[工业固废资源化的重要途径]—硅肥的制造

编者按:工业固废通常富含硅元素,可做为硅肥及以硅为主要营养元素的多元硅肥生产原料。我国农资市场对硅肥的潜在需求巨大,每年在3000~4000万吨。由工业固废生产硅肥,是工业固废便捷,实用,大宗量的消纳途径之一,应当引起各界重视。为了增进大家对硅肥的了解,从今日始本论坛将分期发布有关硅肥产业状况及生产工艺的介绍资料,以期对工业固废在农业领域的应用有所裨益。
硅对农作物的增产作用
国内外研究概述:
硅营养研究在国外比较早 ,德国化学家尤· 李 西在 1840年论述植物营养原理时指出: “植物吸铵、磷酸、硅酸… …”。他的矿物营养理论奠定了现代化学肥料的基础。
1926年美国加州大学学者提出了水稻是喜硅作物 ,并将硅肥推广到甘蔗和其它作物上；1997年9月,在日本东京召开的第13届国际植物营养学会上, 美国科学家指出: “ 21世纪硅素必定成为植物必需元素之一”; 1999年 9月 26～30日 ,在美国佛罗利达第一次召开硅在农业上应用的国际会议。
1930年 ,日本人开始硅营养研究。1951年 ,日本山犁大学教授、日本硅肥研究所所长、河南省科学院名誉教授小林均先生发现缺硅是水稻秋落的主要原因 ,而后开发硅肥 ,引起全国重视。1955年日本政府批准硅肥作为一种新型肥料而被广泛应用。经过40年的变迁 ,至今仍有33家硅肥厂。1961年 ,日本电力中央研究所发明以粉煤灰作原料制造硅酸钾的技术。1980年 ,日本神奈川横滨市开始生产硅酸钾 , 年产量 3. 5万吨。1998年4月 ,在大阪大学举行的日本土壤肥料学会上 ,再次兴起硅肥热。后来 ,韩国、 朝鲜、中国台湾以及菲律宾、泰国等一些东南亚国家和地区引进日本硅肥制造技术。 据报道 ,硅肥在水稻上的增产效果已超过磷肥和钾肥 ,现在一些国家提倡氮、磷、钾、硅配合施肥。

中国硅营养的研究与施用起步较晚 ,在 70年代中后期才有小范围的试验。1982年 ,据臧惠林研究 中国南方水稻土有效硅含量一般为120mg /kg；张效朴与臧惠林在广东、浙江、江苏等省结合田间试验研究土壤有效硅的提取剂。1984年 ,邓小玉在长江中游用电厂粉煤灰硅钙肥的试验表明 ,该肥对水稻有明显增产效果。1986年 ,张效朴估计 ,中国大陆各类缺硅水稻土的面积 0. 3亿公顷以上 ,台湾省水稻土缺硅面积占70% ；在华东中酸性土壤施用氮磷、钾基础上增施硅钙肥 ,水稻平均增产 450 kg/hm2。1989年 ,据范业成观察 ,硅促进了水稻对磷酸的吸收 ,提高硅氮比 ,减轻了高氮引起的贪青、倒伏;彭佳桂通过试验研究了施用硅酸钙与水稻增产的关系。1991年 ,薛碧秀报道了四川境内水稻土有效硅含量的调查结果; 马同生等报道 ,施用高硅素化肥 90kg/hm2,对水稻有良好效果。1992年 ,杨金良用 硅磷肥试验、申义珍用水玻璃硅肥试验,二者均表明 ,硅可增强水稻抗病虫害能力;吴英在黑龙江的试验观测 硅增强水稻茎秆强度 ,增加氮、磷、钾吸收量。1994年 ,马同生报道 ,小麦拔节初期追施多效硅肥 150kg/hm2,小麦增产极显著 ；申义珍报道 ,硅与氮、磷配合施用有利于提高水稻产量、减少病害等。1995关连珠报道 ,北方水稻施用硅素不仅增加水稻含硅量 ,还促进了对磷的吸收 ,因此 ,有一定的增产作用。徐国华报道 ,在江苏淮阴、河南辉县、山东昌邑、 北京昌平等地的硅素田间试验表明 ,小麦施硅显著增产。1996年 ,苑振戈报道 ,山东昌邑硅、锌、锰配合施用后小麦增产。1998年 ,山东寿光土肥站在西红 茄子、黄瓜、辣椒等蔬菜上的试验证实 ,硅在蔬菜 面尤其是高棚龄的大棚内 ,确实能改良土壤 ,增产增收。1999年5月 ,河南省科学院地理所赵凤兰等用低品位钾矿 ,通过结构转化 ,使钾、硅能够被植物吸收 ,研制出长效硅钾肥。

营养机理研究
2. 1 硅肥及其作用
土壤中含有大量的硅 ,但其中 40%～60% 的硅是晶体构造 ,很难溶于水。硅肥是一种以含硅酸钙为主的微碱性 (枸溶性 )矿物肥料 ,它具有无毒、无臭、无腐蚀性及不易流失的特性 ,主要施用于缺硅土壤及喜硅作物上 ,如水稻、小麦、花生、甘蔗、大豆、蔬菜类、芦苇等。研究结果表明 ,像水稻长势是否挺拔 ,是否抗稻飞虱、稻瘟病 ,是否烂根倒伏;苹果是否挂果多、品质好、着色鲜艳、耐贮藏、运输;花生结实是否饱满等 ,都与硅肥的施用有很大关系。硅肥对作物的增产幅度为: 水稻 15% ～ 20% ,小麦 10%～15% ,花 生 15%～35% ,大豆10%～12% ,甘蔗 25%左右 棉花 10%～15% ,玉米 12%～20% ,蔬菜15%～20% ,芝麻 15% 以上 ,草莓 30%～ 50% 。平均投入成本每公顷 250～300元 ,投入产出比在 1∶ ( 5～ 10）之间 ,增产效果显著。
2. 2 根圈理论
在农作物上 ,氮、磷、钾、硅等元素各司其职 ,硅使其茎叶挺直 ,硅肥作为一种土壤中固有的天然矿物肥料 ,不仅自身有利于作物生长 ,而且还可以调节作物在不同阶段对氮、磷、钾等其它元素的营养要求 ,其它元素过量时有抑制供给的作用。硅元素是一 个“惰性分子” ,可以持久保持肥效 ,但是也正是它的不活跃 ,即使把硅肥施于作物根部周围 ,也不容易进入根圈。 为此 ,蔡德龙研制出一种独特的硅肥添加剂 ,这种添加剂不仅可以消除硅对其它元素的抑制性 ,还可以利用各个元素之间的相互作用力 ,促使硅元素向植物根圈移动 ,增强植物对硅的吸收能力。这就是“根圈理论”。 1992年10月 ,其研究成果公布于世 ,立即引起了国际硅肥学术界的强烈反响 ,在根圈养分研究领域属于世界领先水平 ,得到日本同行的认可 ,于是蔡德龙成为第一个在日本获得植物营养学博士学位的中国人。 1998年 12月 ,硅肥生产技术被国家科技部列入“九五”全国重点成果推广项目1999年5月25日 ,河南省技术监督局发布地方性硅肥标准。
2. 3 硅营养机理
硅是水稻生长的大量元素 ,其作用仅次于氮磷、钾 ,居第四位。 施用硅肥对作物有以下作用。
2. 3. 1 植物体重要的组成部分
硅是作物需要的重要营养元素 ,大部分植物体 内含有大量硅 ,试验证明 ,生产 1 000 kg稻谷 ,水稻 地上部分 SiO2 的吸收量达 150 kg ,超过水稻吸收 氮、磷、钾的总和。 从不同植物的灰分元素组成表中 也可以看出 ,硅、磷、钾、钙、镁、铁、锰等 7种营养元 素的氧化物占灰分平均组成的 80%左右 ,而硅的氧化物的含量占植物灰分组成的 14. 2% ～ 61. 4%。
2. 3. 2 硅有利于提高作物的光合效率
作物施硅肥后 ,可使作物表皮细胞硅质化 ,使作物茎、叶挺直 ,减少遮阴 ,使叶片光合作用增强。如水稻施硅肥后,叶度角缩小25.4度 ,冠层光合作用增 10%以上。

2.3. 3 施硅肥后能增强作物对病虫害的抵抗力
作物吸收硅肥后 ,在作物体内形成硅化细胞 ,使茎、叶表层细胞壁加厚 ,角度层增加 ,从而提高防虫抗病能力。特别是对稻瘟病、叶斑病、茎腐病、小粘菌 病、白叶枯病及暝虫;小麦白粉病、锈病、麦蝇、棉 虫等抗病虫害能力强.
2.3.4 硅能增大植物茎杆强度
施硅肥后 ,抗倒伏能力可提高 80% 左右。
2.3.5 硅能使作物导管刚性增强
施硅肥后 ,作物硅含量提高 ,作物导管刚性增强， 可增强植物体内部通气性 ,这对水稻、芦苇等水生作物有重要意义 ,不但可促进作物根系生长 ,还可以预防根系的腐烂和早衰 ,特别对根治水稻的烂根有重要作用。
2.3.6 硅化细胞的有效调节性
硅化细胞有调节气孔开闭及水分蒸腾的作用 , 保证养分有效供给 ,使作物所需营养始终处于充分均匀状态 ,不致于营养失调 ,因而硅具有抗旱、抗干热风及抗低温的作用。
2.3. 7 硅肥可防止霉菌的存活和繁殖
塑料大棚连续种植 2年以上 ,就会遇到霉菌等的积累 ,严重影响作物的产量与品质。 施用硅肥 ,会有效地防治霉菌的存活和繁殖。
2.3.8 提高作物品质
硅有改善农产品品质的作用 ,使色香味俱佳 ,有利于人体健康 ,耐储藏。 如苹果树施用硅肥后 ,可显著改善果实的品质 ,使苹果着色提前 3～ 5天 ,果实成熟提前 10天 ,且色泽鲜艳 ,体积增大 ,含糖量提高，甜味、香气增加 ,并大大提高苹果的耐储性和耐运输性能。
展 望
对土壤进行硅元素的补充有两个途径: 一是通过灌溉水补充硅；二是施用硅肥。据河南省科学院地理研究所对我国长江、黄河、淮河等水系调查 ,作为补充土壤硅重要来源的灌溉水中 ,黄河及其支流有 效硅浓度为 5. 8～8. 5 mg /L,长江及其支流为 8～9. 7 mg /L,淮河及其支流多在 0.9～ 5.9 mg /L均低于灌溉水缺硅临界值 (10mg /L) ,因此 ,不能为作物生长补充足够的有效硅。 矿物硅肥中硅不能直接溶解于水 (硅肥是枸溶性肥料 ) ,但因为硅肥中含有大量的钙、镁 ,硅酸与它们的结合力很弱 ,有30%～ 35%的硅可以溶解在土壤稀酸中 ,从而容易被作物吸收 ,因此 ,应通过施硅肥的方式来解决土壤的缺硅问题。
河南省硅肥工程技术研究中心的研究表明 ,河南省耕作土壤有45%缺硅 ,而我国南方亚热带地区一般有70% 左右的土壤缺硅 ,我国北方碱性土壤硅 肥效果试验表明 , pH值较高的土壤也缺硅 ,可以认为我国有一半耕作土壤缺硅。国家统计局最新研究 成果显示 ,我国目前有 19. 5亿亩耕地 ,因此 ,可以认为我国有约10亿亩耕作土壤缺硅。
据1995年国家科委在河南省科学院地理研究所召开的“全国首届硅肥生产及应用技术研讨会”与会专家估算,若要满足硅肥在全国范围内全部推广的需要 ,年需生产硅肥3000～3500万吨。
硅肥的生产原料是工业废渣 ,生产成本200~700元/t，市场售价1000元/t 以上，甚至更高,经济效益显著。

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