有机物料对赤泥基质改良的效果研究

孙迎红　张雅慧　王明霞　张　宁

有机物料对赤泥基质改良的效果研究

孙迎红张雅慧王明霞张宁

（山东理工大学资源与环境工程学院山东淄博255049）

文章以添加质量分数为2%、5%的落叶和秸秆作为改良剂，研究有机物料对赤泥基质的pH值、电导率、有机质含量、团聚体的影响。结果表明：落叶、秸秆的添加可以降低赤泥的pH值，但会引起电导率的上升；添加落叶、秸秆后赤泥的有机质含量和团聚体稳定性均有所提高，说明有机物料可以积累有机碳并结合细颗粒形成稳定团聚体。有机物料对赤泥基质的改良效果与添加比例基本呈正相关，且秸秆的改良效果优于落叶，其中添加5%秸秆的改良效果最好。

有机物料；落叶；秸秆；赤泥；赤泥基质；基质改良

赤泥是氧化铝生产过程中产生的一种碱性固体废弃物，生产1 t氧化铝一般产生1 t～2 t赤泥[1]。截至2020年年底，全球赤泥累积堆存量已超过50亿t，而这个数字仍在持续攀升[2]。赤泥的堆存占用了大量土地资源，同时对大气、土壤和地下水造成污染。目前，相关研究主要集中在利用赤泥制备建筑材料、回收有价金属以及环境修复等方面[3]，然而尚未开发出经济有效的大规模综合利用技术，全球对赤泥的利用率不足10%，其减排和综合利用仍属于世界性难题[4]。

赤泥土壤化技术可以一次性处理消耗大量赤泥，是一种极具发展前景的生态化处置方法。赤泥物理结构不良、碱性强、盐分含量高，尤其是有机质和养分缺乏、团聚体结构较差，使得一般植物难以生长[5]。因此，开展赤泥土壤化技术研究，实现外排赤泥的规模化处置，具有重要意义[6]。基质改良是赤泥土壤化的基础，目前许多国内外学者开展了关于赤泥基质改良的研究。Santini等（2013）强调，应更多地关注赤泥的成土过程，从而加强基质改良[7]。Haynes等（2019）认为，自然熟化及施用石膏和有机物质是赤泥堆场修复的关键[8]。Tian等（2019）通过添加磷石膏和蚯蚓粪对赤泥进行基质改良，研究发现改良剂会降低赤泥的pH值和电导率，对聚集体稳定性有促进作用[9]。Jones等（2010）研究了不同有机物料对赤泥的改良效果，发现有机物料的添加可能会改善赤泥作为生长介质的特性，但仍需长期监测[10]。此外，国内许多高校和科研单位的专家学者也相继开展赤泥基质改良的相关研究，在有机物料、磷石膏、石膏等对赤泥基质的改良方面取得了一些进展。

有机物料被认为是有效的改良剂，考虑到成本和潜在的环境风险，筛选高效稳定的有机改良剂以减少施用量并增强聚集对于赤泥基质改良至关重要。落叶、秸秆等有机物料来源广泛、数量巨大且成本低廉，将其用于赤泥基质改良还可以达到“以废治废”的效果。树木落叶含有大量的纤维和丰富的营养物质，王鹏等（2013）将落叶制作成生物基质来改良土地，发现土壤pH值降低且有机质含量明显增加[11]。Reich等（2005）发现枯枝落叶会影响土壤的性质，部分落叶不完全分解时易产生较酸的腐殖质，进而降低土壤pH值[12]。秸秆是我国农业生产系统中一种非常重要的资源，既能降低盐分含量，提高土壤养分含量、增加土壤有机质含量，还能促进团聚体的形成，改良土壤结构[13]。李磊等（2019）发现秸秆粉碎后返还土壤可以增加土壤水稳性团聚体含量，降低耕层含盐量，从而增加作物产量[14]。基于此，本试验以赤泥为研究对象，添加来源广泛、成本低廉的有机物料进行基质改良，通过监测典型的土壤参数（如pH值、电导率、有机质含量、团聚体等）评估其改良效果，以期为赤泥土壤化处置和规模化消纳提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

赤泥取自山东某铝业公司赤泥堆场，运送试验室风干过筛；将自然风干的秸秆粉碎；落叶在校园就地取材，充分晾干后粉碎备用。

1.2 试验方法

秸秆和落叶在使用前都进行了风干和粉碎，将其分别按质量分数2%、5%与赤泥混匀得到混合物各200 g，置于透气的培养瓶中。另以纯赤泥为对照，每个处理重复3次，常规浇水。培养28 d后取样品测量pH值、电导率、有机质含量和团聚体结构。

1.3 分析方法

使用pH计和电导率仪在固液比为1∶5的提取物中测量每个处理样品的pH值和电导率。有机质含量的测定采用重铬酸钾水合热比色法。赤泥团聚体组成采用干筛法测定，赤泥水稳性团聚体组成采用湿筛法测定。

2 结果与讨论

2.1 基质改良对赤泥pH值的影响

高碱度是限制赤泥土壤化改良的主要因素，因此通过基质改良降低其pH值至关重要。不同比例的落叶和秸秆添加到赤泥中后其pH值变化如图1所示，添加不同比例落叶和秸秆的pH值与对照组相比均有降低，因为赤泥中的强碱会与落叶和秸秆发生化学反应使其腐蚀，赤泥pH值会随之下降并且下降幅度随有机物料添加比例的增加而增大[15]。相同添加比例下，秸秆降低赤泥的pH值幅度更大，表示秸秆对赤泥的改良效果要优于落叶。这可能是因为在腐解过程中秸秆的腐殖酸含量高于落叶，使得其中和效果更好[16]。但随着化学反应的完成，由于缺少微生物的分解作用，余下的有机成分对赤泥的pH值基本没有影响，因此不同处理下赤泥pH值由11.07仅分别降至10.8、10.66、10.78、10.61，从试验结果上反映出有机物料对赤泥的碱性调控效果并不理想，改良后赤泥的pH值仍高于一般植物的承受范围。综上所述，落叶和秸秆可以降低赤泥的pH值，但不能起到决定性的调节作用，若将有机物料用于赤泥碱性调控，则需额外使用石膏或一些其他改良剂将pH值降至一般植物可接受的水平。

图1　不同比例的有机物料对赤泥pH值的影响

2.2 基质改良对赤泥电导率的影响

不同比例落叶和秸秆添加到赤泥中后，其电导率变化如图2所示。由图2可知，与对照组（2.19 mS/cm）相比，添加2%、5%落叶、秸秆的赤泥电导率分别提高至2.41 mS/cm、2.58 mS/cm、2.32 mS/cm、2.34 mS/cm，这与Jones（2011）在赤泥中加入生物固体后电导率增加[17]的研究结果相符。因为有机物料会与赤泥发生反应，使得两者中积累的部分可溶性盐浸出；且盐分会在常规浇水的影响下随着时间的推移而渗出，使得电导率增加。电导率增幅随着有机物料添加比例的增加而变大，且相同添加比例下落叶产生的增幅更大，这可能是因为落叶与赤泥反应释放出来的可溶性盐更多，两者之间的相互作用较秸秆更强。盐分过高会抑制植物的生长，可以在本试验的基础上种植植物以评估其改良效果，未来的研究也应考虑在原料添加之前采取浸出处理以除去有机物料中的盐分。

图2　不同比例的有机物料对赤泥电导率的影响

2.3 基质改良对赤泥有机质含量的影响

有机质含量作为衡量赤泥质量的重要指标之一，在提高赤泥养分含量、促进植物对营养物质的吸收及改善赤泥物理性质方面有着重要影响。由图3可以观察到，试验所用赤泥本身的有机质含量为3.09 g/kg，当添加2%、5%的落叶和秸秆时，赤泥的有机质含量可达5.41 g/kg、8.39 g/kg、6.23 g/kg、13.74 g/kg，表明有机物料的添加能提高赤泥有机质含量。这是因为落叶和秸秆中有机物含量高，未与赤泥发生化学反应的部分保持原状可以提高赤泥中有机质含量。有机物料为赤泥中的微生物提供了碳源，从而提高微生物群落的活性，这些微生物活动的增加对于促进地下生态系统的运作、养分的循环和提高赤泥的肥力非常重要。微生物的生长繁殖使赤泥逐步积累有机质和氮素，还可以削弱养分的淋溶作用，使营养物质得以保存，同时加速元素周转，有利于有机质的积累；微生物体内参与C、N、S、P矿化的关键酶的活性增加可能是微生物活性增强的结果，并且可能表明C、S、P在有机质库中的循环速率更大，使得养分有效化。由图3还能看出，有机质含量随着有机物料添加比例的增大而提高，这是因为有机物含量及微生物数量增加，同时也提高了代谢效率。然而有机物料在自然情况下分解得较慢，因此，研发有效的腐熟剂作为添加剂是促进赤泥得到高效利用的重要途径。

图3　不同比例的有机物料对赤泥有机质含量的影响

2.4 基质改良对赤泥团聚体的影响

改善赤泥的物理结构，增加大团聚体含量是赤泥基质改良的重要环节。通过干筛和湿筛对各样品的团聚体进行分级，研究不同改良剂对赤泥团聚体形成及稳定的影响。干筛条件下赤泥团聚体组成如图4所示，与纯赤泥对照组（68%）相比，其他处理样品中大团聚体（粒径大于0.25 mm）所占比例分别增至72%、73%、75%、75%，表明有机改良剂增强了赤泥的机械稳定性。这是因为赤泥微团聚体由赤泥原生颗粒胶结团聚组成，有机物料添加后被分解成有机胶结物质，利用这些物质的黏性、胶结性，可以将赤泥颗粒结合成微团聚体，进而将微团聚体结合成大团聚体[18]。由图4可以看出，添加有机物料的比例越大，团聚体的机械稳定性越强，更大的聚集很可能与这些处理中更多、更活跃的微生物有关。也就是说，微生物生物量与聚集体稳定性之间存在密切的正相关关系，因为微生物群落能产生大量多糖结合剂且真菌菌丝的啮合效应有利于颗粒的团聚。添加2%的秸秆时，赤泥中大于1 mm的团聚体结构所占比例甚至高于添加5%的落叶时，表明秸秆对赤泥的改良效果更加显著。综上所述，添加有机物料能促进赤泥中更大粒径团聚体的形成。

图4　干筛条件下赤泥团聚体组成

水稳性团聚体决定土壤结构稳定性与侵蚀能力，对于保持土壤稳定状态具有重要价值。对比图5与图4，可知湿筛条件下得到的水稳性大团聚体（粒径大于0.25 mm）比例明显低于干筛条件下的大团聚体比例，这是因为赤泥团聚体水稳性较差，大团聚体容易被水力冲刷破坏变成微团聚体[19]。但有机物料处理组的水稳性大团聚体比例均高于对照组（44.41%），有机物料的添加使得处理组中粒径大于0.25 mm的水稳性团聚体所占比例分别增至46.25%、46.30%、46.62%、47.01%。大团聚体所占比例显著增加表明有机物料的添加能增加团聚体的水稳性，使形成的团聚体不易被水力侵蚀。这是因为有机物料添加后能够被分解产生有机碳，有机碳能够作为胶结物质促进稳定团聚体的形成。有机物料的添加使得微生物数量及代谢活性增加，部分微生物的菌丝可以联结较小的颗粒形成较大粒径的团粒，这种团粒湿筛后不分散，具有水稳性；微生物释放的胞外多糖及其他聚合物能够胶结赤泥颗粒，促进团聚体的形成和稳定[20]。

图5　湿筛条件下赤泥团聚体组成

3 结果与分析

高盐碱度、低有机质含量、团聚体稳定性差是限制赤泥土壤化发育的主要因素。添加质量分数为2%、5%的秸秆和落叶后赤泥的pH值由11.07分别降至10.8、10.66、10.78、10.61，表明有机物料可以降低赤泥的pH值，但若要将其pH值降至一般植物可接受的水平，仍需额外添加其他改良剂。质量分数2%、5%的落叶和秸秆将赤泥有机质含量由3.09 g/kg分别提升至5.41 g/kg、8.39 g/kg、6.23 g/kg、13.74 g/kg，且在促进赤泥团聚体形成，改善赤泥物理结构等方面的作用显著；但引起赤泥电导率上升，从而抑制植物的生长，可在试验前浸出以除去其盐分。由试验结果可知，赤泥基质改良效果与有机物料添加比例呈正相关，且秸秆的改良效果优于落叶。未来可在本试验的基础上种植植物，进一步验证有机物料的改良效果，也应与其他改良剂复配以降低赤泥的盐碱度，使其在基质改良方面具有更大的开发潜力。

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10.3969/j.issn.2095-1205.2022.07.09

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2095-1205(2022)07-26-04

孙迎红（2000- ），女，汉族，山东聊城人，本科，研究方向为环境工程。