王瓊麗，葉羽真，薛生國,2?，江 鈞，朱 鋒，田 桃

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

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，鹽分含量高，資源化利用難度大[1]。每生產(chǎn)1 t氧化鋁，約產(chǎn)生1.0～2.0 t赤泥[2]。大量的外排赤泥以堆存為主，2017年全球赤泥堆存量超過40億t，并以1.2億t/a的速度增長[3]。赤泥的資源化利用主要包括建筑材料制備[4]、有價金屬回收[5]、環(huán)境功能材料[6]。然而，赤泥的高鹽堿性及其潛在的環(huán)境風(fēng)險導(dǎo)致全球赤泥資源化利用率不足10%[6]。赤泥土壤化是赤泥大規(guī)模生態(tài)化處置最具應(yīng)用前景的方法[7]，通過調(diào)控其化學(xué)性質(zhì)以及改善其物理結(jié)構(gòu)，將赤泥轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N適宜于植物生長的類土基質(zhì)，進(jìn)而促進(jìn)堆場植被重建[8-9]。

良好的土壤結(jié)構(gòu)能夠穩(wěn)水、穩(wěn)氣、穩(wěn)肥、穩(wěn)溫等，對于植物和土壤動物的生命活動具有重要促進(jìn)作用[10-11]。團(tuán)聚體的形成過程，一般認(rèn)為是由原生顆粒與有機(jī)質(zhì)膠結(jié)形成微團(tuán)聚體，進(jìn)而經(jīng)過黏粒包裹、菌絲纏繞以及一系列物理化學(xué)作用形成穩(wěn)定的大團(tuán)聚體[12]。而赤泥粒徑較細(xì)，團(tuán)聚體穩(wěn)定性較差，物理結(jié)構(gòu)與土壤差異大，這些因素都嚴(yán)重限制植物在赤泥堆場上的生長[13]。朱鋒等[14]發(fā)現(xiàn)自然風(fēng)化過程可以提高赤泥穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量，改善赤泥物理性狀，實現(xiàn)植被自然定植。Santini和Fey[15]發(fā)現(xiàn)在圭亞那某堆場的赤泥堆存20 a后，粒徑分布特征和物理性質(zhì)發(fā)生明顯改變。自然風(fēng)化過程中，赤泥大團(tuán)聚體含量明顯增多，微團(tuán)聚體以及物理結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，但所需時間較長[16-17]。通過人為干預(yù)，定向改善赤泥物理性狀，加速土壤化進(jìn)程，可有效降低堆場環(huán)境風(fēng)險。

石膏和有機(jī)堆肥被認(rèn)為是有效的赤泥基質(zhì)改良劑[18]。石膏能夠有效降低赤泥堿性，Ca2+的添加能夠與赤泥中可交換Na+發(fā)生置換，促進(jìn)細(xì)顆粒的絮凝和穩(wěn)定團(tuán)聚體的形成[19]。Courtney等[20]分析3個不同赤泥堆場的植被演替狀況，發(fā)現(xiàn)施用石膏可以明顯改善基質(zhì)營養(yǎng)狀況，促進(jìn)植物生長。有機(jī)堆肥能夠增加赤泥有機(jī)碳含量，提高肥力，降低赤泥容重，改善孔隙結(jié)構(gòu)[21-22]。蚯蚓糞肥中含有大量具有生物活性的微生物，能提供聚膠結(jié)劑，且微生物的新陳代謝產(chǎn)物也能有效促進(jìn)赤泥顆粒團(tuán)聚[23]。前期研究發(fā)現(xiàn)，石膏和蚯蚓糞肥添加能夠促進(jìn)赤泥團(tuán)聚體形成，但長期改良過程中赤泥團(tuán)聚體的動態(tài)變化需進(jìn)一步研究[24]。本研究以石膏和蚯蚓糞肥作為赤泥基質(zhì)改良劑，在前期研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討基質(zhì)改良對基于時間序列的赤泥理化性質(zhì)和團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響，為人為加速赤泥土壤化進(jìn)程、實現(xiàn)堆場植被重建提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究材料

赤泥采自華中地區(qū)某氧化鋁企業(yè)赤泥堆場，在實驗室自然風(fēng)干后，過2 mm樣篩備用。蚯蚓糞肥選自江蘇某農(nóng)場，疏松多孔、密度較小，pH約為6.5，含有機(jī)質(zhì)30.7%、氮1.8%、磷1.5%、鉀0.2%。石膏選用湖北某石膏生產(chǎn)廠家，呈粉末狀，硫酸鈣含量為98%，pH約為2.8。

1.2 基質(zhì)改良

根據(jù)前期研究結(jié)果，確定基質(zhì)改良的最優(yōu)添加比例：石膏的最優(yōu)添加質(zhì)量比為2%，蚯蚓糞肥的最優(yōu)添加質(zhì)量比為8%[24]。實驗設(shè)計包括4個不同處理：1)赤泥(CK)；2)赤泥+石膏(BG)；3)赤泥+蚯蚓糞肥(BF)；4)赤泥+石膏+蚯蚓糞肥(BGF)。每個處理設(shè)置3個平行?；|(zhì)改良通過土培實驗開展，土盆直徑12 cm，高為9 cm。每個土盆中裝入赤泥0.5 kg，各改良劑按比例添加，并混合均勻。土培過程中，保持70%田間持水率(每3 d澆水20 mL)，在溫室(25 ℃)中分別培育60、90、120、150和180 d。

1.3 赤泥重要特性分析

制備赤泥浸出液(固液比為1∶5)，赤泥pH采用pH計(雷磁PHS-3C)測定，赤泥電導(dǎo)率(EC)采用電導(dǎo)率儀(雷磁DDS-307)測定[25]。赤泥有機(jī)碳含量的測定采用重鉻酸鉀氧化-分光光度法[26]。

1.4 團(tuán)聚體組成分析

赤泥團(tuán)聚體組成采用干篩法測定[27]。赤泥水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成采用濕篩法測定[14]。分別得到4個不同粒級(2～1 mm、1～0.25 mm、0.25～0.05 mm、<0.05 mm)的赤泥團(tuán)聚體。

1.5 團(tuán)聚體穩(wěn)定性分析

赤泥團(tuán)聚體穩(wěn)定性選擇團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)和可蝕性因子(K)3個指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行評價，各指標(biāo)計算公式[28]如下：

(1)

(2)

K=7.954×{0.0017+0.0494×

(3)

1.6 數(shù)據(jù)處理

實驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010，SPSS version 19.0和Origin 8.0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。所有圖表均通過Origin 8.0繪制。

2 結(jié)果與討論

2.1 基質(zhì)改良對赤泥重要特性的影響

通過測定各樣品在不同處理時間下的pH、EC、TOC，分析石膏和蚯蚓糞肥對赤泥理化性質(zhì)改良的動態(tài)變化(表1)。土培60 d后，與對照組(CK)相比：BG組pH由10.54降低至8.75，EC由0.98 mS·cm-1增加至2.39 mS·cm-1；BF組TOC含量由3.54 g·kg-1增加至14.31 g·kg-1；BGF組pH由10.54降低至8.79，EC由0.98 mS·cm-1增加至1.58 mS·cm-1，TOC含量由3.54 g·kg-1增加至15.16 g·kg-1。CK、BG、BF和BGF組各處理之間的pH、EC、TOC均存在顯著性差異(P<0.05)。隨著處理時間的延長，BF和BGF組的TOC含量呈現(xiàn)微下降的趨勢，而在處理時間達(dá)150 d后，TOC含量基本保持穩(wěn)定。土培180 d時，相較于CK，BF和BGF組的TOC含量分別增長116%和123%。

表1 不同處理方式下赤泥pH、EC、TOC變化Table 1 Changes in the pH, EC, and TOC of bauxite residue in different treatments

注：同列不同字母表示添加不同改良劑的顯著差異性(P<0.05)。

2.2 基質(zhì)改良對赤泥團(tuán)聚體組成的影響

團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定是土壤物理性質(zhì)的重要指標(biāo)之一，促進(jìn)土壤中有機(jī)碳的穩(wěn)定、水分的滲透、營養(yǎng)元素的運輸，增強其抗侵蝕能力[31-32]。赤泥堿性強、有機(jī)碳含量低、物理結(jié)構(gòu)差、抗侵蝕能力弱等是導(dǎo)致難以在赤泥堆場進(jìn)行植被修復(fù)的重要因素[24]。改善其物理結(jié)構(gòu)，增加大團(tuán)聚體含量是赤泥基質(zhì)改良的重要環(huán)節(jié)。通過干篩和濕篩對各樣品團(tuán)聚體進(jìn)行分級，研究不同改良劑對赤泥團(tuán)聚體形成及穩(wěn)定的影響。

由圖1可知，對照組(CK)團(tuán)聚體組成主要集中在1.0～0.05 mm。處理60 d后，BG、BF和BGF 3組中大團(tuán)聚體(2～0.25 mm)比例由CK組的60.24%分別增加至65.20%、67.16%、75.34%。這表明石膏+蚯蚓糞肥復(fù)合改良劑更有利于促進(jìn)赤泥團(tuán)聚體的形成。處理90 d后，改良劑對大團(tuán)聚體形成的促進(jìn)效果最為明顯，BG、BF和BGF 3組大團(tuán)聚體比例由CK組的53.79%分別增加至73.02%、79.34%、84.75%。隨著處理時間的延長，BG、BF和BGF 3組中大團(tuán)聚體含量較土培90 d時有所降低，但當(dāng)土培120、150和180 d時，各處理組大團(tuán)聚體比例基本保持穩(wěn)定。大團(tuán)聚體比例增加最大的BGF組在處理120、150、180 d后分別為62.88%、 66.87%和65.39%。這是因為赤泥中含有大量可交換性Na+，會降低土壤中有機(jī)質(zhì)和土壤礦物之間的共價作用，導(dǎo)致膠體中團(tuán)聚體的崩解和黏粒的分散[33]。而添加石膏后，可交換Ca2+的增加能夠減少其中分散性黏粒的數(shù)量，促進(jìn)團(tuán)聚體的絮凝和穩(wěn)定[34]。大團(tuán)聚體主要由微團(tuán)聚體和粉黏粒通過植物根系、生物菌絲和有機(jī)大分子膠結(jié)形成[35]。Jones等[26]也發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)能夠促進(jìn)赤泥顆粒團(tuán)聚。故向赤泥添加蚯蚓糞肥后，其中含有大量的具有生物活性的微生物，微生物的新陳代謝產(chǎn)物能夠有效促進(jìn)赤泥顆粒團(tuán)聚，使得大團(tuán)聚體含量大幅增加。石膏、蚯蚓糞肥均能促進(jìn)赤泥顆粒團(tuán)聚，其促進(jìn)效果為：石膏+蚯蚓糞肥>蚯蚓糞肥>石膏。

圖1 干篩條件下赤泥團(tuán)聚體組成Fig.1 Dry sieve fractions of residue samples

從圖2可知，處理60 d后，水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量由CK組的9.23%分別增加到BG、BF和BGF組的10.44%、12.36%和20.01%。濕篩條件下得到的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體比例明顯低于干篩條件下的大團(tuán)聚體，這是因為赤泥團(tuán)聚體水穩(wěn)性較差，大團(tuán)聚體容易被水力沖刷破壞變成微團(tuán)聚體。但BG、BF和BGF 3組的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體比例均高于對照組(CK)，且隨著處理時間的延長，水穩(wěn)性大團(tuán)聚體比例均有所增加。在處理180 d時，CK、BG、BF和BGF組的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量分別為12.04%、23.49%、29.24%和33.94%，這表明改良劑對大團(tuán)聚體的穩(wěn)定具有良好效果，石膏和蚯蚓糞肥能增加大團(tuán)聚體的水穩(wěn)性，使形成的大團(tuán)聚體不易被水力侵蝕。石膏能降低可交換性Na+，提供可交換性Ca2+，進(jìn)而促進(jìn)穩(wěn)定團(tuán)聚結(jié)構(gòu)的形成。蚯蚓糞肥中含有大量具有生物活性的微生物，而微生物的新陳代謝產(chǎn)物、分泌的多糖、菌絲能有效促進(jìn)赤泥顆粒團(tuán)聚，提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性[23]。BF和BGF水穩(wěn)性大團(tuán)聚體比例顯著增加，這與石宗琳等[36]研究發(fā)現(xiàn)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量降低與有機(jī)質(zhì)含量下降有關(guān)，增加有機(jī)質(zhì)能促進(jìn)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的結(jié)果一致。BGF組對水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的穩(wěn)定效果最好，這是由石膏和蚯蚓糞肥聯(lián)合作用的結(jié)果，這也說明聯(lián)合添加對水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定效果要優(yōu)于單獨添加。水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量對于保持土壤穩(wěn)定狀態(tài)具有重要價值[12]，本研究中添加石膏和蚯蚓糞肥均有利于水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成，這對于保持赤泥團(tuán)聚體的穩(wěn)定具有重要意義。

圖2 濕篩條件下赤泥團(tuán)聚體組成Fig.2 Wet sieve fractions of residue samples

2.3 基質(zhì)改良對赤泥團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

通過濕篩得到團(tuán)聚體組成分布后分別計算其平均重量直徑MWD和可蝕性因子K，探究石膏和蚯蚓糞肥對赤泥穩(wěn)定性與抗蝕性的影響(圖3)。處理180 d后，團(tuán)聚體平均重量直徑由0.15分別增加到0.26、0.30、0.34，可蝕性因子由0.36分別降低到0.33、0.31、0.30。蚯蚓糞肥添加對赤泥團(tuán)聚體MWD值影響比石膏更明顯，而MWD值主要取決于大團(tuán)聚體含量，這表明有機(jī)質(zhì)更有利于赤泥較大粒徑團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定。蚯蚓糞肥本身為細(xì)微顆粒且其中含有大量的微生物，而微生物的新陳代謝產(chǎn)物能有效促進(jìn)赤泥顆粒的團(tuán)聚。Villar等[37]發(fā)現(xiàn)微生物分泌的多糖和真菌菌絲的纏繞作用使得土壤顆粒能更好地團(tuán)聚。赤泥堿性強、鹽分含量高，容易引起膠體雙電層的分散，從而阻礙赤泥團(tuán)聚體的形成，石膏添加能夠降低鈉鹽含量，促進(jìn)赤泥團(tuán)聚結(jié)構(gòu)的形成與穩(wěn)定[38]?？晌g性因子K值作為土壤顆粒團(tuán)聚和抗蝕性的一個重要指標(biāo)，與土壤抗侵蝕能力呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，K值越大，則土壤穩(wěn)定性越差[39]。隨著處理時間的延長，BG、BF和BGF組MWD值逐漸增加，K值逐漸減小，表明赤泥團(tuán)聚體穩(wěn)定性也逐漸增加。Verdenelli等[30]指出，蚯蚓糞肥能改善土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)土壤黏粒絮凝，提高土壤的穩(wěn)定性與抗蝕性。BGF組可蝕性因子K最小，表明聯(lián)合添加石膏+蚯蚓糞肥，其抗侵蝕能力最強。石膏和蚯蚓糞肥均有利于赤泥團(tuán)聚體的穩(wěn)定，其穩(wěn)定性效果為：石膏+蚯蚓糞肥>蚯蚓糞肥>石膏。

圖3 濕篩條件下赤泥團(tuán)聚體平均重量直徑MWD和可蝕性因子(K)Fig.3 Changes in the mean weight diameter and erodibility factor under the wet seiving condition

3 結(jié)論

石膏能顯著降低赤泥pH，蚯蚓糞肥能增加TOC含量，相比于對照組，處理60 d時BGF組pH由10.54降低到8.79，TOC含量由3.54 g·kg-1增加到15.16 g·kg-1；干篩條件下，大團(tuán)聚體的形成效果在處理90 d時最佳，CK、BG、BF和BGF組大團(tuán)聚體含量分別為53.79%、73.02%、79.34%、84.75%。各處理組對赤泥團(tuán)聚體形成的結(jié)果為：BGF>BF>BG>CK；濕篩條件下，BG、BF和BGF組水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量、MWD值隨著處理時間延長而逐漸增加，可蝕性因子K逐漸降低，赤泥團(tuán)聚體穩(wěn)定性及抗蝕性均逐漸提高。對赤泥團(tuán)聚體穩(wěn)定性效果為：BGF>BF>BG>CK；石膏與蚯蚓糞肥均能有效改善赤泥的理化性質(zhì)及物理結(jié)構(gòu)，促進(jìn)赤泥團(tuán)聚體形成及穩(wěn)定。