長期自然因素作用下赤泥土壤化演化特征分析

高燕春 牟勇霖 王明明 劉愛菊

(1.淄博市數字農業農村發展中心,山東 淄博 255000;2.山東理工大學資源與環境工程學院，山東 淄博 255049)

赤泥是氧化鋁工業生產過程中產生的高堿性廢棄物，綜合利用難度大。目前，赤泥資源化利用與處置問題已成為困擾氧化鋁行業發展的世界性難題[1-3]。赤泥土壤化技術主要是根據赤泥的具體成分和理化性質，通過添加改良劑降低赤泥的堿性，使其具備植物生長的基本條件，并篩選出適合大規模種植的植物，從而達到低成本對赤泥進行無害化處理的效果[2,4]。近年來，赤泥土壤化處置作為一種消耗量大、處置成本低廉的赤泥綜合利用新途徑，引起了國內外相關學者廣泛關注[2,4-6]。

中鋁山東有限公司的第一赤泥堆場始建于1954年，占地45萬m2，赤泥堆存量約3000萬m3,見圖1。2010年公司開始對其進行閉庫治理，即對部分堆場頂面進行裂縫處理、頂面覆土，對邊坡進行綠化，主要目的是根除防洪排洪隱患，消除揚塵污染。但是，對于自然條件下該堆場赤泥理化性質變化及演變規律及其土壤化修復的潛力，尚缺乏系統監測數據。

圖1 山鋁赤泥堆場

為此，本文選擇山東鋁業第一赤泥堆場為對象，采用野外采樣和室內分析相結合的方法，對代表不同堆存年代的赤泥礦物成分及其土壤學理化特性進行了分析測定，以期為赤泥堆場的土壤化處置及其生態修復提供技術支撐。

1 樣品采集及研究方法

1.1 采樣點及采樣方法簡介

本文根據山鋁第一堆場赤泥堆置時間，選擇了自然條件基本一致的8個堆層,見圖1，8個堆層分別是K1：赤泥堆置年限為5a左右；K2：赤泥堆置年限為10a左右；K3：赤泥堆置年限為15a左右；K4：赤泥堆置年限為20a左右；K5：赤泥堆置年限為30a左右；K6：赤泥堆置年限為40a左右；K7：赤泥堆置年限為50a左右；K8：赤泥堆置年限為60a左右。赤泥樣品采集時間為2016年4月25—26日。根據赤泥堆場堆置時間的不同，選擇了環境條件基本一致的8個堆層，每個堆層設置3個取樣點，每個點位采用梅花形采樣并混合均勻[7]；采用便攜式采樣土鉆，取表層樣(0～20cm)，分別裝入樣品袋中，帶回實驗室進行樣品分析。

1.2 樣品理化性質分析方法

本文選擇pH、比重、持水能力、電導率、有機質等土壤基本理化指標表征自然堆存狀態下赤泥土壤化演化特征。相關指標的分析測定，參照《土壤農化分析方法》中相關方法進行[8]。赤泥粒徑分析采用激光粒度分析法；采用粉末壓片-X射線熒光光譜法對赤泥組分進行分析；采用X射線粉晶衍射儀(XRD)對赤泥的物質組成進行分析。

2 結果與討論

2.1 赤泥元素組成分析

為分析堆存時間對赤泥理化特征的影響，本研究采用粉末壓片XRF法對不同堆存年代的赤泥的元素組成進行了分析，結果見表1。

表1 不同堆存時間赤泥的化學組成分析

不同堆存時間赤泥的化學組成分析結果表明，各堆存時間的赤泥樣品的主要成分均為CaO、SiO2、Fe2O3、Al2O3和TiO2等，其余部分均以R2O為主。由此可知，隨著堆存時間延長，山鋁第一赤泥堆場中赤泥的SiO2、Al2O3、CaO、MgO等化學成分的組成未發生明顯變化；然而，其苛堿成分(如Na2O、K2O)的所占比例則隨著堆存時間的增加呈現先降低后逐漸趨于穩定的變化趨勢。分析其原因，可能與赤泥中這2種化學組分主要以非晶體礦物存在，且具有較高的水溶性，容易受降水淋溶作用的影響相關。

2.2 赤泥礦物組成

不同堆存時間的赤泥的X射線圖譜見圖2，初步分析表明，其主要物相以方解石和鈣鐵硅酸鹽類的礦物為主,還有少量非晶物質。X衍射分析中還有一些礦物相沒有顯示其特征譜,如Al2O3·nH2O、SiO2·nH2O、Ca(OH)2、FeS(或FeSx)、Al2O3·CaCO3·nH2O等。分析其原因，可能是其含量太少,或呈膠狀礦物,也或是譜線重疊難以分辨的緣故[9]。另外，燒結法赤泥中的礦物主要來源于熟料高溫反應形成的不溶性礦物和溶出過程的水化、水解產生的衍生物、水合物以及二次副反應所形成的新生礦物。隨著堆存時間的延長，受淋溶等自然因素的影響，這些溶出性礦物組分的特征譜線也會越來越不明顯[9]。

圖2 不同堆存時間赤泥的X射線衍射圖譜

2.3 赤泥物理特性變化分析

本文以山鋁的赤泥堆場為例，參考常規土壤理化指標，對長期自然狀態堆存過程中赤泥的土壤華演化特征進行了分析，結果見表2。

表2 不同堆存時間的赤泥物理特性

由表2可知，赤泥比重與堆存時間呈線性關系，即隨著堆存時間的增長逐漸增加，變化范圍為1.51～2.70mg·m-3，堆存40a以上的赤泥比重逐漸接近一般土壤的比重(2.6～2.8mg·m-3)[10]。土壤比重的大小主要取決于土壤固相組成物質的種類和相對含量，由此可推測，自然因素的作用下赤泥物相組成的演化是促進赤泥基質比重變化的重要因素。且赤泥XRD分析也驗證了這一結論，即由圖2可知，隨著堆存時間的延長，其XRD圖譜中物質峰的數量也逐漸減少。

隨著堆存時間延長，赤泥容重未發生顯著的變化；雖然赤泥的孔隙率隨著堆積時間的延長有明顯的增加趨勢，但總體來說，自然因素作用對赤泥容重及其孔隙率改善作用較小。而相比之下，不同堆積時間的赤泥持水能力差異性較大，堆存時間小于10a的赤泥樣品的持水量可達70%左右，而堆存30a、40a左右的赤泥，其持水量降至40%左右，堆存50a以上的赤泥，其持水量在50%，見表2,持水能力略有上升。分析其原因，新生赤泥由于顆粒細，比表面高而具有很強的富水性能，吸濕性強，含水率高[11]，但長期堆存過程中，受自然因素作用赤泥成分組成和粒徑變化，導致其顆粒物的分子引力所吸持水分能力的降低，顆粒間孔隙所產生的毛細管引力的持水能力增加。

燒結法產生的赤泥由極細顆粒組成的松散聚積體，顆粒粒度一般幾微米到幾十微米，不具備構成土壤基本結構的條件[9]。但是，隨著堆存時間的增加，粒徑<0.002mm的顆粒所占百分比逐漸減少，而粒徑在0.02～2mm具有水穩定性大團聚體顆粒所占百分比則逐漸增加，這表明在自然因素的作用下，赤泥中水穩定型的團聚體顆粒逐漸形成。

以上分析結果表明，隨著堆存時間延長，在自然因素作用赤泥的物理特性逐漸趨于自然土壤相關指標值，表明山鋁燒結法赤泥具有土壤化演化和改良的潛力。

2.4 赤泥pH、鹽度及有機質含量變化分析

pH、鹽堿性以及有機質含量變化，是表征赤泥土壤化演化的重要指標[8]。為此，本文針對長期自然因素作用下赤泥pH、鹽度以及有機質含量的變化進行初步分析，結果見圖3～5。

圖3 赤泥pH值隨堆存時間的變化趨勢

貧瘠土壤的有機質含量可能與一些耐受植物的生長相關。本研究在對山鋁赤泥堆場進行采樣分析的同時，也對赤泥堆場邊坡上植物群落進行了初步的調查。結果表明，與綠化的邊坡相比，未進行邊坡綠化的坡面植物種類相對較少，植被覆蓋率比較低，但也有一些植物種類的生長，呈現由上而下植物種類和數量逐漸增加，甚至堆場底部接近地表處的呈雜草橫生的景象，見圖1。即堆場赤泥pH值及其高鹽堿性是限制赤泥堆場植被綠化的關鍵因素[12,13]。由圖3、圖4可知，自然堆存條件下，赤泥pH及鹽堿度隨著堆存時間的延長均呈現顯著下降的趨勢，其理化環境條件逐漸接近土壤的基本環境條件。其中，赤泥pH值由12.07下降至9.87，下降趨勢顯著；相應的，赤泥鹽度也發生相似的變化趨勢，即堆存5a以內，電導率為1.5mS·cm-1，堆存10～20a，電導率降至0.85mS·cm-1左右，20a以后，電導率基本維持在0.7mS·cm-1左右，見圖4。推測其原因，主要是隨時間推移受降水淋溶及風化作用的影響，赤泥中的某些水溶性化學組分發生淋溶性遷移或化學形態改變，從而使赤泥的鹽堿度逐漸趨于穩定。

圖4 赤泥鹽度隨堆存時間的變化趨勢

堆存5a赤泥樣品中有機質含量不足0.1%；隨著堆存時間的延長，赤泥樣品中有機質含量逐漸增加，堆存60a赤泥樣品的有機質含量達到了0.8%左右，見圖5，接近邊坡植物群落的分布與其有機質含量的變化具有明顯的一致性。由此可推測，耐受植物的生長是提升赤泥基質土壤肥力的主要貢獻者。

圖5 赤泥有機質含量隨堆存時間的變化

3 結論與展望

本文通過對山鋁第一赤泥堆場不同堆層赤泥的物理化學性質的取樣分析發現，在自然因素作用下，隨著堆存時間的延長，赤泥比重、容重、孔隙率、持水性以及粒徑組成等物理特性逐漸趨于土壤相關指標值；赤泥的pH、鹽度等化學指標表現為先下降后趨于穩定的變化趨勢；有機質含量則表現為逐漸升高的趨勢。研究結果表明，山鋁燒結法赤泥具有較好的土壤化改良潛力。這為今后赤泥規模化土壤化生態處置研究奠定了理論基礎。