?植物修復模式對離子型稀土堆浸尾礦土壤入滲特性的影響

摘 要：為了明確植物修復模式對離子型稀土堆浸尾礦土壤入滲特征的影響，以未治理的堆浸尾礦為對照（CK），設置堆浸尾礦種植皇竹草（T1）和堆浸尾礦種植臍橙（T2）2種植物修復模式，利用圓盤入滲儀觀測各處理的土壤入滲特性，并分析其影響因素。結果表明：（1）不同處理下土壤有機質含量、容重、土壤含水量、砂粒和黏粒含量差異顯著（P＜0.05），2種植物修復堆浸尾礦的土壤有機質含量、黏粒含量顯著高于未治理堆浸尾礦（P＜0.05），而砂粒含量顯著低于未治理堆浸尾礦（P＜0.05）；（2）與未治理堆浸尾礦相比，植物修復模式使土壤初始入滲率、穩定入滲率和累積入滲量下降82.0%～93.5%，穩定入滲時間約減少15 min ；（3）初始入滲速率、穩定入滲速率與砂粒含量呈極顯著指數正相關關系（P＜0.01），穩定入滲時間與有機質含量和黏粒含量呈極顯著冪函數負相關（P＜0.01）。綜上所述，贛南離子型稀土堆浸尾礦保水能力極差，采用植物修復模式可有效恢復土壤涵養水分的功能。

關鍵詞：植物修復；離子型稀土；堆浸尾礦；治理模式；土壤有機質；土壤質地

中圖分類號：S152.7 文獻標識碼：A 文章編號：1006-060X（2023）04-0055-06

Abstract： In order to clarify the influence of phytoremediation model on soil infiltration characteristics of ionic rare earth heap leaching tailings， this study， taking the untreated ionic rare earth heap leaching tailings as CK， set two phytoremediation models of planting Pennisetum hydridum （T1） or navel orange （T2） on the heap leaching tailings. The soil infiltration characteristics of each treatment were observed with a disk infiltration meter， and the influencing factors were analyzed. The results showed that： （1） The soil organic matter content， bulk density， soil water content， and sand and clay contents exhibited significant differences among treatments （P＜0.05）. The two phytoremediation models were significantly higher than CK in soil organic matter and clay contents （P＜0.05）， but significantly lower than CK in the sand content （P＜0.05）. （2） Compared with CK， the phytoremediation models reduced the soil initial infiltration rate， stable infiltration rate and cumulative infiltration amount by 82.0%–93.5%， and shortened the stable infiltration time by about 15 minutes. （3） The initial infiltration rate and stable infiltration rate respectively showed a very significantly exponential function positive relationship with sand content （P＜0.01）; the stable infiltration time had a very significantly power function negative relationship respectivly with organic matter content and clay content （P＜0.01）. To sum up， the water holding capacity of ionic rare earth heap leaching tailings in southern Jiangxi is extremely poor， and the use of phytoremediation model can effectively restore the function of soil water conservation.

Key words：phytoremediation; ionic rare earth; heap leaching tailing; management model; soil organic matter; soil texture

離子型稀土是重型稀土的主要來源[1]，全球重型稀土儲量最豐富的區域位于我國江西省贛南地區[2-3]。離子型稀土的開采有池浸、堆浸和原位浸礦工藝[4-5]，堆浸尾礦在贛南地區占有很大比例（約41%），是目前主要的稀土尾礦存在方式[6]。堆浸工藝需要剝離表層土壤后將不同層次土壤移位混合，這會造成花崗巖發育的母質層外露。花崗巖發育的母質砂粒含量高、土壤結構差、水分涵養能力低，進而導致土壤失去維持植物正常生長所需的水分條件。因此，堆浸尾礦通常面臨嚴峻的水土流失和邊坡穩定性差等生態環境問題[7]。因此，明確土壤的入滲性能及影響因素對堆浸尾礦的生態修復具有重要理論和實踐意義。

土壤入滲是重要的土壤物理過程，影響著雨水資源的去向分配和植物利用效率。土壤入滲特征受到包括土壤質地、孔隙結構、初始含水量、土壤有機質含量、植被等諸多因素的影響，并且主要影響因素因區域而異[8-9]；除了影響因素外，關于土壤入滲的研究還包括入滲過程模擬[10-11]、土壤入滲過程的可視化[12-13]、土壤入滲能力的空間分異[14-16]等方面，研究區多集中在水分是生態系統穩定和功能發揮為限制因子的干旱和半干旱地區，稀土堆浸尾礦雖然多分布于濕潤地區，但是高砂粒含量的土壤質地導致水分無法保存，造成了“功能性缺水”的獨特現象，而目前針對堆浸尾礦這一極其脆弱生態系統水分入滲特性的研究十分欠缺。目前，有學者采用室內模擬的方法對重構尾礦堆土壤入滲規律進行了研究，關注了土壤水分在重構尾礦堆中再分布及對坡面破壞發生位置的影響[17-18]，針對亞熱帶地區稀土尾礦及其植物修復模式的土壤入滲特性的研究非常有限。

目前，生態文明建設已經成為現代化建設的重要內涵，“綠水青山就是金山銀山”的理念也已深入人心，對稀土尾礦，尤其是堆浸尾礦，進行植物修復已成為主流。作為我國主要的離子型稀土堆浸尾礦所在地，贛南形成了當地特色的植被修復模式，其中以種植臍橙和皇竹草最為特色，這兩種植物修復模式在達到了治理離子型稀土堆浸尾礦效果的同時，也能取得可觀的經濟收入，實現了治理與開發的協調發展。基于此，筆者利用圓盤入滲儀測定并分析未治理的堆浸尾礦（CK）、堆浸尾礦種植皇竹草（T1）和堆浸尾礦種植臍橙（T2）3種處理下的土壤入滲規律，明確植物修復模式對土壤水分涵養能力的影響，以期為離子型稀土堆浸尾礦水土流失阻控、邊坡失穩防治等提供支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于江西省贛州市，地形為低山丘陵。土壤多為花崗巖發育的紅壤，稀土礦資源極為豐富。該地區氣候屬于中亞熱帶季風濕潤區，年均氣溫為19 ℃，年均降水量約1 600 mm，其中近50%發生在4—6月的雨季，降雨量大且集中導致該地區易發生水土流失和滑坡等地質災害，特別是稀土開采遺留的尾礦。

1.2 試驗設計

2021年9月在贛州市定南縣典型稀土尾礦區選擇未治理堆浸尾礦對照（CK），并設置種植皇竹草的堆浸尾礦（T1）和種植臍橙的堆浸尾礦（T2）2種植物修復模式（圖1）。3個處理的堆浸尾礦的年限均為15 a左右。其中，CK處理只有少量人工種植的馬尾松（Pinus massoniana Lamb.），由于缺水缺肥生長情況很差，土壤基本裸露；T1為人工種植的皇竹草（Pennisetum sinese Roxb），種植年限為3年，種植過程中利用生產沼氣所產生的沼液灌溉，沼液中N、P2O5和K2O的含量分別為0.06%、0.04%和0.08%；T2為人工作種植的臍橙（Citrus sinensis （L.） Osbeck），種植年限為3 a，種植過程主要施用豬糞和復合肥，豬糞中N、P2O5和K2O的含量約為0.62%、0.38%和0.50%，復合肥中3種養分含量的比例為15%∶15%∶15%。各處理肥料類型、施用量及施用方法等詳細介紹見表1。

1.3 入滲測定方法

土壤水分入滲采用圓盤入滲儀進行測定，其主要由儲水管（高50 cm，直徑3.5 cm）、入滲圓盤（直徑10 cm）和負壓管組成（圖2）。其中，圓盤與儲水管固定連接，通過橡膠管與負壓管連接控制恒定負水頭，負壓管根據馬氏瓶原理制作。

每個處理測定3次入滲過程。入滲試驗前用鋁盒采集土壤樣品，用烘干法測定土壤的初始含水量。

用工具刀輕輕整平土壤表面，將過1 mm篩的細沙平整地鋪在各測點表面，細沙厚度約為1～2 mm。試驗準備工作完成后，利用圓盤入滲儀在壓力為0 cm水頭條件下進行土壤入滲試驗，試驗過程中用秒表記錄圓盤入滲儀儲水水位隨時間的變化過程，前1 min每隔15 s記錄1次，第1～40 min每隔1 min記錄1次。入滲試驗結束后，在每個試驗點用100 cm3環刀取原狀土樣測定土壤容重和田間持水量。同時，采集0～10 cm擾動土樣品500 g帶回實驗室，分別采用電位法、重鉻酸鉀氧化法和吸管法測定土壤pH值、有機質含量和顆粒組成，土壤顆粒組成按照美國分類制分為黏粒（＜0.002 mm）、粉粒（0.002～0.05 mm）和砂粒（0.05～2 mm）。

1.4 數據分析

利用SPSS16.0進行方差分析、Pearson相關分析等數據處理與統計。采用Origin8.0進行作圖。

2 結果與分析

2.1 不同處理的土壤理化性質

由表2可知，土壤有機質含量、容重、土壤初始含水量、砂粒和黏粒含量在不同處理間有顯著差異（P＜0.05）。其中，T1和T2處理的土壤有機質含量顯著高于CK處理，分別是后者的3.9倍和4.9倍；T1處理的初始土壤含水量顯著高于CK和T2處理（P＜0.05）。與CK相比，T1和T2處理的土壤砂粒含量顯著降低了22.6%和12.2%，而黏粒含量分別增加了4.4倍和3.4倍。

2.2 不同處理下土壤水分入滲特征

3種處理下土壤入滲速率隨時間雖然均呈現先降低后趨于穩定的趨勢，但是下降的過程存在明顯差異（圖3）。土壤入滲階段主要分為初期入滲瞬變、中期漸變和后期穩定3個階段，每個階段的劃分和特征與土地利用方式有一定關系。分析不同處理土壤入滲過程發現，研究中不同處理初期入滲瞬變階段為前5 min，而不同處理穩定入滲的時間各異，CK、T1和T2處理穩定入滲時間分別為25、10和10 min。不同處理的初始入滲速率、穩定入滲速率及累積入滲量均表現為CK＞T2＞T1（表3）。其中，CK的初始入滲速率為9.8 mm/min，穩定入滲速率為6.3 mm/min，40 min累積入滲量為300.7 mm。與CK處理相比，T1處理的初始入滲速率、穩定入滲速率和累積入滲量分別下降了89.1%、93.3%和93.5%，T2處理分別下降了84.9%、82.0%和85.4%。這說明經過植物修復治理后，離子型稀土堆浸尾礦的入滲能力顯著降低，土壤持水能力顯著改善。

植物修復模式可以降低堆浸尾礦土壤入滲參數的空間異質性。CK處理的初始入滲速率、穩定入滲速率及累積入滲量的變異系數為127.5%～135.7%，屬于強變異。而T1和T2處理的初始入滲速率、穩定入滲速率及累積入滲量的變異系數為6.7%～14.1%，屬于弱變異或者中等變異。

2.3 土壤入滲特征的影響因素

土壤入滲特征受土壤屬性的顯著影響。利用主成分分析，分析了土壤入滲特征與pH值、土壤有機質含量、土壤容重、初始含水量、田間持水量、砂粒含量、粉粒含量和黏粒含量等8個土壤屬性的關系，所提取出的前3個主成分解釋了土壤入滲特性總變異的82.9%（表4），其中第一個主成分解釋了總變異的34.2%，包括土壤容重、pH值、黏粒含量和田間持水量；第二個主成分解釋了總變量的26.0%，包括初始含水量和砂粒含量；第三個主成分解釋了總變量的22.7%，包括土壤有機質含量和粉粒含量。

土壤性質與土壤初始入滲速率、穩定入滲速率和穩定入滲時間3個入滲參數的相關性（具體是什么相關）如表5所示。相關性分析結果表明，初始入滲速率、穩定入滲速率與砂粒含量呈極顯著正相關（P＜0.01）；穩定入滲時間與土壤有機質含量和黏粒含量呈極顯著負相關系（P＜0.01）。可見，影響離子型稀土堆浸尾礦土壤入滲特性的主要因素為土壤有機質含量和土壤顆粒組成，特別是土壤顆粒組成，其在改善稀土堆浸尾礦土壤的入滲特性方面具有十分重要的作用。

進一步分析土壤入滲參數與關鍵土壤性質的關系發現，初始入滲速率、穩定入滲速率與土壤砂粒含量呈極顯著的指數關系，關系式分別為y=0.006 7e0.104 6x（P＜0.01）、y=0.002 3e0.114 7x（P＜0.01）（圖4）。這表明離子型稀土堆浸尾礦土壤的初始入滲速率和穩定入滲速率隨著砂粒含量的增加呈指數增加。另外，穩定入滲時間與有機質含量、黏粒含量均呈冪函數負相關關系，函數關系分別為y=30.173x-0.479（P＜0.01）、y=52.919x-0.557"（P＜0.01） （圖4）。可見，隨著土壤有機質含量和黏粒含量的增加，穩定入滲時間呈先急劇下降后緩慢降低的規律。

3 討論與結論

植物修復措施可以改善稀土堆浸尾礦土壤的理化性質[20]。研究發植物修復模式土壤有機質含量顯著高于未治理堆浸尾礦（P＜0.05），這說明修復模式對提升堆浸尾礦土壤有機質含量的重要作用，主要有2個方面的原因：一方面，在經濟效益的驅動下，為保證皇竹草和臍橙更好的生長，管理過程中向土壤中施用沼液或有機肥，從而直接提高了土壤有機質水平；另一方面，土壤肥力水平提升后會促進植被生長，大量根系和枯落物的腐解過程又會促進土壤中有機質積累。施用沼液和有機肥后土壤有機質的積累過程也會給增加稀土尾礦土壤中的黏粒，并降低其砂粒含量；更重要的是，在植物修復過程中，水土流失問題得到遏制，細小且養分含量高的黏粒含量得以保存。植物修復措施會提高表層土壤的土壤容重。研究中種植皇竹草的處理的土壤容重顯著高于其他2個處理，這與該植物修復模式下皇竹草收獲頻次較高有關，每年刈割3～4次，收割機對土壤產生機械壓實，通常情況下，土壤壓實對植物生長產生不利影響，也會帶來相關的生態環境問題[21]，但是，稀土堆浸尾礦土壤的適當壓實有利于土壤保水，也會增加土壤的抗侵蝕能力。

堆浸工藝開采稀土礦造成土壤保水能力急劇下降。贛南稀土礦區是季節性干旱頻發的地區[22]，即使在降水較多的季節，由于稀土尾礦土壤保水能力太差，也會造成土壤的“功能性缺水”，土壤有效水分過低的問題是制約稀土尾礦植被修復的主要限制性因子[23]。與未治理的尾礦對比，作為堆浸尾礦植物修復模式下的T1和T2處理，2個處理的初始入滲率、穩定入滲率和40 min累積入滲量下降了82.0%～93.5%。這表明植物修復措施能有效改善離子型稀土堆浸尾礦的入滲性能，使得過高的入滲能力回歸到較為正常的水平，這可以顯著提高土壤的保水能力。土壤的入滲性能是包括土壤質地[24]、容重[9，25]、初始含水量[26]、動植物活動[27-28]、土壤有機質含量[14，29-30]等一系列因素共同作用的結果。研究發現土壤的入滲特征與砂粒含量呈極顯著正相關（P＜0.01），這與劉目興等[26]和解文艷等[31]的研究結果基本一致，土壤顆粒越粗，土壤透水性越好，持水性越差，而黏粒則能提高土壤的基質勢能，對土壤入滲起到阻礙作用[24]。容重是影響土壤入滲的重要因素，土壤入滲能力與容重呈負相關關系時有報道[9，25]，但是研究中發現土壤入滲特征與土壤容重之間并無顯著的相關性，容重對土壤入滲特征的影響程度比土壤顆粒組成低，這一方面可能與不同處理間土壤容重的弱變異性有關，變異系數為7.2%，而與土壤入滲特征有顯著關系的初始含水量和砂粒含量均為中等變異。另一方面，砂粒含量高的處理，土壤容重偏低，而黏粒含量最高的T2處理容重最大（表1），土壤容重與土壤砂粒含量的負相關性也是土壤容重與入滲能力無顯著關系的一個重要原因。

綜上，土壤顆粒組成和土壤有機質含量是影響離子型稀土堆浸尾礦入滲性能的主要土壤屬性，采用植物修復模式可有效增加土壤黏粒含量，提升土壤有機質水平，從而改善土壤的水分狀況。

參考文獻：

[1] SANEMATSU K，KON Y，IMAI A，et al. Geochemical and mineralogical characteristics of ion-adsorption type REE mineralization in Phuket，Thailand[J]. Mineralium Deposita，2013，48（4）：437-451.

[2] 張 戀，吳開興，陳陵康，等. 贛南離子吸附型稀土礦床成礦特征概述[J]. 中國稀土學報，2015， 33（1）：10-17.

[3] 張祖海. 華南風化殼離子吸附型稀土礦床[J]. 地質找礦論叢， 1990，5（1）：57-71.

[4] 李永繡，張 玲，周新木. 南方離子型稀土的資源和環境保護性開采模式[J]. 稀土，2010，31（2）： 80-85.

[5] 艾光華，周 源，王 勇. 江西稀土資源的開發利用現狀與產業發展對策[J]. 稀土，2011，32（5）： 97-101.

[6] 熊恬葦，江 豐，齊述華. 贛南6縣稀土礦區分布及其植被恢復的遙感動態監測[J]. 中國水土保持， 2018（1）：40-44，69.

[7] 吳開興，張 戀，朱 平，等. 離子型稀土礦石顆粒粒度分布及變化規律研究[J]. 稀土，2016，37（3）：67-74.

[8] 張潤霞，趙學勇，李 晶，等. 干旱荒漠區土地利用方式快速轉變對土壤入滲性能的影響[J]. 中國沙漠， 2020，40（4）：146-153.

[9] 王曉藝，蘇正安，馬 菁，等. 河北壩上與壩下不同土地利用類型土壤入滲特征及其影響因素[J]. 自然資源學報，2020，35（6）：1360-1368.

[10] 涂安國. 層狀土壤水分入滲與溶質運移研究進展[J]. 江西農業大學學報， 2017， 39（4）： 818-825.

[11] 趙炯昌，潘岱立，衛 偉，等. 植被格局對土壤入滲和水沙過程影響的模擬試驗研究[J]. 生態學報， 2021，41（4）：1373-1380.

[12] 張 婧，雷廷武，胡雅琪，等. 優先流影響下環式入滲儀內入滲過程可視化試驗[J]. 農業機械學報， 2015，46（4）：155-160.

[13] 齊 威. 基于電磁感應技術的土壤水分反演與三維可視化研究[D]. 阿拉爾：塔里木大學，2021.

[14] 何 丹. 封丘地區土壤水分入滲特性的時空變異及其影響因素研究[D]. 雅安：四川農業大學，2012.

[15] 文 慧，倪世民，馮舒悅，等. 贛南崩崗的發育階段及部位對土壤水力性質的影響[J]. 農業工程學報， 2019，35（24）：136-143.

[16] GAO L，SHAO M，WANG Y Q. Spatial scaling of saturated hydraulic conductivity of soils in a small watershed on the Loess Plateau，China[J]. Journal of Soils amp; Sediments，2012（12）：863–875.

[17] 鐘 文，歐陽健，黃 震，等. 不同降雨條件下稀土尾礦堆入滲與破壞規律試驗研究[J]. 中南大學學報（自然科學版），2021，52（11）：4099-4109.

[18] 李春生. 離子型稀土尾礦堆降雨入滲模擬試驗及時空破壞規律研究[D]. 贛州：江西理工大學，2020.

[19] 佘冬立，劉營營，俞雙恩，等.不同土地利用方式下土壤水力性質對比研究[J]. 農業機械學報，2014， 45（9）：175-179，186.

[20] 李 春，劉晶靜，張迎賓. 稀土礦區植物修復研究進展[J]. 生態科學，2022，41（3）：264-272.

[21] WAHLSTRM E M， KRISTENSEN H L， THOMSEN I K，et al. Subsoil compaction effect on spatio-temporal root growth， reuse of biopores and crop yield of spring barley[J]. European Journal of Agronomy， 2021（123）： 126225.

[22] 陳自瑞. 南方紅壤區季節性干旱時空特征及其對作物生產的影響：以江西為例[D]. 武漢：華中農業大學， 2020.

[23] 鄭姍姍. 長汀紅壤強度侵蝕區植被恢復的限制因子研究[D]. 福州：福建農林大學，2015.

[24] 肖慶禮，黃明斌，邵明安，等. 黑河中游綠洲不同質地土壤水分的入滲與再分布[J]. 農業工程學報， 2014，30（2）：124-131.

[25] 彭舜磊，梁亞紅，陳昌東，等. 伏牛山東麓不同植被恢復類型土壤入滲性能及產流預測[J]. 水土保持研究，2013，20（4）： 29-33.

[26] 劉目興，聶 艷，于 婧. 不同初始含水率下粘質土壤的入滲過程[J]. 生態學報， 2012， 32（3）： 871-878.

[27] 蔣忙舟. 黃土高原典型退耕草地植被特征對土壤入滲過程的影響[J]. 水土保持學報， 2022， 36（4）： 99-104，111.

[28] 余 淼. 黃土區典型農林地土壤大孔隙對水分運動參數和微塑料污染的影響機制研究[D]. 楊凌：西北農林科技大學， 2021.

[29] 徐遠慧，馮 璐，屈媛媛，等. 黃土丘陵溝壑區退耕還草年限對土壤性質和入滲性能的影響[J]. 水土保持學報，2022，36（2）：57-63.

[30] 李雪轉，樊貴盛. 土壤有機質含量對土壤入滲能力及參數影響的試驗研究[J]. 農業工程學報， 2006，22（3）：188-190.

[31] 解文艷，樊貴盛. 土壤含水量對土壤入滲能力的影響[J]. 太原理工大學學報，2004，35（3）：272-275.

（責任編輯：高國賦）