矽鈣鉀鎂肥的研發與生產背景、意義及現狀應用
馬存金等
中國是世界磷肥生產第一大國，中國磷礦資源儲量雖大，但富礦少，中低品位礦多，生產磷酸副產品磷石膏的堆存量和消化難度大，制約著中國乃至世界磷肥行業發展 ;同時，中國水溶性鉀資源僅佔世界總儲量的 1． 6%，而難溶性鉀資源約 1000 億 t，鉀肥資源相對短缺，亟需開發利用 ，亟需新的工藝技術解決磷石膏無序堆放和缺鉀難題，並實現磷鉀資源綜合利用。
目前中國 16 個省區約 216 萬 km 2 酸性土壤，約佔全國耕地面積的 21%，而部分地區果園酸化嚴重，且呈現日益加劇態勢，威脅果實品質的提高和果業的可持續發展，亟需研發新型土壤調理劑 。
矽鈣鉀鎂肥是磷石膏、鉀長石等在高溫下煅燒而形成的鹼性土壤調理劑，不僅能調酸改土，還能補充多種大、中、微量元素，可有效克服石灰等易造成土壤板結的不足，在多種作物上應用效果較好，且對土壤環境影響小，實現了磷鉀資源的綜合利用，是一種新型的環保型土壤調理劑。介紹了矽鈣鉀鎂肥的研發與生產背景、意義及現狀，簡述了矽鈣鉀鎂肥在果樹上的應用，並展望了矽鈣鉀鎂肥的發展前景，以期為磷鉀資源的高效開發利用和矽鈣鉀鎂肥等新型土壤調理劑的進一步研究和應用提供依據。
1 矽鈣鉀鎂肥的研發與生產
1． 1 背景及意義
磷礦石是生產磷肥和磷化工產品的重要原料，中國磷礦資源約佔世界磷礦資源的 30%，已查明磷礦資源儲量約 176 億 t，磷礦資源儲量雖大，但富礦少，中低品位礦多，大多分布在雲、貴、川、鄂 4 省。利用低品位磷礦製取磷酸生產過程排出的磷石膏，屬於固體廢棄物，通常每生產磷酸(以 100% P 2 O 5 計)1t 產生副產物磷石膏 4． 5 ～ 5． 0t [吉山花瑤自媒體網絡首發] 。中國磷石膏消化不足 40%，堆存量已超過 3 億 t，且每年新產生量約5000 萬 t，大量磷石膏的堆存除佔用大面積土地外，還可能帶來粉塵、地下水和土壤汙染等環境問題，成為制約中國乃至世界磷肥行業發展的一大瓶頸 。
中國可溶性鉀礦資源嚴重缺乏，僅佔世界總量的1． 6%，年進口量高達 400 萬 t;但不溶性鉀礦資源卻異常豐富 ，其儲量約1000 億 t。不溶性含鉀巖石多以鉀長石及其他矽酸鹽巖石形式存在，鉀提取和活化方法主要有壓熱法、高溫揮發法、直接法、離子交換法、低溫酸解法、微生物法和焙燒法等。在眾多提鉀方法中，焙燒法具有較大的研究和應用前景，此法利用廉價的石膏和石灰石等資源，且工藝條件簡單，無腐蝕性，得到的鉀鹽為可溶性鉀鹽，並且可將鉀長石中的矽元素轉化為有效態矽肥，實現資源再利用 。因此，綜合開發利用中國豐富的不溶性鉀長石資源，生產國內短缺的鉀肥和矽肥，具有現實意義。
1． 2 矽鈣鉀鎂肥研發與生產現狀
目前，中國對磷鉀資源的利用主要集中在製備水泥、石膏、陶瓷等建材方面，而將其製備肥料及土壤調理劑的研究相對較少。林維佳等 通過混合焙燒的方法活化低品位磷礦，製備出一種含有磷、矽、鈣、鎂、硫養分的酸性土壤調理劑，既可補充多種養分，又可改良酸性土壤，其中磷礦中磷轉化率為90． 4%。華南理工大學石林等 利用鈣基工業固體廢棄物與富鉀矽酸鹽礦物複合生產的矽鈣鉀土壤調理劑，產品中富含有效態的矽、鈣、鉀、鐵、鋅等大中微量元素，pH 值呈鹼性，且重金屬含量達標。中國科學院地質與地球物理研究所 以富鉀巖石為原料，在高壓反應釜中通過水熱化學反應工藝，將其活化、細化、膨化而轉化成類似於天然風化土壤的新型鉀矽鈣微孔礦物肥料，具有細化程度高、疏鬆膨化性好和長效緩釋的特點，施入土壤中能緩慢釋放矽、鈣、鉀等多種營養元素，使改良中國南方酸性土壤，提升土壤綜合肥力，提高作物品質和食品安全、發展生態友好型可持續農業成為可能。貴州大學資源化工研究所 歷經幾十年的鑽研，對不溶性含鉀矽酸鹽巖石的開發利用取得重大突破，通過「粉磨製塊隧道窯燒結工藝」法生產矽鈣鉀肥，解決了中國鉀肥和優質矽肥短缺的問題;該工藝技術先將鉀長石和石灰石進行破碎，配料混勻後再經粉磨、加水壓製成塊，然後在隧道窯中高溫燒結，燒結塊料經破碎粉磨後得矽鈣鉀肥產品;整個生產過程無任何廢渣、廢水產生，燃燒窯的氣體經處理後無任何公害。
市場已有矽鈣鉀肥生產工藝存在的主要問題是由於成球在立窯中高溫煅燒，容易造成燒結溫度不均勻，鉀的平均轉化率不高，且燒結物在爐內易發生結大塊、粘爐壁和漏生料等現象，嚴重影響產品質量和生產效率。金正大生態工程集團股份有限公司通過自主研發 ，將傳統溼法生產磷酸的副產品磷石膏經煅燒製備出粉狀半水石膏，再與經過粉磨處理的鉀長石及焦碳按比例進行均勻混配，然後送入旋風預熱器中與窯尾尾氣進行換熱升溫，預熱後的物料進入迴轉窯中完成分解、燒成，後經破碎、粉磨後與磷尾礦按比例混配成矽鈣鉀鎂肥產品。相較於傳統矽鈣鉀肥生產工藝，此項技術以中和促解為核心，採用窯尾尾氣預熱及粉體混合燒成的方式，解決了上述反應不均勻等問題，具有巨大的生產和開發利用價值。
金正大生態工程集團股份有限公司以磷石膏、磷尾礦、鉀長石等為原料製備適用於酸性土壤的矽鈣鉀鎂肥，變廢為寶，並通過開發應用及產品大田推廣，構建了磷石膏綜合利用修復酸性土壤障礙的技術體系 ;該技術成果通過中國石油和化學工業聯合會組織的專家鑑定，核心技術達到國際領先，起草制定了矽鈣鉀鎂肥國家標準(GB/T 36207 －2018)和磷石膏國家標準(GB/T 23456 － 2018)，建成了國內首套年產 60 萬 t 矽鈣鉀鎂肥聯產硫酸的生產裝置並穩定運行;該產品得到了多個省份農科院和農業主管部門領導和專家的認可，在貴州、江西、湖南、廣東等全國主要酸性土壤區域，在柑桔、香蕉、蔬菜和水稻等作物上累計推廣矽鈣鉀鎂肥 37． 87 萬 hm 2 (568 萬畝)，實現農田新增產值 1． 99 億元，具有顯著的經濟效益及社會效益。
2 矽鈣鉀鎂肥在果樹上的應用
近十幾年，由於有機肥投入不足和以氮肥為主的速效肥盲目和大量施用，造成部分地區果園酸化嚴重，且呈現日益加劇的態勢 。土壤酸化會明顯影響土壤微生物活動、有機質轉化、營養元素有效性和土壤保肥能力等，影響果園土壤生產力和果樹生長發育，影響果實品質的提高和產業的可持續發展 。改良土壤的方法很多，施用效果也不一致，雖然礦物型土壤調理劑的研發受到國內外學者的青睞，但其研究多集中在石灰石、磷礦粉等傳統土壤調理劑 。
施用石灰和天然磷礦粉雖有調理土壤的作用，但大量或長期施用不僅會引起土壤板結，還會引起土壤養分失衡，導致作物減產，甚至對環境造成一些不良影響 。矽鈣鉀鎂肥是磷石膏、鉀長石等在高溫下煅燒而形成的新型土壤調理劑，它不僅可以調節土壤酸鹼度、改善土壤理化性狀，還能改善植株農藝性狀，提高果實產量和品質。
2． 1 對果園土壤理化性狀的影響
矽鈣鉀鎂肥在改良土壤結構及理化性狀、提高土壤 pH 和養分含量等方面作用明顯。秦旭等研究表明，施用矽鈣鉀鎂肥後梨園土壤 pH 值提高0． 66個單位，陽離子交換量，有效態氮、磷、鉀，交換性鈣、鎂含量也明顯提升;高文勝 等在甜櫻桃上施用矽鈣鉀鎂肥可提高果園土壤 pH 值 0． 73 個單位，有效緩解土壤 pH 值的下降，每 666． 7m 2 矽鈣鉀鎂肥用量75kg 較為適宜。酸性土壤施用矽鈣鉀鎂肥可明顯提高蜜柚果園的土壤 pH 值，且矽鈣鉀鎂肥用量越高，土壤 pH 值提高越明顯 。
2． 2 對果樹生長及產量的影響
矽鈣鉀鎂肥在改良酸化土壤的同時，還能促進作物生長發育，改善植株農藝性狀，提高果實產量。桃樹施用矽鈣鉀鎂肥促進了桃樹枝條的發育，提高了桃產量，每 666． 7m 2 矽鈣鉀鎂肥用量 75kg 時產量最高，增產達 24． 98% ;矽鈣鉀鎂肥能顯著增加香蕉葉片葉綠素含量和生物量，提高香蕉產量 5． 64%，以粉狀矽鈣鉀鎂肥品種效果較好 ;紅棗施用矽鈣鉀鎂肥後葉片長、寬及葉面積明顯提高，果實產量比對照增加 21． 8% 。
2． 3 對果實品質的影響
研究表明，矽鈣鉀鎂肥在提高作物產量的同時，果實品質也得到明顯改善。施用矽鈣鉀鎂肥能明顯提高葡萄的單果重、可溶性糖含量，其中最高處理分別提高 52． 7% 和 14． 5%，矽鈣鉀鎂肥用量以每666． 7m 2 用量 100kg 為適宜 。施用矽鈣鉀鎂後蘋果果實 Vc 和可溶性糖含量分別提高21． 9%和19%，且果形端正，大小均勻，果實著色率提高 34． 2%，優果率提高 25． 6%，裂果、縮果、苦痘、畸形果明顯減少，果實品質明顯改善 。慄方亮等 研究表明，施用矽鈣鉀鎂肥不僅能增加蜜柚果實可溶性糖、維生素 C 等物質含量，還能降低果實酸度，提高果實糖酸比，其效果優於石灰和鈣鎂磷肥等肥料。
2． 4 施用技術
矽鈣鉀鎂肥呈鹼性，在土壤中易被土壤溶液中的酸及作物根系分泌的酸逐漸分解被作物吸收利用。矽鈣鉀鎂肥中營養元素是枸溶性的(枸溶性肥料一般難溶於水，但可溶於 2%檸檬酸)，作基肥比作追肥好，深施比淺施好，肥料應施到根系分布最多的土層，儘量不作根外施肥 。秦旭等 連續 5 年以穴施、樹盤撒施並深翻、沿行條施、放射狀溝施 4 種方式增施矽鈣鉀鎂肥試驗表明，每 666． 7m 2 施用 75kg 矽鈣鉀鎂肥能提高桃品質、改善土壤理化性狀，綜合效果以均勻撒施並深翻的效果為好;在櫻桃上研究顯示，矽鈣鉀鎂肥土壤調理劑可在秋季或春季施用時，每666． 7m 2 施用75kg，樹盤撒施並深翻20cm，且最好連續施用，並根據土壤情況決定施用年限。金正大生態工程集團股份有限公司通過在山東及南方七省 3年定位試驗，建議果樹施用矽鈣鉀鎂肥時均勻撒到樹盤內，耕翻 20cm，並避免其與作物根系、酸性肥料直接接觸，每 666． 7m 2 用量 75 ～ 100kg，但實際應用中要根據土壤地力水平和 pH 值調整。
3 矽鈣鉀鎂肥土壤調理劑的發展前景
矽鈣鉀鎂肥合理使用可有效阻止土壤酸化進程，調節土壤 pH，提高和活化土壤養分，改善果樹生長發育，提高果實產量和品質，對於提升酸化土壤生產力、提高磷鉀資源利用水平和促進農業可持續發展具有重要意義。近年來貴州大學、中國科學院、華南理工大學及金正大生態工程集團股份有限公司等研究機構及企業不斷攻克技術難題，創新矽鈣鉀鎂肥生產工藝及裝備，實現了磷鉀資源的綜合開發和高效利用，且整個生產過程生態環保、清潔無汙染。
雖然矽鈣鉀鎂肥使用效果優良，適用範圍較廣，但在實際開發推廣應用中，仍存在運輸半徑小、企業自身力量薄弱等問題，需要加強政企對接，加大其推廣範圍和力度 。一方面，政府可以通過專項資金、銀行貸款、財政補貼等方式，並制定相關政策，鼓勵支持矽鈣鉀鎂肥等新型土壤調理劑產品進入市場;另一方面，相關研究機構和磷肥化工企業可以在原料選擇與處理、反應機制和工藝技術優化方面進行深入研究 ，指導和建設一批大規模高質量的矽鈣鉀鎂肥等土壤調理劑工業化生產示範裝置，促進矽鈣鉀鎂肥等土壤調理劑產品的大範圍推廣應用，推進磷鉀資源的綜合開發利用並產業化。