孫迎紅　張雅慧　王明霞　張　寧

有機物料對赤泥基質改良的效果研究

孫迎紅張雅慧王明霞張寧

（山東理工大學資源與環(huán)境工程學院山東淄博255049）

文章以添加質量分數(shù)為2%、5%的落葉和秸稈作為改良劑，研究有機物料對赤泥基質的pH值、電導率、有機質含量、團聚體的影響。結果表明：落葉、秸稈的添加可以降低赤泥的pH值，但會引起電導率的上升；添加落葉、秸稈后赤泥的有機質含量和團聚體穩(wěn)定性均有所提高，說明有機物料可以積累有機碳并結合細顆粒形成穩(wěn)定團聚體。有機物料對赤泥基質的改良效果與添加比例基本呈正相關，且秸稈的改良效果優(yōu)于落葉，其中添加5%秸稈的改良效果最好。

有機物料；落葉；秸稈；赤泥；赤泥基質；基質改良

赤泥是氧化鋁生產過程中產生的一種堿性固體廢棄物，生產1 t氧化鋁一般產生1 t～2 t赤泥[1]。截至2020年年底，全球赤泥累積堆存量已超過50億t，而這個數(shù)字仍在持續(xù)攀升[2]。赤泥的堆存占用了大量土地資源，同時對大氣、土壤和地下水造成污染。目前，相關研究主要集中在利用赤泥制備建筑材料、回收有價金屬以及環(huán)境修復等方面[3]，然而尚未開發(fā)出經濟有效的大規(guī)模綜合利用技術，全球對赤泥的利用率不足10%，其減排和綜合利用仍屬于世界性難題[4]。

赤泥土壤化技術可以一次性處理消耗大量赤泥，是一種極具發(fā)展前景的生態(tài)化處置方法。赤泥物理結構不良、堿性強、鹽分含量高，尤其是有機質和養(yǎng)分缺乏、團聚體結構較差，使得一般植物難以生長[5]。因此，開展赤泥土壤化技術研究，實現(xiàn)外排赤泥的規(guī)模化處置，具有重要意義[6]?；|改良是赤泥土壤化的基礎，目前許多國內外學者開展了關于赤泥基質改良的研究。Santini等（2013）強調，應更多地關注赤泥的成土過程，從而加強基質改良[7]。Haynes等（2019）認為，自然熟化及施用石膏和有機物質是赤泥堆場修復的關鍵[8]。Tian等（2019）通過添加磷石膏和蚯蚓糞對赤泥進行基質改良，研究發(fā)現(xiàn)改良劑會降低赤泥的pH值和電導率，對聚集體穩(wěn)定性有促進作用[9]。Jones等（2010）研究了不同有機物料對赤泥的改良效果，發(fā)現(xiàn)有機物料的添加可能會改善赤泥作為生長介質的特性，但仍需長期監(jiān)測[10]。此外，國內許多高校和科研單位的專家學者也相繼開展赤泥基質改良的相關研究，在有機物料、磷石膏、石膏等對赤泥基質的改良方面取得了一些進展。

有機物料被認為是有效的改良劑，考慮到成本和潛在的環(huán)境風險，篩選高效穩(wěn)定的有機改良劑以減少施用量并增強聚集對于赤泥基質改良至關重要。落葉、秸稈等有機物料來源廣泛、數(shù)量巨大且成本低廉，將其用于赤泥基質改良還可以達到“以廢治廢”的效果。樹木落葉含有大量的纖維和豐富的營養(yǎng)物質，王鵬等（2013）將落葉制作成生物基質來改良土地，發(fā)現(xiàn)土壤pH值降低且有機質含量明顯增加[11]。Reich等（2005）發(fā)現(xiàn)枯枝落葉會影響土壤的性質，部分落葉不完全分解時易產生較酸的腐殖質，進而降低土壤pH值[12]。秸稈是我國農業(yè)生產系統(tǒng)中一種非常重要的資源，既能降低鹽分含量，提高土壤養(yǎng)分含量、增加土壤有機質含量，還能促進團聚體的形成，改良土壤結構[13]。李磊等（2019）發(fā)現(xiàn)秸稈粉碎后返還土壤可以增加土壤水穩(wěn)性團聚體含量，降低耕層含鹽量，從而增加作物產量[14]?；诖?，本試驗以赤泥為研究對象，添加來源廣泛、成本低廉的有機物料進行基質改良，通過監(jiān)測典型的土壤參數(shù)（如pH值、電導率、有機質含量、團聚體等）評估其改良效果，以期為赤泥土壤化處置和規(guī)?；{提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

赤泥取自山東某鋁業(yè)公司赤泥堆場，運送試驗室風干過篩；將自然風干的秸稈粉碎；落葉在校園就地取材，充分晾干后粉碎備用。

1.2 試驗方法

秸稈和落葉在使用前都進行了風干和粉碎，將其分別按質量分數(shù)2%、5%與赤泥混勻得到混合物各200 g，置于透氣的培養(yǎng)瓶中。另以純赤泥為對照，每個處理重復3次，常規(guī)澆水。培養(yǎng)28 d后取樣品測量pH值、電導率、有機質含量和團聚體結構。

1.3 分析方法

使用pH計和電導率儀在固液比為1∶5的提取物中測量每個處理樣品的pH值和電導率。有機質含量的測定采用重鉻酸鉀水合熱比色法。赤泥團聚體組成采用干篩法測定，赤泥水穩(wěn)性團聚體組成采用濕篩法測定。

2 結果與討論

2.1 基質改良對赤泥pH值的影響

高堿度是限制赤泥土壤化改良的主要因素，因此通過基質改良降低其pH值至關重要。不同比例的落葉和秸稈添加到赤泥中后其pH值變化如圖1所示，添加不同比例落葉和秸稈的pH值與對照組相比均有降低，因為赤泥中的強堿會與落葉和秸稈發(fā)生化學反應使其腐蝕，赤泥pH值會隨之下降并且下降幅度隨有機物料添加比例的增加而增大[15]。相同添加比例下，秸稈降低赤泥的pH值幅度更大，表示秸稈對赤泥的改良效果要優(yōu)于落葉。這可能是因為在腐解過程中秸稈的腐殖酸含量高于落葉，使得其中和效果更好[16]。但隨著化學反應的完成，由于缺少微生物的分解作用，余下的有機成分對赤泥的pH值基本沒有影響，因此不同處理下赤泥pH值由11.07僅分別降至10.8、10.66、10.78、10.61，從試驗結果上反映出有機物料對赤泥的堿性調控效果并不理想，改良后赤泥的pH值仍高于一般植物的承受范圍。綜上所述，落葉和秸稈可以降低赤泥的pH值，但不能起到決定性的調節(jié)作用，若將有機物料用于赤泥堿性調控，則需額外使用石膏或一些其他改良劑將pH值降至一般植物可接受的水平。

圖1　不同比例的有機物料對赤泥pH值的影響

2.2 基質改良對赤泥電導率的影響

不同比例落葉和秸稈添加到赤泥中后，其電導率變化如圖2所示。由圖2可知，與對照組（2.19 mS/cm）相比，添加2%、5%落葉、秸稈的赤泥電導率分別提高至2.41 mS/cm、2.58 mS/cm、2.32 mS/cm、2.34 mS/cm，這與Jones（2011）在赤泥中加入生物固體后電導率增加[17]的研究結果相符。因為有機物料會與赤泥發(fā)生反應，使得兩者中積累的部分可溶性鹽浸出；且鹽分會在常規(guī)澆水的影響下隨著時間的推移而滲出，使得電導率增加。電導率增幅隨著有機物料添加比例的增加而變大，且相同添加比例下落葉產生的增幅更大，這可能是因為落葉與赤泥反應釋放出來的可溶性鹽更多，兩者之間的相互作用較秸稈更強。鹽分過高會抑制植物的生長，可以在本試驗的基礎上種植植物以評估其改良效果，未來的研究也應考慮在原料添加之前采取浸出處理以除去有機物料中的鹽分。

圖2　不同比例的有機物料對赤泥電導率的影響

2.3 基質改良對赤泥有機質含量的影響

有機質含量作為衡量赤泥質量的重要指標之一，在提高赤泥養(yǎng)分含量、促進植物對營養(yǎng)物質的吸收及改善赤泥物理性質方面有著重要影響。由圖3可以觀察到，試驗所用赤泥本身的有機質含量為3.09 g/kg，當添加2%、5%的落葉和秸稈時，赤泥的有機質含量可達5.41 g/kg、8.39 g/kg、6.23 g/kg、13.74 g/kg，表明有機物料的添加能提高赤泥有機質含量。這是因為落葉和秸稈中有機物含量高，未與赤泥發(fā)生化學反應的部分保持原狀可以提高赤泥中有機質含量。有機物料為赤泥中的微生物提供了碳源，從而提高微生物群落的活性，這些微生物活動的增加對于促進地下生態(tài)系統(tǒng)的運作、養(yǎng)分的循環(huán)和提高赤泥的肥力非常重要。微生物的生長繁殖使赤泥逐步積累有機質和氮素，還可以削弱養(yǎng)分的淋溶作用，使營養(yǎng)物質得以保存，同時加速元素周轉，有利于有機質的積累；微生物體內參與C、N、S、P礦化的關鍵酶的活性增加可能是微生物活性增強的結果，并且可能表明C、S、P在有機質庫中的循環(huán)速率更大，使得養(yǎng)分有效化。由圖3還能看出，有機質含量隨著有機物料添加比例的增大而提高，這是因為有機物含量及微生物數(shù)量增加，同時也提高了代謝效率。然而有機物料在自然情況下分解得較慢，因此，研發(fā)有效的腐熟劑作為添加劑是促進赤泥得到高效利用的重要途徑。

圖3　不同比例的有機物料對赤泥有機質含量的影響

2.4 基質改良對赤泥團聚體的影響

改善赤泥的物理結構，增加大團聚體含量是赤泥基質改良的重要環(huán)節(jié)。通過干篩和濕篩對各樣品的團聚體進行分級，研究不同改良劑對赤泥團聚體形成及穩(wěn)定的影響。干篩條件下赤泥團聚體組成如圖4所示，與純赤泥對照組（68%）相比，其他處理樣品中大團聚體（粒徑大于0.25 mm）所占比例分別增至72%、73%、75%、75%，表明有機改良劑增強了赤泥的機械穩(wěn)定性。這是因為赤泥微團聚體由赤泥原生顆粒膠結團聚組成，有機物料添加后被分解成有機膠結物質，利用這些物質的黏性、膠結性，可以將赤泥顆粒結合成微團聚體，進而將微團聚體結合成大團聚體[18]。由圖4可以看出，添加有機物料的比例越大，團聚體的機械穩(wěn)定性越強，更大的聚集很可能與這些處理中更多、更活躍的微生物有關。也就是說，微生物生物量與聚集體穩(wěn)定性之間存在密切的正相關關系，因為微生物群落能產生大量多糖結合劑且真菌菌絲的嚙合效應有利于顆粒的團聚。添加2%的秸稈時，赤泥中大于1 mm的團聚體結構所占比例甚至高于添加5%的落葉時，表明秸稈對赤泥的改良效果更加顯著。綜上所述，添加有機物料能促進赤泥中更大粒徑團聚體的形成。

圖4　干篩條件下赤泥團聚體組成

水穩(wěn)性團聚體決定土壤結構穩(wěn)定性與侵蝕能力，對于保持土壤穩(wěn)定狀態(tài)具有重要價值。對比圖5與圖4，可知濕篩條件下得到的水穩(wěn)性大團聚體（粒徑大于0.25 mm）比例明顯低于干篩條件下的大團聚體比例，這是因為赤泥團聚體水穩(wěn)性較差，大團聚體容易被水力沖刷破壞變成微團聚體[19]。但有機物料處理組的水穩(wěn)性大團聚體比例均高于對照組（44.41%），有機物料的添加使得處理組中粒徑大于0.25 mm的水穩(wěn)性團聚體所占比例分別增至46.25%、46.30%、46.62%、47.01%。大團聚體所占比例顯著增加表明有機物料的添加能增加團聚體的水穩(wěn)性，使形成的團聚體不易被水力侵蝕。這是因為有機物料添加后能夠被分解產生有機碳，有機碳能夠作為膠結物質促進穩(wěn)定團聚體的形成。有機物料的添加使得微生物數(shù)量及代謝活性增加，部分微生物的菌絲可以聯(lián)結較小的顆粒形成較大粒徑的團粒，這種團粒濕篩后不分散，具有水穩(wěn)性；微生物釋放的胞外多糖及其他聚合物能夠膠結赤泥顆粒，促進團聚體的形成和穩(wěn)定[20]。

圖5　濕篩條件下赤泥團聚體組成

3 結果與分析

高鹽堿度、低有機質含量、團聚體穩(wěn)定性差是限制赤泥土壤化發(fā)育的主要因素。添加質量分數(shù)為2%、5%的秸稈和落葉后赤泥的pH值由11.07分別降至10.8、10.66、10.78、10.61，表明有機物料可以降低赤泥的pH值，但若要將其pH值降至一般植物可接受的水平，仍需額外添加其他改良劑。質量分數(shù)2%、5%的落葉和秸稈將赤泥有機質含量由3.09 g/kg分別提升至5.41 g/kg、8.39 g/kg、6.23 g/kg、13.74 g/kg，且在促進赤泥團聚體形成，改善赤泥物理結構等方面的作用顯著；但引起赤泥電導率上升，從而抑制植物的生長，可在試驗前浸出以除去其鹽分。由試驗結果可知，赤泥基質改良效果與有機物料添加比例呈正相關，且秸稈的改良效果優(yōu)于落葉。未來可在本試驗的基礎上種植植物，進一步驗證有機物料的改良效果，也應與其他改良劑復配以降低赤泥的鹽堿度，使其在基質改良方面具有更大的開發(fā)潛力。

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10.3969/j.issn.2095-1205.2022.07.09

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2095-1205(2022)07-26-04

孫迎紅（2000- ），女，漢族，山東聊城人，本科，研究方向為環(huán)境工程。