平果鋁土礦礦區周邊坡地、耕地土壤基礎理化性質空間差異

段紹彥, 成官文, 解慶林, 張 燎, 熊 林, 吳海文, 陳占鋼, 張正林

(1.桂林理工大學 廣西環境污染控制理論與技術重點實驗室, 廣西 桂林 541006;2.廣西生態工程職業技術學院, 廣西 柳州 545004; 3.中國鋁業股份有限公司廣西分公司, 廣西 百色 531499)

鋁土礦的開采、洗選和冶煉會帶來土地剝離與采空、礦泥與赤泥排放等問題。赤泥堿性強、鹽分含量高、綜合利用難、污染物遷移風險大, 礦泥含水率高、質地黏重, 最大限度降低赤泥堆場與礦泥尾礦庫的環境風險已成為氧化鋁行業必須面對的一個緊迫課題[1-4]。參考文獻[5-7]相關方法， 本研究以廣西平果鋁土礦礦區采空區不同海拔高度周邊坡地、耕地土壤為對象, 研究土壤pH、電導率(EC)、粒徑、可交換陽離子、含水率、容重、總孔隙率等基礎理化性質, 探尋礦坑周邊土壤基礎理化性質的空間分異規律, 分析礦區采空區作為赤泥、礦泥回填復墾環境空間的可能性, 為中國鋁業股份有限公司廣西分公司赤泥與礦泥回填礦坑處置提供科學依據。

1 研究地概況

研究區域鋁土礦區位于廣西平果縣境內, 地理坐標為E107°26′05＂—107°39′22＂, N23°19′58＂—23°28′55＂, 海拔高度為147～720 m, 巖溶地貌, 主要礦藏資源為鋁土礦、石灰石等, 自然植被以石山雜草灌木為主, 常見農作物有甘蔗、玉米、紅薯、桑葉等, 年均氣溫21.7 ℃, 年均降雨量1 309.8 mm, 為典型亞熱帶濕熱氣候。

2 研究方法

2.1 樣品采集與處理

土壤樣品采集位置利用奧維互動地圖定位軟件定位, 采樣時間為2019年8月, 地點為廣西平果鋁土礦的3個礦區的礦坑周邊坡地與耕地。坡地共設置12個采樣點(表1)， 海拔在155.44～614.99 m, 每個采樣點分別在剖面深度20、50、100 cm采集淋溶層、沉積層、母質層未受人為擾動的土壤; 耕地共5個采樣點(表2), 分布于海拔168.95～410.30 m, 采集深度≤20 cm的耕作層, 采樣點位置如圖1。每個分層樣本按0.5～1 m的水平橫向間隔采集6個等量子樣品, 制成混合樣， 密封。同時每個采樣點取部分樣品進行風干, 過1 mm篩, 并采用4分法制作6個平行樣, 以備化學指標的分析測試。

圖1 采樣點位置圖Fig.1 Location map of sampling points

表1 坡地樣點情況Table 1 Situation of sloping sample points

表2 耕地樣點情況Table 2 Situation of cultivated land sample points

2.2 測定項目與方法

化學指標: pH測定采用電位法[8], 水土比2.5∶1, 雷磁 PHS-3E型pH計測定, 精確度為0.01 ; 電導率(EC)采用電導法[9], 水土比5∶1, DDS-307 型電導率儀測定, 精確度為0.01 μS/cm; 可交換陽離子(鈣、鎂、鉀、鈉)采用可交換態分析法, 采用醋酸銨提取、ICP-AES 測定, 儀器精度為0.01 mg/L。

物理指標: 含水率采用105 ℃烘干法測定[10]; 容重采用環刀法測定[11]; 相對密度采用比重瓶法測定[12], 稱重天平精度為0.000 1 g, 總孔隙度通過下列公式計算[13]

PP=(1-ρB/ρP)×100%,

(1)

式中:PP總孔隙度;ρB為容重;ρP為相對密度。

粒徑分布采用Master Sizer 3000激光粒度儀測定, 測試精度>0.01%。

2.3 統計分析

采用Excel 2007對測試數據進行統計分析; 圖件采用AutoCAD 2007繪制; 使用SPSS 23.0進行Pearson相關性分析, 其中Pearson相關系數r: <0.2為不相關， 0.2～0.4為弱相關, 0.4～0.6為中等相關, 0.6～0.8為強相關, 0.8～1為極強相關, 具體統計結果見表3。

表3 坡地、耕地樣點理化性質與采樣位置Pearson相關性系數統計Table 3 Pearson correlation coefficient statistics of physical andchemical properties of sloping land and cultivated land withlocation samples

3 結果分析

3.1 礦區坡地、耕地土壤pH空間分布規律

礦區周邊各坡地樣點pH值統計結果見表4。可以看出: 各坡地土壤平均pH值為6.7, 總體呈中性, 比華南大部分紅壤地區土壤pH水平(6.0～6.5)稍高[14]; 各坡地土壤pH值與海拔高度沒有關聯, 與

表4 坡地樣點化學指標統計Table 4 Statistics of chemical indexes of slope land samples

土壤層位沒有關聯。坡地土壤的P8樣點呈酸性(pH<5.5), P1、P5、P11樣點呈微酸性(pH=5.5～6.5), 剩余8個土樣呈中性(pH=6.5～7.5)。 礦區周邊各耕地樣點pH統計結果見表5。G2、G3、G4樣點耕地土壤pH呈弱堿性(7.5

表5 耕地樣點≤20 cm深度的耕作層化學指標統計Table 5 Statistic of chemical indexes of cultivated land samples

礦區周邊所采全部樣點的土壤均具有較高的堿性物質環境容量, 能夠緩沖平衡部分赤泥回填帶來的堿度沖擊。

3.2 礦區周邊坡地、耕地土壤EC空間分布規律

礦區周邊各坡地、耕地樣點EC值統計結果見表4、表5。

各坡地樣點土壤EC均值多在80 μS/cm以下, 部分樣點母質層EC值甚至達到了個位數, 說明坡地土壤處于極低鹽度狀態, 適耕性較差。除P8、P9外, 海拔高度低于400 m的各樣品的EC值較海拔高于400 m的EC值高, 表明EC值隨海拔高度降低而增加的趨勢(r=-0.406**), 但與土壤的層位關聯性較差。耕地土壤EC均值多在100～200 μS/cm, 鹽分水平明顯高于坡地, 但相對我國主要菜區土壤鹽分水平, 仍處于較低水平(<250 μS/cm)[15]; 海拔高于400 m的G1樣點EC低于50 μS/cm, 處于很低水平, 也顯示海拔高度與耕地樣點EC呈負相關(r=-0.488**)。

3.3 礦區周邊坡地、耕地土壤可交換陽離子空間分布規律

坡地、耕地可交換K+、Na+、Ca2+、Mg2+的統計結果見表4、表5。

可交換K+含量:耕地土壤中的可交換K+含量略高于坡地土壤; 坡地土壤中的可交換K+含量與海拔高度沒有關聯性, 與土壤采樣深度呈弱負相關(r=-0.215**), 而耕地土壤與海拔高度呈負相關(r=-0.590**)。

可交換Na+含量: 除P3樣點外, 坡地與耕地土壤中的可交換Na+含量水平基本相近, 且坡地土壤與樣點海拔高度、層位關聯性不大, 而耕地土壤可交換Na+含量與樣點海拔呈負相關(r=-0.616**)。

可交換Ca2+含量： 耕地、坡地土壤中的含量均高。參照曾艷等[6]養分分級標準, 坡地土壤中的可交換Ca2+含量有38.89%樣本為適量水平(1 000～2 000 mg/kg), 30.56%樣點處于高量(2 000～3 000 mg/kg)和過量水平(>3 000 mg/kg); 40.00%耕地土壤樣本可交換Ca2+含量為高量水平, 40.00%為過量水平。坡地土壤中的可交換Ca2+含量沒有呈現與海拔高度的關聯性, 但多數坡地淋溶層樣點土壤可交換Ca2+含量高于沉積層、母質層; 耕地土壤中的可交換Ca2+含量與海拔呈負相關(r=-0.471**)。

可交換Mg2+含量： 坡地、耕地土壤中的可交換Mg2+含量均較低, 且明顯低于可交換Ca2+含量。參照曾艷等[6]養分分級標準相關研究, 坡地樣點可交換Mg2+含量有5.56%的樣本為缺乏水平(80～150 mg/kg)， 83.33%樣本為極缺水平(<80 mg/kg); 耕地樣本也有60.00%處于缺乏或極缺乏狀態。坡地土壤中的可交換Mg2+含量與采樣深度、海拔呈弱負相關(r分別為-0.184**、-0.282**), 耕地土壤可交換Mg2+含量與海拔呈極強負相關(r=-0.927**)。

上述結果表明, 除可交換Ca2+外, 礦區周邊坡地、耕地可交換K+、Na+、Mg2+含量均處于匱乏狀態, 這為高鹽赤泥適量復墾回填提供了環境空間。

3.4 礦區周邊坡地、耕地土壤粒徑空間分布規律

礦區周邊坡地、耕地樣點土壤粒徑分級統計見表6、表7。

表6 坡地粒徑分級統計Table 6 Particle size grading statistics of sloping land

表7 耕地≤20 cm深度的耕作層粒徑分級統計Table 7 Particle size grading statistics of cultivated land

坡地樣品土壤平均粒徑為7.62 μm, 除P3樣點的母質層(重黏土)和P10樣點的母質層(中黏土)點位外, 土壤細黏粒(<1 μm)含量皆低于30%, 86%樣品粗粉粒(10～50 μm)含量低于40%, 92%樣品砂粒(50～1 000 μm)含量低于20%。 根據中國土粒分級標準[16], 有75%樣品屬于壤土, 剩余為砂壤土、粉土、砂粉土、中黏土、重黏土。坡地土壤以壤土為主。耕地樣品平均粒徑為14.21 μm, 土壤細黏粒(<1 μm)含量均低于4%, 60%樣品粗粉粒含量高于40%, 且20%樣品砂粒含量高于20%, 參照中國土粒分級標準[16], G1、G3、G4樣點土壤樣本為粉土, G2、G5樣點土壤分別為壤土與砂壤土。

坡地土壤淋溶層、沉積層、母質層樣點土壤的平均粒徑分別為10.50、7.14、5.24 μm, 粗粉粒在淋溶層、沉積層、母質層樣點平均比例分別為36.64%、27.56%、24.28%, 均隨深度增加而降低(r分別為-0.397**、-0.573**); 與此相反, 細黏粒在淋溶層、沉積層、母質層樣點平均比例分別為5.54%、14.91%和18.60%(r=0.465**)。坡地土壤粒徑在不同層分布規律顯著。

中低海拔(<400 m), 39%坡地樣本的細粉粒含量大于20%, 而高海拔(>400 m), 61%坡地樣本細粉粒含量大于20%; 低海拔坡地67%樣本砂粒含量大于5%, 而高海拔坡地樣點僅22%樣本砂粒含量大于5%, 顯示隨著海拔高度的降低, 細粉粒含量減少、砂粒含量增加(r為別為0.418**、-0.289**)。耕地土壤樣品的變化規律為細黏粒、砂粒含量隨海拔高度的降低而增加(r分別為-0.562**、-0.563**)。

3.5 礦區周邊坡地、耕地土壤含水率空間分布規律

礦區周邊坡地、耕地樣點含水率結果見表8、表9。① 坡地樣點低于400 m海拔高度的樣點平均含水率為24.27%, 而高于400 m海拔的樣點平均含水率升至27.61%, 坡地土壤含水量有隨海拔高度降低而降低的趨勢(r=0.289**)。②坡地大多數樣點分層含水率均值大小排序為淋溶層(29.03%)>沉積層(26.12%)>母質層(22.58%), 含水率隨層位深度增加而降低(r=0.441**)。 ③耕地含水率多在18%～30%, 總體與海拔高度無關聯, 其中G1、G2、G4樣點含水率高于20%, G3、G5樣點含水率低于20%。

3.6 礦區周邊坡地、耕地土壤容重、總孔隙度、相對密度空間分布規律

礦區周邊土壤壓實坡地、耕地土壤樣品容重、總孔隙度統計結果見表8、表9。

表9 耕地樣點≤20 cm深度的耕作層物理性質統計Table 9 Statistics of physical properties of cultivated land samples

海拔高于430 m的P1～P4樣點, 容重在1.05 g/cm3左右, 且其平均總孔隙度為59.53%; 而海拔低于410 m的6個(P7～P12)樣點平均容重在1.17 g/cm3, 平均總孔隙度為56.70%。坡地樣點隨著海拔的降低, 其壓實樣品容重遞增(r=-0.206**), 總孔隙度遞減(r=0.159**)。此外, 坡地土壤淋溶層、沉積層、母質層容重分別為1.20、1.15、1.11 g/cm3, 顯示表層土壤易壓實。耕地的土壤樣品容重介于1.24～1.50 g/cm3, 普遍高于坡地土壤, 其總孔隙度介于43.24%～53.53%, 普遍低于坡地總孔隙度。

坡地、耕地土壤樣品相對密度相近(表7、表8), 但坡地與耕地土壤相對密度在海拔上的漸變性相反。坡地樣點相對密度總體呈現隨海拔的降低而遞增(r=-0.254**), 耕地反之(r=0.534**)。

表8 坡地樣點物理性質統計Table 8 Statistics of physical properties of slope land samples

4 討 論

4.1 礦區周邊坡地、耕地土壤基礎理化性質空間差異性的成因探討

受南方濕熱氣候的影響, 堿金屬(K、Na)、堿土金屬元素(Ca、Mg)經雨水淋溶, 大量流失, 致使礦區坡地、耕地土壤各樣點土壤呈現出不同程度的酸化, 但因農業種植過程的施肥改土, 其他人為因素、生物因素疊加, 耕地土壤的pH有所回升。礦區周邊坡地、耕地土壤的EC也因雨水強烈淋溶流失, 但由于礦區周邊為巖溶地區, 淋溶流失的鹽度沒有在深度土層中得到保留、貯存, 而隨水流下滲巖溶裂隙流失， 以致礦區周邊坡地、耕地土壤鹽分均偏低, 對具有一定鹽度赤泥礦泥土壤化處置類土有較大涵養能力, 尤其是海拔高于400 m的坡地、耕地。

土壤中可交換K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量也因區域強烈的淋溶作用受到耗損。可交換Mg2+含量明顯偏低, 顯示其與較純厚層灰巖母巖(非含Mg2+的白云質灰巖、白云巖)風化關聯, 而植物生長過程中從土壤中不斷吸收Mg2+也加劇了坡地、耕地土壤Mg2+的進一步降低, 但由于土壤母質為較純的灰巖, 在二氧化碳與水的共同作用下, 灰巖被不斷地溶解, 提供充足的可交換Ca2+, 并在坡地淋溶層土壤中含量偏高。

耕地土壤的粒徑較坡地土壤的粒徑與粒級大、低海拔區域土壤的粒徑與粒級較高海拔區域土壤粒徑與粒級大。導致這一現象原因可能與紅水河右江區域水土流失有關。受區域地質作用以及強降雨影響, 巖溶石山山體不高、山頂山腳高差不大, 因而較高海拔的坡地、耕地因雨水徑流匯集量小, 水力沖刷有限, 雨水主要攜帶走了較小粒徑的細黏粒, 粒徑稍大一點的粗黏粒、細粉砂、粗粉砂基本得以留存; 但到了海拔較低的坡地及其山腳的耕地, 因匯水面積增大, 雨水徑流量加大, 水流沖刷作用增強, 更大范圍粒徑的細黏粒、粗黏粒、細粉砂被大量攜帶進入江河水體, 形成“紅水河”, 較粗粒徑的粗粉砂、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徑反而比海拔高度稍高的坡地及其耕地土壤平均粒徑更大, 土壤中粉砂、砂粒所占比例更高, 土壤質地由壤土逐漸變成了粉土甚至砂壤土。

坡地土壤樣品含水率與海拔高度呈正相關、與采樣深度呈正相關, 其成因可能與較高海拔地區較為強烈的降雨有關, 且海拔相對較低的P6、P8、P12樣點的細黏粒占比較低(表6), 降低了土壤的保水、含水能力, 而坡地較低層土壤其水分蒸騰作用減少且可能受地下水補充。耕地含水率影響因素較多, 可能與耕地土壤質地、采樣階段耕地種植植物類型及其生長情況、是否灌溉澆水等有關, G2為壤土土質, 玉米已經收割, 土壤無蒸騰作用, 因而土壤含水率高; G1粉土土質, 植物生長情況同G2, 因而土壤的含水率也較高; G4為低洼的蔗地, 相對濕潤; G3、G5為粉土與壤土, 旱地, 地勢相對周邊高, 故含水率較低, 加之紅薯與桑葉的蒸騰作用也降低了土壤的墑情。

坡地土壤容重、相對密度隨海拔高度的降低而遞增。礦區周邊坡地土壤容重及相對密度隨海拔空間變化的規律與長期的地表水力沖刷作用有關。低海拔的坡地, 水的沖刷作用逐漸增強, 細小的土壤黏粒向下遠距離遷移, 因而其容重、相對密度更大。而耕地土壤相對密度受表層植物輕質殘渣腐殖質的雨水沖刷作用影響較大, 使得其相對密度隨海拔高度的降低而遞減。耕地土壤總孔隙率主要受農業活動的影響, 如施加有機肥等, 因而耕地的總孔隙率呈現一定幅度波動。

4.2 礦區礦坑為赤泥、礦泥回填復墾提供環境空間的可行性探討

赤泥、礦泥主要理化性質見表10, 赤泥系氧化鋁冶煉過程中高溫活化產物, 以及拜耳法冶煉工藝中堿性物質Ca(OH)2、NaOH的引入[4], 導致其堿度、鹽分、離子溶出水平以及容重等理化指標參數較高, 且粒徑、總孔隙度水平較低， 其pH在9.52～10.80, EC為427.0～1 025 μS/cm, 可交換K+、Na+、Ca2+含量在103～105mg/kg級別, 容重1.42～1.74 g/cm3, 總孔隙度47.02%～58.08%。礦泥為采礦過程中礦石水選作業時產生的高含水率泥漿[3], 脫水難度大, 建庫積存要求高, 自然風干后極易板結, 顆粒極細且排列緊密, 工程上脫水后仍然保留較高的含水率，但由于聚丙烯酰胺絮凝劑的加入粒徑增大。礦泥脫水前、后pH分別為6.81、7.14, EC分別為418.7、88.25 μS/cm, 可交換K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量范圍多在102～104mg/kg級別, 平均粒徑分別為4.23、89.37 μm, 黏粒已經向較大顆粒級別的粉、砂粒轉化, 含水率分別為66.07%、48.84%, 容重分別為1.62、1.14 g/cm3, 總孔隙度分別為47.99%、58.64%, 相對密度分別為3.11、2.74 g/cm3, 顯示脫水礦泥理化性質接近礦區周邊土壤。

表10 赤泥、礦泥化學理化指標統計Table 10 Statistics of physical and chemical properties of red mud and mine slime

礦區礦坑周邊坡地、耕地土壤的酸性容量較大、鹽分低, 可交換K+、Na+、Mg2+含量低, 土壤質地及其粒徑存在粗粒化現象, 其基本理化性質與赤泥的高堿、高鹽, 礦泥高含水率的固廢特征以及赤泥、礦泥的細粒徑、高容重特征互補, 具有較大環境緩沖容量, 能夠為赤泥、礦泥回填復墾提供環境空間。礦區原有廢棄礦坑能夠為鋁業生產產生的赤泥、礦泥等大宗固廢土壤化處置類土提供環境空間。

5 結 論

(1)礦山采空區周邊坡地、耕地土壤基礎理化性質在空間上呈一定規律性分布。礦區周邊坡地土壤pH多呈中偏酸性, EC值因雨水強烈淋溶明顯偏低, 可交換K+、Na+、Mg2+也因淋溶作用而耗損。坡地、耕地土壤質地、粒徑及其細黏粒、粗黏粒、細粉砂所在比例也因地表徑流的沖刷作用, 而與海拔或者地形高差關聯。坡地樣點土壤含水率與海拔和采樣深度呈正相關; 土壤容重隨海拔的降低而遞增; 坡地土壤相對密度總體呈現隨海拔的降低而遞增, 但耕地因地表輕質腐殖質的沖刷作用, 相對密度反而減小。初步認為礦區周邊坡地、耕地土壤的理化性質與巖溶地質作用、成土母質、海拔高度、地表雨水徑流以及人為擾動等綜合作用密切關聯。

(2)礦區礦坑周邊坡地、耕地土壤的基本理化性質與赤泥、礦泥特性較為互補, 礦區礦坑能夠為赤泥、礦泥回填復墾提供適宜環境空間。