自然風(fēng)化過程對(duì)赤泥團(tuán)聚體有機(jī)碳組分的影響

朱 鋒,李 萌,薛生國(guó),*,鄒 奇,吳 昊,王瓊麗

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

自然風(fēng)化過程對(duì)赤泥團(tuán)聚體有機(jī)碳組分的影響

朱 鋒1,2,李 萌1,薛生國(guó)1,2,*,鄒 奇1,吳 昊1,王瓊麗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

以華中地區(qū)某氧化鋁企業(yè)赤泥堆場(chǎng)為研究對(duì)象,采集不同時(shí)間赤泥堆場(chǎng)(1a,10a,20a)0—20 cm樣品,采用物理分組方法,研究自然風(fēng)化過程對(duì)赤泥團(tuán)聚體有機(jī)碳組分的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),赤泥輕組有機(jī)碳分配比例隨堆存時(shí)間的延長(zhǎng)呈上升趨勢(shì)。重組有機(jī)碳約占赤泥總有機(jī)碳的97.24%—99.11%,以粗顆粒有機(jī)碳和礦物結(jié)合態(tài)顆粒有機(jī)碳為主。3種堆存時(shí)間(1a,10a,20a)赤泥團(tuán)聚體顆粒有機(jī)碳含量變化范圍分別為1.21—1.85、2.62—2.95、3.52—4.15 g/kg。顆粒有機(jī)碳含量在2—1 mm粒級(jí)赤泥團(tuán)聚體中最高,隨赤泥粒級(jí)減小而降低,其中礦物結(jié)合態(tài)顆粒有機(jī)碳分配比例最高,游離態(tài)顆粒有機(jī)碳分配比例最低。這表明自然風(fēng)化過程增加了赤泥有機(jī)碳組分含量,提高了赤泥中有機(jī)碳庫(kù)的穩(wěn)定性。

赤泥;自然風(fēng)化過程;輕組有機(jī)碳;重組有機(jī)碳;顆粒有機(jī)碳;土壤化

赤泥是氧化鋁工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的高堿性固體廢棄物,生產(chǎn)1.0t氧化鋁約產(chǎn)生1.0—2.0t赤泥,全球氧化鋁企業(yè)每年赤泥排放量約為1.2億t[1]。如何大規(guī)模處置赤泥成為制約國(guó)內(nèi)外氧化鋁企業(yè)可持續(xù)發(fā)展亟待解決的問題。赤泥資源化利用主要包括建筑材料的制備,有價(jià)金屬的回收和環(huán)境材料的應(yīng)用[2]。由于其較高的鹽堿性,赤泥的利用率不到10%,大量赤泥以干法堆存的方式直接排放到赤泥堆場(chǎng)[3]。截止2015年,全球赤泥堆存量已超過34億t[4]。赤泥堆存不僅占用大量土地,而且對(duì)赤泥堆場(chǎng)及其周邊環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的大氣和地表水污染[5]。赤泥土壤化是實(shí)現(xiàn)赤泥規(guī)模化、生態(tài)化處置最具前景、且行之有效的方法[6]。赤泥堿性強(qiáng),鹽分含量高,物理結(jié)構(gòu)差,嚴(yán)重限制植物生長(zhǎng)[7]。Courtney和Harrington[8]發(fā)現(xiàn)石膏和有機(jī)堆肥的添加能夠改良赤泥的理化性質(zhì),提高赤泥肥力。Jones等[9]發(fā)現(xiàn)向赤泥添加有機(jī)質(zhì)和粗顆粒材料改善赤泥的物理性狀,有利于赤泥堆場(chǎng)的植被重建。但改良劑的添加成本高昂,極易帶來二次污染,且難以形成長(zhǎng)期穩(wěn)定的植被[10]。自然風(fēng)化過程雖然周期較長(zhǎng),但形成植被較為穩(wěn)定,無(wú)二次污染[11- 12]。Santini和Fey[13]通過對(duì)圭亞那某堆存超過30a的赤泥堆場(chǎng)開展野外生態(tài)調(diào)查,發(fā)現(xiàn)無(wú)需添加外源物質(zhì),自然風(fēng)化過程也能夠改良赤泥堆場(chǎng),實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)土植物的自然演替。Zhu等[14]發(fā)現(xiàn)華中某氧化鋁企業(yè)赤泥堆場(chǎng)也出現(xiàn)了草本植物的自然定植現(xiàn)象。

赤泥土壤化是通過物理方法、化學(xué)方法和生物方法將赤泥轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N類似土壤的生長(zhǎng)基質(zhì),使其具備植被生長(zhǎng)的基本條件[4,15]。Courtney等[16]探究赤泥基質(zhì)改良過程中的土壤發(fā)生現(xiàn)象,認(rèn)為容重、孔隙度、團(tuán)聚體穩(wěn)定性等土壤物理學(xué)指標(biāo)可用于量化赤泥成土過程。Zhu等[14]研究指出,自然風(fēng)化過程中赤泥有機(jī)碳含量逐漸增加,與團(tuán)聚穩(wěn)定性呈正相關(guān)關(guān)系。目前,對(duì)于赤泥碳庫(kù)的動(dòng)態(tài)過程和穩(wěn)定機(jī)制的研究相對(duì)較少[17]。

土壤有機(jī)碳是土壤質(zhì)量和肥力的重要指標(biāo)[18]。由于土壤有機(jī)碳庫(kù)是由不同周轉(zhuǎn)周期的有機(jī)碳組分構(gòu)成,在短時(shí)間內(nèi)對(duì)于土壤質(zhì)量的變化并不敏感。通過密度分組,可以將土壤有機(jī)碳分為輕組有機(jī)碳和重組有機(jī)碳,利用粒徑分組可以分離出土壤有機(jī)碳中的顆粒有機(jī)碳(53—2000 μm)。土壤輕組有機(jī)碳和顆粒有機(jī)碳代表土壤有機(jī)碳中的非保護(hù)有機(jī)碳組分,作為土壤碳庫(kù)變化的敏感指標(biāo),可用于探究土壤碳庫(kù)的動(dòng)態(tài)變化特征[19]。依據(jù)在土壤母質(zhì)上的不同位置,土壤顆粒有機(jī)碳可以分為游離態(tài)顆粒有機(jī)碳、閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳和礦物結(jié)合顆粒有機(jī)碳[20]。有機(jī)碳的物理分組幾乎不破壞有機(jī)碳結(jié)構(gòu),分離的有機(jī)碳組分能夠有效的反映有機(jī)碳的結(jié)構(gòu)和功能,尤其是有機(jī)碳庫(kù)的周轉(zhuǎn)特征[21]。因此,采用物理分組方法分離土壤有機(jī)碳不同組分,對(duì)研究土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化和固碳機(jī)制具有重要意義。已有研究表明,自然風(fēng)化過程中有機(jī)碳含量的變化,對(duì)于赤泥物理結(jié)構(gòu)和團(tuán)聚體穩(wěn)定性具有重要作用[7]。本研究以自然風(fēng)化過程中不同堆存時(shí)間赤泥為研究對(duì)象,應(yīng)用物理密度分組方法,探究自然風(fēng)化過程對(duì)赤泥團(tuán)聚體有機(jī)碳組分分布的影響,為赤泥團(tuán)聚結(jié)構(gòu)的形成和有機(jī)碳組分的固定提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于華中某氧化鋁企業(yè)赤泥堆場(chǎng)(113°25′ E, 35°24′ N),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。全年分干、濕兩季,降水多出現(xiàn)在6—8月,1月降水量最少。氧化鋁生產(chǎn)過程中排放的赤泥由高架管道運(yùn)輸?shù)匠嗄喽褕?chǎng)。

選取3種不同堆存時(shí)間(1a,10a和20a)赤泥為研究對(duì)象,其中堆存時(shí)間為1a和10a赤泥堆場(chǎng)上均無(wú)植物生長(zhǎng),堆存時(shí)間為20a赤泥堆場(chǎng)上有少量植物生長(zhǎng),包括狗牙根(Cynodondactylon)和龍葵(Solanumnigrum)等。

2 研究方法

2.1 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1a赤泥(A),堆存10a赤泥(B)和堆存20a赤泥(C)3塊區(qū)域進(jìn)行樣品采集。每塊區(qū)域選取5個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行采集,深度0—20 cm。每個(gè)點(diǎn)位隨機(jī)選取3個(gè)重復(fù)點(diǎn)采樣,將3個(gè)重復(fù)點(diǎn)位的樣品混合均勻,采用四分法取1.5 kg左右赤泥樣品作為該點(diǎn)位表層赤泥樣品,裝入樣品袋中,并帶回實(shí)驗(yàn)室。各赤泥樣品經(jīng)自然風(fēng)干后,去除石礫及植物根系,過2 mm篩備用。

2.2 赤泥輕組有機(jī)碳含量的測(cè)定

赤泥輕組有機(jī)碳的分離采用Roscoe和Buurman的方法[22]。通過NaI重液(密度為1.8 g/cm3)分離得到赤泥輕組組分和重組組分。兩種組分有機(jī)碳含量采用碳氮元素分析儀 (VARIO MAX C/N,德國(guó)) 測(cè)定(干燒法),并計(jì)算兩種組分有機(jī)碳含量及分配比例。

2.3 赤泥重組有機(jī)碳組分含量的測(cè)定

赤泥重組有機(jī)碳的分散采用耿瑞霖等的分散方法[23]。通過六偏磷酸鈉(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%)和超聲分散,得到團(tuán)聚體內(nèi)粗顆粒、細(xì)顆粒和礦物結(jié)合態(tài)顆粒,測(cè)定各顆粒組分的有機(jī)碳含量和分配比例。

2.4 赤泥顆粒有機(jī)碳含量的測(cè)定

赤泥顆粒態(tài)有機(jī)碳(POC)按照Cambardella和Elliott的方法[24]。通過六偏磷酸鈉和重液(密度為1.8 g/cm3)分離赤泥樣品得到顆粒有機(jī)碳,測(cè)定其含量,并計(jì)算顆粒有機(jī)碳分配比例。

2.5 赤泥團(tuán)聚體內(nèi)顆粒有機(jī)碳的測(cè)定

赤泥團(tuán)聚體內(nèi)顆粒有機(jī)碳的分離采用Golchin等的方法[25]。分離得到密度小于1.6 g/cm3的游離顆粒有機(jī)碳(fPOM<1.6)、密度小于1.6 g/cm3閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳(oPOM<1.6)、密度為1.6—2.0 g/cm3的閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳(oPOM1.6—2.0)、礦物結(jié)合有機(jī)碳(Mineral>0.05 mm)和礦物結(jié)合有機(jī)碳(Mineral<0.05 mm)。測(cè)定赤泥團(tuán)聚體內(nèi)各顆粒有機(jī)碳含量,并計(jì)算其分配比例。

2.6 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)處理與分析采用Microsoft Excel 2003和SPSS 13.0。不同處理差異顯著性用One-way ANOVA(單因素方差分析)檢驗(yàn),多重比較采用Duncan法。雙變量的相關(guān)系數(shù)為雙變量相關(guān)性分析中的Pearson系數(shù)。相關(guān)圖表在Origin 8.0 中完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 赤泥團(tuán)聚體輕組有機(jī)碳分布

赤泥自然風(fēng)化過程中赤泥團(tuán)聚體輕組有機(jī)碳(LFOC)含量變化見表1。3種堆存時(shí)間(1a,10a和20a)赤泥團(tuán)聚體輕組有機(jī)碳含量變化范圍分別為0.028—0.039、0.029—0.065、0.056—0.241 g/kg。赤泥1—0.25 mm團(tuán)聚體LFOC含量最高,A、B區(qū)域赤泥0.25—0.05 mm團(tuán)聚體LFOC含量最低,C區(qū)域赤泥2—1 mm團(tuán)聚體LFOC含量最低。自然風(fēng)化過程中各粒級(jí)團(tuán)聚體LFOC含量大體上達(dá)到差異顯著水平(P<0.05),其中赤泥2—1 mm、0.25—0.05 mm團(tuán)聚體中A組和B組赤泥團(tuán)聚體LFOC含量差異呈現(xiàn)不顯著水平(P>0.05)。各粒徑赤泥團(tuán)聚體LFOC含量均表現(xiàn)為A

不同小寫字母表示顯著差異(P<0.05)

表2 自然風(fēng)化過程中赤泥團(tuán)聚體輕組有機(jī)碳(LFOC)分配比例

不同小寫字母表示顯著差異(P<0.05)

自然風(fēng)化過程中不同粒級(jí)赤泥團(tuán)聚體LFOC分配比例范圍見表2.A、B、C 3塊區(qū)域LFOC分配比例分別為 0.52%—0.71%、0.36%—0.87%、0.77%—2.06%。其中,1—0.25 mm團(tuán)聚體LFOC分配比例最高,A、B區(qū)域赤泥0.25—0.05 mm團(tuán)聚體LFOC分配比例最低,C區(qū)域赤泥2—1 mm團(tuán)聚體LFOC分配比例最低。自然風(fēng)化過程中B組和C組赤泥團(tuán)聚體LFOC分配比例差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05),其中0.25—0.05 mm、<0.05 mm團(tuán)聚體中A組和B組赤泥團(tuán)聚體LFOC分配比例差異呈現(xiàn)不顯著水平(P>0.05)。2—1 mm、0.25—0.05 mm團(tuán)聚體LFOC分配比例表現(xiàn)為B

3.2 赤泥團(tuán)聚體重組有機(jī)碳分布

赤泥自然風(fēng)化過程中團(tuán)聚體重組有機(jī)碳(HFOC)含量變化見表3。不同堆存時(shí)間赤泥團(tuán)聚體HPOC含量變化范圍分別為5.36—5.69、7.46—8.49、11.06—12.11 g/kg。A、B區(qū)域赤泥均表現(xiàn)為2—1 mm團(tuán)聚體HFOC含量最高,<0.05 mm團(tuán)聚體HFOC含量最低。C區(qū)域赤泥中0.25—0.05 mm團(tuán)聚體HFOC含量最高,2—1 mm團(tuán)聚體HFOC含量最低。各粒徑不同堆存時(shí)間A、B、C組赤泥團(tuán)聚體HFOC含量均達(dá)到差異顯著水平(P<0.05)。各粒徑赤泥團(tuán)聚體HFOC含量均表現(xiàn)為A

表3 自然風(fēng)化過程中團(tuán)聚體重組有機(jī)碳(HFOC)含量

不同小寫字母表示顯著差異(P<0.05)

赤泥自然風(fēng)化過程中團(tuán)聚體重組有機(jī)碳(HFOC)分配比例見表4。不同堆存時(shí)間赤泥團(tuán)聚體HPOC分配比例變化范圍分別為99.29%—99.47%、99.13%—99.64%、97.94%—99.23%。不同堆存時(shí)間赤泥均表現(xiàn)為1—0.25 mm團(tuán)聚體HFOC分配比例最低,A、B組赤泥0.25—0.05 mm團(tuán)聚體HFOC分配比例最高,C組赤泥2—1 mm團(tuán)聚體HFOC分配比例最高。自然風(fēng)化過程中赤泥團(tuán)聚體HFOC分配比例差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

表4 自然風(fēng)化過程中團(tuán)聚體重組有機(jī)碳(HFOC)分配比例

不同小寫字母表示顯著差異(P<0.05)

赤泥團(tuán)聚體有機(jī)碳以重組有機(jī)碳為主,將2—0.25 mm團(tuán)聚體重組經(jīng)過六偏磷酸鈉分散為3種顆粒：團(tuán)聚體內(nèi)粗顆粒,團(tuán)聚體內(nèi)細(xì)顆粒,和礦物結(jié)合態(tài)顆粒。各顆粒有機(jī)碳含量見圖1。2—1 mm和1—0.25 mm赤泥團(tuán)聚體中主要以粗顆粒和礦物結(jié)合態(tài)顆粒為主,細(xì)顆粒有機(jī)碳含量最低。隨著堆存時(shí)間增加,粗顆粒有機(jī)碳含量增加最為顯著,而細(xì)顆粒和礦物結(jié)合態(tài)顆粒有機(jī)碳含量變化并不明顯。赤泥大團(tuán)聚體重組不同顆粒有機(jī)碳中,細(xì)顆粒有機(jī)碳分配比例最低,礦物結(jié)合態(tài)顆粒有機(jī)碳分配比例次之,粗顆粒有機(jī)碳分配比例最高。隨著堆存時(shí)間的增加,赤泥大團(tuán)聚體重組有機(jī)碳中細(xì)顆粒有機(jī)碳分配比例逐漸降低。

3.3 赤泥顆粒有機(jī)碳分布

赤泥自然風(fēng)化過程中團(tuán)聚體顆粒有機(jī)碳(POC)含量變化見表5。不同堆存時(shí)間赤泥團(tuán)聚體POC含量變化范圍分別為1.21—1.85、2.62—2.95、3.52—4.15 g/kg。赤泥顆粒有機(jī)碳含量在2—1 mm團(tuán)聚體中最高,在0.25—0.05 mm團(tuán)聚體中最少。各粒徑不同堆存時(shí)間A、B、C組赤泥團(tuán)聚體POC含量均達(dá)到差異顯著水平(P<0.05)。各粒徑赤泥團(tuán)聚體POC含量均表現(xiàn)為A

表5 自然風(fēng)化過程中團(tuán)聚體顆粒有機(jī)碳(POC)含量

不同小寫字母表示顯著差異(P<0.05)

赤泥自然風(fēng)化過程中團(tuán)聚體顆有機(jī)碳(POC)分配比例見表6。不同堆存時(shí)間赤泥團(tuán)聚體POC分配比例變化范圍分別為21.24—28.65%、20.46—27.28%、25.64—29.16%。不同堆存時(shí)間赤泥顆粒有機(jī)碳在2—1 mm團(tuán)聚體中分配比例最高,<0.05 mm團(tuán)聚體中次之,在0.25—0.05 mm團(tuán)聚體中分配比例最低。

3.4 赤泥團(tuán)聚體內(nèi)顆粒有機(jī)碳分布

本文對(duì)2—1 mm,1—0.25 mm,0.25—0.05 mm和<0.05 mm赤泥團(tuán)聚體內(nèi)顆粒有機(jī)碳的物理組分進(jìn)行相關(guān)分析(圖2)。自然風(fēng)化過程中赤泥團(tuán)聚體內(nèi)顆粒有機(jī)碳含量均呈增加趨勢(shì)。赤泥各粒級(jí)團(tuán)聚體內(nèi)顆粒有機(jī)碳含量由高到低依次為2—1 mm,1—0.25 mm,<0.05 mm,0.25—0.05 mm。赤泥團(tuán)聚體內(nèi)各顆粒有機(jī)碳中,礦物結(jié)合有機(jī)碳(Mineral<0.05mm)含量最高,其后依次為閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳(oPOM1.6—2.0),游離顆粒有機(jī)碳(fPOM<1.6),礦物結(jié)合有機(jī)碳(Mineral>0.05 mm),閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳(oPOM<1.6)含量最低。

圖1 赤泥大團(tuán)聚體重組不同顆粒有機(jī)碳含量及分配比例Fig.1 The content and proportion of organic carbon in the scattered aggregate of the residue aggregate

團(tuán)聚體組成/mmAggregatesize顆粒有機(jī)碳分配比例POCproportion/%ABC2—128．65±1．32b27．28±1．35a29．16±1．08c1—0．2525．78±1．08b23．45±1．64a26．48±1．46c0．25—0．0521．24±0．64b20．46±1．21a25．64±1．22c<0．0528．46±1．48c26．72±1．43a28．12±0．98b

不同小寫字母表示顯著差異(P<0.05)

對(duì)于>0.05 mm各粒級(jí)赤泥團(tuán)聚體,礦物結(jié)合有機(jī)碳(Mineral>0.05 mm)分配比例最高,達(dá)到40%—50%。對(duì)于<0.05 mm粒級(jí)團(tuán)聚體,礦物結(jié)合有機(jī)碳(Mineral<0.05 mm)分配比例最高,達(dá)到40%—45%。上述結(jié)果表明,礦物結(jié)合有機(jī)碳是赤泥團(tuán)聚體內(nèi)最主要的顆粒有機(jī)碳。

圖2 赤泥團(tuán)聚體內(nèi)顆粒有機(jī)碳含量及分配比例Fig.2 The content and proportion of particle organic carbon in residue aggregate

4 討論

4.1 自然風(fēng)化過程對(duì)赤泥團(tuán)聚體有機(jī)碳物理組分的影響

土壤團(tuán)聚體輕組有機(jī)碳是由處于不同分解階段的植物殘?bào)w、真菌菌絲、微生物殘骸以及一些吸附在有機(jī)碳碎片上的礦物顆粒組成,其化學(xué)成分多為碳水化合物、蛋白、多酚和烷基化合物等,對(duì)于土壤結(jié)構(gòu)的形成和穩(wěn)定,尤其是大團(tuán)聚體(>0.25 mm)的穩(wěn)定具有重要的作用,能夠表征土壤物質(zhì)循環(huán)[26]。不同分解階段的地上凋落物和地下根系是土壤輕組有機(jī)碳的主要來源[27],赤泥堆場(chǎng)上植被極難存活,僅在堆存20年的赤泥堆場(chǎng)上發(fā)現(xiàn)有少量草本植物入侵。因此,赤泥團(tuán)聚體中輕組有機(jī)碳含量極低,分配比例也較少,有機(jī)碳組分以重組有機(jī)碳為主。相比于A、B區(qū)域,C區(qū)域赤泥團(tuán)聚體中輕組有機(jī)碳含量和分配比例略微增加,主要原因可能是該區(qū)域有少量植物生長(zhǎng),其殘?bào)w和根系對(duì)赤泥中輕組有機(jī)碳的含量有一定的影響,但影響較小。因此隨著堆存時(shí)間的增加,赤泥輕組有機(jī)碳分配比例整體上變化并不明顯。自然堆存過程中,赤泥理化性質(zhì)逐漸改善,鹽堿性降低,微生物群落結(jié)構(gòu)和數(shù)量可能得到顯著增加,微生物殘骸也可能是導(dǎo)致赤泥團(tuán)聚體輕組有機(jī)碳含量和分配比例增加的原因。

土壤重組有機(jī)碳是由輕組有機(jī)碳經(jīng)過徹底分解后殘留或者新合成的、以芳香族物質(zhì)為主的有機(jī)物,主要存在于有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合體中,結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定[28]。因此,重組有機(jī)碳對(duì)于土壤系統(tǒng)變化的反應(yīng)較輕組有機(jī)碳慢,但它能夠更好地反映土壤保持有機(jī)碳的能力。自然風(fēng)化過程中,赤泥總有機(jī)碳含量顯著增加,而部分有機(jī)碳含量的增加來源于微生物的新陳代謝活動(dòng)以及植物根系和植物殘?bào)w,因此在有植物生長(zhǎng)的區(qū)域,重組有機(jī)碳分配比例較其他區(qū)域略低。同時(shí),赤泥團(tuán)聚體中重組和輕組有機(jī)碳含量之和略低于赤泥總有機(jī)碳含量,這可能是由于赤泥團(tuán)聚體有機(jī)碳在進(jìn)行物理分組過程中,部分有機(jī)碳被清洗掉,主要為易溶于鹽溶液(NaI)的有機(jī)碳,即鹽溶性有機(jī)碳[29]。對(duì)赤泥重組有機(jī)碳分散后的各有機(jī)碳含量分析結(jié)果表明,重組有機(jī)碳主要分布在礦物結(jié)合態(tài)顆粒和粗顆粒中。粗顆粒在形成過程中,需要更多有機(jī)碎片的膠結(jié),因此粗顆粒中有機(jī)碳含量較高。礦物結(jié)合態(tài)顆粒與粘粒能夠相互作用,而粘粒能夠保護(hù)有機(jī)碳不被分解,因此礦物結(jié)合態(tài)顆粒具有較高的穩(wěn)定性,同時(shí)粘粒更容易吸附難以被微生物分解的疏水性有機(jī)質(zhì),促使礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳更為穩(wěn)定[30]。

土壤顆粒有機(jī)碳含量反映了土壤中非保護(hù)有機(jī)碳的數(shù)量,其分配比例反映了土壤中非保護(hù)性有機(jī)碳的相對(duì)數(shù)量。顆粒有機(jī)碳比例越高,有機(jī)碳中不穩(wěn)定部分越高。顆粒有機(jī)碳受外界條件的影響很敏感,提高土壤顆粒有機(jī)碳含量對(duì)于提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性和緩解大氣二氧化碳濃度上升至關(guān)重要[31]。研究表明,森林(0—30 cm)土壤顆粒有機(jī)碳分配比例為55%—68%[32]。本研究中,赤泥團(tuán)聚體顆粒有機(jī)碳分配比例為20%—30%,表明赤泥中有機(jī)碳不穩(wěn)定部分較低,赤泥團(tuán)聚體穩(wěn)定性較差。隨著堆存時(shí)間的增加,赤泥團(tuán)聚體顆粒有機(jī)碳分配比例呈現(xiàn)上升趨勢(shì),表明赤泥中不穩(wěn)定性有機(jī)碳含量逐漸增加,有利于提高赤泥團(tuán)聚體穩(wěn)定性。顆粒有機(jī)碳主要來源于新鮮枯落物的輸入,與新鮮植物殘?bào)w的分解速度有關(guān)[15]。在A和B區(qū)域赤泥堆場(chǎng)無(wú)植物生長(zhǎng),在C區(qū)域赤泥堆場(chǎng)也僅由少量植物生長(zhǎng)。因此,隨著堆存時(shí)間的增加,盡管赤泥顆粒有機(jī)碳含量逐漸增加,顆粒有機(jī)碳分配比例變化并不明顯。

土壤有機(jī)碳庫(kù)分為周轉(zhuǎn)時(shí)間較短的活性碳庫(kù)和周轉(zhuǎn)時(shí)間較長(zhǎng)的穩(wěn)定碳庫(kù),土壤有機(jī)碳庫(kù)的變化主要表現(xiàn)為活性有機(jī)碳庫(kù)的變化。輕組有機(jī)碳和顆粒有機(jī)碳代表了土壤有機(jī)碳中的非保護(hù)性組分,其活性較強(qiáng),而重組有機(jī)碳屬于土壤穩(wěn)定碳庫(kù)[21]。赤泥團(tuán)聚體中輕組有機(jī)碳分配比例極低,以重組有機(jī)碳為主,這表明研究區(qū)域赤泥團(tuán)聚體有機(jī)碳較為穩(wěn)定。隨著堆存時(shí)間的增加,赤泥輕組有機(jī)碳和顆粒有機(jī)碳分配比例基本保持不變,表明赤泥有機(jī)碳庫(kù)變化較小,赤泥保持有機(jī)碳能力較強(qiáng)。

4.2 自然風(fēng)化過程對(duì)赤泥團(tuán)聚體內(nèi)顆粒有機(jī)碳的影響

土壤團(tuán)聚體內(nèi)顆粒有機(jī)碳對(duì)于微團(tuán)聚體形成和穩(wěn)定,以及微團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳儲(chǔ)備和穩(wěn)定具有重要作用。Six等[33]研究表明,土壤微團(tuán)聚體保護(hù)的顆粒有機(jī)碳能夠形成一個(gè)有機(jī)碳庫(kù),對(duì)于外界生態(tài)系統(tǒng)的變化較為敏感,是描述土壤有機(jī)碳儲(chǔ)備的指標(biāo)。

隨著堆存時(shí)間的增加,赤泥團(tuán)聚體內(nèi)游離顆粒有機(jī)碳含量顯著增加,這表明自然風(fēng)化過程促進(jìn)赤泥團(tuán)聚體內(nèi)游離顆粒有機(jī)碳含量的增加。同時(shí),赤泥團(tuán)聚體游離顆粒有機(jī)碳(fPOM)含量隨粒徑的減小呈現(xiàn)下降趨勢(shì),在2—1 mm和1—0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體中含量最高。此研究結(jié)果與Saha等[34]等一致,認(rèn)為土壤團(tuán)聚體游離顆粒有機(jī)碳含量的比例依賴于土壤團(tuán)聚體顆粒的大小,且土壤團(tuán)聚體內(nèi)游離顆粒有機(jī)碳含量主要積累于>1 mm大團(tuán)聚體中。在土壤中,游離顆粒有機(jī)碳含量主要取決于分解速度,以及凋落物的多少[35],微生物的活性可能更有利于土壤游離顆粒有機(jī)碳在土壤中的積累[36]。自然風(fēng)化過程中,赤泥堆場(chǎng)原生植物極少,微生物的活性對(duì)于游離顆粒有機(jī)碳的積累作用可能更為明顯。在C區(qū)域赤泥堆場(chǎng)出現(xiàn)少量草本植物的生長(zhǎng),植物根系的存在和葉片的凋落也影響著赤泥團(tuán)聚體內(nèi)游離顆粒有機(jī)碳的含量和分布。

土壤閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳(oPOM)是有機(jī)碳中相對(duì)不穩(wěn)定的組分,是土壤全碳變化的一個(gè)重要指標(biāo)[37]。研究結(jié)果表明,赤泥團(tuán)聚體閉蓄顆粒有機(jī)碳含量(oPOM<1.6+ oPOM1.6—2.0)高于赤泥團(tuán)聚體游離顆粒有機(jī)碳含量。Golchin等[38]通過對(duì)澳大利亞五種自然土壤有機(jī)碳分析,發(fā)現(xiàn)包含在密度組分中的有機(jī)物質(zhì)的分解程度的增加順序?yàn)閒POM

隨著堆存時(shí)間的增加,赤泥團(tuán)聚體內(nèi)礦物結(jié)合有機(jī)碳含量逐漸增加,在赤泥團(tuán)聚體內(nèi)顆粒有機(jī)碳組分中,礦物結(jié)合有機(jī)碳分配比例最高,這表明自然風(fēng)化過程對(duì)赤泥團(tuán)聚體內(nèi)礦物結(jié)合有機(jī)碳分布特征具有一定影響,赤泥團(tuán)聚體內(nèi)顆粒有機(jī)碳逐漸趨于穩(wěn)定。赤泥團(tuán)聚體內(nèi)礦物結(jié)合有機(jī)碳含量隨著團(tuán)聚體粒徑減少而逐漸下降,這一結(jié)果符合土壤團(tuán)聚體等級(jí)形成概念,微團(tuán)聚體與粘粒在有機(jī)質(zhì)和多價(jià)陽(yáng)離子粘結(jié)條件下形成較大一級(jí)的團(tuán)聚體,因此大團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量高于微團(tuán)聚體[39]。礦物結(jié)合有機(jī)碳比閉蓄顆粒有機(jī)碳更為穩(wěn)定,不易被微生物分解,因此在本研究中,赤泥團(tuán)聚體內(nèi)礦物結(jié)合有機(jī)碳分配比例最高。團(tuán)聚體內(nèi)礦物結(jié)合有機(jī)碳貢獻(xiàn)率的變化取決于土壤母質(zhì),赤泥堆場(chǎng)在氣候條件及微生物等外界因素作用下,理化性質(zhì)發(fā)生了較大改變,因此其貢獻(xiàn)率也出現(xiàn)了很大的變化。自然風(fēng)化過程中,赤泥理化性質(zhì)得到改良,微生物對(duì)活性有機(jī)碳的分解,使得赤泥團(tuán)聚體內(nèi)礦物結(jié)合有機(jī)碳含量顯著增加,分配比例也呈上升趨勢(shì)。本研究中赤泥團(tuán)聚體內(nèi)礦物結(jié)合有機(jī)碳(Mineral<0.05 mm)的貢獻(xiàn)率在微團(tuán)聚體中比大團(tuán)聚體中更為明顯,這與一些土壤有機(jī)碳含量較低的農(nóng)田土壤的相關(guān)研究結(jié)果類似,礦物結(jié)合有機(jī)碳(Mineral<0.05 mm)多存在于<0.25 mm團(tuán)聚體中[33]。

自然風(fēng)化過程不僅提高了赤泥總有機(jī)碳含量,也增加了赤泥團(tuán)聚體水平中有機(jī)碳不同組分的含量,對(duì)赤泥團(tuán)聚體各有機(jī)碳物理組分分配比例產(chǎn)生極大的影響。隨著堆存時(shí)間的增加,赤泥活性有機(jī)碳庫(kù)變化較小,且以穩(wěn)定有機(jī)碳庫(kù)為主,赤泥有機(jī)碳趨于穩(wěn)定。自然風(fēng)化過程改變了赤泥有機(jī)碳組分的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定和功能,影響了赤泥碳庫(kù)的穩(wěn)定,對(duì)于赤泥物理結(jié)構(gòu)的改變和鄉(xiāng)土植物的自然定植具有重要意義。

5 結(jié)論

(1)自然風(fēng)化過程中,赤泥輕重組有機(jī)碳組分含量顯著增加,重組有機(jī)碳分配比例均在97%以上,以粗顆粒有機(jī)碳和礦物結(jié)合態(tài)顆粒有機(jī)碳為主,細(xì)顆粒有機(jī)碳含量最低;

(2)赤泥團(tuán)聚體顆粒有機(jī)碳分配比例為20%—30%,隨著堆存時(shí)間的增加,赤泥團(tuán)聚體顆粒有機(jī)碳分配比例呈現(xiàn)上升趨勢(shì);

(3)隨著堆存時(shí)間的增加,赤泥團(tuán)聚體內(nèi)顆粒有機(jī)碳各組分含量逐漸升高。礦物結(jié)合有機(jī)碳分配比例最高,其次是閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳,游離態(tài)顆粒有機(jī)碳分配比例最低。

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Effects of natural weathering processes on the distribution characteristics of organic carbon and its composition in bauxite residue aggregates

ZHU Feng1,2, LI Meng1, XUE Shengguo1,2,*, ZOU Qi1, WU Hao1, WANG Qiongli1

1SchoolofMetallurgyandEnvironment,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China2ChineseNationalEngineeringResearchCenterforControlandTreatmentofHeavyMetalPollution,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China

Revegetation is regarded as a promising approach for large-scale remediation of bauxite residue in disposal areas. Formation of an aggregate structure and the dynamic processes of the organic pool are essential factors for achieving revegetation due to the high alkalinity, salinity and poor physical structure of the residues. The physical fractionation of organic carbon may identify specific organic carbon pools that are responsible for carbon management and control. Physical density fractionation facilitates the separation of soil organic carbon fractions and their associated mineral particles from different locations. Spontaneous vegetation encroachment upon bauxite residue at a disposal area in Central China, over a 20-year period, has revealed that natural soil-forming processes may convert the residues to a soil-like medium. Residue samples from three different stacking ages (1 year, 10 years and 20 years) were collected in order to determine the effects of natural soil-forming processes on aggregate formation and organic carbon fractions. The contents and distribution ratios of light fraction organic carbon (LFOC), heavy fraction organic carbon (HFOC), particulate organic carbon (POC) and POC intra-residue aggregates were determined in this study. The results indicated that the content of organic carbon fractions in bauxite residue increased significantly under natural soil-forming processes. The proportion of LFOC of the total organic carbon was 0.36%—2.06%. With increasing stacking age, the distribution ratio of LFOC increased. Most organic carbon (97.24%—99.11%) was held in the HFOC, which indicated that organic carbon dynamics in the residues were controlled by the behavior of this fraction. In the HFOC, coarse POC and mineral-combined organic carbon predominated, whereas the distribution ratio of fine POC was relatively small. POC content was highest in 2—1 mm residue aggregates and lowest was in the 0.25—0.05 mm residue aggregate ranges in the three different stacking ages 1.21—1.85 g/kg (1 year), 2.62—2.95 g/kg (10 years), and 3.52—4.15 g/kg (20 years). Mean weight diameter was positively correlated with total organic carbon, LFOC, HFOC, and POC (r=0.908**, 0.908**, 0.889**, 0.793**respectively;P< 0.01). The content of free POC, occluded POC, and mineral-combined POC (Mineral: Mineral>0.05 mmand Mineral<0.05 mm) decreased with decrease in aggregate sizes. The order in a diminishing sequence for the distribution ratio of POC intra-residue aggregate size was 2—1 mm, 1—0.25 mm, <0.05 mm, and 0.25—0.05 mm. Among these, mineral-combined POC was the major fraction, and the proportion of free POC was the lowest. Natural soil-forming processes increased total organic carbon and fraction contents, and further enhanced the stability of organic carbon in bauxite residues, which was beneficial for organic carbon sequestration. The findings of this study may provide a theoretical basis for understanding carbon sequestration and contribute to improving the physical structure of bauxite residue.

bauxite residue; natural weathering processes; light fraction organic carbon; heavy fraction organic carbon; particulate organic carbon; soil formation

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)科研專項(xiàng)資助項(xiàng)目(201509048)

2016- 05- 20;

2016- 08- 29

10.5846/stxb201605200976

*通訊作者Corresponding author.E-mail: sgxue70@hotmail.com;sgxue@csu.edu.cn

朱鋒,李萌,薛生國(guó),鄒奇,吳昊,王瓊麗.自然風(fēng)化過程對(duì)赤泥團(tuán)聚體有機(jī)碳組分的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(4):1174- 1183.

Zhu F, Li M, Xue S G, Zou Q, Wu H, Wang Q L.Effects of natural weathering processes on the distribution characteristics of organic carbon and its composition in bauxite residue aggregates.Acta Ecologica Sinica,2017,37(4):1174- 1183.