長(zhǎng)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(ài)菊

(1.淄博市數(shù)字農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展中心,山東 淄博 255000;2.山東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

赤泥是氧化鋁工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)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(wèn)題已成為困擾氧化鋁行業(yè)發(fā)展的世界性難題[1-3]。赤泥土壤化技術(shù)主要是根據(jù)赤泥的具體成分和理化性質(zhì)，通過(guò)添加改良劑降低赤泥的堿性，使其具備植物生長(zhǎng)的基本條件，并篩選出適合大規(guī)模種植的植物，從而達(dá)到低成本對(duì)赤泥進(jìn)行無(wú)害化處理的效果[2,4]。近年來(lái)，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(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者廣泛關(guān)注[2,4-6]。

中鋁山東有限公司的第一赤泥堆場(chǎng)始建于1954年，占地45萬(wàn)m2，赤泥堆存量約3000萬(wàn)m3,見(jiàn)圖1。2010年公司開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行閉庫(kù)治理，即對(duì)部分堆場(chǎng)頂面進(jìn)行裂縫處理、頂面覆土，對(duì)邊坡進(jìn)行綠化，主要目的是根除防洪排洪隱患，消除揚(yáng)塵污染。但是，對(duì)于自然條件下該堆場(chǎng)赤泥理化性質(zhì)變化及演變規(guī)律及其土壤化修復(fù)的潛力，尚缺乏系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖1 山鋁赤泥堆場(chǎng)

為此，本文選擇山東鋁業(yè)第一赤泥堆場(chǎng)為對(duì)象，采用野外采樣和室內(nèi)分析相結(jié)合的方法，對(duì)代表不同堆存年代的赤泥礦物成分及其土壤學(xué)理化特性進(jìn)行了分析測(cè)定，以期為赤泥堆場(chǎng)的土壤化處置及其生態(tài)修復(fù)提供技術(shù)支撐。

1 樣品采集及研究方法

1.1 采樣點(diǎn)及采樣方法簡(jiǎn)介

本文根據(jù)山鋁第一堆場(chǎng)赤泥堆置時(shí)間，選擇了自然條件基本一致的8個(gè)堆層,見(jiàn)圖1，8個(gè)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(shí)間為2016年4月25—26日。根據(jù)赤泥堆場(chǎng)堆置時(shí)間的不同，選擇了環(huán)境條件基本一致的8個(gè)堆層，每個(gè)堆層設(shè)置3個(gè)取樣點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)室進(jìn)行樣品分析。

1.2 樣品理化性質(zhì)分析方法

本文選擇pH、比重、持水能力、電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)等土壤基本理化指標(biāo)表征自然堆存狀態(tài)下赤泥土壤化演化特征。相關(guān)指標(biāo)的分析測(cè)定，參照《土壤農(nóng)化分析方法》中相關(guān)方法進(jìn)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(duì)赤泥組分進(jìn)行分析；采用X射線粉晶衍射儀(XRD)對(duì)赤泥的物質(zhì)組成進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 赤泥元素組成分析

為分析堆存時(shí)間對(duì)赤泥理化特征的影響，本研究采用粉末壓片XRF法對(duì)不同堆存年代的赤泥的元素組成進(jìn)行了分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同堆存時(shí)間赤泥的化學(xué)組成分析

不同堆存時(shí)間赤泥的化學(xué)組成分析結(jié)果表明，各堆存時(shí)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(shí)間延長(zhǎng)，山鋁第一赤泥堆場(chǎng)中赤泥的SiO2、Al2O3、CaO、MgO等化學(xué)成分的組成未發(fā)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(shí)間的增加呈現(xiàn)先降低后逐漸趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。分析其原因，可能與赤泥中這2種化學(xué)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(guān)。

2.2 赤泥礦物組成

不同堆存時(shí)間的赤泥的X射線圖譜見(jiàn)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(zhì)。X衍射分析中還有一些礦物相沒(méi)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(jié)法赤泥中的礦物主要來(lái)源于熟料高溫反應(yīng)形成的不溶性礦物和溶出過(guò)程的水化、水解產(chǎn)生的衍生物、水合物以及二次副反應(yīng)所形成的新生礦物。隨著堆存時(shí)間的延長(zhǎng)，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(huì)越來(lái)越不明顯[9]。

圖2 不同堆存時(shí)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(chǎng)為例，參考常規(guī)土壤理化指標(biāo)，對(duì)長(zhǎng)期自然狀態(tài)堆存過(guò)程中赤泥的土壤華演化特征進(jìn)行了分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同堆存時(shí)間的赤泥物理特性

由表2可知，赤泥比重與堆存時(shí)間呈線性關(guān)系，即隨著堆存時(shí)間的增長(zhǎng)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(zhì)的種類和相對(duì)含量，由此可推測(cè)，自然因素的作用下赤泥物相組成的演化是促進(jìn)赤泥基質(zhì)比重變化的重要因素。且赤泥XRD分析也驗(yàn)證了這一結(jié)論，即由圖2可知，隨著堆存時(shí)間的延長(zhǎng)，其XRD圖譜中物質(zhì)峰的數(shù)量也逐漸減少。

隨著堆存時(shí)間延長(zhǎng)，赤泥容重未發(fā)生顯著的變化；雖然赤泥的孔隙率隨著堆積時(shí)間的延長(zhǎng)有明顯的增加趨勢(shì)，但總體來(lái)說(shuō)，自然因素作用對(duì)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(shí)間的赤泥持水能力差異性較大，堆存時(shí)間小于10a的赤泥樣品的持水量可達(dá)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(jiàn)表2,持水能力略有上升。分析其原因，新生赤泥由于顆粒細(xì)，比表面高而具有很強(qiáng)的富水性能，吸濕性強(qiáng)，含水率高[11]，但長(zhǎng)期堆存過(guò)程中，受自然因素作用赤泥成分組成和粒徑變化，導(dǎo)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(chǎn)生的毛細(xì)管引力的持水能力增加。

燒結(jié)法產(chǎn)生的赤泥由極細(xì)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(gòu)成土壤基本結(jié)構(gòu)的條件[9]。但是，隨著堆存時(shí)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(wěn)定性大團(tuán)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(wěn)定型的團(tuán)聚體顆粒逐漸形成。

以上分析結(jié)果表明，隨著堆存時(shí)間延長(zhǎng)，在自然因素作用赤泥的物理特性逐漸趨于自然土壤相關(guān)指標(biāo)值，表明山鋁燒結(jié)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(jī)質(zhì)含量變化分析

pH、鹽堿性以及有機(jī)質(zhì)含量變化，是表征赤泥土壤化演化的重要指標(biāo)[8]。為此，本文針對(duì)長(zhǎng)期自然因素作用下赤泥pH、鹽度以及有機(jī)質(zhì)含量的變化進(jìn)行初步分析，結(jié)果見(jiàn)圖3～5。

圖3 赤泥pH值隨堆存時(shí)間的變化趨勢(shì)

貧瘠土壤的有機(jī)質(zhì)含量可能與一些耐受植物的生長(zhǎng)相關(guān)。本研究在對(duì)山鋁赤泥堆場(chǎng)進(jìn)行采樣分析的同時(shí)，也對(duì)赤泥堆場(chǎng)邊坡上植物群落進(jìn)行了初步的調(diào)查。結(jié)果表明，與綠化的邊坡相比，未進(jìn)行邊坡綠化的坡面植物種類相對(duì)較少，植被覆蓋率比較低，但也有一些植物種類的生長(zhǎng)，呈現(xiàn)由上而下植物種類和數(shù)量逐漸增加，甚至堆場(chǎng)底部接近地表處的呈雜草橫生的景象，見(jiàn)圖1。即堆場(chǎng)赤泥pH值及其高鹽堿性是限制赤泥堆場(chǎng)植被綠化的關(guān)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(shí)間的延長(zhǎng)均呈現(xiàn)顯著下降的趨勢(shì)，其理化環(huán)境條件逐漸接近土壤的基本環(huán)境條件。其中，赤泥pH值由12.07下降至9.87，下降趨勢(shì)顯著；相應(yīng)的，赤泥鹽度也發(fā)生相似的變化趨勢(shì)，即堆存5a以內(nèi)，電導(dǎo)率為1.5mS·cm-1，堆存10～20a，電導(dǎo)率降至0.85mS·cm-1左右，20a以后，電導(dǎo)率基本維持在0.7mS·cm-1左右，見(jiàn)圖4。推測(cè)其原因，主要是隨時(shí)間推移受降水淋溶及風(fēng)化作用的影響，赤泥中的某些水溶性化學(xué)組分發(fā)生淋溶性遷移或化學(xué)形態(tài)改變，從而使赤泥的鹽堿度逐漸趨于穩(wěn)定。

圖4 赤泥鹽度隨堆存時(shí)間的變化趨勢(shì)

堆存5a赤泥樣品中有機(jī)質(zhì)含量不足0.1%；隨著堆存時(shí)間的延長(zhǎng)，赤泥樣品中有機(jī)質(zhì)含量逐漸增加，堆存60a赤泥樣品的有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到了0.8%左右，見(jiàn)圖5，接近邊坡植物群落的分布與其有機(jī)質(zhì)含量的變化具有明顯的一致性。由此可推測(cè)，耐受植物的生長(zhǎng)是提升赤泥基質(zhì)土壤肥力的主要貢獻(xiàn)者。

圖5 赤泥有機(jī)質(zhì)含量隨堆存時(shí)間的變化

3 結(jié)論與展望

本文通過(guò)對(duì)山鋁第一赤泥堆場(chǎng)不同堆層赤泥的物理化學(xué)性質(zhì)的取樣分析發(fā)現(xiàn)，在自然因素作用下，隨著堆存時(shí)間的延長(zhǎng)，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(guān)指標(biāo)值；赤泥的pH、鹽度等化學(xué)指標(biāo)表現(xiàn)為先下降后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)；有機(jī)質(zhì)含量則表現(xiàn)為逐漸升高的趨勢(shì)。研究結(jié)果表明，山鋁燒結(jié)法赤泥具有較好的土壤化改良潛力。這為今后赤泥規(guī)?；寥阑鷳B(tài)處置研究奠定了理論基礎(chǔ)。