氧化鋁赤泥堆場(chǎng)團(tuán)聚體的分形特征

朱 鋒，韓福松，薛生國(guó)，郭 穎，李 萌，廖嘉欣

（1. 中南大學(xué) 冶金與環(huán)境學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083；2. 中南大學(xué) 國(guó)家重金屬污染防治工程技術(shù)研究中心，長(zhǎng)沙 410083）

氧化鋁赤泥堆場(chǎng)團(tuán)聚體的分形特征

朱 鋒1， 2，韓福松1，薛生國(guó)1， 2，郭 穎1，李 萌1，廖嘉欣1

（1. 中南大學(xué) 冶金與環(huán)境學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083；2. 中南大學(xué) 國(guó)家重金屬污染防治工程技術(shù)研究中心，長(zhǎng)沙 410083）

以赤泥堆場(chǎng)為研究對(duì)象，采用分形學(xué)理論，研究不同堆存年限赤泥團(tuán)聚體粒徑分布與赤泥理化性質(zhì)（容重、孔隙度、pH、電導(dǎo)率、可交換鹽基）的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明：隨著堆存年限的增加，赤泥理化性質(zhì)得到一定程度的改善，赤泥團(tuán)聚體的穩(wěn)定性逐步增加；赤泥團(tuán)聚體分形維數(shù)為2.70～2.85，隨堆存年限的增加，赤泥團(tuán)聚體分形維數(shù)逐漸降低；赤泥團(tuán)聚體分形維數(shù)與赤泥理化性質(zhì)和團(tuán)聚體穩(wěn)定性均呈顯著相關(guān)性，表明分形維數(shù)能夠很好地表征赤泥的理化性質(zhì)和團(tuán)聚穩(wěn)定性。

赤泥；赤泥堆場(chǎng)；分形維數(shù)；團(tuán)聚體；土壤化

有色金屬工業(yè)為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了大量的金屬原材料，也帶來(lái)一系列影響深遠(yuǎn)的環(huán)境問(wèn)題［1］。鋁是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)必不可少的戰(zhàn)略金屬材料，與國(guó)民經(jīng)濟(jì)的關(guān)聯(lián)度高達(dá)91%，而氧化鋁是生產(chǎn)鋁的主要原材料［2］。赤泥是氧化鋁工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中排放的高堿性固體廢棄物，因其富含F(xiàn)e2O3（20%～50%）呈紅褐色，而稱(chēng)之為赤泥［3］。在氧化鋁生產(chǎn)過(guò)程中，鋁土礦中的Al2O3組分進(jìn)入溶液，而SiO2、Fe2O3、TiO2等雜質(zhì)礦物以及添加劑石灰則通過(guò)反應(yīng)以復(fù)雜化合物形式進(jìn)入渣中形成赤泥，每生產(chǎn)1 t氧化鋁產(chǎn)生 1.0～2.0 t赤泥［4］。全球積存的待處理赤泥約30億t，并以每年1.2億t的速度遞增［5］。我國(guó)是世界第一大氧化鋁生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，占全球總產(chǎn)量的39%，年產(chǎn)生赤泥6000多萬(wàn)t，迄今堆存量高達(dá)3.5億t［6］。赤泥堆存不僅占用大量土地，同時(shí)也造成周邊土壤和水體污染。由于赤泥堿性強(qiáng)、鹽分含量高、綜合利用難度大、堆場(chǎng)生態(tài)重建難，赤泥環(huán)境安全問(wèn)題已成為制約氧化鋁行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要問(wèn)題［5］。開(kāi)展赤泥土壤化處置技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)赤泥堆場(chǎng)的植被重建和生態(tài)恢復(fù)是一種有發(fā)展前景的赤泥規(guī)模化處置方法，但是赤泥理化性質(zhì)與普通土壤差異較大，物理結(jié)構(gòu)不良，嚴(yán)重影響植物根系生長(zhǎng)［7］。如何改良赤泥的物理結(jié)構(gòu)，使其轉(zhuǎn)變成為一種類(lèi)似土壤的生長(zhǎng)基質(zhì)，是赤泥堆場(chǎng)實(shí)現(xiàn)植被重建的關(guān)鍵因素之一。

土壤是由固體、液體和氣體三相物質(zhì)組成的疏松多孔體，固體顆粒（單粒和復(fù)粒）在內(nèi)外因素綜合作用下相互團(tuán)聚成一定形狀和大小且性質(zhì)不同的團(tuán)聚體（土壤結(jié)構(gòu)體），對(duì)土壤水分、空氣、熱量的運(yùn)動(dòng)和物質(zhì)的轉(zhuǎn)化產(chǎn)生重要影響［8］。良好的土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)能夠提高土壤的抗蝕性，有利于植物的生長(zhǎng)［9］。土壤團(tuán)聚體是礦物顆粒和有機(jī)物質(zhì)等結(jié)合形成的不同尺度的多孔結(jié)構(gòu)單元，是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，也是土壤結(jié)構(gòu)形成的基礎(chǔ)。土壤團(tuán)聚體的大小、分布及其穩(wěn)定性影響土壤的抗侵蝕性、保水性、透氣性和生物活性，在改善土壤肥力、提高生產(chǎn)力、調(diào)節(jié)土壤環(huán)境等方面具有重要的作用。土壤粒徑分布是土壤的重要物理性狀之一，影響土壤的水力特征、土壤肥力狀況以及土壤侵蝕等。近年來(lái)，利用分型學(xué)理論描述土壤結(jié)構(gòu)特征的方法在土壤學(xué)中的應(yīng)用越來(lái)越廣，利用分形理論可以進(jìn)一步揭示土壤的其他物理化學(xué)性狀以及其對(duì)生態(tài)環(huán)境的指示意義。土壤分形特征研究的核心主要圍繞土壤顆粒分形維數(shù)展開(kāi)，土壤顆粒的分形維數(shù)主要用于描述土壤的質(zhì)地及與土壤物理性質(zhì)的聯(lián)系，分形維數(shù)的大小能夠反映土壤質(zhì)地中粘粒、粉粒和砂粒含量變化［10］。目前，關(guān)于土壤顆粒分形維數(shù)的計(jì)算方法有很多。其中，TURCOTTE［11］采用土壤粒徑分布的數(shù)量來(lái)計(jì)算土壤顆粒的分形維數(shù)，但其顆粒的數(shù)量難以直接通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到，同時(shí)其數(shù)值會(huì)受到假設(shè)和實(shí)際符合程度的影響，進(jìn)而影響了分形維數(shù)D的準(zhǔn)確計(jì)算。楊培嶺等［12］選用土壤粒徑的質(zhì)量分布取代體積和數(shù)量來(lái)計(jì)算土壤的分形維數(shù)，操作簡(jiǎn)單準(zhǔn)確，被廣泛應(yīng)用在不同類(lèi)型土壤粒徑分形維數(shù)與土壤理化性質(zhì)的研究中，但是在金屬礦冶區(qū)廢棄地基質(zhì)的分形維數(shù)方面研究未見(jiàn)報(bào)道。

赤泥團(tuán)聚結(jié)構(gòu)較差，難以支撐原生植物的生長(zhǎng)。改良劑的添加能夠改良赤泥的物理結(jié)構(gòu)，但資源消耗較大，且難以在堆場(chǎng)上實(shí)現(xiàn)較為穩(wěn)定的植被［11］。原生演替雖然時(shí)間較長(zhǎng)，但無(wú)需人力財(cái)力介入，在廢棄礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)過(guò)程中對(duì)周邊的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)較小［13］。SANTINI等［14］通過(guò)對(duì)圭亞那某堆存超過(guò)30年的赤泥堆場(chǎng)進(jìn)行野外生態(tài)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，不需要采取人工措施，自然風(fēng)化過(guò)程也能夠改良赤泥的相關(guān)理化特性，進(jìn)而支持自然植被的定植。COURTNEY等［15］通過(guò)對(duì)人工改良赤泥的研究指出赤泥成土過(guò)程中容重、孔隙度、水穩(wěn)性團(tuán)聚體等物理參數(shù)均可作為赤泥堆場(chǎng)土壤形成的參考指標(biāo)。由于在原生演替過(guò)程中，赤泥基質(zhì)逐漸向類(lèi)似土壤的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，通過(guò)分形理論來(lái)定量描述赤泥土壤化過(guò)程中赤泥團(tuán)聚體粒徑分布，可以更好地評(píng)價(jià)赤泥團(tuán)粒結(jié)構(gòu)及其團(tuán)聚穩(wěn)定性。

2013～2014年對(duì)中國(guó)典型氧化鋁企業(yè)赤泥堆場(chǎng)進(jìn)行生態(tài)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)華中某氧化鋁企業(yè)20年的赤泥堆場(chǎng)上鄉(xiāng)土植物開(kāi)始入侵，已出現(xiàn)土壤化現(xiàn)象［9］。國(guó)內(nèi)外從赤泥風(fēng)化過(guò)程中物理團(tuán)聚結(jié)構(gòu)及其顆粒分形的相關(guān)研究未見(jiàn)報(bào)道。本文作者以赤泥堆場(chǎng)作為研究對(duì)象，應(yīng)用顆粒分形模型對(duì)不同堆存年限赤泥的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)分布進(jìn)行研究，探討赤泥團(tuán)聚體的分形特征，為實(shí)現(xiàn)赤泥土壤化和堆場(chǎng)植被重建提供理論支撐。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域位于華中某氧化鋁企業(yè)赤泥堆場(chǎng)，該區(qū)域?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，春夏秋冬四季分明。年平均溫度14 ℃，年平均降水量560 mm。氧化鋁工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中排放的赤泥由高架管道運(yùn)輸?shù)匠嗄喽褕?chǎng)，堆場(chǎng)中心的赤泥通過(guò)機(jī)械外翻的方式堆砌在赤泥庫(kù)邊，新鮮的赤泥進(jìn)而排放到赤泥堆場(chǎng)的中間，長(zhǎng)此以往，形成椎狀階梯形的赤泥庫(kù)。目前，赤泥庫(kù)已經(jīng)閉庫(kù)，在明確不同階梯層赤泥的堆存時(shí)間后，選取5個(gè)不同堆存年限的區(qū)域，開(kāi)展生態(tài)調(diào)查和赤泥樣品采集。

1.2 樣品采集

2014年8～9月對(duì)赤泥庫(kù)區(qū)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)查，選取堆存1年赤泥（Z1），堆存4年赤泥（Z2），堆存6年赤泥（Z3），堆存10年赤泥（Z4）和堆存20年赤泥（Z5） 5塊區(qū)域進(jìn)行樣品采集，其中堆存20年赤泥上出現(xiàn)草本植物的自然定植。每塊區(qū)域選取3個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行采集，深度0～20 cm，每個(gè)點(diǎn)位采用梅花形采樣法進(jìn)行采樣并混合均勻。此外，每個(gè)點(diǎn)位均用環(huán)刀進(jìn)行采樣，用于分析赤泥容重和孔隙度。樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)自然風(fēng)干后，去除石礫及植物根系，過(guò)孔徑2 mm篩備用。

1.3 赤泥理化性質(zhì)分析

容重（Bρ）采用環(huán)刀法進(jìn)行測(cè)定，顆粒密度（Pρ）采用比重瓶法測(cè)定，其總孔隙度Pp通過(guò)下列公式計(jì)算得出［12］：

式中：Bρ為容重；Pρ為顆粒密度。

赤泥含水量的測(cè)定采用烘干稱(chēng)取質(zhì)量法［16］。pH值使用雷磁PHS-3C型pH計(jì)測(cè)定，電導(dǎo)率（EC）使用DDS-307型電導(dǎo)率儀測(cè)定，可交換鹽基（鈣、鎂、鉀、鈉）經(jīng)醋酸銨提取后采用ICP-AES測(cè)定，可交換鈉離子含量（γ）通過(guò)下列公式計(jì)算得出［17］：

1.4 赤泥團(tuán)聚體分析

赤泥樣品采用濕篩法測(cè)定。稱(chēng)取50 g風(fēng)干赤泥樣品小心放于濾紙上，然后沿濾紙慢慢加水，直至赤泥樣品達(dá)到飽和狀態(tài)。將飽和的赤泥樣品小心放于水桶內(nèi)最上層套篩中，慢慢浸沒(méi)并小心傾倒入套篩上。本組套篩設(shè)置3個(gè)篩子（孔徑分別為1 mm，0.25 mm和0.05 mm）。將套篩放在震蕩機(jī)上，震蕩2 min后取出套篩。將留在各級(jí)篩子上的團(tuán)聚體用去離子水輕輕洗入燒杯中，烘干稱(chēng)取質(zhì)量。團(tuán)聚體的平均質(zhì)量直徑和幾何平均直徑）的計(jì)算公式如下［18］：

1.5 團(tuán)粒結(jié)構(gòu)分形維數(shù)的計(jì)算

赤泥團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)應(yīng)用楊培嶺等［19］提出的用粒徑的質(zhì)量分布表征的土壤分形模型來(lái)計(jì)算。其團(tuán)聚體顆粒質(zhì)量分布于平均粒徑的分形關(guān)系式為

式中：D為赤泥團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)；wi為直徑小于di的累積質(zhì)量分?jǐn)?shù)；w0為赤泥團(tuán)聚體樣品總質(zhì)量分?jǐn)?shù)；為相鄰粒級(jí)di和di+1之間團(tuán)聚體平均直徑；為最大粒級(jí)赤泥團(tuán)聚體平均直徑。計(jì)算赤泥團(tuán)聚體粒徑的分形維數(shù)D時(shí)，首先求出赤泥樣品不同粒徑團(tuán)聚體的）和值，然后通過(guò) SPSS 19.0進(jìn)行線性回歸分析，求得其斜率K，最終赤泥團(tuán)聚體粒徑的分形維數(shù)的計(jì)算公式為

1.6 數(shù)據(jù)處理與分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010，SPSS version 19.0和Origin8.0處理。赤泥樣品數(shù)據(jù)均采用單因素方差分析（ANOVA）和方差齊性檢驗(yàn)，在假設(shè)方差齊性條件下采用 Duncan（D）檢驗(yàn)，在未假設(shè)方差齊性條件下采用Dunnett's T3檢驗(yàn)。所有圖表均通過(guò)Origin 8.0進(jìn)行繪制。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同堆存年限赤泥理化性質(zhì)的變化

赤泥較差的物理結(jié)構(gòu)、營(yíng)養(yǎng)元素的缺失和較高的鹽堿性是限制赤泥堆場(chǎng)植物生長(zhǎng)的主要因素。表1所列為不同堆存年限赤泥的理化性質(zhì)。從表1可以看出，赤泥容重較大，不利于植物根系的生長(zhǎng)；有機(jī)碳含量較低，難以提供植物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)元素。此外，較高的pH和鹽分也使得植物難以在赤泥堆場(chǎng)上存活。隨著堆存年代的增加，赤泥容重逐漸降低，有機(jī)碳含量逐漸增加。同時(shí)，赤泥的鹽堿性也得到了一定的改善，pH由10.98下降到9.45，電導(dǎo)率由3.73 mS/cm下降到0.36 mS/cm，可交換鈉鹽含量也在顯著下降。赤泥堆場(chǎng)表層的赤泥在干濕凍融以及外界氣候條件下，其顆粒組成可能會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致其容重和孔隙度的改變。赤泥中可溶性堿性物質(zhì)的溶出以及不溶性堿性物質(zhì)的部分溶解，是赤泥自然堆存過(guò)程中pH逐漸降低的潛在原因。JONES等［17］指出，隨著堆存時(shí)間的增加，赤泥中的氧化鈣逐漸風(fēng)化成方解石，這也可能是赤泥pH降低的可能原因。此外，自然淋溶過(guò)程中可交換陽(yáng)離子的浸出以及鈣-鈉離子的交換，導(dǎo)致赤泥的鹽分含量逐漸降低［14］。此外，鄉(xiāng)土植物的生長(zhǎng)和根際微生物的新陳代謝活動(dòng)也可能是赤泥相關(guān)理化性質(zhì)逐漸改良的原因之一。

2.2 不同堆存年限赤泥團(tuán)聚體粒徑組成

良好的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)對(duì)于植物的正常生長(zhǎng)至關(guān)重要。在濕篩條件下，赤泥團(tuán)聚體顆粒以＜0.05 mm為主，其含量在30%～55%之間，而1～2 mm團(tuán)聚體含量最少，其含量不超過(guò)15%（見(jiàn)表2）。原生赤泥團(tuán)聚體（Z1）顆粒較細(xì)，＜0.05 mm粒徑團(tuán)聚體含量達(dá)到53.35%。隨著堆存年代的增加，1～2mm和0.25～1 mm水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量顯著增加，而＜0.05 mm團(tuán)聚體含量有一定程度的下降。自然堆存過(guò)程中，雨水的浸透和風(fēng)力的侵蝕作用可能對(duì)于赤泥顆粒的再團(tuán)聚具有積極的作用，細(xì)小的顆粒在一定條件下團(tuán)聚形成較大的顆粒，并且形成較大的孔隙［20］。植物根系能夠提供有機(jī)碎片，釋放多價(jià)金屬離子，進(jìn)而促進(jìn)微小顆粒的絮凝，微生物通過(guò)礦化大分子量的化合物提供土壤酶，并釋放胞外多糖也能夠膠結(jié)土壤顆粒［21］，進(jìn)而可能導(dǎo)致堆存 20年赤泥水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量顯著增加。

表1 不同堆存年限赤泥的理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of bauxite residues in different stacking ages

表2 不同堆存年限赤泥團(tuán)聚體粒徑組成Table 2 Aggregate fraction distribution of bauxite residues in different stacking ages

2.3 不同堆存年限赤泥團(tuán)聚體穩(wěn)定性及分形特征

應(yīng)用回歸分析法可以計(jì)算得到不同堆存年限赤泥團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的粒徑分布的分形維數(shù)D。不同堆存年限赤泥團(tuán)聚體粒徑分布的分形維數(shù)均在2.70～2.85之間（見(jiàn)圖1（b））。由于赤泥顆粒也是一種分散的多孔介質(zhì)，相比于土壤，其結(jié)構(gòu)性狀也具有統(tǒng)計(jì)意義上的自相似性質(zhì)。隨著堆存年代的增加，赤泥團(tuán)聚體粒徑分布的分形維數(shù)逐漸降低，表明赤泥團(tuán)聚體粒徑在逐漸增大，赤泥團(tuán)聚結(jié)構(gòu)在逐步改善。

3 分析與討論

圖1 不同堆存年限赤泥團(tuán)聚體穩(wěn)定性與分形維數(shù)（n=3）Fig. 1 Aggregates stability and fractal dimension of bauxite residues in different stacking ages （n=3）

赤泥團(tuán)聚結(jié)構(gòu)粒徑分布的分形維數(shù)取決于赤泥不同粒徑團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。在自然堆存過(guò)程中，赤泥水穩(wěn)性團(tuán)聚體的粒徑分布與赤泥的相關(guān)理化性質(zhì)都存在著一定程度的關(guān)聯(lián)，如赤泥的容重、孔隙度、鹽堿性等。

3.1 赤泥團(tuán)聚體分形特征與容重和孔隙度的關(guān)系

土壤容重和孔隙度是土壤物理性狀的重要指標(biāo)，能夠體現(xiàn)土壤的松緊狀況，影響土壤的水熱狀況、保肥性和透氣性等。不同堆存年限赤泥團(tuán)聚體分形維數(shù)與其容重和孔隙度的相關(guān)性見(jiàn)圖2。從圖2中可以看出，分形維數(shù)D與容重成顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.862**，P＜0.01），而與孔隙度成顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（r=-0.679**，P＜0.01）。表明赤泥團(tuán)聚體分形維數(shù)可以為赤泥的物理性狀提供一定的參考價(jià)值，容重越大，孔隙度越小，分形特征越明顯。赤泥團(tuán)聚體粒徑分布的分形維數(shù)越高，表明赤泥團(tuán)粒結(jié)構(gòu)越緊實(shí)，顆粒間的孔隙越小，赤泥孔隙度降低，容重增加。隨著堆存年限的增加，赤泥團(tuán)聚體粒徑逐漸增大，赤泥中較大的團(tuán)聚體含量逐漸增加，從而使赤泥的孔隙度增大，因此赤泥團(tuán)聚體分形維數(shù)與其孔隙度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。姚晶晶等［23］指出，土壤分形維數(shù)不但可以在一定程度上反應(yīng)土壤密度和毛管孔隙度的變化，也能夠很好地反映土壤總孔隙的變化。

圖2 赤泥團(tuán)聚體分形維數(shù)（D）與容重和孔隙度的相關(guān)性Fig. 2 Relationship between fractal dimension （D） with bulk density and porosity of bauxite residues

3.2 赤泥團(tuán)聚體分形特征與赤泥鹽堿性的關(guān)系

赤泥較高的鹽堿性導(dǎo)致植物難以在赤泥堆場(chǎng)上定植。較高的鹽堿性也不利于赤泥顆粒的團(tuán)聚，嚴(yán)重影響赤泥物理結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。不同堆存年限赤泥團(tuán)聚體分形維數(shù)與其pH、電導(dǎo)率、可交換鈉離子含量和可交換鈉離子比的相關(guān)性見(jiàn)圖3。從圖3中可以看出，分形維數(shù)D與pH、電導(dǎo)率、可交換鈉鹽和可交換鈉離子比均呈正相關(guān)關(guān)系（r=0.819**，r=0.915**，r=0.894**，r=0.866**；P＜0.01）。pH、電導(dǎo)率和可交換鈉離子是影響土壤微小顆粒的分散或絮凝的主要因素。堿性條件下，較高的 pH和可交換鈉鹽含量均利于顆粒的分散［24］。大量可交換鈉離子的存在無(wú)法在土壤膠體雙電層中形成離子橋，從而使其晶格膨脹，促使土壤膠體中聚合物和黏粒的分散。隨著堆存年限的增加，赤泥的堿性和可交換鈉離子含量逐漸下降，赤泥中可溶性鹽逐漸流失，赤泥中微小顆粒得到凝聚，使得較大團(tuán)聚體含量逐步增加，團(tuán)聚體粒徑慢慢增大，從而使其分形維數(shù)也呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。赤泥團(tuán)聚體分形維數(shù)能夠較好的表征赤泥的鹽堿性，堿性越強(qiáng)，電導(dǎo)率越高，赤泥的分形特征越明顯。

3.3 赤泥團(tuán)聚體分形特征與團(tuán)聚體穩(wěn)定性的關(guān)系

赤泥團(tuán)聚體粒徑分布的分形維數(shù)能夠在一定程度上反映赤泥水穩(wěn)性團(tuán)聚體及水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量對(duì)赤泥結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的影響趨勢(shì)，分形維數(shù)越高，表明赤泥水穩(wěn)性團(tuán)聚體及水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量越低，赤泥結(jié)構(gòu)越緊實(shí)，通透性越差，分形維數(shù)越低，表明赤泥中水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量越多，赤泥的物理結(jié)構(gòu)和團(tuán)聚體穩(wěn)定性越好。隨著堆存年限的增加，赤泥中水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量逐漸增多，赤泥團(tuán)聚體水穩(wěn)性逐漸增加，同時(shí)大團(tuán)聚體含量的增加導(dǎo)致赤泥團(tuán)聚體分形維數(shù)的降低。表明赤泥團(tuán)聚體分形維數(shù)與團(tuán)聚體穩(wěn)定性能夠成一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系。GHANBARIAN等［25］運(yùn)用分形模型對(duì)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)分形維數(shù)與土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性具有明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系，分形維數(shù)能夠作為一個(gè)指標(biāo)表征土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性。AHMADI等［26］應(yīng)用多個(gè)分形模型探究土壤分形維數(shù)與團(tuán)聚體穩(wěn)定性的相關(guān)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)分形維數(shù)與土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性和抗蝕性有極好的相關(guān)關(guān)系，相比于平均質(zhì)量直徑）和幾何平均直徑）等團(tuán)聚體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)，分形維數(shù)能夠更好地表征土壤的穩(wěn)定性和抗蝕性。從圖4中可以看出，赤泥團(tuán)聚體粒徑分布分形維數(shù)與平均質(zhì)量直徑和幾何平均直徑均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（r=-0.956**，r=-0.944**；P＜0.01），表明分形維數(shù)能夠客觀的表征赤泥中水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量及團(tuán)聚體粒徑大小組成，進(jìn)而反映赤泥團(tuán)粒的結(jié)構(gòu)形狀及其水穩(wěn)性，為赤泥團(tuán)聚體穩(wěn)定性及抗蝕性等物理性狀評(píng)價(jià)方面提供了一個(gè)新的指標(biāo)。

圖3 赤泥團(tuán)聚體分形維數(shù)（D）與赤泥鹽堿性的相關(guān)性Fig. 3 Relationship between fractal dimension （D） with alkalinity and salinity of bauxite residues

圖4 赤泥團(tuán)聚體分形維數(shù)（D）與團(tuán)聚體穩(wěn)定性的相關(guān)關(guān)系Fig. 4 Relationship between fractal dimension （D） with aggregates stability of bauxite residues

4 結(jié)論

1） 隨著堆存年限的增加，赤泥的容重降低、有機(jī)碳含量上升、可交換鈉鹽含量下降、pH值降低，理化性質(zhì)得到改善，團(tuán)聚體穩(wěn)定性逐步增強(qiáng)。

2） 赤泥團(tuán)聚體分形維數(shù)D為2.70～2.85，隨著堆存年代的增加，水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量逐漸升高，分形維數(shù)逐漸降低。

3） 赤泥團(tuán)聚體分形維數(shù)D與赤泥的理化性質(zhì)（容重、孔隙度、pH、電導(dǎo)率和可交換鈉離子比等）均呈顯著相關(guān)關(guān)系，表明赤泥團(tuán)聚體分形維數(shù)能夠很好的反映赤泥的相關(guān)理化性質(zhì)。

4） 赤泥團(tuán)聚體分形維數(shù) D與赤泥團(tuán)聚體穩(wěn)定性呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明分形維數(shù)能夠很好地表征赤泥的物理結(jié)構(gòu)性狀，這對(duì)構(gòu)建赤泥分形維數(shù)與團(tuán)聚結(jié)構(gòu)、水肥條件的定量關(guān)系模型具有重要意義，也為赤泥堆場(chǎng)土壤化處置和植被重建提供科學(xué)參考。

致謝：

感謝英國(guó) Harper Adams University的 William Hartley博士對(duì)論文Abstract進(jìn)行潤(rùn)色修改！

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（編輯 李艷紅）

Fractal characteristics of bauxite residue aggregates in red mud yard

ZHU Feng1， 2， HAN Fu-song1， XUE Sheng-guo1， 2， GUO Ying1， LI Meng1， LIAO Jia-xin1
（1. School of Metallurgy and Environment， Central South University， Changsha 410083， China；2. Chinese National Engineering Research Center for Control and Treatment of Heavy Metal Pollution，Central South University， Changsha 410083， China）

In order to quantitatively explore the physical structure of the residues， the fractal theory was used to measure the relationship between aggregate fractal dimension and physico-chemical properties of bauxite residues. The results show that， with the stacking age increasing， the physico-chemical properties are ameliorated， whilst the improvements in aggregates are observed. Under natural soil-forming processes， the fractal dimension decreases gradually， ranging from 2.85 to 2.70. The fractal dimension is positively correlated with bulk density， pH， electrical conductivity， and the exchangeable sodium percentage （r=0.862， r=0.819， r=0.915， and r=0.866， respectively； P＜0.01）， and is negatively correlated with the porosity， the mean mass diameter） and geometric mean diameter） （r=-0.679， r=-0.956 and r=-0.944， respectively； P＜0.01）. It is proposed that aggregate fractal dimension may be used as a new indicator to evaluate physical conditions， such as aggregate stability and erosion durability of bauxite residues.

bauxite residues （red mud）； red mud yard； fractal dimension； aggregates； soil formation

Project（41371475） supported by the National Natural Science Foundation of China； Project （201509048） supported by the Environmental Protection's Special Scientific Research for Chinese Public Welfare Industry； Project（2015zzts034） supported by PhD Student Innovation Project， China

date： 2015-12-03； Accepted date： 2016-04-03

XUE Sheng-guo； Tel: +86-13787148441； E-mail: sgxue70@hotmail.com；sgxue@csu.edu.cn

X173，TF09

A

1004-0609（2016）-06-1316-08

國(guó)家自然科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目（41371475）；國(guó)家公益性（環(huán)保）行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)（201509048）；中南大學(xué)研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目（2015zzts034）

2015-12-03；

2016-04-03

薛生國(guó)，教授，博士；電話：13787148441；E-mail: sgxue70@hotmail.com；sgxue@csu.edu.cn