平果铝土矿矿区周边坡地、耕地土壤基础理化性质空间差异

段绍彦, 成官文, 解庆林, 张 燎, 熊 林, 吴海文, 陈占钢, 张正林

(1.桂林理工大学 广西环境污染控制理论与技术重点实验室, 广西 桂林 541006;2.广西生态工程职业技术学院, 广西 柳州 545004; 3.中国铝业股份有限公司广西分公司, 广西 百色 531499)

铝土矿的开采、洗选和冶炼会带来土地剥离与采空、矿泥与赤泥排放等问题。赤泥碱性强、盐分含量高、综合利用难、污染物迁移风险大, 矿泥含水率高、质地黏重, 最大限度降低赤泥堆场与矿泥尾矿库的环境风险已成为氧化铝行业必须面对的一个紧迫课题[1-4]。参考文献[5-7]相关方法， 本研究以广西平果铝土矿矿区采空区不同海拔高度周边坡地、耕地土壤为对象, 研究土壤pH、电导率(EC)、粒径、可交换阳离子、含水率、容重、总孔隙率等基础理化性质, 探寻矿坑周边土壤基础理化性质的空间分异规律, 分析矿区采空区作为赤泥、矿泥回填复垦环境空间的可能性, 为中国铝业股份有限公司广西分公司赤泥与矿泥回填矿坑处置提供科学依据。

1 研究地概况

研究区域铝土矿区位于广西平果县境内, 地理坐标为E107°26′05＂—107°39′22＂, N23°19′58＂—23°28′55＂, 海拔高度为147～720 m, 岩溶地貌, 主要矿藏资源为铝土矿、石灰石等, 自然植被以石山杂草灌木为主, 常见农作物有甘蔗、玉米、红薯、桑叶等, 年均气温21.7 ℃, 年均降雨量1 309.8 mm, 为典型亚热带湿热气候。

2 研究方法

2.1 样品采集与处理

土壤样品采集位置利用奥维互动地图定位软件定位, 采样时间为2019年8月, 地点为广西平果铝土矿的3个矿区的矿坑周边坡地与耕地。坡地共设置12个采样点(表1)， 海拔在155.44～614.99 m, 每个采样点分别在剖面深度20、50、100 cm采集淋溶层、沉积层、母质层未受人为扰动的土壤; 耕地共5个采样点(表2), 分布于海拔168.95～410.30 m, 采集深度≤20 cm的耕作层, 采样点位置如图1。每个分层样本按0.5～1 m的水平横向间隔采集6个等量子样品, 制成混合样， 密封。同时每个采样点取部分样品进行风干, 过1 mm筛, 并采用4分法制作6个平行样, 以备化学指标的分析测试。

图1 采样点位置图Fig.1 Location map of sampling points

表1 坡地样点情况Table 1 Situation of sloping sample points

表2 耕地样点情况Table 2 Situation of cultivated land sample points

2.2 测定项目与方法

化学指标: pH测定采用电位法[8], 水土比2.5∶1, 雷磁 PHS-3E型pH计测定, 精确度为0.01 ; 电导率(EC)采用电导法[9], 水土比5∶1, DDS-307 型电导率仪测定, 精确度为0.01 μS/cm; 可交换阳离子(钙、镁、钾、钠)采用可交换态分析法, 采用醋酸铵提取、ICP-AES 测定, 仪器精度为0.01 mg/L。

物理指标: 含水率采用105 ℃烘干法测定[10]; 容重采用环刀法测定[11]; 相对密度采用比重瓶法测定[12], 称重天平精度为0.000 1 g, 总孔隙度通过下列公式计算[13]

PP=(1-ρB/ρP)×100%,

(1)

式中:PP总孔隙度;ρB为容重;ρP为相对密度。

粒径分布采用Master Sizer 3000激光粒度仪测定, 测试精度>0.01%。

2.3 统计分析

采用Excel 2007对测试数据进行统计分析; 图件采用AutoCAD 2007绘制; 使用SPSS 23.0进行Pearson相关性分析, 其中Pearson相关系数r: <0.2为不相关， 0.2～0.4为弱相关, 0.4～0.6为中等相关, 0.6～0.8为强相关, 0.8～1为极强相关, 具体统计结果见表3。

表3 坡地、耕地样点理化性质与采样位置Pearson相关性系数统计Table 3 Pearson correlation coefficient statistics of physical andchemical properties of sloping land and cultivated land withlocation samples

3 结果分析

3.1 矿区坡地、耕地土壤pH空间分布规律

矿区周边各坡地样点pH值统计结果见表4。可以看出: 各坡地土壤平均pH值为6.7, 总体呈中性, 比华南大部分红壤地区土壤pH水平(6.0～6.5)稍高[14]; 各坡地土壤pH值与海拔高度没有关联, 与

表4 坡地样点化学指标统计Table 4 Statistics of chemical indexes of slope land samples

土壤层位没有关联。坡地土壤的P8样点呈酸性(pH<5.5), P1、P5、P11样点呈微酸性(pH=5.5～6.5), 剩余8个土样呈中性(pH=6.5～7.5)。 矿区周边各耕地样点pH统计结果见表5。G2、G3、G4样点耕地土壤pH呈弱碱性(7.5

表5 耕地样点≤20 cm深度的耕作层化学指标统计Table 5 Statistic of chemical indexes of cultivated land samples

矿区周边所采全部样点的土壤均具有较高的碱性物质环境容量, 能够缓冲平衡部分赤泥回填带来的碱度冲击。

3.2 矿区周边坡地、耕地土壤EC空间分布规律

矿区周边各坡地、耕地样点EC值统计结果见表4、表5。

各坡地样点土壤EC均值多在80 μS/cm以下, 部分样点母质层EC值甚至达到了个位数, 说明坡地土壤处于极低盐度状态, 适耕性较差。除P8、P9外, 海拔高度低于400 m的各样品的EC值较海拔高于400 m的EC值高, 表明EC值随海拔高度降低而增加的趋势(r=-0.406**), 但与土壤的层位关联性较差。耕地土壤EC均值多在100～200 μS/cm, 盐分水平明显高于坡地, 但相对我国主要菜区土壤盐分水平, 仍处于较低水平(<250 μS/cm)[15]; 海拔高于400 m的G1样点EC低于50 μS/cm, 处于很低水平, 也显示海拔高度与耕地样点EC呈负相关(r=-0.488**)。

3.3 矿区周边坡地、耕地土壤可交换阳离子空间分布规律

坡地、耕地可交换K+、Na+、Ca2+、Mg2+的统计结果见表4、表5。

可交换K+含量:耕地土壤中的可交换K+含量略高于坡地土壤; 坡地土壤中的可交换K+含量与海拔高度没有关联性, 与土壤采样深度呈弱负相关(r=-0.215**), 而耕地土壤与海拔高度呈负相关(r=-0.590**)。

可交换Na+含量: 除P3样点外, 坡地与耕地土壤中的可交换Na+含量水平基本相近, 且坡地土壤与样点海拔高度、层位关联性不大, 而耕地土壤可交换Na+含量与样点海拔呈负相关(r=-0.616**)。

可交换Ca2+含量： 耕地、坡地土壤中的含量均高。参照曾艳等[6]养分分级标准, 坡地土壤中的可交换Ca2+含量有38.89%样本为适量水平(1 000～2 000 mg/kg), 30.56%样点处于高量(2 000～3 000 mg/kg)和过量水平(>3 000 mg/kg); 40.00%耕地土壤样本可交换Ca2+含量为高量水平, 40.00%为过量水平。坡地土壤中的可交换Ca2+含量没有呈现与海拔高度的关联性, 但多数坡地淋溶层样点土壤可交换Ca2+含量高于沉积层、母质层; 耕地土壤中的可交换Ca2+含量与海拔呈负相关(r=-0.471**)。

可交换Mg2+含量： 坡地、耕地土壤中的可交换Mg2+含量均较低, 且明显低于可交换Ca2+含量。参照曾艳等[6]养分分级标准相关研究, 坡地样点可交换Mg2+含量有5.56%的样本为缺乏水平(80～150 mg/kg)， 83.33%样本为极缺水平(<80 mg/kg); 耕地样本也有60.00%处于缺乏或极缺乏状态。坡地土壤中的可交换Mg2+含量与采样深度、海拔呈弱负相关(r分别为-0.184**、-0.282**), 耕地土壤可交换Mg2+含量与海拔呈极强负相关(r=-0.927**)。

上述结果表明, 除可交换Ca2+外, 矿区周边坡地、耕地可交换K+、Na+、Mg2+含量均处于匮乏状态, 这为高盐赤泥适量复垦回填提供了环境空间。

3.4 矿区周边坡地、耕地土壤粒径空间分布规律

矿区周边坡地、耕地样点土壤粒径分级统计见表6、表7。

表6 坡地粒径分级统计Table 6 Particle size grading statistics of sloping land

表7 耕地≤20 cm深度的耕作层粒径分级统计Table 7 Particle size grading statistics of cultivated land

坡地样品土壤平均粒径为7.62 μm, 除P3样点的母质层(重黏土)和P10样点的母质层(中黏土)点位外, 土壤细黏粒(<1 μm)含量皆低于30%, 86%样品粗粉粒(10～50 μm)含量低于40%, 92%样品砂粒(50～1 000 μm)含量低于20%。 根据中国土粒分级标准[16], 有75%样品属于壤土, 剩余为砂壤土、粉土、砂粉土、中黏土、重黏土。坡地土壤以壤土为主。耕地样品平均粒径为14.21 μm, 土壤细黏粒(<1 μm)含量均低于4%, 60%样品粗粉粒含量高于40%, 且20%样品砂粒含量高于20%, 参照中国土粒分级标准[16], G1、G3、G4样点土壤样本为粉土, G2、G5样点土壤分别为壤土与砂壤土。

坡地土壤淋溶层、沉积层、母质层样点土壤的平均粒径分别为10.50、7.14、5.24 μm, 粗粉粒在淋溶层、沉积层、母质层样点平均比例分别为36.64%、27.56%、24.28%, 均随深度增加而降低(r分别为-0.397**、-0.573**); 与此相反, 细黏粒在淋溶层、沉积层、母质层样点平均比例分别为5.54%、14.91%和18.60%(r=0.465**)。坡地土壤粒径在不同层分布规律显著。

中低海拔(<400 m), 39%坡地样本的细粉粒含量大于20%, 而高海拔(>400 m), 61%坡地样本细粉粒含量大于20%; 低海拔坡地67%样本砂粒含量大于5%, 而高海拔坡地样点仅22%样本砂粒含量大于5%, 显示随着海拔高度的降低, 细粉粒含量减少、砂粒含量增加(r为别为0.418**、-0.289**)。耕地土壤样品的变化规律为细黏粒、砂粒含量随海拔高度的降低而增加(r分别为-0.562**、-0.563**)。

3.5 矿区周边坡地、耕地土壤含水率空间分布规律

矿区周边坡地、耕地样点含水率结果见表8、表9。① 坡地样点低于400 m海拔高度的样点平均含水率为24.27%, 而高于400 m海拔的样点平均含水率升至27.61%, 坡地土壤含水量有随海拔高度降低而降低的趋势(r=0.289**)。②坡地大多数样点分层含水率均值大小排序为淋溶层(29.03%)>沉积层(26.12%)>母质层(22.58%), 含水率随层位深度增加而降低(r=0.441**)。 ③耕地含水率多在18%～30%, 总体与海拔高度无关联, 其中G1、G2、G4样点含水率高于20%, G3、G5样点含水率低于20%。

3.6 矿区周边坡地、耕地土壤容重、总孔隙度、相对密度空间分布规律

矿区周边土壤压实坡地、耕地土壤样品容重、总孔隙度统计结果见表8、表9。

表9 耕地样点≤20 cm深度的耕作层物理性质统计Table 9 Statistics of physical properties of cultivated land samples

海拔高于430 m的P1～P4样点, 容重在1.05 g/cm3左右, 且其平均总孔隙度为59.53%; 而海拔低于410 m的6个(P7～P12)样点平均容重在1.17 g/cm3, 平均总孔隙度为56.70%。坡地样点随着海拔的降低, 其压实样品容重递增(r=-0.206**), 总孔隙度递减(r=0.159**)。此外, 坡地土壤淋溶层、沉积层、母质层容重分别为1.20、1.15、1.11 g/cm3, 显示表层土壤易压实。耕地的土壤样品容重介于1.24～1.50 g/cm3, 普遍高于坡地土壤, 其总孔隙度介于43.24%～53.53%, 普遍低于坡地总孔隙度。

坡地、耕地土壤样品相对密度相近(表7、表8), 但坡地与耕地土壤相对密度在海拔上的渐变性相反。坡地样点相对密度总体呈现随海拔的降低而递增(r=-0.254**), 耕地反之(r=0.534**)。

表8 坡地样点物理性质统计Table 8 Statistics of physical properties of slope land samples

4 讨 论

4.1 矿区周边坡地、耕地土壤基础理化性质空间差异性的成因探讨

受南方湿热气候的影响, 碱金属(K、Na)、碱土金属元素(Ca、Mg)经雨水淋溶, 大量流失, 致使矿区坡地、耕地土壤各样点土壤呈现出不同程度的酸化, 但因农业种植过程的施肥改土, 其他人为因素、生物因素叠加, 耕地土壤的pH有所回升。矿区周边坡地、耕地土壤的EC也因雨水强烈淋溶流失, 但由于矿区周边为岩溶地区, 淋溶流失的盐度没有在深度土层中得到保留、贮存, 而随水流下渗岩溶裂隙流失， 以致矿区周边坡地、耕地土壤盐分均偏低, 对具有一定盐度赤泥矿泥土壤化处置类土有较大涵养能力, 尤其是海拔高于400 m的坡地、耕地。

土壤中可交换K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量也因区域强烈的淋溶作用受到耗损。可交换Mg2+含量明显偏低, 显示其与较纯厚层灰岩母岩(非含Mg2+的白云质灰岩、白云岩)风化关联, 而植物生长过程中从土壤中不断吸收Mg2+也加剧了坡地、耕地土壤Mg2+的进一步降低, 但由于土壤母质为较纯的灰岩, 在二氧化碳与水的共同作用下, 灰岩被不断地溶解, 提供充足的可交换Ca2+, 并在坡地淋溶层土壤中含量偏高。

耕地土壤的粒径较坡地土壤的粒径与粒级大、低海拔区域土壤的粒径与粒级较高海拔区域土壤粒径与粒级大。导致这一现象原因可能与红水河右江区域水土流失有关。受区域地质作用以及强降雨影响, 岩溶石山山体不高、山顶山脚高差不大, 因而较高海拔的坡地、耕地因雨水径流汇集量小, 水力冲刷有限, 雨水主要携带走了较小粒径的细黏粒, 粒径稍大一点的粗黏粒、细粉砂、粗粉砂基本得以留存; 但到了海拔较低的坡地及其山脚的耕地, 因汇水面积增大, 雨水径流量加大, 水流冲刷作用增强, 更大范围粒径的细黏粒、粗黏粒、细粉砂被大量携带进入江河水体, 形成“红水河”, 较粗粒径的粗粉砂、砂粒基本得以留存, 致使海拔高度低的坡地及其耕地土壤平均粒径反而比海拔高度稍高的坡地及其耕地土壤平均粒径更大, 土壤中粉砂、砂粒所占比例更高, 土壤质地由壤土逐渐变成了粉土甚至砂壤土。

坡地土壤样品含水率与海拔高度呈正相关、与采样深度呈正相关, 其成因可能与较高海拔地区较为强烈的降雨有关, 且海拔相对较低的P6、P8、P12样点的细黏粒占比较低(表6), 降低了土壤的保水、含水能力, 而坡地较低层土壤其水分蒸腾作用减少且可能受地下水补充。耕地含水率影响因素较多, 可能与耕地土壤质地、采样阶段耕地种植植物类型及其生长情况、是否灌溉浇水等有关, G2为壤土土质, 玉米已经收割, 土壤无蒸腾作用, 因而土壤含水率高; G1粉土土质, 植物生长情况同G2, 因而土壤的含水率也较高; G4为低洼的蔗地, 相对湿润; G3、G5为粉土与壤土, 旱地, 地势相对周边高, 故含水率较低, 加之红薯与桑叶的蒸腾作用也降低了土壤的墒情。

坡地土壤容重、相对密度随海拔高度的降低而递增。矿区周边坡地土壤容重及相对密度随海拔空间变化的规律与长期的地表水力冲刷作用有关。低海拔的坡地, 水的冲刷作用逐渐增强, 细小的土壤黏粒向下远距离迁移, 因而其容重、相对密度更大。而耕地土壤相对密度受表层植物轻质残渣腐殖质的雨水冲刷作用影响较大, 使得其相对密度随海拔高度的降低而递减。耕地土壤总孔隙率主要受农业活动的影响, 如施加有机肥等, 因而耕地的总孔隙率呈现一定幅度波动。

4.2 矿区矿坑为赤泥、矿泥回填复垦提供环境空间的可行性探讨

赤泥、矿泥主要理化性质见表10, 赤泥系氧化铝冶炼过程中高温活化产物, 以及拜耳法冶炼工艺中碱性物质Ca(OH)2、NaOH的引入[4], 导致其碱度、盐分、离子溶出水平以及容重等理化指标参数较高, 且粒径、总孔隙度水平较低， 其pH在9.52～10.80, EC为427.0～1 025 μS/cm, 可交换K+、Na+、Ca2+含量在103～105mg/kg级别, 容重1.42～1.74 g/cm3, 总孔隙度47.02%～58.08%。矿泥为采矿过程中矿石水选作业时产生的高含水率泥浆[3], 脱水难度大, 建库积存要求高, 自然风干后极易板结, 颗粒极细且排列紧密, 工程上脱水后仍然保留较高的含水率，但由于聚丙烯酰胺絮凝剂的加入粒径增大。矿泥脱水前、后pH分别为6.81、7.14, EC分别为418.7、88.25 μS/cm, 可交换K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量范围多在102～104mg/kg级别, 平均粒径分别为4.23、89.37 μm, 黏粒已经向较大颗粒级别的粉、砂粒转化, 含水率分别为66.07%、48.84%, 容重分别为1.62、1.14 g/cm3, 总孔隙度分别为47.99%、58.64%, 相对密度分别为3.11、2.74 g/cm3, 显示脱水矿泥理化性质接近矿区周边土壤。

表10 赤泥、矿泥化学理化指标统计Table 10 Statistics of physical and chemical properties of red mud and mine slime

矿区矿坑周边坡地、耕地土壤的酸性容量较大、盐分低, 可交换K+、Na+、Mg2+含量低, 土壤质地及其粒径存在粗粒化现象, 其基本理化性质与赤泥的高碱、高盐, 矿泥高含水率的固废特征以及赤泥、矿泥的细粒径、高容重特征互补, 具有较大环境缓冲容量, 能够为赤泥、矿泥回填复垦提供环境空间。矿区原有废弃矿坑能够为铝业生产产生的赤泥、矿泥等大宗固废土壤化处置类土提供环境空间。

5 结 论

(1)矿山采空区周边坡地、耕地土壤基础理化性质在空间上呈一定规律性分布。矿区周边坡地土壤pH多呈中偏酸性, EC值因雨水强烈淋溶明显偏低, 可交换K+、Na+、Mg2+也因淋溶作用而耗损。坡地、耕地土壤质地、粒径及其细黏粒、粗黏粒、细粉砂所在比例也因地表径流的冲刷作用, 而与海拔或者地形高差关联。坡地样点土壤含水率与海拔和采样深度呈正相关; 土壤容重随海拔的降低而递增; 坡地土壤相对密度总体呈现随海拔的降低而递增, 但耕地因地表轻质腐殖质的冲刷作用, 相对密度反而减小。初步认为矿区周边坡地、耕地土壤的理化性质与岩溶地质作用、成土母质、海拔高度、地表雨水径流以及人为扰动等综合作用密切关联。

(2)矿区矿坑周边坡地、耕地土壤的基本理化性质与赤泥、矿泥特性较为互补, 矿区矿坑能够为赤泥、矿泥回填复垦提供适宜环境空间。