 mg/kg)等重金属浓度均低于临界值，105 g/盆MFA处理显著促进玉米生长并提高谷物产量(96.3 g/盆)。结果表明MFA可作为环境友好的土壤改良剂提升泥炭土生产力，为飞灰农业资源化提供科学依据。

　　

随着印尼热电厂规模的不断扩大，每年产生约1300万吨飞灰(FA)副产物。尽管2021年政府条例第22号已将飞灰重新分类为非危险废物，但其主要处置方式仍是填埋，存在重金属潜在淋失风险。与此同时，印尼广泛分布的泥炭土却面临酸性强(pH 3.3-3.5)、有机质含量高(44.6-58.5%)、基础饱和度低等肥力限制问题。这种看似对立的矛盾是否可能转化为协同解决方案？研究人员将目光投向飞灰的农业资源化利用。

飞灰通常含有90-95%的Si、Al、Fe、Ca、Mg等元素，可作为植物营养源，其中Al、Fe等多价阳离子还能中和泥炭土中的有毒有机酸。然而，飞灰中残留的Cd、Pb、Ni、Cr等重金属可能通过淋溶进入环境。特别是对于水力传导性高的泥炭土，其多孔结构更易加速污染物迁移。这种两面性使得评估飞灰农业应用的环境安全性成为首要课题。

为此，印尼国家研究创新署农业食品研究组织团队在《Heliyon》发表研究，系统评估混合飞灰(MFA)对泥炭土-玉米系统中重金属行为及养分利用的影响。研究采用随机区组设计，设置8个处理（包括对照、不同MFA剂量与NPK配比），以Bisi-18杂交玉米为指示植物，通过温室盆栽实验监测淋滤液重金属动态、植物生长指标及养分吸收规律。

关键技术方法包括：通过原子吸收光谱(AAS)分析淋滤液和植物组织中重金属浓度；采用Walkley-Black法测定有机碳，Kjeldahl法测定全氮；利用印尼土壤研究实验室手册标准方法分析土壤理化性质；通过方差分析(ANOVA)和Duncan多重比较检验统计差异显著性。

初始泥炭土分析

数据显示供试泥炭土为半分解型贫营养泥炭，具有典型低pH值(3.3-3.5)、高有机碳(44.6-58.5%)、低基饱和度特征。重金属含量均低于Alloway临界值，其中上层土壤(0-25 cm)多数重金属含量高于下层，但As、Hg、Sn未检出。高有机质含量通过酚羧基官能团与金属离子的强配位键，有效抑制重金属活性。

MFA特性

混燃飞灰呈碱性(pH 10.2)，含P₂O₅(1.38%)、K₂O(2.24%)、CaO(20.04%)等营养元素，Pb(142 mg/kg)、Cd(3 mg/kg)等重金属低于印尼农业部临界标准。高钙特性表明其属C类飞灰，具备显著酸中和潜力。

重金属淋失

淋滤液监测表明，即使最高剂量MFA(140 g/盆)处理中，两周和四周采集的淋滤液重金属浓度均低于印尼PP.82/2001灌溉水4类标准。其中Pb(0.3 mg/kg)、Cd(0.01 mg/kg)、Co(0.05 mg/kg)、Ni(0.02 mg/kg)等关键污染物浓度仅为临界值的1/3至1/10。这种稳定性源于泥炭有机质与金属离子的络合作用，以及MFA施用后形成的氢氧化物沉淀。

养分淋失

NH₄⁺(最高22.84 mg/kg)和K⁺(最高17.11 mg/kg)淋失较强，而PO₄^3-因与金属阳离子桥键结合，流失量较低(2.26-6.36 mg/kg)。MFA-0+NPK处理出现磷素最大淋失，暗示飞灰中的钙铝成分可固定磷酸盐。

植物生长

MFA显著促进玉米株高和叶片数发育，对照组出现黄化症状。MFA-3+NPK(105 g/盆)处理达到生长峰值，较对照组根系生物量增加290倍（32.8 g/盆 vs 0.1 g/盆）。飞灰通过提高pH值、改善孔隙结构，有效缓解泥炭土中酚酸对根系的毒害。

产量构成

谷物产量随MFA剂量递增，MFA-4+NPK处理达111.6 g/盆（换算3.98吨/公顷），但与MFA-3+NPK(96.3 g/盆)无显著差异。MFA-2与减量NPK配比处理产量相当，表明飞灰可替代25-50%化肥而不减产。

重金属积累

植株组织中Pb(0.2-0.49 mg/kg)、Cd(0.04-0.07 mg/kg)等含量远低于Alloway毒害阈值，籽粒中Pb、Cd、As、Hg均未检出。飞灰施用未导致重金属向可食部位转移，印证其农业安全性。

养分吸收

P、Ca吸收与MFA剂量正相关，K、Mg吸收在MFA-3+NPK达峰值（578 mg/株和46.5 mg/株）。140 g/盆处理出现钾吸收下降(306 mg/株)，提示高钙可能引发钾素拮抗。

研究结论确认，混合飞灰施用未加剧泥炭土重金属环境风险，其中105 g/盆（相当于80%CaCO₃中和当量）为优化剂量，可同步实现玉米增产96.3 g/盆、养分吸收提升和环境安全可控。这一发现为热带地区泥炭土改良提供技术支撑，也为全球飞灰资源化利用开辟新路径。后续需开展田间验证，评估不同气候条件下飞灰的长期生态效应及经济可行性。