长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 刘爱菊

(1.淄博市数字农业农村发展中心,山东 淄博 255000;2.山东理工大学资源与环境工程学院，山东 淄博 255049)

赤泥是氧化铝工业生产过程中产生的高碱性废弃物，综合利用难度大。目前，赤泥资源化利用与处置问题已成为困扰氧化铝行业发展的世界性难题[1-3]。赤泥土壤化技术主要是根据赤泥的具体成分和理化性质，通过添加改良剂降低赤泥的碱性，使其具备植物生长的基本条件，并筛选出适合大规模种植的植物，从而达到低成本对赤泥进行无害化处理的效果[2,4]。近年来，赤泥土壤化处置作为一种消耗量大、处置成本低廉的赤泥综合利用新途径，引起了国内外相关学者广泛关注[2,4-6]。

中铝山东有限公司的第一赤泥堆场始建于1954年，占地45万m2，赤泥堆存量约3000万m3,见图1。2010年公司开始对其进行闭库治理，即对部分堆场顶面进行裂缝处理、顶面覆土，对边坡进行绿化，主要目的是根除防洪排洪隐患，消除扬尘污染。但是，对于自然条件下该堆场赤泥理化性质变化及演变规律及其土壤化修复的潜力，尚缺乏系统监测数据。

图1 山铝赤泥堆场

为此，本文选择山东铝业第一赤泥堆场为对象，采用野外采样和室内分析相结合的方法，对代表不同堆存年代的赤泥矿物成分及其土壤学理化特性进行了分析测定，以期为赤泥堆场的土壤化处置及其生态修复提供技术支撑。

1 样品采集及研究方法

1.1 采样点及采样方法简介

本文根据山铝第一堆场赤泥堆置时间，选择了自然条件基本一致的8个堆层,见图1，8个堆层分别是K1：赤泥堆置年限为5a左右；K2：赤泥堆置年限为10a左右；K3：赤泥堆置年限为15a左右；K4：赤泥堆置年限为20a左右；K5：赤泥堆置年限为30a左右；K6：赤泥堆置年限为40a左右；K7：赤泥堆置年限为50a左右；K8：赤泥堆置年限为60a左右。赤泥样品采集时间为2016年4月25—26日。根据赤泥堆场堆置时间的不同，选择了环境条件基本一致的8个堆层，每个堆层设置3个取样点，每个点位采用梅花形采样并混合均匀[7]；采用便携式采样土钻，取表层样(0～20cm)，分别装入样品袋中，带回实验室进行样品分析。

1.2 样品理化性质分析方法

本文选择pH、比重、持水能力、电导率、有机质等土壤基本理化指标表征自然堆存状态下赤泥土壤化演化特征。相关指标的分析测定，参照《土壤农化分析方法》中相关方法进行[8]。赤泥粒径分析采用激光粒度分析法；采用粉末压片-X射线荧光光谱法对赤泥组分进行分析；采用X射线粉晶衍射仪(XRD)对赤泥的物质组成进行分析。

2 结果与讨论

2.1 赤泥元素组成分析

为分析堆存时间对赤泥理化特征的影响，本研究采用粉末压片XRF法对不同堆存年代的赤泥的元素组成进行了分析，结果见表1。

表1 不同堆存时间赤泥的化学组成分析

不同堆存时间赤泥的化学组成分析结果表明，各堆存时间的赤泥样品的主要成分均为CaO、SiO2、Fe2O3、Al2O3和TiO2等，其余部分均以R2O为主。由此可知，随着堆存时间延长，山铝第一赤泥堆场中赤泥的SiO2、Al2O3、CaO、MgO等化学成分的组成未发生明显变化；然而，其苛碱成分(如Na2O、K2O)的所占比例则随着堆存时间的增加呈现先降低后逐渐趋于稳定的变化趋势。分析其原因，可能与赤泥中这2种化学组分主要以非晶体矿物存在，且具有较高的水溶性，容易受降水淋溶作用的影响相关。

2.2 赤泥矿物组成

不同堆存时间的赤泥的X射线图谱见图2，初步分析表明，其主要物相以方解石和钙铁硅酸盐类的矿物为主,还有少量非晶物质。X衍射分析中还有一些矿物相没有显示其特征谱,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,或呈胶状矿物,也或是谱线重叠难以分辨的缘故[9]。另外，烧结法赤泥中的矿物主要来源于熟料高温反应形成的不溶性矿物和溶出过程的水化、水解产生的衍生物、水合物以及二次副反应所形成的新生矿物。随着堆存时间的延长，受淋溶等自然因素的影响，这些溶出性矿物组分的特征谱线也会越来越不明显[9]。

图2 不同堆存时间赤泥的X射线衍射图谱

2.3 赤泥物理特性变化分析

本文以山铝的赤泥堆场为例，参考常规土壤理化指标，对长期自然状态堆存过程中赤泥的土壤华演化特征进行了分析，结果见表2。

表2 不同堆存时间的赤泥物理特性

由表2可知，赤泥比重与堆存时间呈线性关系，即随着堆存时间的增长逐渐增加，变化范围为1.51～2.70mg·m-3，堆存40a以上的赤泥比重逐渐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决于土壤固相组成物质的种类和相对含量，由此可推测，自然因素的作用下赤泥物相组成的演化是促进赤泥基质比重变化的重要因素。且赤泥XRD分析也验证了这一结论，即由图2可知，随着堆存时间的延长，其XRD图谱中物质峰的数量也逐渐减少。

随着堆存时间延长，赤泥容重未发生显著的变化；虽然赤泥的孔隙率随着堆积时间的延长有明显的增加趋势，但总体来说，自然因素作用对赤泥容重及其孔隙率改善作用较小。而相比之下，不同堆积时间的赤泥持水能力差异性较大，堆存时间小于10a的赤泥样品的持水量可达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%，见表2,持水能力略有上升。分析其原因，新生赤泥由于颗粒细，比表面高而具有很强的富水性能，吸湿性强，含水率高[11]，但长期堆存过程中，受自然因素作用赤泥成分组成和粒径变化，导致其颗粒物的分子引力所吸持水分能力的降低，颗粒间孔隙所产生的毛细管引力的持水能力增加。

烧结法产生的赤泥由极细颗粒组成的松散聚积体，颗粒粒度一般几微米到几十微米，不具备构成土壤基本结构的条件[9]。但是，随着堆存时间的增加，粒径<0.002mm的颗粒所占百分比逐渐减少，而粒径在0.02～2mm具有水稳定性大团聚体颗粒所占百分比则逐渐增加，这表明在自然因素的作用下，赤泥中水稳定型的团聚体颗粒逐渐形成。

以上分析结果表明，随着堆存时间延长，在自然因素作用赤泥的物理特性逐渐趋于自然土壤相关指标值，表明山铝烧结法赤泥具有土壤化演化和改良的潜力。

2.4 赤泥pH、盐度及有机质含量变化分析

pH、盐碱性以及有机质含量变化，是表征赤泥土壤化演化的重要指标[8]。为此，本文针对长期自然因素作用下赤泥pH、盐度以及有机质含量的变化进行初步分析，结果见图3～5。

图3 赤泥pH值随堆存时间的变化趋势

贫瘠土壤的有机质含量可能与一些耐受植物的生长相关。本研究在对山铝赤泥堆场进行采样分析的同时，也对赤泥堆场边坡上植物群落进行了初步的调查。结果表明，与绿化的边坡相比，未进行边坡绿化的坡面植物种类相对较少，植被覆盖率比较低，但也有一些植物种类的生长，呈现由上而下植物种类和数量逐渐增加，甚至堆场底部接近地表处的呈杂草横生的景象，见图1。即堆场赤泥pH值及其高盐碱性是限制赤泥堆场植被绿化的关键因素[12,13]。由图3、图4可知，自然堆存条件下，赤泥pH及盐碱度随着堆存时间的延长均呈现显著下降的趋势，其理化环境条件逐渐接近土壤的基本环境条件。其中，赤泥pH值由12.07下降至9.87，下降趋势显著；相应的，赤泥盐度也发生相似的变化趋势，即堆存5a以内，电导率为1.5mS·cm-1，堆存10～20a，电导率降至0.85mS·cm-1左右，20a以后，电导率基本维持在0.7mS·cm-1左右，见图4。推测其原因，主要是随时间推移受降水淋溶及风化作用的影响，赤泥中的某些水溶性化学组分发生淋溶性迁移或化学形态改变，从而使赤泥的盐碱度逐渐趋于稳定。

图4 赤泥盐度随堆存时间的变化趋势

堆存5a赤泥样品中有机质含量不足0.1%；随着堆存时间的延长，赤泥样品中有机质含量逐渐增加，堆存60a赤泥样品的有机质含量达到了0.8%左右，见图5，接近边坡植物群落的分布与其有机质含量的变化具有明显的一致性。由此可推测，耐受植物的生长是提升赤泥基质土壤肥力的主要贡献者。

图5 赤泥有机质含量随堆存时间的变化

3 结论与展望

本文通过对山铝第一赤泥堆场不同堆层赤泥的物理化学性质的取样分析发现，在自然因素作用下，随着堆存时间的延长，赤泥比重、容重、孔隙率、持水性以及粒径组成等物理特性逐渐趋于土壤相关指标值；赤泥的pH、盐度等化学指标表现为先下降后趋于稳定的变化趋势；有机质含量则表现为逐渐升高的趋势。研究结果表明，山铝烧结法赤泥具有较好的土壤化改良潜力。这为今后赤泥规模化土壤化生态处置研究奠定了理论基础。