離子型稀土礦區土壤生態恢復

周 丹 羅才貴 蘇 佳 羅仙平,3

(1.江西理工大學稀土學院，江西 贛州 341000；2.江西省礦冶環境污染控制重點實驗室，江西 贛州 341000；3.南方離子型稀土資源開發及應用省部共建重點實驗室，江西 贛州 341000)

離子型稀土礦區土壤生態恢復

周 丹1,2羅才貴1,2蘇 佳1,2羅仙平1,2,3

(1.江西理工大學稀土學院，江西 贛州 341000；2.江西省礦冶環境污染控制重點實驗室，江西 贛州 341000；3.南方離子型稀土資源開發及應用省部共建重點實驗室，江西 贛州 341000)

介紹了離子型稀土資源開發導致的土壤破壞和土壤污染問題；總結了礦山廢棄地及礦區污染農田土壤的各種修復技術，并通過分析這些技術的優缺點，提出了適合離子型稀土礦區土壤改良與修復的相應方法，為離子型稀土礦區土壤的綜合治理和生態恢復提供參考。

離子型稀土礦區 土壤破壞 土壤污染 土壤生態恢復

離子型稀土礦主要分布于我國南方的江西、福建、廣東、湖南等省區，其中稀土和重稀土儲量占世界儲量的80%以上，是我國特有的寶貴資源[1-2]。在開發利用離子型稀土資源的過程中，大面積的表土破壞、嚴重的水土流失、浸礦藥劑的殘留以及伴生元素的釋放造成礦區土壤嚴重污染和退化。土壤圈處于地球上氣圈、水圈、生物圈及巖石圈的中心，是各圈層物質循環與能量交換的樞紐，作為地球上生命密度最大、生命物質能量最高的表生帶，是人類社會生存發展的基礎[3]。離子型稀土礦區生態環境恢復的首要問題就是解決稀土資源開采帶來的礦區土壤污染、表土被破壞、土壤嚴重退化問題。

離子型稀土礦主要分布在我國南方紅壤區。由于紅壤所具有的酸、瘦、黏等弱點以及紅壤分布區域降水在時空分布上的不均勻性，加上離子型稀土礦不合理的開發利用造成的水土流失、土壤污染等問題，使整個地區農業及經濟的持續發展受到了嚴重影響[4]。因此，離子型稀土礦區的土壤恢復對紅壤地區的生態環境保護、我國南方土地短缺矛盾的緩解有著極其重要的現實意義。本文從土壤修復和土壤改良的角度，分析離子型稀土礦區土壤生態面臨的主要問題，概述適應離子型型稀土礦區土壤修復與改良的主要方法，為離子型礦區土壤污染與退化等問題的綜合治理和生態修復提供參考。

1 離子型稀土礦區主要土壤問題

1.1 采礦跡地和尾砂廢棄地土壤問題

離子型稀土礦床為裸露于地面的風化花崗巖或火山巖風化殼，礦床厚度一般為8～10 m，稀土元素主要以水合或羥基水合陽離子的形式吸附在黏土礦物上。根據這一特點，我國科技工作者提出了采用電解質通過離子交換浸取稀土的方法，并從第1代池浸工藝、第2代堆浸工藝發展到如今的第3代原地浸出工藝[5-6]。

在離子型稀土礦的開采過程中，使用化學藥劑將離子相稀土元素交換解吸下來，這種特殊的開采工藝使得離子型稀土礦區產生較為特殊的土壤問題。早期的池浸工藝需剝離礦體上覆蓋的表土，在浸析池進行稀土的提取，“搬山運動”造成礦體的有效土層和風化層基本全部剝離，形成大面積的裸露山體[7]。浸提過程中1 t稀土氧化物產生尾砂1 600～3 000 t(容重約為112 t/m3)，石英含量達80%，結構松散。這些尾砂就近排放于采場周邊的山坡、山谷平緩地帶，導致嚴重的水土流失、壓占農田、淤塞河道、淹沒公路[8]。江西省信豐縣資料顯示[9]，該縣開采稀土10年來，尾砂下泄淤積的農田面積已達286 hm2，全部成為尾砂廢棄地。采礦形成的跡地和尾砂廢棄地都屬于極度退化和貧瘠的土地，基本沒有土壤層，黏粒含量少，保肥保水能力差，植被生長的立地條件惡劣，且尾砂中含有的稀土元素和伴生重金屬元素進一步威脅植被的恢復。第2代堆浸工藝實際上是放大的池浸工藝，沒有從根本上改變“搬山運動”對土壤造成的極大破壞。第3代原地浸礦工藝是將浸礦電解質溶液注入礦體中，電解質溶液中的陽離子將吸附在黏土礦物表面的稀土離子交換解吸下來，形成稀土母液，流出礦體，進入集液溝內，然后收集母液提取稀土[10]。原地浸礦雖然不剝離表土，較少破壞地表植被，但浸礦劑注入地下浸泡時間150～400 d，礦體中殘留大量硫酸銨，使得土壤中的鈉、鈣、鎂、鉛、鋁離子和重金屬元素被交換出來，土壤的理化性質受到嚴重影響，浸礦劑通過側滲和毛細管作用使植物根系受損，地表植被難以生長，水土流失、山體坍塌或滑坡的風險加劇[11]。

1.2 礦區農田土壤污染問題

離子型稀土礦特殊的開采工藝使礦區農田土壤被稀土元素、重金屬和浸礦劑復合污染。浸礦劑硫酸銨長期輸入礦區土壤中，NH4+-N可以引起土壤中礦物質虧損，改變土壤溶液的離子組成和強度，影響土壤對金屬離子的固定和釋放，加劇土壤重金屬污染的生物有效性[12]。有研究表明[13]，銨態氮肥的過量施用是農田土壤加速酸化的重要原因，并顯著增加土壤的可交換H+和可交換Al3+。離子型稀土礦主要分布在巖石風化和土壤淋溶強烈、土壤呈酸性的紅壤區域，土壤缺乏水穩定性團粒結構，陽離子交換量亦很低，自身的脫硅富鋁化過程本是一個較緩慢的酸化過程，但一旦有活化離子侵入，酸化過程將加劇。

溫小軍等[14]對贛南信豐某離子型稀土礦區耕作層的土壤進行了研究，結果顯示土壤環境均為酸性，礦區下游的土壤污染以La、Ce、Pr為主，且為多種稀土元素復合性污染。高效江等[15]研究了江西贛縣大田離子型稀土礦區的農田土壤，結果表明其中稀土元素的含量明顯高于對照區和全國土壤的平均含量，稀土元素主要以可交換態和有機結合態，特別是松結有機態形式存在，具有較高的活性和生物有效性。李曉飛等[16-17]研究了福建省長汀縣離子型稀土礦區蔬菜地土壤和主要蔬菜中稀土元素和重金屬的含量，結果表明，蔬菜地土壤中稀土元素平均含量高于福建省背景值，Cd、Cu和As含量分別超過土壤環境質量二級標準10.71、1.12、0.29倍。

2 離子型稀土礦區廢棄地修復與改良

2.1 廢棄地基質改良

離子型稀土礦山廢棄地屬于退化生態系統，土壤基質結構不良，持水保肥能力差，植被難以通過自然過程恢復，過高的重金屬等有毒有害物質含量、極端pH 值等條件又進一步限制植物生長。因此，如何將惡劣基質轉變成能夠生長植物的土壤是礦區生態恢復與重建的關鍵。

目前土壤基質改良的方法主要有物理改良、化學改良和生物改良。物理改良方法是指對廢棄地進行表土覆蓋，包括表土回填和客土覆蓋。表土回填是在資源開采前將土壤分層取走保存，開采結束后再將土壤分層運回原處加以利用，這樣土壤的理化性質、營養元素以及土壤中的植物種子庫、土壤微生物、土壤動物等受到的影響最小，是一種常用且最為有效的措施，也是當前礦山環境保護的標準程序[18]。然而離子型稀土礦區的廢棄地多形成于早期的池浸和堆浸工藝，不規范的開采過程和淡薄的環保意識使得原有的表土基本破壞殆盡。客土覆蓋的關鍵在于尋找土源和確定覆蓋的厚度與方式。離子型稀土礦多分布在多山丘陵地區，土源本來就較少，多年采礦后取土更加困難，花費巨額資金進行異地熟土覆蓋，解決不了礦山長期使用土源問題[19]。因此，回填表土和異地熟土覆蓋的基質改良方法只能在條件允許的礦區適用，在土源短缺，水土流失嚴重的離子型稀土礦區應該選擇其他行之有效的基質改良措施。

通過施用各種無機、有機物質，改善廢棄地土壤的理化性質，增加營養物質，固化重金屬等有害物質是較為常用的土壤改良方式。對于離子型稀土礦區的酸性廢棄地，通過施用生石灰或碳酸鹽，可在升高土壤pH值的同時，有效降低土壤中重金屬的移動性。但長期或大量使用石灰會引起土壤板結，還會引起土壤中鈣、鎂、鉀等元素的平衡失調。一些天然礦物如沸石、珍珠巖、蛭石、膨潤土等常用于土壤改良，它們能調節土壤酸堿度，并吸附土壤中的重金屬如Pb、Ni、Cu、Zn、As、Sb、Cd等，降低其生物有效性。但天然礦物在實際應用中尚存在一些理論和技術問題，如施用量，施用方式，天然礦物的儲量對其大面積推廣應用的限制等[20-21]。常用的有機物改良物質以有機固體廢棄物為主，例如木屑、秸稈堆肥、養殖糞肥和城市污泥等。有機廢棄物在提高土壤的pH值，改善土壤的結構和肥力等方面具有較好的效果。

目前，在土壤改良劑的研究和應用中，生物炭作為一類新型環境功能材料引起廣泛關注，其在土壤改良、溫室氣體減排以及受污染環境修復方面都展現出應用價值[22]。生物炭(biochar)也稱生物質炭，是生物質(木屑、農業秸稈、城市污泥等)在缺氧或無氧條件下熱裂解得到的一類穩定的、高度芳香化的、富含碳素的固態物質[23]。生物炭具有良好的孔隙結構和巨大的比表面積，其吸附特性及穩定性對酸性土壤的改良具有顯著效果。生物炭含有C、H、O以及土壤養分元素如N、P、K、Ca、Mg等，其表面豐富的芳環結構和羥基、羧基等基團顯著增加了離子交換的位點，可使土壤的 CEC水平顯著提高，可與金屬離子形成特定的金屬配合物，也可以通過提高土壤pH降低重金屬在土壤中的移動性[24]。對于污染和退化土壤，生物質炭在改善土壤理化性質、降低有機污染物和重金屬的生態毒性等方面顯示出積極的影響，有廣泛應用的巨大潛力。

生物改良劑包括一些商業化的微生物土壤改良劑、微生物增肥劑、菌根、好氧堆制茶、蚯蚓等[25]。自生固氮菌和叢枝菌根真菌是土壤中的2類重要功能菌，在土壤營養循環中具有重要的調控作用，目前在土壤改良和土壤修復方面應用和研究較多[26]。叢枝菌根真菌是一種普遍存在的內共生真菌，它能夠與80%以上的陸生植物形成共生體，能增加土壤的有機質含量，提高土壤的穩定性，增強土壤的通透性，可以改變甚至逆轉植物種間的競爭關系，在植物群落競爭演替、物種多樣性的形成及群落空間分布格局中均起著重要的調節作用，而自生固氮菌可為那些生活在貧瘠的土壤中且無法與共生固氮菌形成根瘤的植物提供氮源[27]。

基質改良是離子型稀土礦區廢棄地修復中極為重要的步驟，從環保、經濟的角度選擇適宜的改良劑對廢棄地的修復和復墾都有著非常重要的作用。有機固體廢棄物、生物炭和微生物改良劑在離子型稀土礦區廢棄地的基質改良方面有著較好的應用前景。

2.2 廢棄地修復

礦業廢棄地對植物來講是一個非常惡劣的生長環境，存在許多限制植物生長的因素，尤其是重金屬殘留、極端酸性、大量營養元素(如N、P)的缺乏和極差的土質結構，導致許多礦業廢棄地經過多年自然恢復，植被仍然稀疏，因此人工干預就成為加快礦業廢棄地生態重建的必要手段[28]。目前，礦業廢棄地復墾與生態恢復已成為世界各國共同關注的課題和跨學科的研究熱點。礦業廢棄地恢復是一項綜合的、跨學科的，集成了生態、材料、植物、土壤、工程等多方面技術的系統工程，單一的方法難以奏效。生物修復是主體，物理和化學方法一般作為生物方法的輔助。目前大多數礦業廢棄地生態修復的重點是植被的重建，并通過植物穩定、提取等技術減緩或者消除重金屬對周邊環境的污染。因此，礦業廢棄地修復中植物的選擇就顯得尤為重要，耐旱、耐貧瘠、根系生長迅速的植物比較容易在礦業廢棄地存活，能夠固定或者富集重金屬也是修復植物選取要考慮的要素之一[29]。

禾草和豆科植物具有頑強的生命力并耐貧瘠，能有效改善土壤的微域環境，促進其他植被的生長。許多研究表明，禾本科的百喜草、香根草等[30]對酸性條件、重金屬脅迫有很強的耐受性，已成為礦區廢棄地恢復過程中的先鋒物種。豆科植物對于養分缺乏的土地能取得很好的改良效果[31]，如沙打旺、胡枝子、苜蓿等在國內外礦業廢棄地修復中被廣泛應用。在礦業廢棄地恢復方面，重金屬的超富集植物也是研究的重點。目前已發現的眾多重金屬超積累植物以草本植物為主，但存在生物量少，修復土壤只能局限在植物根系所能延伸的范圍內等缺陷。此外，已發現的重金屬超積累植物常表現出較窄的生態適應性和特有的生態型，對重金屬富集具有一定的選擇性，而礦業廢棄地多為重金屬復合污染，后續綜合處置或資源化利用技術尚不完善[32]。近年來，木本植物在重金屬污染土壤的修復方面受到了越來越多的重視。木本植物生物量大，重金屬耐性好，兼具植被恢復的功能。柳樹是目前樹木植物修復中研究最為深入的樹種，共有400多種以及200多種雜交類型，為修復種型的選擇提供了便利，并且柳樹能快速定植在條件極端不利的土壤上，其高效的養分攝取能力、顯著的無性系特性對重金屬萃取非常有利[33]。

在礦業廢棄地修復植物的選擇上，能源植物也應作為重點關注的對象。21世紀，能源、環境是人類社會面臨的重大課題，能源植物以其資源的豐富性、可再生性和二氧化碳零排放等優勢，必將成為一種重要的替代能源。許多國家出臺了相關的優惠政策推動生物質能源的生產和利用，用于規模化生產生物柴油的原料有大豆(美國)、油菜籽(歐共體、加拿大)、棕櫚油(東南亞)等，巴西則利用蔗糖發酵制取燃料乙醇，其他還有甜高粱、木薯等作物[34]。目前研究和應用較多的能源植物以糧食作物為主，我國人多地少，大規模利用耕地來生產能源植物不現實，礦業廢棄地在植被重建時可以篩選和引種能源植物，實現生物質原料生產與廢棄地修復的雙贏。芒屬植物[35]是具有高效光合固碳效率、生長快、適應性強的優良能源植物，其中芒、五節芒分布于長江以南廣大區域,在山地、丘陵和荒坡原野常形成優勢群落，可減輕土壤侵蝕，防止水土流失，改良土壤。目前國外已培育出幾種生物量高的芒屬植物新品系，并計劃作為優良的能源植物大面積推廣利用。此外，麻瘋樹、棕櫚、油楠、光皮樹、黃連木等，其主要成分是烴類，被認為是未來能源植物發展的重點，而油桐是在我國南方地區生長著的另一種非常有潛力的油料植物[36]。

礦山廢棄地生態環境恢復與重建的關鍵是正確評價廢棄地的類型和特征，在此基礎上使生態系統實現自行恢復并達到良性循環。廢棄地植被群落構建應以增加物種多樣性和系統層次結構為目標，結合廢棄地的立地條件，盡量實行喬灌草復層混交。我國南方地區土地資源稀缺，離子型稀土礦區廢棄地的修復與復墾有著非常重要的現實意義，宜林廢棄地應建立以生態恢復為目標的林地，可以復墾的廢棄地應采用以土地資源重新利用為目標的修復方案，同時配合相應的土壤改良和工程措施，選擇適應的植物種類，以達到在實現生態環境恢復的同時創造經濟效益。

3 離子型稀土礦區農田土壤稀土與重金屬污染的修復

資源開采過程中造成的區域農田土壤重金屬污染已經成為受到廣泛關注的環境問題。重金屬污染不僅使農田土壤退化，農產品的產量和品質降低，而且會通過食物鏈最終危及人體健康。目前重金屬污染土壤的修復技術主要包括物理法(深耕翻土、熱脫附等)、化學法(土壤淋洗、穩定/固化等)、生物法(植物、微生物)[37]。深耕翻土只適用于輕度污染土壤，而熱脫附只適用于易揮發的污染物(Hg、Se、As等)，且能耗大，費用高[38]。土壤淋洗是用淋洗液來淋洗污染土壤，使吸附在土壤顆粒上的重金屬形成溶解性的離子或金屬-試劑絡合物，然后通過收集淋洗液回收重金屬。淋洗液可分為無機淋洗劑、人工螯合劑、表面活性劑及有機酸淋洗劑等，常用的有鹽酸、磷酸鹽、EDTA(乙二胺四乙酸)、DTPA(二乙烯三胺五乙酸)、SDS(十二烷基硫酸鈉)等，天然有機酸和生物表面活性劑是淋洗劑的發展方向[39]。土壤淋洗技術是一種快速、高效的方法，但對于土質黏重、滲透性比較差的土壤修復效果較差，此外，淋洗過程會影響土壤的結構和理化性質。化學鈍化修復是通過向土壤中加入穩定化劑，使重金屬發生吸附、絡合、沉淀、離子交換和氧化還原等一系列反應，降低其在土壤環境中的生物有效性和可遷移性，從而減少重金屬對動植物的毒性。穩定化只能改變重金屬的存在形態，重金屬元素仍保留在土壤中，有再度活化的環境風險[40]。

相對于物理和化學修復法，生物修復具有低成本、低耗能、可改善土壤質量的特點，已成為我國農田土壤重金屬污染修復的重要示范技術[41]。生物修復技術的重點是對重金屬超富集植物的篩選，治理效果取決于重金屬超積累植物對重金屬的提取能力和其生物量。目前有大量關于重金屬超富集植物的研究成果，但大多處于田間試驗和示范階段，篩選出的重金屬超富集植物存在生物量小、修復周期長、富集效果受種植環境因素影響、富集重金屬單一等不足[42]。

一些研究表明，油菜、玉米、木薯、甘蔗等農作物對重金屬也有一定的富集能力，雖然其富集量遠小于重金屬超富集植物，但這些作物生長周期快、生物量大，對于中低程度污染土壤的修復具有一定的優越性。后續處理方面，這些經濟作物可作為生物能源加以利用，從而避免其進入食物鏈，同時還可帶來額外的收益[43]。南方離子型稀土礦區主要分布在長江以南地區，區域內有大量的稻田，冬閑時比較適宜種植油菜，油菜籽的不飽和脂肪酸含量高，在生物柴油生產方面具有廣闊的應用前景[44]。

離子型稀土礦區的農田土壤污染是稀土元素與重金屬元素的復合污染，在修復技術的選擇上，應以降低土壤和農產品中的重金屬含量為核心，以保障礦區耕地資源的持續利用為目標。對于中高程度污染的農田，應以植物提取為主要手段，配合淋洗、化學調節、微生物協同等措施，促進重金屬向生物有效態轉變，選擇植物時可以充分考慮油菜、木薯等本地的大生物量經濟作物。對于低程度污染的農田，可以選種低積累作物，結合農藝措施和土壤穩定劑調節[45]，使重金屬從生物可利用性較強的形態向生物可利用性較弱的形態轉化，恢復土壤重金屬含量趨于“安全”水平。

4 結 語

資源開采造成的區域生態環境破壞是我國社會經濟發展迫切需要解決的問題，離子型稀土礦區廢棄地和污染農田土壤的修復對改善礦區生態環境，提高人民生活水平具有重要意義。由于離子型稀土礦區土壤的生態恢復涉及多學科，是一項復雜的系統工程，因此，應改變前期調查不充分、相關試驗研究尤其是野外原位試驗研究不系統、方案設計人員和施工隊伍不專業、后期監測和管理跟不上的現狀，以保證這項工作切實有效地向前推進。

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(責任編輯 孫 放)

Soil Ecological Restoration in Ionic Rare Earth Mining Area

Zhou Dan1,2Luo Caigui1,2Su Jia1,2Luo Xianping1,2，3

(1.FacultyofRareEarth，JiangxiUniversityofScienceandTechnology，Ganzhou341000，China；2.JiangxiKeyLaboratoryofMining&MetallurgyEnvironmentalPollutionControl，Ganzhou341000，China；3.KeyLaboratoryofSouthernIonic-typeRareEarthResourcesDevelopmentandApplicationofMinistryofEducation，Ganzhou341000，China)

Soil destruction and soil pollution stemmed from the exploitation of ionic rare earth resources is introduced.Various renovating techniques applied in abandoned mining land and polluted farmland in mining area are summarized and their advantages and disadvantages are analyzed.Corresponding measures for improving and repairing ionic rare earth mining area are proposed,which provides reference for comprehensive treatment and ecological restoration of ionic rare earth mining area.

Ionic rare earth mining area，Soil destruction，Soil pollution，Soil ecological restoration

2014-08-25

“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號：2012BAC11B077)，科技惠民計劃項目(編號：2013GS360203)，江西省自然科學基金項目(編號：20132BAB213017)，“贛鄱英才555工程”領軍人才培養計劃項目。

周 丹(1978—)，女，博士研究生。通訊作者 羅仙平(1973—)，男，院長，教授，博士研究生導師。

X5，X45

A

1001-1250(2014)-10-103-07